薛天（右二）與團隊成員在做實驗。受訪者供圖
■本報記者 王敏
光，是生命體最重要的外部環(huán)境因素，也是人們日常生活中不可或缺的照明介質和工具。對科學家而言，光更深層次的意義在于對人類生命健康的深刻影響。
中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）教授薛天團隊在國際上開拓和推動了“光感受調控生命過程”的研究，取得了多項原創(chuàng)性成果。近5年來，該團隊3項成果發(fā)表于《細胞》，多次榮獲“中國科學十大進展”“中國生命科學十大進展”等獎項。
近期，薛天團隊榮獲2024年度中國科學院杰出科技成就獎基礎研究獎。薛天個人榮獲2024年中國科學院年度創(chuàng)新人物稱號。
“這是對我們團隊腳踏實地做基礎研究工作的認可，我感到非常榮幸。”薛天表示，只有在科學知識的引領下，合理、智慧地利用光資源，才能讓光真正成為人們健康生活的伴侶。
開拓研究新領域
光是生命之源。生命體從誕生到進化，都是在太陽輻照下進行的。在進化的單細胞階段，生命體已經開始演化出對光的感受能力。“比如，水藻隨著太陽光上浮或下沉，選擇最有利于它的生活環(huán)境。”薛天說，這其實就是光感受調控生命的最簡單形式。
感受外部環(huán)境是生命體的基礎功能之一，而人類80%以上的信息是靠光感受輸入。隨著社會的飛速發(fā)展與現代化進程的加速，人造光源的出現改變了自然光照環(huán)境。大量的公共衛(wèi)生學調查顯示，夜間光污染與肥胖、糖尿病等代謝性疾病的發(fā)病率上升密切相關，但缺乏因果性證據。
“從生命的進化、生命體的基本特征以及人類生命健康這三個角度來看，光感受如何調控生命都是很值得回答的重要科學問題。”薛天說，在很長一段時間里，絕大多數視覺領域的研究者都在關注光感受中的圖像視覺問題，鮮有人深入研究光感受調控生命過程的機理。
薛天研究這一問題，緣起于他在美國約翰斯·霍普金斯醫(yī)學院求學和工作的經歷。他所在的實驗室發(fā)現了第三類感光細胞——自感光視網膜神經節(jié)細胞（ipRGC），改寫了百余年來教科書上的內容——視網膜內只有視錐、視桿兩類感光細胞。
這個全新感光細胞的發(fā)現，引發(fā)了薛天的濃厚興趣。2011年，他獨立解析出ipRGC的光信號轉導分子機制，相關研究成果發(fā)表于《自然》。
“隨著ipRGC的發(fā)現以及感光分子機制的明確，我們自然想知道這樣古老的感光細胞，在生命體中發(fā)揮什么樣的生理功能。”薛天說。也是這一年，他回到中國科大建立了“光與生命”實驗室，開始著手回答這個問題。
10多年來，薛天帶領團隊首次闡述了光影響大腦發(fā)育、調控血糖代謝和誘發(fā)抑郁樣情緒等的神經環(huán)路機制，揭示了前端視網膜發(fā)育與衰老過程中的關鍵基因，首次實現哺乳動物裸眼近紅外圖像視覺能力，開發(fā)的用于黃斑變性治療的藥物已獲批一類新藥臨床試驗，系列工作推動了光感受神經生物學的基礎研究和轉化應用。
窮盡一切手段趨近真相
無論是人還是其他哺乳動物，眼睛只能感受到380至760納米的可見光。能否突破自然界賦予視覺感知的物理極限？作為薛天回國后招的第一名博士研究生，馬玉乾嘗試將一種可吸收紅外光發(fā)出的可見光的上轉換納米材料導入小鼠視網膜中，首次實現了小鼠裸眼近紅外圖像視覺能力。
2019年，相關研究成果在《細胞》發(fā)表后，得到廣泛關注。《科學》評論指出：“如果同樣的技術在人類身上有效，會為士兵提供夜視能力而無需佩戴夜視儀，并有可能對色盲等疾病產生治療效果。”該研究獲評2019年“中國生命科學十大進展”。
“薛老師教導我們，做科研要把短中期目標和長期目標有機結合。短中期目標的不斷達成，既積累了經驗、增強了信心，也證實了實驗室的持續(xù)創(chuàng)新能力。同時，要保持初心，圍繞原創(chuàng)性重大科學問題長期持續(xù)攻關。只有兩者結合，才能既腳踏實地，又仰望星空。”已是中國科大特任教授的馬玉乾說，他剛進實驗室時做的一項基礎研究課題持續(xù)了13年，最近剛完成機理解析，正在總結成文。
史逸銘是第二名進入薛天實驗室的博士研究生。他與合作者以小鼠為模型，從分子以及細胞層面解析了光如何影響大腦神經元突觸的早期發(fā)育。
史逸銘清晰地記得，這項研究源于薛天參加的一場學術會議，其中一場學術報告談及了光影響早期腦發(fā)育，這和實驗室此前觀察到的ipRGC在發(fā)育早期就開始感光密切相關。受此啟發(fā)，薛天走出會場便立即決定啟動相關研究。
“研究剛開始時進展很順利，但在后期實驗中‘卡殼’了。光對腦突觸發(fā)育的調節(jié)作用，究竟會對小鼠成年后的生理行為產生怎樣的影響？”史逸銘一段時間內都沒有思路。
在一次偶然的數據分析中，史逸銘在另一個項目的行為實驗中發(fā)現了一個特殊現象：ipRGC感光蛋白被敲除的成年小鼠，其學習速度顯著慢于正常小鼠。很快，他提出，小鼠幼年時期接受的環(huán)境光通過增強大腦皮層和海馬的突觸發(fā)育，強化了動物成年后的聯(lián)想學習能力，而這一能力恰恰是皮層和海馬的關鍵特征之一。這一想法在隨后的實驗中被證實。該研究成果發(fā)表于《細胞》，獲評2022年“中國神經科學重大進展”。
孟建軍從復旦大學畢業(yè)后，進入薛天實驗室進行博士后階段研究。經過多年攻關，他發(fā)現經過短波長藍光的照射刺激后，小鼠和人的血糖代謝能力都會顯著降低。這為夜間光污染導致糖尿病、肥胖等代謝性疾病高發(fā)的現象提供了神經生理學解釋。該成果發(fā)表于《細胞》，獲評2023年“中國科學十大進展”。
“我們實驗室的課題往往周期很長，體量和內容都很大。因為我認為實驗科學是在當下條件下，窮盡一切技術手段和辦法趨近于真相的藝術，下苦功夫不抄近路，是一名真正的科學家最應該遵守的原則。”薛天說，逼近真理的科研過程，無論花費多少時間、投入多少精力，都是必須且值得的。
仍有重大科學問題待解決
對于未來，薛天認為“光與生命”這個主題仍有重大科學問題有待解決。例如，光感受里有一個非常重要的科學問題是，人視網膜中的黃斑和中央凹的形成機制。
“在哺乳動物中，只有高等靈長類才具備黃斑和中央凹——在眼睛中占比約1%，大約1平方毫米，卻是人類形成精細視覺的關鍵。”薛天表示，黃斑和中央凹的發(fā)育形成機制是視覺領域極為重要的“圣杯”問題，值得長期深入研究。
“而在‘眼-腦’連接調控生命過程方面，我們近期比較關注光與節(jié)律的關系，以及晝夜行動物行為的來源。為什么有的動物在夜間活動，例如小鼠，為什么有的動物在白晝活動，例如人類。”薛天說，人們對這一系列科學問題背后的神經生理學機制知之甚少。
隨著對光與生命健康關系研究的深入，薛天提示人們要特別關注人造光的光譜、光強以及光照時間。
具體來說，人們在白天應該接受充足的太陽光照射，辦公室內可布置短波長的冷光源；夜晚時，不宜過多暴露在短波長的藍光之下，客廳、臥室優(yōu)先選用暖光源。
在轉化應用領域，薛天團隊已研發(fā)出一種多色光源，可對人視網膜中的每一種感光細胞進行相對獨立的調控，既能在夜間保證視覺體驗，又不產生過多光污染問題，進而減少光污染對情緒、節(jié)律、睡眠以及代謝等的影響。
“一名科學工作者的學術生涯是很短暫的，能有機會走在世界前沿、嘗試解決重大科學問題，是十分幸運的。”薛天表示，“同時，科研工作又是一個持續(xù)積累的過程，需要科研人員靜下心來，不能急功近利，一步一步按照科學邏輯抽絲剝繭，一個一個問題去解決，才能在科學研究中不斷進取，有所作為。”
《中國科學報》(2025-04-14 第1版 要聞)本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-3491-0.html中國科大薛天團隊：探索光與生命的奧秘
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