來(lái)自青少年科技挑戰(zhàn)論壇的聲音：生命科學(xué)中我最期待的突破

編者按

對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，最重要的莫過(guò)于學(xué)習(xí)，而學(xué)習(xí)的動(dòng)力源于興趣與堅(jiān)持。本次“青少年科技挑戰(zhàn)論壇”，邀請(qǐng)了兩位在生命科學(xué)領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)的諾獎(jiǎng)得主與同學(xué)們直接對(duì)話。在與科學(xué)大家思維與語(yǔ)言的交流中，同學(xué)們仿佛隨著他們重走了那條艱難崎嶇的道路，也激勵(lì)著同學(xué)們敢于直面科學(xué)創(chuàng)新和挑戰(zhàn)。

因此，本期的“愛(ài)·青春”欄目，我們特地選取了本次活動(dòng)中幾組同學(xué)所做的優(yōu)秀論題，借此呈現(xiàn)他們與兩位諾獎(jiǎng)得主之間精彩的互動(dòng)。也許諾獎(jiǎng)對(duì)他們來(lái)說(shuō)還太遙遠(yuǎn)，但每一位獲獎(jiǎng)?wù)哂趾螄L不是一步步走向神壇的呢？

諾獎(jiǎng)得主：蒂姆·亨特（Tim Hunt）教授

蒂姆·亨特教授是從英國(guó)癌癥研究中心榮譽(yù)退休的“首席科學(xué)家”。他生于1943年，在牛津長(zhǎng)大，1961年前往劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)自然科學(xué)。1968年，他憑借《血紅蛋白的合成》一文獲得生物化學(xué)博士學(xué)位。1982年，亨特發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期蛋白，與利蘭·哈特韋爾、保羅·納斯共同榮獲2001年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。此外，亨特博士還與慕安得烈合著了《細(xì)胞周期簡(jiǎn)介》，與約翰·威爾遜合著了《細(xì)胞的分子生物學(xué)習(xí)題集》。

獲獎(jiǎng)?wù)擃}：《人工光合作用的研究和發(fā)展前景》

參賽學(xué)校：杭州銀湖實(shí)驗(yàn)中學(xué)

參賽人員：李心源 孫經(jīng)略 豐 燁 徐欣璐

石油燃料的使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，資源的短缺使我們必須向更為清潔且儲(chǔ)量巨大的能量來(lái)源——太陽(yáng)求助。人口暴漲、土地資源匱乏，以及氣候惡化帶來(lái)的糧食短缺問(wèn)題，又讓我們十分期待新的食物來(lái)源。

從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，科學(xué)家就對(duì)人工模擬光合作用進(jìn)行了研究?，F(xiàn)階段，我們僅能利用太陽(yáng)能將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣。比如華裔納米材料化學(xué)家楊培東團(tuán)隊(duì)就利用納米技術(shù)和細(xì)菌進(jìn)行人工模擬光合作用，標(biāo)志著人類對(duì)二氧化碳的利用研究進(jìn)入了新的階段。但是，目前還沒(méi)有研究出類植物的人工光合作用。

在生命科學(xué)、材料、高分子生命化學(xué)高速發(fā)展的大環(huán)境下，我們期待全真人工光合作用的研究在以下領(lǐng)域取得真正的突破和發(fā)展：1、實(shí)現(xiàn)光合作用全過(guò)程人工模擬;2、人工光合作用裝置微型化、模塊化、集成化、商品化;3、應(yīng)用于沙漠治理、食物制造、生態(tài)城市建設(shè)乃至火星宜居環(huán)境改造等等。此外，我們還期待將人工光合作用裝置和服裝進(jìn)行整合，為人體提供營(yíng)養(yǎng)和氧氣。

蒂姆·亨特教授有話說(shuō)

這是一個(gè)很有想象力的論題。但是，為什么不使用自然光合作用裝置？難道人工的會(huì)比自然的美嗎？人類會(huì)比大自然更聰明嗎？而且，現(xiàn)今人類已經(jīng)能夠使太陽(yáng)能的能效達(dá)到30%左右，遠(yuǎn)高于光合作用的能效，比如撒哈拉沙漠覆滿光合板的話，就可供應(yīng)全球的電量。那么，我們?yōu)槭裁催€要使用人工光合作用裝置？它會(huì)是未來(lái)發(fā)展的途徑嗎？

獲獎(jiǎng)?wù)擃}：《納米級(jí)癌癥識(shí)別機(jī)器人》

參賽學(xué)校：杭州銀湖實(shí)驗(yàn)中學(xué)

參賽人員：李心源 孫經(jīng)略 豐 燁 徐欣璐

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于缺乏有效的治療，全球每年有數(shù)百萬(wàn)人患癌或死于癌癥，且患者數(shù)量呈增加趨勢(shì)。因此我們迫切期待在未來(lái)十年里，人類能在癌癥治療上有重大突破。

癌癥是無(wú)法通過(guò)自然免疫治愈的少數(shù)疾病之一，所以治療癌癥必須依靠人為介入。癌細(xì)胞與正常細(xì)胞之間有明顯的物理性質(zhì)的差異，然而，我們的免疫系統(tǒng)卻無(wú)法分辨，也無(wú)法消滅癌細(xì)胞。目前，很多國(guó)家都在圍繞著癌癥治療方法進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究，而癌癥治療方法主要包括手術(shù)、化學(xué)療法和放射治療。但這些方法都存在缺陷，如手術(shù)療法無(wú)法根除癌細(xì)胞，化學(xué)療法和放射治療又在消滅癌細(xì)胞的同時(shí)，損害正常的身體組織。

我們目前正在鉆研的理想模型稱為“納米級(jí)癌癥識(shí)別機(jī)器人”。它植入了多種納米級(jí)檢測(cè)裝置，例如配備的3D相機(jī)和觸覺(jué)傳感器，具有鑒定癌細(xì)胞并有針對(duì)性地向癌細(xì)胞注射化療藥物（Doxorubicin阿霉素）并將其殺死的能力，且不會(huì)對(duì)其他人體細(xì)胞造成傷害。數(shù)百萬(wàn)的納米機(jī)器人溶于生理鹽水后直接注入患者的身體，并通過(guò)血液擴(kuò)散，可以有針對(duì)性地根除癌細(xì)胞，從而治愈癌癥。

電子技術(shù)的發(fā)展，使建立高級(jí)納米級(jí)癌癥識(shí)別機(jī)器人變成可能。此外，成熟的3D打印技術(shù)使我們可以批量生產(chǎn)納米級(jí)產(chǎn)品。所以，使用納米級(jí)癌癥識(shí)別機(jī)器人是根除癌細(xì)胞，治愈癌癥的最佳解決方案。我們相信，在未來(lái)10年內(nèi)，人類將會(huì)憑借全新的治療方案，在戰(zhàn)勝癌癥方面取得重大突破。

蒂姆·亨特教授有話說(shuō)

這個(gè)報(bào)告很優(yōu)秀，想法很好，但其中仍存在著問(wèn)題。雖然癌細(xì)胞和正常細(xì)胞存在差異，但是它們之間的差異極其微小。因此，納米級(jí)癌癥識(shí)別機(jī)器人如何精準(zhǔn)地識(shí)別癌細(xì)胞和正常細(xì)胞，是最為關(guān)鍵的問(wèn)題。機(jī)器識(shí)別細(xì)胞及其完全自動(dòng)化的操作是很困難的，這要求機(jī)器人有很高的敏感度和靈敏度。所以，這個(gè)論題還需要繼續(xù)改進(jìn)。

獲獎(jiǎng)?wù)擃}：《細(xì)胞再生》

參賽學(xué)校：富陽(yáng)中學(xué)國(guó)際部

參賽人員：張漢楨 柴 昊 柴 燁

眾所周知，細(xì)胞自身具有一定的再生能力?？茖W(xué)研究表明，生物的等級(jí)越低，其細(xì)胞再生能力越強(qiáng)。人類作為一種高級(jí)生物，細(xì)胞的再生能力具有極大的局限性，具體表現(xiàn)在修復(fù)時(shí)長(zhǎng)和可修復(fù)的組織、器官種類有限。如人類的修復(fù)能力僅局限于簡(jiǎn)單的表皮挫傷、組織受損等，不能和壁虎、海星、蚯蚓等一樣，完成整個(gè)器官甚至個(gè)體的自我修復(fù)。

目前，人類已嘗試過(guò)用成年猴子的眼角膜來(lái)為人類做眼角膜修復(fù)再生的實(shí)驗(yàn)，以及用干細(xì)胞移植修復(fù)的實(shí)驗(yàn)。這意味著細(xì)胞再生的發(fā)展前景很大，在未來(lái)10年，可能實(shí)現(xiàn)人體外細(xì)胞移植，解決許多現(xiàn)在還困擾著我們的難題。

目前看來(lái)，最容易實(shí)現(xiàn)的是眼角膜修復(fù)和體外再生技術(shù)來(lái)為盲人重新帶來(lái)光明，突破僅僅依靠眼角膜捐獻(xiàn)的困局。而肝臟類、心臟類、截肢、白血病及皮膚病等需要靠移植治療的疾病，也可以通過(guò)這種方法來(lái)徹底解決，不再受捐獻(xiàn)量有限的困擾。如果更為成功的話，我們甚至可以增加腦細(xì)胞自我再生的速度。這樣一來(lái)，人類的智慧將會(huì)得到更快的提升，甚至可能打破智商的上限，人為創(chuàng)造出比愛(ài)因斯坦更為聰慧的人?；蛘?，提升其他細(xì)胞的修復(fù)速度，減少士兵負(fù)傷時(shí)的痛苦，提高戰(zhàn)斗力等。

但是，這種做法也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。如果犯罪分子有了這項(xiàng)技術(shù)的支持，會(huì)更加無(wú)懼肉體上的苦痛，也許會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生更大的危害。

蒂姆·亨特教授有話說(shuō)

我對(duì)這個(gè)論題持保守態(tài)度。人不能與壁虎、水蜥蜴一樣進(jìn)行細(xì)胞再生，所以在這個(gè)方面，人類確實(shí)處于劣勢(shì)。人類僅可以在皮膚受損時(shí)進(jìn)行自我修復(fù)，但是在肢體斷裂時(shí)卻不能進(jìn)行再生。對(duì)于斷肢細(xì)胞再生，我認(rèn)為在未來(lái)20年內(nèi)是不太可能完成的。當(dāng)然，如果成功的話，將會(huì)是一個(gè)重大的突破。目前，此領(lǐng)域的研究方向還在如何促進(jìn)細(xì)胞再生上。人類一步登天不可能，但仍在不斷地學(xué)習(xí)、研究中。

諾獎(jiǎng)得主：阿達(dá)·尤納斯（Ada Yonath）教授

阿達(dá)·尤納斯，女，以色列晶體學(xué)家，1939年6月出生于耶路撒冷一個(gè)貧困的猶太家庭。2006年，阿達(dá)·尤納斯與喬治·費(fèi)埃爾因在“核糖體蛋白合成，光合作用中的光反應(yīng)”領(lǐng)域中取得突出成就，獲得沃爾夫化學(xué)獎(jiǎng)。2008年，她又因細(xì)菌抗藥性方面的研究，獲歐萊雅和聯(lián)合國(guó)教科文組織聯(lián)合設(shè)立的“世界杰出女科學(xué)家成就獎(jiǎng)”。2009年，瑞典皇家科學(xué)院宣布，她與英國(guó)科學(xué)家文卡特拉曼·拉馬克里希南、美國(guó)科學(xué)家托馬斯·施泰茨因?qū)Α昂颂求w的結(jié)構(gòu)和功能”研究的貢獻(xiàn)，獲得當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在她之前，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)只有3名女性得獎(jiǎng)人，而且從1964年英國(guó)女生物化學(xué)家羅西·克勞富特·霍奇金獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)之后，就再無(wú)女性上榜。

獲獎(jiǎng)?wù)擃}：《生物曲線的秘密》

參賽學(xué)校：蕭山高橋小學(xué)

參賽人員：汪柳曳 施 悅 許錦涵

螺旋狀曲線是自然界一種常見(jiàn)的形態(tài)。我們常吃的水果菠蘿，曲線數(shù)量為8和13，松果為5和8或者8和13，科羅拉多云杉是3和5……這是為什么？這當(dāng)中是否隱藏著某些規(guī)律？

通過(guò)觀察、統(tǒng)計(jì)和查證，我們發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)在許多生物體上的螺旋狀曲線的數(shù)量都是斐波那契數(shù)列（0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89）中的某一個(gè)數(shù)。那么，生物體中到底還存在著多少未知的發(fā)現(xiàn)？如果我們未能在某些生物消亡之前獲得這些未知的發(fā)現(xiàn)，那將是非?？上У氖虑?。

因此，通過(guò)實(shí)例窮舉和歸納法，我們將論證：任何存在于生物體中的某一種（或某一類）曲線，是否都是斐波那契數(shù)列中的某個(gè)數(shù);斐波那契數(shù)列中的每一個(gè)數(shù)，是否都能找到與其對(duì)應(yīng)的生物曲線。

我們?cè)O(shè)想的解決方案是：1、在日常生活中觀察形形色色的生物體，尋找生物曲線;2、明確各種生物曲線的計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，熟練掌握相應(yīng)的計(jì)數(shù)方法;3、統(tǒng)計(jì)各種生物曲線的數(shù)量，并與斐波那契數(shù)列進(jìn)行比對(duì);4、對(duì)例外（不符合數(shù)列）情形的思考和解釋;5、用實(shí)證加邏輯分析的方式解釋生物曲線的意義;6、基于研究，思考生物多樣性的意義。

阿達(dá)·尤納斯教授有話說(shuō)

你們自己真正去數(shù)了菠蘿、松果等生物的曲線數(shù)量，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、歸納和分析，真的非常棒！科學(xué)領(lǐng)域的探索，常常需要我們?nèi)硗度氲綄?shí)驗(yàn)中去，哪怕是一些小小的實(shí)驗(yàn)，都是意義非凡的。至于大自然為什么會(huì)存在著這些規(guī)律？其背后的原因又是什么？這需要我們進(jìn)一步的探索研究。

獲獎(jiǎng)?wù)擃}：《高位截癱者重新站立成事實(shí)》

參賽學(xué)校：蕭山中學(xué)

參賽人員：張鎮(zhèn)東 林一濤 陸亦澄

高位截癱是指在脊髓較高水平位上發(fā)生的橫貫性病變。目前，大多數(shù)治療方法都沒(méi)有較好的實(shí)際功效，但通過(guò)神經(jīng)干細(xì)胞的分化來(lái)治療截癱，是一種可行性較高的方法，而兩種拮抗蛋白（CBD-EphA4-LBD及CBD-PlexinB1-LBD）的合成，為神經(jīng)干細(xì)胞的分化提供了新的發(fā)展方向。

神經(jīng)再生膠原支架是一種由膠原蛋白組成的天然神經(jīng)生物材料支架，可以為脊髓神經(jīng)再生提供橋梁，有利于細(xì)胞再生微環(huán)境的重建。因此，我們的研究方向是：通過(guò)對(duì)目前實(shí)驗(yàn)中神經(jīng)再生膠原支架修復(fù)脊髓過(guò)程的進(jìn)一步研究，實(shí)現(xiàn)在體外培養(yǎng)分化神經(jīng)干細(xì)胞，對(duì)其進(jìn)行調(diào)控后植入患者脊髓，起到治愈高位截癱的功效。其中，損傷區(qū)新生神經(jīng)元可形成神經(jīng)元繼電器，增強(qiáng)脊髓重度損傷后運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)能力。

我們?cè)O(shè)想的解決方案是：1、監(jiān)測(cè)、觀察神經(jīng)干細(xì)胞修復(fù)脊髓神經(jīng)（使用神經(jīng)再生膠原支架）時(shí)所發(fā)生的變化及相關(guān)生長(zhǎng)因子的濃度變化;2、實(shí)現(xiàn)神經(jīng)干細(xì)胞在體外分化的可控化;3、選擇合適的神經(jīng)元;4、在神經(jīng)再生膠原支架上結(jié)合CBD-EphA4-LBD及CBD-PlexinB1-LBD，起到在植入后加速其形成神經(jīng)元及再髓鞘化的作用，并在臨床實(shí)驗(yàn)中將其植入體內(nèi)，最終達(dá)到治愈功效。

阿達(dá)·尤納斯教授有話說(shuō)

為什么選擇這個(gè)領(lǐng)域呢？你們是否自己參與到了項(xiàng)目之中？你們有沒(méi)有想過(guò)，這些研究方向既然已經(jīng)提出了，為什么難題至今還沒(méi)解決呢？因?yàn)樗械脑O(shè)想都只是設(shè)想，需要投入到具體的實(shí)驗(yàn)中，才能真正解決。