來自青少年科技挑戰論壇的聲音：生命科學中我最期待的突破

編者按

對學生來說，最重要的莫過于學習，而學習的動力源于興趣與堅持。本次“青少年科技挑戰論壇”，邀請了兩位在生命科學領域做出巨大貢獻的諾獎得主與同學們直接對話。在與科學大家思維與語言的交流中，同學們仿佛隨著他們重走了那條艱難崎嶇的道路，也激勵著同學們敢于直面科學創新和挑戰。

因此，本期的“愛·青春”欄目，我們特地選取了本次活動中幾組同學所做的優秀論題，借此呈現他們與兩位諾獎得主之間精彩的互動。也許諾獎對他們來說還太遙遠，但每一位獲獎者又何嘗不是一步步走向神壇的呢？

諾獎得主：蒂姆·亨特（Tim Hunt）教授

蒂姆·亨特教授是從英國癌癥研究中心榮譽退休的“首席科學家”。他生于1943年，在牛津長大，1961年前往劍橋大學學習自然科學。1968年，他憑借《血紅蛋白的合成》一文獲得生物化學博士學位。1982年，亨特發現了細胞周期蛋白，與利蘭·哈特韋爾、保羅·納斯共同榮獲2001年諾貝爾生理學或醫學獎。此外，亨特博士還與慕安得烈合著了《細胞周期簡介》，與約翰·威爾遜合著了《細胞的分子生物學習題集》。

獲獎論題：《人工光合作用的研究和發展前景》

參賽學校：杭州銀湖實驗中學

參賽人員：李心源 孫經略 豐 燁 徐欣璐

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

從上世紀70年代開始，科學家就對人工模擬光合作用進行了研究。現階段，我們僅能利用太陽能將水轉化為氫氣和氧氣。比如華裔納米材料化學家楊培東團隊就利用納米技術和細菌進行人工模擬光合作用，標志著人類對二氧化碳的利用研究進入了新的階段。但是，目前還沒有研究出類植物的人工光合作用。

在生命科學、材料、高分子生命化學高速發展的大環境下，我們期待全真人工光合作用的研究在以下領域取得真正的突破和發展：1、實現光合作用全過程人工模擬;2、人工光合作用裝置微型化、模塊化、集成化、商品化;3、應用于沙漠治理、食物制造、生態城市建設乃至火星宜居環境改造等等。此外，我們還期待將人工光合作用裝置和服裝進行整合，為人體提供營養和氧氣。

蒂姆·亨特教授有話說

這是一個很有想象力的論題。但是，為什么不使用自然光合作用裝置？難道人工的會比自然的美嗎？人類會比大自然更聰明嗎？而且，現今人類已經能夠使太陽能的能效達到30%左右，遠高于光合作用的能效，比如撒哈拉沙漠覆滿光合板的話，就可供應全球的電量。那么，我們為什么還要使用人工光合作用裝置？它會是未來發展的途徑嗎？

獲獎論題：《納米級癌癥識別機器人》

參賽學校：杭州銀湖實驗中學

參賽人員：李心源 孫經略 豐 燁 徐欣璐

據統計，由于缺乏有效的治療，全球每年有數百萬人患癌或死于癌癥，且患者數量呈增加趨勢。因此我們迫切期待在未來十年里，人類能在癌癥治療上有重大突破。

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

我們目前正在鉆研的理想模型稱為“納米級癌癥識別機器人”。它植入了多種納米級檢測裝置，例如配備的3D相機和觸覺傳感器，具有鑒定癌細胞并有針對性地向癌細胞注射化療藥物（Doxorubicin阿霉素）并將其殺死的能力，且不會對其他人體細胞造成傷害。數百萬的納米機器人溶于生理鹽水后直接注入患者的身體，并通過血液擴散，可以有針對性地根除癌細胞，從而治愈癌癥。

電子技術的發展，使建立高級納米級癌癥識別機器人變成可能。此外，成熟的3D打印技術使我們可以批量生產納米級產品。所以，使用納米級癌癥識別機器人是根除癌細胞，治愈癌癥的最佳解決方案。我們相信，在未來10年內，人類將會憑借全新的治療方案，在戰勝癌癥方面取得重大突破。

蒂姆·亨特教授有話說

這個報告很優秀，想法很好，但其中仍存在著問題。雖然癌細胞和正常細胞存在差異，但是它們之間的差異極其微小。因此，納米級癌癥識別機器人如何精準地識別癌細胞和正常細胞，是最為關鍵的問題。機器識別細胞及其完全自動化的操作是很困難的，這要求機器人有很高的敏感度和靈敏度。所以，這個論題還需要繼續改進。

獲獎論題：《細胞再生》

參賽學校：富陽中學國際部

參賽人員：張漢楨 柴 昊 柴 燁

眾所周知，細胞自身具有一定的再生能力。科學研究表明，生物的等級越低，其細胞再生能力越強。人類作為一種高級生物，細胞的再生能力具有極大的局限性，具體表現在修復時長和可修復的組織、器官種類有限。如人類的修復能力僅局限于簡單的表皮挫傷、組織受損等，不能和壁虎、海星、蚯蚓等一樣，完成整個器官甚至個體的自我修復。

目前，人類已嘗試過用成年猴子的眼角膜來為人類做眼角膜修復再生的實驗，以及用干細胞移植修復的實驗。這意味著細胞再生的發展前景很大，在未來10年，可能實現人體外細胞移植，解決許多現在還困擾著我們的難題。

目前看來，最容易實現的是眼角膜修復和體外再生技術來為盲人重新帶來光明，突破僅僅依靠眼角膜捐獻的困局。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，也可以通過這種方法來徹底解決，不再受捐獻量有限的困擾。如果更為成功的話，我們甚至可以增加腦細胞自我再生的速度。這樣一來，人類的智慧將會得到更快的提升，甚至可能打破智商的上限，人為創造出比愛因斯坦更為聰慧的人。或者，提升其他細胞的修復速度，減少士兵負傷時的痛苦，提高戰斗力等。

但是，這種做法也會產生負面影響。如果犯罪分子有了這項技術的支持，會更加無懼肉體上的苦痛，也許會對社會產生更大的危害。

蒂姆·亨特教授有話說

我對這個論題持保守態度。人不能與壁虎、水蜥蜴一樣進行細胞再生，所以在這個方面，人類確實處于劣勢。人類僅可以在皮膚受損時進行自我修復，但是在肢體斷裂時卻不能進行再生。對于斷肢細胞再生，我認為在未來20年內是不太可能完成的。當然，如果成功的話，將會是一個重大的突破。目前，此領域的研究方向還在如何促進細胞再生上。人類一步登天不可能，但仍在不斷地學習、研究中。

諾獎得主：阿達·尤納斯（Ada Yonath）教授

阿達·尤納斯，女，以色列晶體學家，1939年6月出生于耶路撒冷一個貧困的猶太家庭。2006年，阿達·尤納斯與喬治·費埃爾因在“核糖體蛋白合成，光合作用中的光反應”領域中取得突出成就，獲得沃爾夫化學獎。2008年，她又因細菌抗藥性方面的研究，獲歐萊雅和聯合國教科文組織聯合設立的“世界杰出女科學家成就獎”。2009年，瑞典皇家科學院宣布，她與英國科學家文卡特拉曼·拉馬克里希南、美國科學家托馬斯·施泰茨因對“核糖體的結構和功能”研究的貢獻，獲得當年的諾貝爾化學獎。在她之前，諾貝爾化學獎只有3名女性得獎人，而且從1964年英國女生物化學家羅西·克勞富特·霍奇金獲得該獎項之后，就再無女性上榜。

獲獎論題：《生物曲線的秘密》

參賽學校：蕭山高橋小學

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的形態。我們常吃的水果菠蘿，曲線數量為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？這當中是否隱藏著某些規律？

通過觀察、統計和查證，我們發現體現在許多生物體上的螺旋狀曲線的數量都是斐波那契數列（0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89）中的某一個數。那么，生物體中到底還存在著多少未知的發現？如果我們未能在某些生物消亡之前獲得這些未知的發現，那將是非常可惜的事情。

因此，通過實例窮舉和歸納法，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列中的某個數;斐波那契數列中的每一個數，是否都能找到與其對應的生物曲線。

我們設想的解決方案是：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數標準，熟練掌握相應的計數方法;3、統計各種生物曲線的數量，并與斐波那契數列進行比對;4、對例外（不符合數列）情形的思考和解釋;5、用實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·尤納斯教授有話說

你們自己真正去數了菠蘿、松果等生物的曲線數量，并將這些數據進行統計、歸納和分析，真的非常棒！科學領域的探索，常常需要我們全身投入到實驗中去，哪怕是一些小小的實驗，都是意義非凡的。至于大自然為什么會存在著這些規律？其背后的原因又是什么？這需要我們進一步的探索研究。

獲獎論題：《高位截癱者重新站立成事實》

參賽學校：蕭山中學

參賽人員：張鎮東 林一濤 陸亦澄

高位截癱是指在脊髓較高水平位上發生的橫貫性病變。目前，大多數治療方法都沒有較好的實際功效，但通過神經干細胞的分化來治療截癱，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，為神經干細胞的分化提供了新的發展方向。

神經再生膠原支架是一種由膠原蛋白組成的天然神經生物材料支架，可以為脊髓神經再生提供橋梁，有利于細胞再生微環境的重建。因此，我們的研究方向是：通過對目前實驗中神經再生膠原支架修復脊髓過程的進一步研究，實現在體外培養分化神經干細胞，對其進行調控后植入患者脊髓，起到治愈高位截癱的功效。其中，損傷區新生神經元可形成神經元繼電器，增強脊髓重度損傷后運動功能的恢復能力。

我們設想的解決方案是：1、監測、觀察神經干細胞修復脊髓神經（使用神經再生膠原支架）時所發生的變化及相關生長因子的濃度變化;2、實現神經干細胞在體外分化的可控化;3、選擇合適的神經元;4、在神經再生膠原支架上結合CBD-EphA4-LBD及CBD-PlexinB1-LBD，起到在植入后加速其形成神經元及再髓鞘化的作用，并在臨床實驗中將其植入體內，最終達到治愈功效。

阿達·尤納斯教授有話說

為什么選擇這個領域呢？你們是否自己參與到了項目之中？你們有沒有想過，這些研究方向既然已經提出了，為什么難題至今還沒解決呢？因為所有的設想都只是設想，需要投入到具體的實驗中，才能真正解決。