来自青少年科技挑战论坛的声音：生命科学中我最期待的突破

编者按

对学生来说，最重要的莫过于学习，而学习的动力源于兴趣与坚持。本次“青少年科技挑战论坛”，邀请了两位在生命科学领域做出巨大贡献的诺奖得主与同学们直接对话。在与科学大家思维与语言的交流中，同学们仿佛随着他们重走了那条艰难崎岖的道路，也激励着同学们敢于直面科学创新和挑战。

因此，本期的“爱·青春”栏目，我们特地选取了本次活动中几组同学所做的优秀论题，借此呈现他们与两位诺奖得主之间精彩的互动。也许诺奖对他们来说还太遥远，但每一位获奖者又何尝不是一步步走向神坛的呢？

诺奖得主：蒂姆·亨特（Tim Hunt）教授

蒂姆·亨特教授是从英国癌症研究中心荣誉退休的“首席科学家”。他生于1943年，在牛津长大，1961年前往剑桥大学学习自然科学。1968年，他凭借《血红蛋白的合成》一文获得生物化学博士学位。1982年，亨特发现了细胞周期蛋白，与利兰·哈特韦尔、保罗·纳斯共同荣获2001年诺贝尔生理学或医学奖。此外，亨特博士还与慕安得烈合著了《细胞周期简介》，与约翰·威尔逊合著了《细胞的分子生物学习题集》。

获奖论题：《人工光合作用的研究和发展前景》

参赛学校：杭州银湖实验中学

参赛人员：李心源 孙经略 丰 烨 徐欣璐

石油燃料的使用造成了嚴重的环境问题，资源的短缺使我们必须向更为清洁且储量巨大的能量来源——太阳求助。人口暴涨、土地资源匮乏，以及气候恶化带来的粮食短缺问题，又让我们十分期待新的食物来源。

从上世纪70年代开始，科学家就对人工模拟光合作用进行了研究。现阶段，我们仅能利用太阳能将水转化为氢气和氧气。比如华裔纳米材料化学家杨培东团队就利用纳米技术和细菌进行人工模拟光合作用，标志着人类对二氧化碳的利用研究进入了新的阶段。但是，目前还没有研究出类植物的人工光合作用。

在生命科学、材料、高分子生命化学高速发展的大环境下，我们期待全真人工光合作用的研究在以下领域取得真正的突破和发展：1、实现光合作用全过程人工模拟;2、人工光合作用装置微型化、模块化、集成化、商品化;3、应用于沙漠治理、食物制造、生态城市建设乃至火星宜居环境改造等等。此外，我们还期待将人工光合作用装置和服装进行整合，为人体提供营养和氧气。

蒂姆·亨特教授有话说

这是一个很有想象力的论题。但是，为什么不使用自然光合作用装置？难道人工的会比自然的美吗？人类会比大自然更聪明吗？而且，现今人类已经能够使太阳能的能效达到30%左右，远高于光合作用的能效，比如撒哈拉沙漠覆满光合板的话，就可供应全球的电量。那么，我们为什么还要使用人工光合作用装置？它会是未来发展的途径吗？

获奖论题：《纳米级癌症识别机器人》

参赛学校：杭州银湖实验中学

参赛人员：李心源 孙经略 丰 烨 徐欣璐

据统计，由于缺乏有效的治疗，全球每年有数百万人患癌或死于癌症，且患者数量呈增加趋势。因此我们迫切期待在未来十年里，人类能在癌症治疗上有重大突破。

癌症是无法通过自然免疫治愈的少数疾病之一，所以治疗癌症必须依靠人为介入。癌细胞与正常细胞之间有明显的物理性质的差异，然而，我们的免疫系统却无法分辨，也无法消灭癌细胞。目前，很多国家都在围绕着癌症治疗方法进行医学研究，而癌症治疗方法主要包括手术、化学疗法和放射治疗。但这些方法都存在缺陷，如手术疗法无法根除癌细胞，化学疗法和放射治疗又在消灭癌细胞的同时，损害正常的身体组织。

我们目前正在钻研的理想模型称为“纳米级癌症识别机器人”。它植入了多种纳米级检测装置，例如配备的3D相机和触觉传感器，具有鉴定癌细胞并有针对性地向癌细胞注射化疗药物（Doxorubicin阿霉素）并将其杀死的能力，且不会对其他人体细胞造成伤害。数百万的纳米机器人溶于生理盐水后直接注入患者的身体，并通过血液扩散，可以有针对性地根除癌细胞，从而治愈癌症。

电子技术的发展，使建立高级纳米级癌症识别机器人变成可能。此外，成熟的3D打印技术使我们可以批量生产纳米级产品。所以，使用纳米级癌症识别机器人是根除癌细胞，治愈癌症的最佳解决方案。我们相信，在未来10年内，人类将会凭借全新的治疗方案，在战胜癌症方面取得重大突破。

蒂姆·亨特教授有话说

这个报告很优秀，想法很好，但其中仍存在着问题。虽然癌细胞和正常细胞存在差异，但是它们之间的差异极其微小。因此，纳米级癌症识别机器人如何精准地识别癌细胞和正常细胞，是最为关键的问题。机器识别细胞及其完全自动化的操作是很困难的，这要求机器人有很高的敏感度和灵敏度。所以，这个论题还需要继续改进。

获奖论题：《细胞再生》

参赛学校：富阳中学国际部

参赛人员：张汉桢 柴 昊 柴 烨

众所周知，细胞自身具有一定的再生能力。科学研究表明，生物的等级越低，其细胞再生能力越强。人类作为一种高级生物，细胞的再生能力具有极大的局限性，具体表现在修复时长和可修复的组织、器官种类有限。如人类的修复能力仅局限于简单的表皮挫伤、组织受损等，不能和壁虎、海星、蚯蚓等一样，完成整个器官甚至个体的自我修复。

目前，人类已尝试过用成年猴子的眼角膜来为人类做眼角膜修复再生的实验，以及用干细胞移植修复的实验。这意味着细胞再生的发展前景很大，在未来10年，可能实现人体外细胞移植，解决许多现在还困扰着我们的难题。

目前看来，最容易实现的是眼角膜修复和体外再生技术来为盲人重新带来光明，突破仅仅依靠眼角膜捐献的困局。而肝脏类、心脏类、截肢、白血病及皮肤病等需要靠移植治疗的疾病，也可以通过这种方法来彻底解决，不再受捐献量有限的困扰。如果更为成功的话，我们甚至可以增加脑细胞自我再生的速度。这样一来，人类的智慧将会得到更快的提升，甚至可能打破智商的上限，人为创造出比爱因斯坦更为聪慧的人。或者，提升其他细胞的修复速度，减少士兵负伤时的痛苦，提高战斗力等。

但是，这种做法也会产生负面影响。如果犯罪分子有了这项技术的支持，会更加无惧肉体上的苦痛，也许会对社会产生更大的危害。

蒂姆·亨特教授有话说

我对这个论题持保守态度。人不能与壁虎、水蜥蜴一样进行细胞再生，所以在这个方面，人类确实处于劣势。人类仅可以在皮肤受损时进行自我修复，但是在肢体断裂时却不能进行再生。对于断肢细胞再生，我认为在未来20年内是不太可能完成的。当然，如果成功的话，将会是一个重大的突破。目前，此领域的研究方向还在如何促进细胞再生上。人类一步登天不可能，但仍在不断地学习、研究中。

诺奖得主：阿达·尤纳斯（Ada Yonath）教授

阿达·尤纳斯，女，以色列晶体学家，1939年6月出生于耶路撒冷一个贫困的犹太家庭。2006年，阿达·尤纳斯与乔治·费埃尔因在“核糖体蛋白合成，光合作用中的光反应”领域中取得突出成就，获得沃尔夫化学奖。2008年，她又因细菌抗药性方面的研究，获欧莱雅和联合国教科文组织联合设立的“世界杰出女科学家成就奖”。2009年，瑞典皇家科学院宣布，她与英国科学家文卡特拉曼·拉马克里希南、美国科学家托马斯·施泰茨因对“核糖体的结构和功能”研究的贡献，获得当年的诺贝尔化学奖。在她之前，诺贝尔化学奖只有3名女性得奖人，而且从1964年英国女生物化学家罗西·克劳富特·霍奇金获得该奖项之后，就再无女性上榜。

获奖论题：《生物曲线的秘密》

参赛学校：萧山高桥小学

参赛人员：汪柳曳 施 悦 许锦涵

螺旋状曲线是自然界一种常见的形态。我们常吃的水果菠萝，曲线数量为8和13，松果为5和8或者8和13，科罗拉多云杉是3和5……這是为什么？这当中是否隐藏着某些规律？

通过观察、统计和查证，我们发现体现在许多生物体上的螺旋状曲线的数量都是斐波那契数列（0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89）中的某一个数。那么，生物体中到底还存在着多少未知的发现？如果我们未能在某些生物消亡之前获得这些未知的发现，那将是非常可惜的事情。

因此，通过实例穷举和归纳法，我们将论证：任何存在于生物体中的某一种（或某一类）曲线，是否都是斐波那契数列中的某个数;斐波那契数列中的每一个数，是否都能找到与其对应的生物曲线。

我们设想的解决方案是：1、在日常生活中观察形形色色的生物体，寻找生物曲线;2、明确各种生物曲线的计数标准，熟练掌握相应的计数方法;3、统计各种生物曲线的数量，并与斐波那契数列进行比对;4、对例外（不符合数列）情形的思考和解释;5、用实证加逻辑分析的方式解释生物曲线的意义;6、基于研究，思考生物多样性的意义。

阿达·尤纳斯教授有话说

你们自己真正去数了菠萝、松果等生物的曲线数量，并将这些数据进行统计、归纳和分析，真的非常棒！科学领域的探索，常常需要我们全身投入到实验中去，哪怕是一些小小的实验，都是意义非凡的。至于大自然为什么会存在着这些规律？其背后的原因又是什么？这需要我们进一步的探索研究。

获奖论题：《高位截瘫者重新站立成事实》

参赛学校：萧山中学

参赛人员：张镇东 林一涛 陆亦澄

高位截瘫是指在脊髓较高水平位上发生的横贯性病变。目前，大多数治疗方法都没有较好的实际功效，但通过神经干细胞的分化来治疗截瘫，是一种可行性较高的方法，而两种拮抗蛋白（CBD-EphA4-LBD及CBD-PlexinB1-LBD）的合成，为神经干细胞的分化提供了新的发展方向。

神经再生胶原支架是一种由胶原蛋白组成的天然神经生物材料支架，可以为脊髓神经再生提供桥梁，有利于细胞再生微环境的重建。因此，我们的研究方向是：通过对目前实验中神经再生胶原支架修复脊髓过程的进一步研究，实现在体外培养分化神经干细胞，对其进行调控后植入患者脊髓，起到治愈高位截瘫的功效。其中，损伤区新生神经元可形成神经元继电器，增强脊髓重度损伤后运动功能的恢复能力。

我们设想的解决方案是：1、监测、观察神经干细胞修复脊髓神经（使用神经再生胶原支架）时所发生的变化及相关生长因子的浓度变化;2、实现神经干细胞在体外分化的可控化;3、选择合适的神经元;4、在神经再生胶原支架上结合CBD-EphA4-LBD及CBD-PlexinB1-LBD，起到在植入后加速其形成神经元及再髓鞘化的作用，并在临床实验中将其植入体内，最终达到治愈功效。

阿达·尤纳斯教授有话说

为什么选择这个领域呢？你们是否自己参与到了项目之中？你们有没有想过，这些研究方向既然已经提出了，为什么难题至今还没解决呢？因为所有的设想都只是设想，需要投入到具体的实验中，才能真正解决。