薛天（右二）與團(tuán)隊(duì)成員在做實(shí)驗(yàn)。受訪者供圖
■本報(bào)記者 王敏
光，是生命體最重要的外部環(huán)境因素，也是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡恼彰鹘橘|(zhì)和工具。對科學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）教授薛天團(tuán)隊(duì)在國際上開拓和推動了“光感受調(diào)控生命過程”的研究，取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果。近5年來，該團(tuán)隊(duì)3項(xiàng)成果發(fā)表于《細(xì)胞》，多次榮獲“中國科學(xué)十大進(jìn)展”“中國生命科學(xué)十大進(jìn)展”等獎項(xiàng)。
近期，薛天團(tuán)隊(duì)榮獲2024年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎基礎(chǔ)研究獎。薛天個(gè)人榮獲2024年中國科學(xué)院年度創(chuàng)新人物稱號。
“這是對我們團(tuán)隊(duì)腳踏實(shí)地做基礎(chǔ)研究工作的認(rèn)可，我感到非常榮幸。”薛天表示，只有在科學(xué)知識的引領(lǐng)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(lǐng)域
光是生命之源。生命體從誕生到進(jìn)化，都是在太陽輻照下進(jìn)行的。在進(jìn)化的單細(xì)胞階段，生命體已經(jīng)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(shí)就是光感受調(diào)控生命的最簡單形式。
感受外部環(huán)境是生命體的基礎(chǔ)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(xiàn)代化進(jìn)程的加速，人造光源的出現(xiàn)改變了自然光照環(huán)境。大量的公共衛(wèi)生學(xué)調(diào)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(guān)，但缺乏因果性證據(jù)。
“從生命的進(jìn)化、生命體的基本特征以及人類生命健康這三個(gè)角度來看，光感受如何調(diào)控生命都是很值得回答的重要科學(xué)問題。”薛天說，在很長一段時(shí)間里，絕大多數(shù)視覺領(lǐng)域的研究者都在關(guān)注光感受中的圖像視覺問題，鮮有人深入研究光感受調(diào)控生命過程的機(jī)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(xué)院求學(xué)和工作的經(jīng)歷。他所在的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了第三類感光細(xì)胞——自感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ipRGC），改寫了百余年來教科書上的內(nèi)容——視網(wǎng)膜內(nèi)只有視錐、視桿兩類感光細(xì)胞。
這個(gè)全新感光細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了薛天的濃厚興趣。2011年，他獨(dú)立解析出ipRGC的光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機(jī)制，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。
“隨著ipRGC的發(fā)現(xiàn)以及感光分子機(jī)制的明確，我們自然想知道這樣古老的感光細(xì)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(shí)驗(yàn)室，開始著手回答這個(gè)問題。
10多年來，薛天帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次闡述了光影響大腦發(fā)育、調(diào)控血糖代謝和誘發(fā)抑郁樣情緒等的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制，揭示了前端視網(wǎng)膜發(fā)育與衰老過程中的關(guān)鍵基因，首次實(shí)現(xiàn)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(yàn)，系列工作推動了光感受神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)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(zhuǎn)換納米材料導(dǎo)入小鼠視網(wǎng)膜中，首次實(shí)現(xiàn)了小鼠裸眼近紅外圖像視覺能力。
2019年，相關(guān)研究成果在《細(xì)胞》發(fā)表后，得到廣泛關(guān)注。《科學(xué)》評論指出：“如果同樣的技術(shù)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(chǎn)生治療效果。”該研究獲評2019年“中國生命科學(xué)十大進(jìn)展”。
“薛老師教導(dǎo)我們，做科研要把短中期目標(biāo)和長期目標(biāo)有機(jī)結(jié)合。短中期目標(biāo)的不斷達(dá)成，既積累了經(jīng)驗(yàn)、增強(qiáng)了信心，也證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室的持續(xù)創(chuàng)新能力。同時(shí)，要保持初心，圍繞原創(chuàng)性重大科學(xué)問題長期持續(xù)攻關(guān)。只有兩者結(jié)合，才能既腳踏實(shí)地，又仰望星空。”已是中國科大特任教授的馬玉乾說，他剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)做的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究課題持續(xù)了13年，最近剛完成機(jī)理解析，正在總結(jié)成文。
史逸銘是第二名進(jìn)入薛天實(shí)驗(yàn)室的博士研究生。他與合作者以小鼠為模型，從分子以及細(xì)胞層面解析了光如何影響大腦神經(jīng)元突觸的早期發(fā)育。
史逸銘清晰地記得，這項(xiàng)研究源于薛天參加的一場學(xué)術(shù)會議，其中一場學(xué)術(shù)報(bào)告談及了光影響早期腦發(fā)育，這和實(shí)驗(yàn)室此前觀察到的ipRGC在發(fā)育早期就開始感光密切相關(guān)。受此啟發(fā)，薛天走出會場便立即決定啟動相關(guān)研究。
“研究剛開始時(shí)進(jìn)展很順利，但在后期實(shí)驗(yàn)中‘卡殼’了。光對腦突觸發(fā)育的調(diào)節(jié)作用，究竟會對小鼠成年后的生理行為產(chǎn)生怎樣的影響？”史逸銘一段時(shí)間內(nèi)都沒有思路。
在一次偶然的數(shù)據(jù)分析中，史逸銘在另一個(gè)項(xiàng)目的行為實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特殊現(xiàn)象：ipRGC感光蛋白被敲除的成年小鼠，其學(xué)習(xí)速度顯著慢于正常小鼠。很快，他提出，小鼠幼年時(shí)期接受的環(huán)境光通過增強(qiáng)大腦皮層和海馬的突觸發(fā)育，強(qiáng)化了動物成年后的聯(lián)想學(xué)習(xí)能力，而這一能力恰恰是皮層和海馬的關(guān)鍵特征之一。這一想法在隨后的實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)。該研究成果發(fā)表于《細(xì)胞》，獲評2022年“中國神經(jīng)科學(xué)重大進(jìn)展”。
孟建軍從復(fù)旦大學(xué)畢業(yè)后，進(jìn)入薛天實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后階段研究。經(jīng)過多年攻關(guān)，他發(fā)現(xiàn)經(jīng)過短波長藍(lán)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(dǎo)致糖尿病、肥胖等代謝性疾病高發(fā)的現(xiàn)象提供了神經(jīng)生理學(xué)解釋。該成果發(fā)表于《細(xì)胞》，獲評2023年“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。
“我們實(shí)驗(yàn)室的課題往往周期很長，體量和內(nèi)容都很大。因?yàn)槲艺J(rèn)為實(shí)驗(yàn)科學(xué)是在當(dāng)下條件下，窮盡一切技術(shù)手段和辦法趨近于真相的藝術(shù)，下苦功夫不抄近路，是一名真正的科學(xué)家最應(yīng)該遵守的原則。”薛天說，逼近真理的科研過程，無論花費(fèi)多少時(shí)間、投入多少精力，都是必須且值得的。
仍有重大科學(xué)問題待解決
對于未來，薛天認(rèn)為“光與生命”這個(gè)主題仍有重大科學(xué)問題有待解決。例如，光感受里有一個(gè)非常重要的科學(xué)問題是，人視網(wǎng)膜中的黃斑和中央凹的形成機(jī)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(xì)視覺的關(guān)鍵。”薛天表示，黃斑和中央凹的發(fā)育形成機(jī)制是視覺領(lǐng)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(diào)控生命過程方面，我們近期比較關(guān)注光與節(jié)律的關(guān)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(xué)問題背后的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制知之甚少。
隨著對光與生命健康關(guān)系研究的深入，薛天提示人們要特別關(guān)注人造光的光譜、光強(qiáng)以及光照時(shí)間。
具體來說，人們在白天應(yīng)該接受充足的太陽光照射，辦公室內(nèi)可布置短波長的冷光源；夜晚時(shí)，不宜過多暴露在短波長的藍(lán)光之下，客廳、臥室優(yōu)先選用暖光源。
在轉(zhuǎn)化應(yīng)用領(lǐng)域，薛天團(tuán)隊(duì)已研發(fā)出一種多色光源，可對人視網(wǎng)膜中的每一種感光細(xì)胞進(jìn)行相對獨(dú)立的調(diào)控，既能在夜間保證視覺體驗(yàn)，又不產(chǎn)生過多光污染問題，進(jìn)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(xué)工作者的學(xué)術(shù)生涯是很短暫的，能有機(jī)會走在世界前沿、嘗試解決重大科學(xué)問題，是十分幸運(yùn)的。”薛天表示，“同時(shí)，科研工作又是一個(gè)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(xué)邏輯抽絲剝繭，一個(gè)一個(gè)問題去解決，才能在科學(xué)研究中不斷進(jìn)取，有所作為。”
《中國科學(xué)報(bào)》(2025-04-14 第1版 要聞)本文鏈接：http://m.020gz.com.cn/news-8-3491-0.html中國科大薛天團(tuán)隊(duì)：探索光與生命的奧秘
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