基因工程
Gene Engineering
防晒霜可以修复DNA损伤：噱头or科学？
DNA-Repairing Sunscreen: Legit or Not?
图片来源：Hotlittlepotato
紫外线无孔不入，专注于“毁”人不倦、“授”人以黑，不曾有丝毫懈怠。炎炎夏日，效果尤甚，即便是走在浓密的树荫下，带着宽边的遮阳帽，撑着黑胶遮阳伞，涂抹超持久的防晒霜，也无法阻挡小哥哥、小姐姐们的“黑化”进程。防晒霜能够阻挡紫外线（SPF30的防晒霜能阻挡97%的紫外线，与之相比，SPF15的效果差4%，而SPF50的防晒效果则多2%），进而降低人们罹患皮肤癌的风险，这是社会人必备的常识。近来，有些企业宣称他们新上市的一些防晒霜，不仅可以阻挡紫外线（UVB），还能够修复UVB造成的DNA损伤。这种言论是否有些夸大其词？保护遗传密码不受损伤从而预防皮肤癌是一回事，但修复已经造成的DNA损伤，完全是另一回事了。这是资本家为了吸金营造的噱头，还是有其科学依据呢[1]？
生物学家Errol Friedberg（德克萨斯大学西南医学中心的名誉教授，研究 DNA 损伤和基因修复酶的专家）也对此表示质疑，他说自己从未听闻有哪种酶能够添加到乳液或防晒霜里并进行DNA损伤修复。“即使可以这样做，酶本身也很脆弱。更何况皮肤是一种多层的组织，仅通过按摩并不一定确保能够让酶进入细胞。我需要看到确切的数据才能相信这种说法。”
然而在经过深入搜寻后，自然界中还真的有这种酶：DNA修复酶不仅可以局部应用，还能增强机体的基因修复机制。市面上的DNA修复防晒霜，价格在百毫升数十至数百美元不等。为何这些防晒霜如此昂贵？因为这不是一瓶单纯的防晒霜，它还含有紫外核酸内切酶（UV endonuclease）或光解酶（photolyase）等小分子。听到它们的名字，你的内心是不是在咆哮，我只是买个防晒霜，为何要跟我说星际飞船及其燃料来源？但实际上它们都是DNA修复酶，它们能够发现紫外辐射造成的基因损伤并迅速对其进行修复，降低皮肤癌形成的几率。这些酶以及类似的分子可谓是神奇莫测，比如说光解酶，它们是由光激活的，这个过程叫做光致复活（photoreactivation），它们只有暴露在阳光下才能修复由阳光造成的 DNA 损伤……这一切都是进化做的好事。
进化是一个神奇的过程，既可以赋予你一些新功能，也可以让你丧失某些能力，比如，人类自身无法产生光解酶（来源于浮游生物和藻类）。最初，地球上几乎所有的生物体都能产生光解酶，从动植物到细菌、真菌，然而在历史上某个时刻，像我们这样的胎盘哺乳动物丧失了这一能力，我们开始采用一种叫做核苷酸切除修复（nucleotide excision repair）的基因修复方法，这种方法效率低不说，听起来也很low。人类自身也无法产生紫外核酸内切酶（科学家在一种叫做藤黄微球菌（Micrococcus luteus）的细菌中发现这种酶）和DNA修复酶T4 核酸内切酶 V（T4 Endonuclease V，T4N5）。科学家首先从其寄生的大肠杆菌中将T4N5分离出来，DNA 修复专家弗里德伯格在70 年代早期发明了一种简便的分离技术，T4N5是一种名副其实的紫外内切酶。当这些酶被成功分离出来之后，科学家们就开始进一步思考能否使它们在局部处理中保持活性并导入人体细胞。这个想法十分诱人，且“钱”景广阔。露华浓（Revlon）的创始人将化妆品称为“盛在罐子里的希望”。但如果DNA都可以修复，谁还能满足于这种希望呢？
第一批嗅到商机的人包括分子生物学家Daniel B. Yarosh，他在20世纪80年代发明了一种更简单快捷、廉价的T4N5提取方法，并成功将其和其它 DNA 修复酶一起包裹在脂质体中，批量生产修复酶。1988年，他为自己的方法申请了专利[2]。此后的30年中，研究者多次证明脂质体能够将DNA修复酶运输至皮肤细胞中。Yarosh先后在培养皿中用紫外照射过的人体细胞和活体小鼠中进行了尝试，实验结果喜人：经载酶脂质体处理过的细胞可以去除更多辐照损伤的 DNA，且修复速度更快，存活时间更长。
很快，研究者利用脂质体将 DNA 修复酶运送到被试者的皮肤细胞中。在2000年的一项研究中，科学家用 UVB 射线辐照被试者臀部，然后用光解酶处理 DNA 损伤，修复效果显著。与此同时，Yarosh主持了一项III期临床试验：易患皮肤癌的受试者使用T4N5脂质体润肤乳一年，其患癌及癌前病变的几率明显低于对照组，这一结果于2001年发表在Lancet杂志上[3]。
这些结果表明，防晒霜真能将 DNA 修复酶运送到细胞中！但是上述中III 期临床试验中的润体乳有实际应用吗？为什么 DNA 修复的防晒霜这么贵，还不好买？原因在于政策及经费：
Yarosh的公司做出了一个重大的商业决定——同意被雅诗兰黛收购。这家化妆品巨头垄断了相关市场，而其也拥有足够多的客户团体愿意购买高价DNA 修复酶，目前市面上所有的DNA修复酶都来自于雅诗兰黛。DNA Renewal 的创始人罗纳德·莫伊（Ronald Moy）很相信 DNA 修复酶的功效[4]，并用其生产了一系列皮肤护理产品，但是他也表示道：“把酶加到防晒霜里还是太贵了”。除此之外，雅罗什也并不认为把DNA修复酶加到防晒霜里是最佳选择。他认为：“防晒霜是停留在皮肤表面的，但DNA修复酶要渗进皮肤里面去。很难找到一种配方让化妆品的一种成分保留在皮肤表面，另一种成分渗透到皮肤内部。我觉得最好的办法是先用含 DNA 修复酶的精华，然后再涂上防晒霜。”他接着说，“但也许化妆品公司真能找到两全其美的办法，或许他们已经发现了也不一定。我们不能妄自断言说不可能有更好的配方，但是相关研究的缺乏让我们很难找出最佳配方，更别说去衡量哪种更实惠了。”
[1]https://www.wired.com
[2]https://patents.google.com/patent/US5077211A/en
[3]https://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(00)04214-8/fulltext
[4] https://www.dnaegfrenewal.com/
航天技术
Space Technology
《科学》：人类登月50年，中国探月人做了啥？
China’s present and future lunar exploration program
1969年7月20日，美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗成为登月第一人。这是他个人的一小步，却是全人类的一大步。今年是阿波罗登月50周年，Science杂志在线发表文章[5]，列举了中国探月工程（CLEP）自2007年启动以来所取得的成就，以及中国在未来30年继续追寻月球秘密的计划与展望。
中国与几个国家密切合作，在科学仪器设计、科学项目制定、数据分析等方面进行广泛合作，正处于月球探索的前沿。7月18日Science杂志在线发表文章，列举了中国探月工程 (CLEP) 自2007年启动以来所取得的成就，以及中国在未来30年继续追寻月球秘密的计划与展望 | 图片来源：NAOC/CNSA
2019年1月3日，月球车玉兔二号与嫦娥四号着陆器成功分离，降落在了月球南极艾特肯盆地的冯卡门撞击坑中。这是机器人第一次探访月球的背面，正如50年前一样，中国在这一次的“着陆”中掀起了月球探索的新篇章。
其实，月球的神秘起源与演化是自然科学范畴内最基本的问题之一，科学家和工程技术人员对月球的探索历久而弥新，迄今为止已发起一百多项探月计划。21世纪以来，各国间针对月球探索的竞赛愈演愈烈，其中，欧洲太空局 (ESA) 的SMART-1，日本的SELENE Kaguya，印度的Chandrayaan-1，美国的LCROSS，LRO，GRAIL，LADEE，以及中国的嫦娥一至四号探月器等正逐渐成为当今世界月球探索的领路先驱。
中国的探月工程（嫦娥工程）制定于2004年，它被分为环月探测，登月探测和回收探月器三个阶段实施，即分别的主要任务为 : 绕月探测、实现月面软着陆和自动巡视勘察、实现无人采样返回。2005年，探月工程的首位首席科学家欧阳自远提出了月球探测的14个核心问题[5]。2007到2019年间，中国成功完成了嫦娥一号到嫦娥四号的月球探测任务。这些任务的完成不但为今后的探月计划提供了坚实的技术基础（比如，轨道设计、飞行器控制、高精度遥感通信技术、月球软着陆等），还在月球探测领域获得了重要的科学成果。具体来说，嫦娥一号和嫦娥二号获得了分辨率为7米的全月图像和月貌地形图，首次分析了月球全球微波辐射，并且在月球的日夜交替处发现了质子加速现象。嫦娥三号的月球车发现了一种新的月球玄武岩。利用月球表面作为观测平台，嫦娥三号还研究了恒星光变和地球电离层在紫外波段的变化。嫦娥四号实现了月球背面的首次实地勘测，在临近的芬森撞击环摄取了喷发物残渣，继而通过对其可见光和近红外光谱的研究，展示了月球内部的岩石结构。为了评估在月球放置低频率射电望远镜的可行性，嫦娥四号还分析了月球背面的磁场情况，同时探测了由太阳和其他射电源发出的低频射电波 （0.1~40 MHz）。嫦娥五号计划于2020年初执行，它的科学目标是判定月球火山活跃期结束的准确时间，理解早期火山与晚期火山在矿物质和岩石学上的差异，对月球热演化和内部演化提供一个全面的了解。为了实现这一科学目标，嫦娥五号将从月面风暴洋（Oceanus Procellarum）北部的Mons Rumker携带样本回地球。
在实现了上述“绕、落、回”三个目标后，探月工程继续制定了2030年的全新目标，探月计划的重心也从空间技术转向空间科学和空间应用。这次的计划主要包括勘测月球环境和资源，建立一个长期的基础研究站，验证月球资源开发和利用的可行性等。基于上述目标，该计划仍分三次执行：嫦娥六号从南极携带标本，嫦娥七号勘察南极地区环境和资源，嫦娥八号验证3D打印月球结构等核心技术。在计划执行期间还将同时在月球上建造一个以机器人为基础的科学研究站。与之相应发展的技术包括：高精度定点着陆和高载荷着陆，对撞击环永久避光地区的勘探，适应极地恶劣环境的高智商机器人，全面控制月球科学研究站的智能操作系统，分离萃取稀有气体等。建成的月球研究站将负责月球资源的开发和利用，并为今后的月球研究基地和人类实地勘探月球做准备。
2030年后，机器人探月和人类登月实地考察将同步发展。随着对月球科学本质认知的深入和月球资源开发利用技术的发展，以及生物再生技术的支持，月球研究站将发展为可供宇航员短时停留甚至长期工作的月球研究基地。
50年前的阿波罗计划为人类社会发展做出了积极的贡献。中国愿意和各国携手共建一个和谐的科学圈，共同探索太空，共享科学和技术成果，开创人类美好的未来。
[5] https://science.sciencemag.org/content/365/6450/238
食品科学
Food Science
昆虫或是一种“超级食物”？顶级“抗氧化”功用昆虫名单出炉
Antioxidant Activities in vitro of Water and Liposoluble Extracts Obtained by Different Species of Edible Insects and Invertebrates
市面上出售的可食用昆虫和各种节肢动物的抗氧化能力(TEAC)比较表: 蚱蜢和蚕的抗氧化能力与鲜橙汁相似 | 图片来源：Professor Mauro Serafini
市面上出售的可食用昆虫和各种节肢动物的抗氧化能力(TEAC)比较表: 蚱蜢和蚕的抗氧化能力与鲜橙汁相似 | 图片来源：Professor Mauro Serafini
橙汁不仅可口，更富含多种具有抗氧化作用与保健功效的活性成份，并且可以抑制心血管和癌症等疾病的发生，是人们摄取类黄酮等抗氧化物的重要来源之一[6]。
7月15日的一项研究表明，部分昆虫或节肢动物的抗氧化物成份含量与橙汁相当[7, 8]。食用昆虫，如蚱蜢、蚕、部分蜘蛛和蚂蚁等，富含蛋白质、多不饱和脂肪酸、矿物质、维生素和纤维。但到目前为止，还没有人将它们与传统的功能性食品，如橄榄油或橙汁等进行抗氧化活性比较。基于此，该研究首次测量了市面上可食用昆虫的抗氧化水平。
研究结果表明，面对日益增长的人口和资源问题，也许我们不得不承认，昆虫或在未来成为肉类或其他动物产品的可持续替代品。正如该研究的领导者，Mauro Serafini教授所说：“世界上至少有20亿人经常吃昆虫，而其他未曾食用过昆虫的人，则需要我们进行更大的鼓励。”
[6] 硕士论文：西南大学朱玉昌
[7] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/f-mts071219.php
[8] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnut.2019.00106/full
生命科学
Bioscience
宫颈癌疫苗对男性同样受用！
HPV vaccine for boys 'will prevent thousands of cancers'
图片来源：CDC
在美国，每年有超过13000名男性因感染人类乳头瘤病毒(HPV)而患上癌症。对于男性，HPV疫苗同样可以预防这类癌症的发展。
HPV是一种常见病毒，可同时感染男性和女性。HPV是如此的常见，以至于10人中有8人会在其一生中的某个时间点感染HPV。在大多数情况下，HPV病毒会自行消失。但是，有时，HPV病毒感染不会消失，并可能导致某些癌症和其他疾病的发生。
因此，对于11或12岁的正处于青春期的男孩，同样建议接种HPV疫苗[9]。男孩和女孩一样，应该在11或12岁时接种两剂HPV疫苗，以便在病毒暴露之前就能预防HPV感染。
[9] https://www.bbc.co.uk/news/health-48881008
信息技术
Information Technology
超越5G：UCI电气工程团队开发超快无线收发器
A 115-135-GHz 8PSK Receiver Using Multi-Phase RF-Correlation-Based Direct-Demodulation Method
UCI电气工程团队开发的“端到端收发”芯片具有独特的架构，将数字和模拟组件结合在一个单一的平台上，从而实现超高速数据处理和低能耗操作 | 图片来源：Steve Zylius
近期，作为芯片设计及集成电路领域国际最顶级期刊之一，IEEE Journal of Solid-State Circuits在线发表了加州大学欧文分校（UCI）电气工程团队的最新工作[10]：一种新的无线收发器，可以将无线电频率提高到100千兆赫，是即将推出的5G无线通信标准（即第五代无线通信标准）速度的四倍。
在UCI的纳米级通信集成电路实验室，这块4.4毫米见方的硅芯片被其发明者称为“端到端收发器”，由于其独特的数字模拟结构，使得其能够以更快的速度和更高的能源效率处理数字信号。
“我们把我们的芯片称为‘beyond 5G（超越5G）’，因为我们可以达到的速度和数据速率比新无线标准（5G）的能力高出两个数量级，”UCI电气工程团队的Payam Heydari教授表示：“该芯片以更高的频率运行，意味着你、我和其他所有人都可以获得比运营商所提供的更大带宽。”
科研人员和信息工程师一直想知道无线系统是否能够达到光纤网络级的高性能和高速度。如果这种芯片能够得到普适性的实现，那么它将改变现有的电信行业。
[10] https://ieeexplore.ieee.org/document/8758316/authors#authors
环境科学
Environmental Science
减少中国的臭氧污染，或可挽救33万人的生命
By cutting ozone pollution now, China could save 330,000 lives by 2050
预测2015-2050年中国臭氧污染导致的死亡人数变化情况。臭氧污染会持续导致死亡人数增加（左图红色区域），而积极的环境治理策略，将可以挽救更多人的生命（右图蓝色部分）| 图片来源：Westervelt et al., 2019
夏季是臭氧污染的高发期。在大气层的高处，臭氧层保护我们的星球免受强烈的紫外线辐射。一旦臭氧进入我们的呼吸系统，便会导致心血管疾病、中风和呼吸问题等，甚至致人死亡。地面臭氧的形成主要有两大要素，一是由发电厂、燃煤锅炉、涂料油漆和机动车尾气排放出的“氮氧化物”和“挥发性有机物”；二是高温和光照。每当夏季来临，气温升高，光照增强，加之污染物排放，臭氧极易发生超标现象。
哥伦比亚大学（Columbia University）拉蒙特-多尔蒂地球观测站（Lamont-Doherty Earth Observatory）的一项最新研究显示[11]，如果中国现在采取强有力的措施减少臭氧污染，从长远来看，这可能会挽救数十万人的生命。
臭氧污染在中国已经非常普遍，2015年约有6.7万人因臭氧污染死亡。哥伦比亚大学的研究人员分析，未来的情况可能会变得更糟。通过多种情况的数值模拟分析，研究人员表示，中国正处于一个重要的十字路口，未来的空气质量将严重依赖于通过减少臭氧和导致气候变化的减排政策。“气候变化和空气质量问题是密切相关的，所以同时解决这两个问题是有意义的。”
然而，可以肯定的是，减少臭氧排放（如60％）并不容易。这将需要许多新政策的制定，比如提高燃油效率标准、改用电动汽车、在发电厂烟囱安装空气污染控制装置，以及改用天然气和可再生能源等更清洁的能源等。尽管困难重重，但是根据现有的政策措施和科学技术，实现60%的臭氧减排仍然是可行的。
[11] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/eiac-bco071619.php
作者简介
徐颖，中国科学技术大学，生物化学与分子生物学博士
董晓怡，曼灵公司，天体物理学博士
陈航，哈尔滨工业大学，仪器学科博士
特 别 提 示
《返朴》，一群大科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑，与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起，与你共同求索。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。
