环球科技七天博览(2019年10月12日)

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【本期导读】

  • 2019年诺贝尔生理学或医学奖
  • 2019年诺贝尔化学奖
  • 2019年诺贝尔物理学奖
  • 中国科学家研制出微型“血栓探测器”
  • 科学家给癌症患者制定“食疗”菜谱
  • 无锡高架桥侧翻事故:超载事故引人关注

 

2019年诺贝尔生理学或医学奖

2019年诺贝尔生理学或医学奖授予威廉·“比尔”·凯林、彼得·拉特克利夫和格雷格·L·西门扎,以表彰他们“在理解细胞感知、适应氧气变化机制中的贡献”。

威廉·“比尔”·凯林(William “Bill” G. Kaelin),美国肿瘤学家,1957年生于纽约城,现为哈佛大学医学教授。Kaelin本科毕业于杜克大学,并在该校获得医学博士学位。

彼得·拉特克利夫(Peter J. Ratcliffe)生于1954年,是英国细胞及分子生物学家。拉特克利夫毕业于剑桥大学,现为牛津大学标靶研究所(Target Discovery Institute)主任。

格雷格·L·西门扎(Gregg L.Semenza),博士毕业于宾夕法尼亚大学,现为约翰霍普金斯大学医学院教授。

三人的主要贡献

拉特克利夫的重要发现在于找到了氧气感应和信号通路中的关键转录因子,低氧诱导因子(HIF)之间的联系,为整个氧感应机制研究领域奠定了基础。此外,他的研究探究了细胞感应低氧浓度的分子机制。低氧是导致人类患病的一类重要因素,包括癌症、心脏病、中风和血管疾病。

凯林的研究探索了为什么抑癌基因出现突变后将会导致癌症。他的研究发现被称作VHL的抑癌基因能够调节身体对氧浓度的反应VHL能够改变下游蛋白的表达量,来调控身体产生红细胞、生产新的血管来应对低氧浓度。Kaelin还发现低氧诱导因子(HIF)是控制这一系列过程的关键蛋白,HIF对氧浓度高度敏感。凯林教授一直致力于缺氧对肿瘤的影响,他在视网膜母细胞瘤、von Hippel-Lindau(VHL)和P53肿瘤抑制因子方面的研究提示纠正单个基因缺陷可产生一定的治疗效果。其中对VHL蛋白的研究在VEGF抑制剂成功治疗肾癌方面功不可没。其研究组还证实在乳腺癌中谷氨酸旁分泌诱导HIF促进了癌变,这一研究成果公布在Cell杂志上。这些研究在一些前沿创新性医疗手段中有很大的启发意义,也有望为致死性的疾病带来新思路。

西门扎教授主要研究低氧条件在癌症、肺病和心脏病中的作用。自在上世纪90年代发现HIF-1α以来,西门扎及其研究小组一直从事HIF-1α研究,在不同类型的细胞中精确寻找被这一活化蛋白促进或抑制的大量基因。

2016年,这3位科学家曾共同获得拉斯克基础医学奖。(环球科学)

 

2019年诺贝尔化学奖

2019年诺贝尔化学奖揭晓,美国化学家斯坦利·惠廷厄姆、约翰·古德伊纳夫以及日本化学家吉野彰摘得本年度的奖项。

约翰·古德伊纳夫(John Goodenough)生于1922年,是美国固体物理学家,美国国家工程学院、美国国家科学院院士。古德伊纳夫在1951年和1952年分别在芝加哥大学的物理学获得硕士和博士学位,毕业后在马萨诸塞理工学院林肯实验室任职,为数字计算机的随机存取存储器(RAM)开发奠定了基础。离开麻省理工学院后,1976年至1986年,他加入牛津大学,任无机化学实验室主任。在此期间, 古德诺夫发现将钴酸锂用作电极,可以显著提升锂电池的能量密度,他的诸多发现成为了后来锂电池工业的奠基。他于 1986 年加入得克萨斯大学奥斯汀分校,任教和进行科研至今。去年,95岁高龄的古德伊纳夫还带领团队研制出了首个全固态电池。

斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)1941年出生,1968年在牛津大学获得博士学位。毕业后,惠廷厄姆博士前往斯坦福大学做博士后。他于1972年至1984年在埃克森美孚研究与工程公司工作。之后他在斯伦贝谢工作了四年,随后成为宾汉姆顿大学的教授。作为锂离子电池的开拓者,惠廷厄姆一直被媒体预测为诺贝尔化学奖热门人选,科学界对他夺得诺贝尔化学奖的呼声一直很高。78岁高龄的惠廷厄姆目前仍和古德伊纳夫一样,工作在锂离子电池研究的第一线。

吉野彰(Akira Yoshino)生于1948年1月30日,日本化学家,旭化成公司研究员,名城大学教授。

三人的主要贡献

上世纪70年代,供职于美国埃克森石油公司的斯坦利·惠廷厄姆发明了锂电池。他采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂离子电池。

古德伊纳夫则是可充电锂离子电池的发明者,并且领导了项目组发明了可以量产的锂离子电池和磷酸铁锂电池技术。他引领的项目组和SONY公司合作开发出了基于碳材料正极和锂钴氧LiCoO2材料负极的可充电离子电池,也就是目前广泛采用的锂离子电池技术。

1983年,吉野彰(Akira Yoshino)提出了我们今天所知的锂离子电池专利申请,采用了原始概念并将其变得为安全,高效和可靠。他用一种叫做聚乙炔的安全导电塑料代替了阳极上不稳定的锂金属。他还在反应层之间引入了一种基于聚乙烯的热敏膜。当电池过热时,薄膜会融化并起保险丝的作用,以阻止整个结构着火。这是第一个进入市场和消费用的锂离子电池设计。

在惠廷厄姆、古德伊纳夫、吉野彰等人的研究工作的推动下,商业化的锂电池在20世纪90年代在日本推出。随着几十年的发展,锂离子电池已经应用在了地球上几乎每一个便携式电子设备上。(环球科学)

 

2019年诺贝尔物理学奖

2019年10月8日,天文物理学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、米歇尔·梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)共享了今年的诺贝尔物理学奖。其中,皮伯斯获奖理由是物理宇宙学的理论研究,而后两位科学家因发现首个围绕类日恒星运行的系外行星而获奖。

詹姆斯·皮布尔斯个人简历及其贡献

詹姆斯·皮布尔斯1935年4月25日出生于加拿大的温尼伯,加拿大-美国物理学家和理论宇宙学家,普林斯顿大学阿尔贝特·爱因斯坦荣誉科学教授。

皮布尔斯是研究宇宙微波背景辐射的专家。早期宇宙是极高温度和极高密度的均匀气体——当然其实宇宙早期的气体并不是完全均匀的——但是,总之,随着宇宙的膨胀,尺度因子变大,早期宇宙的温度就反比例地降低了,为什么是反比例降低呢?

因为宇宙的尺度因子和光子波长成正比,随着宇宙的膨胀,尺度因子变大。因此光子波长正比例变长。同时因为波长和频率的乘积是光速,是一个常数,所以光子的频率与宇宙的尺度因子成反比。这就是宇宙学红移将引起光子的能量变低。能量在热力学上是波尔兹曼常数和温度的乘积,能量同时与光子频率成正比,所以光子的频率应该与温度成正比。所以总的结果是,尺度因子应该与温度成反比。

一开始,宇宙中是一堆氢离子和氦离子以及电子组成等离子气体,并没有自由光子。在高中物理中,我们知道,氢原子的最低能级是-13.6电子伏特,所以,只要存在能量超过13.6ev的光子气体,氢原子里的电子就会被光子打出来,成为离子状态。这个时候的光子是不自由的,经常与电子碰撞,它们不能跑出来——这就好像一个电影明星穿过一个菜市场,大家都找她签名,明星是不自由的,根本跑不出那个菜市场。

当宇宙的温度降低到退耦温度(T=0.26eV,相当于3000K)以下时,质子与电子才会结合起来生成氢原子。当大多数自由电子被质子俘获后,光子就可以自由地在宇宙中传播,即宇宙对光子变得透明了——这发生在宇宙大爆炸的38万年以后。这就是我们能够观察到的宇宙中最早也是最古老的光,它携带了宇宙大爆炸后遗留下来的信息。由于宇宙学红移,现在观察到大爆炸后遗留下来光子频率的极大值已经移 动到了微波波段,这就是宇宙微波背景辐射被发现的历史故事。

1965年,贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了宇宙最早的光。他们在波长为7.35厘米的长波段发现了温度为3.5K的不明信号——这个温度是根据电子学里的纳奎斯特定理估计出来的。这个信号非常特别,就是无论你如何改进探测仪器,它永远如影随形,不可消除。这个信号甚至与时间无关,与空间无关。也就是说,在任何季节,这个信号存在,在天空的任何方向,这个信号也存在。

作为工程师,彭齐亚斯和威尔逊完全不懂宇宙学,他们刚开始以为,这事情真是见鬼了,他们甚至清除了微波天线上的鸽子粪,但这个神秘信号依然存在。于是他们把观测结果写了一个1000字的文章发表出去了,意思在排除了微波天线上的鸽子粪以后,这些信号依然存在,他们指出这个神秘信号是来自远处的辐射背景。但具体是什么需要得到科学家的解释。普林斯顿大学的科学家迪克和皮布尔斯也在同一期的《天体物理杂志》上详尽地讨论了彭齐亚斯和威尔逊发现的信号的宇宙学意义:这个信号可能来自宇宙大爆炸。

米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹的个人简历和贡献

1992年,亚历山大·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)首次发现系外行星,这颗系外行星围绕脉冲星PSR 1257运行。3年后,在日内瓦大学的梅厄和奎洛兹更进一步,他们在《自然》杂志上发表论文,宣布在利用径向速度测量(多普勒光谱)对飞马座51(51 PEGASI)进行分析的过程中,首次发现围绕主序星运行的系外行星。一周后,加利福尼亚的立克天文台证实了他们的发现。这项发现成为了天文学研究的重要转折点,促进了新的探测仪器的发展,以及促进了对行星形成和演化的理解。此后天文学家开始接受巨行星可以存在于短周期轨道的事实。这项发现使得更多的天文望远镜开始参与系外行星的搜寻。目前,人类发现的系外行星数量已经有4000多颗。

米歇尔·梅厄(Michel Mayor)生于1942年1月12日,他是日内瓦大学天文学系的天体物理学家和荣誉教授。已经于2007年正式退休,但之后仍在日内瓦天文台担任研究员。他是2010年维克托·汉巴久缅国际奖的共同获奖者,以及2015年京都奖的获得者。梅厄拥有洛桑大学的物理学硕士学位(1966)和日内瓦天文台的天文学博士学位(1971)。

迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)是瑞士天文学家,1995年在瑞士日内瓦大学获得博士学位,当时他和博士导师梅厄一起发现了第一颗围绕主序星的系外行星。随后,奎洛兹教授参与了一系列精密摄谱仪的研发,大大提高了多普勒技术的精度。2013年,他成为剑桥大学教授,对宇宙中系外行星的形成、结构和宜居性进行深入的研究。2017年,奎洛兹获得沃尔夫物理学奖。(环球科学)

 

中国科学家研制出微型“血栓探测器”

心血管疾病是人类健康的主要威胁之一,对这类疾病进行预测与术后跟踪,是临床有效诊疗的关键。然而,目前各类分子筛查和影像学技术仍缺乏精准识别功能,冯章启课题组的新技术就试图破解这一难题。科研人员把一块特殊的生物材料,制成仅有正常血管十分之一厚的柔性传感器,将其贴在血管或心脏周围,就可在体外设备清晰记录血栓形成初期、中期和末期全身血压的细微变化,精准确定血栓位置。

记者11日从南京理工大学获悉,该校化工学院冯章启教授课题组原创的这项技术取得阶段性突破,并已完成动物临床医学评价,相关成果近日发表在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上。据论文第一作者李通博士介绍,课题组长期研究生物电子材料与纳米器件,此次他们采用一种厚度仅有200微米的高效柔性纳米纤维材料,它能够精确感受压强变化,再以电压形式表现出来。同时,这种材料具有优异的稳定性、敏感性以及生物相容性,课题组用它设计制造了一种柔性植入式压力传感器,并在动物实验中将传感器植入到成年猪的外周血管和心脏部位,获得了实时、精准的血压变化信号。

“未来,这种柔性传感器可以在心血管手术时植入病人体内,通过无线信号发射器,病人和医护人员在手机端就能实时了解心血管系统的病变情况。”冯章启说,此外,这种精准“压力计”还可用于脑颅压、肾脏压、眼压等领域。(新华网)

 

科学家给癌症患者制定“食疗”菜谱

美国科学家在多种癌细胞中发现了一个代谢弱点,而这些细胞具有一个共同的特征,即被称为剪接体的细胞机器发生了一种基因突变。

在试管和小鼠的实验中,研究人员发现,由此突变引起的剪接体功能异常会削弱细胞合成氨基酸丝氨酸的化学过程,这使得癌细胞需要通过外部“饮食”来源才能获得此氨基酸。研究人员称,当给小鼠喂食缺乏丝氨酸的食物时,它们的肿瘤缩小了,这表明类似的饮食干预可能对携带该基因突变的患者有帮助。富含丝氨酸的食物包括大豆、坚果、鸡蛋、扁豆、肉类和贝类。

此前研究表明,在实验室培养的细胞和患有肿瘤的小鼠中,缺乏丝氨酸可能会限制癌细胞的生长,但这种治疗可能对哪些癌症产生疗效尚不清楚。该研究负责人、约翰斯·霍普金斯大学医学院肿瘤学助理教授W. Brian Dalton表 示,有数据表明,携带SF3B1突变的癌细胞最适合尝试该疗法。“现在我们知道SF3B1突变是元凶,也就知道了哪些患者可能会受益于低丝氨酸的精准肿瘤食疗。”

该研究发表在日前出版的《临床研究杂志》上。(中国科学报)

 

无锡高架桥侧翻事故:超载事故引人关注

10月10日夜,江苏省无锡市312国道K135处、锡港路上跨桥发生桥面侧翻事故。根据无锡市政府官方微博的消息,桥下共有3辆小车被压,桥面上共有5辆车,其中3辆小车、2辆卡车。截至记者发稿时,事故共造成3人死亡、2人受伤。

初步认定事故系超载引起

浙江工业大学教授彭卫兵和西弗吉尼亚大学副教授戴飞等人的研究团队根据网上公开资料,以及倒塌现场残骸照片和视频资料进行了有限元分析。该团队认为,本起桥梁事故可以初步认定事故原因为严重超载和偏载作用下引起梁桥发生倾覆破坏。无锡市事故救援指挥部也肯定了上跨桥侧翻系运输车辆超载所致的说法。也有现场专家表示,事故或并非单一车辆超载所致,先后有多辆超载大货车驶过,导致独柱墩桥面像跷跷板一样运动,最终侧翻。

同济大学桥梁工程系教授张启伟告诉《中国科学报》,根据我国现行公路桥梁设计标准,一级公路汽车荷载等级为公路-I级,相当于一个车队中有一辆55吨的多轴车辆加若干辆20吨的车辆,并且车辆间距大于10米。

而根据现场消息,事故货车载有至少5个28吨的圆柱形钢卷,加上车辆自重,车货总重在150吨以上,也就是说,超过行业标准允许的最大值两倍左右。

“严重超载的车辆大大超过了设计计算荷载,特别是当超重车行走在边上的车道时会产生很大的倾覆力矩,如果超过独柱墩桥梁的抗倾覆能力,则可能导致桥梁倾覆。”张启伟说。

超载不治,后患无穷

据不完全统计,从2000年起的12年间,中国发生的至少17起桥梁坍塌被指与货车超载超限有关。自2010以来,已发生2011年浙江上虞春晖桥事故、2012年黑龙江哈尔滨三环路群力高架桥事故以及2015年广东河源赣粤高速匝道桥等多起因车辆严重超载导致桥梁坍塌的事故。

其中,2012年8月24日的三环路群力高架桥事故中,有四辆超载货车同时行驶在洪湖路上桥匝道外侧,导致大桥连续钢混叠合梁侧滑,四辆货车侧翻,造成3人死亡、5人受伤。

2015年赣粤桥事故后,运输交通部曾向各省市政府下发文件,出台多项措施,要求进一步加强公路违法超限超载治理、加强公路桥梁建设管理和养护管理。

然而此次无锡事故的发生,表明严重超载导致桥梁坍塌的事故隐患在我国依然未得到根治。

“超载不治,后患无穷!”有不愿意透露姓名的交通问题专家高呼,“应呼吁有关部门尽快研究将违规超载和运输纳入刑法,启动立法程序。”

光靠路政管理难以根治

张启伟介绍,交通部2016年施行的《超限运输车辆行驶公路管理规定》,对超限车的类型、载荷和行驶要求,以及违规惩处都做了明文规定,使用超限车运输应向公路管理机构提交大件运输申请,在允许的车道内,按规定的车距、车速驾驶。

彭卫兵等认为,从城市管理的角度,未来应进一步加强对超载超限车辆的实时监控管理。

除了对超载车加强管理,在桥梁设计时,完善设计计算使桥体更加坚实,也是减少桥梁安全事故的办法。彭卫兵等建议,需要进一步完善曲线梁桥抗倾覆计算方法;另外,在荷载不可预测的情况下,应在设计中控制结构(桥梁)的最终破坏模式,避免倾覆破坏(脆性破坏)发生在强度延性破坏之前。

“国家虽有大件运输规定,但是违规超载仍屡屡发生,而且仍有地下改装工厂存在,说明光靠路政管理难以根治问题,需要路政、交通、车辆管理等各部门协调,才能解决问题。”张启伟直言。

解决违规超载引发的安全事故涉及全社会的广泛共识和协作,不仅需要桥梁设计和施工单位提高桥梁的安全指标,监督管理部门加大治理力度,提高管理效率,还需要运输业主增强安全意识,避免侥幸心理,不再违法超载运输。(中国科学报)

(选编:洪田)

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