中國科學家完成驚世創舉 令西方國家頂禮膜拜

新華社北京5月21日消息，光合作用是地球上生命體賴以生存的基礎，對它的科學研究已持續了兩百多年，但仍有很多未解之謎。記者21日從中科院獲悉，該院生物物理所的研究團隊在光合作用研究中獲得重要突破，在國際上率先解析了高等植物（菠菜）光合作用超級複合物的高解析度三維結構。該項研究工作發表在最新出版（5月19日）的國際頂級期刊《自然》上。據介紹，基於結構的光合作用機理研究具有重要的理論意義，同時也將為解決能源、糧食、環境等問題提供具有啟示性的方案。1985年，德國馬普生物化學所的戴森豪福等首次解析了紫細菌光合作用反應中心的晶體結構，獲得了1988年的諾貝爾化學獎。

20日，柳振峰、李梅、章新政（由左至右）手拿超級膜蛋白複合體的樣品合影。因超級膜蛋白複合體中的葉綠素吸收大部分的紅光和紫光，不吸收綠光，該實驗室內的燈光全部為綠色光源以保護葉綠素樣品。近年來，國際上圍繞藍細菌、藻類和高等植物光合作用的結構生物學研究陸續獲得了一系列進展，但關於植物光系統II的結構研究卻相對滯後，這被認為是光合作用研究領域最後一個也是最受關注的超級複合物結構。

章新政、李梅、柳振峰（由左至右）在中國科學院生物物理所的實驗室內合影光合作用是綠色植物利用太陽能把二氧化碳和水合成有機化合物並釋放出氧氣的過程，是地球上最大規模的能量和物質轉換過程，也是幾乎一切生命生存和發展的物質基礎。據生物通網介紹，在太陽能的驅動下，植物、藻類和藍藻細菌都能通過光合作用將水和二氧化碳轉化為富能的有機化合物，並釋放出氧氣。在產氧光合作用中，初期的光物理和光化學過程主要是由兩個光系統：光系統I（PSI）和II（PSII）所介導的。本次的研究就是有關光系統II的。「植物光合作用的原初反應是從光系統II（Photosystem II）開始的，光系統II是一個超大膜蛋白－色素複合物。解析植物光系統II神秘而複雜的精細結構是結構生物學研究領域的科學家們多年來一直追求的熱點和難點課題。」中科院生物物理所研究員柳振峰說。經過多年努力，中科院生物物理所柳振峰研究組、章新政研究組和常文瑞/李梅研究組通力合作，聯合攻關，通過單顆粒冷凍電鏡技術，首次解析了高等植物（菠菜）的光系統II－捕光複合物II（LHC-Ⅱ）超級膜蛋白複合體的三維結構。

章新政在中國科學院生物物理所的實驗室內展示冷凍電鏡科學家介紹，光系統II具有獨特而神奇的裂解水分子和放出氧氣的功能，因此被認為是人工模擬光合作用的理想模板，可為實現光能向清潔能源氫氣轉換提供具有啟示性的方案。「我們解析了高等植物光系統II的高解析度三維結構，並且獲得了其與外周捕光天線之間相互裝配原理和能量傳遞過程相關的重要結構信息。」柳振峰表示，這一突破為研究團隊打開了一片全新的天地，有望在該領域中繼續深入挖掘，獲得更大更複雜的超級複合物研究成果。

中國科學家率先破解光合作用超分子結構之謎此前，中國科學院家還解析了光系統I的高解析度三維結構。2015年5月29日，《自然》雜誌以封面文章的形式刊登介紹了中科院植物研究所的關於光系統I的研究成果。可以說，中國科學界對於人類理解光合作用捕光機理的研究處在了全球領先地位。中國科學家完成不可能任務：或再獲諾獎隨著人類探索太空的深入，未來人類能否在太空正常生活、繁衍後代？空間微重力和輻射等特殊環境會不會對生殖造成不良影響？迄今為止，沒有人能夠明確回答這些問題。為了解開這些疑惑，4月6日發射的我國實踐十號返回式科學實驗衛星把6000餘枚小鼠早期胚胎帶上了太空。它們能否像在地球一樣正常發育？人們對此充滿期待。正在在軌運行的我國「實踐十號」衛星把5000枚小鼠早期胚胎帶上太空。通過特殊顯微鏡，我國科學家成功觀測到小鼠胚胎從二細胞在太空中成功發育成囊胚的全過程。這是世界首次證明哺乳動物胚胎細胞可在微重力高輻射條件下分裂發育。據新華社4月17日報道，經過數天的太空旅行，實踐十號上傳來好消息：小鼠早期胚胎在太空中順利完成從2細胞到囊胚的全程發育。這是世界上第一次實現哺乳動物胚胎在太空發育。

我國科學家成功觀測到小鼠胚胎從二細胞在太空中成功發育成囊胚的全過程。「對哺乳動物早期胚胎在太空發育的研究迄今只有三次嘗試。」這項實驗的負責人、中科院動物研究所研究員段恩奎說。第一次是20年前。1996年，美國哥倫比亞太空梭將49枚小鼠2細胞胚胎送上太空，結果無一發育；此後國外再無進行此類實驗。第二次是10年前。2006年，段恩奎領導的團隊利用我國實踐八號育種衛星留軌艙，開展了小鼠4細胞期胚胎太空發育實驗，首次獲取了太空中的小鼠胚胎圖片，但遺憾的是它們在太空未能完成發育。

我國科學家成功觀測到小鼠胚胎從二細胞在太空中成功發育成囊胚的全過程。第三次就是實踐十號任務。「這十年來我們沒有放棄，這一次終於成功了，在世界上第一次證明了哺乳動物早期胚胎在太空微重力條件下，完全可以發育到囊胚階段。」段恩奎說。為了實現這一科學目標，科學家們完成了「不可能完成」的任務：中科院上海技術物理所研究員張濤領導的胚胎培養載荷研究團隊將地面上一個龐大複雜的胚胎實驗室濃縮成了一個微波爐大小的培養箱和一個電控箱，且使其具有密閉培養、自動搜索識別顯微成像、遙控固定、圖像下傳等功能。十年來，科學家們深入分析研究，對太空胚胎培養方法和固定技術進行了多方面的研究和改進。「比如，我們科學團隊與西北農林科技大學馬保華教授合作研發了胚胎密閉培養體系，研製了適用於太空胚胎培養的特殊培養液，開發了進行大量早期胚胎冷凍、解凍的新技術，以前一次能冷凍1到10個胚胎，現在能一次冷凍50到100個左右。」段恩奎說。此外，科學家們還研製出了適合太空遙操作的胚胎固定技術，反覆研究篩選出了培養單元中胚胎培養液的最佳比例，探索出胚胎固定時最佳的固定液流速……在實踐十號上，安放小鼠胚胎的裝置在19個載荷中屬於最受關愛和特殊照顧的「寵兒」。「它在發射前8小時最後一個裝上衛星，以最大程度縮短在地面停留的時間；在轉運及裝載過程中要求不能斷電超過20分鐘，以保證它的狀態，事實上僅斷電了12分鐘。另外發射前4小時要進行一次自動搜索顯微成像。」段恩奎介紹。進行發育實驗的小鼠胚胎被分為4個單元，每個單元內有150個左右胚胎，衛星入軌後每4小時照相一次，記錄它們的狀態，直到96小時為止。「在72小時左右，2細胞胚胎就發育到囊胚，和地面上時間基本一致。」段恩奎說。

小鼠胚胎髮育過程據介紹，發育成囊胚的胚胎如果沒有及時在母體子宮著床，就會慢慢死去，所以這些小鼠胚胎無法回到地球繼續生長發育。「如果將來有機會短時間就能回收這些胚胎，比如3天，也許就可以及時將它們植入母體，看能不能生下健康的小鼠，那將是更重大的突破。」段恩奎說。除了用於發育實驗，還有一部分胚胎在裝星後72小時要在太空中被注入固定液，固定一定的階段後，隨返回艙回歸地球，用於完成此次實驗的另一個科學目標——探討太空環境對胚胎髮育影響的作用機制。「希望這些小鼠胚胎能安全度過回歸地球的艱難旅程，我們將立刻把它們運回實驗室進行全方位分析研究，與地面對照實驗結果比對，分析胚胎形態變化，進行基因蛋白監測，篩選出影響太空哺乳動物早期胚胎髮育的相關基因。」段恩奎說。「我們希望能為未來人類太空活動中生殖健康提供科學依據。」段恩奎說。他同時指出，人類能否在太空繁衍等謎團需要通過一系列嚴格的科學實驗來一步一步解開，哺乳動物早期胚胎能夠在太空實現發育只是解開人類太空繁衍眾多謎團的第一步。「這次實驗的成功標誌著人類空間探索中的一個重要里程碑，是小鼠胚胎髮育的一小步，卻是整個人類繁殖技術的一次巨大飛躍，」美國斯坦福大學的薛人望教授告訴中國日報。薛人望說，除了用於未來進一步研究人類在太空中的繁殖技術以外，本次試驗中研發的胚胎密閉培養體系還可用於為來自發展中國家的不孕不育夫婦提供試管嬰兒的服務，因為這些國家的人們難以獲得那些高精尖的胚胎培養儀器。以色列特拉維夫大學的生物醫學工程教授DavidElad告訴中國日報，本次實驗的成功不僅是輔助生殖技術的一次飛躍，在科學上也是一項卓越的成就。

實踐十號衛星在軌模擬圖，不需要太陽能板。圖片來源：中國科學院科學傳播局「從2-細胞胚到胚囊這個發育階段，對於胚胎的成功著床和之後胎兒的發育是至關重要的。在這個階段，胚胎會完成大量的遺傳轉化，這些轉化既受生物起源的影響，也受環境因素的影響。在以往對人的體外受精研究中，仍有許多胚胎最終無法發育成囊胚。而在太空微重力條件下，不進行人工干涉就能完成2-細胞胚到胚囊的整個發育過程，反映出研究團隊對早期生殖過程中各種生物因素的深刻理解以及對尖端技術的高水平應用，」David說。「這項具有里程碑意義的發現是段恩奎教授及其團隊在過去十年間不懈努力、辛勤耕耘的結果，」加拿大UBC大學醫學院副院長PeterC.K.Leung教授告訴中國日報。他表示，這項成果不僅影響巨大，而且對於拓展繁殖生物學的新前沿以及促進人類健康福祉均有深遠意義。

4月16日17時15分，隨著直升機弔掛實踐十號返回式科學實驗衛星模擬回收艙飛往預設地域，著陸場區完成該衛星回收前最後一次搜索回收綜合演練。實踐十號主要的科學目標是利用太空中微重力等特殊環境，開展涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射效應、重力生物效應、空間生物技術6大領域的19項科學實驗，研究在微重力條件和空間輻射條件下物質運動及生命活動的規律。該衛星總設計壽命15天，屆時將利用返回式衛星技術按預定程序返回地球。衛星返回後，科學家將對發育了的小鼠胚胎進行進一步的實驗分析。【延伸閱讀】「實踐十號」為何搭載小鼠細胞去太空——專家解讀定量研究輻射對基因組穩定性的影響4月6日凌晨升空的實踐十號返回式科學實驗衛星，搭載了一項科學實驗：空間輻射對基因組的作用和遺傳效應研究。這項研究通過三種對比實驗來研究空間輻射對基因組的影響。中科院生物物理所杭海英研究員的一項實驗就在實踐十號衛星上。他正期待著幾天以後返回地面的小鼠細胞能帶給他期望的結果。11日晚，杭海英接受了科技日報記者的獨家專訪。

中國實踐十號衛星「空間環境中的高放射性輻射和微重力是人類空間活動面臨的兩個有害因素，必須對其作出客觀評估，並據此尋找到恰當的應對方法才能保證人類長期空間活動的順利進行。」杭海英一語道破了其實驗的最終目的。他和團隊設計了太空實驗，以哺乳動物的細胞為樣本，定量研究空間輻射對基因組穩定性的改變情況，為將來開發更靈敏的空間輻射生物學效應檢測方法奠定基礎，並為太空輻射的風險和防護研究提供新的基礎數據和檢測手段。

中國實踐十號衛星杭海英團隊的科學實驗是要通過三種對比開展研究。第一種對比。衛星上攜帶了小鼠的細胞，這些細胞分為兩類，一類是正常的小鼠細胞，一類是有缺陷的小鼠細胞。杭海英說，這些有缺陷的細胞就是基因組不穩定、容易受損傷的細胞。團隊希望通過正常細胞和有缺陷細胞在太空環境下改變的對比，了解微重力和高輻射環境對細胞的影響情況。第二種對比。將兩組小鼠細胞受微重力和高輻射影響的時間分別選定為一天和五天，對比兩種情況下的影響情況。在此前，杭海英在地面上做模擬實驗發現，在一天的微重力環境下，細胞損傷極大，但在五天的微重力環境下，細胞的損傷並不是累加的，它反而有了一個緩慢的恢復過程。團隊想通過小鼠細胞的太空微重力之行，查驗一下模擬條件下的實驗是否準確。「如果結論與地面上是一致的，那麼將來就可以考慮，讓航天員在細胞損傷較大的第一天通過藥物預防，而之後則不需天天補藥。」杭海英說。第三種對比。在太空微重力環境下做小鼠細胞實驗，在地面上也做相應實驗，從對兩者的分析中找出微重力和輻射環境對小鼠細胞的影響，研究地面模擬環境下基因組穩定性改變的機制，從而深入探討空間環境對細胞基因組穩定性的影響及其機制。杭海英認為「空間輻射對基因組的作用和遺傳效應研究」是一項創新性的研究。他說：「關於高輻射對生命的傷害早已有定論，但是在微重力和高輻射雙重條件下，二者對生命的損害是簡單疊加的嗎？或者是超疊加的？我們希望通過實驗得出結論，希望發現差異表達的基因，並對此基因做進一步的功能驗證，以獲取新的空間輻射敏感標誌生物分子。」來源： 西陸網

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