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科幻大片里主人公 呼風喚雨,現實中呢?

2018-09-04 10:00:04  來源:科技日報

9月3日,來自漫威影業官方消息顯示,被稱為最幽默漫威電影的《蟻人2》上映10天票房已突破7億元。漫威英雄都有超能力,蟻人也不例外,他能大小變化自如,還能夠控制各類蟻群組成的“軍團”。在第一部中,創造蟻人的漢克博士表示,前者是通過縮小原子直接的距離,而后者是通過一個小巧的夾耳裝置,將大腦所思所想轉為電磁波,直接指揮螞蟻的嗅覺神經中樞以達到控制的目的。

生物科技經常讓科幻大片里的主人公們呼風喚雨——蜘蛛俠被基因“合集”的蜘蛛咬了一口、美國隊長是因為注射了血清而成為超級戰士、《第九區》中主人公因為感染外星病毒而變成蝦人……這些奇思妙想,有的對于目前的生命科學研究來說“八字還沒一撇”,而有的已經在“改變生活”的路上。

蟻人2

電影場景:意念控制軍團 科研現實:神經信號復雜電磁波協載難

一個小巧的夾耳裝置究竟能不能傳遞人的思想,并控制成千上百螞蟻軍團的行動呢?

如果拆解這個生物電信號傳遞的過程,就可以發現,這是一個將人類神經元電信號捕捉、轉換、傳遞并接收的過程,而在這個過程中人類要像了解程序的底層源代碼一樣了解神經元所傳遞的電脈沖的含義。然而,在神經領域中,這個工作才揭開了一個小角。

目前對神經科學所知甚少

如果以電腦系統的上億行代碼作為總數,人們對神經科學了解的部分可能不及億分之一。在科學家對斑馬魚腦中的10萬個神經元研究了數年后,日前有國內專家表示,將在2020年完成斑馬魚神經元圖譜的繪制工作。相比之下,人類大腦的神經元要復雜數倍,其繪制工作目前預估還需要幾十年時間。

與全局同步推進的研究工作還包括不同神經環路發送信號的意義。例如,戰斗—逃跑的指令是如何發出的,北京生命科學研究所曹鵬團隊通過光遺傳學等多種技術手段,在小鼠視覺中樞上丘中鑒定出一條以小清蛋白為生物標記物的興奮性神經環路,能把預警信息間接傳送給恐懼中樞杏仁核。直接刺激該神經環路,動物做出的相關反應與受到生命威脅時一致。

意念傳遞載體難尋

“《蟻人2》中將神經元中傳遞的信號提取并傳遞,可能是可以實現的,但傳遞介質還有待商榷。”中國科學院深圳先進技術研究院研究員路中華表示,“現階段電磁波還沒有達到擁有能將自己協載的復雜信息準確傳遞給目標神經元的能力。”

有形的介質或許比電影中的電磁波更可能成為傳遞載體的“首選”。可以將其形象地理解為有線電話與手機載波能力的差別。有線電話實現點對點的數據傳輸更精準、更容易,而手機在復雜的區域、地形中的解碼能力還非常薄弱,例如,會經常出現噪音,且聲波的種類相對簡單,腦電信號則復雜得多。

細胞“逆應用”仍需機理探索

另一個可能實現的思路,或許是生物細胞本身的“逆應用”。生命體中存在可以將聲波、光信號等進行轉換的“生命儀器”,如果將機理參透,進行逆向利用,或許可以在不了解神經元電信號含義的情況下,進行獲得和傳遞。

例如,在聽覺方面,將聲波轉換為電信號的細胞是“毛細胞”。有科學家利用單個毛細胞為“零部件”創造了一個機電轉換器,用極細的玻璃纖維模仿聲波推動靜纖毛,毛細胞就會產生電位變化。而如果將該裝置反其道而行之,很可能將以一系列電位變化形式存在的神經信號轉換為機械震動,進而傳播利用。然而,目前科學家還不能完全揭示該細胞內部的分子機理,仍需進一步的基礎研究以實現對其利用。

總而言之,人們現在對神經科學知之甚少,腦電波仍處于捕捉和再現的基礎研究階段,還沒有到轉換狀態和傳播利用,更談不上用腦電波進行動物行為控制的應用研究。

美國隊長

電影場景:20秒變強壯 科研現實:血清雖好卻不能亂用

和蟻人相比,復仇者聯盟中的當家小生美國隊長就接地氣了許多。美國隊長原本是位叫史蒂夫·羅杰斯的普通年輕人,二戰爆發,他想參軍衛國。無奈他瘦弱矮小,只有90磅(81.6斤),屢次造假仍未被選上。在一位項目首席科學家的幫助下,他先被注射超級士兵血清、再經不知名儀器電擊后,在幾十秒內變高長壯,速度、力量、耐力瞬間提升,被稱為美國隊長。

這部作品中的血清就像《大力水手》里的菠菜,只不過這是一罐“永久牌”血清型“菠菜”。資料顯示,血清提供基本營養物質、激素和各種生長因子等。其中類固醇類激素對于身體變化的影響早被世人所知,人們將促進肌肉生長的神秘藥物統稱為“類固醇”。在競技運動中,總有一些希望獲得獎牌的運動員,嘗試此類產品以提高運動成績。

類固醇之所以能夠控制身體生命活動,是因為它直接影響核內基因的表達僅需三步。細胞膜主要成分是磷脂,而類固醇激素的分子質量較小且是脂溶性的,穿透細胞膜的“第一步”如入無人之境。第二步,“借殼入核”,它與細胞質中的物質形成激素—受體復合物,通過Ca2+通道進入核內。第三步,組裝后“吸附”于染色質,控制DNA轉錄,進而誘導或減少某些蛋白質的合成,影響機體變化。在這三步中,一個激素分子可生成幾千個蛋白質分子,從而實現激素的放大功能。

相關資料顯示,一些運動員也通過血液回輸技術來提高比賽成績以逃避檢測,但這一方法不僅會導致血液黏度過高,而且對使用者的循環系統有極大損害。

侏羅紀公園

電影場景:蚊血孵出大恐龍 科研現實:再造生命得先獲干細胞

生物技術中最令人著迷也是最受爭議的部分,應該是“創生”。《圣經》創世紀中記載,上帝分別在第5天、第6天創造生命。而在《侏羅紀公園》中,科學家則是利用凝結在琥珀中的史前蚊子體內的恐龍血液,將已滅絕6500萬年的恐龍復生。

干細胞是生命發育的原點,每個生命個體均從沒有分化的干細胞開始生命旅程,可謂“創生”必備品。此前胚胎只能由胚胎干細胞發育獲得,直到2006年日本學者山中彌伸發表論文報道了小鼠體細胞誘導能夠產生干細胞的研究。他于2012年因該項研究獲得諾貝爾生理或醫學獎。

2009年,我國學者中國科學院動物所周琪利用四倍體胚胎技術培育出27個來自于體細胞誘導的誘導性多能干細胞(IPS)的活體小鼠,最終證明了體細胞經過“重編程”能夠獲得干細胞。這為《侏羅紀公園》中蚊子中含有的恐龍血液細胞變為干細胞提供了微小的可能性。

2008年,北京大學教授鄧宏魁以幾萬種小分子化合物為基礎,進行大規模篩選,最終證明并不需要日本學者的轉基因手段,就可以用小分子處理體細胞,得到IPS細胞,這使得獲得干細胞的方法出現極簡風格。這類研究近年也在突飛猛進,以致于后來有媒體報道相關研究時表示,將體細胞在兩種溶液中“蘸蘸”“洗澡”就能獲得干細胞。

從琥珀中死去的血液細胞是否能獲得干細胞至今沒有人嘗試過,不過其中的某些步驟已經打通;而隨著大鼠等復雜物種研究的逐步深入,從IPS細胞到活體生物的可能性也獲得了大幅提升,盡管人們對恐龍的生物學特性知之甚少,但在對瀕危物種的保護上,相信生物科技能發揮越來越重要的作用。(記者 張佳星)

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