40岁和60岁是衰老的关键转折点；2024未来科学大奖获奖人揭晓 | 科技周览

**整理 | 周舒义、望乡

2024未来科学大奖获奖人揭晓**

8月 16日，2024未来科学大奖获奖名单揭晓。北京大学博雅讲席教授、昌平实验室领衔科学家邓宏魁因开创了利用化学方法将体细胞重编程为多能干细胞，改变细胞命运和状态方面的杰出工作获得“生命科学奖”；中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛、清华大学教授李亚栋因对“单原子催化”的发展和应用所作出的开创性贡献获得“物质科学奖”；浙江大学数学高等研究院教授孙斌勇因在李群表示论上作出的杰出贡献获得“数学与计算机科学奖”。

来源：未来科学大奖官网

未来科学大奖设立于2016年，是由科学家、企业家群体共同发起的民间科学奖项，旨在奖励在大中华地区作出杰出科技成果的科学家。该奖项关注原创性的基础科学研究，设置“生命科学奖”“物质科学奖”“数学与计算机科学奖”三个奖项，每年一届，单项奖金约720万元人民币（等值100万美元）。2024未来科学大奖周将于10月30日-11月3日在香港举行。

40岁和60岁是衰老的关键转折点

“君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。”老去无可避免，但急和缓有很大区别。一项8月14日发表于Nature Aging的研究发现，衰老并非是一个持续稳定的过程，在40岁和60岁附近，有两次加速衰老的“断崖”。

在这项研究中，研究团队对108名年龄在25至75岁之间的参与者进行了长达6.8年的多组学纵向研究。这些参与者生活在美国加州，研究人员定期采集他们的血液、粪便、皮肤、口腔和鼻腔样本，从中提取多组学数据。这些数据不仅涵盖了参与者的基因表达、蛋白质水平、代谢产物水平，还包括了体内微生物的变化。

分析发现，衰老并不是一个简单的线性过程，而是存在着显著的非线性变化，尤其是在40岁和60岁这两个关键的时间点。这些发现颠覆了我们对衰老过程的传统认知，表明了在特定的年龄阶段，人体的分子标志物和生理功能会经历剧烈的变化。

人体在40岁左右开始经历第一个重要的转折点。这一时期，涉及心血管健康、脂质代谢和酒精代谢的分子路径开始发生显著变化。例如，心血管疾病的风险在这个年龄段开始显著增加，同时脂质和酒精代谢相关的功能也出现了显著的变化。这些变化标志着身体开始进入一个更易受衰老相关疾病影响的阶段。

这些非线性变化不仅仅是在生理功能层面体现出来的，还在分子层面揭示了衰老的复杂机制。研究发现，与氧化应激、mRNA稳定性和自噬相关的基因表达在60岁后发生了显著变化。这些过程在细胞维持和清除受损组分中起着至关重要的作用。

此外，随着年龄的增长，血浆中的苯丙氨酸水平会逐渐升高，这与心脏功能的退化有关。而在60岁后，肾功能和血糖水平的变化则表明，老年人更易罹患肾脏疾病和2型糖尿病。随着年龄增长，身体在不同的阶段会经历不同的疾病风险。研究人员表示，未来这些研究成果或将被应用于开发新型的健康监测工具，帮助人们在40岁和60岁这两个关键的转折点前采取预防措施，从而延长健康寿命。
蟑螂能抵抗家用杀虫剂

杀虫喷雾主要喷洒在蟑螂可能出现的表面，蟑螂在经过这些区域时会接触到有毒成分并死亡。然而，一项8月14日发表于Journal of Economic Entomology的研究发现，常见的家用拟除虫菊酯杀虫剂已经对蟑螂“几乎不起作用”。

德国小蠊是全球最普遍、最猖獗和最难治理的一种蟑螂。此前研究表明，家庭环境中的德国小蠊已经普遍对拟除虫菊酯产生了耐药性，但基于这种成分的杀虫剂实地效果如何，还缺乏相关数据。新研究表明，将德国小蠊在杀虫剂喷洒区域暴露30分钟后，杀灭率不足20%。即使将蟑螂一直限制在喷洒区域，大多数拟除虫菊酯杀虫剂也需要8到24小时才能将其杀死，有些产品甚至需要长达五天时间。

研究人员表示，由于拟除虫菊酯杀虫剂的频繁使用，家庭中的德国小蠊已经对其产生了一定程度的耐药性。此外有研究表明，蟑螂会尽量避免长时间停留在杀虫剂喷洒区域，因此通过杀虫喷雾来杀灭蟑螂的效果并不理想。作者认为，比起喷雾，更有效的蟑螂防治办法是设置毒饵。

城市趋向于越来越高，而不是越来越大

过去几十年里，大部分城市的建筑环境越发密集，城市规模不断扩张，向周围“摊大饼”；与此同时，各式楼宇也如雨后春笋，建得越来越高。在一定程度上，这两种扩张方向反映了现代城市的发展模式。8月5日发表在Nature Cities上的一项研究发现，自1990年代以来，城市的发展趋势从“越来越大”转向了“越来越高”。

研究分析了全球1550座城市从1990年代至2010年代的卫星数据，表征过去30年的城市发展变化。卫星数据有两类：一类是二维城市足迹，用以追踪城市的横向扩张；另一类基于成束微波的反射，能够反映城市的纵向发展。研究人员借此分析城市建筑环境在横和纵两个方向的变迁。

结果发现，过去30年里城市建筑的扩张方向在逐渐由横转向纵。1990年代以来，大多数地区和大城市的横向扩张速度趋缓，而几乎所有城市和地区的纵向发展速度都在加快。作者指出，这种趋势也有例外：比如在中国、东南亚和非洲的一些城市，自2010年代以来横向扩张的速度仍然超出了纵向发展。研究人员认为，该研究结果有助于理解城镇化进程，并在城市规划和资源调配中发挥作用。

火星内部深层存在大量液态水
火星上的地震和陨石撞击会产生地震波，这些震波可以帮助绘制火星内部结构。一项新研究分析了由美国航空航天局（NASA）“洞察号”无人探测器检测到的火星地震波，认为在火星地下深层存在一个充满液态水的孔隙和裂缝区。

研究人员通过数学模型来分析地震波信号，该模型也被用来勘探地球的地下水层和油田。结果发现，储水区域存在于火星表面以下11公里至20公里的地方，其液态水储量远超火星地表曾经有过的海洋。尽管这些地下水资源因位置太深而无法开采，但其有可能为生命提供庇护。

“洞察号”使用地震仪研究火星内部

此前已有大量证据支持火星表面曾有液态水流动，但那个“湿润年代”早在30多亿年前就结束了。新研究表明，火星上的大部分水并未逃逸到太空，而是渗入了火星地壳。研究人员表示，该结果为了解火星的过去提供了线索，储水层也可能存在生命。相关论文8月12日发表于PNAS。

“洞察号”无人探测器于2018年降落在火星表面。2022年12月21日，NASA宣布，在对火星进行了4年多的科学探测后，“洞察号”正式结束任务。2018年至2022年间，仪器检测到数百次火星地震。通过分析“洞察”号收集的地震数据，研究人员对火星地壳厚度、核心的深度和组成，以及地幔温度信息有了更多了解。（新华社）

好好睡一觉，记忆力更强
8月15日发表于Science的一项新研究为睡眠的重要作用提供了新的证据，研究人员发现，负责学习和记忆的关键脑区——海马体，在人体睡眠时会产生一种特殊的神经活动模式，对记忆的巩固发挥了不可或缺的作用。

此前研究表明，记忆的巩固发生在睡眠期间，尤其是非快速眼动（NREM）阶段。大脑的海马体会在这个阶段出现一种很特殊的活跃放电模式，被称为尖波涟漪（sharp-wave ripple，SWR）：一批神经元同步放电后，紧接着第二批神经元开始同步放电，像涟漪次第散开。

研究人员在小鼠的海马体中植入电极，记录它们在学习新任务以及随后睡眠期间的神经元活动模式。除尖波涟漪外，他们注意到在NREM阶段，神经网络中还有一种新的集群放电模式，可以与尖波涟漪形成“平衡”。

海马体被细分为CA1、CA2、CA3三个区域。研究发现，活跃的CA1和CA3区域有时会突然变得安静，而此时CA2的神经元发出了一长串动作电位（BARR）。与平均持续50毫秒的尖波涟漪相比，BARR的平均持续时间长达300毫秒。两者都在学习后的睡眠过程中立即增加并频繁出现，随着时间推移逐渐减少。而且两种放电模式总是交替出现，如果利用光遗传学技术人为增加CA1的尖波涟漪，很快由CA2主导的BARR也会增加。

进一步研究显示，在NREM睡眠的早期，曾在清醒状态下参与学习的海马CA1神经元通过尖波涟漪被重新激活，然后随着BARR的出现，CA1神经元的活性在NREM后期逐渐下降到基线水平。通过BARR的“重置”，学习相关的CA1神经元也就可以不断地被再激活，重现学习时的神经活动。

尽管BARR似乎抑制了尖波涟漪，但实验显示，BARR的抑制作用对记忆巩固来说不可或缺。如果人为破坏BARR，尖波涟漪仍会出现，但相关神经元的活动时间被过于拉长，神经元之间的连接出现异常，结果反而损害记忆能力。

研究人员总结说，学习后的神经元再激活需要达到一个平衡状态，过高或过低都会导致记忆问题，而新发现的BARR模式通过微妙地调控这种平衡，有助于防止神经元活动过度。这再次表明，在学习后好好睡上一觉很有必要，可以让大脑为持续不断地学习和吸收新知识做好准备。（学术经纬）

没有找到暗物质，但给出了超重暗物质属性的最强限制

近日，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）合作组搜寻超重暗物质粒子所产生的高能伽马射线信号，虽未能发现暗物质产生的显著信号，但给出了超重暗物质粒子性质最严格的限制。

暗物质是天文观测发现的存在于宇宙中的一种不发光的神秘物质，占宇宙物质组成的85%，但暗物质粒子至今还没有被直接探测到。探测暗物质粒子是当前物理学和天文学共同关注的重大课题。在过去的20年间，世界上开展了一系列搜寻暗物质粒子的大型实验，集中搜索质量在0.1太电子伏特（TeV）附近的暗物质。

LHAASO的观测结果排除了黑线以上的暗物质湮灭反应截面，换句话说，如果暗物质存在的话，其湮灭的几率一定要小于黑线所对应的数值。横坐标代表暗物质质量，纵坐标代表暗物质湮灭产生伽马射线的反应截面，也就是湮灭的几率。不同颜色的虚线是其他实验给出的限制，可见LHAASO在高质量区给出了最强烈的限制。左图和右图分别给出了两个代表性的暗物质粒子的湮灭的反应过程的分析结果。| 紫金山天文台

暗物质粒子在密度高的地方可以相互碰撞并湮灭产生伽马射线，通过研究这些伽马射线就能发现并确定暗物质粒子的性质。LHAASO实验对高能伽马射线具有极强的探测能力，从而对超重暗物质粒子产生的信号有非常高的灵敏度，并能覆盖非常宽广的质量范围。矮椭球星系是被银河系引力束缚的小星系，也称为卫星星系，普通物质含量少，天体活动非常微弱，其主要成分由暗物质组成，是搜寻暗物质信号的理想对象。本次研究利用LHAASO数据搜寻来自银河系16个矮椭球星系的暗物质湮灭所产生的高能伽马射线信号。结果对质量大于约10 TeV的暗物质粒子属性给出了最强的限制。相关研究8月7日发表于Physical Review Letters。

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