中国科大薛天团队：探索光与生命的奥秘—新闻—科学网

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■本报记者 王敏

光，是薛天新闻生命体最重要的外部环境因素，也是团队探索人们日常生活中不可或缺的照明介质和工具。对科学家而言，光生光更深层次的奥秘意义在于对人类生命健康的深刻影响。

中国科学技术大学（以下简称中国科大）教授薛天团队在国际上开拓和推动了“光感受调控生命过程”的中国研究，取得了多项原创性成果。科大科学近5年来，薛天新闻该团队3项成果发表于《细胞》，团队探索多次荣获“中国科学十大进展”“中国生命科学十大进展”等奖项。光生

近期，奥秘薛天团队荣获2024年度中国科学院杰出科技成就奖基础研究奖。中国薛天个人荣获2024年中国科学院年度创新人物称号。科大科学

“这是薛天新闻对我们团队脚踏实地做基础研究工作的认可，我感到非常荣幸。”薛天表示，只有在科学知识的引领下，合理、智慧地利用光资源，才能让光真正成为人们健康生活的伴侣。

开拓研究新领域

光是生命之源。生命体从诞生到进化，都是在太阳辐照下进行的。在进化的单细胞阶段，生命体已经开始演化出对光的感受能力。“比如，水藻随着太阳光上浮或下沉，选择最有利于它的生活环境。”薛天说，这其实就是光感受调控生命的最简单形式。

感受外部环境是生命体的基础功能之一，而人类80%以上的信息是靠光感受输入。随着社会的飞速发展与现代化进程的加速，人造光源的出现改变了自然光照环境。大量的公共卫生学调查显示，夜间光污染与肥胖、糖尿病等代谢性疾病的发病率上升密切相关，但缺乏因果性证据。

“从生命的进化、生命体的基本特征以及人类生命健康这三个角度来看，光感受如何调控生命都是很值得回答的重要科学问题。”薛天说，在很长一段时间里，绝大多数视觉领域的研究者都在关注光感受中的图像视觉问题，鲜有人深入研究光感受调控生命过程的机理。

薛天研究这一问题，缘起于他在美国约翰斯·霍普金斯医学院求学和工作的经历。他所在的实验室发现了第三类感光细胞——自感光视网膜神经节细胞（ipRGC），改写了百余年来教科书上的内容——视网膜内只有视锥、视杆两类感光细胞。

这个全新感光细胞的发现，引发了薛天的浓厚兴趣。2011年，他独立解析出ipRGC的光信号转导分子机制，相关研究成果发表于《自然》。

“随着ipRGC的发现以及感光分子机制的明确，我们自然想知道这样古老的感光细胞，在生命体中发挥什么样的生理功能。”薛天说。也是这一年，他回到中国科大建立了“光与生命”实验室，开始着手回答这个问题。

10多年来，薛天带领团队首次阐述了光影响大脑发育、调控血糖代谢和诱发抑郁样情绪等的神经环路机制，揭示了前端视网膜发育与衰老过程中的关键基因，首次实现哺乳动物裸眼近红外图像视觉能力，开发的用于黄斑变性治疗的药物已获批一类新药临床试验，系列工作推动了光感受神经生物学的基础研究和转化应用。

穷尽一切手段趋近真相

无论是人还是其他哺乳动物，眼睛只能感受到380至760纳米的可见光。能否突破自然界赋予视觉感知的物理极限？作为薛天回国后招的第一名博士研究生，马玉乾尝试将一种可吸收红外光发出的可见光的上转换纳米材料导入小鼠视网膜中，首次实现了小鼠裸眼近红外图像视觉能力。

2019年，相关研究成果在《细胞》发表后，得到广泛关注。《科学》评论指出：“如果同样的技术在人类身上有效，会为士兵提供夜视能力而无需佩戴夜视仪，并有可能对色盲等疾病产生治疗效果。”该研究获评2019年“中国生命科学十大进展”。

“薛老师教导我们，做科研要把短中期目标和长期目标有机结合。短中期目标的不断达成，既积累了经验、增强了信心，也证实了实验室的持续创新能力。同时，要保持初心，围绕原创性重大科学问题长期持续攻关。只有两者结合，才能既脚踏实地，又仰望星空。”已是中国科大特任教授的马玉乾说，他刚进实验室时做的一项基础研究课题持续了13年，最近刚完成机理解析，正在总结成文。

史逸铭是第二名进入薛天实验室的博士研究生。他与合作者以小鼠为模型，从分子以及细胞层面解析了光如何影响大脑神经元突触的早期发育。

史逸铭清晰地记得，这项研究源于薛天参加的一场学术会议，其中一场学术报告谈及了光影响早期脑发育，这和实验室此前观察到的ipRGC在发育早期就开始感光密切相关。受此启发，薛天走出会场便立即决定启动相关研究。

“研究刚开始时进展很顺利，但在后期实验中‘卡壳’了。光对脑突触发育的调节作用，究竟会对小鼠成年后的生理行为产生怎样的影响？”史逸铭一段时间内都没有思路。

在一次偶然的数据分析中，史逸铭在另一个项目的行为实验中发现了一个特殊现象：ipRGC感光蛋白被敲除的成年小鼠，其学习速度显著慢于正常小鼠。很快，他提出，小鼠幼年时期接受的环境光通过增强大脑皮层和海马的突触发育，强化了动物成年后的联想学习能力，而这一能力恰恰是皮层和海马的关键特征之一。这一想法在随后的实验中被证实。该研究成果发表于《细胞》，获评2022年“中国神经科学重大进展”。

孟建军从复旦大学毕业后，进入薛天实验室进行博士后阶段研究。经过多年攻关，他发现经过短波长蓝光的照射刺激后，小鼠和人的血糖代谢能力都会显著降低。这为夜间光污染导致糖尿病、肥胖等代谢性疾病高发的现象提供了神经生理学解释。该成果发表于《细胞》，获评2023年“中国科学十大进展”。

“我们实验室的课题往往周期很长，体量和内容都很大。因为我认为实验科学是在当下条件下，穷尽一切技术手段和办法趋近于真相的艺术，下苦功夫不抄近路，是一名真正的科学家最应该遵守的原则。”薛天说，逼近真理的科研过程，无论花费多少时间、投入多少精力，都是必须且值得的。

仍有重大科学问题待解决

对于未来，薛天认为“光与生命”这个主题仍有重大科学问题有待解决。例如，光感受里有一个非常重要的科学问题是，人视网膜中的黄斑和中央凹的形成机制。

“在哺乳动物中，只有高等灵长类才具备黄斑和中央凹——在眼睛中占比约1%，大约1平方毫米，却是人类形成精细视觉的关键。”薛天表示，黄斑和中央凹的发育形成机制是视觉领域极为重要的“圣杯”问题，值得长期深入研究。

“而在‘眼-脑’连接调控生命过程方面，我们近期比较关注光与节律的关系，以及昼夜行动物行为的来源。为什么有的动物在夜间活动，例如小鼠，为什么有的动物在白昼活动，例如人类。”薛天说，人们对这一系列科学问题背后的神经生理学机制知之甚少。

随着对光与生命健康关系研究的深入，薛天提示人们要特别关注人造光的光谱、光强以及光照时间。

具体来说，人们在白天应该接受充足的太阳光照射，办公室内可布置短波长的冷光源；夜晚时，不宜过多暴露在短波长的蓝光之下，客厅、卧室优先选用暖光源。

在转化应用领域，薛天团队已研发出一种多色光源，可对人视网膜中的每一种感光细胞进行相对独立的调控，既能在夜间保证视觉体验，又不产生过多光污染问题，进而减少光污染对情绪、节律、睡眠以及代谢等的影响。

“一名科学工作者的学术生涯是很短暂的，能有机会走在世界前沿、尝试解决重大科学问题，是十分幸运的。”薛天表示，“同时，科研工作又是一个持续积累的过程，需要科研人员静下心来，不能急功近利，一步一步按照科学逻辑抽丝剥茧，一个一个问题去解决，才能在科学研究中不断进取，有所作为。”