《科学》揭秘:是什么决定了细胞的衰老?|科学GIF

来源: | 发布时间:2020-12-07 02:34

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《科学》揭秘:是什么决定了细胞的衰老? | 科学GIF

环球科学 环球科学ScientificAmerican 2020-07-18

细胞衰老的两种途径



人的寿命是由什么决定的?目前,我们能给出的答案是,它是由我们身体中的每一个细胞的衰老速度决定的。但这又引出一系列新的问题:这些细胞有固定的衰老过程吗?是以相同的速度、因为相同的原因衰老的吗?一项发表在《科学》上的新研究,回答了这些问题。


研究人员在研究酿酒酵母(能模拟人体内皮肤细胞和干细胞)的衰老时,取得了一项惊人的发现:这些细胞尽管拥有相同的遗传物质,处于相同的环境中,但它们还是可能会以不同的方式衰老。随后,他们利用微流控技术和计算机建模,进行了更加精细的研究。


细胞的两种衰老方式


核仁途径的衰老

线粒体途径的衰老

结果发现,约有一半细胞衰老的原因是核仁的稳定性逐渐下降。核仁是细胞中合成核糖体的场所。在细胞处于活跃时期时,核仁大小能达到细胞核的25%,但在一些休眠的细胞中,核仁会明显减小。而另一半细胞会由于线粒体的功能失调而衰老,随着能量衰竭时,细胞会逐渐衰老。


在细胞生活的早期,它们实际上已在两种衰老途径只选择了一条,并会一直遵循这条衰老轨迹。而在了解细胞的衰老方式后,研究人员发现可以操纵和优化细胞的衰老过程。在进一步的计算机模拟中,他们通过修改细胞的DNA分子和重新编码它们的衰老过程,发现了能显著延长细胞寿命的方式。


文章的通讯作者、加利福尼亚大学圣迭戈分校的分子生物学家Nan Hao说:“我们的研究提出了合理设计基因或化学疗法来重新编程人类细胞的衰老过程,目的是有效地延缓人类衰老并延长人类健康。”下一步,他们计划观测更复杂的细胞和生物体中,以寻找相似的衰老途径。同时,他们将评估治疗剂和药物的“鸡尾酒”组合,以期能有效地延缓衰老。



什么样的碰撞形成了月球?


大约45亿年前,地球的形成过程已步入后期,这时的地球仍是一颗没有卫星的年轻行星。突然,一颗大小与火星相当的原行星撞击地球。撞击的结果是,地球失去了约10%~50%的大气,而这颗天体损失了近一半的重量,被地球的引力捕获,最终演化成为了地球的卫星——月球。但科学家其实并不清楚这次撞击的具体过程,以及在此之后地球和月球又是如何演化的。


最近,一群行星科学家在发表于《天体物理学杂志》的研究中重现了这个撞击过程。他们想了解如果天体撞击的角度、速度不一样,地球会出现何等惨烈的情况,大气层又会受到怎样的影响。他们利用三维平滑粒子对这一撞击过程进行了超过100次精细模拟,让天体不停地去撞击一颗地球大小的行星。


原行星直接撞向地球


从侧面撞向地球


当天体以最大的速度直面撞击行星时,不出所料,场面十分惨烈。在模拟的场景中,天体不仅完全击穿了行星的表面大气,甚至完全击穿了行星,而行星的大气层几乎被完全撞离。可想而知,这颗行星由于失去了大气层,将无法在后期像地球一样演化出生命。


另一个模拟场景相对理想,这次天体撞击时有一定的角度,行星表面的一部分大气被撞离。而大气由于具有惯性且受到行星的引力,其中一部分会重新回到行星表面。但是,天体并没有完全逃离地球的引力,随后,它对行星造成了第二次撞击,造成了行星大气的再一次损失。


在这些撞击模型中,我们能看到天体与行星撞击后,会出现地幔甚至地核间的融合,这一过程也符合科学家对地球和月球撞击的推断。但地球历史上真实出现的情景究竟是怎样的,还有待进一步的模型分析和对更多月球样品的观测。



机器学习设计物理引擎


对于游戏、电影以及一些研究来说,若想在虚拟世界中呈现出某些物质的真实运动方式,物理引擎就是必不可少的工具。过去,想要开发一套物理引擎需要大量的人力和时间。但现在,AI也能做到这一点了。


在本周的国际机器学习大会(International Conference on Machine Learning)上,DeepMind发布了一个新的机器学习程序,名为Graph Network-based Simulator(GNS)。通过向传统的物理引擎学习,这个程序可以重现数万个粒子的相互作用。先来看看一捧沙子、一团河马形状的凝胶,或是一杯水倒入水中,会是什么样子呢?


左边为用于训练的传统物理引擎,右边是GNS学习后给出的模拟场景


在这套系统中,某个物体会被划分为许多小小的粒子。当粒子碰撞时,就会“告知”彼此的位置、速度和性质等信息。而GNS系统通过观察传统物理引擎中粒子的运动,学习当粒子间“传递信息”时,粒子会如何发生相互作用。一旦学会了这套模式,GNS就能直接模拟相当于传统物理模型数倍的粒子,甚至还能模拟出当场景发生晃动,或是增加了障碍物后会发生什么。


除了看起来很酷,研究者还希望这套系统可以帮助机器学会分析周围的事物——谁知道以后机器人会不会需要躲开一个凝胶质的河马呢?


文:石云雷、张二七

编辑:吴非



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