惊艳！生命科学年度美图盘点

yinfuhua

惊艳！生命科学年度美图盘点
% d7 z7 R6 O. c1 n' M, K# I: ^来源：科学人 / 作者： / 2015-12-23& c2 x: O& I9 c0 L# ?0 C: S
枯燥的数据和图表可不是科研工作的全部，科学图片也可以像艺术作品一样传递美好的视觉体验。今天，我们来欣赏一下美国实验生物学会联合会（Federation of American Societies for Experimental Biology，FASEB）评选出的2015年度“生物艺术”获奖作品。
5 A8 t/ t; c; m6 L这一比赛旨在向大众呈现前沿生命科学的文艺一面，本次入选的获奖作品包括11张图片与两段短视频，这些惊艳的作品选自生命科学的不同分支，从组成埃博拉病毒的蛋白结构到吞食细菌的线虫，生命科学大树的每个“枝桠”都能结出美丽的成果。! Q9 N  ~+ c$ `( r
繁花' ^# t& M: U( T2 n+ q6 e
表达不同荧光色彩的癌细胞9 B( B& G2 G6 {% y- r9 L
  / p' R7 g3 A: w0 [# S* v# C/ f& c( x
图中的抽象画般的色彩来自表达了不同荧光色彩的小鼠细胞。研究团队用一种“碎花”（Confetti，原意为五彩纸屑）式的荧光标记技术对胰腺癌模型小鼠进行了标记。在这里，成年小鼠的细胞会随机表达四种荧光蛋白中的一种，而增殖后的子代细胞还会“继承”与母代同样的荧光色彩。这样做有什么用？不同的色彩标记可以帮助监测胰腺癌的发生和发展过程。
5 ~! a4 @" P! d2 R1 \" x9 Y! U图片来自：Heinz Baumann et al. Roswell Park Cancer Institute, Buffalo, NY$ B* k8 g6 N9 v. c0 T
丝束$ G, Y3 U. A0 W; D5 z1 o
人类大脑的神经纤维
- X7 d; p; X2 c+ z  |3 P( l# h0 r  
' a0 c- \. u7 @/ {/ B" R. `在这幅图中，我们可以看到两簇重要的神经纤维束：将大脑运动信号传导到脊髓的脊髓皮质束（Corticospinal tract），以及连接大脑左右半球的胼胝体（Corpus callosum）。在这里，梦幻的色彩表现的其实是神经纤维的空间位置：红色由浅至深表示从左到右，绿色由浅至深表示从后到前，蓝色由浅至深表示从上到下。
! O5 l  B9 U% i% g! k& a这幅作品使用了弥散张量成像技术（DTI），这是磁共振成像领域的一种技术，它体现的是水分子在生物组织中扩散运动的状态。如果在一个均匀的溶液环境中，水分子向各个方向的扩散和热运动都是没有差别的，但是在生物体内，由于生物膜等结构的存在，弥散状态在各个方向上就会出现不同，这种各个方向上的差异就能够帮助展现组织结构。对于脑白质的神经纤维束，弥散张量成像就是一种非常适合的成像方式，长长的纤维状结构和它们的走向都能得以清晰展现。图片作者的研究领域是营养与脑神经发育，通过这些成像技术，他们将分析饮食对婴儿脑发育产生的影响。5 j  u: R6 Y! B, F4 I) O# ^9 w
图片来自：Xiawei Ou. Arkansas Children's Nutrition Center, Arkansas Children’s Hospital (ACH) and ACH Research Institute4 }2 ^7 R: X" |4 j+ l# b) p
, and University of Arkansas for Medical Sciences, Little Rock, AR- o) Z8 ]- [' G6 T
阿波罗之环
" p5 d3 ?2 W1 z9 d3 A1 W' l吞食细菌的线虫
1 n* o, ]" k5 N) M5 I: P* B  
6 v$ v0 b3 ]; w这张图片展现了一群秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）聚集在一起摄食细菌的景象。线虫在细菌最为密集的区域聚集，形成了纹理复杂的环形。
6 P8 J7 N& U' F0 A% n$ d秀丽隐杆线虫是具有神经系统的最简单的生物体之一，它们作为一种知名模式生物，在神经生物学研究领域中有着非常广泛的应用。图片作者所在的研究团队致力于研究5-羟色胺对觅食行为的影响，以及究竟有哪些神经细胞参与其中。5-羟色胺又名血清素，它是大脑中普遍存在的一种神经递质，在人体内，它也与很多重要的生理活动密切相关。- g1 r$ A' W4 g* l
图片来自：Adam Brown and David Biron. University of Chicago, Chicago, IL
. X: {) u$ v% N' C, i6 p! S$ l同根生: c  T/ }% _3 }4 \! c3 v" P8 m
植物根部表面的土壤细菌
* }- v# N4 Q2 E" a+ o, }  
& B" e  `* K% F这张扫描电镜照片展示了在拟南芥根部（紫色和蓝色）表面安营扎寨的土壤细菌（黄色）。在植物根系周围的小范围内，受到植物根系分泌物等因素的影响，土壤环境和生态会体现出与其他土壤相当不同的特性，这个特殊的狭窄区域被称为“根际”（rhizosphere）。这张显微照片作者的研究领域就是根际区域的土壤生态与微生物。2 I- L7 a3 X9 Y9 D# _+ |
图片来自：Alice Dohnalkova. Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA9 e' I5 N; s. \0 ]7 r0 g5 _
“方糖”大战癌细胞# A# z" w% X* r6 }+ J$ E
用于抗肿瘤给药的微粒载体( h; `' V0 _( F# P* d5 V" U
  
# }9 ]2 @2 W2 p' H( S/ ], T这张图片由两部分拼接而成，占据主体部分的是乳腺癌细胞（绿色和紫色）和方形纳米微载体（金色）的共聚焦显微图片，左上部分则是对这种立方微载体的扫描电镜特写。. v( x+ x. i: S. x$ {& z( R/ d
这些长得像小糖块一样的小东西其实是一种用于“投递”药物的载体。在治疗肿瘤的时候，人们常要面临这样一个困境：抗癌药物对癌细胞很有效，但它也会“滥杀无辜”，损害健康的组织。解决这个问题的方案之一就是，通过特殊的微粒载体来增加癌细胞对药物的摄取，同时避免正常细胞的摄取。在这里，研究者们就希望探索不同的微粒载体形状会如何影响药物在体内的转运，以及目标细胞对药物的摄取情况。0 b( b: ~- Z3 f! g9 r6 S  b
图片来自：Jenolyn F. Alexander, et al. Houston Methodist Research Institute, Houston, TX
7 F! G, s& ]  o* m死神的容颜  ^+ T3 c0 }8 v9 D( ?4 h
埃博拉病毒的结构示意图
8 }6 V  t9 h+ d! F' @: _  7 b( u0 K% h" V, o. p' v/ k; a
这张示意图描绘了埃博拉病毒的结构细节，在其中，我们可以看到7种结构蛋白（不同形状的蓝色、绿色和洋红色），病毒的RNA基因组（黄色）以及膜结构（淡紫色）。
5 W* j. c% s# N病毒的基因组非常小，它们能用自己的基因编码产生的蛋白质也寥寥无几，因此，这些蛋白质往往要“身兼数职”。埃博拉基质蛋白（淡蓝色）就是一个典型的例子，它通过改变自己的空间结构而行使不同的功能。
/ D2 x* g5 L6 J; g$ H这张图片属于结构生物信息学蛋白数据库的“每月分子”（Molecule of the Month ）系列。通过这个数据库，全世界的科学家都可以免费获得病毒蛋白的三维结构，进而研究如何战胜埃博拉病毒。9 T: C/ @5 U( T$ n9 H4 ?
图片来自：David S. Goodsell. Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank, Piscataway, 0 c8 k9 m. {: p3 z2 l
NJ/La Jolla, CA" P7 r( s3 ?0 g  Y1 e+ r; |* i9 M
蕾
! N: u' q- g5 k$ y3 i. T8 Q# m拟南芥花芽的基因调控" {( A# b% a! |- P; @8 {# `7 b' D
  
0 B  m, R: x2 |4 x这是拟南芥的幼嫩花芽，在这里，红色和绿色代表着两种不同基因的激活状态，这些基因的表达差异控制着雄蕊与雌蕊的发育。6 n8 f- L& J% c% C1 F6 ~
图片作者所在的研究团队希望探索植物干细胞干性维持和细胞特化的规律，在将来，这些基础研究将为农业、医药和其他生物领域提供更多可供参考的信息。（注：这张图片同时也入选了2015年的尼康显微摄影比赛前十）
) Z6 m, \. \! g2 Q图片来自：Nathanaёl Prunet et al. California Institute of Technology, Pasadena, CA+ W& w9 ]9 e5 t- m- r
锌的旅途, J( J9 L+ }0 p9 ?7 i* N
叶片锌元素分布热图3 P+ U) }  ]. f+ x' U, z
  ) i3 t* \  M- D. H$ u* k5 j
这张图片显示的是拟南芥叶片中锌元素的分布水平，利用同步辐射X射线荧光技术拍摄。
5 b; I1 T) a$ x( x$ {% ^对生物体而言，锌是一种非常重要的金属元素，它与蛋白质分子中的很多基团都可以形成配合物，既可以发挥直接的催化功能，也可以调控结构，在很多维持生命所必须的生化过程中，都少不了锌离子的参与。世界上超过20亿人面临锌元素缺乏的威胁，而锌元素缺乏会损害免疫系统、胃肠道功能和大脑发育，带来一系列健康问题。在这里，研究团队希望能够找到提高作物中锌元素含量的方法，以帮助缓解锌元素缺乏。
- f: p& W# ]7 H' h, a图片来自：Suzana Car et al. Dartmouth College, Hanover, NH& n" S1 y" r4 X5 n$ |% z* R# P& v
相伴而行
% x! e& b$ o/ N7 K- y- g发育早期的神经与血管0 Y8 P  d0 X; @; O
  
" B6 n! Z. a5 |' z5 p) \5 S图中展示的是一只小鼠胚胎的躯干部分，在这里，我们可以看到并行存在的血管（灰色）和神经细胞（红色）。
0 S$ a! M# b+ E2 A在动物体内，血管与神经常常并行，血管为神经细胞提供养分，而神经传送信号调控周围组织，它们相互依赖，保证机体的正常运行。而在早期的发育阶段，血管与神经也存在密切的关联。在这里，研究者们就希望了解这些相伴发育的血管与神经背后的调控因子，这些研究将帮助我们理解先天发育缺陷疾病的发生机制。: z) W! n+ X9 M4 w, Y) B* }6 F; j% C
图片来自：Shachi Bhatt and Paul Trainor. Stowers Institute for Medical Research, Kansas City, MO( w) X! Z8 K. T  U
搏动
' }- W' {& Q$ }% d+ @5 h鸡胚胎的心脏和血管发育
' ^2 C, G& s: w& a) N( z3 N  ! {0 C- R; J6 _( ]2 @
这张图片流露出些许异形般的诡异气氛，不过它其实是一个发育中的活鸡胚胎。为了能够能清晰地观察它，科学家们小心点将及胚胎从蛋壳中转移到了人工容器中。绿色调的图像很容易让人联想到荧光蛋白标记，不过，这里其实并没有使用荧光染色技术，研究者们是通过图像编辑软件将血管系统调成了绿色，以便更清晰地观察血管的分布和血流方式。/ X1 Q& E9 ~" l- m
这是一项有关先天性心脏病的研究。研究者们通过鸡胚观测了正常和非正常状态下的心脏发育。他们通过显微手术操作模拟了不同的心脏缺陷，并观察血流模式的变化。& K; X; d# H2 g# }6 y. s- c
图片来自：Jessica Ryvlin et al. Cornell University, Ithaca, NY
2 ^/ B! E, F5 k$ k5 ?墙
1 U) h/ A+ r, F& u+ |: ~0 W牙釉质釉柱的“栅栏结构”
; H" M* U2 ~7 O# Q  " h8 w8 U9 N- l: S1 G# D/ L, d2 L
这是一张牙釉质的扫描电镜图片，它展示了釉柱排列形成的“栅栏样”的结构。釉柱是构成牙釉质的主体，它由紧凑排列的羟基磷灰石晶体组成。, o0 G$ K- v! V+ r" `5 s" ?# h& ?7 x
牙釉质是包裹牙齿的最外层结构，它是人体中最为坚硬的部分。釉柱的排列方式赋予了牙釉质足够的强度和韧性。而一些基因突变会影响牙釉质的形成，使牙齿变得更容易损坏，进而增加其他疾病的发生风险。在这里，科学家们就利用小鼠模型研究了遗传变异对牙釉质发育和健康的影响。8 M, [% X/ O, T3 x& c  d+ l, y
图片来自：Olivier Duverger and Maria I. Morasso. National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases,
6 y. U4 E% o! `7 bNational Institutes of Health, Bethesda, MD+ L5 _1 b7 G9 R
菌群之花
* O* [& Q! c. o) D4 U9 `0 s! R细菌菌落的生长5 r0 K1 `$ p, K) u( Q0 e
  6 Q8 d& |# x' D& z
在微生物学家当中，培养皿绘画已经是非常流行的“艺术流派”，不过这里所展示的动态“菌群之花”还是显得相当与众不同。在这段视频中，几种不同的细菌被接种到琼脂平板上，并逐渐生长，形成了绽放的白色花朵。红色的“茎秆”来自沙雷氏菌（Serratia），黄色的“叶子”是涅斯捷连科氏菌（Nesterenkonia），洁白的“花朵”则来自芽孢杆菌（Bacillus）。* a  a* m  l' x# ~/ ?. ^9 f
这样的菌落延时摄影也不是随随便便就能拍成的。如果在普通的环境中，琼脂培养基很快就会失水变干。为了解决这个问题，研究者还设计了专用的“延时拍摄室”。在这里，研究人员能够连续观察细菌菌落的生长和相互作用长达数周之久。9 W$ ]6 F! j. q# _8 s
原视频来自：Mehmet Berkmen and Maria Penil. New England BioLabs, Ipswich, MA
; ^, S; ^1 N2 v1 I: }+ H) U7 `脑立方
4 E: y- T, e' u7 w3 z静息时的脑活动9 A* X$ B+ |3 ^( V8 ?5 Y) C( \' C5 W  u
  " F: ~. U+ |2 w, k% Z
这些闪动的彩色立方体显示的其实是脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）设备记录下的大脑活动，不同的色彩代表不同的活动强度，红色表示最强，蓝色表示最弱。
8 e9 }* ?6 i* M$ `在这里，接受脑磁图检查的是一位强迫症（Obsessive Compulsive Disorder）患者，他在静卧状态下接受了检测。在这一研究项目中，研究者们希望通过脑磁图和其他一系列神经影像学技术评估强迫症的治疗效果。, r8 H- K( d5 e) m: C" `
原视频来自：Kimberly Leiken and Elana Harris. Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, Cincinnati, OH
1 N; w4 h$ D6 l6 C+ k
' X7 I8 r/ p: p$ I/ I6 C