停留太空一個(gè)月，人體心臟就會(huì)出現(xiàn)衰老跡象丨科技周覽

整理 | 周舒義、望鄉(xiāng)

梵高《星月夜》中的湍流天空與科學(xué)理論相符

《星月夜》中斑駁的星光和旋轉(zhuǎn)的云層被認(rèn)為反映了文森特·梵高動(dòng)蕩的心境。而一項(xiàng)新研究表明，《星月夜》中的湍流天空與科學(xué)理論相符，梵高對(duì)湍流流動(dòng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)有著深刻的直覺理解。相關(guān)論文9月17日發(fā)表于Physics of Fluids。

文森特·梵高的《星月夜》創(chuàng)作于1889年。

湍流是一種在流體中廣泛存在的自然現(xiàn)象，如水流、洋流、血液流動(dòng)、翻滾的風(fēng)暴云以及煙霧柱等形式。湍流本質(zhì)上是一種混亂狀態(tài)，其中較大的渦旋不斷形成并解體為更小的渦旋。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們利用《星月夜》的數(shù)字圖像，分析了畫中14個(gè)主要旋轉(zhuǎn)形狀的尺度，研究它們是否符合在大規(guī)模渦流和小規(guī)模渦流相互碰撞和作用時(shí)的物理學(xué)理論。

《星月夜》中的渦旋/渦流

由于無法直接測量畫中天空的氣流運(yùn)動(dòng)，研究人員精確測量了畫筆的筆觸，并將這些筆觸的大小與湍流理論中預(yù)測的數(shù)學(xué)尺度進(jìn)行了比較。為了分析物理運(yùn)動(dòng)，他們利用了不同顏料顏色的相對(duì)亮度或光度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，《星月夜》中14個(gè)渦流的大小、相對(duì)距離和強(qiáng)度遵循了流體動(dòng)力學(xué)中的柯爾莫哥洛夫理論。這一理論在20世紀(jì)40年代由蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家安德雷·柯爾莫哥洛夫提出，描述了流速波動(dòng)與能量耗散率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在最小尺度上，顏料與一些背景渦流以湍流理論預(yù)測的方式混合，遵循巴切勒定律的統(tǒng)計(jì)模式——這一定律在數(shù)學(xué)上描述了小顆粒（如海洋中漂流的藻類或風(fēng)中的塵埃）如何被湍流流動(dòng)被動(dòng)地混合。

《星月夜》中一些渦流的典型筆觸的空間尺度

研究人員表示：“當(dāng)然，梵高可能并不了解這些方程，但他很可能花了大量時(shí)間觀察自然中的湍流。我相信這種物理關(guān)系深植于他的腦海中，因此在創(chuàng)作著名的《星月夜》時(shí)，他自然模仿了真實(shí)的流動(dòng)?！鄙钊肜斫馔牧鲗⒂兄诟纳铺鞖忸A(yù)報(bào)、減少飛行顛簸以及其他許多過程?？茖W(xué)家們長期以來在流體動(dòng)力學(xué)中描述湍流方面面臨困難，目前尚未找到一種有效的方法來預(yù)測這一現(xiàn)象，完整的解釋依然是物理學(xué)中的一大謎團(tuán)。

新研究揭示了梵高名作《星月夜》中神秘而奇幻的天空，背后隱藏著與湍流理論的驚人相似性，展現(xiàn)了藝術(shù)與科學(xué)之間的微妙聯(lián)系。梵高在潛意識(shí)中展現(xiàn)出了對(duì)湍流的獨(dú)特感知，在1889年的那個(gè)夜晚，他看到的或許遠(yuǎn)不止星空流轉(zhuǎn)的激昂與孤絕。（AIP Publishing）

為了解人類演化，科學(xué)家給約3500年前的奶酪“驗(yàn)了DNA”

誰動(dòng)了我的奶酪？在人類數(shù)百萬年的演化歷史中，食品發(fā)酵本身就是一則古老而充滿智慧的“寓言”：不同人群、文化對(duì)食品發(fā)酵有各自的偏好，生業(yè)模式轉(zhuǎn)變及農(nóng)業(yè)發(fā)展也和發(fā)酵技術(shù)的演變息息相關(guān)。一項(xiàng)新研究通過對(duì)3組距今約3500年的開菲爾奶酪進(jìn)行古微生物基因組研究，揭示了人類對(duì)開菲爾乳酸菌的應(yīng)用、傳播和馴化歷史，為理解人類的演化及其與環(huán)境的相互作用提供了全新思路。相關(guān)論文9月25日發(fā)表于Cell。

新疆小河墓地出土的青銅時(shí)代奶酪樣本與外徑約1.8厘米的玻璃管瓶蓋對(duì)比。| 中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院 楊益民

該研究的樣本是迄今發(fā)現(xiàn)最早的奶酪制品——新疆塔里木盆地小河墓地出土的3組開菲爾奶酪，其源自開菲爾酸奶，由開菲爾粒（類似酒曲）在奶中發(fā)酵而成。奶制品發(fā)酵技術(shù)的傳播在很大程度上伴隨著人類的遷徙和互動(dòng)，這一過程推動(dòng)了在發(fā)酵作用中發(fā)揮重要作用的乳酸菌演化。

研究團(tuán)隊(duì)通過自主設(shè)計(jì)乳酸菌全基因組位點(diǎn)探針，從樣本中提取出高質(zhì)量的古代開菲爾奶酪中的乳酸菌基因組。通過系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析，研究發(fā)現(xiàn)，用于發(fā)酵的開菲爾乳酸菌存在兩個(gè)分化的支系，一個(gè)支系符合從高加索擴(kuò)散到歐洲、亞洲和東南亞沿海地區(qū)的主流路線，而另一支系主要包括分布在東亞內(nèi)陸地區(qū)（包括西藏）的菌株，新疆塔里木盆地古人群用于發(fā)酵開菲爾酸奶的菌株便來自該支系，且處在基部位置，這就表明存在另一條通過技術(shù)文化交流將開菲爾酸奶制作工藝從新疆地區(qū)傳播至東亞內(nèi)陸的傳播路線。

（A）新疆小河墓地平面圖；（B）新疆小河墓地出土的木乃伊樣本（被稱為“小河公主”，奶酪樣本即圍繞在其脖子周圍）；（C）本研究獲得微生物基因組的三組青銅時(shí)代奶酪樣本；（D）奶酪樣本中的微生物DNA組成

研究作者認(rèn)為，開菲爾乳酸菌兩個(gè)支系的分化，很可能就是其共同祖先最初被馴化后，由于人群遷徙路徑的不同，在不同人群中傳播所導(dǎo)致的。這代表不同古人群在應(yīng)用和馴化發(fā)酵微生物過程中發(fā)生了不同路線的遷徙與交流。

此外研究還發(fā)現(xiàn)，人類長時(shí)間的應(yīng)用和馴化很可能也影響了開菲爾乳酸菌的演化。與新疆地區(qū)青銅時(shí)代的開菲爾乳酸菌相比，西藏地區(qū)的現(xiàn)代開菲爾乳酸菌菌株中出現(xiàn)了兩個(gè)與減輕腸道炎癥反應(yīng)相關(guān)的水平轉(zhuǎn)移的基因簇，這些基因簇不僅有利于乳桿菌在人類腸道中生存，而且能促進(jìn)腸道功能。這很可能與當(dāng)時(shí)人群對(duì)攜帶不同支系開菲爾乳酸菌的開菲爾粒的偏好有關(guān)。

相關(guān)專家評(píng)價(jià)，該研究是領(lǐng)域里很罕見的挖掘全新數(shù)據(jù)的古DNA研究，為歐亞草原中部人群的遷徙交流與微生物馴化歷史帶來新認(rèn)識(shí)。

停留太空一個(gè)月，人體心臟就會(huì)出現(xiàn)衰老跡象

長時(shí)間停留太空，低重力環(huán)境會(huì)對(duì)身體造成怎樣的影響？9月23日發(fā)表于PNAS的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，人體心臟組織在太空中連續(xù)停留一個(gè)月，就開始變得衰弱，跳動(dòng)節(jié)律變得不規(guī)則，并且經(jīng)歷了類似衰老的分子遺傳變化。

研究人員培育人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），使其分化成心肌細(xì)胞，然后把得到的心肌組織樣本安裝在模擬人體心臟環(huán)境的心肌器官芯片（heart-on-a-chip）中，該裝置可以讓樣本像跳動(dòng)的心臟一樣收縮、舒張，并通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測其收縮強(qiáng)度和搏動(dòng)節(jié)律。2020年3月，48份樣本搭乘SpaceX的“龍”飛船前往國際空間站，之后每30分鐘向地面回傳10秒的心肌組織監(jiān)測數(shù)據(jù)。

分析發(fā)現(xiàn)，與留在地面的對(duì)照組相比，在國際空間站停留12天后，心肌組織的收縮強(qiáng)度就幾乎減半，即使在返回地球9天后，這種減弱仍然很明顯。在太空中，隨著時(shí)間推移，心律變得更加不規(guī)則。到第19天，組織每次搏動(dòng)的間隔增加了5倍以上。不過，這種不規(guī)律性在返回地球后就消失了。

對(duì)回收組織的顯微觀察表明，負(fù)責(zé)肌肉收縮的肌節(jié)變得更短、更無序；線粒體也變得腫脹、破碎。RNA測序表明，組織中與炎癥和氧化損傷相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)；與此同時(shí)，產(chǎn)生正常心臟收縮和線粒體功能所需蛋白質(zhì)的基因表達(dá)有下調(diào)跡象。研究人員表示，第二批心肌組織樣本已于2023年被送往國際空間站，以篩選潛在藥物，保護(hù)宇航員免受低重力環(huán)境的不良影響。

改寫教科書？這個(gè)碳-碳鍵，只有一個(gè)電子

在“只有1個(gè)電子的共價(jià)鍵”首次提出近一個(gè)世紀(jì)后，9月25日發(fā)表于Nature的一項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)碳原子之間的單電子共價(jià)鍵。這一發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)更深入地了解化學(xué)鍵理論至關(guān)重要，也為進(jìn)一步了解化學(xué)反應(yīng)提供了新的見解。

在分子中，兩個(gè)原子通過共享電子對(duì)來形成共價(jià)鍵。大多數(shù)共價(jià)鍵都是由一對(duì)共享電子構(gòu)成的單鍵，或是由兩對(duì)甚至三對(duì)電子構(gòu)成的雙鍵和三鍵。1931年，化學(xué)家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）提出，或許存在由單個(gè)未配對(duì)的電子形成的單電子共價(jià)鍵，只是非常不穩(wěn)定——很容易斷裂，并且有很強(qiáng)的傾向釋放或捕獲電子以恢復(fù)成對(duì)電子。這種鍵合被稱為單電子σ鍵。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員試圖通過碘氧化，從現(xiàn)有的碳-碳雙電子共價(jià)鍵中去除一個(gè)電子。他們基于六苯基乙烷（HPE），設(shè)計(jì)了修飾螺二苯并環(huán)庚三烯（DBCHT）的化合物HPE 1。由于周圍芳基產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)，中心碳-碳單鍵被大幅拉長，導(dǎo)致分子HOMO能級(jí)升高，這意味著分子中其他地方的電子很難取代被去除的電子。

論文作者、日本東京大學(xué)的Takuya Shimajiri說，過去嘗試去除電子的實(shí)驗(yàn)留下的化學(xué)鍵太弱，因此斷裂得太快，無法進(jìn)行確切的化學(xué)分析，而這次他們采用的分子在去除電子后仍然足夠穩(wěn)定。研究人員利用X射線衍射和拉曼光譜對(duì)其進(jìn)行分析，并經(jīng)密度泛函理論計(jì)算后，確定它有一個(gè)由單電子組成的穩(wěn)定共價(jià)鍵，最終證實(shí)了碳-碳單電子σ鍵的存在。

該結(jié)果構(gòu)成了單電子碳-碳σ鍵的首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。有化學(xué)家表示，這是一項(xiàng)意義重大的發(fā)現(xiàn)?？梢灶A(yù)計(jì)，在碳中實(shí)現(xiàn)單電子σ鍵，將有助于更好地理解化學(xué)鍵的基本性質(zhì)，可能會(huì)促使化學(xué)家創(chuàng)造出全新的分子家族。

重壓之下表現(xiàn)失常？猴子也會(huì)

考場上大腦一片空白？答辯時(shí)說都不會(huì)話了？球場上想要壓哨絕殺，卻發(fā)現(xiàn)抬不動(dòng)腿？放輕松，大家都一樣——甚至猴子也一樣。9月12日發(fā)表于Neuron的一項(xiàng)研究表明，重壓之下的“崩潰”與為運(yùn)動(dòng)做準(zhǔn)備的大腦神經(jīng)元活動(dòng)下降有關(guān)，而且并非人類獨(dú)有。

研究人員設(shè)置任務(wù)，讓恒河猴盡可能快速、準(zhǔn)確地將計(jì)算機(jī)光標(biāo)移動(dòng)到指定位置，然后給予獎(jiǎng)勵(lì)。每次任務(wù)開始前，研究人員會(huì)提示猴子，獎(jiǎng)勵(lì)是小額、中額、大額還是“頭彩”。頭彩稀有且異常豐厚，是一種高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的情境。他們還向猴子大腦控制運(yùn)動(dòng)的額葉區(qū)域植入電極，以觀察在不同獎(jiǎng)勵(lì)場景下神經(jīng)元活動(dòng)的變化。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著獎(jiǎng)勵(lì)額度增加，猴子的神經(jīng)活動(dòng)也隨之活躍，狀態(tài)更佳。但在獎(jiǎng)勵(lì)是頭彩的情境下，與運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)反而減弱?！斑\(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備”和“運(yùn)動(dòng)執(zhí)行”相對(duì)，包含了個(gè)體在運(yùn)動(dòng)前的注意、組織、計(jì)劃等認(rèn)知活動(dòng)過程——類似于在扣動(dòng)扳機(jī)之前先瞄準(zhǔn)目標(biāo)。相關(guān)神經(jīng)元活動(dòng)減弱意味著猴子準(zhǔn)備不足，也因此表現(xiàn)不佳。研究認(rèn)為，隨著潛在獎(jiǎng)勵(lì)的增加，神經(jīng)活動(dòng)會(huì)到達(dá)到峰值，越過這個(gè)點(diǎn)，獎(jiǎng)勵(lì)再豐厚，神經(jīng)元活動(dòng)就開始減弱，導(dǎo)致大腦偏離最佳狀態(tài)。

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