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时间晶体新进展;探究基因组的“暗物质” |科技速览

 

编辑 | 杨凌、董唯元、韩若冰、陈航
1. 时间晶体新进展
晶体是在空间维度上具有特定周期性结构的物质。而由诺贝尔奖得主Wilczek教授在2012年提出的"时间晶体",顾名思义是将晶体的空间维度换成时间维度。时间晶体指那些打破时间平移对称性,在特定周期上有序重复的多体系统。通俗地说,时间晶体不需要外界提供能量,却可以一直不停地以固定模式周期性运动。
 
正是这个有趣的性质,使时间晶体概念在诞生之初,在科学家还尚未厘清头绪之前,就已经在社会上传播甚广。"量子永动机"、"热力学第二定律被推翻"、"因果律被破坏"等五花八门的各种猎奇性解读都曾见诸报端。
 
与社会公众的热心围观相比,学界起初的反应倒是颇为谨慎。事实上,Wilczek教授的论文发表后不久,便有法国和日本的研究者通过理论计算指出,均衡多体系统在不受外部影响的情况下,基态必然保持时间演化的平移对称性,即不可能实现Wilczek所描述的时间晶体。不过,这些"判决书"的作用与其说是否定时间晶体,倒不如说是进一步帮助澄清时间晶体的存在条件。
 
在经过一段时间的理论梳理之后,加州大学伯克利分校的华裔科学家Norman Yao在2016年提出了一个方案,可以通过施加周期性外部影响,使多体系统的基态一直处于周期性变化的非均衡状态。马里兰大学和哈佛大学的两个实验团队,很快便沿着Yao的方案分别制备出两种时间晶体。这一波进展,使时间晶体又一次吸引了诸多社会关注。
 
然而依靠外部周期性驱动所制备的时间晶体,总给人一种无甚了然的感觉。Yao所设计的时间晶体,自身基态周期并不等于外部驱动周期[1],这种被周期性影响所催生出的周期性现象,使得时间晶体概念问世之初带给人的震撼感打了折扣。
 
最近,两位不甘心退而求其次的研究者,再一次仔细研究当初那些对均衡态时间晶体的否定性判决,发现其中一些隐含条件似乎可以被突破。俄罗斯的Valerii K. Kozin和Oleksandr Kyriienko近日在《物理评论快报》上发表了他们的理论研究成果[2]。他们发现,如果多体系统中的内部相互作用是长程力,且随距离衰减的足够慢,那么即使系统处于均衡态,其基态也有可能自发的周期性振荡。
 
此前这一条件被其他研究者忽视,大概是因为引力和电磁力这类长程力都是随距离平方反比衰减,这种衰减无法支撑系统成为时间晶体。而两位研究者独辟蹊径,他们的模型用N个自旋为1/2的弦构建而成,并使其基态为自旋N/2的最大纠缠态。只通过简单的演算,模型就清晰的展示出确定无疑的时间晶体属性。
 
这一结论虽然基于尚未证实的弦,但其模型框架完全可以应用于凝聚态领域的数学等效对象。其意义不仅是将均衡多体系统拯救出冷宫,更有可能在不久的将来指引后续研究者制造出脱离于外部驱动的稳定时间晶体。
 
[1] 注:Yao所设计的时间晶体,自身基态周期整数倍于外部驱动周期
 
[2] Kozin V K, Kyriienko O. Quantum Time Crystals from Hamiltonians with Long-Range Interactions[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(21): 210602.
 
2. 公园绿地不规则更有利居民身心健康
 
在城市里,一些社区公园是方形的,一些社区公园是不规则形状的,研究发现,形状不规则的公园比形状规则的公园更好地降低了附近居民的死亡率。
 
 
众所周知,城市里的绿地对居民的身心健康有益,但很少有人进一步研究绿地的形状与居民健康之间的关系。来自德克萨斯农机大学城市规划科学Huaqing Wang博士和Lou Tassinary教授的研究给出了结论。这项研究报告发表在2019年11月的《The Lancet Planetary Health》期刊上[1]。
 
通过对费城数据的研究,研究人员发现,城市每增加1%的绿地就会降0.419%的居民各种死亡率 (95% CI 0·050-0·777) ,每块绿地的面积增加1平方米,就能够降低0.011%的居民各种死亡率和0.019%的心脏问题死亡率。进一步的研究发现,形状复杂的绿地附近的居民有更低的死亡率。因此,绿地的建设需要与当地的地形、环境、以及绿地的功能相适应。
 
"我们的研究建议通过绿色步道把现有的绿地连接起来,或是从原有绿地延伸出新的绿地是一个提升居民健康的可行方案"。Wang和Tassinary说,"我们的研究发现,复杂形状的公园绿地对应着更低的居民死亡率,这可能是由于此类公园与社区之间有更多的接触面,因此有更多的出入口相关。"
 
"不规则绿地有可能来自于最初的规划,也可能是当初建设的时候要适应当地的地形环境。没有哪一种特定的不规则绿地形状是最有效(降低死亡率)的,但是总的来说,数据显示不规则形状的公园绿地更健康。我们的发现推进了对绿地和死亡率相关性的理解,这有助于城市规划者创造更健康的居住环境。"他们说。
 
[1] Wang H, Tassinary L G. Effects of greenspace morphology on mortality at the neighbourhood level: a cross-sectional ecological study[J]. The Lancet Planetary Health, 2019, 3(11): e460-e468.
 
3. 科学家在地球上找到无生命之境
 
埃塞俄比亚达洛尔 (Dallol) 的地热田里有着高温、高盐、高酸的池塘。今年曾有一项研究指出,某些微生物能在这种多重极端条件的环境中生活,作者甚至提议将此地类比火星早期环境。然而,法国和西班牙科学家团队发表在《自然-生态与进化》杂志的文章得出了不同结论:达洛尔的池塘里没有生命[1]。
 
团队采用了各种方法寻找生命,都验证了这一结果。他们的手段包括:可检测和分类微生物遗传标记的大规模测序、微生物培养的方法尝试、可鉴定单个细胞的荧光流式细胞术、盐水的化学分析,以及扫描电子显微镜结合X射线光谱等。
 
领导该研究的法国生物学家Purificación Lopez-Garcia说,在显微镜下,来自达洛尔的某些富含二氧化硅的矿物沉淀可能看起来像微生物细胞,因此必须对观测物进行充分的分析。Lopez-Garcia表示:"这些矿物沉淀可能被解释为细胞化石,而实际上它们是在盐水中自发形成的,它们没有生命。"
 
 
Lopez-Garcia强调说,该研究还提供了证据,即使地球表面上有些地方含有液态水,但它仍然是无菌的(没有生命的)。这意味着行星上存在液态水并不直接意味着存在生命,虽然液态水通常被视作适宜生存的标准。
 
在达洛尔的池塘里,研究人员还发现了两个阻止活生物体存在的物理化学障碍:一是丰富的离液序列高的镁盐[2],二是高盐、高酸和高温同时存在的物理条件。
 
Lopez-Garcia 称:"我们不会期望在其他星球上的类似环境中找到生命形式,至少不会找到类似于陆地生物化学基础的生物。"她认为,在得出任何天体生物学的结论之前,必须参照多重指标,分析各种可能性,并谨慎做出解释。
 
[1] Belilla J, Moreira D, Jardillier L, et al. Hyperdiverse archaea near life limits at the polyextreme geothermal Dallol area[J]. bioRxiv, 2019: 658211.
 
[2] 注:一种破坏氢键并使生物分子变性的物质
 
4. 探究基因组的"暗物质"--重复序列
 
基因组大部分是由重复数百或数千次的短片段组成的,这些DNA重复序列如果在错误位置发生扩张,可能会产生严重后果,例如X染色体易裂症等约30余种疾病。这些重复序列一直以来被视为基因组的"暗物质",即便采用现代方法也难以分析。
 
德国马克斯·普朗克分子遗传学研究所的科学家发明了一种新方法[1],首次成功确定了源自患者的干细胞培养物中基因组串联重复序列长度,并通过扫描单个DNA分子获得了有关重复序列表观遗传状态的数据。该方法结合了纳米孔测序法,干细胞技术和CRISPR-Cas技术(一种高效的基因组定点编辑技术),为重复基因组区域的研究以及多种疾病的快速准确诊断打开了一扇大门。
 
在X染色体易裂症中,X染色体上FMR1基因的一段重复序列异常扩张。细胞识别出异常后,DNA分子会连接上甲基,这些表观遗传标记会覆盖整个基因,导致其关闭。FMR1基因对于大脑正常发育至关重要,一旦关闭会引发不同程度的智力障碍和自闭症。研究人员发现,即使在同一患者的细胞之间,重复区域的长度也会有很大的差异。
 
传统测序方法可用来分析患者的整个基因组。如今,科学家设计的新手段能够研究特定区域,例如基因组的"暗物质"。
 
研究者利用CRISPR-Cas系统将包含重复序列的DNA片段切下,经过中间步骤处理后使其通过测序芯片上的纳米孔,DNA片段的化学性质会影响其通过微孔时产生的电信号[2]。
 
不同于无法处理重复序列的传统算法,生物信息学家Pay Giesselmann开发了一种名为"STRique"的新型算法,能够高精度计算序列重复次数,利用收集的电信号即可重建基因序列和表观遗传化学标记。
 
目前STRique程序在互联网上已免费可得。负责该研究项目的Franz-Josef Müller说:"我们创造了每个研究人员都能用来探索基因组暗物质的工具。"
 
Müller表示,有证据表明重复序列在神经系统发育过程中会增加,而且重复区域也参与了癌症的发展,因此新方法在基础研究领域具有巨大应用潜力。
 
[1] Giesselmann, P., Brändl, B., Raimondeau, E. et al. Analysis of short tandem repeat expansions and their methylation state with nanopore sequencing. Nat Biotechnol (2019) doi:10.1038/s41587-019-0293-x
 
[2] 注:作者表示,如果不以这种方式对DNA分子进行预分选,那么重复序列产生的信号将被基因组其他部分的噪声淹没。
 
5. 战胜儿童肥胖,祖父母很关键
 
一项目前为止最为广泛的控制儿童肥胖的试验--CHIRPY DRAGON计划(中国小学生体育锻炼和饮食习惯改善计划)正在广州进行。为了评估CHIRPY DRAGON计划对控制儿童肥胖的效果,来自英国伯明翰大学和布里斯托大学的研究人员与广州疾控中心一起,对40所小学的1641名6岁儿童进行了为期12个月的随机测试。测试显示[1],充足的体育运动和健康的饮食习惯对儿童战胜肥胖问题至关重要,同时,多吃水果蔬菜,少坐,少玩电子设备也很重要。测试还发现,这些措施对女生的减重效果要好于男生。
 
目前,在中国有3000万7到18岁儿童青少年处于超重或者肥胖中,预计到2030年这个数字会达到5000万。CHIRPY DRAGON计划在广州覆盖43所小学的61000余名儿童。这个项目的构想者之一,来自伯明翰大学的Bai Li说:"这项试验证明通过学校来实施肥胖控制计划是一个更省钱更有效的方法,这或许能够阻断像瘟疫一样在中国扩散的儿童肥胖现象。下一步的研究是要找到对付男孩子更有效的策略,以及如何把广州的经验推广到其他省市和华人华语地区。"
 
值得一提的是,CHIRPY DRAGON计划是第一个把中国祖父母辈纳入进来的计划。在中国,祖父母或外祖父母照顾孩子非常常见,他们对孩子的饮食习惯和身体锻炼有更大的发言权,因此如何鼓励祖辈为孩子选择更健康的生活方式也是这项研究的重要部分。团队的调研表明,在中国,由祖父母辈照看为主的孩子,其超重或肥胖的比例两倍于由父母照看的孩子。研究还发现,那些晚睡的孩子更容易超重。
 
[1] https://eurekalert.org/pub_releases/2019-11/uob-spa112119.php
 
6. 流体力学教你安全排耳道积水
 
耳道积水会导致耳道感染甚至损伤,但事实证明,人们用来排除耳道积水的最常见方法之一也可能导致并发症。康奈尔大学和弗吉尼亚理工大学的最新研究成果显示[1],摇头排放耳道积水或导致幼儿脑损伤。
 
在美国物理学会流体动力学分部第72届年会上,Anuj Baskota等人发表了他们的这项研究成果。Baskota表示:"我们的研究主要集中在将水从耳道中排出所需的加速度上。""我们在玻璃管和3D打印耳道上的实验结果显示,摇头排水所获得的临界加速度大约是婴儿耳朵所能承受临界重力的10倍,这可能会对婴儿大脑造成损害。"
 
"从我们的实验和理论模型中,我们发现液体的表面张力是促使水留在耳道中的关键因素之一。"基于此,Baskota等人提出了一套解决婴儿耳道积水的温和方案:在耳道里滴几滴表面张力比水低的液体,比如酒精或醋,会使耳道中的积水更容易流出来。
 
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/aps-sht111819.php
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