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为什么一紧张就找不着北?癌细胞如何对抗抗癌治疗;太空中创造出第五种物质态 | 一周科技速览


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目  录

1. 太空中首次创造出第五种物质态

2. 超大质量黑洞的“心跳”

3. 新版《中国药典》不再收录穿山甲

4. 巨型水母因何伤人致死?

5. 大吃一斤?这种脑细胞让你食欲暴增

6. 为什么一紧张就找不着北?

7. 癌细胞如何对抗抗癌药

8. 平分家务活,伴侣幸福感更高




物理与天文



1

太空中首次创造出第五种物质态


近日,美国加州理工学院领导团队在国际空间站成功进行了冷原子实验,首次在微重力条件下制备出玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),研究了这一实验现象在太空与地面上的差别。


我们知道,基本粒子分成两类:玻色子和费米子。我们日常见到的物质基本由费米子构成,根据泡利不相容原理,两个费米子不能同时占有同样的量子态。若两个粒子可以占有同种量子态的就称为玻色子,最初由20世纪20年代印度物理学家玻色(Satyendra Nath Bose)做出预言。玻色曾比喻,若硬币是由玻色子构成的,那么两枚硬币投掷出两正、两反或一正一反的概率均为1/3(对于现实中的硬币,相应的概率分别是1/4,1/4,1/2)


在一团致密的玻色子云被冷却到接近绝对零度时,会在低能级下占据同一量子态,最终形成一个量子波,该现象称作玻色-爱因斯坦凝聚。直到1995年,物理学家才首次制造出了这种状态。BEC将量子行为放大到宏观尺度,因此有人将该状态称为物质的第五态,与固、液、气和等离子态这四种物态相对而言。


地面和太空实验差别:(a)深的磁势阱在地面和太空中都可以实现玻色-爱因斯坦凝聚;(b)由于重力的作用,在地面上,浅的磁势阱无法将原子聚集起来,而在太空中则可以;(c)在太空中,气泡形的磁势阱表面可以均匀地形成玻色-爱因斯坦凝聚,但在地面上却不行。 | 图片来源:[1]

轨道上BEC的形成 | 图片来源:[2]


实现BEC的方法之一是在将玻色子原子固定在磁势阱中,具有高动量的原子将被逐出,其他原子将相互碰撞达到热平衡,不断重复最终形成BEC。然而将物质从磁阱中释放测量时会因为原子之间的排斥而膨胀,以至于无法再次测得BEC,因此需要降低阱中原子密度,使用更浅的磁势阱。然而重力引起的质心运动会扰动极端条件下的稳定性,浅阱无法使用。而绕地球运行的实验室,处于失重状态,重力对于原子的影响会变小,从而超越地面的限制,在浅阱中实现BEC。


2018年6月起,第一个轨道冷原子实验室开始运行。本次实验中,研究人员成功让BEC自由扩展的时间超过了1秒,而地面实验一般只有几十毫秒。在空间实验中,凝聚物可以均匀地被限制在气泡状阱的表面上,而非地球上的阱底。


微重力环境有利于冷原子实验的进行,从而为后续研究指明了方法,如原子激光源、少体物理、原子波干涉寻路技术等。


[1] https://www.nature.com/articles/d41586-020-01653-6

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1


2

超大质量黑洞的“心跳”


2007年和2018年观测到的黑洞“心跳”。| 图片来源:Dr Chichuan Jin, of the National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences and NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab.


2007年,天文学家第一次确认了一颗超大质量黑洞的“心跳”。这颗黑洞位于星系 RE J1034+396 的中心,距离地球大约6亿光年,约100-400万个太阳质量。这个庞然大物发出的信号每小时重复一次,就如同心跳一样规律。不过从2011年开始,由于卫星观测被太阳阻挡,心跳声就消失了。直到2018年,欧洲航天局的XMM-牛顿卫星能够重新观测这颗黑洞,令人惊异的是,黑洞的心跳仍在持续。


振动的区域在黑洞附近。| 动图来源:Dr Frederic Vincent, Observatoire de Paris, France


当物质落向超大质量黑洞时,会在黑洞周围形成一个吸积盘,引力和摩擦力的作用使得物质向着中心的黑洞旋进,压缩物质并使其温度升高,在相对较小的空间区域里释放出巨大的能量,并发射出X射线信号。目前科学家只发现个别特定周期性模式的X射线信号,例如银河系中的一颗恒星级黑洞。它的质量只有这颗超大质量黑洞的十万分之一,并且有一颗中子星作为伴星并提供能量,亮度和心跳的时间间隔相应地更小一些。


那么,这颗超大质量黑洞持续且强烈的“心跳”是如何形成的呢?天文学家认为,这或许是吸积盘内部区域在不断地膨胀和压缩所致。中科院国家天文台和杜伦大学的研究人员用所谓的准周期振荡(QPO)模型来描述黑洞吸积盘在形状和尺寸上这种有节奏的变化。他们认为,这些如心跳般的信号可以告诉我们,靠近黑洞视界处的物质的尺寸和结构。接下来,通过分析比较这颗超大质量黑洞与恒星级黑洞的心跳信号,我们或许会发现更多关于黑洞的奥秘。


[1] https://phys.org/news/2020-06-black-hole-heart.html

[2] https://academic.oup.com/mnras/article/495/4/3538/5851376




生物医学



3

新版《中国药典》不再收录穿山甲


穿山甲 | 图片来源:Born Free


近日出版的2020年版《中国药典》中,穿山甲未被作为中药材继续收录。此前的6月5日,穿山甲属的所有八个种从国家二级保护野生动物调整为一级。


2020版《中国药典》编制大纲提出,野生资源枯竭的品种将从药典退出。这或许是穿山甲此次未被收录进药典的原因之一。国内穿山甲的种群数量自上世纪70年代起急剧下降,穿山甲在野生环境中已经非常罕见。2014年,中华穿山甲被国际自然保护联盟(IUCN)列为极度濒危动物,濒危程度仅次于野外灭绝,2019年重新评估后依然是极度濒危状态。


穿山甲被认为是全球非法走私数目最多的野生哺乳动物。据估计,在过去的十年中,全球有超过100万只野生穿山甲被捕猎。目前,由于四个穿山甲亚洲种资源几近耗竭,亚洲地区消费的穿山甲绝大多数都是从非洲偷猎而来。2016年,濒危野生动植物种国际贸易公约(CITES)已经将所有八种穿山甲列入CITES附录I中,意味着禁止针对穿山甲的国际商业性贸易。


与穿山甲同时被《中国药典》“除名”的还有马兜铃、天仙藤、黄连羊肝丸三个品种。作为中药材的马兜铃和天仙藤同属马兜铃科植物干制品,因含有马兜铃酸而存在肾毒性。黄连羊肝丸的处方中包括夜明砂,即蝙蝠科动物的粪便制品。


[1] http://www.jksb.com.cn/html/xinwen/2020/0609/163148.html

[2] https://www.traffic.org/what-we-do/species/pangolins/

[3] https://www.iucnredlist.org/species/12764/168392151


4

巨型水母因何伤人致死?


越前水母和潜水员 | 图片来源:Endless Ocean Wiki


越前水母(Nemopilema nomurai)广泛分布于长江三角洲,朝鲜半岛和日本海,是一种体型庞大,可食用的水母。成年的越前水母直径可达两米,重达200千克以上,堪称水母中的巨无霸。


越前水母虽然看起来憨憨的,蜇起人来却是毫不心软。由于其分布广泛,与人类接触较多,每年有不少人惨遭“毒口”。大多数时候越前水母毒液只会引起红肿、疼痛,但也会导致人休克和死亡。


与蛇毒、蜘蛛毒、蜂毒等生物毒类似,水母毒液通常包含多种毒素,其主要成分为蛋白质和多肽。此前科学家已经在越前水母毒液中分离出近百种不同的毒素,但并不清楚究竟哪一种最为致命。了解各种生物毒的化学组分和主要致死物质,将助力于抗毒药物研发。


近日,我国学者在《蛋白质组研究杂志》上发表相关研究。为了确定越前水母毒液中的具体致死物质,他们从大连海边捕捉了一些越前水母,从其触手内收集了毒液,并逐步缩小研究范围:先用层析法将毒液分为几个不同的组分,分别注射到小鼠体内,以确定直接导致小鼠死亡的组分;再利用分辨率更高的质谱分析法识别出该组份中的毒蛋白,最终识别出越前水母的毒液里包括三种磷脂酶A2相关毒素,网钙蛋白-2与碱性磷脂酶A2同源物 (存在于一些蛇毒中)等共13种成分。这些物质会破坏细胞渗透压平衡,造成细胞损伤以及凝血研究人员猜测,并不是只有其中一种有致死性,而是多种毒蛋白协同作用导致的。


[1] https://endlessocean.fandom.com/wiki/Nomura%27s_Jellyfish

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Nomura%27s_jellyfish

[3] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jproteome.0c00277


5

大吃一斤?这种细胞让你食欲暴增


俗话说,“人是铁,饭是钢,一顿不吃饿得慌。”能吃是福,但人并不会每顿饭都很有食欲。究竟是什么控制了我们的食欲呢?对于控制食欲的神经机制,科学界已有数十年的研究。最近,这一神经环路又添了一位新成员。


红色代表沿着脑室边缘排列伸展细胞,绿色代表细胞表达了光敏感离子通道,蓝色代表细胞核。| 图片来源:[3]


本周《美国国家科学院院刊》PNAS在线发表了英国华威大学(The University of Warwick)生命科学学院的研究成果,报道下丘脑中一类名为伸展细胞(tanycyte)的胶质细胞可以刺激食欲。伸展细胞带有鲜味受体(也存在于味蕾上),该类受体可以感受氨基酸的气味,从而告诉大脑我们吃了什么。


在本次研究中,研究者发现伸展细胞可以“品尝”脑脊液中的营养,并且将品尝到的营养信息传递给周围的神经元细胞,进而控制食欲。研究者还利用光控开关,特异地激活伸展细胞,并分析了受其影响的其他神经细胞。


有意思的是,伸展细胞可以开启两条不同的通路,一条增加食欲,一条减少食欲。伸展细胞可以响应饱腹感的信号,按照预期,用作实验动物的小鼠此时应该吃得更少;但实验表明,刺激伸展细胞后,增加食欲的通路胜出,小鼠反而吃得更多!尽管现在伸展细胞的功能仍扑朔迷离,但研究人员表示,这些细胞在未来可能成为调节厌食或暴饮暴食的潜在目标,最终对相关治疗起到作用。


[1] https://www.pnas.org/content/early/2020/06/05/1919887117

[2] https://mp.weixin.qq.com/s/fy9Bpad-T--uTtOdk6vYKg

[3] https://warwick.ac.uk/newsandevents/pressreleases/appetite_can_be


6

为什么我们一紧张就找不着北?


每到高考季,我们总能看到一些考生由于紧张而找不到考场等类似的新闻。压力真的会影响我们的方向感吗?斯坦福大学的最新研究对此做出了解释。

压力大会影响决策能力 | 图片来源:CSO

我们体内有种激素叫皮质醇,在压力状态下身体会分泌更多皮质醇来保持正常生理机能。斯坦福大学的研究团队发现,当心理压力增大时,体内增加的皮质醇会扰乱大脑中海马前额叶的功能,阻碍人们的空间导航行为。该研究近日发表《当代生物学》杂志上。

研究人员利用功能磁共振成像、神经内分泌学、机器学习与虚拟导航任务规划相结合的方法对两组人员进行了实验。对照组没有压力,实验组被诱发产生急性心理压力。两组人员首先在虚拟环境中熟悉导航路径,然后去执行导航规划任务,而这项任务需要采用新的捷径才能高效完成。与没有压力的对照组相比,实验组在执行任务的过程中,其与记忆和心理模拟相关的神经活动被中断了,并且他们更偏向选择熟悉的路径,而非新的捷径。

研究结果对解释应激反应有重要意义,它将心理压力、皮质醇的增加和导航行为的改变联系在一起,揭示了大脑特定区域的局部活动减少和分布神经模式的改变对决策的重要性。这项研究也让我们认识到适当地减压能够提高我们的工作效率。

[1] https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.03.006


7

癌细胞耐药或源自基因“故意犯错”


人体细胞在不断分裂,每一次分裂都需要精准复制,癌细胞却并非如此。在黑色素瘤、胰腺癌、肉瘤和乳腺癌在内的多种癌症中,研究者都发现了大量的基因复制错误。近期发表于《科学》杂志的一项研究发现,癌细胞的基因复制错误很可能就是其耐药的原因。而癌细胞基因复制错误的出现,与易错修复基因复制通路(error prone DNA copy pathways)激活相关。


乳腺癌细胞积累的DNA损伤。DNA修复过程中产生的遗传多样性有助于适应性进化,导致治疗失败。| 图片来源:Dr Arcadi Cipponi


此前,科学家已经发现,癌细胞会累积遗传变异,但对于该过程是如何发生的却一直没有答案。本项研究通过分析癌症患者靶向治疗前后的活检样本,发现在靶向治疗后,癌细胞的DNA损伤水平比治疗前高得多。进一步的全基因测序结果表明,mTOR基因在其中发挥着重要作用。


mTOR是一种压力感应蛋白,它的信号传导能够影响癌细胞参与DNA修复和复制,影响基因表达。在易错修复基因复制通路中,mTOR发挥着关键作用。研究人员通过调控mTOR基因,的确改变了癌细胞的基因复制错误数量。因此研究人员推测,在常规的靶向癌症治疗基础上,添加靶向DNA修复机制的药物,可能会带来更好的疗效。这一推论目前已在胰腺癌小鼠模型中取得了初步验证。


总的来说,耐药是晚期癌症患者面临的主要问题,不管多么有效的治疗,都可能发生耐药。一旦耐药发生,本来起效的治疗不再有效,已经消失或缩小的病灶重新变大,甚至发生远处转移。了解癌细胞耐药的机制,无疑将帮助医生制定出新的治疗策略,更好地抗击癌症。


[1] https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1127/tab-article-info




社会科学



8

平分家务活,伴侣幸福感更高


图片来源:attheu.utah.edu

在家庭生活中,家务活永远占据着举足轻重的位置,过去的研究发现干家务不仅能反映出家庭成员之间的关系状态,更是会影响女性的职业规划和事业发展。在近期的研究中,来自美国犹他州大学社会学系的助理教授 Daniel Carlson 和他的同事们分析了伴侣间沟通对家务分配的影响,以及涉及家务劳动问题的沟通质量对伴侣间关系满意度的影响。该研究成果发表在于Socius: Sociological Research for a Dynamic World杂志。

研究人员分析了2006年的一项调查:婚姻与关系调查数据 (Marital and Relationship Survey,MARS) ,从中选择了伴侣双方都完成了此次调查的数据,构成了487份样本。Daniel Carlson等人发现:女性的沟通方式决定了伴侣间分配家务劳动的比例。当女性开始抱怨的时候,男性就会多承担一部分家务。然而,这样做会让男性对这段关系的满意程度降低。当家务劳动能够平等分担时,伴侣之间的沟通质量也会更好,女性对这段关系的满意程度也更高。

这项研究得出了一个与以前的推断相反的结论:关于家务劳动的分配并不是由男性的沟通来决定的,而是女性展开的沟通促进了家务劳动的平均分配。家务分工则会通过男性的沟通质量间接影响女性对彼此关系的满意程度。

[1]  https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/2378023120924805
[2] https://attheu.utah.edu/facultystaff/womens-communication-shapes-division-of-labor-in-household/

撰文 | 夏春秋、琵斯佛、韩若冰、Tendo、 省、顾舒晨、叶译楚、Leo
编辑 | 刘辛味、小桃



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