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新型冠状病毒到底是什么?| 科技速览

目 录
 
1. 不明γ射线:暗物质的潜在暗示?
 
2. 大多数女性堕胎多年后并未后悔
 
3. 50年困惑新解:二维/三维液体完全不同
 
4. 白血病对维生素B6“上瘾”
 
5. 非晶材料内部长啥样?“实锤”来了
 
6. 武汉发现的新型冠状病毒会是什么?
 
编辑 | 杨凌 陈航
 
编译 | 董唯元 顾淼飞 韩若冰 夏春秋
 
1 不明γ射线:暗物质的潜在暗示?
 
在所有电磁辐射中,γ射线波长最短、频率最高,所以携带能量最大、穿透能力最强。原子弹爆炸所产生的辐射,之所以能够造成物种变异,就是因为其中的γ射线能直接破坏DNA分子。
 
宇宙中有很多γ辐射,其中最为夸张的是γ射线爆。1997年监测到的一次就非常壮观,在50秒内释放的能量相当于银河系200年辐射的总能量,爆发后的一两秒内,亮度超过了宇宙其他部分亮度总和,成为那一瞬间名副其实的“全宇宙焦点”。爆发在附近几百公里范围内产生的高温高密,相当于宇宙大爆炸之初千分之一秒的情形。此后天文学家们还观测到过规模更大的爆发,有的规模甚至比这次高出一个数量级。
 
幸好这些爆发都发生在遥远的其他星系,在银河系内目前尚未发现。而且这些爆发产生的射流,很仁慈地没有扫过太阳系,让我们这些脆弱的生命能够免遭灭顶之灾。
 
宇宙中γ辐射的起因非常神秘,科学家们研究表明,那些持续时间只有0.2-1000秒的γ射线爆,主要是由大质量天体相互碰撞所产生。还有一些持续时间较长的辐射,是黑洞在吞噬物质时,沿自转轴方向发送的高能射线。另外还有大量零散的γ射线,至今搞不清其来源。
 
宇宙γ射线虽然早在20世纪60年代就被发现,但天文学界真正对其展开研究多是在最近30年。尤其是在2008年,搭载LAT望远镜的费米卫星发射升空之后。这颗卫星至今已对能级在50MeV到1TeV之间的5098个银河系外γ射线源进行了细致观测,为从事相关研究的天文学家和物理学家积攒了大量宝贵数据。
 
这些数据不仅有助于天文学家了解天体演化和碰撞等宇宙尺度的行为,也对高能物理学家颇有价值。因为这些γ射线多产生于极端高能条件下,当他们穿过广袤宇宙空间来到地球,也为我们带来了很多极端条件下物质作用的线索。而那些极端条件,是我们在地球上以现有技术根本无法实现的。
 
不久前,一个庞大的国际合作团队,就将宇宙不明γ射线与暗物质的研究联系起来,通过对比分析二者的分布情况,发现那些不明γ射线似乎与宇宙暗物质存在比较明显的联系[1, 2]。这个团队成员近百名,来自欧洲和美国多家研究机构。他们采用费米卫星收集的近9年宇宙γ射线数据,剔除掉所有已知源,只保留那些来源和成因不明的成分(也称UGRB,unresolved γ-ray background)并绘制成宇宙中UGRB的分布图。
 
与UGRB分布图进行对比的暗物质分布图,来源于暗能量巡天(DES,Dark Energy Survey)第一年内的数据。由于暗物质不参与电磁作用,目前探测暗物质的手段只有依靠其质量产生的引力透镜效应。透镜扫过贴有网格图案的墙壁时,会使墙上的图案看起来有变形。根据同样的原理,精心对比不同时间的天体位置,就可以推算出宇宙中暗物质的分布情况。
 
UGRB分布图与暗物质分布图的对比分析,显示出二者有比较明确的联系。这个结论暗示了构成暗物质的成分,虽然暗物质本身不参与任何电磁作用,但其衰变产物或衰变过程却可能伴随高能电磁作用的参与。
 
关于宇宙γ射线的研究尚处方兴未艾的阶段,未来必然还会给我们带来更多神奇的新发现。
 
[1] Ammazzalorso S, Gruen D, Regis M, et al. Detection of cross-correlation between gravitational lensing and gamma rays[J]. arXiv preprint arXiv:1907.13484, 2019.
 
[2] 目前该文章已被物理学顶级期刊《Physical Review Letters》接收。
 
2 大多数女性堕胎多年后并未后悔
 
1月份出版的社会科学与医学(Social Science & Medicine)期刊上刊登的一篇研究表明[1],堕胎手术过了5年之后,95%的参与调查女性仍然认为当初她们的决定是正确的。而在这项研究做出之前,美国很多州都假定堕胎是一件会让女性后悔的事情,因此要求堕胎前要有冷静期,并且接受咨询辅导。
 
这项由加州大学旧金山分校高等生育健康中心主导的研究表明,认为女性堕胎后总有一天会后悔的假定是毫无根据的。相反,随着时间的推移,女性堕胎后正面心理感受或者负面心理感受的情况都在减少,而五年之后,84%的被调查女性有正面感受或者对此没有感受。
 
这项研究的作者,助理教授Corinne Rocca说:“即使她们在做出堕胎决定前经历了一段艰难的时刻,亦或她们认为自己所在的社区不会认可自己堕胎的行为,我们的研究仍然表明绝大多数的女性坚信自己当初做出了正确的决定,这项研究揭穿了那些认为女性堕胎后会有后悔情绪的说法。”
 
这项研究对近1000名来自全国21个州的计划堕胎的女性进行了为期5年的跟踪,从健康后果、经济后果与政治后果方面进行了研究。这其中有667人是在项目开始初期就已经做了堕胎手术。整个调研有11次,分布在堕胎(sought care)后的一周以及之后的每6个月。
 
即使女性没有报告说她们为堕胎感到后悔,但很多人的确在做出堕胎决定之前有过挣扎。27%的被调查者认为这个决定非常困难,另外27%的被调查者认为比较困难。而剩下的46%认为这个决定并无困难。而70%的被调查者认为自己的堕胎行为如果被发现,会使自己在社区里蒙羞,这其中,29%的人认为是轻微蒙羞,31%的人认为会严重蒙羞。这些堕胎决定前的挣扎或者对蒙羞的担心反而会使堕胎后的女性有短期的沮丧感、负罪感或者是愤怒感。但随着时间的推移,这些负面情绪衰减得非常快,基本上一年之后即可摆脱。
 
“解脱”——这才是所有被调查者给出的最频繁和最终的情绪词。
 
[1] Emotions and decision rightness over five years following an abortion: An examination of decision difficulty and abortion stigma. https://doi.org/10.1016/j.socscimed.2019.112704
 
3 50年困惑新解:二维/三维液体完全不同
 
传统观点认为,2维液体[1]与3维液体[2]只是在自由度上不同,如2维液体中分子的旋转轴只能是一个方向,而3维中可以有2或3个方向。但是最近,一个由新加坡南洋理工大学、印度贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心、中国科技大学和美国加利福尼亚大学共同组成的团队,于2019年11月在PNAS发表新成果[3]:2维液体与3维液体在动力学本质上完全不同。该团队认为,2维液体与3维液体不只是数学上存在不同,它们更是两种完全不同的物质。
 
研究人员将数值模拟与笔算(pen-and-paper calculations)结合,预测了2维液体中的原子在“有效”忘记初始位置前还可以运动很长距离。该行为会使一大群原子产生微妙运动,这种运动原本认为只会出现在固体中。
 
为了验证这一理论,研究者在显微镜下追踪胶体颗粒运动。在一般的3维液体中,这样的粒子表现为随机运动,即布朗运动。但是在2维液体中,该团队认为布朗运动叠加在大规模集体运动(large scale collective motions)上。在20世纪60年代,Mermin和Wagner提出了长波长弹性模型(long wavelength elastic model),该模型可以得出这种运动,当时认为这种运动只能出现在2维固体中或过冷液体中,前者是破坏了2维固体的长程有序,后者则是消除了瞬时类固体反应 (transient solid-like response) 。
 
但该团队通过模拟得到,这种长波波动(long wavelength fluctuations)也会影响2维液体,使其不再出现瞬时类固体反应[4]。
 
在该状态下,这种波动会使长时段扩散系数D与结构弛豫时间τ去耦合,使得D ∝τ-k(κ>1)。只有在极高温的分子液体或者低密度胶体系统中,长波波动才可以忽略,从而显示出独立的布朗运动。
在模拟的原子轨迹图上,2维液体的原子轨迹会被拉长,且封闭轨迹的拉长方式很相似,这就是集体运动的可视化特征,即2维与3维液体区别的一种体现。因此,该研究的主要领导者Pica Ciamarra得出结论:2维液体与3维液体不只是数学上的不同,而是两种完全不同的物质。同时他也认为:在动力学上,许多2维液体与3维液体令人困惑的性质,都可以通过这一发现得到解释。因为只有2维液体的弛豫时间不与粒子扩散性成反比。
 
[1] 注:2维液体是指运动被限制在平面或其他(如球面)2维空间内,以液态存在的一组粒子。
 
[2] 注:3维液体是日常所见液体,没有确定的形状,但有一定体积。液体是由经分子间作用力结合在一起的微小振动粒子组成,具有移动与转动等运动性,如水。
 
[3] Li, Y., Mishra, C., Sun, Z., Zhao, K., Mason, T., Ganapathy, R. and Pica Ciamarra, M. (2019). Long-wavelength fluctuations and anomalous dynamics in 2-dimensional liquids. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(46), pp.22977-22982.
 
[4] 注:这种影响与过冷液体不同,因为后者与位移明显不同的颗粒共存(coexistence of particles with markedly different displacements)无关。
 
4 白血病对维生素B6“上瘾”
 
美国冷泉港实验室的科学家们发现[1],急性骨髓性白血病(AML)通过利用维生素B6加速细胞分裂而发展病情。在酶的促进下,B6参与制造细胞分裂所必需的蛋白质,如果限制肿瘤利用这种酶的能力,则有望阻止癌症的生长。这是一种可在不损害健康细胞的情况下攻击癌症的方法,因为健康细胞也需要B6维生素才能生存。
 
目前,只有三分之一的AML患者在确诊后可以存活5年。为了找到这种侵略性血癌如此快速增长的原因,冷泉港实验室的研究员Zhang Lingbo仔细研究了癌性白细胞的基因。
 
研究团队在白血病细胞中发现了超过230个非常活跃的基因,并使用CRISPR基因编辑技术逐一关闭了其中每个基因的活性,以测试它们的缺失是否会阻止癌细胞增殖。研究发现,产生PDXK酶(一种帮助细胞利用维生素B6的酶)的基因对癌症的生长最为重要。
 
维生素B6对于细胞代谢、产生能量和其他对细胞生长至关重要的资源至关重要。在健康的细胞中,PDXK酶可控制这种维生素的活性,确保它及时发挥作用。由于正常细胞并不会一直分裂,因此PDXK酶也不会一直促进维生素B6的活性。
 
然而癌细胞比正常细胞分裂的频率更高。Zhang观察分析说:AML癌细胞中的 PDXK酶一直在促进维生素B6的活性。他认为,这表明白血病细胞对维生素B6上瘾,可以说是这种癌症的脆弱之处。
 
Zhang提醒说,这并不意味着减少维生素B6的摄入量必然会使癌症患者受益,这种维生素对于健康细胞的生存是必需的。
 
研究团队表示下一步是开发药物,能够特异性阻断白血病激活PDXK酶的过程。通过操纵酶控制维生素B6活性的机制,药物可以减缓甚至停止癌细胞的生长,而不会产生从健康细胞中彻底剔除维生素B6会带来的巨大副作用。
 
[1] Vitamin B6 Addiction in Acute Myeloid Leukemia. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2019.12.002
 
5 非晶材料内部长啥样?“实锤”来了
 
塑料、玻璃、凝胶都是日常生活中常见的块状非晶材料。但是,这类材料的微观结构一直是个谜,尤其是在原子尺度上,一直缺少其结构组成的确切证据。
 
长期以来,连续无规网络模型渐成主流。这种观点认为,非晶材料中含有跟它们相应的晶态形式相同的键合单元,只不过这些单元组成了连续无规网络结构,而不是周期性的结构。然而,在这一观点被广泛认同的同时,也不断有相反的实验证据冒出来——非晶材料真的符合连续无规网络模型吗?还是内部嵌有微晶呢?
 
现在,这个问题终于有了“实锤”。来自新加坡国立大学和美国范德堡大学的联合研究团队发表在《自然》杂志上的一项研究表明[1],非晶材料的原子结构并不是连续无规网络结构,而是遵循竞争微晶模型,即一种内部嵌有微晶的结构。在这项研究中,研究团队首次成功合成了一种稳定的单层非晶碳材料,并进行了原子级分辨率的精准成像,从而测定了非晶材料的原子结构。
 
美国范德堡大学物理与工程教授Sokrates Pantelides说:“这种单层碳材料的发现首次证实了非晶材料的原子结构是一种包含有微晶的结构,这为长久以来的争议给出了答案。但是,这项工作的意义不仅仅在于给出了一个答案;更在于展示了一种跟石墨烯有所区别的二维碳材料,它在未来有着诱人的应用前景。”根据Pantelides的说法,这种材料可以用于计算机磁性硬盘的抗腐蚀的涂层,以及电池中的电流收集器。
 
[1] Toh C T, Zhang H, Lin J, et al. Synthesis and properties of free-standing monolayer amorphous carbon[J]. Nature, 2020, 577(7789): 199-203.
 
6 武汉发现的新型冠状病毒会是什么?
 
新型冠状病毒到底是什么?
 
2020年1月7日,“不明原因肺炎”病原体初步判断是一种“新型冠状病毒”。1月11日9时,武汉新型冠状病毒的基因序列正式对外界公布。上海市公共卫生临床中心和公共卫生学院、华中科技大学武汉中心医院、武汉市疾控中心、中国疾控中心传染病预防控制所张永振联合澳大利亚悉尼大学Edward Holmes,在Virological网站上发表了该病毒的初始序列。第二天,中国国家卫生健康委员会在GISAID上发布了从不同患者中收集的另外五个病毒的序列。至此,各地研究者都在紧锣密鼓的进行分析。
 
世界卫生组织计划很快公布一项针对这种新病毒的诊断测试,该测试是由德国柏林大学附属夏里特医院的病毒学家Christian Drosten和其他研究人员根据中国公布的序列开发的。它可以检测来自新型冠状病毒中三个不同基因的片段,这三个基因也存在于SARS病毒中。Drosten希望以各个公共卫生实验室都有的SARS RNA作为阳性对照以立即开始工作。美国北卡罗来纳大学教堂山分校的冠状病毒研究员Ralph Baric已经在尝试从这些数据中合成活病毒,以便在动物中进行研究,并帮助开发一种简单易用的抗体测试。爱丁堡的进化生物学家Andrew Rambaut表示这些病毒“符合同一来源”,它们可能来自华南海鲜市场的同一批动物,但一个月的时间里出现的病例表明来源可能并不止一群动物。香港大学病毒学家管毅也认为,该病毒是从多种动物宿主身上独立跳跃到人群中的。目前可知,该病毒与SARS属同一组别,相似度约80%,是一个新型的“类SARS”或“SARS样”的冠状病毒。
 
截至14日,华大基因、硕世生物已成功研发出新型冠状病毒核酸检测试剂盒。据梅斯医学消息,香港大学李嘉诚医学院微生物学系传染病学讲座教授袁国勇在香港卫生防护中心的记者会上表示,根据病毒基因图谱,将其相关图谱的基因排序与网上其他排序比较,最接近的是浙江舟山蝙蝠类SARS冠状病毒。Rambaut认为,除了蝙蝠外,很可能还有另一种天然宿主,因为该病毒基因组的某些部分与蝙蝠病毒非常相似,但其他部分都很不相似。
 
[1] 本文摘编自BioArt,作者唐小糖
 
[2] 据武汉市卫生健康委员会1月18日消息:2020年1月16日,省、市专家依据患者的临床表现、流行病学史,以及利用国家刚下发的诊断试剂盒检测出的结果,新认定新型冠状病毒感染的肺炎病例4例。4名患者均为男性,于2020年1月5日至8日期间发病、1月8日至13日入院治疗,经治疗后症状好转,目前病情稳定。4名新增病例相关流行病学调查正在进一步进行中,其密切接触者也正在追踪中。最新动态可关注武汉市卫生健康委员会官方网站。



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