前沿 第8期
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生物侦探――小蜜蜂
很久以前,人们就懂得了使用金丝雀来监测煤矿中的有毒气体。如今,小蜜蜂们也担任起了“生物侦探”这个角色来。
今年6月,德国的杜塞尔多夫(Düsseldorf)国际机场和其他7个机场尝试采用蜜蜂作为机场空气质量的检测员。
飞机、汽车和当地工业都是造成机场附近糟糕的空气质量的罪魁祸首。虽然近来整治污染初见成效,但研究人员称颗粒状漂浮污染物和铅仍然是公众健康的潜在威胁。如果蜜蜂活动范围内的植物暴露于毒素之中的话,蜜蜂酿制的蜂蜜中就很可能带有污染物的痕迹。
德国的一家实验室负责每年两次检查蜂蜜样本,寻找烃类化合物或者重金属污染。目前,大约有20万只蜜蜂参与了这项计划。最近的报告表明,机场附近的蜂蜜和在无污染地区的蜂蜜并没有显著差异。
专家们并不赞成用“蜜蜂监察员”取代传统的环境监测系统,但是他们认为这种措施有助于加深公众对环境污染效应的理解。(陈晓蕾)
天热,让人类直立行走
据 说 , 今夏是近几十年来最热的一个夏天。高温的炙烤令人心浮气躁。但根据人类起源论中的“热假说”,很多年以前,正是因为天太热,人类的始祖才放弃了爬行的姿势,开始直立行走。这多少让人有点心理安慰。
目前,很多重要的原始人类化石都是在东非极端炎热和干燥的地区发现的。据推断,在上新 世和更新世,即东非成为人类演化的中央舞台时,环境甚至比现在还要热,而且植被也更稀薄。
《 美 国 科 学 院 院 刊 》(PNAS)最近发表的一篇论文指出,对当今世界最炎热的地区,肯尼亚的图尔卡纳(Turkana)盆地的古土壤研究结果表明,在400万年以前(即这些土壤碳酸盐形成的时期),土壤温度可达30℃以上,通常都超过35℃。科学家们认为这一项发现有力地支持了“热假说”,即认为由于地表温度过高,迫使原始人类采取两足着地,以躯体垂直地面的方式行走,以减少被阳光炙烤的面积和强度,同时也便于散热。另一方面,体毛减少也是对高温的一项适应。(陈晓蕾)
量子纠缠让DNA彼此结合
“ 生 命 科 学 归 根 到 底 还 是物理学。”现在物理学家们又可以得意了。继前不久科学家们发现量子力学在植物的光合作用和动物的磁感导航中都发挥着举足重轻的作用之后,最近的研究提出假说,认为是量子纠缠效应让DNA双螺旋彼此结合。
处于量子纠缠状态的两个粒子,无论相隔多远,当其中之一发生某种状态变化时,就会即时地反映在另一个粒子上面。新加坡国立大学(National Universityof Singapore)的伊丽莎白•列柏(Elisabeth Rieper)和她的同事们建立了一种理论上的简单的DNA模型,每个核苷酸都以正电荷为核心,外面包裹着负电子云。当核苷酸组成碱基对时,其电子云必须向相反的方向振荡,否则结构就会很不稳定。理论上来说,当碱基对进一步形成双螺旋时,这种振荡会更加剧烈,以至于会将双螺旋结构摇晃得七零八落。列柏认为是量子纠缠态的存在,使电子云发生了谐振,才将DNA牢牢地结合在一起。
当然这些很难通过实验手段获得证实,但很可能是一个爆炸性的发现,《科技综述》(TechnologyReview)评论说。量子力学与生命科学之间的联系之紧密,恐怕远远超乎人们的想象。(陈晓蕾)
会自我折叠的“智能纸”
哈 佛 大 学 的 罗 伯 特 • 伍 德(Robert Wood)和麻省理工学院的达尼埃•罗斯(Daniela Rus)及埃立克•德曼(Erik Demaine)领导的研究小组制作了一种“智能纸”,它可以将自己折叠成飞机或者小船的形状,就好像是最简单的变形金刚。当 然 , 这 种 神 奇 的 “ 智 能纸”并不是由传统的造纸材料制成的,而是由大约半微米厚的玻璃纤维所构成,整张纸有4厘米见方,被分为32块三角形的“瓦片”。“瓦片”与“瓦片”之间的接缝由有弹性的硅橡胶和纳米尺度的镍钛合金条组成。这些合金条预先被折叠成某种特殊的形态,并用钳子让其在保持形状的状态下以420℃加热30分钟,这样它们就能记住自己的样子(shape memory)。当冷却后的合金条被通过的电流加热到70℃这一“形变”温度时,合金条就会恢复之前的形状,带动玻璃纤维“瓦片”一起折叠,通过预先设定好的软件程序设置好各个合金条的折叠顺序,精确控制电流通过每一片合金的时间,就能够让平面的“智能纸”自动折叠成预先设定好的三维形状。尽 管 在 当 前 条 件 下 , “ 智能纸”只能折叠出简单的造型,但伍德说,只要可以进一步减小三角形瓦片的大小,同时增加它们的数量,就可以制作更加复杂的装置。到那时候,工具箱或者瑞士军刀之类就可以退役了,一张“智能纸”就可以千变万化地叠出你所需要的任何工具来。(陈晓蕾)
磁共振脑扫描预测你的决定
不 得 不 承 认 , 某 些 时 候 人 类的确是不够了解自己。譬如人往往“决定”去做他们实际上根本不会做的事;或者,莫名其妙地就做了某些原本没打算做的事。从这个意义上来说,UCLA(University of California, Los Angele加州大学洛杉矶分校)的研究人员发现磁共振成像脑扫描技术(fMRI)能够比人类自己更准确地预测人类行为,似乎也并不特别值得惊讶了。
共有20名志愿者参与了这项实验。研究人员让他们观看了社会公共服务机构关于涂防晒霜的重要性的宣传片,并要求他们回答一些关于防晒霜的问题,比如对防晒霜的态度如何,是否日后会使用等,在这个过程中,对他们的脑部进行了fMRI扫描。然后送给志愿者一些免费的防晒霜,这样就排除了有人是因为手边没有防晒霜可用而不使用防晒霜的情况。
一周之后,研究人员对这些志愿者们的防晒霜使用情况进行了“突击检查”,发现有一半人的行为和自己当初填写问卷时的预测是一致的。但是,由神经生物学家根据志愿者fMRI图像设计的未来决策预测模型,实际正确率却达到了75%。就是说,fMRI的预言甚至比志愿者本人的还要准确。
fMRI所绘制的是人脑部目标区域血流的实时图像,长久以来,它被公认为可以发现脑部的
相对活跃区域。UCLA的研究人员们这次特别关注的是前额叶皮质中层和楔前叶,这两个脑部区域据说都与人类的自我意识有关。
该研究发表于最近的《神经科 学杂志》(Journal..of..Neuroscience)。 (陈晓蕾)
首次发现针灸的镇痛原理
最新的《自然•神经科学》(Nature Neuroscience)上发表的一篇文章或许是首次为针灸镇 痛疗法找到了切实的科学依据。罗切斯特大学(University ofRochester in New York)的神经生物学家梅肯•内德歌德(MaikenNedergaard)及其同事首先在小鼠的右后爪制造疼痛感,用小鼠缩回患肢的速度来衡量它们对疼痛的敏感程度。然后,他们在小鼠对应人体穴道“足三里”的部位刺入针灸的银针并加以旋转。经过一段时间的“治疗”,小鼠对疼痛刺激的反应时间延长了,说明它们的疼痛有所缓解。而 且 , 研 究 人 员 还 发 现 ,此时针灸部位附近,腺苷的水平提高了24倍。而腺苷正是一种在组织损伤时产生,有局部镇痛作用的化合物。进一步的实验还表明,在缺乏腺苷的细胞受体的小鼠中,针灸就达不到镇痛的效 果。因而内德歌德认为针灸镇痛的原理与腺苷的产生密不可分。
这是一项“具有里程碑意义的研究”,哈佛医学院的神经生物学家维塔利(Vitaly Napadow)说。但存在于小鼠体内的镇痛过程是否也适用于人类,还需要更多的研究,“但无疑这是非 常重要的起点。”(陈晓蕾)
土星卫星泰坦上有生命吗?
土星最大的卫星泰坦(Ti-tan)上发现了生命迹象?这足以令外星人爱好者兴奋一阵子。不 过,这些“外星生命”可能和大多数人的想象都不太一样。
泰坦的表面温度可以达到冰冷的-178℃,这一温度无法维持水的液态形式,因此生物需要采用能在此温度下保持液态的物质作为生命介质。2005年,研究人员提出了“甲烷基”生命假说:认为一种呼吸氢气,以乙炔和乙烷这类小分子有机物为食的生命形式可能能够在泰坦的荒凉环境中存活。
根据“卡西尼”号(Cassini宇宙飞船最新发回的数据,研究人员发现了泰坦表面的乙炔含量的确要小于预计,而且星球表面处的氢气处于活跃的代谢过程之中,很像是某种形式的生 物正在消耗它们。这些证据满足了“甲烷基”生命假说的两个必须条件,但是,它们并不能切实地证明生命的存在,因为某些非生物代谢也能造成氢气的消耗。想要得到泰坦上存在生命的切实证据,多次的着陆探测是必不可少的。如果能够在泰坦表面找到复杂的有机分子,比如ATP或叶绿素在泰坦上的类似物等,才可以为生命的存在提供佐证。(陈晓蕾)
塑料也能当抗体
用塑料制作抗体?这可不是异想天开。日前,加州大学欧文分校(University of California at Irvine)的肯尼思•谢伊(KennethShea)领导的研究小组用塑料制作了蜂毒中的主要活性成分――蜂毒肽(melittin)的抗体,挽救了被注射了蜂毒的小鼠的性命。这是类似的实验第一次在生物活体中取得成功。
塑料具有容易塑型的特性,因而研究人员可以通过一种叫做“分子印迹”(molecular imprinting的方法用塑料制作抗体。他们使用催化剂刺激多聚物在蜂毒分子周围成型,然后溶解掉蜂毒,塑料上剩下的凹槽形状正好可以捕获蜂毒肽,就像人体的免疫系统产生的天然抗体能够“锁定”某一特异的抗原一样。在给小鼠注射蜂毒后20分钟,谢伊将这些微小的塑料纳米颗粒也注射进小鼠体内。经过这种治疗的小鼠有60%存活了下来,而未经治疗的小鼠则全部死亡了。这说明塑料抗体“很有效地捕获了血流中的蜂毒肽。”谢伊和他的同事们在论文中写道。
但剑桥大学分子生物学实验室(Laboratory of Molecular Biologyin Cambridge, UK)的菲利普•霍利格尔(Philipp Holliger)表示怀疑,虽然塑料抗体的确可以捕获有毒物质,并将它们送往肝脏销毁,但是它们执行不了天然抗体的其它重要功能,塑料抗体不具备与免疫系统的其它细胞和组分沟通的能力,无法启动机体的免疫系统来对付未来的感染。(陈晓蕾)
碳14标定古埃及王朝纪年
对于法老们统治埃及的时间,历史学家们过去是通过文物手稿和有记载的天文学事件来推算的,对于准确的年代表,一直存在很多争论。如今,牛津大学的克里斯托弗•布隆克•拉姆赛(Christopher Bronk amsey)的研究小组使用碳14放射性同位素 年代标定法试图解决这些争议。
碳14是一种天然存在的放射性同位素。生物在生长过程中吸收环境中的碳14,其体内的碳14水平基本上是稳定的。当它死亡后,碳14发生自然衰变,后世的科学家通过测量其碳14水平就能确定该有机体生存的大致年代。此前还没有人对古埃及的文物进行过大规模的放射性碳14标定,这是因为埃及对于文物的出口有非常严厉的法规,而埃及本土又没有进行高水平研究所需的仪器。为了规避这些困难,拉姆赛等从世界各地收集了211件文物,其中大部分都是从陵墓出土的。为了保证制作这些物品的有机物是下葬同时期的产物,他们选择了篮子、纺织品和食品作为样品。此外,他们还根据现有的法老统治顺序年表将这些文物划分为“古王国时期”(Old Kingdom),中王国时期”(MiddleKingdom)和“新王国时期”(New Kingdom),对不同时期的文物进行鉴定,提高了年代标定的精确度。最后再用贝叶斯统计(Bayesian statistics)建立数学模型,确定碳14标定时间与历史朝代之间最大可能的关联性。
这一研究发表于近期《科学》杂志,为某些旷日持久的历史争论画上了句号,用同样的方法也可以把埃及历史与地中海的其他文明联系起来。(陈晓蕾)
当蓝光闻起来是香蕉的味道
你闻到过光线的味道吗?如果你拿这个问题去问一些做了遗传学手术的果蝇幼虫,它们就会告诉你:蓝光是香蕉味的!
果蝇幼虫有28个嗅觉神经元,用于区分错综复杂的气味。德国鲁尔大学(Ruhr Universityin Bochum, Germany)的梅特涅和他的研究小组挑选了好吃的食物香味(比如香蕉的气味)激活的神经元,在其中加入了光敏蛋白,这样,当果蝇幼虫被蓝光照射时,它会误以为自己闻到了好吃的香蕉的气味,迫不及待地向平日避之犹恐不及的蓝光的方向爬去。
使用光线来激活嗅觉感受器,令研究人员得以绕过之前在嗅觉研究中遇到的一些障碍:如使用哪种气味以及如何使用等等。同时,他们还采用了微小的探针来追踪脑部的信号,从而了解到神经网络的运作信息。目前,他们正计划使用该方法对果蝇进行进一步的研究,看看脑部中每一个单独的目标神经元分别会有什么样的反应。该研究发表于《神经行为学前沿》(Frontiersin Behavioral Neuroscience)。(陈晓蕾)
“思想实验”的现实呈现
爱因斯坦以“思想实验”著称,即在大脑中想象出一种无法或难以在现实中实现的情景,然后推理出可能的结果,这能帮助他更深入了解世界的本质。他想象一位乘客在一个无限长的密封电梯内,电梯做自由落体运动(在地球上,就以g=9.8的加速度向下加速),这位乘客处于失重状态,他无法区分自己究竟是掉到了行星的引力井,还是在一艘加速度为1g的宇宙飞船上。通过这项思想实验,爱因斯坦发展出了广义相对论的一个核心理论――等效原理。
德国不莱梅应用太空技术和微重力研究中心将这项思想实验变为了现实,他们建造了一座自由落体的针形下降塔,高146米。研究人员首先创造了包含大约1万个原子的超冷铷原子云,冷却到绝对零度附近几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一种超流性的量子物体。它被称为玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。然后再把这个量子物体置于自由落体中,代替电梯里的乘客,并观察它在微重力状态下的行为。
目前初步研究并没有创造新的物理学理论,原子的行为大部分仍然符合理论预测。这项研究毕竟还处于初步阶段,研究人员希望他们的系统能证明其价值,通过进一步测试量子系统的相对论行为,或许能确定出两个泾渭分明的理论之间的界限在何处。(何方)
道德会让人变强壮吗?
动画片中经常会出现呼唤正义之名愈挫愈勇的英雄人物。最新的研究表明,这种情节背后并 非没有科学依据,善念的确能够增强人的机体力量。不幸的是,相对的,邪念也会,哈佛大学的科特•格雷(Kurt Gray)说。
格雷将这一效应称为“道德转型”(moral transformation), 即人们通过将某个道德角色具象化,从而获得真实的身体力量。研究人员设计了三组实验,在分别让志愿者从事慈善捐款,或者仅仅是虚构自己做善事或者做坏事的过程,在这前后分别进行一系列的力量测试,结果表明,无论是否真的做出实际的行为,只要本人认为自己正在做好事或者做坏事,他的肢体力量和毅力都会有所增加,对不适环境的忍耐力也会有所增强。这种假说与传统的观念背道而驰,传统上人们认为英雄人物拥有更强有力的意志,而非从事义举的意识让人们成为英雄。
但无论如何,如果做好事不但能让自己自我感觉良好,还能帮助自己获得更强的个人力量,更有效地达到目标,那又何乐而不为呢?(陈晓蕾)