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生物密探 iSpyBio

這是一群熱愛生物學(xué)的志愿者們發(fā)起的一個有趣有溫度的訂閱號，我們將以“探討科學(xué)前沿，探索生物奧秘”為方向，分享最新科學(xué)前沿資訊科普（不僅限于生物學(xué)、醫(yī)藥、生物微觀世界和生物安全）、行業(yè)大咖講座和行業(yè)創(chuàng)業(yè)競賽、行業(yè)競技/留學(xué)資訊等。

我們是真理的發(fā)掘者和搬運工。無論你是從事生物相關(guān)的研究人員，還是對生物科普探秘感興趣的跨行群體，都歡迎關(guān)注我們，與我們一起探索生物的奧秘！

隨著歲末年初之際的來臨，Nature期刊隆重地推出了2024年度新聞總結(jié)，為讀者呈現(xiàn)了這一年間科學(xué)界的重大突破與關(guān)鍵時刻。接下來，讓我們回顧每個月的重要新聞亮點，見證科學(xué)的精彩征程，值得注意的是高分子領(lǐng)域有一項成果入選。

一月：從危險廢物中提取的鐵

鋁土礦精煉成氧化鋁時會產(chǎn)生赤泥這種廢料，每年產(chǎn)量約1.8億噸，已成為對環(huán)境危害最大的工業(yè)廢料之一。德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所Isnaldi R. Souza Filho等研究者在Nature 雜志上發(fā)表論文，介紹了一項利用氫等離子體將“赤泥”轉(zhuǎn)化為單質(zhì)鐵的技術(shù)。氧化鐵（III）在熱力學(xué)上不如熔體中的其他氧化物穩(wěn)定，僅需要十幾分鐘，就被等離子體還原，形成液態(tài)鐵。再基于密度差異，液態(tài)鐵從爐渣中輕松地分離出來，純度超過95%，且?guī)缀鯖]有有害元素，如S、P和C的存在，可以直接用于煉鋼。該工藝操作簡便迅速，在使用綠氫及可再生能源的情況下有助于實現(xiàn)碳中和目標，提高兩大金屬行業(yè)的可持續(xù)性。

二月：出乎意料的海洋促使更新月球規(guī)則

《自然》發(fā)表的一篇論文認為，土星的衛(wèi)星米瑪斯（土衛(wèi)一）坑洼的冰殼表面之下可能藏著海洋?？ㄎ髂崽栍钪骘w船對觀察數(shù)據(jù)的分析表明，這個海洋相對較新，仍在繼續(xù)演化。進一步研究土衛(wèi)一或能讓我們更了解這個冰質(zhì)世界如何形成。

越來越多的證據(jù)表明一些衛(wèi)星地表之下可能有海洋，但探測這些水世界很困難。土衛(wèi)一是土星的一個小型衛(wèi)星，它是一個不太可能的候選對象，因為它的表面特性和其他冰衛(wèi)星（如土衛(wèi)二）不同。Valery Lainey 及其同事對這一理論提出了挑戰(zhàn)，他們評估了卡西尼號對這個小衛(wèi)星的觀測結(jié)果。

此前研究對土衛(wèi)一的內(nèi)部提出了兩種可能：一種是拉長的巖石核心，一種是全球海洋。法國巴黎天文臺的Lainey和同事的最新分析揭示了這顆小衛(wèi)星內(nèi)部影響其自轉(zhuǎn)運動和軌道的變化。應(yīng)用固體模型時，巖質(zhì)核心需拉長，幾乎呈薄餅裝，這與觀測不符。但對土衛(wèi)一位置的測量表明，用內(nèi)部海洋的影響能更好地解釋它的軌道。作者計算出，海洋位于冰殼下方約20-30公里深處。模擬表明它出現(xiàn)于2500萬至200萬年前。因而這一地下海洋的跡象還來不及在表面留下痕跡。

作者認為這些結(jié)果表明，土衛(wèi)一近期發(fā)生的過程可能常見于其他冰星球的早期形成階段。在一篇同時發(fā)表的“新聞與觀點文章”里，美國搜尋地外文明計劃研究所（SETI Institute）的Matija ?uk 和美國西南研究院的Alyssa Rose Rhoden寫道：“Lainey和同事的發(fā)現(xiàn)，將推動對整個太陽系里中等大小冰衛(wèi)星的全面調(diào)查?！?/p>

三月：向他人學(xué)習(xí)無法單獨學(xué)習(xí)的東西

有人認為，人類文化建立在一種獨特的能力之上，即向他人學(xué)習(xí)的能力比我們一生中單獨學(xué)習(xí)的要多。這反映了人類物種最顯著的特質(zhì)之一——隨著創(chuàng)新的傳播和建立，技能和技術(shù)的逐步提高，這種現(xiàn)象被稱為累積文化。英國謝菲爾德大學(xué)的研究人員在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Bumblebees socially learn behaviour too complex to innovate alone 的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，熊蜂能教會彼此極為復(fù)雜、無法獨自學(xué)會的新行為。在這項研究中，用糖作為獎勵教會一只蜜蜂解決謎題，它會繼續(xù)訓(xùn)練其他蜜蜂完成這一任務(wù)。這些發(fā)現(xiàn)提供了證據(jù)表明蜜蜂可以社會化學(xué)習(xí)一些具備一定復(fù)雜度的行為，這種能力此前被認為是人類獨有的。

四月：阿瓦爾帝國的家族血統(tǒng)和政治轉(zhuǎn)變

德國馬克斯·普朗克進化人類學(xué)研究所Zuzana Hofmanová，Johannes Krause，Guido Alberto Gnecchi-Ruscone和匈牙利羅蘭大學(xué)Tivadar Vida共同合作，近期取得重要工作進展。他們通過研究大型譜系網(wǎng)絡(luò)揭示阿瓦爾人社區(qū)的社會風(fēng)俗。相關(guān)研究成果2024年4月24日在線發(fā)表于《自然》雜志上。

據(jù)介紹，從公元567年到568年，在阿瓦爾人期開始時，歐亞草原的人口在喀爾巴阡盆地定居了大約250年。對考古基因組學(xué)（424人）和同位素進行廣泛采樣，結(jié)合對四個阿瓦爾時期墓地的考古、人類學(xué)和歷史背景分析，可以詳細描述這些社區(qū)的基因組結(jié)構(gòu)及其親屬關(guān)系和社會實踐。

研究人員提供了一組大型譜系，使用古老的DNA重建，跨越九代，包括大約300個個體。研究人員發(fā)現(xiàn)了一個嚴格的父系親屬制度，在這個制度中，父系和女性異族通婚是常態(tài)，多重生育伴侶和寡妻結(jié)合是常見的。血緣關(guān)系的缺失表明，這個社會幾代人都對祖先保持著詳細的記憶。這些親緣關(guān)系實踐與之前來自歷史來源和歐亞草原社會人類學(xué)研究的證據(jù)一致。通過血統(tǒng)DNA連接對身份進行的網(wǎng)絡(luò)分析表明，社區(qū)之間的社會凝聚力是通過女性外通婚保持的。

最后，盡管沒有主要的祖先轉(zhuǎn)移，但這一分析的分辨率水平使人們能夠檢測到，其中一個位點的群落被替換所引起的基因不連續(xù)性。這與考古記錄的變化是平行的，可能是當?shù)卣握{(diào)整的結(jié)果。

五月：戰(zhàn)略關(guān)節(jié)阻止建筑物倒塌

2021 年 6 月，佛羅里達州的一棟住宅樓 Champlain Towers South 的泳池甲板突然坍塌，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的大部分在幾秒鐘內(nèi)逐漸坍塌。有時建筑物的一部分會受到惡劣天氣、事故、或設(shè)計錯誤的影響，導(dǎo)致失效，并引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)，最終導(dǎo)致整棟建筑或大部分建筑物倒塌。災(zāi)難性的建筑倒塌會造成巨大代價和生命損失。為緩解這些問題，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計選擇讓建筑受損部分的載荷重新分布到剩余結(jié)構(gòu)，但這會使建筑本來不受影響的部分發(fā)生倒塌。2024年5月15日，Jose Adam和同事提出了另一種設(shè)計，能隔離建筑受損的部分，預(yù)防災(zāi)難性倒塌。這種方法叫做“層級式倒塌隔離”（hierarchy-based collapse isolation），其靈感來自蜥蜴通過斷尾擺脫捕食者。這種設(shè)計能使建筑的部分結(jié)構(gòu)沿預(yù)定邊緣發(fā)生受控斷裂，避免初始損壞擴大到整個建筑。團隊認為這種設(shè)計能預(yù)防全面坍塌，減少受影響的區(qū)域并讓更多人獲救。

六月：用于大型基因組編輯的可編程酶

長期以來，生物學(xué)家一直渴望開發(fā)出可編程的方法來重組基因組中的長片段DNA序列。這種能力將使研究人員能夠在單個步驟中將千堿基級DNA序列插入、倒位、刪除或移動到細胞中基因組的特定位置。因此，研究人員一直致力于研究能夠介導(dǎo)大片段基因組重排的重組酶和轉(zhuǎn)座酶，但要精確地使這些酶靶向特定的基因組位點卻極具挑戰(zhàn)性。2024年6月26日，Arc研究所的Patrick Hsu等人在Nature期刊同期發(fā)表了兩篇研究論文，這兩篇論文描述了一種受橋RNA（Bridge RNA）引導(dǎo)的重組酶的特性，其能夠在特定基因組位點插入、倒位或刪除長片段DNA序列，從而使這些重組酶能夠重編程以實現(xiàn)新的基因組編輯能力。能實現(xiàn)這些基本DNA重排（插入、倒位或刪除）的單個步驟或提供一種更簡易的基因組編輯方法。該方法或比現(xiàn)有技術(shù)更有優(yōu)勢，有望比現(xiàn)有技術(shù)進行更精準有效的大規(guī)?；蚪M編輯，以及能介導(dǎo)重組而不是造成需要修復(fù)的斷裂。

七月：生物多樣性的森林退化閾值

世界上許多生物多樣性最豐富的森林正在被砍伐和退化。為了保留相當大的生物多樣性，可以容忍多少退化？森林在多大程度的退化方面仍然有助于保護物種？Ewers 等人。研究了數(shù)百種物種對婆羅洲沙巴不同強度的選擇性采伐的反應(yīng)。隨著伐木強度的增加而減少的鳥類包括犀牛犀鳥（Buceros rhinoceros，如圖）和阿格斯雉（Argusianus argus）。Ewers 及其同事提供的數(shù)據(jù)對保護管理具有影響。至關(guān)重要的是，作者發(fā)現(xiàn)，即使是最低限度的伐木也會導(dǎo)致物種損失。此外，輕度砍伐的森林(生物量減少<29%)保留了高水平的生物多樣性和生態(tài)功能，因此值得保護。超過2/3(>68%)的生物量被砍伐，大多數(shù)物種的出現(xiàn)率迅速下降。使這些森林恢復(fù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能可能需要采取有針對性和有協(xié)助的恢復(fù)措施。

八月：AI的深層種族主義

隨著AI大模型的普及，其決策中的隱蔽偏見引發(fā)了廣泛關(guān)注。特別是語言模型中的種族主義和方言歧視問題，正在引起越來越多的社會討論和學(xué)術(shù)研究。最近，來自牛津大學(xué)、斯坦福大學(xué)、芝加哥大學(xué)等高校的學(xué)者進行了一項研究，揭示了方言在AI模型中的隱性歧視問題。Hofmann 等人要求大模型語言（LLM）對說標準化美式英語（SAE）的人與非裔美國人英語（AAE）進行推斷，AAE 是一種與美國被奴役的非裔美國人后代相關(guān)的方言。當提示“A person who say is ___”時，其中是 AAE 中的陳述，LLM 用壓倒性的否定形容詞填空。模型還將 AAE 文本與低聲望職業(yè)最緊密地聯(lián)系起來，并且在獲得 AAE 文本時比獲得 SAE 時更有可能將假設(shè)的被告定罪。令人擔(dān)憂的是，目前減輕此類不公正的方法無法勝任這項任務(wù)。研究人員和開發(fā)人員如何更好地讓演講者和社區(qū)參與開發(fā)更公平的模型存在挑戰(zhàn)。

九月：跨性別男性激素治療后的免疫學(xué)特征

是什么導(dǎo)致了免疫系統(tǒng)中的性別偏見？研究性別肯定療法如何影響跨性別男人免疫細胞的分子譜，揭示了激素如何支撐免疫反應(yīng)。免疫系統(tǒng)受性別影響的觀點成為頭條新聞，因為男性的 COVID-19 死亡率明顯高于女性，這激發(fā)了研究人員了解免疫細胞性別差異的起源和后果的愿望。Lakshmikanth 等人本研究通過分析 23 名跨性別男性（出生性別女性，但自我認同為男性）在性別肯定睪酮治療之前和期間的情況，揭示出性激素對免疫反應(yīng)的影響。研究人員在治療開始之前便對參與者進行監(jiān)測，然后在睪酮注射后的 3 個月和 12 個月時再次監(jiān)測，最終觀察到在開始治療后的 3 個月內(nèi)，免疫反應(yīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，變得更接近順性別男性（出生性別男性，且自我認同為男性）。這凸顯出性激素在免疫調(diào)節(jié)中的作用。該結(jié)果或有助于改進跨性別男性的健康和福祉，避免如嚴重感染和免疫障礙等長期不良后果，也能增進我們對順性別個體免疫反應(yīng)差異的理解。

十月：發(fā)光的γ射線解決了雷暴難題

雷暴發(fā)出的伽馬射線通量被稱為伽馬射線發(fā)光，偶爾被飛機、氣球和地面觀測到。這些發(fā)射通常分為γ射線輝光，持續(xù)時間從幾分之一秒到幾分鐘不等，或稱為地面γ射線閃光（TGF）的強大爆發(fā)，持續(xù)時間通常不到一毫秒。然而，兩篇論文報告的觀察結(jié)果模糊了這兩種發(fā)射之間的界限，表明γ射線輝光經(jīng)常演變成類似于地面γ射線閃光的強烈脈沖。?stgaard 和Marisaldi展示了 NASA ER-2 飛機在墨西哥灣、中美洲和加勒比地區(qū)的雷暴上空飛行而進行的γ射線觀測。這些令人興奮的測量結(jié)果通過演示如何使用飛機有效地查找和研究雷暴的γ射線發(fā)射，為未來的活動奠定了基礎(chǔ)。這些研究可能會徹底改變我們對雷暴、電氣化和閃電的理解。

十一月：二合一候選藥物，解決肥胖問題

肥胖和2型糖尿?。═2D）正在以驚人的速度蔓延，影響了全球超過3.8億人口，并為個人和公共衛(wèi)生系統(tǒng)帶來了沉重的經(jīng)濟和社會負擔(dān)?，F(xiàn)有治療方法雖在體重控制和血糖管理方面取得了一些進展，但在肥胖且患有T2D的患者中，療效仍顯不足。因此，人們一直在追尋一種能在抑制食欲的同時有效提升能量消耗的新型藥物。11月13日Nature最近的研究報道“NK2R control of energy expenditure and feeding to treat metabolic diseases”，發(fā)現(xiàn)NK2R（Neurokinin 2 Receptor, 神經(jīng)激肽2受體）可能成為這一問題的突破口。NK2R受體不僅能調(diào)控能量代謝，還展現(xiàn)出了在控制食欲方面的顯著潛力，該研究深入探討NK2R作為新藥物靶點的潛力，以及其激動劑在動物實驗中所取得的令人鼓舞的成果，這一發(fā)現(xiàn)或?qū)槲磥矸逝峙c糖尿病的治療帶來新的曙光。

十二月：液態(tài)金屬將自身從人工血管組織中泵出

在傳統(tǒng)的鑄造工藝中，由柔軟的犧牲材料（如蠟）制成的 3D 模板被封裝在剛性材料中，然后熔化——露出一個空白空間，作為最終要鑄造的對象的“底片”。但是，如果您想在材料中產(chǎn)生無法承受通常用于去除模板的高溫的空間，該怎么辦？Sundaram 等人。使用鎵（一種接近室溫的液態(tài)金屬）作為犧牲材料，在柔軟的天然水凝膠（如膠原蛋白）中生成多尺度 3D 通道網(wǎng)絡(luò)。固體鎵模板（如圖）封裝在凝膠中。然后將模板加熱并用堿溶液處理以產(chǎn)生純液態(tài)鎵。它與外部鎵儲液器相連，該儲存器具有較低的“拉普拉斯”壓力——導(dǎo)致凝膠中的液態(tài)金屬被泵送到儲液器中。這種抽真空在凝膠中產(chǎn)生微通道，其結(jié)構(gòu)與原始固體鎵模板相同。（詳見“高分子科學(xué)前沿”報道：）該技術(shù)通過解耦生物材料與幾何構(gòu)建過程，突破了傳統(tǒng)方法的限制，為構(gòu)建復(fù)雜多尺度生物結(jié)構(gòu)提供了全新路徑。