目 錄
海底垃圾場：1平米約有190萬個微塑料低調黑洞藏身地球「家門口」擦除恐懼記憶，需要DNA「撥亂反正」適者生存造就基因流動帕金森運動障礙機制揭曉首次直接觀察光子「打腫」電子的過程單原子能量轉換設備——「量子熱機」與「量子冰箱」品鑑楓糖漿的黃金「人造舌頭」給地外生命搜尋加個指標富氫大氣下也可能找到生命01丨海底垃圾場：1平米約有190萬個微塑料
圖片來源：europeanscientist.com/en/environment/ocean-currents-create-microplastic-hotspots-deep-in-the-mediterranean/
每年約有1000萬噸塑料被倒入海洋，由此造成的汙染一直備受關注。我們可見的海洋漂浮塑料其實僅佔其中的1%，剩下的99%被認為流向了深海，但具體去向一直是未解之謎。
近日，發表在《科學》雜誌的一項研究試圖回答了這一問題。研究者收集了地中海海底的沉積物，發現了有報告以來最高含量的微塑料——海底僅1平方米的薄層中就有多達190萬個微塑料碎片，這一驚人的數字可謂遠遠超乎人們想像。研究團隊在實驗室中分離微塑料進行計數和紅外光譜分析，並與深海洋流模型及海底測繪相結合，以展示深海洋流如何影響微塑料分布。
研究表明，深海洋流將微塑料碎片輸送到海底。微塑料並非均勻分布，而是被深海洋流裹挾、富集在沉積物中，進而分布在特定海域。由于洋流還攜帶氧氣和營養，故相應區域可能還容納著消耗吸收微塑料的生態系統。
微塑料被海底洋流收集攜帶，進入海底沉積 | 圖片來源：參考文獻[2]
本研究首次將深海洋流與海底微塑料濃度聯繫起來，將有助於預測深海微塑料富集區的分布，研究微塑料對海洋生物的影響。正如研究負責人之一、美國國家海洋學中心的邁克·克萊爾（Mike Clare）博士所說，「海底洋流研究可幫助尋找深海『失蹤』的微塑料。研究結果也強調了政策幹預的必要性，我們應限制塑料流入自然環境，儘量減少對海洋生態系統的影響。」
[1]DOI: 10.1126/science.aba5899
[2]eurekalert.org/pub_releases/2020-04/uom-sfh042820.php
02丨低調黑洞藏身地球「家門口」
有關黑洞的新發現總會登上新聞頭條，比如黑洞照片、最大恆星級黑洞等。最近，科學家又發現了一個與眾不同的黑洞，它是「離我們最近的」。來自歐洲南方天文臺（ESO）等機構的科學家在位於望遠鏡座的一個恆星系統（HR 6819）內，意外地發現了一個質量可能為4.2太陽質量的黑洞，距離地球僅1000光年。
我們此前已知的最近黑洞是麒麟座V616（A0620-00），距離地球約3000光年。「在銀河系的尺度上，它就像在我們的後院裡，幾乎就在我們家門口。」領導此項研究的ESO天文學家Thomas Rivinius如是說。
科學家往往通過黑洞吸積盤發出強烈的X射線，或者恆星環繞黑洞的運動來間接探測黑洞的存在。研究團隊在研究雙星系統HR 6819時，發現這兩顆恆星怪異的軌道：一顆恆星運動極快，而另一顆極慢。它們在圍繞內部的黑暗區域運動，環境周圍又未發現其他強力的相互作用，因此推斷這是一個三體系統——兩顆恆星圍繞黑洞運動。
ESO的研究團隊是在對HR 6819數據進行重新整理時，發現其與黑洞LB-1非常相似，才最終推斷存在黑洞的。然而，去年發現的70倍太陽質量最大恆星級黑洞（LB-1）出現過爭議，有學者認為它只是雙星系統而非大質量黑洞， 因此，HR 6819的工作也遭到了一些質疑。阿姆斯特丹大學的天體物理學家Edward van den Heuvel表示本次發現的「黑洞」可能也是一個雙星系統，它們和另外兩顆恆星組成了一個四體系統。
天文學家曾預測銀河系中有數億顆恆星級黑洞，但迄今只發現了幾十顆。HR 6819本來只是一個「平凡」的雙星系統，在南半球晴朗的夜晚，人們僅憑肉眼就能看到。如果HR 6819能被最終確認為黑洞，將會給我們帶來更多關於黑洞形成的認識。
[1] doi.org/10.1051/0004-6361/202038020
[2]www.scientificamerican.com/article/astronomers-may-have-found-the-closest-black-hole-to-earth/
03丨擦除恐懼記憶，需要DNA「撥亂反正」
恐懼的產生是人類重要的生存機制，恐懼的抑制也是。在與恐懼記憶相似的環境中，大腦會形成「非恐懼記憶」，這些記憶能與先前的恐懼記憶進行抗衡。澳大利亞昆士蘭大學的研究人員指出，這種消除恐懼記憶的能力，一定程度上取決於DNA的靈活性。相關研究發表在《自然·神經科學》雜誌。
DNA存在多種不同的結構，最常見的類型是呈右手螺旋的B-DNA。某些特定基因的DNA序列還可以形成Z-DNA，它是B-DNA的左手螺旋形式。目前已知Z-DNA結構是對應基因活性的標誌，與癌症等疾病存在聯繫，並且在阿爾茨海默氏症患者的大腦中水平較高。
B-DNA和Z-DNA結構（此圖僅表現結構） | 圖源：Nature
在恐懼記憶消除過程中，某些基因的活性發生顯著變化。為了進一步探究Z-DNA與相關過程的潛在聯繫，研究者將注意力轉向了一種叫做ADAR1的酶，它能夠識別並結合在Z-DNA上。ADAR1不僅在RNA編輯中發揮作用，還可以將Z-DNA轉換回B-DNA。
在小鼠負責消除恐懼的那部分大腦區域中，研究者關閉了ADAR1基因，發現小鼠仍然可以形成恐懼記憶，但失去了消除恐懼的能力。研究結果表明，在恐懼記憶形成時，Z-DNA形成；而在消除恐懼時，ADAR1與Z-DNA結合，並完成兩項重要工作：迅速提升RNA編輯水平，然後將Z-DNA翻轉回B-DNA。研究者稱，似乎DNA結構的可塑性越高，記憶的可塑性也越強。
恐懼消除出現障礙，正是創傷後應激症候群（PTSD）和各種恐懼症（Phobias）的主要特徵。科學家對相關消除恐懼的機制了解越多，就越有可能找到更好的治療方法。
[1] www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/uoq-efm050120.php
[2] www.nature.com/articles/s41593-020-0627-5
04丨適者生存造就基因流動
中嘴地雀 | 圖片來源：Peter R. Grant and B. Rosemary Grant
自然界中物種間通過雜交進行基因交換曾被認為是罕見的現象，但近期研究表明，一些近親物種間的基因流動比之前認為的更加普遍。來自烏普薩拉大學和普林斯頓大學的科學家觀察到了兩種達爾文雀之間的基因流動，並且推斷它們通過這一基因流動改變了喙的形態以更適應生存環境。這項研究發表於近期的《自然生態學與進化》雜誌上。
達爾文雀是自然界中適應輻射和快速進化的典型例子，但在食物充足的情況下很少發生雜交。研究人員對達爾文雀種群進行了連續40年的觀察，發現兩個種群（仙人掌地雀和中嘴地雀）之間有偶爾雜交的情況，雜交的結果是二者喙部形態的趨同。通過對不同時期、不同喙形態的兩個種群進行測序，研究人員從中發現了大量基因流動的證據。
更令人驚訝的是，這些基因流大多發生在常染色體上。鳥類的雄性性染色體是ZZ，雌性性染色體是ZW，大多數雜交雀的父親為仙人掌地雀，母親為中嘴地雀。由於雌性雜交雀能成功地與雄性仙人掌地雀繁殖，而雄性雜交雀由於體形比雄性仙人掌地雀小，無法成功爭奪優質領地和配偶，所以基因流是從中嘴地雀向仙人掌地雀轉移的。另外，研究人員推斷這兩個物種之間進行雜交的長期結果將取決於環境和競爭。這項研究有助於我們理解生物的進化過程，也有助於保護生物的多樣性。
[1] doi.org/10.1038/s41559-020-1183-9
05丨帕金森運動障礙機制揭曉
帕金森病是一種神經退行性疾病，患者會出現認知和行為上的改變。該病的發病與大腦特定區域中多巴胺能神經元的衰亡有關。這是一種能產生多巴胺的細胞，所以在臨床上，醫生會採用多巴胺替代療法（通常用一種叫做左旋多巴的藥物來替代多巴胺）治療。
不幸的是，在多巴胺替代治療10年後，約有95%的患者會出現運動障礙，如坐立不安、搖頭、晃動或扭曲身體等不自主運動。這種運動障礙也被稱為左旋多巴誘導性運動障礙（LID），會影響患者日常的運動和社交，降低生活質量。科學家之前一直不清楚多巴胺替代藥物引發這種運動障礙的原因何在。
近期一項發表於《科學進展》（Science Advance）雜誌的研究找到了上述運動障礙發生的一個關鍵原因——多巴胺替代藥物增強了一種名為Ras-鳥嘌呤核苷酸釋放因子1（簡稱RasGRP1）的蛋白質的活性。研究發現，正是RasGRP1活性的增強引發了一系列反應，最終導致運動障礙。
這一發現為探索相關治療手段提供了新方向。在缺乏多巴胺的小鼠模型和其他動物模型中，使用多巴胺替代治療的同時，抑制大腦中RasGRP1的產生，就能夠抵消多巴胺替代治療引發的運動障礙，並且不會影響多巴胺替代治療的效果。小鼠模型還表明，即便完全沒有RasGRP1，也並不會致命。
如果下調人腦中RasGRP1的信號傳導也能重現動物實驗的結果，無疑將有效改善出現運動障礙的帕金森患者的生活質量。
[1] doi.org/10.1126/sciadv.aaz7001
06丨首次直接觀察光子「打腫」電子的過程
由光碟機動的化學反應，是生物視覺、光合作用等研究領域的重要課題。光如何將能量傳遞給分子中的電子，電子又如何重新排布？這些改變最終促成了物質神奇的變化，科學家們迫切希望了解反應過程的奧秘。
近日，由布朗大學、愛丁堡大學和史丹福大學SLAC實驗室組成的研究團隊，在實驗中完整記錄了光碟機動化學反應的第一步：電子云吸收光子後的膨脹過程。這一過程已經被理論所預言，但本次實景記錄，是人類第一次真實地看到其發生過程。相關論文發表在《自然通訊》。
研究團隊以CHD（1,3-環己二烯）分子為研究對象，清晰記錄了在光照作用下其化學鍵發生斷裂，繼而環狀結構徹底破壞的完整過程。這種有機分子在很多生物體內的光碟機動化學反應中都扮演重要角色，比如日光浴時皮膚中維生素D形成過程就與其密切相關。
圖片來源：www.nature.com/articles/s41467-020-15680-4/figures/1
研究人員使用飛秒雷射器向氣態CHD分子發射267納米的雷射，同時用X射線散射記錄電子云的變化情況。以前也曾有研究者嘗試類似的實驗手段，但沒有獲得足夠理想的結果。本次實驗成功的關鍵，在於團隊精心設計挑選的入射雷射能量級別，恰好可以使電子被激發處於3p Rydberg態。這是一個弛豫時間長達200飛秒的電子態，因此研究人員可以利用直線加速器相干光源（LCLS）對電子云形態從容探測，這也是首次通過X射線散射直接觀察到了激發態的電子云結構。
[1] Haiwang Yong et al., Nature Communications, 1 May 2020 (10.1038/s41467-020-15680-4)
07丨單原子能量轉換設備——「量子熱機」與「量子冰箱」
近日，新加坡及德國的研究人員成功展示了，單個原子既可以充當「發動機」，也可以充當「冰箱」，揭開了機器小型化故事的新篇章。
圖片來源：Aki Honda / Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore。
人們所倡導的綠色未來很可能會大規模依賴原子大小的能源轉換設備。因此，原子尺度下的熱力學設備是目前公認的研究前沿，如「量子熱機」和「量子冰箱」。經典熱機將能量轉化為有用的功，冰箱則是通過傳遞熱量，從而降低局部溫度，它們都是利用熱力學原理製造的機器。
熱力學是描述能量在系統內如何運動，以及如何提取有用功的科學分支。然而，僅用幾個原子構建的熱力學設備，主要表現出量子性，目前物理學對其機制理解還不是很清楚。這項工作為該機理提供了新的見解。
圖片來源：Single-atom energy-conversion device with a quantum load(https://www.nature.com/articles/s41534-020-0264-6)
實驗人員研究了單個鋇原子的熱力學。他們通過雷射使鋇原子的電子在兩個能級間移動，從而將能量推入原子的振動中。就像汽車發動機消耗汽油來移動活塞並為其電池充電一樣，原子利用雷射的能量作為燃料來增加其振動。原子的振動充當電池儲存能量，之後可以提取能量。反之，使整個過程反向，原子就像冰箱一樣，從振動中去除能量。
研究發現，在任何一種操作模式下，量子效應都明顯存在於在原子的電子態與振動的關係中。為了使發動機的能量儘可能在負載上做功，研究人員去除了鋇原子中的電子使其帶正電，因此可以通過電場將其更輕鬆地保持在金屬腔室內。用雷射轟擊原子，可使其經過不同的循環。研究人員在多次循環後測量原子的平均振動能量。他們發現，當原子運行「發動機循環」後，振動能量會增加，而在其運行「冰箱循環」後，振動能量會減少。
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/cfqt-tma050420.php
[2] https://www.nature.com/articles/s41534-020-0264-6.pdf
08丨品鑑楓糖漿的黃金「人造舌頭」
楓糖漿素有「魁北克的液體黃金」之稱。楓糖漿本質上是一種濃縮的糖溶液，其中含有66%的蔗糖和33%的水，而剩餘的1%的化合物決定了它的風味。像啤酒一樣，楓糖漿的風味也有很多影響因素，如原料的收穫時間、產地、生產和儲藏方法，甚至包括天氣。為了讓高質量的楓糖漿進入市場，需要對其進行檢測，但是一直以來還沒有能在生產現場進行方便檢測的工具。
現在，蒙特婁大學的科學家用真·黃金來檢測楓糖漿的風味了——用的是黃金的納米顆粒。這種被稱為「人造舌頭」的新技術近日發表在Analytical Methods上。
這種人造舌頭技術是一種比色測試，通過顏色變化來指示楓糖漿樣本的風味。它的使用方法可以類比pH試紙：只要在納米金顆粒上滴幾滴糖漿，然後等待10秒鐘左右，就可以看出結果。如果顯示的顏色處於紅色譜帶，說明這個糖漿樣本是優等品，是消費者最喜歡的類型；如果顯示的顏色處於藍色譜帶，說明這個糖漿樣本的風味可能有瑕疵，最好用於工業生產，不宜作為食品出售。
「黃金舌頭」檢測楓糖漿 | 圖源來源：Simon Forest
這款人造舌頭測評了1818個楓糖漿樣本，證實了自己出色的檢測能力。這些糖漿樣本來自魁北克的不同產地，具有多種多樣的香氣和從金黃到暗褐的不同色澤。
「有了這款人造舌頭，楓糖漿生產商就可以將產品根據品質快速地劃分等級。」該項研究的負責人讓-弗蘭喬薩·馬森（Jean-Francios Masson）說。有朝一日，它或許也可以用來檢測啤酒、果汁或者農產品的風味。
[1] doi.org/10.1039/C9AY01942A
09丨給地外生命搜尋加個指標
仰望星空，追問浩瀚宇宙中是否存在生命是自古以來人們始終不棄的主題。近一百年來科學技術蓬勃發展，各國科學家各施所長積極探索系外類地行星生命。
目前生命搜尋的主要策略在於將系外類地行星分類為「宜居」和「非宜居」後，再利用光譜表徵大氣中「生物標記氣體」（biosignature gas，指由生命物質產生，可在大氣聚集並被探測的氣體），例如氧氣。
為了更好地了解生物標記氣體與地球化學循環，來自亞利桑那州立大學的團隊提出「可探測指數（Detectability Index，DI）」，旨在為科學家提供一套選擇觀測目標的工具，從而提高發現外星生命的機會。DI量化了生物標記氣體是由生物還是非生物來源的可能比例，從而表徵地球化學循環中生物信號的相對強度，從而可以判斷是否存在生命。他們的成果發表在《天體物理雜誌》上。
根據地球化學數據，他們以氧氣為地球有效生物標記氣體得出地球的DI為3。研究團隊認為，地球的高指數意味著大氣中的氧氣是由於生命存在而非其他原因，而這一指標也可能適用於系外類地行星。此外，DI指數也反映出僅觀測氧氣不足以說明問題，還必須觀測海洋和陸地所佔行星比例。陸地上，雨水風化巖石的過程會釋放諸如磷等重要養分，否則光合作用生命生產氧氣的速度無法與非生物來源相比。
研究團隊發現，與地球差別不太大的系外行星DI呈直線下滑趨勢。在他們的模型中，以氧氣為生物標記氣體的類地行星上，DI將探測範圍限制在含水量小於0.2wt%（海洋行星的最低含水量）才有可能出現生命，而含水量過高（超過1wt%）會導致冰幔影響生物循環，因此建議未來的地外生命搜尋那些水少的星球。
地球與海洋行星產生氧氣的對比 | 圖片來源：D. Glaser/ASU
[1] Donald M Glaser,Hilairy Ellen Hartnett, et al.Detectability of Life Using Oxygen on Pelagic Planets and Water Worlds [Published 2020 April 28] The Astrophysical Journal.doi:10.3847/1538-4357/ab822d
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/asu-ehw050420.php
10丨富氫大氣下也可能找到生命
《自然·天文學》近期發表的一篇論文顯示，一些地球微生物可以在100%的氫氣下生存和生長。未來我們尋找地外生命時，可能需要擺脫狹隘的「類地生命觀」，能夠支持生命的系外行星環境，可能比之前認為的更加豐富多樣。
生物會產生各種氣體，包括潛在的生物標誌氣體，當這些氣體在系外行星大氣中積累到可觀的程度，便能被我們檢測到。但是類似地球的行星大氣較薄，從地球上尚且難以精確檢測。由於氫氣密度較低，富氫的大氣層會比地球大氣厚許多倍，使這些系外行星的大氣成分更易被現有的技術檢測到。
高豐度的氫一般認為對生命有益，但是關於生物在這種環境中的生存能力的研究比較匱乏。麻省理工學院的Sara Seager等研究者，利用大腸桿菌和酵母（分別代表原核生物和真核生物），在實驗室環境下做了生長實驗。他們將大腸桿菌和酵母的培養液暴露在100%的氫氣環境下，發現二者可以正常繁殖，只是繁殖速度比在空氣中慢；大腸桿菌約慢2倍，酵母約慢2.5倍，作者認為原因在於缺少氧氣。
事實上，從生物學角度，這只是一個平常的實驗。正如Seager所說，實驗結果對於生物學家來說並不奇怪。實驗中的微生物與氫氣並無互動——氫氣對它們沒有毒性，對它們的生長也沒有促進作用。但是，對於系外行星，生命可能存在於這種環境下。未來的系外行星的生命探測，多了一種選擇。
[1] nature.com/articles/s41550-020-1069-4
撰文 | 洪俊賢、韓若冰、顧舒晨、葉譯楚、董唯元、劉航、小葉
編輯 | 劉辛味、顧淼飛、Azul