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目 錄
1. 物質與反物質相差多少？中微子給出答案
2. 面對「疫情」，植物也選擇「隔離」
3. 如何更快倒出瓶子裡的液體？
4. 神秘天體如何星際穿越來到太陽系？
5. 東京晴空塔上測量地表的時間膨脹效應
6. 人體內抗核抗體水平逐年提升
7. 受損腦細胞自我修復，先要返老還童
8. 全球抗疫，疫苗試驗在行動
撰文 | 董唯元、小葉、洪俊賢、韓若冰、劉航、姜小滿、Tendo
1
物質與反物質相差多少？中微子給出答案
中微子震蕩現象是標準模型理論存在bug的實錘證據，自被實驗確認以來便成為研究熱點，還斬獲了2015年諾貝爾物理學獎。今年4月15日，中微子震蕩再次登上最新一期《自然》雜誌的封面。這一次帶給我們的不是對既有理論的挑戰，而是一個重大問題的答案。這個問題就是：物質與反物質究竟能相差多少？
我們看到宇宙中的物質比反物質更多，這是個再明顯不過的事實。可是這種不對稱的現象如何從和諧對稱的物理規律中生發出來，卻是個值得研究的問題。在近幾十年的探索中，科學家們逐漸發現了一系列深藏在自然世界中的神秘線索。
先是楊振寧和李政道發現了弱作用過程中的宇稱不守恆，與我們鏡面對稱的宇宙居然由另一種物理規律所支配！而後詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇發現，電荷共軛與宇稱的組合仍然存在不守恆，即所謂CP破壞。就是說將鏡子裡那個宇宙中的正負電荷相互對換，其結果仍然是得到一套內容不同的物理學課本。只有再附加上時間方向的反轉，才能最終還原我們這個世界的物理規律。這最後一條被稱為CPT守恆。
這些線索引導研究者們最終發現，支配物質與反物質的規律差別，都來自於CP破壞。正是因為CP破壞造成了物質與反物質衰變速度有所差異，才使得我們宇宙中的物質還在茁壯成長的時候，反物質卻更早地壽終正寢。
雖然科學家在理論上已經認識到這一點，但物質與反物質具體演化規律的差別，卻一直缺乏直接定量檢查。本次日本T2K實驗室（Tokai-to-Kamioka，東海到神崗）在《自然》雜誌所發表的成果[1]，是人類首次對正反物質的差異進行定量測量，因此在學術界格外引人注意。
中微子探測器內部。| 圖片來源：Kamioka Observatory, ICRR, Univ. Tokyo
實驗採用中微子振蕩作為檢測的「探針」，對中微子和反中微子[2]弱作用過程中CP破壞的相位差δCP進行直接定量測量。實驗結果表明，物質區間為[−3.41, −0.03]，反物質區間為[−2.54, −0.32]。這一量化結果可以直接檢驗篩選現存的大量相關理論，同時也能為標準模型理論擴展工作提供更多直接依據，甚至關係到宇宙暗物質、宇宙創生和演化等其他更多未解之謎的揭曉。
[1] https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
[2] 目前尚未確定中微子是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子，即不能確定反中微子是否就是中微子自身。此處所說「反中微子」僅指以反物質身份參與作用的中微子。
2
面對「疫情」，植物也選擇「隔離」
「隔離在家是控制疫情最好的辦法」，這一觀念可謂深入人心。那麼，植物細胞在面對真菌或細菌入侵的「疫情」時，是否也會選擇類似的方式防衛，比如犧牲部分細胞間的物流運輸和信息通訊？
英國約翰·英納斯中心（John Innes Centre）等研究機構近日發表在《美國科學院院刊》上的一項研究表明[1, 2]，當植物面臨真菌等病原體入侵時，同樣會啟動細胞膜區域性的免疫應答，關閉局部胞間連絲通道，實現暫時性的「細胞隔離」。
胞間連絲（plasmodesma）是相鄰植物細胞之間進行物質信息傳遞的細胞膜通道。研究人員使用幾丁質（真菌細胞壁的主要成分）模擬真菌的入侵，驚喜地發現植物胞間連絲區域會發生級聯反應，產生大量的胼胝質等糖類，迫使胞間連絲通道關閉、細胞彼此隔離。
細胞膜其他區域被認為廣泛存在響應病原體的受體，但實驗發現，細胞隔離過程是由一種位於胞間連絲的截然不同的受體所介導的，這兩類受體會使用同一種酶觸發下遊反應。這表明植物細胞在面對外來病原體入侵時，很可能既會引發廣泛的應答，也會在胞間連絲等局部獨立地觸發免疫反應。
進化總是驚人的相似，植物面對疫情的策略和權衡，也是自然的智慧和啟示吧。
[1] Cécilia Cheval et al., Chitin perception in plasmodesmata characterizes submembrane immune-signaling specificity in plants. Proceedings of the National Academy of Sciences. Apr 2020, 201907799; DOI: 10.1073/pnas.1907799117
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/jic-sok041420.php
3
如何更快倒出瓶子裡的液體？
你是否曾觀察過將液體從瓶中倒出時會發生什麼？當我們倒水的時候，需要空氣進入瓶中把水置換出來，置換過程中，水中氣泡的形狀和速度一直處於變化之中。有時從瓶子打開時就可以聽到「咕咚咕咚」的聲音，這是瓶中產生了有趣的周期性氣泡夾斷現象，與瓶內液位有節奏的振動有關。
不同流體內氣泡的時間演化。| 圖片來源: LOKESH ROHILLA
自達·文西時代，氣泡的行為就一直是流體動力學研究的熱點。瓶口處氣泡的生長動力學取決於流體的熱物理性質、瓶的幾何形狀及其傾斜角度。這些不可分割的參數交織在一起，使清空瓶子的動力學成為氣泡物理學家研究的前沿領域[1]。
在近期的《流體物理學》雜誌[2, 3]中，印度研究人員Lokesh Rohilla和Arup Kumar Das使用高速攝影技術，從氣泡動力學角度研究了空瓶現象，試圖找到更快清空瓶子的方法。圖像分析使他們能夠概念化各種參數。瓶內的氣泡動力學太複雜，因此研究人員就從氣泡界面生長的角度來研究。
根據生活經驗，我們知道增加傾斜角度會使瓶子的排空時間縮短，因為增大傾斜角度會使氣泡夾斷頻率增大。實驗則表明，傾斜瓶子的角度其實存在一個臨界值，當大於這個角度後，瓶子傾斜度的進一步增加不會導致瓶子清空時間的減少，因為這時氣泡佔據了瓶口空隙, 反而阻礙了液體流出。
研究人員發現了兩種不同的縮短空瓶時間的模式：一種模式是使瓶內產生高頻的夾斷氣泡，提高排出速率，就像是讓液體「咕咚咕咚」快速跑出來；另一種模式是在相對較低頻率下，增加夾斷氣泡的體積，這更像是讓液體「咕-咚-咕-咚」緩慢而大口地流出。
[1]A. Prosperetti. Bubbles. Physics of Fluids, 16:1852–1865, June 2004.
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/aiop-bdr040620.php
[3]https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0002249?download=true
4
神秘天體如何星際穿越來到太陽系？
2017年10月19日，一個神秘的星際天體首次造訪我們人類所在的太陽系，此物形狀奇特，長條雪茄狀，外殼層乾燥，沒有常見的水冰。這是人類已知的第一個造訪太陽系的星際天體，由位於夏威夷島上的Pan-STARRS1望遠鏡首先發現，於是科學家們給它起了「奧陌陌（Oumuamua）」這一不同尋常的名字，在夏威夷語中，它的意思是「來自遠方的信使」[1]。
對於奧陌陌從哪兒來，它如何形成這樣的形狀，科學家們猜測紛紛，有人甚至推測這可能是外星探測器。本周發表在《自然·天文》雜誌上的一篇論文對於前面若干問題首次給出了綜合性解釋[2, 3]。
中國科學院國家天文臺的張韻是論文第一作者兼通訊作者，與美國加州大學聖克魯茲分校的林潮（Douglas N. C. Lin）一起通過高解析度計算機模擬，建立小型天體飛掠恆星附近時的動態變化模型。
奧陌陌表面的顏色以及缺乏射電輻射的事實表明它是自然天體。模擬結果指出，當小型天體非常接近大型恆星時，恆星的潮汐力會撕裂天體，形成類似於奧陌陌的長條狀碎片，將碎片拋回星際空間。
恆星的潮汐力撕裂天體的過程示意圖。| 圖片來源：NAOC/Y. Zhang
由於強烈的恆星輻射，碎片表面距離恆星近時會融化，遠離後又重新凝聚。而在潮汐力撕裂過程中產生的熱擴散會驅散天體表面的揮發性物質，這也解釋了奧陌陌表面的顏色、可見像差。進入太陽系之後，太陽輻射讓奧陌陌表面的水冰蒸發，從而產生了無引力加速度，讓它在太陽系驚鴻一現又飄然遠去。
[1] http://english.cas.cn/head/202004/t20200410_234617.shtml
[2] https://news.ucsc.edu/2020/04/oumuamua.html
[3] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1065-8
5
東京晴空塔上測量地表的時間膨脹效應
愛因斯坦廣義相對論認為，巨型物體的引力會導致時空扭曲。時間在較大的引力場中運行得相對比較慢。例如在地球表面，建築物底部的時間流逝會比在頂部慢。然而實際測量這個差異十分困難，因為在地球表面相對論效應十分微小，而用於超精密測量的時鐘體型通常非常龐大。
日前，日本理化研究所（RIKEN）的研究團隊成功研發了可移動光學晶格鍾，首次實現了對地表相對論效應的測量。這項壯舉將實驗室的巨型精密時鐘小型化為可攜式可行動裝置，並使其對諸如溫度、振動和電磁場等環境噪聲不敏感。該光學晶格鐘被封裝在一個邊長約為60釐米的立體磁屏蔽盒中。研究人員將一個晶格鍾置於東京晴空塔底部，另一個置於塔頂450米高的天文臺，兩個時鐘通過光纖連接，從而對時間膨脹效應進行了超精確的測量。該結果發表於《自然·光子學》雜誌[1, 2]。
RIKEN研究人員認為，超精密時鐘的研究最終可以實現通過測量引力來感知和利用時空曲率。例如，利用時鐘可以探測地面高度的微小變化，從而能夠測量活動火山或地殼變形這些地方的地面膨脹，也可以用於定義參考高度。實現在實驗室之外利用可攜式時鐘設備進行精確測量，是將超精密時鐘製作成實用設備的第一步。該研究團隊的長期規劃是將這些超精密時鐘放置於數百公裡遠，並實現對地面的相對上升或下降行為的檢測。
[1] https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/pr/2020/20200407_2/index.html
[2] https://www.nature.com/articles/s41566-020-0619-8
6
人體內抗核抗體水平逐年提升
自身免疫疾病 (autoimmune diseases, AID) 是機體對自身抗原發生免疫反應，從而導致組織細胞受到免疫系統攻擊所引發的疾病。常見的AID有類風溼性關節炎、系統性紅斑狼瘡和多發性硬化等等。臨床上用來檢測AID的一個重要的項目是抗核抗體 (antinuclear antibody, ANA)。ANA是一組針對細胞核內物質的自身抗體，在13%的人中為陽性。ANA陽性指示患者很可能患有AID或者有患病傾向，但也有一少部分ANA陽性的人完全健康[1]。
美國國立衛生研究院與其合作者最近發表了一項研究[2, 3]，發現美國的ANA群體陽性率從1990年前後的11.0%上升到了2010年前後的15.9%，且在青少年、男性、非西班牙裔白人中提升較為顯著。雖然其中的生物學機制尚不明確，但研究人員猜測這也許和人們的生活方式和生活環境改變有關係。
研究作者之一Christine Parks博士評論：「這些新發現對公共健康有重要啟示，可以幫助我們研究並了解為什麼一些人會患上自身免疫疾病。」另一位作者Darryl Zeldin博士說，近年的研究表明AID發生的頻率似乎也有所提升，但尚無足夠的數據支撐。Zeldin希望國家建立AID註冊登記系統，用以監測疾病數據隨時間的變化、識別高發地區，並最終理解疾病發生的原因。
[1] Pisetsky, D. S. (2017). Antinuclear antibody testing - misunderstood or misbegotten? Nat. Rev. Rheumatol. 13, 495–502. doi: 10.1038/nrrheum.2017.74.
[2] Dinse, G. E., Parks, C. G., Weinberg, C. R., Co, C. A., Wilkerson, J., Zeldin, D. C., Chan, E. K. L., and Miller, F. W. (2020). Increasing prevalence of antinuclear antibodies in the united states. Arthritis Rheumatol. doi:10.1002/art.41214
[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/nioe-amb040820.php
7
受損腦細胞自我修復，先要返老還童
修復大腦和脊髓的損傷可能是醫學界最艱巨的挑戰。根據美國研究人員發表在《自然》雜誌上的新發現[1, 2]，成年腦細胞受損時會回到胚胎狀態，在適當的條件下能夠再生出新的連接，有望恢復失去的功能。
僅在20年前，成人大腦還被視為完全分化和不可改變的。隨後研究人員發現，海馬體和腦室下區域會在一生中不斷產生新的腦細胞。新研究更加強化了這個概念，大腦的自我修復或更新能力不僅限於這兩個區域。
研究者使用小鼠模型發現，當皮質層的成熟腦細胞受損時，會在轉錄水平上回到胚胎皮層神經元的狀態。如果環境適宜，細胞還能在這種不成熟狀態下重新生長出軸突。利用現代神經科學、分子遺傳學和病毒學的工具等，研究者首次繪製出了成年腦細胞再生的轉錄路線圖。
新研究還帶來了另一個驚喜。在促進神經元的生長和修復過程中，一種關鍵的遺傳通路涉及到亨廷頓（HTT）基因，該基因突變後會導致亨廷頓舞蹈症，一種神經退行性疾病。研究發現，在經過基因工程改造而缺乏HTT基因的小鼠中，受損神經元的再生轉錄水平明顯降低。
人們對HTT基因的正常作用仍知之甚少。新研究表明，HTT對於促進腦神經元的修復至關重要。因此，該基因的突變預計會使成年神經元喪失自我修復能力，導致神經元的緩慢退化，進而發展成為亨廷頓舞蹈症。
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2200-5
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/uoc--wdt041520.php
8
全球抗疫，疫苗試驗在行動
截至4月18日，新型冠狀病毒病（COVID-19）在全球範圍內已確診220餘萬例。除了隔離和各種治療手段之外，疫苗研發也是疫情防控的重要領域。
據《科技日報》報導，4月12日我國軍事科學院陳薇院士團隊研發的腺病毒載體重組新冠病毒疫苗已開啟二期臨床試驗。本次試驗開放了年齡上限，60至84歲的老年人也可以作為志願者加入[1]。13日，我國又有兩款新冠病毒滅活疫苗獲準進入一二期合併臨床試驗[2]。
在韓國，流行病防範創新聯盟資助INOVIO製藥公司，後者將與國際疫苗研究所、韓國國家衛生院建立三方合作，開展由INOVIO基於DNA平臺技術研發的候選疫苗（INO-4800）一期/二期臨床試驗[3]。
美國如今處在暴發高峰。3月中旬，美國西雅圖的凱薩醫療機構華盛頓衛生研究所已經開始展開一期臨床試驗，測試由國家過敏和傳染病研究所與Moderna公司聯合研發的候選疫苗mRNA-1273[4]。緊隨其後的有匹茲堡大學醫學院的PittCoVacc疫苗[5]、阿拉巴馬大學伯明罕分校與Altimmune生物製藥公司的AdCOVID疫苗[6]、愛荷華大學和喬治亞大學的基於MERS 疫苗的候選疫苗[7]等。
在歐洲，知名研究所如法國巴斯德研究所、德國馬克斯·普朗克研究所等等，也在調動各領域專家，借鑑現有相關疫苗，積極研發有效的候選疫苗，展開試驗。
《自然》雜誌在本月初統計，大多數新冠疫苗研發工作都在北美進行，有36家疫苗開發商（佔46％）；中國有14家（佔18％），亞洲（不包括中國）和澳大利亞有14家（18％），歐洲有14家（18％）[8]。
全球科學家各顯神通研發疫苗，給人類戰勝病毒帶來希望。然而正如世界衛生組織總幹事譚德塞表示，新冠肺炎疫苗研製至少還需要12至18個月時間[9]，為了確保疫苗的安全性，還需遵守規則、不走捷徑。
[1] http://www.stdaily.com/zhuanti/kpjd/2020-04/17/content_923561.shtml
[2] http://www.stdaily.com/zhuanti/fyywbd/2020-04/16/content_922409.shtml
[3]https://www.ivi.int/ivi-inovio-and-knih-to-partner-with-cepi-in-a-phase-i-ii-clinical-trial-of-inovios-covid-19-dna-vaccine-in-south-korea/
[4]https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-clinical-trial-investigational-vaccine-covid-19-begins
[5]https://www.upmc.com/media/news/040220-falo-gambotto-sars-cov2-vaccine
[6]https://www.uab.edu/news/research/item/11203-uab-will-test-a-covid-19-vaccine-candidate-created-by-altimmune-inc
[7]https://news.tulane.edu/pr/tulane-university-launches-new-coronavirus-research-program-develop-vaccine-and-advanced
[8]https://mp.weixin.qq.com/s/apoh8_HtJzVm4a_A5EEt4w
[9]http://www.xinhuanet.com/world/2020-03/28/c_1125779531.htm
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