目 錄
1. 時間晶體新進展
2. 公園綠地不規則更有利居民身心健康
3. 科學家在地球上找到無生命之境
4. 探究基因組的「暗物質」——重複序列
5. 戰勝兒童肥胖，祖父母很關鍵
6. 流體力學教你安全排耳道積水
編輯 | 楊凌、董唯元、韓若冰、陳航
1. 時間晶體新進展
晶體是在空間維度上具有特定周期性結構的物質。而由諾貝爾獎得主Wilczek教授在2012年提出的「時間晶體」，顧名思義是將晶體的空間維度換成時間維度。時間晶體指那些打破時間平移對稱性，在特定周期上有序重複的多體系統。通俗地說，時間晶體不需要外界提供能量，卻可以一直不停地以固定模式周期性運動。
正是這個有趣的性質，使時間晶體概念在誕生之初，在科學家還尚未釐清頭緒之前，就已經在社會上傳播甚廣。「量子永動機」、「熱力學第二定律被推翻」、「因果律被破壞」等五花八門的各種獵奇性解讀都曾見諸報端。
與社會公眾的熱心圍觀相比，學界起初的反應倒是頗為謹慎。事實上，Wilczek教授的論文發表後不久，便有法國和日本的研究者通過理論計算指出，均衡多體系統在不受外部影響的情況下，基態必然保持時間演化的平移對稱性，即不可能實現Wilczek所描述的時間晶體。不過，這些「判決書」的作用與其說是否定時間晶體，倒不如說是進一步幫助澄清時間晶體的存在條件。
在經過一段時間的理論梳理之後，加州大學伯克利分校的華裔科學家Norman Yao在2016年提出了一個方案，可以通過施加周期性外部影響，使多體系統的基態一直處於周期性變化的非均衡狀態。馬裡蘭大學和哈佛大學的兩個實驗團隊，很快便沿著Yao的方案分別製備出兩種時間晶體。這一波進展，使時間晶體又一次吸引了諸多社會關注。
然而依靠外部周期性驅動所製備的時間晶體，總給人一種無甚瞭然的感覺。Yao所設計的時間晶體，自身基態周期並不等於外部驅動周期[1]，這種被周期性影響所催生出的周期性現象，使得時間晶體概念問世之初帶給人的震撼感打了折扣。
最近，兩位不甘心退而求其次的研究者，再一次仔細研究當初那些對均衡態時間晶體的否定性判決，發現其中一些隱含條件似乎可以被突破。俄羅斯的Valerii K. Kozin和Oleksandr Kyriienko近日在《物理評論快報》上發表了他們的理論研究成果[2]。他們發現，如果多體系統中的內部相互作用是長程力，且隨距離衰減的足夠慢，那麼即使系統處於均衡態，其基態也有可能自發的周期性振蕩。
此前這一條件被其他研究者忽視，大概是因為引力和電磁力這類長程力都是隨距離平方反比衰減，這種衰減無法支撐系統成為時間晶體。而兩位研究者獨闢蹊徑，他們的模型用N個自旋為1/2的弦構建而成，並使其基態為自旋N/2的最大糾纏態。只通過簡單的演算，模型就清晰的展示出確定無疑的時間晶體屬性。
這一結論雖然基於尚未證實的弦，但其模型框架完全可以應用於凝聚態領域的數學等效對象。其意義不僅是將均衡多體系統拯救出冷宮，更有可能在不久的將來指引後續研究者製造出脫離於外部驅動的穩定時間晶體。
[1] 註：Yao所設計的時間晶體，自身基態周期整數倍於外部驅動周期
[2] Kozin V K, Kyriienko O. Quantum Time Crystals from Hamiltonians with Long-Range Interactions[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(21): 210602.
2. 公園綠地不規則更有利居民身心健康
在城市裡，一些社區公園是方形的，一些社區公園是不規則形狀的，研究發現，形狀不規則的公園比形狀規則的公園更好地降低了附近居民的死亡率。
圖：形狀不規則的公園（右）與形狀規則的公園（左）| 圖片來源[1]
眾所周知，城市裡的綠地對居民的身心健康有益，但很少有人進一步研究綠地的形狀與居民健康之間的關係。來自德克薩斯農機大學城市規劃科學Huaqing Wang博士和Lou Tassinary教授的研究給出了結論。這項研究報告發表在2019年11月的《The Lancet Planetary Health》期刊上[1]。
通過對費城數據的研究，研究人員發現，城市每增加1%的綠地就會降0.419%的居民各種死亡率 (95% CI 0·050–0·777) ，每塊綠地的面積增加1平方米，就能夠降低0.011%的居民各種死亡率和0.019%的心臟問題死亡率。進一步的研究發現，形狀複雜的綠地附近的居民有更低的死亡率。因此，綠地的建設需要與當地的地形、環境、以及綠地的功能相適應。
「我們的研究建議通過綠色步道把現有的綠地連接起來，或是從原有綠地延伸出新的綠地是一個提升居民健康的可行方案」。Wang和Tassinary說，「我們的研究發現，複雜形狀的公園綠地對應著更低的居民死亡率，這可能是由於此類公園與社區之間有更多的接觸面，因此有更多的出入口相關。」
「不規則綠地有可能來自於最初的規劃，也可能是當初建設的時候要適應當地的地形環境。沒有哪一種特定的不規則綠地形狀是最有效（降低死亡率）的，但是總的來說，數據顯示不規則形狀的公園綠地更健康。我們的發現推進了對綠地和死亡率相關性的理解，這有助於城市規劃者創造更健康的居住環境。」他們說。
[1] Wang H, Tassinary L G. Effects of greenspace morphology on mortality at the neighbourhood level: a cross-sectional ecological study[J]. The Lancet Planetary Health, 2019, 3(11): e460-e468.
3. 科學家在地球上找到無生命之境
衣索比亞達洛爾 (Dallol) 的地熱田裡有著高溫、高鹽、高酸的池塘。今年曾有一項研究指出，某些微生物能在這種多重極端條件的環境中生活，作者甚至提議將此地類比火星早期環境。然而，法國和西班牙科學家團隊發表在《自然-生態與進化》雜誌的文章得出了不同結論：達洛爾的池塘裡沒有生命[1]。
團隊採用了各種方法尋找生命，都驗證了這一結果。他們的手段包括：可檢測和分類微生物遺傳標記的大規模測序、微生物培養的方法嘗試、可鑑定單個細胞的螢光流式細胞術、鹽水的化學分析，以及掃描電子顯微鏡結合X射線光譜等。
領導該研究的法國生物學家Purificación Lopez-Garcia說，在顯微鏡下，來自達洛爾的某些富含二氧化矽的礦物沉澱可能看起來像微生物細胞，因此必須對觀測物進行充分的分析。Lopez-Garcia表示：「這些礦物沉澱可能被解釋為細胞化石，而實際上它們是在鹽水中自發形成的，它們沒有生命。」
圖：微生物細胞(左)很容易與沒有生命的富含二氧化矽的礦物質沉澱(右)混淆 | 圖片來源：Purificación Lopez-Garcia
Lopez-Garcia強調說，該研究還提供了證據，即使地球表面上有些地方含有液態水，但它仍然是無菌的（沒有生命的）。這意味著行星上存在液態水並不直接意味著存在生命，雖然液態水通常被視作適宜生存的標準。
在達洛爾的池塘裡，研究人員還發現了兩個阻止活生物體存在的物理化學障礙：一是豐富的離液序列高的鎂鹽[2]，二是高鹽、高酸和高溫同時存在的物理條件。
Lopez-Garcia 稱：「我們不會期望在其他星球上的類似環境中找到生命形式，至少不會找到類似於陸地生物化學基礎的生物。」她認為，在得出任何天體生物學的結論之前，必須參照多重指標，分析各種可能性，並謹慎做出解釋。
[1] Belilla J, Moreira D, Jardillier L, et al. Hyperdiverse archaea near life limits at the polyextreme geothermal Dallol area[J]. bioRxiv, 2019: 658211.
[2] 註：一種破壞氫鍵並使生物分子變性的物質
4. 探究基因組的「暗物質」——重複序列
基因組大部分是由重複數百或數千次的短片段組成的，這些DNA重複序列如果在錯誤位置發生擴張，可能會產生嚴重後果，例如X染色體易裂症等約30餘種疾病。這些重複序列一直以來被視為基因組的「暗物質」，即便採用現代方法也難以分析。
德國馬克斯·普朗克分子遺傳學研究所的科學家發明了一種新方法[1]，首次成功確定了源自患者的幹細胞培養物中基因組串聯重複序列長度，並通過掃描單個DNA分子獲得了有關重複序列表觀遺傳狀態的數據。該方法結合了納米孔測序法，幹細胞技術和CRISPR-Cas技術（一種高效的基因組定點編輯技術），為重複基因組區域的研究以及多種疾病的快速準確診斷打開了一扇大門。
在X染色體易裂症中，X染色體上FMR1基因的一段重複序列異常擴張。細胞識別出異常後，DNA分子會連接上甲基，這些表觀遺傳標記會覆蓋整個基因，導致其關閉。FMR1基因對於大腦正常發育至關重要，一旦關閉會引發不同程度的智力障礙和自閉症。研究人員發現，即使在同一患者的細胞之間，重複區域的長度也會有很大的差異。
傳統測序方法可用來分析患者的整個基因組。如今，科學家設計的新手段能夠研究特定區域，例如基因組的「暗物質」。
研究者利用CRISPR-Cas系統將包含重複序列的DNA片段切下，經過中間步驟處理後使其通過測序晶片上的納米孔，DNA片段的化學性質會影響其通過微孔時產生的電信號[2]。
不同於無法處理重複序列的傳統算法，生物信息學家Pay Giesselmann開發了一種名為「STRique」的新型算法，能夠高精度計算序列重複次數，利用收集的電信號即可重建基因序列和表觀遺傳化學標記。
目前STRique程序在網際網路上已免費可得。負責該研究項目的Franz-Josef Müller說：「我們創造了每個研究人員都能用來探索基因組暗物質的工具。」
Müller表示，有證據表明重複序列在神經系統發育過程中會增加，而且重複區域也參與了癌症的發展，因此新方法在基礎研究領域具有巨大應用潛力。
[1] Giesselmann, P., Brndl, B., Raimondeau, E. et al. Analysis of short tandem repeat expansions and their methylation state with nanopore sequencing. Nat Biotechnol (2019) doi:10.1038/s41587-019-0293-x
[2] 註：作者表示，如果不以這種方式對DNA分子進行預分選，那麼重複序列產生的信號將被基因組其他部分的噪聲淹沒。
5. 戰勝兒童肥胖，祖父母很關鍵
一項目前為止最為廣泛的控制兒童肥胖的試驗——CHIRPY DRAGON計劃（中國小學生體育鍛鍊和飲食習慣改善計劃）正在廣州進行。為了評估CHIRPY DRAGON計劃對控制兒童肥胖的效果，來自英國伯明罕大學和布裡斯託大學的研究人員與廣州疾控中心一起，對40所小學的1641名6歲兒童進行了為期12個月的隨機測試。測試顯示[1]，充足的體育運動和健康的飲食習慣對兒童戰勝肥胖問題至關重要，同時，多吃水果蔬菜，少坐，少玩電子設備也很重要。測試還發現，這些措施對女生的減重效果要好於男生。
目前，在中國有3000萬7到18歲兒童青少年處於超重或者肥胖中，預計到2030年這個數字會達到5000萬。CHIRPY DRAGON計劃在廣州覆蓋43所小學的61000餘名兒童。這個項目的構想者之一，來自伯明罕大學的Bai Li說:「這項試驗證明通過學校來實施肥胖控制計劃是一個更省錢更有效的方法，這或許能夠阻斷像瘟疫一樣在中國擴散的兒童肥胖現象。下一步的研究是要找到對付男孩子更有效的策略，以及如何把廣州的經驗推廣到其他省市和華人華語地區。」
值得一提的是，CHIRPY DRAGON計劃是第一個把中國祖父母輩納入進來的計劃。在中國，祖父母或外祖父母照顧孩子非常常見，他們對孩子的飲食習慣和身體鍛鍊有更大的發言權，因此如何鼓勵祖輩為孩子選擇更健康的生活方式也是這項研究的重要部分。團隊的調研表明，在中國，由祖父母輩照看為主的孩子，其超重或肥胖的比例兩倍於由父母照看的孩子。研究還發現，那些晚睡的孩子更容易超重。
[1] https://eurekalert.org/pub_releases/2019-11/uob-spa112119.php
6. 流體力學教你安全排耳道積水
耳道積水會導致耳道感染甚至損傷，但事實證明，人們用來排除耳道積水的最常見方法之一也可能導致併發症。康奈爾大學和維吉尼亞理工大學的最新研究成果顯示[1]，搖頭排放耳道積水或導致幼兒腦損傷。
在美國物理學會流體動力學分部第72屆年會上，Anuj Baskota等人發表了他們的這項研究成果。Baskota表示：「我們的研究主要集中在將水從耳道中排出所需的加速度上。」「我們在玻璃管和3D列印耳道上的實驗結果顯示，搖頭排水所獲得的臨界加速度大約是嬰兒耳朵所能承受臨界重力的10倍，這可能會對嬰兒大腦造成損害。」
「從我們的實驗和理論模型中，我們發現液體的表面張力是促使水留在耳道中的關鍵因素之一。」基於此，Baskota等人提出了一套解決嬰兒耳道積水的溫和方案：在耳道裡滴幾滴表面張力比水低的液體，比如酒精或醋，會使耳道中的積水更容易流出來。
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/aps-sht111819.php
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