首次人工合成植物染色體

2024年1月26日，來自北大-清華生命科學聯合中心的焦雨鈴課題組與合作者在《自然·植物》雜誌發表文章，報告了他們的一項驚人創舉：人工首次成功合成了植物的染色體片段。

著名的物理學家費曼曾經說過：“我所不能造的東西，我都沒有真正理解。”人們對於生命科學的研究已經非常深入，但是人工從頭合成生命卻仍然離我們很遠。

雖然無法一下子合成出一整個生物，但我們可以從簡單的部分開始。生命的基因都包含在染色體上，如果能合成染色體，那就離合成生命不遠了。

近幾年，國際上許多科學家合作從事了關於酵母菌染色體合成的工作，並且取得了最終的成功。但是酵母菌畢竟是單細胞的微生物，想要實現動物和植物這種多細胞的複雜生物的人工合成，絕非易事。

焦雨鈴課題組選擇了小立碗蘚的染色體作爲研究對象。畢竟是首次合成，所以先選擇其中的一段練練手，如果成功了，那麼剩下的就容易了。

研究者選取了小立碗蘚染色體中的一個片段，並且分析了其中的基因數據，發現裏面有大量的冗餘信息、垃圾片段、代碼不統一等問題。

因此，研究者整理了染色體片段中的代碼，刪除了冗餘和無用信息，添加了註釋，統一了格式，並且還設置了報告基因，用以測試代碼是否能夠正常運行。最終，把這段155kb的片段壓縮到了68kb。

於是，科學家按照這份新代碼人工合成了新的片段，並且把它重組到植物體內，替換了老的片段。

經過測試，這些換上了人工染色體片段的植物仍然能夠正常生活，並且還能夠抗鹽鹼，與普通的植物沒有差別。這說明，科學家人工設計併合成的染色體片段獲得了成功。

這份從0到1的突破是來之不易的，因爲只有實現了“無”到“有”，纔有可能達成人工合成生命的最終目標。

圖1 這些小苔蘚中含有人工合成的染色體片段 （圖片來源：science.org）

課代表總結：冷知識，苔蘚的英文名叫“MOSS”~

參考文獻:

Chen, LG., Lan, T., Zhang, S. et al. A designer synthetic chromosome fragment functions in moss. Nat. Plants (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01595-7

替身機器人走出實驗室

在電影《阿凡達》中，主角沉睡在睡眠倉中，就可以操控一個替身代替自己在外星球活動，這種替身技術離我們也許不再遙遠。

上週，來自意大利理工學院的Stefano Dafarra研究團隊，發表了他們最新升級的iCub3替身機器人系統，讓我們切實感受到了未來科技的震撼。

顧名思義，iCub3是一臺代替真人出現的機器人。操作者在家中足不出戶，就可以在300公里範圍內遙控iCub3機器人。

機器人攜帶有VR攝像設備，可以把實時場景傳輸到操作者的VR眼鏡上，這樣就可以看到機器人看到的視角。

另外，iCub3還攜帶有力學傳感器、紋理傳感器等，這些感受器把接收到的信號傳到操作者所佩戴的設備上，就可以讓操作者體驗到重量感、碰撞感、紋理感等真實物理世界的感受。

在2022年的全日空XPrize競賽上，iCub3就展現了驚人的任務完成能力，包括運動、抓握物體、與觀衆互動等。

而最新升級的iCub3機器人特別添加了面部表情功能，可以讀取操作者的面部表情，並且在機器人的面部也做出相應的表情，變得更像“人”了。

研究人員將機器人帶出實驗室，到現實世界中進行測試，檢測了iCub3的一系列新能力，包括奔跑、跳躍等大型活動，以及撿起石頭、下棋等手部的靈活運動，替身機器人都可以順利完成。

與此同時，系統升級使得替身機器人更容易操作，目前版本的機器人不需要專業人士的操作，普通人經過學習後就可以順利上手。

這種機器人的應用場景極爲豐富，例如危險工作（水下、荒漠等危險區）、火星探險（《阿凡達》要成爲現實了）、遠程醫療等，如果能夠早日量產，必將是一項改變人類生活的技術。

相關文獻發表於近期的《科學·機器人》雜誌上。

圖2 iCub機器人走路、開開關、看屏幕、開電鑽、拿瓶子、摸石頭 （圖片來源：science.org）

課代表總結：希望早日量產，買一個替我去上班。

參考文獻:

Stefano Dafarra et al. ,iCub3 avatar system: Enabling remote fully immersive embodiment of humanoid robots.Sci. Robot.9,eadh3834(2024).DOI:10.1126/scirobotics.adh3834

不耗電的物理聲控傳感器

在生活中，智能語音助手和智能音箱已經非常常見，它們可以幫我們接電話、開關燈、控制設備等。

這類設備的工作原理是，聽到相應的語音後，轉化成計算機可識別的操控信號，然後觸發某些事件。沒有電，這些設備都將無法工作。

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工大學的Marc Serra-Garcia與研究者在《高級功能材料》雜誌上發表文章，報道了他們最新發明的一款聲控傳感器，它的最大特點是不需要耗電就能工作。

研究者的設計思路很簡單：每當說出某個詞或發出某種音調或噪音時，發出的聲波能量會使傳感器振動。這個能量足以產生一個微小的電脈衝，打開一個電子設備。

爲此，實驗室研發了新型的聲學材料，這種新材料的特殊結構能夠感應聲波中的不同能量，從而實現傳感器的功能。

研究人員開發的原型已經獲得了專利。舉例來說，它能區分口語中的“三（three）”和“四（four）”，因爲說“four”會放出比“three”更多的能量，所以它使傳感器振動，而“three”不振動。這意味着“four”這個詞可以打開一個設備或觸發進一步的過程，而"three"什麼都不會發生。

經過設計，這種傳感器的新變種能夠區分多達12個不同的單詞，比如“開”，“關”，“上”和“下”。新的版本也要小得多，大概只有拇指指甲的大小，而研究者正在進一步減小它的體積。

有些領域已經對這種傳感器的應用前景表示了興趣，例如地震或建築物檢測，這些不需要電的傳感器會極大拓展它們的應用場景。

研究者也在嘗試將這種傳感器應用在人工耳蝸中。作爲一種助聽設備，人工耳蝸也需要充電或者經常更換電池，但是耳朵附近畢竟空間有限。如果使用這種新型的傳感器，那麼人工耳蝸可以擺脫換電池的麻煩。

圖3 原型芯片，不同的聲音可以產生不同信號（左下） （圖片來源：wiley.com）

課代表總結：說話會放出能量……懂了，唱K可以減肥（驚喜）

參考文獻：

Tena Dubček et al. In‐Sensor Passive Speech Classification with Phononic Metamaterials. Advanced Functional Materials (2024). https://doi.org/10.1002/adfm.202311877

遠古人類是如何編制繩子的

在中國神話中，有着嫘祖教人養蠶治絲的傳說，可見將天然纖維織成線繩，是原始人類非常重要的技能之一。那麼，人類究竟是如何學會編織繩子的呢？

繩子與其他工具不同的地方在於，造繩子本身就需要工具進行輔助。因此，解密遠古人類如何造繩子的關鍵，在於找到他們造繩子所用的工具。

2015 年，在德國西南部的霍勒費爾斯洞穴 (Hohle Fels Cave) 進行的挖掘和沉積物篩查中，發現了一些零碎的猛獁象牙碎片，拼湊之後可以看出，這是一件完整的象牙器具。這一巖洞的文化屬於歐亞大陸古代奧里尼亞文化，放射性碳測年表明，這些文物距今已有 35,000 至 40,000 年。

由於這件道具顯得非常精美，而且經過仔細雕琢，有四個幾乎等距的小圓孔。還帶有雕刻過的凹槽。於是，當時的科學家認爲這是一件祭祀用品。

德國圖賓根大學的 Conard 和比利時列日大學的 Rots 閒來無事時在檔案館裏看到了這件藏品。但二人對所謂的祭祀用品一說表示懷疑。

通過高倍顯微鏡和化學分析表明，這一文物上沾染了許多植物殘渣，並且它身上的微觀磨損的方向高度一致，可以推斷肯定是有很多植物從這幾個小孔的一側被拉到了另一側。

什麼樣的活動會有這種場景呢？二人突發奇想：編繩子！

很快他們就想出了這件工具的使用方法：將細細的植物纖維穿過孔，每根纖維由一個人握住。另一個人握緊工具，而再有一人則將離開小孔的纖維束扭轉成單根繩索。

於是，科學家用木頭、動物骨頭、疣豬裂牙和青銅爲材料，各自制作了一個複製品（這些都是古人類常用的材料），然後嘗試用五種不同的植物纖維以及牛筋作爲材料，來編制繩子。

結果發現，以四到五個人爲一組，在 10 分鐘內就能製作出 5 米長的堅固柔韌的繩索。研究小組發現，香蒲葉作爲繩索材料效果特別好。

這些發現並沒有解決有關古代繩索生產的所有懸而未決的問題。但這是第一次記錄了可能用於製造繩索的文物，並展示了它們的工作原理。

相關成果於2024年 1 月 31 日發表在《科學·進展》雜誌上。

圖4 象牙編繩器文物，可見雕刻凹槽 （圖片來源：science.org）

課代表總結：編！你接着編！

參考文獻：

Nicholas J. Conard, Veerle Rots ,Rope making in the Aurignacian of Central Europe more than 35,000 years ago.Sci. Adv.10,eadh5217(2024).DOI:10.1126/sciadv.adh5217

氡氣會增加中風風險

時值隆冬，與家人朋友一起泡個溫泉是再愜意不過的享受了。目前市場上有一些商家，以自家溫泉含氡爲噱頭，聲稱氡氣具有保健養生功效，以此吸引遊客。

針對這一情況，我們再次提醒大家：氡氣是放射性元素，可以產生傷害人體的電離輻射，效果與照X光差不多，一定不要接觸！

氡是一種天然存在的放射性氣體，當鈾或鐳等金屬在岩石和土壤中分解時產生。可以通過地下室牆壁和地板的裂縫、建築接縫以及管道周圍的縫隙進入房屋。

在美國，氡是除了吸菸以外，導致肺癌的第二大誘因。一些特殊的地質環境可能造成當地空氣中的氡含量升高，有些特殊的裝修材料（例如大理石等）含氡的量也會偏高。

有的小夥伴可能在想，就算氡氣不健康，那麼我偶爾去洗一次應該問題不大吧？

大，非常大。

北卡羅來納大學教堂山分校的Eric A. Whitsel於2024年1月31日在《神經病學》雜誌上發表了他關於氡氣暴露的研究成果。

在對超過16萬名受訪者進行了長達13年的跟蹤調查後，統計數據得出結論，即便是暴露在中等含量的氡氣中，也會增加中風發作的風險。

爲了確定氡氣暴露量，研究人員將參與者的家庭住址與美國地質調查局和美國環境保護局 (EPA) 的氡氣濃度數據聯繫起來。

在氡氣高暴露組中，每十萬人每年平均發生中風349起，即便排除高血壓、糖尿病、吸菸等中風誘發因素的影響，氡氣暴露的中風風險仍然比普通組高出了14%。

這也充分證明了，氡氣對人體的影響是長期而深入的。雖然這一研究沒有直接證明氡氣與中風之間的關係，但仍然從另一個角度提示了氡氣暴露是一件危險的事情。

雖然氡的放射性可以殺死癌細胞或者刺激內分泌腺體，但是它同時也會殺死健康細胞，“殺敵一千，自損八百”，對身體造成傷害。

益處未經證實，害處卻實實在在。所以還是要提醒大家：珍愛生命，遠離氡源。

圖5 氡氣暴露是肺癌的第二大誘因 （圖片來源：mdanderson.org）

課代表總結：這就好比：就算開水能殺菌，你也不能洗開水澡啊（狗頭）

參考文獻：

[1] Qifan Wu et al. Outdoor radon concentration in China. Nukleonika (2016). https://doi.org/10.1515/nuka-2016-0062

[2] Sophie F. Buchheit et al. Radon Exposure and Incident Stroke Risk in the Women''s Health Initiative. Neurology (2024). https://doi.org/10.1212/WNL.0000000000209143

作者：牧心