本期導讀

1.宇宙中最亮的物體，同時也是“胃口”超好的黑洞

2.不會飛的恐龍爲何長出羽毛？做個機器恐龍來研究

3.沒有遠古病毒，就沒有神經系統

4.太陽系中最年輕的海洋，座標土衛一

5.解析鋰硫電池中的催化反應網絡，鋰電池成本有望降低

01宇宙中最亮的物體，差點被當成錯誤數據

類星體是宇宙中絕對的龐然大物。每個類星體中都包含一顆非常活躍的超大質量黑洞。類星體能夠以極快的速度吸引周圍的星系物質，形成稠密的吸積盤，而吸積盤中的物質發生摩擦，能夠產生極高的溫度，從而以無法想象的亮度向外輻射光能。

在類星體的世界裏，幾億倍太陽質量是家常便飯，吸引範圍達到上億光年更是小菜一碟。

而澳大利亞國立大學的Christian Wolf團隊近日發現的J0529-4351類星體，被認爲是類星體家族中的佼佼者：在迄今發現的類星體中，它的亮度是最亮的，發射功率約爲2x1041瓦特，這一數值是太陽功率的一千萬億倍！

根據愛因斯坦的質能方程計算，這顆類星體每三秒鐘就會發射出相當於一顆地球質量的能量，而這顆星體已經在宇宙中存在了120億年的時間。按常理來說，它應該早就耗盡了能量纔對。

於是科學家進行了進一步的研究，發現這顆類星體正在以更快的速度吸引他周圍的星系物質。計算表明，它每天能“喫”下將近一倍太陽質量的星系物質！

這頭星際巨獸一邊吞噬着海量的物質，一邊以極大的功率向外發光，同時在宇宙的邊緣地帶狂奔，我們卻對它所知甚少。

這麼亮的類星體，爲什麼人們一直沒有注意到它呢？答案是：它太亮了，以至於看起來像是假的。

截止目前，人們已經發現了上百萬顆類星體，這麼大的羣體數量，用人工審查的方式就太慢了。因此，人們把類星體巡查和發現的工作交給了電腦，並且把當時已知的類星體數據用作機器學習的素材。

結果可想而知，電腦由於從沒見過如此明亮的類星體，因此在看到J0529-4351時就把它當成錯誤數據而自動略過了。幸好研究者從廢棄數據裏將它及時地挽救了回來。

圖1 120億光年外的類星體J0529-4351（白色亮點） （圖片來源：參考文獻1）

課代表總結：發光爲啥強？一天一太陽！

參考文獻:

Wolf, C., Lai, S., Onken, C.A. et al. The accretion of a solar mass per day by a 17-billion solar mass black hole. Nat Astron (2024). https://doi.org/10.1038/s41550-024-02195-x

02不會飛的恐龍爲何長出羽毛？

雖然現代的鳥類是用羽毛來飛翔的，但是羽毛的出現要早於飛翔的鳥類。許多恐龍身上都有羽毛。難道恐龍會“未卜先知”，知道自己的後代將來會飛，所以先長出羽毛不成？

這意味着，羽毛的出現最初肯定是爲了某些其他的原因，而不是飛翔。只不過後來恰好有些恐龍發現用羽毛可以飛起來，羽毛才成爲後來的鳥類征服天空的助手。

尾羽龍是一種生活在1.24億年前的、大小如孔雀的恐龍，屬於廓羽盜龍類，這類恐龍有着真正的羽狀羽毛。

但是尾羽龍的前臂很小，不足以支持它們進行飛行。那麼，這麼小的前臂，配上這麼豐富的羽毛，究竟有什麼作用呢？

來自首爾國立大學的Piotr G. Jablonski與合作者決心解開這個謎題。他們從走鵑（Geococcyx californianus）和小嘲鶇（Mimus polyglottos）的捕食策略中得到了靈感。

這兩種鳥類是食蟲鳥，在捕食時，它們會扇動翅膀和尾巴上的彩色羽毛，以此來打草驚“蟲”，將蟲子從隱藏處嚇出來，以便進行捕食。這種捕食策略被稱爲“驚擾捕獵”。

尾羽龍也是一種食蟲恐龍，那麼它們的原始翅膀會不會也具有類似的趕蟲子的功能呢？

研究者們製作了一個機器人，名叫Robopteryx，它的體型、外觀、運動能力都仿照尾羽龍製成。機器人上安裝了類似尾羽龍的原始翅膀，並且能夠做出驚擾捕獵的一系列動作，例如張開翅膀、豎立尾巴、伸展停頓、收回等動作。

然後，科學家把這一機器人的動作展示給蚱蜢看，並觀察蚱蜢對這些展示行爲的反應。用蚱蜢是因爲它們對驚擾捕獵行爲有反應，而且據推斷尾羽龍和蚱蜢曾共存於同一時期。

結果發現，機器人使用雛形翅膀展示驚擾行爲，與蚱蜢逃走的可能性之間，有顯著的正相關性（使用雛形翅膀時有93%的測試蚱蜢逃離，不用則是47%）。他們還發現，翅膀上有白斑以及尾部有羽毛，與蚱蜢逃離可能性顯著相關。

Robopteryx得出的結果支持了驚擾捕獵假說，爲有羽毛的翅膀和尾部最初在恐龍中的演化提供了新視角。

視頻 機器恐龍用翅膀嚇跑蚱蜢（12倍慢放）

（視頻來源：參考文獻）

課代表總結：道理我都懂，但這鳥（恐龍？）爲啥這麼大？

參考文獻:

Park, J., Son, M., Park, J. et al. Escape behaviors in prey and the evolution of pennaceous plumage in dinosaurs. Sci Rep 14, 549 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-023-50225-x

03遠古病毒幫助神經系統進化

在脊椎動物的神經系統中，有一種被稱爲髓磷脂的重要物質，這種物質包裹着神經，就像是電纜線外包着的絕緣皮一樣，可以保護並隔離神經，使得神經可以長得更長，並且信號傳輸更加快速。

並不是所有的脊椎動物都有髓磷脂，例如比較原始的無頜類就沒有。於是，科學家們試圖揭祕髓磷脂的起源問題。

近日，來自英國劍橋大學的Robin Franklin與合作者在《細胞》雜誌上發表文章，報告了他們關於這一問題的發現：脊椎動物體內的髓磷脂，與一種遠古病毒（被稱爲retromyelin病毒）有關。

retromyelin是一種逆轉錄病毒，它們的看家本領是：把自身的RNA翻轉成DNA並插到宿主細胞的細胞核裏，從而跟着宿主同生共死。

在漫長的進化歷程中，有一些逆轉錄病毒的信息會被遺傳到下一代，於是這些病毒就成爲了人體基因組的一部分。

一直以來人們認爲，這些隨機插進動物基因組裏的病毒，不傷害動物就已經不錯了，根本不可能有什麼正面作用。

但是研究人員發現，如果用遺傳學手段將人類神經細胞中的這段病毒除掉，那麼髓磷脂的產生會被極大抑制，也就是說，如果沒有retromyelin，人類根本不可能產生髓磷脂，更不可能擁有發達的大腦和神經系統了。

通過進一步的實驗發現，retromyelin是一段非編碼RNA，本身不生產任何蛋白質，但它能夠與細胞中一種稱作SOX10的蛋白質結合，從而開啓髓磷脂合成的相關基因。

更有趣的是，經過比對發現，不同種類生物體內的retromyelin病毒，有着不同的版本，並非是來自同一個祖先。

這就說明，現代脊椎動物體內的這段病毒，並不是從祖先那裏遺傳來的，而是在進化歷程中各自捕獲的。這種現象被稱爲趨同進化。

這篇文章爲人們提供了認識病毒的新視角，也能爲基因組學帶來新的啓發：人類基因組的“垃圾堆”中，也許埋藏着重要的寶藏。

圖2 抑制該段病毒基因後，細胞中髓磷脂合成受阻 （圖片來源：參考文獻）

課代表總結：在你的基因裏，到處都有病毒來過的痕跡啊！

參考文獻:

T. Ghosh et al. A retroviral link to vertebrate myelination through retrotransposon-RNA-mediated control of myelin gene expression. Cell. Published online February 15, 2024. doi: 10.1016/j.cell.2024.01.011.

04太陽系中最年輕的海洋

海洋是地球生命的搖籃。但是海洋並非是地球的專屬，在太陽系中，木衛二和土衛二等衛星上也擁有地下海洋。這些海洋被封印在冰層以下，但很有可能並非完全冰冷，所以這些海洋中也有存在生命的理論可能。

海洋活動會把這些衛星的表面抹平，擦除它們身上的撞擊坑痕跡，因此人們通常會在表面比較光滑的衛星上尋找海洋。

因此，從來沒人關注過土衛一這顆又“小”又“醜”的衛星。土衛一的直徑僅有400公里，不到月球的八分之一；它的表面佈滿了撞擊坑和峽谷，基本沒有平地。

因此，沒人會認爲土衛一的外殼下會有海洋。

法國里爾大學的V. Lainey與合作者在整理卡西尼號發回的關於土衛一的軌道資料時，關注到土衛一的近心點漂移問題。

如果衛星是一個實心球，那麼它受到的土星引力應該是均勻的，軌道也不會發生大的變化。但是土衛一的軌道近心點卻一直在漂移，這說明其內部應該有一層液態海洋。

經過數據計算與模型分析，研究者確認，土衛一的外殼下，藏着一個深度爲20-30公里的液態海洋。

那麼問題來了：爲什麼土衛一上的海洋沒有像木衛二那樣，把自己的表面抹平呢？答案是：這片海洋非常年輕，年齡不超過1500萬年，還沒有恐龍古老，因此還沒來得及擦除土衛一表面的撞擊坑。

由此看來，不能再以“表面平整”作爲地下海洋的標誌物了，土衛一海洋的發現，證明了表面不平整的小衛星也是可能擁有地下海洋的。

海洋在太陽系中這麼普遍，不由得讓人突發奇想，或許生命的出現也不是地球特有的現象呢？也許進一步的宇宙探索，會爲我們揭開生命起源的奧祕。

圖3 表面佈滿撞擊坑的土衛一，內心暗流湧動 （圖片來源：維基百科）

課代表總結：土衛一最明顯的特徵是圖中右側的赫謝爾環形山，這也讓它看起來特別像《星球大戰》中的死星。

參考文獻:

Lainey, V., Rambaux, N., Tobie, G. et al. A recently formed ocean inside Saturn’s moon Mimas. Nature 626, 280–282 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06975-9

05解析鋰硫電池中的催化反應網絡

目前的鋰離子電池使用氧化鈷作爲陰極，這是一種昂貴的礦物，其開採方式對人類和環境有害。如果用廉價的硫代替氧化鈷，容量會提升數倍，成本也會降低不少。

但有一個問題：硫的還原反應非常複雜，會同時發生很多副反應，使得電池的壽命變短。

想要攻克鋰硫電池難題，就必須梳理清楚這一電池中，硫元素到底是如何反應的。

美國加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒和Philippe Sautet領導的團隊破譯了這一反應的關鍵途徑。這一發現發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，將有助於提高電池容量和壽命。

鋰硫電池中的硫還原反應涉及一個八原子的環狀硫分子，共有 16 個電子參與反應。在經歷一系列反應交織成的網絡後，硫環分子最終轉化爲硫化鋰。

該反應網絡具有許多的分支、中間產物和副產物，科學家的目標是，釐清每一個步驟節點到底發生了什麼，並找出哪些反應可以提升電池性能。

團隊先用理論計算來推斷所有可能的反應途徑，然後通過電化學和光譜分析來驗證計算結果。經過不懈努力，整個反應網絡浮出水面。

數據表明，電池性能主要由反應中間體Li2S4決定，將Li2S4完全轉化爲最終產物Li2S至關重要。摻雜硫和氮的碳基電極可以有效促進這種轉化。接下來，科學家將探索性能更好的催化劑，進一步提升該反應的效率。

研究還發現，中間體Li2S6不直接參與電化學過程，而是副反應的主要產物，它能穿梭到鋰金屬陽極並與其反應，消耗硫和鋰，導致能量損失和存儲容量迅速降低。因此，如何抑制Li2S6的生成，將是鋰硫電池研究的方向。

電池技術和催化科學的結合，將爲快速、高容量的能量轉換設備開闢新途徑。

圖4 鋰硫電池原理示意圖及應用場景 （圖片來源：大連物理化學研究所）

課代表總結：鋰硫鋰硫，你牛你牛！（扣錢）

參考文獻:

Liu, R., Wei, Z., Peng, L. et al. Establishing reaction networks in the 16-electron sulfur reduction reaction. Nature 626, 98–104 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06918-4

作者：牧心