水熊蟲(chóng)為何如此頑強(qiáng)？新研究揭示其“獨(dú)門(mén)秘籍” | 科技周覽

整理 | 周舒義、望鄉(xiāng)

水熊蟲(chóng)為何如此頑強(qiáng)？新研究揭示其耐受輻射機(jī)制

從宇宙空間到深海熱泉，水熊蟲(chóng)在極端環(huán)境中展現(xiàn)出極其驚人的生存能力。在10月25日發(fā)表于Science的一項(xiàng)研究中，我國(guó)科學(xué)家揭示了水熊蟲(chóng)耐受超強(qiáng)輻射的多組學(xué)特征與其背后的復(fù)雜分子機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對(duì)極端環(huán)境生物學(xué)的認(rèn)知，也為未來(lái)生物技術(shù)與醫(yī)藥開(kāi)發(fā)提供了新的視角。

水熊蟲(chóng)是緩步動(dòng)物的俗稱(chēng)，是一種水生無(wú)脊椎動(dòng)物，軀體非常細(xì)小，大部分體長(zhǎng)不超過(guò)1毫米。其分布于包括北極、熱帶、深海、溫泉在內(nèi)的世界各地，可耐受超強(qiáng)輻射、高溫、高壓、低溫、干燥，甚至外太空真空環(huán)境等多種極端條件。

新研究報(bào)道了一種新的高生屬水熊蟲(chóng)物種——河南高生熊蟲(chóng)（Hypsibius henanensis），其可耐受高達(dá)5000 Gy的γ射線輻射（人的輻射致死劑量約為5 Gy）。研究人員建立其實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)體系，繪制了高質(zhì)量基因組圖譜（112.6M，注釋得到14701個(gè)編碼蛋白的基因，均勻分布于6條染色體），在國(guó)際上首次整合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組響應(yīng)超強(qiáng)輻射的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)合分子進(jìn)化和功能特征分析，揭示了河南高生熊蟲(chóng)耐受超強(qiáng)輻射的分子機(jī)制。

據(jù)介紹，基于組學(xué)分析得到的2801個(gè)差異基因，研究人員將輻射耐受機(jī)制歸為三大類(lèi)：一是從細(xì)菌、真菌、植物水平轉(zhuǎn)移到水熊蟲(chóng)的外來(lái)基因，賦予其特殊的抗逆能力，如生成具有很強(qiáng)抗氧化活性的甜菜色素，從而減輕輻射損傷；本研究共鑒定到75個(gè)高可信的相關(guān)基因，其中13個(gè)在輻照后發(fā)生顯著上調(diào)。二是水熊蟲(chóng)基因組中約30%的基因是緩步動(dòng)物特異的，緩步動(dòng)物特異蛋白傾向于高度無(wú)序，通過(guò)相分離參與DNA損傷修復(fù)等過(guò)程。三是與其他門(mén)類(lèi)共有的古老蛋白（如線粒體呼吸鏈組裝蛋白）在水熊蟲(chóng)中具有特殊的輻射響應(yīng)模式。

值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)這些在水熊蟲(chóng)中起抗輻射作用的分子，轉(zhuǎn)入人源細(xì)胞后，可以顯著提升后者的抗輻射能力。這提示它們具有重要潛在應(yīng)用價(jià)值，為研制抵御超強(qiáng)輻射損害的“金鐘罩”找到了理論依據(jù)。

空間輻射損傷是制約人類(lèi)深空探測(cè)和長(zhǎng)期在軌駐留的關(guān)鍵醫(yī)學(xué)問(wèn)題之一，此外，多種涉核作業(yè)環(huán)境均受到超強(qiáng)輻射的嚴(yán)重威脅。中國(guó)科學(xué)院院士、醫(yī)學(xué)蛋白質(zhì)組全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任賀福初表示，針對(duì)水熊蟲(chóng)這種極端生命體抗逆機(jī)制的研究，或?qū)⒏氯祟?lèi)對(duì)生命系統(tǒng)基本構(gòu)成原理和運(yùn)行機(jī)制的認(rèn)識(shí)，開(kāi)啟全面認(rèn)識(shí)輻射耐受機(jī)制的大門(mén)。

利用表觀遺傳，把照片存進(jìn)DNA

大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)洪流對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。DNA分子具有超高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度和超長(zhǎng)壽命，已成為備受矚目的顛覆性存儲(chǔ)介質(zhì)。然而，傳統(tǒng)DNA存儲(chǔ)依賴(lài)“從頭合成”的信息寫(xiě)入路線，在成本和速度上存在明顯缺陷。10月23日發(fā)表于Nature的一項(xiàng)研究提出了一種無(wú)需從頭合成的DNA存儲(chǔ)策略，實(shí)現(xiàn)了高效、低成本的大規(guī)模DNA存儲(chǔ)，為未來(lái)實(shí)用型DNA存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展提供了全新思路。

研究人員開(kāi)發(fā)的“表觀比特（epi-bit）”DNA存儲(chǔ)利用預(yù)制的DNA模板和分子活字塊，通過(guò)DNA自組裝介導(dǎo)的分子信息排版，經(jīng)選擇性酶促甲基修飾轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了分子級(jí)“活字印刷”信息打印。他們將中國(guó)漢代“白虎”瓦當(dāng)和大熊貓“飛云”的高清圖片成功寫(xiě)入DNA分子中，數(shù)據(jù)量超過(guò)27.5萬(wàn)比特，相比此前發(fā)表的其他非傳統(tǒng)DNA存儲(chǔ)技術(shù)，數(shù)據(jù)規(guī)模提升超300倍。信息讀取使用便攜式納米孔測(cè)序儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA模板上復(fù)雜表觀比特信息的高通量讀取，并通過(guò)單次超240種不同修飾模式的并行解析，無(wú)損還原了原始數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該創(chuàng)新型分子存儲(chǔ)技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，還展示了表觀比特的穩(wěn)定性。

大規(guī)模表觀比特DNA存儲(chǔ)和讀取結(jié)果分析。| PKUCQB

值得關(guān)注的是，新研究還展示了這項(xiàng)技術(shù)的分布式存儲(chǔ)應(yīng)用潛力。團(tuán)隊(duì)邀請(qǐng)了60名不同背景的青年志愿者，由他們?cè)诜菍?zhuān)業(yè)環(huán)境下（普通教室），將私人數(shù)據(jù)親手寫(xiě)入DNA，相關(guān)數(shù)據(jù)直到測(cè)序才能夠被解讀。這種分布式DNA存儲(chǔ)方式，不僅能極大降低DNA存儲(chǔ)的使用門(mén)檻，且保障了數(shù)據(jù)隱私，有望推動(dòng)DNA存儲(chǔ)的個(gè)人應(yīng)用。

“在DNA這張白紙上批量打印信息，相比于傳統(tǒng)‘從頭合成’路線的逐個(gè)添加分子比特信息，代表著DNA存儲(chǔ)的重要技術(shù)突破?！闭撐淖髡?、北京大學(xué)錢(qián)瓏研究員表示，“未來(lái)，任何人在任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、高效的DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而無(wú)需依賴(lài)大型實(shí)驗(yàn)儀器。同時(shí)，結(jié)合更多樣的堿基修飾、堿基類(lèi)似物和更精確的測(cè)序技術(shù)，epi-bit DNA存儲(chǔ)的規(guī)模和可靠性都將進(jìn)一步提升?！?/p>

他們?cè)?000年前發(fā)明了第一個(gè)輪子

沒(méi)人知道是誰(shuí)發(fā)明了輪子，也沒(méi)人知道第一個(gè)輪子在什么時(shí)候誕生。許多歷史學(xué)家懷疑，在世界的不同地方、不同歷史時(shí)期，輪子被一次又一次地獨(dú)立發(fā)明出來(lái)。此前研究表明，早在公元前3000年，輪子就已在全球各地被廣泛使用。

一項(xiàng)10月23日發(fā)表于Royal Society Open Science的研究認(rèn)為，輪子的發(fā)明和使用可能起源于東歐的一座銅礦。大約6000年前，喀爾巴阡山脈銅礦的礦工利用最早的輪子，從礦井深處搬運(yùn)礦石。

考古學(xué)家在東歐喀爾巴阡山脈地區(qū)的遺址中發(fā)現(xiàn)了150多個(gè)四輪馬車(chē)形狀的陶制器皿，據(jù)推測(cè)，這些器皿是禮儀用途的飲水杯。碳-14測(cè)年顯示，其制作時(shí)間不晚于公元前3600年。研究認(rèn)為，其靈感來(lái)源于礦溝通道中用于運(yùn)送礦石的小型帶輪推車(chē)。研究人員基于結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算分析，利用拓?fù)鋬?yōu)化，模擬重建了輪子可能的演進(jìn)歷史。他們提出了輪子可能的四個(gè)演進(jìn)階段：第一階段是自由滾動(dòng)的圓柱狀滾筒（研究稱(chēng)之為“free rollers”，自由滾筒），例如削掉枝杈的樹(shù)干。人們發(fā)現(xiàn)滾筒滾動(dòng)可以減少摩擦耗散，幫助省力。但這種方法需要不斷將用過(guò)的滾筒補(bǔ)充到前方，在狹窄的礦井中難以實(shí)現(xiàn)。于是礦工們加以改進(jìn)，輪子來(lái)到第二階段：在滾筒上增加凹槽，使得滾筒隨貨物一同前進(jìn)，形成“推車(chē)”。

輪軸系統(tǒng)的演變。| Royal Society Open Science

在第三階段，滾筒中段變細(xì)，成為輪軸雛形。研究猜測(cè)這可能是為了增強(qiáng)通過(guò)性，更好越過(guò)障礙物。在這個(gè)階段，輪軸和輪子相對(duì)固定，是一個(gè)整體。第四階段，輪子可以獨(dú)立于輪軸旋轉(zhuǎn)，這樣在轉(zhuǎn)向時(shí)就允許外側(cè)輪子的轉(zhuǎn)速快于內(nèi)側(cè)輪子，提高轉(zhuǎn)向性能。計(jì)算模擬表明，固定輪對(duì)的輪軸連接處會(huì)承受更大應(yīng)力，更易損壞。研究認(rèn)為，礦井通道可以人為修成直線，對(duì)轉(zhuǎn)向性能要求不高，在固定輪對(duì)發(fā)明約500年后，活動(dòng)輪對(duì)才發(fā)明出來(lái)。

戒不掉碳水？可能是祖?zhèn)骰颉白魉睢?/p>

如果你發(fā)現(xiàn)難以抵擋面食、米飯的誘惑，那么可能是古老的DNA在作祟。10月17日發(fā)表于Science的一項(xiàng)研究表明，唾液淀粉酶基因（AMY1）在人體內(nèi)的最初復(fù)制可能早在80多萬(wàn)年前就已經(jīng)發(fā)生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)。這讓早期人類(lèi)能更高效地分解食物中的淀粉，為人類(lèi)適應(yīng)富含淀粉的食物提供優(yōu)勢(shì)。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家已知大多數(shù)現(xiàn)代人攜帶多個(gè)AMY1拷貝，能幫助我們?cè)诰捉赖臅r(shí)候初步分解淀粉。人體的AMY1拷貝數(shù)越多，分泌淀粉酶的能力就越強(qiáng)，就能從淀粉類(lèi)食物中獲得更多熱量。但科學(xué)家一直難以確定該基因拷貝數(shù)是何時(shí)以及如何在人體內(nèi)擴(kuò)增的。

為了追蹤AMY1的早期復(fù)制情況，研究人員利用光學(xué)基因組圖譜和長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序（LRS）技術(shù)，對(duì)68個(gè)古人類(lèi)基因組進(jìn)行分析，包括來(lái)自西伯利亞的一個(gè)4.5萬(wàn)年前的樣本。研究發(fā)現(xiàn)，早在農(nóng)耕時(shí)代之前的狩獵采集時(shí)期，每個(gè)正常的人體細(xì)胞（二倍體細(xì)胞）內(nèi)已經(jīng)擁有4至8個(gè)AMY1拷貝，表明早在人類(lèi)馴化植物和大量食用淀粉之前，就已攜帶多個(gè)AMY1拷貝在亞歐大陸上活動(dòng)。

研究還發(fā)現(xiàn)，尼安德特人和丹尼索瓦人擁有多份AMY1拷貝，這表明AMY1可能在80多萬(wàn)年前首次復(fù)制，早于現(xiàn)代人與尼安德特人分化，比之前認(rèn)為的要早得多。研究認(rèn)為，AMY1的最初復(fù)制就像池塘中的“第一道漣漪”，為人類(lèi)創(chuàng)造了一種演化契機(jī)，進(jìn)而塑造了我們這個(gè)物種。隨著人類(lèi)遷移到不同地方，適應(yīng)不同的生活方式，AMY1拷貝數(shù)量的變異為人類(lèi)適應(yīng)新的飲食，特別是富含淀粉的食物提供了優(yōu)勢(shì)。此外，在過(guò)去4000年中，歐洲農(nóng)民平均攜帶的AMY1拷貝數(shù)大幅增長(zhǎng)，這可能與富含淀粉的飲食使擁有更多AMY1拷貝數(shù)的個(gè)體獲得進(jìn)化優(yōu)勢(shì)有關(guān)。

研究人員表示，AMY1拷貝數(shù)較多的個(gè)體消化淀粉的效率更高，后代也往往更多。對(duì)AMY1拷貝數(shù)變異的研究有助于探索其對(duì)代謝健康的影響，并加深對(duì)淀粉消化和葡萄糖代謝等機(jī)制的理解。

波音制造的衛(wèi)星在太空解體

國(guó)際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）的衛(wèi)星Intelsat 33e（簡(jiǎn)稱(chēng)IS-33e）日前在太空中解體，產(chǎn)生大量碎片。該公司表示，正與衛(wèi)星制造商美國(guó)波音公司及相關(guān)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，分析衛(wèi)星解體原因。

據(jù)介紹，該衛(wèi)星由波音公司設(shè)計(jì)和制造，2016年8月發(fā)射，2017年1月投入使用，主要為歐洲、非洲及亞太部分區(qū)域的用戶(hù)提供通信服務(wù)。衛(wèi)星的最初預(yù)計(jì)使用壽命為15年。

國(guó)際通信衛(wèi)星公司網(wǎng)站10月19日發(fā)布的公告說(shuō)，IS-33e衛(wèi)星出現(xiàn)異常狀況，導(dǎo)致衛(wèi)星服務(wù)中斷；21日更新的公告說(shuō)，“完全失去”該衛(wèi)星。該公司正在與波音公司及美國(guó)政府相關(guān)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，分析相關(guān)數(shù)據(jù)和觀測(cè)結(jié)果。該公司表示，自衛(wèi)星發(fā)生異常狀況以來(lái)，一直在與受影響的客戶(hù)和合作伙伴進(jìn)行溝通，中斷的服務(wù)被轉(zhuǎn)移到該公司運(yùn)營(yíng)的其他衛(wèi)星或第三方運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星上。

有媒體報(bào)道，該衛(wèi)星價(jià)值不菲，國(guó)際通信衛(wèi)星公司曾因這顆衛(wèi)星發(fā)生技術(shù)故障而要求7800萬(wàn)美元的保險(xiǎn)賠付。但據(jù)報(bào)道，衛(wèi)星解體的時(shí)候沒(méi)有處于保險(xiǎn)期。

美國(guó)太空軍稱(chēng)，已確認(rèn)IS-33e衛(wèi)星于協(xié)調(diào)世界時(shí)19日4時(shí)30分（北京時(shí)間19日12時(shí)30分）在地球靜止軌道上解體。太空軍正在跟蹤與衛(wèi)星相關(guān)的大約20個(gè)碎片，目前尚未發(fā)現(xiàn)構(gòu)成直接威脅的碎片。

俄羅斯國(guó)家航天集團(tuán)新聞處發(fā)布消息稱(chēng)，俄專(zhuān)業(yè)人員記錄到這顆衛(wèi)星的80多個(gè)碎片，它們可能威脅地球靜止軌道上的衛(wèi)星；對(duì)碎片軌跡的分析表明，衛(wèi)星解體是瞬間發(fā)生的。另外也有媒體報(bào)道此事的用詞是“衛(wèi)星爆炸”。

此前，同樣由波音公司制造的與IS-33e衛(wèi)星同一系列的IS-29e衛(wèi)星2019年在地球靜止軌道上報(bào)廢，只在軌服役3年。（央視新聞）

論文“蹭熱點(diǎn)”？提及AI會(huì)使引用率上升

隨著人工智能（AI）的普及，越來(lái)越多科研人員開(kāi)始使用AI工具。近日發(fā)表于Nature Human Behaviour的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與未提及AI的科研論文相比，提及AI的科研論文引用率更高。

研究人員分析了1960年至2019年發(fā)表的約7500萬(wàn)篇論文，涵蓋19個(gè)學(xué)科。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，標(biāo)題或摘要提及“機(jī)器學(xué)習(xí)”“深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”等AI術(shù)語(yǔ)的論文，更有可能躋身其所在領(lǐng)域引用次數(shù)最多論文的前5%之列，在其他領(lǐng)域也往往能獲得更多引用。

研究還發(fā)現(xiàn)，過(guò)去20年里，研究涉及的19個(gè)學(xué)科都加強(qiáng)了對(duì)AI工具的使用，但增幅差異參差不齊，計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)的使用率最高，歷史、藝術(shù)和政治學(xué)的使用率最低，地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的使用率則介于兩者之間。通過(guò)檢測(cè)分析某些AI相關(guān)的動(dòng)賓短語(yǔ)（如“分析數(shù)據(jù)”或“生成圖像”）在文獻(xiàn)中的使用趨勢(shì)，研究人員評(píng)估了不同領(lǐng)域使用AI工具的收益，發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似趨勢(shì)：計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)使用AI的潛在收益最高，而歷史、藝術(shù)和政治科學(xué)的潛在收益最低。

研究涉及的領(lǐng)域里，計(jì)算機(jī)科學(xué)的AI術(shù)語(yǔ)使用率一馬當(dāng)先。| Nature News

新研究對(duì)AI如何改變科研進(jìn)行了量化分析，但也存在局限性。論文作者承認(rèn)，鑒于研究時(shí)間窗口截止到2019年，這項(xiàng)研究并未涵蓋AI的最新進(jìn)展，例如ChatGPT的興起，這類(lèi)基于大型語(yǔ)言模型的工具已經(jīng)改變了一些科研人員的研究方式。哈佛醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)專(zhuān)家Marinka Zitnik表示，新研究并未深究為什么某個(gè)特定的動(dòng)詞、名詞會(huì)出現(xiàn)在一篇論文中，僅僅是它們同時(shí)出現(xiàn)，并不意味著AI就一定對(duì)該領(lǐng)域有用。

研究結(jié)果也引發(fā)了部分學(xué)者的擔(dān)憂(yōu)。耶魯大學(xué)人類(lèi)學(xué)副教授Lisa Messeri表示，她擔(dān)心有些科研人員會(huì)為了單純?cè)黾诱撐囊寐识鵀E用AI工具，忽視研究質(zhì)量。

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