通过基因信息复原皇帝容貌；哮喘发作竟是由于细胞的“自杀” | 一周趣科学Vol.14

科

牧心2024年04月13日约 11 分钟

本期导读

1.聪明的流体能够自己判断力量大小；

2.这类神经元能够拯救糖尿病人的脚；

3.解读基因信息复原北周武帝的容貌；

4.证据表明固氮蓝细菌正在委身海藻；

5.什么导致哮喘发作时粘液堵塞气道？

会夹鸡蛋的“元流体”

前几年的“元宇宙”概念大火，不过最近似乎没听到什么新消息了。

在元宇宙中，我们可以用编程来控制整个宇宙的动态，但是在现实世界中却无法实现物理世界的自由控制。

举个例子，人类拿水杯的时候，手上会有力的反馈机制，不需要学习，人们就能够掌握力度，既不会把杯子捏碎，也不会力太小让杯子滑脱。

然而，我们想让机器人帮我们拿来一个玻璃杯时，就需要通过严格的计算，告诉机器人到底要用多大的力才能做到。

下次让它去拿鸡蛋时，就需要重新再算一次；再下次让它去拿蓝莓，仍旧需要重新算一次。

为了解决这一问题，近年来科学家陆续研发了一系列“超材料”，与传统材料不同的是，它们的性能与自身微观结构有关，而与成分无关。

近日，美国哈佛大学的研究人员开发了一种“可编程元流体”，这种现实中的物质具有元宇宙的特性：它们的材料性能可以通过编程方法调节。该研究发表在《自然》杂志上。

这种流体内含许多小型弹性球体，直径在50 至 500 微米之间，这些球体在压力下会弯曲，流体的特性也会随之发生变化。

研究小组生产了数十万个这种高度可变形的球形胶囊，其中充满空气并将它们悬浮在硅油中。

当液体内部的压力增加时，胶囊就会塌陷，形成一个类似透镜的半球体。当压力消除后，胶囊会弹回球形。

研究人员通过将元流体加载到液压机器人夹具中，并让夹具拾取玻璃瓶、鸡蛋和蓝莓，展示了液体的可编程性。

在普通的传统气动或者液压系统中，机器人自己不会调节力的大小，所以很容易就会把鸡蛋和蓝莓夹碎。

但对于元流体来说，液体本身会响应不同的压力，改变其柔顺性来调整夹具的力量，从而能够拿起一个沉重的瓶子、一个精致的鸡蛋和一个小蓝莓，而无需额外的编程。

也就是说，这种液体能够赋予机器人一些简单的智能。

除此之外，元流体还显示出可编程的光学和力学特性，而这些性质也是实现对物理世界进行编程的过程中所必须的。

接下来，研究人员的目标是探索元流体的声学和热力学特性。

视频1气动与液动装置很容易将物品夹碎，而元流体会智能调节力的大小（视频来源：nature.com）

课代表总结：元宇宙里我们是不是在家里躺好，操控机器人上班就行了？

参考文献

Adel Djellouli, Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Gorissen, Katia Bertoldi. Shell buckling for programmable metafluids. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z

新研究有望逆转糖尿病足溃疡

糖尿病的可怕之处在于，它的效应是全身性的，身体几乎每个器官都会因为高血糖而产生变化。

对于神经系统来说，如果长期血糖过高，会导致周围神经系统的病变，引起神经机能减退。

因此，患者可能根本就无法察觉自己身上的小伤口或者小感染。另一方面，高血糖会使得伤口愈合变慢。

患者察觉不到伤口，而伤口又愈合的非常慢，如此一来就有机会进一步导致皮肤溃疡的形成，而这种溃疡一旦成型就很难控制，最终患者会面临截肢的风险。

由于这种并发症多发于脚部，因此也称作糖尿病足溃疡。25%-35%的糖尿病患者都有这一并发症。

澳大利亚墨尔本莫纳什大学的Yen-Zhen Lu与合作者注意到，周围神经机能减退和伤口愈合减慢之间有相关性，但不知二者之间是否具有因果性。

因此，他们设计实验针对这一问题展开了研究。

研究发现，在伤口愈合过程中，动物体内的一种被称为“伤害感受器”的神经细胞，发挥了重要作用。

伤害感受器，是我们体内感知疼痛的神经。当你被玫瑰扎到手时，缩手并大叫一声“哎呦”的反射运动，就是由伤害感受器发起的。

研究人员发现，在愈合过程中，负责感受伤害的神经细胞会分泌一种称为降钙素基因相关肽（CGRP）的物质，来刺激免疫细胞，加速伤口的愈合。

去除小鼠的感觉神经细胞会降低 CGRP，并显著减慢皮肤伤口愈合和受伤后的肌肉再生；另一方面，当科学家们给患有神经病变的小鼠注射 CGRP时，伤口愈合的速度加快了2.5倍，肌肉再生的速度也加快了1.6倍。

这些发现为再生医学带来了巨大的希望，特别是让愈合不良的组织和慢性伤口看到了治疗希望。

这项研究揭示了感觉神经元在协调神经元修复和再生中的关键作用，加深了我们对急性损伤后组织愈合过程的理解。

图1 伤害感受细胞分泌的CGRP能够显著促进伤口愈合（图片来源：参考文献）

课代表总结：感受到伤痛之后，还要努力帮伤口愈合……

参考文献

Yen-Zhen Lu, Bhavana Nayer, Shailendra Kumar Singh, Yasmin K. Alshoubaki, Elle Yuan, Anthony J. Park, Kenta Maruyama, Shizuo Akira, Mikaël M. Martino. CGRP sensory neurons promote tissue healing via neutrophils and macrophages. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07237-y

利用基因信息构建北周武帝容貌复原图

北周武帝宇文邕是我国南北朝时期的北周皇帝，公元560年至578年在位，统治期间打败了北齐，统一了我国北方，为之后隋朝的统一全国奠定了基础。

北周的皇室来自鲜卑族。历史上人们认为，鲜卑人有着异国情调的外表，比如浓密的胡须、高高的鼻梁和黄色的头发。

1996年，考古学家在陕西咸阳发现了武帝的陵墓，发掘后找到了武帝的遗体，其中包括一个几乎完整的头骨。

上海复旦大学的文少卿教授团队对其进行了深入研究。随着近年来古代DNA研究的发展，研究团队在武帝的DNA中找到了超过100万个单核苷酸多态性（SNP）。

SNP与人体之间的关系，形象地理解，有点类似“星座”“血型”“MBTI”与人性格的关系，只不过血型只有4种，星座只有12种，而SNP可以多达上千万种。

就像我们常听说“巨蟹座比较顾家”“处女座有洁癖”等说法一样，我们也可以用“具有XXX型SNP的人有黑头发”“具有YYY型SNP的人有圆脸”之类的方法，来推断SNP与人体特征之间的联系。

只不过，二者的区别在于，SNP的科学性是经过验证的，而星座和血型嘛，就不太一定了。

现在市面上有很多个人基因检测服务，原理也是通过分析你的SNP信息，来推断你患某种疾病的风险。

研究者们根据找到的SNP以及人类软组织深度信息，再结合武帝的头骨，以3D方式重建了他的脸部。相关研究近日发表在《当代生物学》杂志上。

结果显示，武帝有棕色的眼睛、黑色的头发、深色至中等肤色的皮肤，他的面部特征与当今的北亚和东亚人相似，而并不是传说中的外国面孔。

这证明了鲜卑人南下进入中国北方时与汉族通婚情况，也为我国北方民族融合的进程提供了证据。这是了解古代人类如何在欧亚大陆传播以及他们如何与当地人融合的重要信息。

除此之外，研究者还在北周武帝的DNA里找到了许多与中风相关的SNP。而史书记载，北周武帝患有失语症、眼睑下垂和步态异常——这些都是中风的后遗症表现。

而考虑到他36岁就去世了，他的儿子也英年早逝，因此，他们的确有可能患有家族性的中风。

图2 从DNA中复原的北周武帝（左）以及唐人阎立本所绘的北周武帝（右）（图片来源：参考文献）

课代表总结：感觉……眉毛还挺像的！

参考文献

Panxin Du, Kongyang Zhu, Hui Qiao, Jianlin Zhang, Hailiang Meng, Zixiao Huang, Yao Yu, Shouhua Xie, Edward Allen, Jianxue Xiong, Baoshuai Zhang, Xin Chang, Xiaoying Ren, Yiran Xu, Qi Zhou, Sheng Han, Li Jin, Pianpian Wei, Chuan-Chao Wang, Shaoqing Wen. Ancient genome of the Chinese Emperor Wu of Northern Zhou. Current Biology, 2024; DOI: 10.1016/j.cub.2024.02.059

固氮菌正在沦为藻类的细胞器

氮是地球上所有生命必需的营养物质，是构成蛋白质和DNA的主要元素之一。

尽管大气层的主要成分就是氮气，但是氮气分子非常牢固，只有在打雷闪电时才会被激活，转化成可以被生物利用的形式。

为了摆脱自然环境中活性氮元素含量过少的限制，有些细菌进化出了一种被称为“固氮”的功能。

简单来说，就是在细胞内通过“人造闪电”的方式来激活氮气分子，用来制造含氮养料。

可想而知，在细胞里制造闪电需要消耗大量的能量，这不利于细胞维持正常的生理功能。

因此大部分固氮细菌都有固氮“开关”，一旦细胞生活的环境里不缺氮元素，它们就会关闭固氮功能；等到环境中缺乏氮元素的时候再重新开启。

也有一些生物虽然自己不会固氮，但是与固氮菌之间达成了交易：固氮菌为它们提供氮元素，而它们为固氮菌提供食物。

例如，大豆就是一种与固氮菌签订“契约”的植物，在大豆的根部有很多固氮菌生活的“根瘤”，通过根瘤，大豆可以获得氮元素供应，从而生产很多蛋白质。

但是，有些生物不满足于这种简单的交易，它们似乎正在试图“奴役”这些固氮菌。

美国罗德岛大学的Keisuke Inomura 与合作者最近在《细胞》杂志上发文，报告了一种名为毕格罗球藻的海洋藻类（B. bigelowii）可能正在将与之共生的固氮蓝细菌UCYN-A变成自己的细胞器，后者正在失去自主性。

为什么说UCYN-A已经开始失去自主性了呢？

就像我们之前提到的那样，固氮生物一般都能够自主控制固氮功能的开启与关闭。

但是研究者发现，UCYN-A与毕格罗球藻共生之后，已经失去了关闭固氮的能力，无论环境中是否有足够的氮元素，它们都在日夜不停地固氮。

看上去，UCYN-A已经成为了这种藻类的“奴隶”，必须一直工作，不能停歇。

但这并不能证明，这种固氮菌已经完全成为了藻类的一个细胞结构，毕竟奴隶也会罢工起义。

于是，科学家观察了这一对共生体的生长发育模式。结果发现，当藻类细胞生长变大时，它体内寄生的UCYN-A也会逐渐变大，而当藻类细胞开始分裂时，UCYN-A也会随之一起分裂，从而保证每个子代细胞里都含有一份UCYN-A。

这种随着宿主细胞的生长分裂而同步的行为，与细胞中的线粒体和叶绿体等细胞器的行为模式简直一模一样！

因此，这种UCYN-A固氮菌，很可能正走在演变为像线粒体一样的细胞器的路上。

科学家认为，这项研究使我们能够探索细胞器形成的早期阶段的进化。这为细胞器起源的内共生假说提供了一项直接证据。

图4 藻类体内的UCYN-A（红色）和叶绿体（绿色）以及线粒体（蓝色）的生长情况对比，提示三者有相似的生长模式（图片来源：参考文献）

课代表总结：全世界固氮菌，联合起来！

参考文献

Francisco M. Cornejo-Castillo et al, Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis, Cell (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.02.016

哮喘病因新发现为预防哮喘提供思路

哮喘是一种常见疾病，在我国有数千万人有不同程度的哮喘，症状为喘息、咳嗽、呼吸困难和胸闷等。花粉或灰尘等触发因素会使哮喘症状恶化，并可能导致危及生命的哮喘发作。

尽管这种疾病很常见，但其病因仍不清楚。目前的药物（沙丁胺醇等）都是基于哮喘是一种炎症性疾病的观点，通过开放气道、平息炎症和分解堵塞气道的粘液，来缓解哮喘发作的后果，这有助于控制哮喘，但不能防止哮喘造成的伤害。

近日，在《科学》杂志上发表的一片文章，报道了英国伦敦国王学院的Dustin C. Bagley与合作者关于哮喘病因的探索。

科学家发现，哮喘与一种被称为“细胞挤出”的生物学过程有关。这是怎么回事呢？

人体的上皮细胞是构建人体与外界的屏障的细胞，一旦有死掉的细胞，就会出现漏洞。

为了防止人体出现漏洞，上皮组织会在细胞死之前就加大压力，把这个要死的细胞挤出去，它的位置由其它细胞挤过来填充。

而在哮喘发作时，由于支气管收缩会导致支气管上皮细胞的压力过大，于是很多细胞都以为自己被挤出去了……然后它们就主动凋亡（死了）。

大量死掉的细胞诱发了炎症反应，产生大量的粘液堵住了支气管，于是……人就可能被这些死细胞给活活憋死。

科学家用小鼠模型证明，哮喘发作的许多特征——炎症、粘液分泌以及防止感染的气道屏障受损——都是由小鼠模型中的这种挤出效应造成的。

研究结果表明，阻断这一过程可以预防哮喘发作引起的损伤、炎症和粘液。

那么，用什么东西来阻止这种细胞挤出呢？

科学家们发现，钆（gá）的化合物能够阻止细胞挤出。这种物质听起来比较陌生，但做过磁共振成像检查的读者可能会熟悉。

在这项研究中，研究者发现它可以在小鼠身上发挥作用，防止哮喘发作后造成损伤和炎症的过度挤压。但是钆尚未在人体中进行过测试，因此未被认为是安全或有效的。

图4 哮喘发作时的炎症反应堵塞气道（右图）（图片来源：asthma.ca）

课代表总结：很好，下一步能不能再管管花粉过敏的事？春天对我的鼻子反复处刑……

参考文献

Dustin C. Bagley et al. ,Bronchoconstriction damages airway epithelia by crowding-induced excess cell extrusion.Science384,66-73(2024).DOI:10.1126/science.adk2758

作者：牧心