我国3亿人将受到城市沉降影响；用CT给黑洞吸积盘拍个照 | 一周趣科学Vol.16
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本期导读
1.细菌在应对噬菌体入侵时使出绝招；
2.科学家用CT机给黑洞吸积盘拍照；
3.迷你结肠帮助实验室研究癌症治疗；
4.海洋生物发光比人们想象中要更早；
5.卫星数据给出我国城市沉降的信号；
01
细菌与噬菌体之间的“军备竞赛”病毒不止能够攻击人类，也能攻击动物、植物、微生物，甚至能够寄生在其它病毒中。其中， 以细菌为寄生宿主的病毒通常被称为噬菌体 。
人类依靠免疫系统来对抗病毒，而细菌作为单细胞生物，不可能准备一整套免疫系统来严阵以待，但 细菌已经进化出多种免疫手段来抵抗病毒的感染 。
与此同时， 噬菌体也并非简单地坐以待毙，而是进化出了有针对性的工具来对抗这些免疫手段 。
例如，有的细菌在自己的细胞壁上安装特殊的蛋白质哨兵，一旦结合上噬菌体，就会立即开启防御模式，阻止噬菌体DNA进入细胞。
针对这一点， 有的噬菌体进化出了“伪装”技巧，把自己的表面蛋白伪装成和哨兵蛋白一样的蛋白质，这样就可以再次混入细菌内部 。
时间一长，细菌发现自己的哨兵系统失效了，于是更改策略，来一招“动态口令”，表面的哨兵蛋白定期轮换，从而避免噬菌体的伪装得手。
噬菌体不甘示弱，进化出延迟注入的机制，结合之后先不入侵，而是等待哨兵蛋白换岗的时候，趁机注入DNA，再次突破防线。
那么，面对已经入侵进来的噬菌体DNA，细菌又有什么武器应对呢？
美国洛克菲勒大学的Phoebe A. Rice与研究者一起，分析了亚利桑那州一份干旱土壤中提取的环境DNA。也就是说，不知道这份DNA的主人是谁，只能确定它是来自土壤中的细菌。
把这份DNA随机分配给许多大肠杆菌，然后用噬菌体入侵它们，结果只有几十个大肠杆菌能够活下来。
对这些活下来的大肠杆菌进行分析，发现它们都多出了一个被称为Brig1的基因。那么，这个基因为什么能够提供免疫噬菌体的能力呢？
进一步研究发现， Brig1是一种酶，能够专门切除糖基化修饰碱基，而这些碱基是噬菌体DNA的重要组成部分。把这些碱基切除掉之后，噬菌体DNA不能正常复制，于是就无法繁殖了。
如果抛弃这些碱基，那么虽然复制得以进行，但是噬菌体DNA就无法正常工作；如果继续保留这些碱基，虽然功能正常，但是却无法复制。
这种酶的出场，将这场细菌和噬菌体之间“道高一尺魔高一丈”的军备竞赛推入了新的阶段。
研究阐明了发现新的抗噬菌体防御系统的强大方法以及抗噬菌体免疫的独特机制。该成果发表在近日的《自然》杂志上。
课代表总结： 坐山观虎斗，病毒和细菌两败俱伤！
参考文献 Hossain, A.A., Pigli, Y.Z., Baca, C.F. et al. DNA glycosylases provide antiviral defence in prokaryotes. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07329-9
02
科学家给黑洞做CT，获得3D图像黑洞本身虽然不会发光，但是并非完全无法观测。
由于黑洞的引力很大，所以会有许多物质聚集在它周围，围绕它旋转，这就是吸积盘。 由于旋转速度很高，吸积盘里的物质互相摩擦，会产生高温而发光， 这也是黑洞照片的主要拍摄对象 。
在研究黑洞吸积盘时，科学家发现，吸积盘里会偶尔发生 一些周期性的物质喷发事件 ，与太阳耀斑类似。
超级计算机模拟显示，这类事件可在X射线、红外线和无线电波中观察到。不过，从观测数据中重建这些耀斑的3D结构一直存在挑战。
研究人员利用类似CT扫描的3D技术重建了银河系中心超大质量黑洞人马座A*（Sagittarius A*）附近的高能爆发事件图。研究结果发表于《自然-天文学》，更清晰地呈现了黑洞周围的亮斑是如何形成的。
Aviad Levis和同事提出了一种新的成像技术，与医学计算机断层扫描（也称CT扫描）中使用的技术类似，他们为其命名为“ 轨道偏振层析成像 ”。
形象地理解，就是 从不同角度给研究对象拍摄大量照片，然后利用计算机把照片拼合成不同的切片，再把切片堆积起来，形成一幅3D影像。
这种方法在CT中很容易实现，因为医生可以让病人在拍摄X光片时保持静止不动。
但是远处的吸积盘却是一直在不停地运动，所以拍的照片很难识别出互相之间的关联，导致拼合困难。
因此，作者用一种基于神经网络的新计算机技术，这个神经网络受到黑洞的预测物理性质和电磁辐射过程的约束，利用AI来判断照片之间的关系并且进行图像重建。
团队利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）在2017年4月11日的观测结果，研究了无线电波长的耀斑的3D外观。
最后得到的图像显示， 耀斑可能源于吸积盘上的两个亮斑，吸积盘几乎是正对地球。这些亮斑绕黑洞顺时针旋转，其旋转轨道半径为地日距离的一半 （约7500万千米）。
重建后的耀斑结构与之前的计算机模拟类似，验证了我们对黑洞周围极端环境的大致理解。
课代表总结： 给黑洞做CT，能走医保不？
参考文献 Levis, A., Chael, A.A., Bouman, K.L. et al. Orbital polarimetric tomography of a flare near the Sagittarius A* supermassive black hole. Nat Astron (2024). https://doi.org/10.1038/s41550-024-02238-3
03
实验室培养的“迷你结肠”用于癌症研究在攻克癌症的征途中，除了有无数科研工作者日夜忙碌的身影，也有一个默默付出甚至从未发声过的群体——实验动物。
每年，为了让人类能够更好地认识自己，有数千万只小鼠和大鼠献出了自己的生命。
即便如此，有些时候人类还不怎么“领情”，因为实验毕竟是在动物身上做的，在说服力上还是有所欠缺。
于是，科学家发明了一种新道具，称为“器官细胞简化培养物”，来帮助人们更好地进行癌症相关的研究。
这是一种什么样的东西呢？
简单来说，就是 控制细胞的发育，让它长成一个与人体器官的结构和细胞类型都很相似的“模拟器官”，这样既可以避免使用实验动物带来的伦理和经济成本，也可以提升实验的可信度。
但是，现有类器官的局限性在于，它们无法模拟涉及多个细胞类型和各层次组织结构的更复杂的过程。这种复杂的研究必须使用动物完成，但对动物模型进行高分辨率实时观测的难度更大，其伦理和经济成本也十分高昂。
近日，《自然》杂志发表的一项研究，报道了一个能真实再现结直肠癌发生的类器官模型。这些细胞培养物或能用于研究与肿瘤生长有关的复杂过程，有望推动治疗手段的开发。
Matthias Lutolf和同事开发了结直肠癌的类器官模型，能在实验室里完成肿瘤发生过程。
这些细胞中安装了感光开关，用特定颜色的光照射之后，便会在预先确定的位置发展出癌性肿瘤，研究人员随后可对这些肿瘤进行数周的高分辨率追踪。
这些癌细胞被证明和取自小鼠的细胞能以相同效率发展出肿瘤，并且有相似的病理变化，这表明它们是动物结直肠癌发生的代表性模型。
这些模型将帮助开发和发现基因靶标和肿瘤抑制药物，比当前的细胞培养物更能完整再现癌症进展。
这项新技术为结直肠癌研究提供了一个灵活的高分辨系统，可以模拟之前只能用动物模型观测的复杂过程。 这项技术在调整后或能用于研究其他癌症类型，并为领域内提供一个重要的实验资源。
课代表总结： 迷你结肠是不是能制造迷你粑粑？（误）
参考文献 Lorenzo-Martín, L.F., Hübscher, T., Bowler, A.D. et al. Spatiotemporally resolved colorectal oncogenesis in mini-colons ex vivo. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07330-2
04
5亿年前，海洋发光生物开始照亮世界大约四分之三的海底动物可以自己发光，例如竹珊瑚、海笔、海扇等。但这种能力的起源一直笼罩在神秘之中。
直到最近，科学家们还认为，动物体内的生物发光现象最早出现在 2.67 亿年前的介形类动物身上，这是一种通常被称为“海萤火虫”的微小海洋甲壳类动物，它们利用生物发光粘液，进行闪烁的求偶表演。
近日，发表在《英国皇家学会学报 B》上的一篇研究报告表明， 这种特征至少起源于 5.4 亿年前的八放珊瑚，比科学家之前认为的早了近 3 亿年 。
大多数生物发光动物都使用相同的基本化学反应：荧光素酶将氧气添加到一种称为荧光素的化合物中，从而发光。
先前的研究表明，生物为了产生这种发光能力，至少要累积进化94次，可见发光能力并不是用来随便玩玩的，而是对生物有正面作用的。
现在的许多发光海洋动物利用它们的能力来捕猎、交流或吸引配偶，但八放珊瑚却并不会主动发光，只有在被碰到时才会被动发光。 这种特殊的发光模式引起了研究者的兴趣。
为了了解更多信息，研究者对八放珊瑚基因组进行了测序，并测试了活体动物，以构建详细的进化树，并绘制出哪些现代八放珊瑚物种会发光，哪些不会发光。
研究人员发现，八放珊瑚的祖先在大约 5.4 亿年前就开始照亮海洋——比介形类开始吐出发光粘液早了数亿年。
尽管如此，研究人员仍不确定最早的时候八放珊瑚为什么要发光。不过，科学家猜测这只是一个巧合。
许多荧光素都可以高效清除自由基，而自由基是细胞呼吸中产生的“毒素”，会伤害细胞。 因此，生物最初可能只是偶尔发现荧光素可以用来解毒，并不是用它来发光。
只不过后来动物发现这些光还可以有其他用途，于是逐渐围绕荧光素发光开发了一些新特性。
未来，科学家计划利用八放珊瑚族谱来预测有多少现代物种保留了发光的能力，以及随着时间的推移，哪些物种可能失去了这种能力。
课代表总结： 八放珊瑚：“莫挨老子！”
参考文献 DeLeo Danielle M., Bessho-Uehara Manabu, Haddock Steven H.D., McFadden Catherine S. and Quattrini Andrea M. 2024Evolution of bioluminescence in Anthozoa with emphasis on OctocoralliaProc. R. Soc. B.29120232626 http://doi.org/10.1098/rspb.2023.2626
05
城市地面下陷影响我国3亿多人口地球表面的土壤不是铁板一块，而是柔软且有弹性、内部有缝隙的。随着地面上的建筑物越来越沉重，地面也会被压得下沉。这就是 地面沉降 。
随着城市化的进程， 我国大量人口涌入城市，高楼大厦林立，因此城市土地就面临比较大的土地沉降风险。
近日，北京大学陶胜利教授领导的研究团队在《科学》杂志上撰文，在对卫星数据进行分析之后，给出了我国各地的土地沉降情况测量报告。
研究论文考虑了 82 个城市，总人口近 7 亿。结果显示，所分析的城市地区中有 45% 正在下沉，其中 16% 的城市地区以每年 10 毫米或以上的速度下沉。
天津、上海等等沿海城市的下沉尤为突出。 以上海为例，上海的地面在过去的一个世纪里下沉了3米，并且正在进一步下沉。
如果再考虑到全球海平面上升，那么结果将是灾难性的。 如果地面下沉和海平面上升的速度持续下去的话，到 2120 年，中国海平面以下的城市面积可能会增加两倍，影响 1.28 亿居民。 除了建筑重量导致地面沉降之外， 地下水的抽取也是造成地面沉降的因素之一 。城市人口增多，生活用水需求增加，地下水过度开采导致地面承压能力下降，加剧地面下降。
作为应对，我国目前已经采取了积极的地下水保护措施。
人口的增长还会带来交通需求的爆炸式增加，而交通工具带来的振动和地下隧道的挖掘也可能是地面沉降的一个影响因素——北京地铁和高速公路附近每年下沉 45 毫米。
沉降会危及建筑物和关键基础设施的结构完整性，并加剧气候变化对洪水的影响，特别是在沿海城市，那里的沉降会加剧海平面上升。
这些新结果强调了全国应对措施的必要性。新的卫星测量正在提供新的详细沉降数据，但光有重视是不足的，还需要城市规划部门做出切实可行的应对措施。我们需要从这次经验中学习，以解决比目前认识到的更常见的下沉威胁。
课代表总结： 吓得我赶紧买了个高低床，沉了就爬到上层睡！
参考文献 Zurui Ao et al. ,A national-scale assessment of land subsidence in China’s major cities.Science384,301-306(2024).DOI:10.1126/science.adl4366
作者：牧心
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