父亲肠道微生物可影响后代寿命；抹香鲸的“方言”密码 | 一周趣科学Vol.18

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牧心2024年05月11日约 10 分钟

本周科学榨菜上新啦！课代表为你快速梳理近期科学界有趣又有料的新鲜事！科学新鲜报，早看早学到~

本期导读

1. 爸爸体内的微生物群会影响子代寿命；

2. 下一代通信需求催生新型信号过滤屏；

3. 会使用族群专属咔哒声密码的抹香鲸；

4. 新型抗凝剂可以被控制随时停止抗凝；

5. 折纸图案提升自组装机器人的灵活性；

父亲肠道里的微生物会影响后代寿命

越来越多的实验证据表明，人类肠道里的微生物可能才是人体真正的主宰。

它们除了能够直接影响人的肠胃之外，还能够通过多种深远的方式影响人的大脑和内分泌系统，从内向外地影响人体。

在之前的动物研究中，人们已经发现，怀孕雌鼠肠道内的微生物群体对于胎儿的发育有着非常重要的影响。

因为我们已经知道微生物连大脑都能影响，所以它们能够影响胎儿似乎不是什么“大新闻”了。

但让人没想到的是，科学家近日发现，父亲肠道里的微生物居然也会影响胎儿的发育。

来自位于意大利罗马的欧洲分子生物学实验室的科学家Jamie A. Hackett领导的团队，用抗生素将雄性小鼠肠道内的大部分微生物杀死，然后令其进行交配产生后代。

结果发现，与正常雄性小鼠的后代相比，失去肠道微生物的雄性小鼠的后代，出生时的体重更低，平均寿命也会更短。

过了几星期之后，这批雄性小鼠的肠道菌群逐渐恢复，此时再让它们交配产生后代，这些后代的出生体重和平均寿命就又变得正常了。

这样一正一反的结果就表明，小鼠父亲的肠道微生物确实是会影响后代的发育。

那么，这种影响是如何发生的呢？

首先，研究者排除了细菌混进胎儿体内的可能，这从物理上来说是不可能的，毕竟消化系统和生殖系统并不相通。

而对于怀孕雌鼠的解剖发现，发育胚胎的胎盘受到了影响。肠道微生物被改变的雄性小鼠，其后代在胚胎发育中，胎盘发育会受到阻碍，进而导致胎儿出生时的体重更轻。

针对这一现象，科学家提出了基于表观遗传学的解释。他们猜测，肠道微生物的代谢产物可以影响体内的生化过程，而体内的化学环境变化又会引起遗传物质的修饰。

这种修饰虽然不会改变基因本身，但是会影响基因的表达。精子细胞中的这种修饰可能会导致胚胎发育过程中的一些问题，进而影响子代的发育和寿命。

图1 改变雄性小鼠的肠道微生物，对其后代有深远影响（图片来源：nature.com）

课代表总结：看来，好好备孕是有科学依据的！

参考文献

Argaw-Denboba, A., Schmidt, T.S.B., Di Giacomo, M. et al. Paternal microbiome perturbations impact offspring fitness. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07336-w

能够定向传递手机信号的智能表面

手机是用电磁波传递信号的。随着移动互联的发展，3G、4G、5G技术所要求的信号传输速率越来越高，所以对信号频率的要求也越来越高。

在下一代信号技术中，一种名为可重构智能表面（RIS）的设备受到学界和业界的广泛关注。RIS是一种集成可调谐元件的二维电磁超材料，可以动态、灵活地操纵电磁波的属性。

例如，RIS可以吸收环境中的某种特定信号波，然后再将这一信号定向地发射到某个位置，从而实现信号的定向传播。

大量的理论创新和原型测量已经证明了RIS在5G和6G网络中的广泛应用，为未来的无线通信带来新的无限可能。

近日，我国东南大学的崔铁军教授与合作者在《自然·通讯》杂志上发文，报道了实验室研发的新型装备——一种能够进行滤波的可重构智能表面（Filtering RIS），在解决无线干扰问题上取得了突破。

目前现有的RIS的主要缺陷在于它容易受到电磁干扰的影响。实际的无线移动通信场景中，多个网络所实用的频谱非常接近，而现有的RIS技术无法分辨这些频谱。在当今频谱日益拥挤的无线环境中，这一问题的严重性进一步凸显。

研究者们针对这一问题，基于传统RIS的接收器-发送器架构，创造性地在它们之间插入“功能模块”，集成了集总滤波器和移相器，提供强大的带外抑制能力和低通带插入损耗，从而解决了传统RIS容易受相近频率的电磁波干扰的问题。

实验表明，这种新型RIS能够以高效率允许窄带宽内的信号传输，但拒绝其它频率的信号；同时，传输信号的相位可以进行数字控制，从而可以灵活地操纵信号传播。

这一新型装置可以使电磁波束发生转向，从而扩大信号覆盖范围，使其更好地满足高带宽和高频率波的使用需求。

图2 新型RIS可以仅允许特定的信号透过，从而实现更高速的信号传递（图片来源：nature.com）

课代表总结：5G还没用明白，这就要上6G了？

参考文献

Liang, J.C., Zhang, L., Luo, Z. et al. A filtering reconfigurable intelligent surface for interference-free wireless communications. Nat Commun 15, 3838 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47865-6

抹香鲸语言的“字母表”

当来自同一家族的两只抹香鲸在加勒比海温暖的海水中相遇时，它们会互相交流，这就是“鲸歌”。鲸歌结束时，它们还会发出咔嗒声，就像电报员敲击摩尔斯电码一样。

乍一看，这些无趣的咔哒声与鲸鱼的歌声相比显得如此平淡而无趣，所以连科学家都没有认真地分辨过它们是否真的有所不同。

来自美国纽约城市大学的生物学家David Gruber关注着加勒比海中生活的几个抹香鲸家族，那里的鲸鱼使用一种独特的“方言”，其中包括21种不同的咔哒声。

但是，对记录中的8179条鲸鱼歌声的深入分析表明，这21种不同类型的咔哒声还有一些细微的变化和组合，使其能够传递更多的信息。

这就好比汉语的同音字和音调一样，简单的一个ma的读音，就可以传达妈、麻、马、骂等好几十个意思，虽然听上去基本一样，但是能传递的信息却极为丰富。

科学家们经过仔细对比，发现鲸鱼的咔哒声至少有两种区别信息的方法：声音的时长，以及声音间隔的时长。通过将这些不同特征的组合相加，咔哒声类型从 21 个增加到大约 300 个。

研究小组的分析还表明，鲸鱼会逐渐减慢或加快一系列咔哒声的节奏。当其中一只鲸鱼改变节奏时，第二只鲸鱼也会效仿这种转变。这更加证实了这种咔哒声不是随机发出的，而是属于鲸鱼语言的一部分。

其它动物也会用鸣叫声来传递信息，但是它们的声音是彼此孤立的，不能够通过声音的组合来传递更复杂的信息。换句话说，每个音节只代表一个信息，而音节之间是无法叠加的。

用声音组合来传递额外的信息是人类语言的关键组成部分。现在看来，这一关键技能由抹香鲸和人类共享。

这项研究揭示了抹香鲸交流中有趣的新特征，特别是鲸鱼之间节奏的匹配，有利于识别世界各地抹香鲸的方言。

视频1 录制到的抹香鲸发出的不同类型的咔哒声

（视频来源：science.org）

课代表总结：建议搜索一下“科萨语搭嘴音”，为你打开新世界大门……

参考文献

Sharma, P., Gero, S., Payne, R. et al. Contextual and combinatorial structure in sperm whale vocalisations. Nat Commun 15, 3617 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47221-8

“听话”的抗凝剂可以随时停止抗凝

在现代医学中，抗凝剂是一种重要的药物。抗凝剂可以用来治疗心脏病和血栓，但也有很大的副作用。

这是因为，减缓血液凝固虽然可以减缓血栓形成，但也增加了出血风险。

举例来说，有一位血栓病人使用了抗凝剂之后，不小心把手臂划破了，由于抗凝剂的作用，他的血液无法凝固，所以就面临着失血过多的风险。

如果能找到一种方法，让抗凝剂变得“智能”起来，在对抗血栓的时候发挥抗凝功能，而在身体发生出血的时候又会停止抗凝，那就会极大降低抗凝剂的副作用。

近日，悉尼大学和日内瓦大学的研究人员开发了一种新型抗凝剂，其抗凝作用可以“按需”迅速停止。这一结果可能会导致新的药物出现，从而最大限度地降低严重出血的风险。

科学家最初在采采蝇的唾液内发现了一种具有抗凝血作用的蛋白质。采采蝇是非洲的一种昆虫，靠吸血为生，它的唾液内含有抗凝血的蛋白，可以阻止伤口血液凝固，让它多吸一点血。

对这种蛋白的进一步分析发现，其表面的活性位点有一个形状非常特殊的凹陷，如果设计一个分子卡在这个凹陷里，那么它的抗凝作用就会瞬间消失。

这不就是我们想要的“智能”抗凝剂吗？

于是，研究者一方面将采采蝇抗凝蛋白进行改造，使其具有更优秀的抗凝效果，另一方面着手设计一个能卡在凹陷里的“解药”，以此作为调节凝血功能的开关。

动物实验发现，这种改造过的抗凝血蛋白能够有效抑制血液凝固；如果把名为PNA的“解药”注射到动物体内后，抗凝血蛋白的抗凝效果在30分钟内就会消失，血液又能正常凝固了。

这种研究分子之间相互作用的科学领域被称为超分子化学，这也是智能化学的应用场景之一。

理论上来说这种超分子概念，能解决所有“既要马儿跑，又要马儿不吃草”的难题，在需要药物发挥作用时进行给药，在不需要药物发挥作用时，注射“解药”，让药物失效。

例如，人们已经把目光转向当前比较热门的 CAR-T 疗法。这一疗法是近年来治疗某些癌症的重大进展之一，但它的使用会带来免疫系统风暴的重大风险，这可能是致命的。使用解毒剂快速停用治疗，可以提高 CAR-T 疗法的安全性和有效性。

图3 注射解药之后（中下），凝血功能恢复，出血相对于对照组（左下）减少（图片来源：参考文献）

课代表总结：最后一次机会，解药在哪儿？

参考文献

Millicent Dockerill, Daniel J. Ford, Simona Angerani, Imala Alwis, Luke J. Dowman, Jorge Ripoll-Rozada, Rhyll E. Smythe, Joanna S. T. Liu, Pedro José Barbosa Pereira, Shaun P. Jackson, Richard J. Payne, Nicolas Winssinger. Development of supramolecular anticoagulants with on-demand reversibility. Nature Biotechnology, 2024; DOI: 10.1038/s41587-024-02209-z

折纸技法解决软体机器人操控难题

目前我们所掌握的机器人技术，都是用坚硬材料制成的硬体机器人。但是在很多需要柔性操控的场合，我们还需要软体的机器人。

软机器人的引导具有挑战性，因为转向设备通常会增加机器人的刚性，并降低其灵活性。

在 5 月 6 日发表在《美国国家科学院院刊》杂志上的一篇文章中，美国普林斯顿大学的博士后吴爽（音译）与合作者一起，将古代纸张折叠技术和现代材料科学结合起来，创造了一种软机器人，可以轻松弯曲和扭转穿过迷宫。

研究人员描述了他们如何用模块化的圆柱形部件创建机器人。这些部分可以独立运行，也可以连接起来形成一个更长的单元，都有助于机器人的移动和转向能力。新系统允许灵活的机器人向前和向后爬行、拾取货物并组装成更长的编队。

机器人在移动中组装和分裂，可以集群工作，也可以单独进行个体工作，这有点像动画片《战神金刚》里的五个机器人组成一个大机器人的桥段。

每个部分都可以是一个单独的单元，它们可以相互通信并根据命令进行组装，也可以轻松分离，我们使用磁铁将它们连接起来。

如视频所示，这种机器人的体表图案是一种被称为kresling的折纸图案，该图案允许每个片段扭曲成扁平的圆盘并扩展回圆柱体。

这种扭转、伸展运动是机器人爬行和改变方向能力的基础。通过部分折叠圆柱体的一部分，研究人员可以在机器人部分中引入横向弯曲。通过组合小弯曲，机器人在前进时改变方向。

通过合理的材料选择和算法设计，研究者开发了驱动和操纵机器人的弯曲和折叠的新装置。

研究人员表示，当前版本的机器人速度有限，他们正在努力提高新版本机器人的运动能力，以及组装能力。

研究人员还计划尝试不同的形状、图案和不稳定性，以提高速度和转向性能。目前已经有医药企业对这一技术表示了兴趣。

视频2 软体机器人可以受控组装成整体

（视频来源：普林斯顿大学官网）

课代表总结：我来组成头部！……（暴露年龄）

参考文献

Shuang Wu, Tuo Zhao, Yong Zhu, Glaucio H. Paulino. Modular multi-degree-of-freedom soft origami robots with reprogrammable electrothermal actuation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (20) DOI: 10.1073/pnas.2322625121

作者：牧心