德国小蠊依靠人类征服世界；再生水泥助力“碳中和”| 一周趣科学Vol.20

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牧心2024年05月25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. 南非狐獴种群之间聊天记录被曝光；

2. 人类花费两千年时间培育全球蟑螂；

3. 虎甲虫智斗蝙蝠用超声波作为伪装;

4. 炼铁高炉生产再生水泥减少碳排放；

5. 老鼠一夫一妻制能促进后代的抚养；

狐獴种群的“群聊”与“私信”

狐獴是一种生活在非洲南部沙漠地带的群居动物，小巧灵活的外形赢得了不少人的喜爱，因此也是影视作品中的常客，例如《狮子王》中的丁满和《少年pi的奇幻漂流》中的狐獴岛。

群居动物一般来说都有一些互相交流信息的方式，而科学家也对群居狐獴的叫声进行了记录和分析。相关结果发表在近日的《皇家学会哲学汇刊 B》上。

德国马克斯普朗克动物行为研究所的Vlad Demartsev与合作者一起，在南非的狐獴身上安装了带录音功能的GPS项圈。

使用这些项圈，研究人员可以得到同步录音，并可以看到哪只动物在什么时间和地点发出了什么声音。

根据数据分析和比对的结果，研究者发现，狐獴的聊天模式分为“群聊”和“私信”两种。

狐獴用一种短促的连续呼叫声来进行群聊。群聊的内容大概是“发定位”，就是告诉大家自己所处的位置，所以没人会回应，因为大家都只是在播报自己的位置，相当于是各聊各的。

而另一种时间较长的呼叫声更像是一种“私信”，如果某只狐獴找不到种群里的其它个体，它就会向周边发出这种呼叫声，此时它的队友就会及时地给它回应。

随后，行为生态学家为整个群体制作了一个声音时间表并分析了数据。数据表明，呼叫不仅仅是单个孤立事件，而是群体成员之间持续的交流。

也就是说，整个狐獴群体是一直保持在线聊天状态的，大家不光在大群里随时打卡，还要及时地互相确认周围的队友是不是还在身边。

在非洲沙漠中，狐獴这种小型动物一旦落单，就会变得非常危险，因此它必须时刻留在群体中，这对于狐獴来说至关重要，而呼叫声只是它们进化出的保持联系的方法之一。

图1 一只生活在南非的狐獴（图片来源：维基百科）

课代表总结：狐獴：“感觉有人黑了我的微信……”

参考文献

Vlad Demartsev, et al. Mapping vocal interactions in space and time differentiates signal broadcast versus signal exchange in meerkat groups. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2024; 379 (1905) DOI: 10.1098/rstb.2023.0188

德国小蠊的全球化进程

1776 年，生物分类学之父、瑞典生物学家卡尔·林奈第一次见到了蟑螂，由于他是在德国见到的，所以把这种生物命名为“德国小蠊”。

虽然这种臭名昭著的昆虫让德国风评被害，但人们很早就知道，蟑螂并非起源于德国。然而，这种生物是如何辗转传播到全世界的，却一直是一个迷。

蟑螂之所以能够成为如此“成功”的物种，是因为它的生活习性与人类高度重合，人能吃的它就能吃，人不能吃的（下水道污泥、地板上的胶水）它也能吃，而且体型小，能钻进行李箱，随着人类满世界迁徙。

基于这一点，来自美国哈佛大学的进化生物学家Qian Tang决心揭秘蟑螂的环球旅行。

研究者分析了从澳大利亚、埃塞俄比亚、印度尼西亚、乌克兰和美国等 17 个国家收集的 281 只德国小蠊的基因组。他们利用基因组之间的相似性和差异来计算不同种群可能建立的时间和地点。

相关结果发表于近日的《美国国家科学院院刊》上。

数据分析的结果表明，德国小蠊的近亲是生活在南亚地区的亚洲小蠊。

大概在2100年前，亚洲小蠊中的一个小种群搭上了人类迁徙的便车——可能是塞琉古帝国的商队，或者是被征调的孟加拉民夫——并从此开启了自己的全球化进程。

在1200年前，随着倭马亚王朝和阿巴斯帝国庞大规模的贸易，这种蟑螂也混进了商人的随从中，来到了中东。

在奥斯曼帝国和拜占庭帝国数百年的“友好”交流中，它们又成功地登陆欧洲。

而等到18世纪的林奈观察它们时，它们已经与原来的亚洲小蠊亲戚完全不同了，所以德国人便“荣幸”地获得了这种蟑螂的冠名权。

但林奈不知道的是，这种被他称为德国小蠊的昆虫，早已经借着殖民浪潮和全球贸易的东风，进入了美洲大陆和东亚。

基因组学的使用对于了解德国小蠊的传播至关重要，因为这种蟑螂的入侵是如此地无声无息，等人们意识到这是一种外来物种时，已经无法找寻它的起源了。

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图2 一只正在产卵的德国小蠊（图片可能引起不适，慎点！）（图片来源：nature.com）

课代表总结：目前我国北方的蟑螂主要是德国小蠊，南方的嘛……（大就对了）

参考文献

Tang, Q. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 121, e2401185121 (2024).

虎甲虫用超声迷彩“智取”蝙蝠

虎甲虫是一种分布广泛的昆虫，整个热带地区都有它的身影。为了生存，有一些种类的虎甲虫进化出了夜行的习性，来躲避大多数天敌。

但是夜行不意味着绝对安全。夜晚里的蝙蝠是这类夜行性昆虫的噩梦，晚上大家都看不见彼此，但蝙蝠会用超声波定位，在黑暗中轻松地捕捉到昆虫。

因此，许多夜行性昆虫进化出了能听到超声波的能力，但这还不够：你能听到蝙蝠的超声波时，那就说明它已经来抓你了，逃跑可能已经来不及了。

科学家发现，虎甲虫的行为有些反常：其它昆虫听到蝙蝠超声波基本会选择快速逃走，而虎甲虫不但不逃，反而会向蝙蝠发出超声波脉冲。

这种自我暴露的“自杀式”行为究竟能给虎甲虫带来什么好处？科学家百思不得其解。

在一个谁都看不见彼此的夜晚，一种甲虫向外发射超声波暴露自己的目的到底是什么？美国佛罗里达自然历史博物馆的博士研究生Harlan Gough灵光一现。

他猜想，这种甲虫一定是在试图告诉蝙蝠：“我不好吃！别吃我！”

但是实验表明，虎甲虫并不会毒死蝙蝠。于是，线索似乎再一次断掉了。不过，研究者想起有一类飞蛾确实是能毒死蝙蝠的，所以蝙蝠会避免捕食这种飞蛾。

虎甲虫所发出的超声波信号，会不会和这种飞蛾的信号有关？

获得这一新思路后，研究者立即将虎甲虫发出的超声波信号与这种飞蛾的超声波信号进行比对，结果发现二者非常相似。

于是谜底解开了：虎甲虫本身没毒，但是为了躲避蝙蝠的捕食，它们在听到蝙蝠发出的超声波后，会发出一种特别类似某种有毒飞蛾的超声波信号作为回应。

蝙蝠听到这段回应之后，会误以为对面是一只有毒飞蛾，于是就放过对方，而虎甲虫则因此逃过一劫。

这种“假装自己是某种有毒或者难吃的生物”的欺骗手法，被称为贝氏拟态，是许多动物常见的逃避捕食的策略之一。相关研究近日发表在《生物学快报》杂志上。

图3 虎甲虫与蝙蝠的超声攻防战

（图片来源：scitechdaily.com）

课代表总结：“者行孙，我叫你一声，你敢答应么？”“你错了！我是孙行者！”

参考文献

Gough Harlan M., Rubin Juliette J., Kawahara Akito Y. and Barber Jesse R. 2024Tiger beetles produce anti-bat ultrasound and are probable Batesian moth mimicsBiol. Lett.2020230610

http://doi.org/10.1098/rsbl.2023.0610

用炼铁炉生产可再生水泥

英国剑桥大学的研究人员开发了一种大规模生产极低排放混凝土的方法，这一创新可能会在碳中和的过程中带来变革。

混凝土是地球上使用量第二大的材料，仅次于水。它的主要成分除了沙子、砾石和水外，还有充当粘合剂的水泥。

石灰石和其他原材料被粉碎，并在大型窑炉中加热至约 1450°C。该过程将材料转化为水泥。

当石灰石加热分解成生石灰时，会释放大量二氧化碳，约占人为排放总量的 7.5%。

过去十年来，科学家们一直在研究混凝土中的水泥替代品，发现混凝土中大约一半的水泥可以用粉煤灰等材料替代，但完全不用水泥是不现实的。

在满足全球需求的同时，采用一种经济有效的方法来减少混凝土带来的碳排放，是世界上最大的减碳挑战之一。

剑桥大学的研究人员从传统的炼铁炉中获得了灵感。

炼铁过程中需要加入一些石灰石，它能够结合矿石中的杂质并且沉淀出来，成为炉渣。

研究者发现，废旧水泥的化学成分与石灰石有相似性，而新水泥与炉渣的成分有相似性。

那么，如果用废旧水泥代替石灰石加入炼铁炉中，那么产生的炉渣应该可以用来制作新的水泥。

如此一来，水泥可以回收利用，这样就能够极大地减少新水泥的制造，从而显著减少水泥生产过程中的碳排放。

于是研究人员对这一思路进行了实验室验证和产能验证。最近进行的测试表明，再生水泥可以在电弧炉（EAF）中大规模生产，这是首次实现这一目标。如果电弧炉由可再生能源提供动力，这种方法最终可以生产零排放水泥。

更重要的是，这一水泥回收方法不会给混凝土或钢铁生产增加任何重大成本。

研究人员已就该技术申请了专利，以支持其商业化。相关研究报道发表在近日的《自然》杂志上。

图4 实验中从炼铁炉里生产的水泥

（图片来源：参考文献）

课代表总结：这水泥保熟吗？

参考文献

Dunant, C.F., Joseph, S., Prajapati, R. et al. Electric recycling of Portland cement at scale. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07338-8

老鼠一夫一妻制的起源

是什么让奥菲尔德鼠一生都坚定地实行一夫一妻制，而它的近亲却没有这一习性呢？美国哥伦比亚大学的研究者近日于《自然》杂志在线发表的一项新研究表明，答案可能是一种以前未知的激素细胞。

这项新研究调查了两种老鼠。一种是北美数量最多的哺乳动物——东部鹿鼠，而另一种是体型稍小的奥菲尔德鼠。

人们早就知道，鹿鼠是没有固定的配偶关系的，即便是同一窝出生的小鹿鼠也可能会有不同的父亲。而奥菲尔德鼠是坚持一夫一妻制的。

一夫一妻制是一种更有利于种群繁衍的行为模式。一种观点认为，一夫一妻制可以让父亲更加确信孩子是自己的，所以愿意与母鼠合作来照顾后代，增加后代的存活几率。

但是，这两种在各个方面都极为相似的老鼠，为什么会有不同的行为模式呢？换句话说，一夫一妻制在老鼠中到底是如何起源的呢？

这两种老鼠虽然极为相似，但有一点明显的不同：一夫一妻制老鼠的肾上腺要比非一夫一妻制老鼠的大好多倍。这一差异也许就是问题的答案。

解剖发现，普通老鼠的肾上腺有三个区域，而一夫一妻制小鼠的肾上腺有四个区域。这个多出来的区域细胞中，能够大量合成一种被称为20⍺-OHP的激素。

进一步研究表明，这种激素可以改变老鼠的行为。

非一夫一妻制的老鼠是不会有太多关爱后代的行为的。但是如果将这种激素注射给它们，它们就会开始给幼崽梳毛，并且把跑丢的幼崽带回巢穴。

这是第一次发现可以增加父母关爱程度的激素。

对相关基因的突变速率的估算表明，肾上腺的第四区域是在不到20000年的时间内进化出来的。这给出了老鼠一夫一妻制的可能出现时间。