韩国创立“NASA”制定登月计划；离水还能生存8个月的鱼 | 一周趣科学Vol.21

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牧心2024年06月01日约 11 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. 空隙网格电路中的离子会等红绿灯；

2. 发现星际孤儿依赖欧几里得望远镜；

3. 超声波阵列视觉假体帮助视力矫正;

4. 假死的鳉鱼胚胎可以八个月后复生；

5. 韩国成立新空天机构加入太空竞争；

新材料让电车10分钟就充满

如果把电路想象成公路，那么电路里的电子就像是公路上的汽车，而流动的电子所形成的电流就像是公路上的车流。

如果你在路口蹲守并记录来往的汽车，你就会发现一条规律：驶入这一路口的汽车数量，总是等于离开这一路口的汽车数量。

这条很容易理解的定律在电路中被称为“基尔霍夫定律”，电路中流动的电荷总量应该是维持恒定的，这看上去似乎非常显而易见。

但是近日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇文章，却发现了违背这一定律的现象。

来自美国科罗拉多大学博尔德分校的Ankur Gupta研究离子在微小的缝隙网格中的运动。研究者发现，在某一时刻流入网格的离子数量，并不总等于流出网格的离子数量。

科学家认为，造成这一现象的原因是离子比电子大得多，因此其运动不但受到电路中的电场影响，还会受到本身的扩散效应影响——离子们不只是会沿着电场方向运动，它们还有拐弯的倾向。

如果在一条笔直的路上行驶，那么汽车的方向只能向前；然而当路口变多之后，汽车的拐弯机会增加，所以就会导致堵车。

堵车就会使得公路上的车辆走走停停，因此流入的车辆数和流出的车辆数就会暂时不相等。

研究者所用的材料中充满了网格状的路口，于是就累积了大量“等待拐弯”的离子，甚至可能暂时堵住整个电路，电流暂时停止；而当它们开始移动时，又会产生瞬间的大电流。

这种产生瞬间的大电流的能力，可能会带来新的充电技术的飞跃：先让离子在网格的路口处积累待命，然后当需要充电时，让它们一起出发，带来的大电流可以在短时间内为电池充满电。

从实验数据来看，这种材料可以在一分钟内将笔记本电脑充满电，或者在十分钟内把电动汽车充满。

研究者认为，这项技术也有可能在新能源储能领域发挥功能。

视频缝隙网格材料中离子的运动。电路中的输入电流是恒定的，但网格中的离子流速却先慢后快

（视频来源：参考文献）

课代表总结：先聚集能量，然后发射超能光波！

参考文献

Filipe Henrique, Paweł J. Żuk, Ankur Gupta. A network model to predict ionic transport in porous materials. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (22) DOI: 10.1073/pnas.2401656121

欧几里得望远镜观测“星际孤儿”

欧几里得卫星是欧空局去年发射升空的一台太空望远镜，旨在探索宇宙中暗物质和暗能量的组成和演化。（关于这一望远镜的前情提要点这里）

该太空望远镜将通过观测数十亿个星系，覆盖超过三分之一的天空，绘制出一幅跨越空间和时间的宇宙大尺度结构图，这些星系最远可达 100 亿光年。

这项研究预计将持续6年，虽然目前还没有完成主线任务，但是却解锁了意想不到的“支线任务”。

欧几里得望远镜的革命性设计意味着它可以拍摄清晰度与哈勃太空望远镜相似的图像，但覆盖面积却是哈勃望远镜的 175 倍。

在这种灵敏度和覆盖度的双重加持下，这台望远镜在宇宙中拍摄到了此前很难研究的一类星体：星际孤星。

星际孤星是指不属于任何星系的恒星。一般来说，星系中的物质密度才足够形成恒星，而星系之间是非常空旷的，不足以形成任何星体。因此，星际孤星的来源是一个谜。

它们的光线是如此昏暗，要比地球的夜晚还要暗十万倍，所以普通望远镜根本无法捕捉到它们的影像。

然而欧几里得望远镜任务拍摄的首批科学照片显示，英仙座星系团中分布着超过 1万5000 亿颗孤星，这一数量远超我们的想象。

这么庞大的数量使得这些孤星的亮度占到了整个星系团的五分之一以上。

来自英国诺丁汉大学的研究者们通过研究孤星的颜色、亮度和结构，认为这些恒星是从星系边缘和较小的星系团（称为矮星系）完全破裂中撕裂出来的。

模拟结果表明，英仙座星系团很可能最近与其他星系团进行了合并，导致了星系团内部的引力产生较大变动。

引力的变动干扰了星系内部的恒星运转，而星系团边缘的小星系由于质量太小，所以束缚不住自己的恒星，这些恒星因此飘散在了星系团空间中，成为了孤星。

随着探测技术的进步，我们能以更清晰的视角、更广阔的视野来观察宇宙，而宇宙则以更幽深的秘密、更莫测的变化等待着我们的探索。

图1 欧几里得望远镜拍摄到的梅西耶78，这是一个恒星诞生池（图片来源：scitechdaily.com）

课代表总结：我是一滴远方孤星的泪水，藏在你身上已几万年……

参考文献

University of Nottingham. "First pictures from Euclid satellite reveal billions of orphan stars." ScienceDaily. ScienceDaily, 23 May 2024.

超声波眼镜帮助矫正视网膜退化

视力障碍和失明影响着全球超过 2 亿人，对公共卫生构成了重大挑战。

视力丧失的主要原因是年龄相关的黄斑变性、视网膜色素变性、糖尿病视网膜病变等眼部疾病引起的光感受器变性，统称为视网膜退化。

视网膜退化无法治愈且不可逆，能够导致终生视力障碍。

目前唯一治疗这些疾病的方法是使用视觉假体，在从视网膜到大脑的神经通路上安装电极，将光信号转化为电流刺激神经来产生视觉。

视觉假体安装在视网膜、视神经或大脑皮层中。视网膜假体通常是首选，因为它们的视觉映射简单，并且能够利用视觉通路的自然信号处理。

但是，在眼睛内部安装一个电极，不但风险高，而且成像效果差，因此这一技术的应用受到很多限制。

近日，美国南加州大学的研究者用超声波刺激代替电刺激，研发了一种不需要植入电极的新型视觉假体。

这种超声假体外观上来看就像一副隐形眼镜，佩戴在眼睛上。

首先，这一装置使用摄像头捕捉外部环境图像。然后，这些图像被传送到处理和控制单元，在那里它们被转换成超声控制信号，引导超声阵列。

专门的二维超声阵列产生超声波图案，透过眼球打到视网膜上，受刺激的视网膜神经元产生视觉信号，这些信号通过视神经传递到大脑，产生人工视觉。

为了精确刺激体内视网膜，科学家还进行了 3D 成像引导的动态模式刺激，有效地在宽视野上重建了相应的神经元视觉反应。

在盲大鼠上进行的动物实验表明，这一超声波假体为大鼠带来了显著的视觉修复效果。

作为一种无创的体外辅助器械，超声波视网膜假体可以为盲人患者提供更有效、更广泛的治疗。其采用单个超声阵列的实时成像引导刺激策略，也可有益于其他疾病的超声神经刺激。

图2 电刺激的假体（c左）与超声刺激假体（c右）的对比（图片来源：参考文献）

课代表总结：这下头上真的长摄像头了，主打一个拍短视频方便！

参考文献

Lu, G., Gong, C., Sun, Y. et al. Noninvasive imaging-guided ultrasonic neurostimulation with arbitrary 2D patterns and its application for high-quality vision restoration. Nat Commun 15, 4481 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48683-6

能离开水生活8个月的鳉鱼

我们常用“涸辙之鲋”比喻行将末路的事物，因为鱼离开了水是无法生活的。

但是在非洲干湿季分明的莫桑比克和津巴布韦，每年只有不到一半的时间有水，而旱季来临，水塘就会干涸。

正常情况下这种地方是不会有鱼类生存的，但绿松石鳉鱼却奇迹般地在这里生存了上千万年。

原来，为了度过每年的旱季，这种鱼的胚胎会进入一种极端的假死状态，即“休眠期”，持续大约 8 个月。

现在，研究人员发现了鳉鱼进化出这种极端生存状态的机制。

来自美国斯坦福大学的Anne Brunet与合作者在 5 月 30 日的《细胞》杂志上报告说，尽管鳉鱼的休眠技能最早是在1800万年前进化出来的，但是实现休眠的基因却是4.73亿年前就有的“上古卷轴”。

成年非洲绿松石鳉鱼的寿命只有 6 个月左右，即使是在圈养条件下也是如此。这种鱼在水塘消失之前会迅速繁殖，但它们的胚胎会留在干泥中，准备在来年的雨季长成成鱼。

胚胎休眠期也发生在其他脊椎动物物种中，例如一些爬行类的蛋就可以休眠很长时间来躲过不利的环境。

但鳉鱼的休眠期非常极端，因为它持续时间很长（平均 8 个月，实验室中长达 2 年），而且鳉鱼胚胎进入休眠期的时间比其他动物晚得多。

它进入休眠时，大概处于发育的中期，许多器官已经形成，例如大脑和心脏。心脏在休眠期停止跳动。这也是我们所知的唯一一种能在发育这么晚时经历休眠期的脊椎动物。

为了了解休眠期的进化，研究小组研究了鳉鱼在不同发育阶段的基因表达。总体而言，研究人员确定了 6,247 对基因，它们在休眠期表现出特化的基因表达模式。

令人惊讶的是，大多数休眠期特化基因都是非常古老的旁系同源物，起源于 4.73 亿年前。

横向比对发现，家鼠的胚胎在休眠期也会使用这些基因，而熊在冬眠（可以被看做是一种弱化的假死休眠）时也会表达这些基因。

对这些基因功能的初步验证表明，它们有很多是调节脂肪代谢的。这些基因能够在细胞内囤积大量脂肪，以在休眠期提供能量和水，并且保护细胞膜。

研究人员计划继续研究不同物种如何调节休眠期，并深入研究脂质代谢在休眠期和其他类型的假死过程中的作用。

图3 鳉鱼生活的水塘在4个月内就会干涸（b，c）以及在干涸的泥土中休眠的胚胎（d）（图片来源：参考文献）

课代表总结：三体人：“这我熟！”

参考文献

Param Priya Singh, G. Adam Reeves, Kévin Contrepois, Katharina Papsdorf, Jason W. Miklas, Mathew Ellenberger, Chi-Kuo Hu, Michael P. Snyder, Anne Brunet. Evolution of diapause in the African turquoise killifish by remodeling the ancient gene regulatory landscape. Cell, 2024; DOI: 10.1016/j.cell.2024.04.048

韩国宣布建立自己的“NASA”

韩国决心加入全球航天强国行列，近日正式成立了一个负责这项工作的新机构。

韩国的首个太空探索任务是韩国探路者月球轨道器 (KPLO)，它搭载了五台科学仪器，用于收集有关月球风化、磁场和永久阴影陨石坑的数据。

该任务于 2022 年 8 月由 SpaceX 公司的猎鹰 9 火箭发射，已经获得初步成功。于是，该国决定进一步自主发展自己的太空探索计划。

为此，韩国政府仿照美国航空航天局（NASA）的架构和模式，宣布成立韩国航空航天局（KASA），并聘请曾在 NASA 担任高管近 30 年的韩裔美国人约翰·李 (John Lee) 担任韩国航天局负责任务和研发的副局长。

KASA主要职责是建立该国的商业发射和卫星能力。但政府还要求该机构在 2032 年前将航天器登陆月球，在 2045 年前登陆火星，并促进尖端科学的发展。

韩国太空安全局将之前分散在政府各部门的太空计划统一到一个屋檐下。该局的成立履行了 2022 年 5 月就职的韩国总统尹锡悦的竞选承诺。

韩国官方认为，更强大的太空计划将促进经济增长，政府计划要求在 2022 年至 2027 年的五年内将太空相关计划的支出增加一倍至 1.5 万亿韩元（11 亿美元）。

这些资金中的大部分将用于开发具有商业应用的火箭、卫星和其他技术。但国家太空委员会的计划还要求 KASA 推动“能够为扩展人类知识做出贡献的领先太空科学研究”。

今年，韩国航天预算的约 6%（约 4500 万美元）将用于科学和探索。

从目前公开的信息来看，韩国空天探测团队正在研究将卫星放置在日地拉格朗日点 L4 监测太阳活动的可行性。

L4 是一个“停泊点”，来自太阳和地球的引力可以在此处达到微妙的平衡，使得卫星与地球和太阳的相对位置保持不变。从这个有利位置进行的观测可以探测太阳活动。