大象会呼唤彼此的名字；用藻类光合作用发电的电池 | 一周趣科学vol.23

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牧心2024年06月15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. 群居野生非洲象会呼唤彼此的名字；

2. 冰冷星际云参与了地球的冰河世纪；

3. 劫持藻类光合作用电子发电的电池；

4. 玛雅祭祀遗址中发现的双胞胎人祭；

5. 太空旅行从细胞基因层面改变人体；

每只野生大象都有自己的专属名字

根据《自然生态与进化》杂志发表的一项新研究，野生非洲象会用类似名字的叫声来互相称呼，这是非人类动物中罕见的能力。

美国科罗拉多州立大学的研究人员利用机器学习确认大象的叫声中包含类似名字的成分，可以识别出大象叫声的潜在接受者。

研究人员提前录制一段大象的叫声，放给一群大象听，发现只有其中一只大象会给出回应，但其他大象则基本不会做出任何反应。

于是，科学家怀疑这段录下来的叫声中可能包含了类似名字的信息，被叫到名字的大象就会做出回应。

人们以前知道，海豚和鹦鹉会通过模仿对方的叫声来寻找自己的“聊天对象”，虽然目的都是向特定的受体传达信息，但海豚和鹦鹉并没有呼唤彼此的名字。

相比之下，大象并不依赖模仿接收者的叫声来称呼对方，而是通过一段特定声音的组合来称呼，这更类似于人类名字的运作方式。

大象和人类的进化在数千万年前就出现了分歧，但这两个物种的社会结构都很复杂，交流能力很强。大象在家庭单位、社会群体和更大的氏族结构中活动，类似于人类维持的复杂社交网络。

研究人员提出，相似的需求可能推动了这两个物种的任意声音标记的发展——用抽象的声音来命名其他个体。

大象很会“说话”，除了视觉、嗅觉和触觉外，它们还会用声音相互交流。它们的叫声传达了很多信息，包括声音发出者的身份、年龄、性别、情绪状态和行为背景。

研究还发现，大象和人类一样，在交谈中并不总是直呼对方的名字。在远距离交谈或成年大象与幼象交谈时，直呼对方的名字更为常见。

将来我们能和大象交谈吗？科学家表示，需要更多的数据来分离叫声中的名字，并确定大象是否会给与它们互动的其他事物命名，比如食物、水和地方。

通过对象群录音，科学家已经从中识别出了几只大象的名字，并且训练了一个AI机器模型，可以模仿大象的叫声来喊出大象的名字。实验表明，这一模型成功混入了象群。

视频大象对含有自己名字叫声反应

（视频来源：youtube.com）

课代表总结：大象：“这人有病吧，没事老喊我？”

参考文献

Michael A. Pardo, Kurt Fristrup, David S. Lolchuragi, Joyce H. Poole, Petter Granli, Cynthia Moss, Iain Douglas-Hamilton, George Wittemyer. African elephants address one another with individually specific name-like calls. Nature Ecology & Evolution, 2024; DOI: 10.1038/s41559-024-02420-w

冰河时代的成因可能来自太阳系外

大约200万年前，早期人类祖先与剑齿虎、乳齿象和巨型啮齿动物生活在一起。此时，地球陷入深度冻结，多个冰河时代来来去去，直到大约 12000 年前。

科学家推测，冰河时代的出现有多种原因，包括地球的倾斜和旋转、板块构造的移动、火山喷发以及大气中的二氧化碳水平。

但是，新的研究指出，这些剧烈的变化不仅是地球环境的结果，也可能是太阳在银河系中的位置造成的。

在《自然天文学》杂志发表的一篇新论文中，美国波士顿大学的研究者发现证据表明，大约 200 万年前，太阳系遇到了一团非常稠密的星际云，可能会干扰太阳风。

这表明，太阳在太空中的位置可能会影响地球的历史。

整个太阳系都被一层由太阳发出的保护性等离子屏障所包裹，这层屏障被称为日球层。

它由一种称为太阳风的恒定带电粒子流构成，这种粒子流远远超出了冥王星的范围，将行星们包裹在 “巨大气泡”中。

它保护我们免受宇宙射线辐射的伤害，减少地球上生命DNA 的突变概率，这也是地球上能有生命发展的原因之一。

太阳带着八大行星围绕着银河系的中心旋转。在漫长的旅途中，太阳系遭遇了一朵冷星际云，使得地球和太阳系中的其他行星短暂地失去了太阳的保护。

如果发生这种情况，地球将完全暴露在星际介质中，气体和尘埃与爆炸恒星留下的原子元素混合，包括铁和钚。

通常，日球层会过滤掉大部分放射性粒子。但如果没有保护，它们很容易到达地球。地质证据表明，同一时期海洋、月球、南极雪和冰芯中的铁和钚有所增加。时间也与表明冷却期的温度记录相符。

目前不可能知道冷云对地球的确切影响，但地球遇到它的时间却与冰河时代的时间重合度很高。

在未来一百万年左右的时间里，太阳可能还会遇到更多的冷云。研究者们现在正在努力追踪太阳七百万年前甚至更早的位置。

利用欧洲航天局盖亚任务收集的数据，可以精确定位数百万年前太阳的位置以及冷云系统，该任务正在构建银河系最大的 3D 地图，并以前所未有的方式展示恒星的移动速度。

图1 “回头望”：地球在200万年前经过的地方有一片蓝色冷云

（图片来源：参考文献）

课代表总结：我挥一挥衣袖，不带走一片云彩。

参考文献

Merav Opher, Abraham Loeb, J. E. G. Peek. A possible direct exposure of the Earth to the cold dense interstellar medium 2–3 Myr ago. Nature Astronomy, 2024; DOI: 10.1038/s41550-024-02279-8

用藻类光合作用发电产生清洁能源

加拿大康考迪亚大学的一组研究人员正在寻找一种潜在的能源，这种能源不仅不会产生碳排放，而且在工作过程中还能去除碳。这种能源就是藻类。

研究人员最近在《能源》杂志上发表了一篇关于这一主题的新论文。他们将藻类安置在小型电池中，然后将这种电池悬浮在特殊溶液中，通过藻类的光合作用来产生电能。

人们早就知道，光合作用是植物利用光能来操纵电子，并且最终把能量储存在糖类物质中的过程。

在这个过程中，电子在一系列被称为“电子传递链”的蛋白质中穿行，这看起来就像一束电流一样。

因此，科学家想到，可不可以“劫持”这一过程，把光合作用产生的、用来制造糖类的电子引走，形成电流呢？

经过一系列尝试，这种装置的原型机终于制成。

这种微型光合电池由一个阳极室和一个阴极室组成，阳极室和阴极室之间由蜂窝状的质子交换膜隔开。

研究人员在膜的两侧制作了微电极，用于收集藻类在光合作用过程中释放的电荷。每个室的尺寸仅为 2 厘米 x 2 厘米 x 4 毫米。

藻类悬浮在阳极室的两毫升溶液中，阴极则充满一种电子受体——铁氰化钾。一旦藻类进行光合作用并开始释放电子，电子就会通过膜的电极收集并传导，从而产生电流。

研究者表示，目前这种电池最大的输出电压只有1V左右，因此现在的应用前景十分有限。

然而，如果配置正确，这些电池可以产生足够的能量来为物联网 (IoT) 传感器等低功耗和超低功耗设备供电。

这种电池最大的特点是，普通能源的利用是需要产生碳排放的，而这种电池则可以一边发电一边吸收碳。

而且，这与普通的太阳能电池不同，在晚上也可以发电。

因为藻类的呼吸作用的工作原理与光合作用相反：将糖类物质里储存的能量释放出来，转化为电子能量，进而用于生物体活动。

因此，呼吸作用也会产生电流，这一电流也可以被“劫持”从而发电。

研究者认为，只要进行足够的研究和开发，包括人工智能辅助集成技术，这项技术有可能在未来成为一种可行、经济实惠且清洁的电源。

图2 实验中搭建的藻类电池

（图片来源：参考文献）

课代表总结：“管你们吃，管你们穿，还要管你们用电，我太难啦！”

参考文献

Kirankumar Kuruvinashetti, Shanmuga Sundaram Pakkiriswami, Dhilippan M. Panneerselvam, Muthukumaran Packirisamy. Micro Photosynthetic Power Cell Array for Energy Harvesting: Bio-Inspired Modeling, Testing and Verification. Energies, 2024; 17 (7): 1749 DOI: 10.3390/en17071749

基因分析表明玛雅人钟爱献祭双胞胎

在近日《自然》发表的一项研究中，研究者通过对64个古代个体的DNA分析，窥见了玛雅古城奇琴伊察埋葬仪式的更多细节。

这些个体可能是献祭仪式中的人祭牺牲，时间跨度超过500年。

位于墨西哥尤卡坦州的古城齐琴伊察在公元800年-1000年成为了玛雅人的主要聚居地，这一时期被研究者称为古典时期的末期。

整个古城遗址中存在大量祭祀仪式的证据，其中包括一个“神圣天坑”，这是一个有超过200具遗骸的巨坑。然而关于祭祀活动的细节我们仍不清楚。

1967年，在“神圣天坑”附近发现了一个地下蓄水池或储水室的结构，其中还有100多具年轻人的遗骸。

Rodrigo Barquera、Oana Del Castillo-Chávez、Johannes Krause和同事从其中64个个体身上提取了DNA并进行了分析。

放射性碳测年结果表明，这个蓄水池在公元七世纪早期至十二世纪中期一直在使用。遗传分析表明，这64个个体全部为男性，其中有25%的人是近亲，包括两对双胞胎。

与之形成对比的是，“神圣天坑”中发现的个体皆为年轻的成年女性或者儿童。作者指出，有理由相信，在天坑中的人祭和在这个蓄水池中的人祭应该是有意地分开献祭的，所祈求的内容也应该有所不同。

献祭儿童被认为是为了提高农作物收成和求雨，而双胞胎献祭则与玛雅神话有关。

在玛雅人的传说《波波尔·乌》中，Hunahpu和Xbalanque是一对拥有超能力的双胞胎，他们战胜了冥府的统治者，最终升天化为太阳和月亮。

遗传分析还揭示出蓄水池中的人祭的身份并不是来自于远方的玛雅人，相反，他们大多拥有与附近居民相类似的基因谱系。

人们以前认为，用来充当祭品的活人一般应当是部落战争中被俘虏的其它部落的人口，而不是用自己部落的人。

这说明，此处遗址的人祭仪式可能“等级更高”，需要用“更纯洁”的祭品，而不是战争俘虏。

作者还发现了与免疫力相关的基因序列变异，表明该地区在殖民时期可能因传染病（如肠道沙门氏菌感染）的流行发生了适应性变化。

图3 奇琴伊察重建的石制头骨架（tzompantli）的一部分

（图片来源：Johannes Krause）

课代表总结：献祭一个课代表，祈求大家点赞转发评论三连！（当我没说）

参考文献

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-0000-0

太空旅行在多个层面上重塑人体

火箭冲入大气层，经历强大的重力加速度，随后突然失重，然后暴露在增强的辐射和极其奇特的低地球轨道环境中，这一系列超凡的经历，除了让人们的思想经历巨大变化之外，也可能会对人体产生某种影响。

我们已经知道，宇航员面临的健康风险包括骨质流失、癌症风险增加、视力受损、免疫系统减弱和心理健康问题。然而，基因水平上发生的事情不是很清楚。

因此，一个被称为“太空组学和医学图谱”（SOMA）的新项目试图填补这一空白。

6 月 11 日，该项目下的26 篇论文发表在《自然》杂志的各种期刊上，从多个角度探究了太空旅行对人体的基因、蛋白质和细胞等层面的长期影响，这是迄今为止发表的最大的航天医学和空间生物学数据库。

在此之前，关于太空旅行对宇航员身体的长期研究不多，最著名的一个案例是关于同卵双胞胎Scott Kelly和Mark Kelly的研究。

研究人员观察了Scott在国际空间站停留 340 天对他的生理、基因表达、免疫系统和心理推理的影响，并与留在地面上的Mark进行了比较。

这项研究的一个有趣发现是在太空中Scott的端粒变长了。端粒是 DNA 末端的一小段重复核酸，其作用类似于鞋带帽，可以保护 DNA 链。而当Scott返回地球后，他的端粒就缩回到飞行前的大小。

而本次SOMA项目则又收集了参加短期太空旅行的商业航天员的端粒信息，发现他们仅仅在太空中呆了三天，端粒也发生了明显的伸长。

SOMA 数据表明，许多其他分子变化遵循与双胞胎研究类似的模式，在短期和长期太空飞行过程中发生变化，然后在返回地球后基本恢复到原长。

这对宇航员健康意味着什么尚不完全清楚，尤其是考虑到火星任务或月球基地停留时间可能更长。

印第安纳州西拉斐特市普渡大学的哲学家Dana Tulodziecki表示：“如果你想攀登珠穆朗玛峰，你需要提交健康证明，但是进入太空却不需要。这不正常。”

商业载人任务的兴起，让普通人进入太空不再是梦想。然而，对于普通人的身体条件是否适合进入太空，还没有定论。SOMA项目正在努力推动相关规则的制定，希望以科学的数据为太空旅行者提供健康指南。

图4 双胞胎实验中留在地面上的美国宇航员Mark Kelly

（图片来源：NASA）

课代表总结：有没有可能是失重后由于弹性变长了？这样可以解释在地面上又会被压短。

参考文献

E.G. Overbey et al. The Space Omics and Medical Atlas (SOMA) and international astronaut biobank. Nature. Published online June 11, 2024. doi: 10.1038/s41586-024-07639-y.

作者：牧心