散步缓解腰痛十分有效；3万年前的白蚁窝仍有白蚁 | 一周趣科学Vol.24

科

牧心2024年06月22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. 大脑获得足够的睡眠才能记忆力良好；

2. 通过气泵控制肌肉力量进行翱翔的鸟；

3. 实验发现散步可以缓解腰痛十分有效；

4. 用温度开关控制酵母进行抗生素发酵；

5. 三万年白蚁的洞穴如今还有白蚁在跑；

想要记性好，就得多睡觉

想象一下这样的场景：现在是期末考试周，你正在准备一场大型考试：你会熬夜还是休息一下？

很多在考试时眼睛昏昏沉沉、茫然无措的人都知道，睡眠不足会使记忆变得异常困难。

美国密歇根大学的两项新研究揭示了这种现象的原因。两篇文章分别阐述了睡眠中的大脑是如何形成记忆的，以及睡眠不足的大脑是如何损害记忆的。

与许多神经学的研究类似，这次的实验对象仍然是被迫学会走迷宫的老鼠。

但与众不同的是，这次的实验研究的不是老鼠走迷宫时的大脑活动，而是它们走完迷宫之后睡觉时的大脑活动。

在睡眠状态下，大脑的海马体每隔几秒钟就会发出一种电活动波纹，被称为尖波涟漪。这种活动会持续几小时。

研究人员对这些波纹的同步性以及传播距离非常感兴趣，它们似乎可以将信息从大脑的一部分传播到另一部分。

于是，人们认为这些活动与大脑更新记忆有关。

在这项研究中，研究小组在老鼠完成一个新的迷宫后，测量了老鼠在睡眠期间的大脑活动。

通过一种称为贝叶斯学习的统计推断，科学家们能够追踪特定神经元的电活动，以及这些神经元与迷宫中那些特定位置有关。

科学家们发现，等老鼠醒后再次把它们放回迷宫里，它们会更容易地走出迷宫，而控制它们走出迷宫的正是它们睡觉时还在活跃的那些记忆神经元。

这也是人们首次知道大脑在睡觉时到底是如何强化记忆的。

在第二项研究中，老鼠还是走迷宫，但是这次走完之后，科学家们阻止了它们睡觉。

最终发现，与睡眠充足相比，睡眠不足时，重新激活和重现迷宫体验的神经元的放电更弱。

超过一半的老鼠被抑制了他们的记忆神经元，走迷宫的能力受到影响。

实验还发现，当睡眠不足的老鼠补觉时，虽然大脑的再激活程度会略有反弹，但永远无法与睡眠正常的老鼠相比。此外，大脑的重放功能也同样受损，但当老鼠恢复睡眠时，大脑的重放功能并没有恢复。

由于重新激活和重放对于记忆非常重要，研究结果表明睡眠不足会对记忆产生不利影响。

图1 老鼠在睡梦中强化关于迷宫的记忆（图片来源：www.michiganmedicine.org/）

课代表总结：现实版盗梦空间。

参考文献

Kourosh Maboudi, Bapun Giri, Hiroyuki Miyawaki, Caleb Kemere, Kamran Diba. Retuning of hippocampal representations during sleep. Nature, 2024; 629 (8012): 630 DOI: 10.1038/s41586-024-07397-x

Bapun Giri, Nathaniel Kinsky, Utku Kaya, Kourosh Maboudi, Ted Abel, Kamran Diba. Sleep loss diminishes hippocampal reactivation and replay. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07538-2

老鹰为什么能长时间飞行不扇翅膀

大部分鸟都会飞翔，但并不是所有的鸟都会翱翔。飞翔需要扇动翅膀，但秃鹫、鹰等鸟类却能够长时间翱翔而不扇动翅膀。

它们沿着上升的气流滑翔，这种飞行方式几个世纪以来一直让科学家着迷，人们很想知道它们是如何做到的。

近日，美国佛罗里达大学进化生物学家 Emma Schachner 博士领导的国际研究小组首次报告称，翱翔的鸟类利用肺部来增强飞行能力。

鸟类为了适应飞行生活而特化了它们的肺。鸟类的肺上额外长出许多大的气囊，这些气囊填充在鸟类的体腔中，一方面可以减少密度方便飞行，一方面可以储存空气，为飞行提供氧气。

另外，鸟类的肺是单向通气的，气体从气囊中进入肺部，进行气体交换，之后再流入其它的气囊并排出体外。

这样做可以隔开富氧空气与贫氧空气，有效提高气体交换的效率，就像人类的心脏能够分开富氧血液（动脉血）和贫氧血液（静脉血）一样。

后来人们发现，鸟类的气囊上还会分支处许多细小的延伸部分，称为憩室，不同的鸟类拥有的憩室数量和大小各自不同，人们对这些结构的功能没有深入了解。

科学家在给红尾鹰做CT时发现了一个奇怪的憩室，它正好位于老鹰的胸肌（负责收翅膀）和喙上肌（负责张开翅膀）之间，科学家把这个憩室命名为胸肌下憩室（SPD）。

胸肌和喙上肌是鸟类飞行中最重要的肌肉，它们的总重能占到鸟类体重的25%左右。

因此，SPD的位置实在特殊，以至于科学家认为它可能会有除了通气之外的其他功能。

于是，他们调查了 68 种其它鸟类的解剖，结果发现，多数会翱翔的鸟都有SPD，同时所有不会翱翔的鸟类都没有SPD。

更重要的是，这些有SPD的翱翔鸟类之间亲缘关系非常远，因此它们的SPD不是一脉相承下来的，而是各自独立进化出来的——至少进化出了7次。

这种进化模式强烈暗示了SPD结构对于翱翔飞行具有重要的功能性。

计算机模型表明，SPD充气时会增加胸肌的力臂，而根据杠杆原理，增加力臂可以省力，进一步提高翱翔鸟类保持翅膀处于静态水平位置的能力，从而优化了翱翔鸟类胸肌的功能。

从蜂鸟到鸵鸟，从企鹅到雄鹰，鸟类通过对物理规律的精妙利用，实现了多种多样的生物学功能，从而使自己的多样性和生态位遍布地球的每一个角落。

图2 论文作者与本文主角：红尾鹰（图片来源：ufhealth.org）

课代表总结：为啥生物没有进化出螺旋桨飞行嘞？

参考文献

Emma R. Schachner, Andrew J. Moore, Aracely Martinez, Raul E. Diaz Jr, M. Scott Echols, Jessie Atterholt, Roger W. P. Kissane, Brandon P. Hedrick, Karl T. Bates. The respiratory system influences flight mechanics in soaring birds. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07485-y

常散步有助于缓解腰痛

一项新研究发现，有腰痛病史的成年人如果经常散步，可以把疼痛发作的频率减少到最多一半。这项研究发表在《柳叶刀》上。

据粗略统计，全球有 8 亿人被长期的腰痛折磨，这是导致生活质量下降的重要原因，严重的甚至能导致残疾。

反复发作的腰痛也很常见，每10个腰痛的人中就有7个会在一年内复发。

目前，治疗和预防背痛的最佳做法是将锻炼和教育结合起来。然而，由于成本高、复杂且需要监督，某些形式的锻炼对许多人来说难以获得，或根本负担不起。

澳大利亚麦考瑞大学脊柱疼痛研究小组开展了一项临床试验，旨在研究步行是否是一种有效、经济且方便的腰痛治疗措施。

该试验跟踪了 701 名最近腰痛过的成年人，将参与者随机分配到三个组：步行计划组、理疗师指导组，或什么都不做的对照组。

研究人员对参与者进行了一至三年的跟踪。

研究者表示，这一发现可能会对腰痛的治疗方式产生深远的影响。

与对照组相比，步行组腰部疼痛的发生率更低，而且疼痛的程度有所降低。复发的平均间隔时间平均为 208 天，而对照组为 112 天。

人们目前还不知道为什么散步对预防背痛有如此大的好处，但研究者猜想这可能与散步时的轻柔脊柱震荡、肌肉的周期性用力和放松有关。

当然，散步也会促进内啡肽的释放，这是一种让人“感觉良好”的激素。

另外，散步还有许多其他健康益处，有益于心血管健康、骨密度、健康体重和改善心理健康。

之前研究过的预防背痛的运动干预措施通常都是以小组为基础的，需要密切的临床监督和昂贵的设备，因此大多数患者很难获得这些干预措施。

该研究的重要性因此也就不言而喻了：散步是一种便宜而且能够随时随地进行的锻炼，让我们不再需要复杂的器械和专门的时间，也能够改善腰痛。走起来吧！

图3 散步可以减缓腰痛，也可以增进与自然的接触（图片来源：shutterstock）

课代表总结：没病走两步！

参考文献

The Lancet (2024). DOI: 10.1016/S0140-6736(24)00755-4.

用温度控制酵母菌合成抗生素

抗生素自从被发明以来就被广泛应用于抗炎症和抗感染治疗，在救下了数以亿计的生命的同时，也带来了新的困扰，那就是抗药性。

由于细菌进化速度快，所以市面上很多抗生素药物虽然应用很广泛，但也有很多细菌能够免疫它们的毒性，对人类和动物继续致病。

因此，加快研发新的抗生素就成了科学家的重要工作。

在抗生素研发进程中，一种被称为血根碱的物质进入了人们的视线。这一物质是从一种叫做“博落回”的植物中提取的，但由于其毒性未知，因此暂时还只是一个兽用的抗生素。

不过在近些年，人们发现了血根碱潜在的抗癌效果，因此成为了研究的热点对象，人们开始尝试合成血根碱。

这一物质的化学结构非常复杂，采用常规的化学工业合成方法非常难以实现，因此科学家想要探索如何利用酵母菌来进行细胞内合成。

于是科学家将植物中负责控制血根碱合成的基因转到酵母菌中，由于酵母菌生长速度远超植物，所以预期产量要比植物中高很多。但是，事实并非如此。

原因在于，血根碱是有毒的，酵母菌一边合成血根碱，而血根碱一边又把酵母菌毒死了。

怎么解决这一问题呢？

近日，浙江大学的连佳长研究员与合作者一起在《自然·通讯》杂志上发文，介绍了他们在这一问题上的新进展。方法很简单：给合成基因加上一个温控开关。

研究者在血根碱的合成基因上加入了一个受温度控制的肽开关。

肽是一种小型的氨基酸链。当培养温度为30度时，这个肽的扭曲程度较小，形态比较稳定，因此能够有效抑制合成基因，于是细胞不会合成血根碱，而是努力生长。

等生长到一定程度之后，我们将培养温度下调为25度，此时这个肽就会发生扭曲（可以理解为热胀冷缩），而扭曲之后就会发生断裂，因此就无法抑制合成基因了，此时细胞就会开始制造血根碱。

这样一来，就实现了酵母菌的“先生长，再合成，最后被毒死”，有效避免了之前的“一边生长，一边合成，一边被毒死”模式，极大提升了合成效率。

这一合成技术可以有效促进血根碱的生物学研究，期待这一物质早日作为抗生素或抗肿瘤药物中发挥更大的作用。

图4 30°C（上图）和25°C（下图）下，肽的扭曲程度不同（图片来源：参考文献）

课代表总结：酵母菌：“说好的‘为众人抱薪者，不可使之冻毙于风雪’呢？”

参考文献

Gou, Y., Li, D., Zhao, M. et al. Intein-mediated temperature control for complete biosynthesis of sanguinarine and its halogenated derivatives in yeast. Nat Commun 15, 5238 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49554-w

34000年前的白蚁窝至今仍有白蚁居住

来自匈牙利国家大学的研究人员日前在《整体环境科学》杂志上发表文章称，他们在南非的纳马夸兰发现了世界上最古老的白蚁窝，其历史可追溯到 34,000 年前。

更令人震惊的是，这个白蚁窝直到现在仍有白蚁居住。

这些白蚁窝在南非荷兰语中被称为“heuweltjies”，意为“小山丘”，里面居住着一种被称为“南方收割白蚁”的物种。

放射性碳测年法显示，这些土丘比以前已知的任何土丘都要古老得多，其中一些土丘的历史可以追溯到 34,000 年前。

这比欧洲的某些现代人类遗址还要古老，甚至比上次大冰期还要古老，当时巨大的冰盖覆盖了北半球的大部分地区。

这些土丘中至今仍栖息着白蚁，因此这些土丘成为迄今为止用有机碳和无机碳测定年代的最古老的活跃白蚁土丘。

而在之前，人们已知的最古老的白蚁洞穴来自巴西，只有4000年的历史。

换个角度来说，当猛犸象还在地球上漫游时，这些白蚁丘就已经存在了。

研究者发现，这些古老的土丘不仅仅是历史珍品，更是史前气候条件的宝贵记录。

在它们形成期间，该地区的降雨量比现在多得多。这种更潮湿的气候使方解石和石膏等矿物质溶解，并迁移到地下水中。这一过程对于理解自然碳封存过程至关重要。

首先，白蚁会有一种收获和储藏行为，它们会把吃剩的食物存在自己的巢穴深处，从而不断更新深层土壤中重要的碳库，使这些碳库比其在表面保存的时间更长。

其次，这些石灰质白蚁窝展示了一种通过溶解土壤矿物方解石来去除空气中的二氧化碳的方法。这是一种长期的碳储存方法，对于计算《巴黎协定》中规定的国家碳预算非常重要。

发现这些土丘就像是能够阅读一本古老的手稿，它改变了我们对历史的所有认知。它们的年代，以及它们对古代生态系统的洞察，使它们成为全球公认的自然奇观的候选者。

通过研究这些土丘，科学家可以更好地了解如何利用自然界自身的碳封存过程来应对气候变化。这些白蚁窝还强调了保护自然世界的重要性，因为这些微小的工程师已经塑造了我们数万年的环境。

图5 34000年前的白蚁窝（图片来源：scitechdaily.com）

课代表总结：在小小的白蚁窝里挖呀挖呀挖！

参考文献

“Calcareous termite mounds in South Africa are ancient carbon reservoirs” by M.L. Francis, L. Palcsu, M. Molnár, T. Kertész, C.E. Clarke, J.A. Miller and J. van Gend, 25 March 2024, Science of The Total Environment.

DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.171760

作者：牧心