蜜蜂能闻出“癌味”；我国验证新型高温超导材料 | 一周趣科学Vol.25

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牧心2024年06月29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. 蜜蜂的触角能闻出肺癌细胞的味道；

2. 嫦娥六号已携带月球背面样本返回；

3. 线粒体能明显区分雌雄两性的细胞；

4. 我国两所大学联合验证新高温超导；

5. 新发现的星团比已知全部恒星都老；

蜜蜂能闻出癌症的“味道”

蜜蜂可以检测到实验室中肺癌的微妙气味，也能检测到从患者呼吸中飘出的微弱疾病气味。

昆虫的嗅觉是非常灵敏的，人们早就知道，蜜蜂能够追踪几百米之外的花香去采蜜。

受昆虫灵敏的嗅觉能力启发，科学家将活体蜜蜂的大脑连接到电极上，将不同的气味传递到昆虫的触角下，然后记录它们的大脑信号。

美国密歇根州立大学的神经工程师 Debajit Saha 说：“蜜蜂对化学物质的反应非常清晰可辨，就像白天和黑夜一样。”

近日，研究者在《生物传感器和生物电子学》杂志上报告称，不同的气味会引发蜜蜂大脑的特定脑活动，而这一活动是固定且可重复的，就好像气味在蜜蜂大脑里留下的“指纹”。

动物感官可以嗅出疾病的想法并不新鲜；1989 年，医生报告了一例边境牧羊犬和杜宾犬嗅出主人黑色素瘤的病例。

狗需要经过学习和训练才能完成嗅探疾病的工作，但蜜蜂似乎学不会“坐下”或者“趴下”之类的行为。

因此，科学家决定直接“黑”进蜜蜂的大脑，在蜜蜂大脑里直接植入电极，然后尝试让蜜蜂接触不同的气味分子，并进一步通过电极记录蜜蜂大脑的活动。

将健康人呼出的气体和肺癌患者呼出的气体喷向实验蜜蜂后，科学家发现它们的大脑负责嗅觉的部分会出现完全不同的电生理反应。

因此，实验人员仅凭观察蜜蜂的脑电图，就能成功判断出蜜蜂刚刚闻到的是健康人的呼气还是肺癌病人的呼气，正确率可达93%。

另外，研究者还收集了实验室培养的肺细胞上方的空气，包括健康肺细胞和肺癌细胞。实验发现，蜜蜂完全能够区分这两种不同的空气样本。

该方法的优点是工作非常快，只要一闻到就会出结果，不需要等待数小时甚至几天的实验室化验。

但是缺点也很明显，那就是蜜蜂也会累。几个小时之后，蜜蜂的大脑健康就会衰退，反应也会变得不稳定。

科学家表示，生物普遍具有区分非常相似的混合物的能力，这是任何工程传感器无法做到的。

有一天，医生也许能够在癌症诊所使用蜜蜂作为早期疾病检测的活体传感器。

图1 实验中将蜜蜂安置在3D打印的模具中，大脑连接电极（图片来源：作者实验室）

课代表总结：在我大脑上连电极，可以来检测奶茶和卤肉饭！

参考文献

Michael P et al., Precision detection of select human lung cancer biomarkers and cell lines using honeybee olfactory neural circuitry as a novel gas sensor, Biosensors and Bioelectronics,

Volume 261, 2024, 116466, ISSN 0956-5663, https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116466.

嫦娥六号“月球发货”快递已签收

6月25日，嫦娥六号带着月壤样品“快递”送货返回地球。本次的快递包裹中带回了大量的月球背面的月壤样品。

中国科学院地质与地球物理研究所研究员岳宗玉与合作者近日在《创新》杂志上发文，展望了这些月壤样品将如何帮助我们更全面地展开月球研究，并且着重预测了未来一段时间内有望解开的月球谜题。

月球和地球之间由于引力的不均匀拉扯，形成了一种特殊的现象：潮汐锁定。在这种情况下，月球自转和公转的速度一致，于是从地球上看来，月球永远只有一面朝向地球。于是，月球就有了正面和背面（潮汐锁定点这里复习）。

科学家已经在月球正面成功进行了10次取样返回任务，但嫦娥六号带回的样本是人类首次从月球背面带回来的样本。

6月2日，嫦娥六号降落在月球阿波罗撞击坑内，该撞击坑是月球南极—艾肯盆地内部最大的撞击坑，而南极—艾肯盆地是月球表面最大、最深、最古老的撞击盆地。

选择这里进行样本收集，是因为月球背面与正面相比，显然会受到更多撞击事件的影响，而这些撞击历史对于研究地球-月球系统来说是非常重要的。

通过研究撞击坑中的月球样本，可以得知这些撞击发生的时间、撞击的剧烈程度，以及因撞击而发生的月面物质抛射。

这些抛射的物质可能来自月球的地壳或地幔，因此此次的月球土壤样本还可能带来关于月球内部结构的相关信息。

除了从表面收集土壤外，嫦娥六号还通过钻孔的方式取得了表面以下的月球样本。这些物质可以为分析月球正面和背面的差异性成因等问题提供关键信息。

值得注意的是，嫦娥六号科学实验在国际空天科学合作方面也取得了重大进展，本次科研任务还携带了四台探测仪器，由中国与法国、巴基斯坦等过的科学家合作研发，用于进行月背研究。

中国月球探测活动还将继续保持开放合作的态度，与合作国展开资源共享，毕竟，月球属于整个人类。

图2 嫦娥六号降落到内蒙古地区，带回了来自月球背面的土壤样本。（图片来源：人民日报）

课代表总结：这次带回来的这么多，快进到月壤种菜！

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100663

性别对于染色体基因和行为的影响

性别之间是有巨大差异的，但在我们的感知上，这些差异往往是行为上和生理上的。两性之间在细胞内的差异却很少有人了解。

美国南加州大学的研究者最近在《美国国家科学院院刊》上发表了一项研究成果，揭示了不同的性别会使细胞线粒体内基因活动存在巨大差异。

尽管这项研究关注的是桡足类微小海洋生物，但这些发现对人类也具有重要意义，因为它们的线粒体与人类线粒体非常接近。

线粒体是细胞内的“发电厂”，为细胞活动提供能量。数百种人类疾病与线粒体功能障碍有关，影响肌肉、大脑，眼睛和耳朵等（线粒体中毒致死速度非常快，小心这种毒素）。

与普通细胞器官不同的是，线粒体内自带一些线粒体基因，虽然还是受细胞基因领导控制，但却有一定的自主性。

科学家想要了解两性之间的线粒体差异。该研究旨在确定哪些线粒体基因在雄性中最活跃，哪些在雌性中最活跃，以及这些基因如何与两性的细胞核相互作用。

为了确保这些差异是真的来自线粒体，而不是两性的细胞本身，研究者选择了一种缺乏性染色体的桡足类物种作为研究对象，测试线粒体中的37个基因。

这些基因是人类和桡足类所共有的，因此对人类细胞也有一定的参考价值。

结果发现，一系列与促进能量生成相关的基因，在雄性的线粒体内有更高的表达活性；而与维持线粒体生存和繁殖相关的基因，则在雌性线粒体中更加活跃。

这表明，雄性细胞的线粒体倾向于增加“增加产能”，让每个线粒体都生产更多的能量；而雌性细胞中的线粒体更倾向于“管理赋能”，通过维持线粒体的活性和数量来确保其稳定输出能量。

此外，在两种性别的细胞中，线粒体基因和细胞基因之间的互作模式也完全不同。与线粒体相互作用的细胞基因遍布于该物种的每一条染色体，造成的影响也是全局的。

文中并没有揭示这种影响造成的结果，这也是研究者接下来的探索方向。

图3 桡足类（水蚤）是一类雌雄看上去差不多的甲壳类生物（图片来源：维基百科）

课代表总结：“男人来自火星，女人来自金星”（误）

参考文献

Ning Li et al, The role of mitochondria in sex- and age-specific gene expression in a species without sex chromosomes, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2321267121

我国科学家验证全新高温超导材料

超导现象指的是某些材料的电阻在特定温度下会降到零的现象。超导材料具有零电阻和完全抗磁性两大神奇特性，在信息技术、电力、交通运输等领域有着非常重要的用途。

目前，制约超导材料应用的主要问题是温度问题。目前大部分超导材料都要求极低的温度（零下200多度），而低温又是非常难以得到的。

因此目前的研究热点就是所谓的“高温超导”，指的是能够在液氮冷却下（零下195度）就可以工作的超导材料，而液氮是很容易得到的，这将极大拓宽超导材料的应用场景。

2023年，中山大学王猛教授带领的研究团队报告，发现了镍酸盐材料在低于零下190度时具有超导性。这一发现被《自然》杂志评价为“开创性发现”。

此时正值国际上的高温超导造假风波，韩国研究者所声称的“高温超导”仅仅被发现是电阻很低，而没有绝对意义上的零电阻。

于是，出于严谨性的考量，中山大学的研究人员与浙江大学关联物质研究中心（CCM）袁辉球教授团队展开合作，对之前发现的材料进行进一步研究确认。

团队改进了高压技术，通过在金刚石压砧中应用液体压力介质，产生均匀压力，并使用银浆在100毫米长度的微小样本上建立电接触。

在强大压力下，当冷却到零下210度时，镍氧化物材料的电阻急剧下降，并且最终达到零。实验由此获得了镍氧化物在压力下表现出高温超导性的证据。

除此之外，这项研究还收集到了能够揭示高温超导状态原因的数据。

研究人员在高压下观察到了样品中出现了被称作奇异金属的现象，揭示了这种现象与超导性之间的联系。

普通金属导电时，电子就像公路上的汽车，一个接一个地向前移动，每隔一段时间就有一个电子离开导线；而奇异金属导电时，其中的电子就像在夜店跳舞，所有电子挤在一起碰撞，却奇迹般地仍然能保证每隔一段时间就甩出一个电子。

普通金属的超导可以用经典的BCS理论解释，但是奇异金属中的电子运动规律太过诡异，所以目前还没有成熟的理论解释。这也将成为科学家未来的研究的方向。

图4 高压测量装置(左图)以及高温超导零电阻现象（图片来源：参考文献）

课代表总结：阿珍，你来真的啊？

参考文献

Yanan Zhang et al, High-temperature superconductivity with zero resistance and strange-metal behaviour in La3Ni2O7−δ, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02515-y.

韦布望远镜发现史上最古老星团

本周的《自然》杂志上的一篇文章报道了目前发现的宇宙中最早的球状星团，可以追溯至130亿年前，诞生于宇宙大爆炸之后4.6亿年。

这一观测来自韦布空间望远镜（JWST），可能会揭示早期宇宙中星系形成的过程。

本次发现的球状星团来自一个名为“宇宙宝石弧”的星系，这个星系是宇宙最早期形成的星系之一。

由于太过遥远，所以非常暗淡，直到2018年才被哈勃望远镜首次发现，后续的韦布望远镜对这一星系进行了进一步研究。

宇宙大爆炸后，宇宙成为了由原子核和电子形成的等离子体，太初之光被束缚在等离子体内，无法挣脱。

随着宇宙膨胀、温度降低到某一个数值时，宇宙中的电子瞬间被原子核捕获，形成了中性原子，就在这一瞬间，宇宙变得透明，太初之光从原子之间挣脱。

而中性原子是不会发光的，于是宇宙除了暗淡的太初之光外没有任何的光源，此时宇宙就进入了黑暗时期。

这一时期过了大概几亿年，在这段时间内，中性原子之间不断进行着万有引力的作用，逐渐地聚集形成最初的星云。

星云变得逐渐浓密、发烫，越重的星云核心就会吸引越来越多的物质聚集，形成原星体，温度也进一步升高，直到再次在星体内发生电离和聚变，开始发光。

这就是宇宙中第一批恒星的诞生，从这一刻开始，宇宙进入了再电离时期。

宇宙宝石弧就是在这一时期诞生的星系，而本次发现的球状星团就是星系中最早诞生的一批星体。