蝴蝶“跨洋”从非洲飞到南美洲，补充维生素不会降低死亡风险…… | 一周趣科学vol.26

蝴蝶从非洲飞跃大西洋到达南美

庄子在《逍遥游》中说道：“列子御风而行，泠然善也，旬有五日而后返。”讲的是列子修道之后能够乘风飞行，到处“打卡”旅游的故事。

列子到底是不是人形飞行器我们不得而知，但庄子所梦化的蝴蝶却是真正做到了御风飞行。西班牙国家研究委员会领导的国际研究小组记录了红蛱蝶（学名 Vanessa cardui ）的跨洋飞行，总行程超过 4200 公里，创下了昆虫飞行的记录。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

2013 年 10 月，西班牙巴塞罗那植物研究所的研究员 Gerard Talavera 在南美洲法属圭亚那的海滩上发现了几只红蛱蝶。

这种物种只在北美、欧洲和非洲有分布，而在南美洲从来没出现过。因此，科学家一开始也认为这些蝴蝶是来自于北美洲的。

但是通过基因组信息比对发现，这几只蝴蝶的基因与北美的同类有很大差异，反而与非洲的蝴蝶种群较为相似。

而且，从蝴蝶身上还发现了一些花粉，经过仔细研究发现，这些花粉属于某种原产于非洲的植物，这进一步确证了蝴蝶们是来自于非洲的。

这还没完！科学家分析了蝴蝶翅膀的同位素成分发现，成分的比例与欧洲国家蝴蝶的翅膀成分类似，也就是说，这些蝴蝶很可能是从欧洲出生，飞到非洲长大，然后又飞到南美洲的。

那么，小小的蝴蝶是如何完成这一不可思议的旅程的呢？

研究人员模拟计算表明，蝴蝶如果不吃不喝，最多可以飞780公里，然而跨越大西洋的旅程长达4200公里。因此，蝴蝶肯定需要借助风力。

一方面，在赤道附近由于温度较高，空气热胀冷缩而上升，会产生上升气流；另一方面，地球自转使得赤道附近盛行自东向西的信风，从非洲沿岸吹向南美洲。

然而，这风力虽然能每年稳定地从撒哈拉沙漠搬运好几吨沙子到亚马逊雨林，但风力的强度和稳定性并不足以连吹8天，把蝴蝶也吹过来。

因此，科学家们可以断定，蝴蝶是能够“驾驭”风力的，先沿上升气流到达一定的高度，再顺着西风向前飞，快要掉下来的时候再顺着上升气流回到原来的高度，这样一直重复，就可以完成跨越大洲的壮举。

生命的无所不能，再一次让我们叹为观止。

图1 蝴蝶飞跃路线（绿色箭头）及附近大洋环流情况

（图片来源：维基百科）

图2 飞跃大西洋的红蛱蝶 

（图片来源：scitechdaily.com）

课代表总结：“蝶老三，我问你，你的家乡在哪里？我的家，在马里，过洋还有三百里。”

参考文献：

Suchan, T., Bataille, C.P., Reich, M.S. et al. A trans-oceanic flight of over 4,200 km by painted lady butterflies. Nat Commun 15, 5205 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49079-2.

桥梁RNA实现超大片段DNA编辑

最初的基因工程实践中，人们只能通过插入外来基因的方式来让生物携带目标基因。后来，人们发现了RNA干扰现象，这种现象可以让人们在生物体内“删除”基因。

随着技术的进步，科学家又发展了CRISPR技术，这种技术可以定向、定点地修改生物体内的基因，从而让生物获得新的基因表达特性。

如果把生物的基因组比作一本学习笔记的话，那么CRISPR技术就像是涂改液和笔，可以随处按照需要来修改具体的内容。

但这一技术的局限性就在于，如果要在这本笔记中涂改掉一整页，或者想把两页的内容对调一下，那么用涂改液的效率就实在太低了，而且出错的概率也很高。

近日，来自日本东京大学和美国加州大学伯克利分校的研究人员分别在《自然》杂志上发文（两篇文章的通讯作者Patrick Hsu是CRISPR技术重要推动人张锋的学生），分别报告了他们最新发现的一类基因编辑的机制：桥梁RNA。

研究者在大肠杆菌中发现了一段被称为IS110的DNA片段，这一片段在细菌的基因组中四处游走并且复制自己。

IS110的末端有额外的一小段片段，能够控制合成一个双环RNA分子，这个分子就像一副手铐，一面拉住IS110片段本身，另一端拉住细菌染色体的其他位置，将两边的基因连接起来。

然后，再由额外的酶对基因进行编辑，实现基因的重新排列、重组、反转、复制或移动等操作。

另外，IS110中的片段还可以进行插入删除等编辑，因此这一方法也可以用于向DNA中插入或者删除基因片段。

第二篇论文从物理角度观察并描述了桥梁RNA现象。通过低温电子显微镜的观察，研究者发现这个桥梁RNA介导的重组过程分为三个步骤：

首先，RNA两个环分别与DNA供体和受体结合；这之后，RNA分子构型改变，拉近供体受体间的距离；最后，DNA分子与特定的酶进行结合并发生DNA编辑操作。

总的来说，相对于CRISPR这种适合定点修改基因的工具而言，桥梁RNA更像是电脑上的文字处理软件，可以大段地修改或者编辑DNA。

这一特点其实是一把双刃剑：虽然使得大批量地修改基因成为现实，但生物体内的基因组是一个牵一发而动全身的整体，这种大片段的修改对基因的改变是深远而未知的。

图3 桥梁RNA（黄色）通过两个“夹子”把供体DNA（紫色）和受体DNA（蓝色）拉在一起  

（图片来源：theprint.in）

课代表总结：这文字处理软件卖不卖大会员？

参考文献：

Durrant, M.G., Perry, N.T., Pai, J.J. et al. Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA. Nature 630, 984–993 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07552-4

大豆固氮的“分子开关”被破解

大豆、花生、苜蓿、芜菁等植物在分类学上属于豆目，它们有一个让其它植物眼红的配置——根瘤。

在豆类植物的根部长有根瘤，可以吸引土壤中的根瘤菌前来合作，大豆给根瘤菌提供食物，而根瘤菌能够固氮，为大豆提供氮肥。

因此，在一些缺乏营养的土地上，人们可以种植苜蓿、大豆和芜菁等植物，一面可以提供一些产出，另一面也可以“养地”，通过这些植物的根瘤来增加土壤氮肥。

但是植物们在长年的与自然界斗争的过程中养成了“铁公鸡”的习性，其吝啬程度不亚于严监生。一旦土壤里的氮肥够用，它们就会立刻“解雇”根瘤菌，停止固氮，能省一点是一点。

更有甚者，到了自己快死的时候，豆类植物还会放毒杀死打了一辈子工的根瘤菌，把菌体中的营养物质分解运送到即将成熟的果实中。

这种“选择性固氮”的行为显然不符合人类种植它们来养地的初衷，因此科学家开始寻找能够阻止植物停止固氮的方法。

经过对超过15万株豆类植物的筛选，澳大利亚乐卓博大学的研究者们定位到了植物中的一个潜在的固氮开关基因，并将其命名为FUN基因。

这个基因本身不负责固氮，但是它相当于根瘤中专门负责与根瘤菌“谈离职”的“解聘专员”，它的工作结果就是让根瘤菌大量“离职”，根瘤的外观也从红色变为绿色。

摸清了这个基因的功能，科学家合理推断：只要植物中的氮肥含量升高，植物就会表达FUN基因，根瘤转为不活跃状态，停止固氮。

但实验结果表明，氮肥含量并不会直接影响FUN基因的表达，无论氮肥多还是少，FUN基因都会表达。

进一步对FUN基因表达产物蛋白做结构分析发现，这种蛋白质可能会与锌离子进行互动从而产生构型改变。而植物生理学告诉我们，锌离子的吸收与氮元素浓度呈正相关。

所以，研究人员进一步推断，植物不是直接检测氮元素浓度来决定是否关闭固氮，而是通过检测锌离子浓度。当氮浓度高时，锌离子的浓度也会升高，而锌离子会结合在FUN蛋白质上，进而对根瘤菌进行裁员。

实验结果也证明了这一点。如果删除FUN基因，那么无论加多少锌元素或者氮肥，植物都会固氮，从而印证了锌、FUN和固氮之间的关系。

提高豆科植物的生物固氮能力有助于提高作物生长和产量，同时减少对合成肥料的需求，从而减少农业对环境造成的压力。

图4 a：添加KNO3氮肥后，大豆根瘤从活跃（红色）变为不活跃（绿色）

b：删除FUN基因可以逆转这一变化（维持红色） 

（图片来源：参考文献）

课代表总结：课代表总结：冷知识：大豆根瘤呈红色是因为里面含有血红蛋白哦~

参考文献：

Lin, J., Bjørk, P.K., Kolte, M.V. et al. Zinc mediates control of nitrogen fixation via transcription factor filamentation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07607-6

2023年是南极最“冷”的一年

经常过夏天的读者都知道，这几年的夏天是越来越热了，似乎每一年都是史上最热的一年。

然而过去的2023年，对于南极来说，却是创纪录的寒冷天气。

《大气科学进展》近日刊载了美国威斯康星大学麦迪逊分校的一项研究报告，记载了2023年南极出现的罕见强烈寒流。

 2023 年冬天（7-8月），研究人员观察到南极洲广大地区的气温极其寒冷。不论是南极的自动气象站 (AWS) 网络以及有人过冬的科考站，遍布整个南极洲的多个气象检测网点都观测到了创纪录的低温，范围覆盖东南极洲、罗斯冰架、西南极洲和南极半岛。

我国昆仑站记录到的最低温为-79.4°C，比历年平均气温低约5°C。

有意思的是，南美洲与南极洲仅有一海之隔，出现的却是创纪录的高温。在智利，气温飙升至接近 40°C，而巴西的里约热内卢则打破了 117 年来的高温记录。

为了找到低温的成因，研究人员对南极洲的 500 百帕位势高度图进行了分析，结果发现与正常值相比，2023年的500百帕位势高度发生了显著降低。

这意味着南极洲大气的中对流层环境发生了极端变化，这对观测到的极端寒冷起了重要作用。

除此之外，来自大陆内部的风以及相对平静的大气条件也促进了寒流的发生。

随着气温骤降到零下 50°C，前往主要研究站的必要飞行作业受到严重干扰。这种低温可能导致飞机出现液压故障和燃油凝固，从而导致安全飞行无法进行。

从某种角度来说，全球气候是一个整体，甚至在地球某一位置上的不起眼的小变化，就足以引起全球气候的巨大不同。这也正是“蝴蝶效应”一词的来源。

有鉴于此，在国际上一般不再采用“全球气候变暖”一词来描述人类目前面临的气候问题，而转向使用“全球气候变化”或“气候挑战”的说法。

毕竟，极端洪水和极端干旱、极端热浪和极端寒冷天气都变得越来越频繁，而人类也必须正视这一系列环境问题，才能实现真正意义上的可持续发展。

图5  2023年南极数个温度检测点的平均温度（右二列）及其与历年平均温度的差值（右一列）

  （图片来源：参考文献）

课代表总结：这就打开APP看去南极的机票！

参考文献：

Tomanek, A.J., Mikolajczyk, D.E., Lazzara, M.A. et al. Extreme Antarctic Cold of Late Winter 2023. Adv. Atmos. Sci. (2024). https://doi.org/10.1007/s00376-024-4139-1.

补充复合维生素片不会降低死亡风险

从20世纪中叶开始，随着人们将维生素在人体内所承担的角色一一解析，在养生保健界就逐渐形成了一股维生素热。

这其中最著名的就是美国科学家、双料诺贝尔奖得主鲍林所提出的“维生素C治百病”理论，虽然后来人们普遍认为这一说法缺乏科学依据，但是直到今天，复合维生素仍然是许多人在保健品方面的首选。

那么，补充维生素到底对健康有没有用呢？

美国国立卫生研究院持续开展了一项研究，对随访数据进行大规模分析后发现，定期服用复合维生素与降低死亡风险之间没有关联。

也就是说，吃再多维生素，似乎也不会延长寿命。这一研究近期发表在《美国医学会杂志网络开放版》上。

在这之前也有许多类似的研究，但是要么涉及的人数不够多，要么跟踪的时间不够长，所以结果不一，有的认为复合维生素可以改善健康，有的认为没什么影响。

而且类似的实验很容易受到人群偏差因素的影响。例如，有更高的财富或者社会地位的人往往更倾向于服用维生素（是的，课代表这种穷人可吃不起），而这种人往往会有更好的医疗资源和健康生活习惯。

所以，即便坚持吃维生素的人比不吃的人更健康，我们也无法确认这种差异是由维生素引起的，而不是由于他们能有时间早睡早起吃早餐或者每周三次健身房造成的。

于是，研究者下了血本，招募了近40万名受试者，分为“吃维生素组”和“不吃维生素组”，尽量每组受试者在性别、年龄、地域、收入、家庭情况、学历、健身状况、工作性质甚至性取向等方面都均匀分布。

这项研究一做就是20年，期间收集受试者的各种体检信息、健康状况和死亡信息，最终汇总成了一份研究报告。

分析显示，每天服用复合维生素的人，死亡风险并不比不服用复合维生素的人低，癌症、心脏病或脑血管病死亡率也没有差异。

研究者同时也表示，死亡风险不是衡量维生素价值的唯一标准。本实验并未涵盖很多不致死但会极大损害生活质量的疾病，例如痛风、视力障碍等，而服用维生素是否对这一类疾病有效，仍需进一步研究。 

图6 常见的复合维生素产品，你吃过哪些？ 

（图片来源：islandpacket.com）

课代表总结：20年的研究……就想问问他们的研究生是咋毕业的啊？

参考文献：

Loftfield E, O’Connell CP, Abnet CC, et al. Multivitamin Use and Mortality Risk in 3 Prospective US Cohorts. JAMA Netw Open. 2024;7(6):e2418729. doi:10.1001/jamanetworkopen.2024.18729