它闻着像尸体，唯恐不够臭，还自带加热器……｜一周趣科学vol.42

真正意义上的光学时间晶体

哈尔滨工程大学参与的一个国际研究团队首次设计出真正意义上的光学时间晶体，这一突破为更快、更紧凑的激光器、传感器以及其他光学设备奠定了基础，为通信、成像和传感等领域提供了令人兴奋的可能性。

所谓晶体，指的是由周期性重复的小颗粒构成的固体物质。例如，金刚石是由规律排列的碳原子组成的，而食盐晶体则由重复的氯离子和钠离子组成。

一般意义上的晶体都是由在空间上规律排列的颗粒构成的，但有一种被称为“时间晶体”的特殊晶体，它是由在时间上呈现周期性规律的颗粒构成的。

形象地说，时间晶体类似于一种水和冰的叠加状态，这一秒是水，下一秒是冰，在下一秒又变成水，整个过程自发而又无限循环。

科学家发现，这种周期性切换可以让通过晶体的电磁波出现短暂的停留，并且强度不断累积，因此可以用来放大电磁波信号。

之前人们制作的时间晶体切换频率很低，因此只能用来放大频率同样很低的电磁波，例如无线电或者微波。

而如果想要放大人眼能看见的光线，那么晶体的切换频率则需要达到每秒上万亿次。这甚至已经超出人们的理解极限，因此从来没有人认为这种晶体是存在的。

近日，来自哈尔滨工程大学、阿尔托大学、东芬兰大学、卡尔斯鲁厄理工学院等机构的研究人员在《自然·光子学》杂志上报道了他们通过理论计算得出的结果，表明这种快速震荡的时间晶体在技术上是可行的。

他们用计算机模拟证明，通过使用一系列微小的硅球，就可以实现这种放大可见光的时间晶体，最终可以采用已知的光学技术在实验室中实现。

这种晶体将在检测微小颗粒方面具有很大的应用前景，例如病毒、污染物或者癌细胞。受到激发时，这些小颗粒会发出特定波长的光。之前无法检测这些光，是因为粒子很小，所以光很弱。

一旦用上这种晶体，粒子发出的微弱光会被放大上万倍，从而能够使用现有设备进行更高效的检测。

光子时间晶体是一种能成倍放大光的光学材料。

（图片来源：王旭晨）

课代表总结：光学时间晶体能放大光线，那么科学家能不能发明一个工资时间晶体？

大象喜欢在同伴洗澡时互相恶搞

使用工具的能力并非人类独有。黑猩猩使用木棍够水果，乌鸦会用树枝将虫子赶出来。海豚和章鱼也以使用工具的能力而闻名。

11月8日，《当代生物学》上发表的一篇报告为我们展示了大象的一项特殊能力：用软管淋浴。

出人意料的是，研究人员表示，他们还有证据表明，大象同伴会互相恶作剧，在对方洗到一半正开心的时候偷偷去把水停掉。

研究人员之所以有这一发现，是因为该论文的资深作者、德国柏林洪堡大学的Lena Kaufmann有一天在柏林动物园目睹了一头名为玛丽的大象洗澡的情景，并拍下了这一画面。

她把这一画面带回给了同事，同事们对这一画面印象深刻，立刻决定更详细地分析这一行为。

研究人员发现，玛丽会规律地用水管来冲洗四肢和身体，它不仅会用鼻子抓住水管的末端，将其当作坚硬的淋浴喷头，还会抓住水管更靠下端的位置，这样它就可以举起水管来冲洗后背。

研究人员表示，这一发现为有目的地使用工具提供了一个新的例子。

而每当玛丽洗澡时，另一头叫做安佳莉的大象就会来故意搞破坏。它会用鼻子卷住水管拉向自己，让玛丽对水流失去控制。

即便抢走水管之后，安佳莉也不用水管来洗澡来洗澡，所以这看上去特别像是恶作剧。

另一方面，当安佳莉洗澡时，玛丽就会走过来偷偷用脚踩住软管，让水流不出来。但是每次饲养员过来的时候，她就会快速闪到一边，因为饲养员看到她们踩水管时就会骂她们。

饲养员走之后，它就会再溜回来踩住，就像是调皮的孩子。

研究者表示，没人想到大象会聪明到能做出这样的把戏。这一发现提醒我们，大象拥有非凡的操控技巧和使用工具的能力，而这些能力都是通过它们的鼻子的抓握能力实现的。

研究人员现在想知道在动物园大象身上的发现对自然环境中的大象意味着什么，以及野生大象是否也会互相捉弄。

大象洗澡，大象恶作剧

（图片来源：参考文献）

课代表总结：大象：“那个谁，麻烦帮我打个沐浴露，谢谢！”

自带加热装置的恶臭植物

巨花魔芋通常被称为“尸花”，因为它的气味让人联想到腐烂的动物尸体。这种植物的气味非常特殊，而且开花也很罕见，所以吸引了大批好奇的游客前往世界各地的温室观赏。

这种植物还有一个不寻常的特点，就是在开花前会使自身变热，这在植物中并不常见，目前还不太清楚其背后的原理。

美国达特茅斯学院领导的一项研究深入研究了“尸花”的本质，以揭示植物开花时产生热量和气味的基本遗传途径和生物机制。

研究者利用温室中培育的21年树龄的巨花魔芋来收集组织样本，以进行基因和化学分析。

巨花魔芋并非单朵花，而是一簇小花，隐藏在巨大的中央茎秆中，称为肉穗花序，可长至12英尺高，是该植物最引人注目的视觉特征之一。

这种植物开一次花需要5到7年的时间，而一旦开花就在一夜之间绽放，持续几天后就会凋落，所以只有很短的时间来研究开花现象。

开花时，花根部的杯状结构会完全展开，围绕着中心茎，此时花苞会开始升温，温度比环境温度高出10度左右，随后很快释放出标志性的腐肉气味，这种味道会吸引来苍蝇或者腐尸甲虫，以帮助它传粉。

2016年，实验室的“尸花”开了，研究人员从温度达到峰值的那一刻开始，连夜收集了九个组织样本，从而确定哪些基因在植物发热和产生气味方面起了作用。

RNA分析显示，“尸花”用来发热的蛋白质结构与人体用来产热的蛋白质非常相似。这种蛋白类似汽车上的离合器，可以让细胞的“发动机”运转，但又不进行任何耗能活动，所以会一直散热。

当温度升高到峰值时，尸花细胞中负责生产含硫化合物的基因也非常活跃，而含硫化合物可是被化学教科书描述为有臭鸡蛋味的特殊物质。

这还不够，“尸花”还会同时生产腐胺和尸胺，这两种物质……光听名字就知道有多臭了。这么些个宝贝，再加上热气一蒸……整个实验楼都呆不了人了（心疼实验人员一秒）。

研究者认为，“尸花”中还隐藏着更多的谜团。团队目前专注于了解开花的触发因素，以及饲养在一起的植物是否能同步开花，共同提升气味水平，以吸引更多的传粉者。

实验室中名为Morphy的尸花及其红外线热度图像

 （图片来源：Eric Schaller）

课代表总结：里面的花听着！交出臭豆腐蛋，释放人质！这是你的唯一出路！

为了躲避“查票”，癌症基因差点“跳车”

美国斯坦福医学院研究人员及合作者发表的三篇研究论文彻底改变了科学家们对染色体外DNA（ecDNA）的理解，这种小环状分子是多种人类癌症的主要驱动因素。

正常细胞核的DNA只存在于染色体上，细胞每次复制时，都会仔细检查染色体上的DNA有没有复制错误，基因有没有发生突变，检查通过后，才会继续细胞分裂。

研究发现，癌细胞中的基因可以从染色体上“脱落”，形成小的染色体外DNA环状分子，即ecDNA，从而逃避检查，就好像坐火车时躲在卫生间里逃避查票一样。

这些环状DNA很小，通常包含几个与癌症相关的基因，即致癌基因，以加速细胞的生长，并使其逃避内部检查点。ecDNA有时还会编码抑制免疫系统的基因，从而让癌症细胞逃避免疫系统的攻击。

直到最近，人们还认为只有约2%的肿瘤含有ecDNA。但是研究者分析了近15000名癌症患者的病情后，发现17.1%的肿瘤含有ecDNA。

而且，在靶向治疗或化疗等治疗后，ecDNA则更为普遍，这有点像是癌细胞在发动反扑。而且，ecDNA含量越高，转移越容易发生，总体生存率也会越低。

研究者发现，癌症细胞中还有一种不含任何基因的ecDNA，它们虽然没有直接功能，但是它们含有增强子，就像是氮气加速包一样，一旦和其他有功能的ecDNA结合，就会让对方的活性成倍增加，让癌症更加肆虐。

研究者还报告了一种利用这些ecDNA来杀死癌细胞的方法。原来，这些ecDNA会一直不停地工作，直到细胞开始自查。细胞一旦开启自查，就意味着细胞要分裂了，而这些ecDNA的目的就是为了促进细胞分裂，所以细胞一旦要分裂，它们就会适当地歇一会。

就好比，躲在卫生间的目的是逃避查票，一旦查过票了，就可以从卫生间里出来喘口气。

于是，研究者用药物将负责细胞自查的基因关掉，这些ecDNA就会拼命工作以迎接检查，最后的结果就是耽误了它本身其它的生命活动，所以癌细胞就死掉了。

就好像躲在卫生间逃避查票，结果本趟列车突然不查票了，那么就在卫生间里一直不敢出来，被熏晕了。

在实验中，科学家成功用这种方法治好了小鼠的胃癌，让癌症发生了逆转。研究结果非常有价值，目前这种检查抑制剂正处于早期临床试验阶段。

左侧ecDNA相互连接以促进癌细胞生长，右侧随机遗传的 ecDNA 具有更多的遗传变异性，但刺激肿瘤生长的可能性较小。（图片来源：Emily Moskal）

课代表总结： “DNA! Open the door!”

科学家发现大脑梳理信息的关键过程

不知道读者朋友有没有这样的经历：长期和奶奶或外婆在一起生活后，回到妈妈身边时，还是会下意识地把妈妈叫成奶奶或外婆，需要过一段时间才能彻底纠正。

长期以来的观点认为，记忆是在最初的学习过程中形成的，并随着时间的推移在神经集群中保持稳定。

这一理论的不足在于，它没有解释大脑如何既能存储记忆，又能灵活地用新的相关信息更新记忆。

也就是说，我们如何从习惯于喊奶奶转换为喊妈妈，这一过程中大脑里发生了什么，仍需要深入研究。

近日，美国西奈山伊坎医学院的研究者在《自然》杂志发文，报道了他们发现的一种跨越时间和个人经历的记忆整合机制。这是人类首次发现这种大脑信息更新梳理的机制。

在实验室中，给小鼠每天喂食不同的食物。在实验的最后一天，电击小鼠的脚。在这之后不再更换鼠粮，也不再电击小鼠。

过一个月之后，研究者开始给小鼠换粮，结果发现小鼠开始表现得非常焦虑，显然是想起了曾经的电击经历而饮食不安。

换粮本身是一个中性无危险的行为，理应不会造成小鼠本身的不良记忆，但是它却触发了被电击的不良记忆。也就是说，小鼠的大脑理顺了这段时间的信息，发现换粮是电击的先兆，于是开始表现得很焦虑。

看起来，这种理顺信息而找到记忆之间联系点的能力并不是人类独有的，而是大脑本身的一项“被动技能”。

研究人员总结称，每次事件发生后，大脑都会通过重现该体验来巩固和稳定记忆。在经历负面体验后，大脑不仅会重现该事件，还会重现几天前的记忆，似乎在寻找相关事件来将它们联系起来，从而整合不同时间的记忆。

也就是说，这种整合是“回顾性”的，大脑会试图检索现在发生的事件与过去发生事件的联系，从而强化对这两件事件的记忆。

这似乎可以解释为什么口诀记忆法非常有效。因为当我们遇到新的题目时，就会试图检索与这一场景匹配的历史记忆，而口诀经历过多次匹配后会强化其主因性，因此也就会立即复现。

研究者将这种现象称为集合共同激活，并认为它驱动了大脑中记忆的长期联系。

这一发现展示了存储的记忆如何不断更新和重组，以适应新的经历。这一发现可能对理解因果推断或者创伤记忆的平复具有重要意义。

图4 大脑会重组当前信息和历史信息，来唤醒相应的记忆区 （图片来源：参考文献）

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参考文献：

Yosif Zaki, Zachary T. Pennington, Denisse Morales-Rodriguez, Madeline E. Bacon, BumJin Ko, Taylor R. Francisco, Alexa R. LaBanca, Patlapa Sompolpong, Zhe Dong, Sophia Lamsifer, Hung-Tu Chen, Simón Carrillo Segura, Zoé Christenson Wick, Alcino J. Silva, Kanaka Rajan, Matthijs van der Meer, André Fenton, Tristan Shuman, Denise J. Cai. Offline ensemble co-reactivation links memories across days. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-08168-4