物质与反物质相差多少？如何更快倒出瓶中液体？受损脑细胞如何自我修复？| 一周科技速览
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撰文 | 董唯元、小叶、洪俊贤、韩若冰、刘航、姜小满、Tendo
物质与反物质相差多少？中微子给出答案
中微子振荡现象是标准模型理论存在bug的实锤证据，自被实验确认以来便成为研究热点，还斩获了2015年诺贝尔物理学奖。今年4月15日，中微子振荡再次登上最新一期《自然》杂志的封面。这一次带给我们的不是对既有理论的挑战，而是一个重大问题的答案。这个问题就是：物质与反物质究竟能相差多少？
我们看到宇宙中的物质比反物质更多，这是个再明显不过的事实。可是这种不对称的现象如何从和谐对称的物理规律中生发出来，却是个值得研究的问题。在近几十年的探索中，科学家们逐渐发现了一系列深藏在自然世界中的神秘线索。
先是杨振宁和李政道发现了弱作用过程中的宇称不守恒，与我们镜面对称的宇宙居然由另一种物理规律所支配！而后詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇发现，电荷共轭与宇称的组合仍然存在不守恒，即所谓CP破坏。就是说将镜子里那个宇宙中的正负电荷相互对换，其结果仍然是得到一套内容不同的物理学课本。只有再附加上时间方向的反转，才能最终还原我们这个世界的物理规律。这最后一条被称为CPT守恒。
这些线索引导研究者们最终发现，支配物质与反物质的规律差别，都来自于CP破坏。正是因为CP破坏造成了物质与反物质衰变速度有所差异，才使得我们宇宙中的物质还在茁壮成长的时候，反物质却更早地寿终正寝。
虽然科学家在理论上已经认识到这一点，但物质与反物质具体演化规律的差别，却一直缺乏直接定量检查。本次日本T2K实验室（Tokai-to-Kamioka，东海到神岗）在《自然》杂志所发表的成果[1]，是人类首次对正反物质的差异进行定量测量，因此在学术界格外引人注意。
中微子探测器内部。| 图片来源：Kamioka Observatory, ICRR, Univ. Tokyo
实验采用中微子振荡作为检测的“探针”，对中微子和反中微子[2]弱作用过程中CP破坏的相位差δCP进行直接定量测量。实验结果表明，物质区间为[−3.41, −0.03]，反物质区间为[−2.54, −0.32]。这一量化结果可以直接检验筛选现存的大量相关理论，同时也能为标准模型理论扩展工作提供更多直接依据，甚至关系到宇宙暗物质、宇宙创生和演化等其他更多未解之谜的揭晓。
[1] https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
[2] 目前尚未确定中微子是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子，即不能确定反中微子是否就是中微子自身。此处所说“反中微子”仅指以反物质身份参与作用的中微子。
面对“疫情”，植物也选择“隔离”
“隔离在家是控制疫情最好的办法”，这一观念可谓深入人心。那么，植物细胞在面对真菌或细菌入侵的“疫情”时，是否也会选择类似的方式防卫，比如牺牲部分细胞间的物流运输和信息通讯？
英国约翰·英纳斯中心（John Innes Centre）等研究机构近日发表在《美国科学院院刊》上的一项研究表明[1, 2]，当植物面临真菌等病原体入侵时，同样会启动细胞膜区域性的免疫应答，关闭局部胞间连丝通道，实现暂时性的“细胞隔离”。
胞间连丝（plasmodesma）是相邻植物细胞之间进行物质信息传递的细胞膜通道。研究人员使用几丁质（真菌细胞壁的主要成分）模拟真菌的入侵，惊喜地发现植物胞间连丝区域会发生级联反应，产生大量的胼胝质等糖类，迫使胞间连丝通道关闭、细胞彼此隔离。
细胞膜其他区域被认为广泛存在响应病原体的受体，但实验发现，细胞隔离过程是由一种位于胞间连丝的截然不同的受体所介导的，这两类受体会使用同一种酶触发下游反应。这表明植物细胞在面对外来病原体入侵时，很可能既会引发广泛的应答，也会在胞间连丝等局部独立地触发免疫反应。
进化总是惊人的相似，植物面对疫情的策略和权衡，也是自然的智慧和启示吧。
[1] Cécilia Cheval et al., Chitin perception in plasmodesmata characterizes submembrane immune-signaling specificity in plants. Proceedings of the National Academy of Sciences. Apr 2020, 201907799; DOI: 10.1073/pnas.1907799117
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/jic-sok041420.php
如何更快倒出瓶子里的液体？
你是否曾观察过将液体从瓶中倒出时会发生什么？当我们倒水的时候，需要空气进入瓶中把水置换出来，置换过程中，水中气泡的形状和速度一直处于变化之中。有时从瓶子打开时就可以听到“咕咚咕咚”的声音，这是瓶中产生了有趣的周期性气泡夹断现象，与瓶内液位有节奏的振动有关。
自达·芬奇时代，气泡的行为就一直是流体动力学研究的热点。瓶口处气泡的生长动力学取决于流体的热物理性质、瓶的几何形状及其倾斜角度。这些不可分割的参数交织在一起，使清空瓶子的动力学成为气泡物理学家研究的前沿领域[1]。
在近期的《流体物理学》杂志[2, 3]中，印度研究人员Lokesh Rohilla和Arup Kumar Das使用高速摄影技术，从气泡动力学角度研究了空瓶现象，试图找到更快清空瓶子的方法。图像分析使他们能够概念化各种参数。瓶内的气泡动力学太复杂，因此研究人员就从气泡界面生长的角度来研究。
根据生活经验，我们知道增加倾斜角度会使瓶子的排空时间缩短，因为增大倾斜角度会使气泡夹断频率增大。实验则表明，倾斜瓶子的角度其实存在一个临界值，当大于这个角度后，瓶子倾斜度的进一步增加不会导致瓶子清空时间的减少，因为这时气泡占据了瓶口空隙, 反而阻碍了液体流出。
研究人员发现了两种不同的缩短空瓶时间的模式：一种模式是使瓶内产生高频的夹断气泡，提高排出速率，就像是让液体“咕咚咕咚”快速跑出来；另一种模式是在相对较低频率下，增加夹断气泡的体积，这更像是让液体“咕-咚-咕-咚”缓慢而大口地流出。
[1]A. Prosperetti. Bubbles. Physics of Fluids, 16:1852–1865, June 2004.
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/aiop-bdr040620.php
[3]https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0002249?download=true
神秘天体如何星际穿越来到太阳系？
2017年10月19日，一个神秘的星际天体首次造访我们人类所在的太阳系，此物形状奇特，长条雪茄状，外壳层干燥，没有常见的水冰。这是人类已知的第一个造访太阳系的星际天体，由位于夏威夷岛上的Pan-STARRS1望远镜首先发现，于是科学家们给它起了“奥陌陌（Oumuamua）”这一不同寻常的名字，在夏威夷语中，它的意思是“来自远方的信使”[1]。
对于奥陌陌从哪儿来，它如何形成这样的形状，科学家们猜测纷纷，有人甚至推测这可能是外星探测器。本周发表在《自然·天文》杂志上的一篇论文对于前面若干问题首次给出了综合性解释[2, 3]。
中国科学院国家天文台的张韵是论文第一作者兼通讯作者，与美国加州大学圣克鲁兹分校的林潮（Douglas N. C. Lin）一起通过高分辨率计算机模拟，建立小型天体飞掠恒星附近时的动态变化模型。
奥陌陌表面的颜色以及缺乏射电辐射的事实表明它是自然天体。模拟结果指出，当小型天体非常接近大型恒星时，恒星的潮汐力会撕裂天体，形成类似于奥陌陌的长条状碎片，将碎片抛回星际空间。
由于强烈的恒星辐射，碎片表面距离恒星近时会融化，远离后又重新凝聚。而在潮汐力撕裂过程中产生的热扩散会驱散天体表面的挥发性物质，这也解释了奥陌陌表面的颜色、可见像差。进入太阳系之后，太阳辐射让奥陌陌表面的水冰蒸发，从而产生了无引力加速度，让它在太阳系惊鸿一现又飘然远去。
[1] http://english.cas.cn/head/202004/t20200410_234617.shtml
[2] https://news.ucsc.edu/2020/04/oumuamua.html
[3] https://www.nature.com/articles/s41550-020-1065-8
东京晴空塔上测量地表的时间膨胀效应
爱因斯坦广义相对论认为，巨型物体的引力会导致时空扭曲。时间在较大的引力场中运行得相对比较慢。例如在地球表面，建筑物底部的时间流逝会比在顶部慢。然而实际测量这个差异十分困难，因为在地球表面相对论效应十分微小，而用于超精密测量的时钟体型通常非常庞大。
日前，日本理化研究所（RIKEN）的研究团队成功研发了可移动光学晶格钟，首次实现了对地表相对论效应的测量。这项壮举将实验室的巨型精密时钟小型化为便携式可移动设备，并使其对诸如温度、振动和电磁场等环境噪声不敏感。该光学晶格钟被封装在一个边长约为60厘米的立体磁屏蔽盒中。研究人员将一个晶格钟置于东京晴空塔底部，另一个置于塔顶450米高的天文台，两个时钟通过光纤连接，从而对时间膨胀效应进行了超精确的测量。该结果发表于《自然·光子学》杂志[1, 2]。
RIKEN研究人员认为，超精密时钟的研究最终可以实现通过测量引力来感知和利用时空曲率。例如，利用时钟可以探测地面高度的微小变化，从而能够测量活动火山或地壳变形这些地方的地面膨胀，也可以用于定义参考高度。实现在实验室之外利用便携式时钟设备进行精确测量，是将超精密时钟制作成实用设备的第一步。该研究团队的长期规划是将这些超精密时钟放置于数百公里远，并实现对地面的相对上升或下降行为的检测。
[1] https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/pr/2020/20200407_2/index.html
[2] https://www.nature.com/articles/s41566-020-0619-8
人体内抗核抗体水平逐年提升
自身免疫疾病 (autoimmune diseases, AID) 是机体对自身抗原发生免疫反应，从而导致组织细胞受到免疫系统攻击所引发的疾病。常见的AID有类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮和多发性硬化等等。临床上用来检测AID的一个重要的项目是抗核抗体 (antinuclear antibody, ANA)。ANA是一组针对细胞核内物质的自身抗体，在13%的人中为阳性。ANA阳性指示患者很可能患有AID或者有患病倾向，但也有一少部分ANA阳性的人完全健康[1]。
美国国立卫生研究院与其合作者最近发表了一项研究[2, 3]，发现美国的ANA群体阳性率从1990年前后的11.0%上升到了2010年前后的15.9%，且在青少年、男性、非西班牙裔白人中提升较为显著。虽然其中的生物学机制尚不明确，但研究人员猜测这也许和人们的生活方式和生活环境改变有关系。
研究作者之一Christine Parks博士评论：“这些新发现对公共健康有重要启示，可以帮助我们研究并了解为什么一些人会患上自身免疫疾病。”另一位作者Darryl Zeldin博士说，近年的研究表明AID发生的频率似乎也有所提升，但尚无足够的数据支撑。Zeldin希望国家建立AID注册登记系统，用以监测疾病数据随时间的变化、识别高发地区，并最终理解疾病发生的原因。
[1] Pisetsky, D. S. (2017). Antinuclear antibody testing - misunderstood or misbegotten? Nat. Rev. Rheumatol. 13, 495–502. doi: 10.1038/nrrheum.2017.74.
[2] Dinse, G. E., Parks, C. G., Weinberg, C. R., Co, C. A., Wilkerson, J., Zeldin, D. C., Chan, E. K. L., and Miller, F. W. (2020). Increasing prevalence of antinuclear antibodies in the united states. Arthritis Rheumatol. doi:10.1002/art.41214
[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/nioe-amb040820.php
受损脑细胞自我修复，先要返老还童
修复大脑和脊髓的损伤可能是医学界最艰巨的挑战。根据美国研究人员发表在《自然》杂志上的新发现[1, 2]，成年脑细胞受损时会回到胚胎状态，在适当的条件下能够再生出新的连接，有望恢复失去的功能。
仅在20年前，成人大脑还被视为完全分化和不可改变的。随后研究人员发现，海马体和脑室下区域会在一生中不断产生新的脑细胞。新研究更加强化了这个概念，大脑的自我修复或更新能力不仅限于这两个区域。
研究者使用小鼠模型发现，当皮质层的成熟脑细胞受损时，会在转录水平上回到胚胎皮层神经元的状态。如果环境适宜，细胞还能在这种不成熟状态下重新生长出轴突。利用现代神经科学、分子遗传学和病毒学的工具等，研究者首次绘制出了成年脑细胞再生的转录路线图。
新研究还带来了另一个惊喜。在促进神经元的生长和修复过程中，一种关键的遗传通路涉及到亨廷顿（HTT）基因，该基因突变后会导致亨廷顿舞蹈症，一种神经退行性疾病。研究发现，在经过基因工程改造而缺乏HTT基因的小鼠中，受损神经元的再生转录水平明显降低。
人们对HTT基因的正常作用仍知之甚少。新研究表明，HTT对于促进脑神经元的修复至关重要。因此，该基因的突变预计会使成年神经元丧失自我修复能力，导致神经元的缓慢退化，进而发展成为亨廷顿舞蹈症。
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2200-5
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/uoc--wdt041520.php
全球抗疫，疫苗试验在行动
截至4月18日，新型冠状病毒病（COVID-19）在全球范围内已确诊220余万例。除了隔离和各种治疗手段之外，疫苗研发也是疫情防控的重要领域。
据《科技日报》报道，4月12日我国军事科学院陈薇院士团队研发的腺病毒载体重组新冠病毒疫苗已开启二期临床试验。本次试验开放了年龄上限，60至84岁的老年人也可以作为志愿者加入[1]。13日，我国又有两款新冠病毒灭活疫苗获准进入一二期合并临床试验[2]。
在韩国，流行病防范创新联盟资助INOVIO制药公司，后者将与国际疫苗研究所、韩国国家卫生院建立三方合作，开展由INOVIO基于DNA平台技术研发的候选疫苗（INO-4800）一期/二期临床试验[3]。
美国如今处在暴发高峰。3月中旬，美国西雅图的凯萨医疗机构华盛顿卫生研究所已经开始展开一期临床试验，测试由国家过敏和传染病研究所与Moderna公司联合研发的候选疫苗mRNA-1273[4]。紧随其后的有匹兹堡大学医学院的PittCoVacc疫苗[5]、阿拉巴马大学伯明翰分校与Altimmune生物制药公司的AdCOVID疫苗[6]、爱荷华大学和佐治亚大学的基于MERS 疫苗的候选疫苗[7]等。
在欧洲，知名研究所如法国巴斯德研究所、德国马克斯·普朗克研究所等等，也在调动各领域专家，借鉴现有相关疫苗，积极研发有效的候选疫苗，展开试验。
《自然》杂志在本月初统计，大多数新冠疫苗研发工作都在北美进行，有36家疫苗开发商（占46％）；中国有14家（占18％），亚洲（不包括中国）和澳大利亚有14家（18％），欧洲有14家（18％）[8]。
全球科学家各显神通研发疫苗，给人类战胜病毒带来希望。然而正如世界卫生组织总干事谭德塞表示，新冠肺炎疫苗研制至少还需要12至18个月时间[9]，为了确保疫苗的安全性，还需遵守规则、不走捷径。
[1] http://www.stdaily.com/zhuanti/kpjd/2020-04/17/content_923561.shtml
[2] http://www.stdaily.com/zhuanti/fyywbd/2020-04/16/content_922409.shtml
[3]https://www.ivi.int/ivi-inovio-and-knih-to-partner-with-cepi-in-a-phase-i-ii-clinical-trial-of-inovios-covid-19-dna-vaccine-in-south-korea/
[4]https://www.nih.gov/news-events/news-releases/nih-clinical-trial-investigational-vaccine-covid-19-begins
[5]https://www.upmc.com/media/news/040220-falo-gambotto-sars-cov2-vaccine
[6]https://www.uab.edu/news/research/item/11203-uab-will-test-a-covid-19-vaccine-candidate-created-by-altimmune-inc
[7]https://news.tulane.edu/pr/tulane-university-launches-new-coronavirus-research-program-develop-vaccine-and-advanced
[8]https://mp.weixin.qq.com/s/apoh8_HtJzVm4a_A5EEt4w
[9]http://www.xinhuanet.com/world/2020-03/28/c_1125779531.htm
本期奖品：[日]铃木忠《地表最强熊虫》，商务印书馆2020年1月版。还想看看其他好书？欢迎点击“阅读原文”进入返朴书单，粉丝专享200-30优惠码。
《返朴》新冠病毒专题
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