简艾 建强伟业科研服务 2022-05-02 08:06
科学的进步取决于科学家的劳动和他们的发明的价值。
——巴斯德
第266期
一揭秘太阳系“童年”,我国学者提出太阳系演化新模型
研究行星形成与演化过程是解答宇宙和生命起源问题的基础。近日，浙江大学联合法国、美国的研究团队通过木星、土星、海王星、天王星等巨行星的动力学变迁，提出了太阳系巨行星轨道演化的新模型，该成果已刊登于《自然》杂志上。
“今天我们所见太阳系的行星轨道，与太阳系‘童年’时有很大不同。”浙江大学物理学院研究员刘倍贝说，太阳系诞生之初，星际空间中的气体分子云坍缩，中心部分形成太阳，残余物质绕恒星旋转形成一个扁平的“原行星盘”。
行星在原行星盘内成长，与盘中气体相互作用，轨道逐渐圆化并向内迁移。然而现今，木星、土星、海王星、天王星等巨行星的轨道分布更为开阔，巨行星也脱离了原有的共振状态。科学家们认为巨行星的轨道经历过动力学剧变。
团队认为，在太阳系初期，原行星盘受到太阳“光致蒸发”作用，盘中气体从内向外耗散，诱发了巨行星轨道的重塑并引起动力学不稳定。
“这时太阳就好比一个巨型吹风机，不断‘吹’走盘中的气体。”刘倍贝说，原本向内迁移的行星受到向外的气体作用力，改变运动方向，在经历剧变之后到达现今的轨道构型。
研究表明，该过程在太阳系诞生后约500万到1000万年间发生。“我们从月球陨石坑的年龄上找到了新的佐证。”刘倍贝介绍，巨行星轨道的动力学变迁导致强大的引力扰动，迫使周围小天体不断撞向其他行星和卫星，并在星体表面留下陨石坑。“月球陨石坑有着广泛的年龄分布，小行星撞击事件随时间自然衰减，这也符合团队提出的模型。”
业内人士表示，巨行星轨道演化对包括地球在内的其他行星、卫星和小天体的演化，以及地球生命的起源、宜居特性等多方面影响深远。太阳系巨行星轨道演化的新模型，很可能补足了此前太阳系演化理论中缺失的部分。
作者：朱涵 来源：新华网
二新细胞再生疗法更快修复受损肝组织
在人体中，肝脏在修复受损组织方面比其他器官更有效。现在，美国索尔克生物研究所的科学家们已经找到一种将肝细胞部分重置为更年轻状态的方法，使它们能够比以往观察到更快的速度修复受损组织。近日发表在《细胞报告》杂志的这一研究结果表明，使用重编程分子可以帮助细胞生长，从而促进小鼠肝脏组织的再生。
此前，研究人员已经展示了四种细胞重编程分子（也被称为山中因子）如何减缓衰老过程以及提高小鼠肌肉组织的再生能力。在最新研究中，他们在小鼠肝脏模型中测试了山中因子，以观察它们是否可以在延长小鼠寿命的同时增加肝脏大小和改善肝功能。这一过程包括将成熟的肝细胞部分转化回更“年轻”的状态，从而促进细胞生长。
为了避免山中因子中部分分子导致癌细胞的疯狂生长，团队采用了一种短期方案。在该方案中，小鼠只接受了一天的治疗，然后通过定期采集样本并密切监测细胞在几代小鼠中的分裂情况，跟踪了部分重编程的肝细胞的活动。结果发现，即使在9个月后（大约是小鼠寿命的三分之一）也没有一只小鼠患上癌症。
研究人员称，山中因子的确是一把双刃剑。一方面，它们有可能促进受损组织中的肝脏再生，但另一方面，它们也会导致癌症。此次的短期诱导方案则避免了负面影响。
此外，科学家们在实验室培养皿中研究这种重编程机制时，又有了第二个发现：一种名为Top2a的基因与肝细胞重编程有关，在短期山中因子治疗后，它非常活跃。Top2a基因编码拓扑异构酶2a，这是一种帮助DNA链断裂和重新连接的酶。当研究人员阻断Top2a基因时，细胞重编程速率降低了40倍，导致年轻细胞数量大大减少。Top2a在这一过程中的确切作用仍是未来的研究内容。
研究人员称，在完全了解细胞再生编程方法背后的分子基础之前，还有很多工作要做，这是发展有效和普遍的医疗方法和扭转人类疾病影响所必需的。
作者：张佳欣 来源：科技日报
三挑战“不可能”,零磁场下单向超导体问世
据近日发表在《自然》杂志上的论文，荷兰代尔夫特理工大学副教授马扎尔·阿里及其研究小组已经发现了零磁场的单向超导性，这点自1911年发现“超导体”以来一直被认为是不可能的。他们利用二维量子材料，制造出约瑟夫森二极管，为超导计算铺平了道路，或彻底改变集中式计算和超级计算。
导体由荷兰物理学家卡末林·昂内斯于1911年发现，它可以使电子设备的速度提高数百倍，且无能量损耗。可从此以后，没有人能够解决让超导电子仅单向运动的问题。正常传导中，电子以单粒子的形式运动；在超导体中，它们成对运动，而不会损失任何电能。
阿里解释道，约瑟夫森结是由两块超导体夹以某种很薄的势垒材料而构成的结构，例如S（超导体）—I（半导体或绝缘体）—S（超导体）结构，如同一个三明治。它没有任何特殊的破坏对称性机制可导致电子单向导电。
现在，阿里团队成功地实现了零磁场下的单向超导。打比方说，这相当于其发明了一种特殊类型的冰，这种冰在一种方向滑动时实现零摩擦，而在另一种方向上则无法克服摩擦。
研究人员在其所称的“量子材料约瑟夫森结”中，用量子材料Nb3Br8代替了约瑟夫森结中的经典势垒材料，剥离了Nb3Br8几个原子层后，将其作为三明治的超薄“夹心”，放置于两个超导体之间，从而制作了约瑟夫森二极管。
Nb3Br8是一种像石墨烯一样的二维材料，理论上它含有一个净电偶极子，其本征特性可以新方式调制两个超导体之间的耦合。它是首次实现约瑟夫森二极管的关键部件，而正常三维材料无法做到。
为了确保新的约瑟夫森二极管具有超导二极管效应，研究人员在其正向和反向都施加了相同大小的电流，结果表明，在一个方向上实际上没有测量到电阻（超导电性），而在另一个方向上测量到了实际电阻（正常电导率）。
他们在施加不同强度的磁场时，也测量了这一效应。结果表明，当磁场为0时，这种效应明显存在，而当磁场作用时，这种效应就会消失。阿里表示，这也是其所说的超导二极管效应在零磁场下存在的确凿证据，这一点对于技术应用来说非常重要。
这项成果的了不起之处在于，以前只能使用半导体去实现的技术，现在有望使用超导体架构而成。其中最重要的一项就是实现速度更快的计算机，例如速度高达太赫兹的计算机，比我们当前设备快300到400倍，其问世将影响各项技术应用甚至整个社会。从短期来看，凭借这项成果，现有的基础设施也可以在不花费太多成本的情况下，与基于约瑟夫森二极管的电子设备一起使用，这将是集中式计算和超级计算变革的开端。
作者：张佳欣 来源：科技日报
四一眼扫描4000种不同特征,AI提前预测胰腺癌提高存活率
据世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）发布的2020年全球最新癌症负担数据显示，胰腺癌位列癌症死亡率第七名。胰腺癌被称为“癌中之王”，不到10%的患者在确诊后能活超过5年。最近的研究报告发现，早期发现可将存活率提高多达50%，然而医生目前没有任何方法可以筛查胰腺癌的早期迹象。近日，美国西达赛奈医疗中心（Cedars-Sinai）研究人员发现，AI算法可以在正式诊断前几年预测患者是否会患上胰腺癌。他们训练了一种分类算法，通过分析CT扫描来预测患者是否会继续发展为胰腺癌，该研究结果发表在《癌症生物标志物》。
“这种人工智能工具能够在疾病发生前几年的CT扫描中捕获和量化胰腺导管腺癌的非常微妙的早期迹象，这些迹象人眼永远无法辨别。”Cedars-Sinai生物医学影像研究所所长、该研究的通讯作者李德彪表示。
患有此类癌症的人可能会出现诸如一般腹痛或无法解释的体重减轻等症状，但这些症状通常被忽视，因为它们在许多健康状况中都很常见。
“没有独特的症状可以为胰腺导管腺癌提供早期诊断，”Cedars-Sinai基础和转化胰腺研究主任和胃肠病学奖学金项目主任Stephen说，“这个人工智能工具最终可能会被用来检测那些因腹痛或其他问题而接受CT扫描的人的早期疾病。”
该团队分析了医疗记录，以寻找在过去15年中被诊断出患有胰腺癌并在诊断前6 个月至3年内进行了CT扫描的患者。他们还从接受过CT扫描且未患上疾病的患者中选择医疗数据来形成对照组。据论文，在两个健康中心共获得了来自72名受试者的108 次CT扫描。
来自44名患者的66次CT扫描被平均分为三组，分别标记为健康、预诊断和诊断，以教算法如何识别每组的特征。其余28名患者的最后42次扫描也均匀分布在相同的标签上，用于测试系统。人工智能模型发现了癌症患者和健康对照组之间胰腺表面的变化，这些结构差异可能是胰腺癌发展过程中发生的分子变化的结果。
研究人员声称，该模型能够以86%的准确率预测患者是否会继续发展为胰腺癌。
“我们使用数据分析工具选择其中一些特征来形成预测模型。一旦模型被开发出来，我们就知道预测模型中包含哪些特征，计算机将在新图像中找到这些特征来预测癌症或评估癌症风险。事实上，系统在处理每次扫描时都会查看4000种不同的特征。”李德彪接受The Register采访时表示。
然而，人眼不可能同时跟踪这么多线索。研究人员认为，该模型能够检测到CT扫描中的纹理差异，这些差异在胰腺癌的发展过程中会发生变化。
目前，研究人员正在美国各地的医疗机构收集数千名患者的数据，以继续研究人工智能工具的预测能力，美国国立卫生研究院为其提供继续研究的资金。
作者：邵文 来源：澎湃新闻
五生物相容性材料制成新人工神经细胞
有望用于修复心脏或眼睛等器官
近日，英国科学家首次在实验室制造出了由生物相容性材料制成的人工神经细胞，这项创新有朝一日可能会被用于合成组织，以修复心脏或眼睛等器官。相关研究发表于《自然·化学》杂志。
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神经元细胞是神经系统最基本的结构和功能单位，基本功能是通过接受、整合、传导和输出信息实现信息交换。
最新研究中，牛津大学哈根·贝利团队设计出了一种合成材料，其作用方式与人类的神经细胞类似。这种人工神经细胞由水凝胶制成，直径约为0.7毫米，比人类神经细胞宽约700倍，但与鱿鱼体内的巨大轴突相当。它们的长度也可以达到25毫米，与从眼睛到大脑的人类视神经的长度相似。
研究人员称，当光照在这种合成神经细胞上时，会激活蛋白质，将氢离子泵入细胞。这些带正电荷的氢离子随后通过神经细胞，携带电信号。当正电荷到达神经细胞顶端时，它会使神经递质化学物质三磷酸腺苷（ATP）从一个水滴移动到另一个水滴。在未来的研究中，研究人员希望能让合成神经细胞通过ATP信号与另一个神经细胞相互作用，就像神经细胞在突触上相互连接一样。
随后，该团队将7个神经细胞捆绑在一起，作为一个合成神经并行工作。贝利说：“这使我们能够同时发送多个信号，它们的频率各不相同。这样做的主要目的是通过同一途径发送不同的信息。”
巴斯大学的阿兰·诺加雷特表示，这项创新将在本世纪末改善人工视网膜等神经植入物方面发挥重要作用，“在软材料中模拟神经活动是朝着开发出无创脑机接口和解决神经退行性疾病新疗法迈出的重要一步”。
贝利希望最终能利用这些合成神经细胞同时输送不同类型的药物，以更快、更精确地治疗伤口，“利用光，我们可能会以一种特定模式释放药物分子”。
不过，贝利团队也指出，与真正的神经细胞不同，新合成系统中没有循环和创造新神经递质的机制，因此这个神经细胞只能工作几个小时，人工神经细胞还有很长的路要走。
作者：刘霞 来源：科技日报
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