停留太空一个月，人体心脏就会出现衰老迹象丨科技周览

整理 | 周舒义、望乡

梵高《星月夜》中的湍流天空与科学理论相符

《星月夜》中斑驳的星光和旋转的云层被认为反映了文森特·梵高动荡的心境。而一项新研究表明，《星月夜》中的湍流天空与科学理论相符，梵高对湍流流动的数学结构有着深刻的直觉理解。相关论文9月17日发表于Physics of Fluids。

文森特·梵高的《星月夜》创作于1889年。

湍流是一种在流体中广泛存在的自然现象，如水流、洋流、血液流动、翻滚的风暴云以及烟雾柱等形式。湍流本质上是一种混乱状态，其中较大的涡旋不断形成并解体为更小的涡旋。在这项研究中，科学家们利用《星月夜》的数字图像，分析了画中14个主要旋转形状的尺度，研究它们是否符合在大规模涡流和小规模涡流相互碰撞和作用时的物理学理论。

《星月夜》中的涡旋/涡流

由于无法直接测量画中天空的气流运动，研究人员精确测量了画笔的笔触，并将这些笔触的大小与湍流理论中预测的数学尺度进行了比较。为了分析物理运动，他们利用了不同颜料颜色的相对亮度或光度。结果发现，《星月夜》中14个涡流的大小、相对距离和强度遵循了流体动力学中的柯尔莫哥洛夫理论。这一理论在20世纪40年代由苏联数学家安德雷·柯尔莫哥洛夫提出，描述了流速波动与能量耗散率之间的数学关系。研究同时发现，在最小尺度上，颜料与一些背景涡流以湍流理论预测的方式混合，遵循巴切勒定律的统计模式——这一定律在数学上描述了小颗粒（如海洋中漂流的藻类或风中的尘埃）如何被湍流流动被动地混合。

《星月夜》中一些涡流的典型笔触的空间尺度

研究人员表示：“当然，梵高可能并不了解这些方程，但他很可能花了大量时间观察自然中的湍流。我相信这种物理关系深植于他的脑海中，因此在创作著名的《星月夜》时，他自然模仿了真实的流动。”深入理解湍流将有助于改善天气预报、减少飞行颠簸以及其他许多过程。科学家们长期以来在流体动力学中描述湍流方面面临困难，目前尚未找到一种有效的方法来预测这一现象，完整的解释依然是物理学中的一大谜团。

新研究揭示了梵高名作《星月夜》中神秘而奇幻的天空，背后隐藏着与湍流理论的惊人相似性，展现了艺术与科学之间的微妙联系。梵高在潜意识中展现出了对湍流的独特感知，在1889年的那个夜晚，他看到的或许远不止星空流转的激昂与孤绝。（AIP Publishing）

为了解人类演化，科学家给约3500年前的奶酪“验了DNA”

谁动了我的奶酪？在人类数百万年的演化历史中，食品发酵本身就是一则古老而充满智慧的“寓言”：不同人群、文化对食品发酵有各自的偏好，生业模式转变及农业发展也和发酵技术的演变息息相关。一项新研究通过对3组距今约3500年的开菲尔奶酪进行古微生物基因组研究，揭示了人类对开菲尔乳酸菌的应用、传播和驯化历史，为理解人类的演化及其与环境的相互作用提供了全新思路。相关论文9月25日发表于Cell。

新疆小河墓地出土的青铜时代奶酪样本与外径约1.8厘米的玻璃管瓶盖对比。| 中国科学院大学人文学院 杨益民

该研究的样本是迄今发现最早的奶酪制品——新疆塔里木盆地小河墓地出土的3组开菲尔奶酪，其源自开菲尔酸奶，由开菲尔粒（类似酒曲）在奶中发酵而成。奶制品发酵技术的传播在很大程度上伴随着人类的迁徙和互动，这一过程推动了在发酵作用中发挥重要作用的乳酸菌演化。

研究团队通过自主设计乳酸菌全基因组位点探针，从样本中提取出高质量的古代开菲尔奶酪中的乳酸菌基因组。通过系统发育关系分析，研究发现，用于发酵的开菲尔乳酸菌存在两个分化的支系，一个支系符合从高加索扩散到欧洲、亚洲和东南亚沿海地区的主流路线，而另一支系主要包括分布在东亚内陆地区（包括西藏）的菌株，新疆塔里木盆地古人群用于发酵开菲尔酸奶的菌株便来自该支系，且处在基部位置，这就表明存在另一条通过技术文化交流将开菲尔酸奶制作工艺从新疆地区传播至东亚内陆的传播路线。

（A）新疆小河墓地平面图；（B）新疆小河墓地出土的木乃伊样本（被称为“小河公主”，奶酪样本即围绕在其脖子周围）；（C）本研究获得微生物基因组的三组青铜时代奶酪样本；（D）奶酪样本中的微生物DNA组成

研究作者认为，开菲尔乳酸菌两个支系的分化，很可能就是其共同祖先最初被驯化后，由于人群迁徙路径的不同，在不同人群中传播所导致的。这代表不同古人群在应用和驯化发酵微生物过程中发生了不同路线的迁徙与交流。

此外研究还发现，人类长时间的应用和驯化很可能也影响了开菲尔乳酸菌的演化。与新疆地区青铜时代的开菲尔乳酸菌相比，西藏地区的现代开菲尔乳酸菌菌株中出现了两个与减轻肠道炎症反应相关的水平转移的基因簇，这些基因簇不仅有利于乳杆菌在人类肠道中生存，而且能促进肠道功能。这很可能与当时人群对携带不同支系开菲尔乳酸菌的开菲尔粒的偏好有关。

相关专家评价，该研究是领域里很罕见的挖掘全新数据的古DNA研究，为欧亚草原中部人群的迁徙交流与微生物驯化历史带来新认识。

停留太空一个月，人体心脏就会出现衰老迹象

长时间停留太空，低重力环境会对身体造成怎样的影响？9月23日发表于PNAS的一项研究发现，人体心脏组织在太空中连续停留一个月，就开始变得衰弱，跳动节律变得不规则，并且经历了类似衰老的分子遗传变化。

研究人员培育人诱导多能干细胞（iPSC），使其分化成心肌细胞，然后把得到的心肌组织样本安装在模拟人体心脏环境的心肌器官芯片（heart-on-a-chip）中，该装置可以让样本像跳动的心脏一样收缩、舒张，并通过传感器实时监测其收缩强度和搏动节律。2020年3月，48份样本搭乘SpaceX的“龙”飞船前往国际空间站，之后每30分钟向地面回传10秒的心肌组织监测数据。

分析发现，与留在地面的对照组相比，在国际空间站停留12天后，心肌组织的收缩强度就几乎减半，即使在返回地球9天后，这种减弱仍然很明显。在太空中，随着时间推移，心律变得更加不规则。到第19天，组织每次搏动的间隔增加了5倍以上。不过，这种不规律性在返回地球后就消失了。

对回收组织的显微观察表明，负责肌肉收缩的肌节变得更短、更无序；线粒体也变得肿胀、破碎。RNA测序表明，组织中与炎症和氧化损伤相关的基因表达上调；与此同时，产生正常心脏收缩和线粒体功能所需蛋白质的基因表达有下调迹象。研究人员表示，第二批心肌组织样本已于2023年被送往国际空间站，以筛选潜在药物，保护宇航员免受低重力环境的不良影响。

改写教科书？这个碳-碳键，只有一个电子

在“只有1个电子的共价键”首次提出近一个世纪后，9月25日发表于Nature的一项研究首次实现了两个碳原子之间的单电子共价键。这一发现不仅对更深入地了解化学键理论至关重要，也为进一步了解化学反应提供了新的见解。

在分子中，两个原子通过共享电子对来形成共价键。大多数共价键都是由一对共享电子构成的单键，或是由两对甚至三对电子构成的双键和三键。1931年，化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）提出，或许存在由单个未配对的电子形成的单电子共价键，只是非常不稳定——很容易断裂，并且有很强的倾向释放或捕获电子以恢复成对电子。这种键合被称为单电子σ键。

为了实现这一点，研究人员试图通过碘氧化，从现有的碳-碳双电子共价键中去除一个电子。他们基于六苯基乙烷（HPE），设计了修饰螺二苯并环庚三烯（DBCHT）的化合物HPE 1。由于周围芳基产生的空间位阻效应，中心碳-碳单键被大幅拉长，导致分子HOMO能级升高，这意味着分子中其他地方的电子很难取代被去除的电子。

论文作者、日本东京大学的Takuya Shimajiri说，过去尝试去除电子的实验留下的化学键太弱，因此断裂得太快，无法进行确切的化学分析，而这次他们采用的分子在去除电子后仍然足够稳定。研究人员利用X射线衍射和拉曼光谱对其进行分析，并经密度泛函理论计算后，确定它有一个由单电子组成的稳定共价键，最终证实了碳-碳单电子σ键的存在。

该结果构成了单电子碳-碳σ键的首个实验证据。有化学家表示，这是一项意义重大的发现。可以预计，在碳中实现单电子σ键，将有助于更好地理解化学键的基本性质，可能会促使化学家创造出全新的分子家族。

重压之下表现失常？猴子也会

考场上大脑一片空白？答辩时说都不会话了？球场上想要压哨绝杀，却发现抬不动腿？放轻松，大家都一样——甚至猴子也一样。9月12日发表于Neuron的一项研究表明，重压之下的“崩溃”与为运动做准备的大脑神经元活动下降有关，而且并非人类独有。

研究人员设置任务，让恒河猴尽可能快速、准确地将计算机光标移动到指定位置，然后给予奖励。每次任务开始前，研究人员会提示猴子，奖励是小额、中额、大额还是“头彩”。头彩稀有且异常丰厚，是一种高风险、高回报的情境。他们还向猴子大脑控制运动的额叶区域植入电极，以观察在不同奖励场景下神经元活动的变化。

结果发现，随着奖励额度增加，猴子的神经活动也随之活跃，状态更佳。但在奖励是头彩的情境下，与运动准备相关的神经元活动反而减弱。“运动准备”和“运动执行”相对，包含了个体在运动前的注意、组织、计划等认知活动过程——类似于在扣动扳机之前先瞄准目标。相关神经元活动减弱意味着猴子准备不足，也因此表现不佳。研究认为，随着潜在奖励的增加，神经活动会到达到峰值，越过这个点，奖励再丰厚，神经元活动就开始减弱，导致大脑偏离最佳状态。

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