别被海参软乎乎好欺负、憨头憨脑的样子给骗了，它可是身怀绝技、技能满点的“逃脱大师”，来看科学家成功解开海参“吐丝”背后的谜团；“白日不到处，青春恰自来。苔花如米小，也学牡丹开。”清代文学家袁枚的一首朴素小诗《苔》曾击中很多人的心。近日，中国科学院昆明植物研究所的科考队就发现了这样一种可爱、倔强、稀有的“小花花”。
基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第三十八期。
1.《PNAS》丨答案揭晓！这个人畜无害的“铁憨憨”怎么成了海底“蜘蛛精”？
玉足海参对梭子蟹“吐丝”（研究团队供图）
海参诞生于前寒武纪时代，被誉为“海洋活化石”。在吃货眼中，海参则是营养价值很高的大餐。不过，别被海参软乎乎好欺负、憨头憨脑的样子给骗了，它可是身怀绝技、技能满点的“逃脱大师”。遇到危险时，海参有以下逃脱方案：变色和环境融为一体；挤压身体、丢出内脏给对方吃，借助排脏的反冲力逃跑；用“分身术”把自己分为多块后四处飘散，几个月后，那些带有部分泄殖腔的部分会长成完整的活海参……
除上述令人眼花缭乱的防御型技能之外，海参还会“被动”进攻。很多热带海参遭到敌害威胁时，会从肛门处喷出丝状小管并黏附缠绕捕食者。海参这样吐出的“丝”有个学名叫作“居维氏器”，最早由法国古生物学家乔治·居维叶在1831年首次描述并以其名字命名。然而，190多年以来，居维氏器的成分及其黏性产生的机制一直是个“黑盒子”。近日，中国科学院南海海洋研究所相关团队成功破解了这个谜团。
研究团队以广泛分布于印度-西太平洋热带海域的一种居维氏器发达的玉足海参为研究对象，发现其居维氏器在黏附和缠绕敌害时，其外层间皮层和中层结缔组织层分别发挥黏性和韧性的作用。通过染色体级的高精度基因组测序分析，他们发现，与蜘蛛和家蚕的丝蛋白类似，居维氏器外层的一组黏性蛋白具有长串联重复序列。这些蛋白的结构均为交叉-β结构，与引起人类阿尔茨海默病、帕金森病等的淀粉样蛋白相似。
接下来，“吐丝”机制是什么呢？研究结果表明，玉足海参利用瞬时受体电位通道（TRPC）感受捕食者施加的机械压力，并通过释放乙酰胆碱信号刺激居维氏器排出。在进化过程中，玉足海参基因组的3号和12号染色体区域聚集了多个新基因，这些新基因使得居维氏器能够接收乙酰胆碱信号，并生成淀粉样黏性蛋白。这些研究成果在研发提高人工增养殖海参适应能力技术方面具有潜在应用价值，为新型仿生水下黏合材料研发提供了新思路。
2.《物理评论快报》丨在物理学家眼中，这个永远装不满的瓶子，比莫比乌斯环更有趣
热微扰Z3 仲费米子共形场论的克莱因瓶熵的普适标度律
公元1882年，数学家菲利克斯·克莱因提出了一种自我封闭且没有明显边界的模型“克莱因瓶”（Klein bottle）。这个瓶子与莫比乌斯环、甜甜圈同属于拓扑家族。让我们来看看它的模样——瓶子底部有一个洞，瓶子颈部延长进瓶子内部并与底部的洞相连通。“克莱因瓶”的特殊之处在于，由于没有边，所以它的表面不会终结。此外，克莱因瓶和我们日常见到的球面也不太一样。克莱因瓶不分 “内面”和“外面”。举例来说，一只苍蝇不用穿过瓶子表面，就能从瓶子内部直接飞到外部。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的几位物理学家一直为克莱因瓶而着迷，围绕它进行了一系列研究并不断取得新的理论进展。他们发现，在统计物理中，由于相变临界点处关联长度发散，系统具有演生的标度不变性，使系统的许多热力学性质变得与晶格常数、具体的相互作用细节等无关，即普适性。在临界点附近，处于同一普适类的物理系统的物理量随着体系参数的变化表现出普适的标度律。物理学家利用之前发展出的连续矩阵乘积算符方法，计算了几种典型的量子格点模型临界点附近的克莱因瓶熵，并验证了它们所服从的普适标度律。
3.“我就是我，不一样的花朵”
水苔花的花常随水位的下降依次开花
“白日不到处，青春恰自来。苔花如米小，也学牡丹开。”清代文学家袁枚的一首朴素小诗《苔》因其托物言志，击中了很多人的心。近日，中国科学院昆明植物研究所的科考队就发现了这样一种可爱而倔强的“小花花”——他们在绿春县黄连山保护区骑马坝乡发现了形似苔藓体态奇特的种子植物水苔花（Hydrobryum griffithii）。
水苔花的根呈叶状体状，绿色，靠吸器紧贴于水中的石头上，形似地衣，因而也称之为水石衣。显然，为了在急流中安家落户，水苔花利用发达的根系紧紧地贴在流水的石头上，并吸收流水中的营养物质。另外，很有意思的现象是水苔花的花常常会随着水位的下降依次开花，但长期暴露于空气中的植株的根茎叶通常会凋亡脱落，但果枝可以借助吸器保存更久。
可以看出，水苔花的整朵花约1–2毫米左右，花被片退化成极小的鳞片状。如此“迷你”，导致了在野外，如果水苔花不是大面积开花，就很难被发现它在开花。但正如《苔》写的那样，即便在不起眼的角落，平凡的小生命也要顽强绽放，以勇敢洒脱的姿态活出自我。
水苔花主要分布于热带山地溪流中，仅在云南地区的金平、绿春、西双版纳、盈江、泸水等地有纪录，但到目前为止没有系统分类、深入研究。水苔花是国家Ⅱ级保护植物，因其对水质和生境要求较高，所以是一个稀有而重要的环境指示物种。此次科考队对该物种的再次发现，令人惊喜。这些区域分布的水苔花是否存在着新的物种，有待科学家进一步考察探索。
4.《Developmental Cell》丨科学家找到了转录因子凝聚体的“开关”
MLX、IPMK和MYC以协同表面活性剂方式调控TFEB凝聚体的转录活性
生物分子凝聚体（Biomolecular condensates）指的是无膜的细胞内组装体，通常通过液-液相分离（liquid-liquid phase separation, LLPS）形成。它们在真核细胞中普遍存在，包括细胞核、细胞质和细胞膜。
为什么说近年来生物分子凝聚体是生命科学研究领域的一大热点呢？因为它代表了生命在不同的空间尺度调控生物大分子功能的一种新机制。在没有生物膜结构参与的情况下，特定的生物分子凝聚体会形成具有一定流动性的液态凝聚体，在细胞内的特定区域行使生理功能，比如在细胞结构组装、信号传导、转录调控等生物过程中扮演重要角色。
近日，中国科学院生物物理研究所张宏课题组就聚焦生物分子凝聚体中的一种——转录因子凝聚体进行了大量实验，找到了其调控转录的“开关”。具体来看，由于自噬-溶酶体相关基因的启动子区域普遍含有CLEAR基序，因此，调控自噬-溶酶体通路的关键转录因子TFEB，通过结合含有CLEAR基序的染色质区域调控自噬-溶酶体基因的表达。科学家发现，转录因子凝聚体的界面张力与其转录活性密切相关，细胞中的天然蛋白质可能以表面活性剂方式调控转录因子凝聚体的界面张力及转录活性，进而调控相关通路的活性。
5.《Advanced Science》丨冲破“天花板”！物理学家预测史上最刚最硬材料
核桃、岩石、钻石、钢铁……自古以来，很多天然材料因坚硬质地出了名，“坚如磐石”“情比金坚”“钻石恒久远”“坚果墙”这些词和短语都是对它们的生动刻画。随着科技的发展，科学家又通过人工合成的方法，不断获得高硬度、耐磨、强度和韧性好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能兼具的材料。比如硬质合金，被用作刀具材料广泛使用。近期，武汉大学土木建筑工程学院副教授高恩来课题组发布研究成果，他们预测出最刚、最强材料，那就是接近理论极限的氮化碳原子链。
如何评判物体的坚硬程度呢？一直以来，物理学家对硬度的定义是，材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。因此，固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，可量化成比较各种材料软硬的指标。弹性模量就是体现材料刚度的一个重要指标，表征材料抵抗弹性变形能力的一个量。而根据不同的受力情况，分别有相应的拉伸弹性模量(杨氏模量)、剪切模量、体积模量等。这里面的杨氏模量，衡量的是各向同性弹性体的刚度。简单来说，杨氏模量越大，材料越不容易发生形变。
然而，杨氏模量等力学度量提出两百年来，理论上限始终悬而未决。对此，物理学家团队建立了极致杨氏模量的微观物理模型，理论推导出极致杨氏模量和比杨氏模量的理论表达式，确定杨氏模量与比杨氏模量的理论上限分别为3074 GPa和1036 GPa·g-1·cm3。他们进一步开展固体力学理论设计，发现限域线性碳晶体的杨氏模量高达2973 GPa，线性氮化碳晶体比杨氏模量和比抗拉强度高达1032 GPa·g-1·cm3和108 GPa·g-1·cm3。该成果拓展了人类对材料刚度与强度的认知，在尖端领域有重要应用前景。
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发表于 2024-3-15 10:46:16
