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捡起一粒细菌

Cell Force Spectroscopy

Cell Force Spectroscopy

已经发表在9月份《新知客》专栏,切务转载。

ResearchBlogging.org

如果让你从地上捡起一枚硬币,你一定会用双指将其夹起。如果有人只用一指,想通过指上的手汗把硬币粘起来,将会显得很傻,且必将失败。但是,科学家若想要捡起一粒细菌的话,就不得不干这样的傻事,不过倒是挺成功的。

细菌就跟一个细胞大小差不多,它无非比我们人体的细胞独立一点,“一个人”也能生活。所以它太小了,肉眼看不见,要在显微镜下才能捡起它。细菌又很粘,它的细胞壁上有很多粘性分子,抓着附着的表面不放。它还很弱,你使点儿劲吧,就把它捏破了。所以科学家要捡起一粒细菌,不能像平时捡硬币那样用捏,只能用粘。细菌粘附力再强,不会强过自身的撕烈强度。

为了把细菌粘起来,科学家想了很多办法。直接拿一个小东西(通常是硅化合物材料)去粘细菌,有时还粘不上来,需要涂上点“胶水”。各种胶水都试过,但有很多对细菌来说是有影响的。有的胶水会使细菌“昏迷”,有的会直接把它药死。细菌都死了,就没有研究意义了。所以要采用不影响细菌活性的胶水。为了保持细菌存活,整个操作当然也要营养液中进行。

科学家捡起一个细菌来都研究什么呢?从上世纪九十年代首次有人捡细菌开始到现在,大家主要都是就便研究细菌和其他生物体细胞的粘附行为,看看这些小生命的力气怎么样,喜欢什么表面,讨厌什么表面。凝血和血栓的形成,就是因为血红细胞壁上的化学成分发生了变化,容易粘成一团的缘故。癌的扩散,也跟癌细胞的脱落和粘附有关。因此,研究单细胞的粘附性质意义是不小的。当然,将来这种捡细菌的技术可能还会用来帮细胞“排队”,实现更多意想不到的事情。

Kang, S., & Elimelech, M. (2009). Bioinspired Single Bacterial Cell Force Spectroscopy Langmuir, 25 (17), 9656-9659 DOI: 10.1021/la902247w

苦口良药

苦脉菜

苦脉菜

已经发表在10月份《新知客》专栏,切勿转载。

人群中约有75%能尝出苯基硫脲(简称PTC)是苦的,其余的人则尝不出任何味道。这个只是全球平均比例,各国比例还不一样。若一个人能尝出PTC的苦味,那他也对食物中存在的各种苦味剂也会特别敏感(例如被虫叮过的丝瓜之类),因为这些苦味剂跟PTC的分子结构是类似的。而尝不出PTC的,也尝不出带苦味的食品。对PTC的味觉是由TAS2R38基因变异决定的。想当年神农氏尝百草,估计他就是带有尝苦味基因的那75%,否则很可能啥都尝不出来,自己先被毒死了。

最近,西班牙研究人员从尼安德特人的骨头中提取其DNA进行分析,发现这种远古人也有TAS2R38基因。尼安德特人是比现代人(即智人)年代稍早,智商较低的品种。它们进化不过现代人,后来灭绝了。连他们也有TAS2R38基因,说明这个基因来自现代人和尼安德特人的共同祖先——一种更古老的人种,距今至少有50万年了。

人的普遍生存本能是苦的东西不能吃。野外生存采野草树皮吃,入嘴苦的话我们都会立马呸呸呸地吐掉。事实上许多有害的东西味道的确是苦的。因此,人们也很容易认为能尝出苦味的人比尝不出来的人有更好的自我保护能力。不过,在经历了50万年这么漫长的进化历程之后,尝不出苦味的人没有全被毒死淘汰掉,而是至今仍占25%,这也说明苦的东西未必有害,尝不出苦来也可能让人获益。我们中国人应该是比较理解这个道理的,我们有“苦口良药”这一说法,吃苦瓜、苦脉菜,喝苦丁茶,广东人还愿意没事喝凉茶。不知道这都是出于对神农氏的信任呢,还是中国人大多缺乏那个基因变异。

集体行为

海鱼群落

海鱼群落

已经发表在8月份《新知客》专栏,切务转载。

有一个短篇科幻小说叫《马姨》,描述了一个“有思想”的计算机,竟能跟用户聊“人生意义”这种层次的话题。它不用电,只需要喂白砂糖;打开机箱一看,原来是一个蚁巢。一群蚂蚁各司其职,蚁群就能产生出一个整体的智慧来。大量认知能力有限甚至无意识的个体,没有全局信息,也没有领导,仅靠简单的行事原则,就能整体上呈现出一致的有序性,好像一个意识。这不是科幻小说,而是大自然中普遍存在的现象——集体行为(collective motion)。不仅蚁群有集体行为,蜂群、鸟群和鱼群都有这样的现象。科学家用电脑模拟发现,只要给一堆乱跑的粒子加上一条简单的运动规则,例如每个粒子都追赶离自己最近的那个粒子去!那么这堆原本无规运动的粒子很快就会均衡分布,并呈现出共同的运动方向,跟鸟类的迁徒差不多。如果给粒子加的规则再多几条,比如能量最经济,食物最大化等等,更多自然界的集体行为能被模拟出来。

这一发现已被应用在电影特效里。例如要表现一大群鸟的迁徒,如果每只往哪儿飞、飞多快都要专门设计,将要耗用巨大的CPU资源。而只要给每只鸟设计相同而简单的原则,然后单纯增加数量,它们自动的集体行为就会很逼真,一会儿飞成人字,一会儿飞成一字。电影《蝙蝠侠归来》里的蝙蝠群是第一个使用这种技术的,后来在《指环王》里又被用来模拟战场上的士兵,省下了一大笔跑龙套的费用,还比跑龙套逼真。

人类社会能不能呈现出一个统一的智慧呢?估计不行,人类社会有等级,个个都有上司; 通过上网又能了解到很远的事情,消息太灵通。这都不符合集体行为的条件。总之,人类社会太不平等,每个个体又太精明,因此整体难以呈现出什么智慧,不小心把臭氧层搞穿了也是难怪的。