探究青蛙与智能手机的共同点；蓝细菌参加冰桶挑战结局让人暖心 | 一周趣科学vol.35

用四碱基密码子向蛋白质引入特殊氨基酸

学过高中生物必修一的同学都知道：蛋白质由20种不同的氨基酸组合而成，氨基酸就像乐高块一样，通过不同的排列组合，形成有各种功能的蛋白质。

这种方式的好处就在于，只需要很少种类的基础构件就能够实现很多功能，但如果基础种类太少，就会导致许多特定的功能实现起来比较困难。

就好比基础乐高积木块的种类很少，但是能轻松地搭出很多结构；但是如果想用基础乐高拼出个跑车，实现难度就很大，除非额外添加一种轮子块。

同样地，如果人们想让蛋白质具有一些特定的功能，那这些基础款蛋白质很可能不够用，所以还需要加入一些特殊的氨基酸来实现这些功能。

以现在的科技水平，告诉细胞改一下规则，把某个氨基酸改成特殊氨基酸，这并不困难，但难点在于告诉细胞到底要改哪一个。

如果不说明的话，细胞就会把本来蛋白质里20种氨基酸中的某一个，全部改成你想要的特殊氨基酸，但其实我们只想让它改某个位点上特定的那一个氨基酸，而不是全部。

那么，到底如何让细胞听懂我们的话呢？

美国斯克里普斯研究所的科学家的方法是：对暗号！

研究的初衷是为了开发新的药物分子，科学家设计的药物是一个蛋白质分子，在它的特定位置需要用到某个特殊氨基酸。

在普通的细胞里，决定氨基酸种类和顺序的“字典”叫做密码子表，mRNA上每三个碱基（类似于字母）组成一个“单词”，而细胞中的tRNA就根据这些“单词”，将对应的氨基酸一个个地搬过来组合在一起，进而合成蛋白质。

科学家直接向细胞的密码子表中添加了一些四个字母的“单词”，让它们对应想要的特殊氨基酸。然而，mRNA上没有空格，细胞怎么辨别出“单词”到底是几个字母组成的呢？又如何知道哪里需要用到这些四字母的“单词”呢？

所以，科学家贴心地给细胞设计了一个“暗号”，只要mRNA上的“单词”满足某种特殊的顺序，那么细胞就会“心领神会”，自动把下一个单词识别为四字母单词，进而在蛋白质中加入特殊氨基酸。

科学家成功用这种方法制造出了100多种含有特殊氨基酸的肽分子。作者表示，该技术可用于重新设计现有的蛋白质，或创造全新的蛋白质，可用于医药、制造和化学传感等多个领域。

图1 作者合成的几种环肽分子，带颜色的部分是特殊氨基酸 （图片来源：scripps.edu）

要把蓝鲸变成青蛙，总共分几步

跳蚤蛙（见图2）与智能手机有什么共同点？

许多年轻的读者可能没经历过台式机的时代，而是从小就使用智能机，课代表小时候家里的台式机性能甚至还不如手里这台巴掌大的手机的十分之一。

跳蚤蛙生活在马达加斯加的雨林里，以螨虫为食。与它亲缘关系最近的几种青蛙都能长到十厘米左右，但它却只有0.7厘米大。

图2 不到一厘米大小的跳蚤蛙 

（图片来源：Andolalao Rakotoarison）

尽管如此，跳蚤蛙和体长数十米的蓝鲸都是脊椎动物，虽然前者的内脏已经小到极限，但它的器官种类和功能与后者的对应部分相同，都在地球上存续了很久很久。

因此，如果你好奇过你的手机里是如何塞进一整台电脑的功能的，那么你肯定也会好奇，鲸鱼里的各个部分是如何“塞”进跳蚤蛙的身体里的。

丹麦自然历史博物馆的科学家也和你有着同样的好奇，唯一不同的是，欧洲研究委员会给他们150万欧元来探索这个问题的答案（实名羡慕）。

在动物研究中有一个规律，被称作“柯普规则”，它的意思是说，动物总是朝着体型越来越大的方向进化。例如马的进化，最早出现的始祖马只有狗那么大，但经过漫长的进化，最终变成了如今的大小。

但是越来越多的反例表明，生物进化并不总是往大型化发展。

侏儒虾虎鱼、跳蚤蛙、蜂鸟、凹脸蝙蝠，这些物种都只有厘米大小（见下图3），如何将那么多的生物学功能用这么小的体积实现，这不单是一个生物问题，还是一个工程问题。

当一个物种在进化过程中变小时，动物体内究竟发生了什么变化，甚至在基因层面上又发生了什么变化呢？到底是什么因素阻止最小的脊椎动物变得更小呢？

在之前的研究中，科学家已经发现，小型脊椎动物将祖传的“屎山代码”基因组进行了清理，删除了很多不必要的片段。但是其中的细节仍需要厘清。

科学家认为，真正的重大创新可能发生在微小的体型中，而随着后代再次长大，创新将不断扩展。于是，他们开始着手研究卫星脊椎动物的基因组，期待从中找到脊椎动物微型化的秘密。

图3 比一支圆珠笔还小的各种脊椎动物

（图片来源：Andolalao Rakotoarison）

孪生黑洞正在双向奔赴，

预计在1亿年后相撞

近日，在观测MCG-03-34-64星系时，NASA的科学家本来只是想用哈勃太空望远镜观察它的核心，也就是一个超大质量黑洞，所发出的喷流。

在持续观察之后，科学家发现，这些喷流被卷入了一片奇怪的区域。在这片区域仔细寻找之后，科学家发现了一个新的星系核心，也就是另一个超大质量黑洞。

计算之后发现，这两个黑洞之间的距离仅有300光年（仅有？），这是截至目前观察到的所有超大质量黑洞对中，相距最近的一组。

按照它们的相对速度来计算，它们将在1亿年之后发生碰撞，到那时会发出剧烈的引力波。只不过它发出的引力波也需要8亿年之后才能传到地球。

虽然黑洞是看不见的，但这两个黑洞吞噬的气体和尘埃被加速，从而摩擦生热，温度极高，因此发出明亮的光，我们就知道这里一定有黑洞了。

哈勃的观测是在人眼可见的可见光下进行的，但是图像中的三个光点太亮了，所以科学家也不确定他们所看到的究竟是什么。

于是他们用钱德拉望远镜在X射线光下再次观察了这个星系区域。

当团队用钱德拉观测这个星系时，他们能够精准定位与哈勃的图像相匹配的两个强大的X射线光源。

再结合其他来源的数据，团队确定这些现象只能用近距离的黑洞来解释。

但是仍然有疑问——因为哈勃望远镜的观测图像中，能够看出来有三个亮点。多出来的那个是什么，科学家目前也比较困惑。

他们猜测，这可能是来自其中一个黑洞物质的高能释放所冲击的气体。

目前的LIGO激光干涉仪引力波天文台已经探测到数十个恒星质量黑洞合并产生的引力波，但是其探测能力仍然有限，类似于此次发现的这么大质量的黑洞相撞所产生的引力波，LIGO是检测不到的。

不过NASA已经计划在10年内发射一台新的引力波探测器LISA，希望可以检测到更多的引力波事件。

由于黑洞看不见摸不着，所以它发出的引力波就成为了我们研究黑洞为数不多的数据来源。本次的发现可以让我们对黑洞之间的相互作用产生更直接更深刻的理解。

图4  本次发现的双黑洞体系的哈勃望远镜照片

（图片来源：NASA）

蓝细菌“冰桶挑战”背后的神逆转

庄子曾说过，朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋。

意思是说，寿命只有一上午的菌类，不知道什么叫早晨和晚上。而只在夏天生活的虫子，也不可能知道什么叫做春天和秋天。

这么说，作为一种寿命不到24小时的单细胞生物，蓝细菌（曾用名：蓝藻）也根本不可能知道什么是冬天，什么是夏天。

然而，美国范德堡大学的研究者帮蓝细菌进行了一场“冰桶挑战”，结果证明，这些细菌能够通过光照变短识别出“凛冬将至”的信息。

研究者向蓝细菌施加不同长度的人工光照，分别是短日照（8小时日光、16小时黑暗）、长日照（16小时日光、8小时黑暗）和分日照（12小时日光、12小时黑暗）。

在不同的日照下培养八天后，再将蓝细菌投入冰块中培养两小时，然后计算存活率。

结果发现，在连续短日照处理后，蓝细菌的存活率达到75%，比长日照或者分日照处理的对照组存活率高出三倍。

科学家猜想，在蓝细菌的基因组中肯定有能够检测到日照时长的基因，这些与时间和节律有关的分子被称为分子钟。

蓝细菌作为一种能够进行光合作用的细菌，整天与光打交道，所以能够拥有一种检测日照时长的基因也合乎情理。

正所谓“一叶落而知秋”，当检测到日照时长变短之后，蓝细菌就会感受到冬天要到来的信息。于是，它开始准备应对过冬要准备的物资，等待冬天的到来。

而那些没有接收到日照变短信号的蓝细菌，冷不防地被迫参加“冰桶挑战”，就直接被冻死了。

而且实验也发现，如果只经历一天的短日照，那么蓝细菌的存活率也不会显著提高。只有经过六天到八天左右的短日照，其存活机会才会显著提高。

这说明分子钟还非常智能，因为如果只有一天的短日照，那说不定是由于阴天导致的，所以不应当触发过冬信号。只有连续几天的短日照，才是真正的凛冬将至。

这完全出乎人们的意料，因为蓝细菌的寿命只有6到24小时。

这就好比一个人通过天体运行规律预测出，200年后将会发生全球冰河时代，于是开始为后代储存过冬物资，过了200年之后冰河时代果然来临，于是他的后代活了下来。

咱们且不说他储存了什么物资，他是如何做到自己早就去世的前提下还能够继续储存200年的物资的？

这也是科学家接下来想要弄清楚的问题，他们正在探索蓝细菌是如何检测光信号，并将这一信号传递给自己的后代的。

这也从另一个侧面印证了那句古话：“父母之爱子，则为之计深远”。

图5 蓝细菌是生命的先锋，没有它们就没有整个海洋生物群 （图片来源：Wikipedia）

恒星“吐泡泡”带来生命元素

天文学家利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）拍摄了剑鱼座R的详细图像，发现这颗星星正在“冒泡”，表面产生的气泡有75个太阳那么大。这为恒星对流过程提供了新的见解。

欧洲南方天文台（ESO）的研究者表示，他们没有想到这次的数据质量会如此之高，以至于可以直接看到恒星表面对流的如此多细节。

恒星通过核聚变在核心中产生能量。这种能量可以以巨大的热气泡的形式被带到恒星表面，然后冷却并下沉，就像在呼吸一样。

这种混合运动被称为对流，它将核心中形成的重元素（如碳和氮）分散到整个恒星中。

在表面的重元素被恒星风吹进太空后，行星们才得以形成，而且这些元素也都是生命得以存在的重要原因。毫不夸张地说，恒星的这种对流是生命火种的散播者。

在下面的视频中，我们可以看到剑鱼座R的延时摄影，从中可以明显地看到其表面的气泡。这也是目前为止，除太阳外，唯一一颗显示出详细对流运动的恒星。

视频1 延时摄影显示出的剑鱼座R表面气泡的周期变化 （视频来源：ESO）

剑鱼座R是一颗红巨星，直径约为太阳的350倍，离地球约180光年，又大又近，是天文观测的理想目标。此外，它的质量与太阳相似，50亿年后太阳变成红巨星时，很可能也会长成它现在的样子。

图像表明，剑鱼座R表面的气泡以一个月为周期进行移动，这比科学家所预测的要快。

科学家的预测是基于太阳上的对流来进行的，而剑鱼座R与太阳的差异可能说明，在恒星老化过程中，它的对流运动也会发生一些不为人知的变化。

等到太阳变成红巨星时，它将会发生灾难性的膨胀，地球就会被太阳吞没，这一切将发生在50亿年之后。

虽然到那个时候，我们早已不存在了，但是连蓝细菌都知道为后代过冬着想，我们人类更应该为将来早做打算。（达成成就：callback）

剑鱼座R的对流运动让我们更好地了解了红巨星这种老年恒星的结构和性质，这些知识现在可能没用，但说不定在我们逃离太阳系时，就能用得上了。

让我们跟随ESO的镜头，一起在宇宙中寻找一下这颗恒星老师吧！

视频2剑鱼座R在宇宙中的位置 （图片来源：ESO）