火星可能有大量的地下水；凭空“创造”基因的细菌 | 一周趣科学vol.31原创 牧心 科学大院 2024-08-17 12:01:46收录于话题#一周趣科学正文共3199字，预计阅读时间约为12分钟也可点击右上角小圆点“听全文”，用耳朵聆听知识~ 本期导读 1. 火星地壳可能蕴含大量地下水；2. 细菌里能够创造基因的合成酶；3. 月壤研究发现微量石墨烯薄片；4. 帮人类探索海底的海狮突击队； 01火星有地下水，但过于“地下”了 虽然现在的火星是一片沙漠，但是人们在火星表面发现了干涸的河道、三角洲和湖泊沉积物，这说明，火星表面曾经是有流动的液态水的。
但那个“湿润时期”在 30 多亿年前就结束了。现在的火星，只有在极地冰盖中还残留着少量的水冰。行星科学家已经向火星发射了许多探测器和着陆器，想要搞清楚这些水去哪儿了，以及更重要的，这些水有没有孕育过生命。本周，来自美国宇航局（NASA）的“洞察”号火星无人着陆探测器的数据给我们带来了一条重磅消息：火星上的水并不是蒸发掉了，而是渗入了火星的地下。
“洞察”号是NASA在2018年发射的，于当年在火星着陆，任务是调查火星的地壳、地幔、地核和大气层。洞察号探测器曾收集了许多关于火星的地震数据，让科学家能够确定火星地壳的厚度、地核的深度、地核的成分，甚至还知道了地幔内部的温度。通过对地震波的模型拟合分析，科学家可以获知关于地下结构的相关信息，就像在地球上寻找油田或者地下河一样。
美国加州大学的多位研究者根据“洞察”号传回的数据共同推算出，在火星的地下有一个富含液态水的储水层。相关研究发表于近日的《美国国家科学院院刊》上。该团队认为，如果火星的地壳是均匀的，那么这个区域的水量能铺满整个火星表面，而且深度能达到1-2公里。也就是说，火星上的水很可能并不是蒸发了，而是全部漏到了地壳下层。虽然火星上目前还藏着这么多的水，但是这些水距离地表有11.5-20公里的深度。
因此，这些储藏水可能无法为火星移民提供水资源。毕竟即便是在地球上，要钻出哪怕1公里深的洞都不是一件容易的事。但科学家仍然希望能够获取关于这些地下水的更多信息，因为这里相对于火星表面来说可能会更适合生命存活。在这里，他们也许能找到生存了几十亿年的火星生命。图1 在火星地下11.5-20公里处存有大量液态水 （图片来源：加州大学伯克利分校） 课代表总结：没想到，火星居然是个“水”货。
参考文献：Vashan Wright, Matthias Morzfeld, Michael Manga. Liquid water in the Martian mid-crust. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (35) DOI: 10.1073/pnas.240998312102细菌可以创造DNA中不存在的基因 自20世纪60年代首次破译遗传密码以来，到最近10年大量物种的基因组测序完成，我们对基因的了解已经非常全面。
每个细胞中都有一整套DNA，里面记载了许多基因，分别负责指挥合成不同的蛋白质，来实现一个个特定的生物学功能。DNA就像是一本百科全书，详细记载了各种生命活动中可能用到的工具，以及它们的用法。当细胞需要某种蛋白质时，DNA就会委派一位信使RNA，将信息带给细胞中的核糖体，让它们来生产这种蛋白质。
当然，在小部分情况下，RNA能取代DNA成为基因信息的记录者，但不论是RNA还是DNA，所有的基因都是预先就存在的，然后才有可能被表达。也就是说，细胞不能凭空表达根本不存在的基因。这是一个很符合逻辑的法则。然而生物学的法则似乎只有一条，那就是没有法则。美国哥伦比亚大学研究人员的一项新研究表明，有的细菌能够产生根本不存在于它们基因组中的基因。最初，研究者关注的是一种正在与噬菌体做斗争的细菌。
噬菌体是专门寄生在细菌里的病毒，它们总是试图劫持细菌的细胞器来复制自己。后来，团队发现这种细菌的斗争方式很奇怪：它们发现自己被病毒入侵后，会产生一个并不编码任何蛋白质的RNA分子（ncRNA），然后再产生一个DNA合成酶。研究者很困惑：合成DNA与抵抗病毒之间会有什么关系呢？就好比家里进了强盗，你却在给儿子洗澡，这不合理。
为了一探究竟，研究者仔细观察了一下这个DNA合成酶到底在用什么牌子的沐浴露……错了，是到底在合成什么DNA。他们发现，这个酶所合成的DNA是新的，并不是细菌原有的，而是以刚才的ncRNA中的一小段作为“灵感”，书写了一段从未出现在基因组中的基因，编码了一个可以立即叫停细菌生长的蛋白质（称为Neo）。停止生长之后，细菌就可以对体内的噬菌体进行“关门打狗”。这一发现带给科学界的震撼远不止此。
细菌可以凭空“写”出一个根本不存在的基因并且对它进行表达，这挑战了“基因必须先存在才能表达”的科学范式。因此研究者在接受采访时也惊叹自己可能“发现了外星生命”。该实验室目前正在将同样的方法应用于人类基因组，寻找逆转录酶产生的人类染色体外基因。图2 由逆转录DNA合成酶合成的Neo蛋白的结构与序列 （图片来源：参考文献） 课代表总结：这也是一种“无招胜有招”？
参考文献：Stephen Tang, Valentin Conte, Dennis J. Zhang, Rimant? ?edaveinyt?, George D. Lampe, Tanner Wiegand, Lauren C. Tang, Megan Wang, Matt W. G. Walker, Jerrin Thomas George, Luke E. Berchowitz, Marko Jovanovic, Samuel H. Sternberg. De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase. Science, 2024; DOI: 10.1126/science.adq0876 03我国科学家在月壤中发现石墨烯 2020年12月，嫦娥五号就从月球带回了部分月壤。
近日，《国家科学评论》杂志刊登了中国科学院金属研究所和吉林大学的研究团队共同发表的文章，报告了他们在月壤中发现了微量的石墨烯。这种石墨烯只有薄薄的几层，来自一块橄榄形的月壤样本，该样本长约 2.9 毫米，宽约 1.6 毫米。石墨烯是由碳原子互相连接而形成的平面网状结构的材料，比纸还轻的同时，却具有比钢还高的硬度，此外还有很多特殊的光学和电学性质。因此，石墨烯是目前材料科学领域的明星。
但由于目前石墨烯的生产流程比较繁琐昂贵，所以应用仍旧比较受限。科学界普遍认为，星际碳中约有1.9%以石墨烯的形式存在，其形状和结构由其形成过程决定。研究人员利用一种特殊的光谱仪，在样本富含碳的部分发现了一种与石墨烯形成密切相关的铁化合物。随后，他们利用先进的显微镜和测绘技术，确认样本中的碳其实是由两到七层石墨烯“薄片”组成。研究团队认为，这种石墨烯的形成可能跟它旁边的铁化合物有关。
形成石墨烯所需的碳原子可能在月球形成初期的火山活动中形成，但它们不会自发结合成片层结构。而来自太阳的太阳风可以搅动月球土壤和含铁矿物质，成为碳原子互相结合的催化剂，从而改变碳原子的成键规律。另一方面，陨石撞击过程中高温高压环境也可能导致石墨烯的形成。研究表明，矿物催化可以形成天然石墨烯，这为开发低成本、可扩展的高质量石墨烯合成技术提供了新的可能。远在月球的科学探索，也可能会改变我们在地球上的生活。
科学研究并不总直接指向实际问题，但我们对自然了解越多，也就越可能解决那些原本看起来不可能解决的问题。图3 月壤中发现的石墨烯（h图）（图片来源：参考文献） 课代表总结：有没有哪位同学解惑一下，石墨烯和石墨有什么区别？
（举手）参考文献：Wei Zhang, Qing Liang, Xiujuan Li, Lai-Peng Ma, Xinyang Li, Zhenzhen Zhao, Rui Zhang, Hongtao Cao, Zizhun Wang, Wenwen Li, Yanni Wang, Meiqi Liu, Nailin Yue, Hongyan Liu, Zhenyu Hu, Li Liu, Qiang Zhou, Fangfei Li, Weitao Zheng, Wencai Ren and Meng Zou. Discovery of natural few-layer graphene on the Moon. National Science Review(2024).DOI: 10.1093/nsr/nwae211 04给海狮配备摄像头探索海底世界 最近，科学家有了一位新盟友来帮助他们探索海底——海狮。
澳大利亚的一个研究小组招募了八只濒临灭绝的澳大利亚海狮，给它们佩戴上了摄像机，将研究者的视角带到了这片鲜有人探索的区域。这些视频帮助该团队发现了新的海狮栖息地。这项研究成果于8月7日发表在《海洋科学前沿》杂志上。当前，我们对海底的了解相当零散。虽然使用水下机器人可以拍摄到海底的情况，但是成本高昂，而且这些机器人潜水时还需要满足特定的天气条件。
来自澳大利亚阿德莱德大学的研究小组将相机和跟踪仪器粘在小块氯丁橡胶上，然后将其固定在海狮的皮毛上。就这样，研究小组为八只成年雌性海狮配备上了小型轻便的相机。总的来说，拍摄和跟踪设备的重量不到海狮体重的 1%。这避免了额外的阻力，使它们可以不受限制地移动。这样，团队获得了海狮三天内的海底打卡全视频。之所以选择雌性海狮，是因为它们过几天还会回到陆地上哺育幼崽，届时就有机会能回收设备。
摄像头上还搭载了GPS 记录器，这意味着可以实时跟踪它们的位置。研究者起初只是想探索海狮的栖息地，所以给海狮装上了摄像头。结果却意外地发现，这些海狮的活动区域非常广泛，所以它们拍到的数据还可以用来绘制海床地图。研究团队总共收集了89 小时的视频，使用机器学习模型预测了南澳大利亚大陆架的海狮栖息地面积。
通过视频和GPS定位互相验证，团队发现这群海狮的活动范围达5000平方公里，这足够从视频中生成这片海域的海底地图了。这些镜头还填补了一些关于海底知识的空白，同时视频中还有其他濒危海洋物种出镜，这为研究者们提供了有关其他濒危海洋物种的关键信息，这也为研究其它物种提供了一种可能的方法。过去40年里，海洋生物数量减少了60%以上。
研究团队表示，从捕食者的角度而不是人类的角度来评估海洋环境，可以提高我们对底栖环境的了解，并绘制出更完整的海底地图。图4 研究人员在海狮身上部署摄像设备图5 海狮摄像头所拍摄到的视频图像（图片来源：参考文献） 课代表总结：海狮旅拍，想去哪拍，就去哪拍！
参考文献：Nathan Angelakis et al., Using sea lion-borne video to map diverse benthic habitats in southern Australia. Frontiers in Marine Science, August 2024. DOI 10.3389/fmars.2024.1425554作者：牧心 版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
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