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Discovering Japan's floral treasures, the Spiranthes hachijoensis orchid emerges as the latest species to be classified by Dr. Suetsugu Kenji, Botanist, Scientist, Japan

揭示日本植物的神秘面纱：须藤健治博士（Dr. Kenji Suetsugu）的新植物发现

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Self portrait, Image credit: Dr. Suetsugu Kenji 揭示日本植物的神秘面纱：须藤健治博士（Dr. Kenji Suetsugu）的新植物发现 在植物新品種日益稀少的當下，日本最近發現了一種新的仙燈草屬植物，標誌着植物科學領域的一次重要進步。這種仙燈草因其精緻且半透明的外觀，以及依賴真菌而非光合作用來獲取營養的習性，在植物學中獨樹一幟。此新發現的植物，被命名爲吉野屋若律希夢（Relictithismia kimotsukiensis），不僅代表了一個新的物種，還代表了一個全新的屬，這在日本近百年來是首次。 這一發現發生在日本的植物研究熱區，該區域以其詳細且廣泛的植物研究而知名，凸顯了即便是在被研究得最透徹的環境中，依然潛藏着未解之謎。神戶大學的須藤健治教授（Dr. Kenji Suetsugu），在非光合植物研究方面是一位領先的研究者，並領導了這項研究工作。他与业余和专业的植物学家合作，突显了持续不懈的探索和跨学科研究在揭示自然界秘密中的关键作用。 Relictithismia kimotsukiensis, a primitive member of its lineage, offers a living snapshot of its family’s early evolutionary history. Named to reflect its ancient roots. Image credit: Dr. Suetsugu Kenji 深入理解生物进化与生态学 吉野屋若律希梦（Relictithismia kimotsukiensis）的发现远不止为植物学词汇增加了一个新物种，它对我们理解植物的进化和生存方式产生了深远的影响。这类植物为我们提供了森林生态的多样性及其复杂关系，而这些生态通常隐藏在落叶与幽暗的下层林区，揭露了一个鲜少被人探索的领域。 须藤健治博士对非光合植物的热情来源于他对植物生物学和生态学的广泛兴趣。他指出：“这些植物不同寻常的生存方式——不依赖光合作用，而是通过与真菌形成共生关系获取养分，开辟了一个新挑战及扩展我们对植物进化认识的丰富研究领域。” The Thismiaceae family, nourished by subterranean fungi, […]

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Bonnet macaques (Macaca radiata) by Aman Raghuwanshi, Dr. Bo Xia, Scientist, Genetic scientist, Molecular biologist, China, USA

揭秘人类无尾之谜：夏波博士（Dr. Bo Xia）的人类演化突破发现

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Self portrait, Image credit: Dr. Bo Xia 揭秘人类无尾之谜：夏波博士（Dr. Bo Xia）的人类演化突破发现 翻译:夏波博士 在《自然》杂志最新发表的一篇吸引人的学术论文中，由夏波博士领导的纽约大学格罗斯曼医学院团队在研究中取得突破，揭示了人类和猿类不同于其他许多灵长类动物无尾的演化秘密。当前在哈佛大学担任哈佛学会青年学者并在博德研究所担任实验室负责人的夏博士，确认了一个特殊的遗传突变——在TBXT基因中的DNA插入，这一标记在人类和猿类中存在，而在猴类中则没有，它与尾巴的缺失有关。 这项开拓性的研究通过在不同物种之间精确的基因序列比较以及对小鼠的实验，揭示了这一特殊遗传插入如何影响尾巴的发育以及其在演化中的消失。夏博士的研究挑战了对所谓“无用”DNA的既定看法，发现了AluY DNA片段对TBXT基因功能以及其剪接过程的决定性影响，并进一步影响了演化进程中尾巴的发育。 在与夏波博士的对话中，我们深入了解了这一发现对我们理解人类演化的深刻意义。这项研究不仅为我们无尾形状的遗传基础提供了新的视角，也为灵长类的演化史、遗传调控以及我们与其他灵长类动物的细微遗传区别提供了新的见解。跟随我们探索夏博士在演化生物学和遗传学上的重大进展，这些进展突显了在灵长类演化过程中起作用的复杂遗传变异。 Bonnet macaques (Macaca radiata), Image credit: Aman Raghuwanshi 你能分享一下你的教育经历及其如何引领你走向当前研究领域吗？答：非常乐意。我出生并成长于中国四川，我的学术之路起始于位于北京的中国农业大学，在那里我完成了我的本科论文，那时我对遗传学和化学生物学的热情便开始萌芽。随后，我在北京大学投入了两年时间进行深入研究。为了扩展视野，我随后赴美国纽约大学继续我的研究生教育。这一段学习经历对我影响深远，它带领我至哈佛大学成为哈佛学会的青年学者，并在博德研究所建立自己的独立实验室并担任实验室负责人。这些经历极大地促进了我在基因调控和演化遗传学领域的研究探索。 是什么个人体验或学术兴趣驱使你深入研究人类及猿类缺乏尾巴的遗传原因？答：这背后是个人经历与学术追求有机结合的故事。从小，我就对自然界的诸多奇观感到好奇，尤其是人类为何与其他动物不同，比如没有尾巴。这一疑问伴随我成长，直到在纽约大学深造期间，我积累了大量实验与计算遗传学的知识与技能。我的研究兴趣之所以突然聚焦于此，源于一个个人经历——一场小车祸让我尾骨受伤。长期的恢复期让我不得不每日都思考尾骨的作用，想起这个小时候好奇的问题，进而激发了我对此科学探索的兴趣。正是在我的博士研究期间个人经历和科研能力的有机结合，我开始探讨我们的祖先如何在演化中失去了尾巴。 你的工作深入解析了基因组之谜。能否分享你是如何探索基因调控及其更广泛的意义？答：非常乐意分享。我的研究核心聚焦于基因组——生命的复杂设计图，它调控了生物的发育与功能。我主要研究基因调控，这是一个涉及基因何时表达及表达多少量的复杂过程。这一研究领域非常广泛，包括从基础生物学机制到可能的治疗应用等各个层面。 我的工作吸引人之处在于揭开基因表达模式的神秘面纱，尤其是在特定条件下基因如何被激活或被抑制。比如，并非所有基因在所有细胞类型中都活跃，有些仅在特定环境下表达。这种选择性表达对于生物的发展和健康至关重要，而这一过程的任何干扰都可能导致疾病。 这种对基因表达和调控的深刻理解构成了我们研究的基石。它不仅加深了我们对于发育性状和疾病遗传基础的了解，而且开辟了针对基因调控开发治疗手段的新途径。通过在这一领域的深入研究，我们希望揭示生命和健康的遗传调控细节。 你能谈谈AluY插入如何影响尾部发展以及它与TBXT基因的关系吗？答：TBXT基因，亦称作Brachyury（源自希腊语，意为“短尾”），因其突变型与尾巴特征相关而得名。这一基因在发育生物学领域的故事历史悠久且引人入胜。1927年，出生于基辅的女性科学家Nadine Dobrovolskaya-Zavadskaya首次发现了这一基因的突变小鼠——这一发现时间比我们对基因的本质认识还要早。直到1990年，德国科学家Bernhard Herrmann才正式从Brachyury突变小鼠中鉴定出该基因。TBXT基因在形成中胚层以及随后包括尾巴在内的重要结构发育中扮演关键角色。特别地，TBXT在促进生物体胚胎后侧的延伸过程中起着至关重要的作用，这对脊椎动物尾部的生长至关重要。TBXT基因在尾巴发展中的重要性也体现在遗传学研究成果里。这些研究发现了导致包括某些特定无尾品种的狗和猫在内的各种物种尾巴缺失或缩短的突变。 我们的发现–AluY序列插入到TBXT基因–直接体现了遗传突变如何显著改变基因的表达模式，并对生物体的发育产生显著影响。这个突变涉及约300个碱基对DNA插入TBXT基因的非编码区，从而显著改变基因的表达方式。虽然传统上研究人员可能会常常忽略非编码区域–比如内含子—里面DNA插入对基因功能的影响。但我们发现这个AluY序列与另一段相似序列呈现出“头对头”的位置相关性，这意味着它们可能会相互作用，从而影响基因的剪接过程。 为了简化对剪接过程复杂机制的理解，我经常借用电影剪辑的类比。正如导演根据剧本挑选来编排不同拍摄场景片段并剔除冗余镜头从而来构建故事线一样，基因转录为前体mRNA，经历剪接过程，去除非编码序列，最终形成指导蛋白质合成的成熟mRNA。我们所研究的AluY序列插入突变，能够改变TBXT基因的剪接过程从而产生不同版本的蛋白质，进而影响生物体的发展。 简而言之，AluY插入能够修改TBXT基因的表达方式，使其能够产生两种蛋白质亚型，而其默认或祖先状态下的基因只能产生一种蛋白质类型。由于这种插入，TBXT基因的表达变化为人类和猿类动物尾巴丧失的演化过程提供了解释。这揭示了影响基因调控的突变在发育和演化上的重大意义。 能分享一下在小鼠上应用AluY元素进行尾部发展实验的方法与成果吗？答：我们应用了CRISPR基因编辑技术构建了若干小鼠实验模型，这包括将人类的AluY元素导入到小鼠的基因里，以研究它对尾部发展的具体影响。最初，由于较短蛋白亚型的表达量未达到预期，AluY的添加并未如我们所预期地影响尾部长度。在调整方法后，以更贴近人类基因表达的方式，我们观察到部分小鼠明显尾部缩短，甚至有的小鼠一出生就无尾。这些发现验证了AluY插入对尾巴发育的关键作用，并暗示了随着时间推移基因功能变化的演化含义，同时可能指向了与先天性脊柱缺陷之间的潜在联系。 人类尾巴演化性丧失与脊柱问题及先天性缺陷之间存在何种联系？答：我们从猴祖先到现代人类及猿的尾巴消失，标志着演化中一个显著的转折点，这在演化生物学上被视为一种特征丧失。这种变化可能涉及到一种演化上的权衡，其中失去了尾巴这一身体特征，可能导致现代人类在某些脊柱问题上更加敏感。 在对小鼠模型的研究中，我们发现负责尾巴丧失的遗传变化可能与神经管闭合缺陷的风险增加相关。具体而言，携带该突变的小鼠有更大的比例出现这些缺陷，这暗示了演化过程中TBXT基因的突变可能也对人类发生这类状况的风险有所贡献，该状况的发生率约为每1000至2000次出生中的1次。 值得强调的是，神经管发育缺陷的风险受到遗传学、环境和营养因素共同影响的作用。例如，对孕妇进行叶酸补充已被证明能显著降低这种风险。这凸显了我们的演化历史中遗传变化与当前健康状况之间错综复杂的联系，强调了基因与环境之间在塑造健康方面的复杂互动。 尾巴丧失的遗传机制如何深化我们对灵长类演化特别是与旧世界猴分化的理解？答：关于尾巴丧失遗传原理的研究揭示了猿类与旧世界猴约2500万年前分化这一显著的演化事件。虽然最早出现的猿类约在2000万年前就已无尾，我们的研究发现了一个与此演化时间点相符的遗传变异。虽然缺乏确切的化石证据来精确鉴定这些遗传改变的具体发生时间，但我们的发现认为这种变异是猿类与旧世界猴在演化上走向不同路径的显著标记。 这次导致尾巴消失的遗传变异象征着早期类人猿可能经历的更广泛适应性变化，这可能影响了它们的移动方式。考虑到在树栖猴中尾巴的作用，它们的缺失可能预示了猿类向陆地生活方式的演化转变，可能为后来的直立行走奠定了基础。因而我们发现的这类遗传变异可能对灵长类的演化产生了广泛影响，不仅是尾部的发育，也包括其它解剖学和运动适应性的变化。 要全面理解尾巴丧失在灵长类演化中的作用，对遗传学和化石记录的持续研究是必不可少的。我们旨在探讨遗传变异、解剖学改变及其环境适应性之间的复杂相互作用，这些是指导灵长类演化历程的关键因素。 你的研究如何阐明了所称的“遗传暗物质”及其在基因表达中的角色？答：“遗传暗物质”指的是我们基因组中那些不编码蛋白质且广泛的非编码DNA区域。随着科学深入的理解，这部分原本被认为是“无用的DNA”，现在被视为含有对控制基因表达至关重要的调控元件。这些调控元件关系到基因何时以及如何被激活或抑制，以及它们如何参与产生不同的基因变体。 在我们的研究中，我们对这些非编码区域进行了深入的探索，特别关注了如TBXT基因中的AluY插入这类突变。我们的研究展示了非编码DNA是如何通过改变基因的读取方式来影响关键的发育过程，进一步强调非编码DNA在细胞功能和整体发展中复杂的调控机制中发挥的关键作用。 自从人类基因组计划以来，包括我在内的众多科学家已致力于解读人类基因组这本“庞大的书籍”。我们的目标是解明遗传暗物质中的调控元件是如何影响人类的发育和疾病的。这一雄心勃勃的项目需要全球数以千计科研人员的合作，从而完全理解我们基因组中非编码区域的功能。 夏波博士的实验室

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Prototype of an artificial neuron: Nanofluidic slits function similarly to ion channels, facilitating communication between neurons. The transport of ions, achieved through ion clusters, enables this interaction by © Paul Robin, ENS Physics Laboratory (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne University/University of Paris).

罗宾博士（Dr. Paul Robin）的离子计算革命：人工神经元塑造未来电子记忆新纪元

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Self portrait, Image credit: Dr. Paul Robin 罗宾博士（Dr. Paul Robin）的离子计算革命：人工神经元塑造未来电子记忆新纪元 我们最近有幸采访了保罗·罗宾博士（Dr. Paul Robin），他曾在ENS接受Lydéric Bocquet的指导，目前就职于奥地利科学技术研究所。作为人工神经元领域的领军人物，罗宾博士及其团队的研究成果已于2021年8月6日在《科学》杂志上发表。他们的工作聚焦于脑启发式电子学，并且是与法国国家科学研究中心（CNRS）和巴黎高等师范学院 – PSL的科学家们的合作项目。该研究强调利用离子开发人工神经元，探索了使用单层水的石墨烯纳米缝隙进行类似神经元的信号传输。此项研究突显了纳米流体学在开发能效电子学中的重要性，旨在复制人脑以极低能耗运作的能力及其在电子记忆和人工智能中的潜在应用。在与罗宾博士的对话中，我们深入地了解了他的开创性工作，进一步阐明了他在人工神经元和脑启发式电子学研究方面的重要影响。 Prototype of an artificial neuron: Nanofluidic slits function similarly to ion channels, facilitating communication between neurons. The transport of ions, achieved through ion clusters, enables this interaction. Image credit: © Paul Robin, ENS Physics Laboratory (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne University/University of Paris).

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A chemical structures of compounds A-D used to-weave the crystalline patches by Dr. Panče Naumov, Material Scientist, NYU Abu Dhabi, USA

Panče Naumov教授和张红雨教授研究团队联合开发出首款柔性有机晶体的编织材料

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Dr. Panče Naumov, Image credit: NYU Abu Dhabi Panče Naumov教授和张红雨教授研究团队联合开发出首款柔性有机晶体的编织材料 美国纽约大学阿布扎比分校智能工程材料中心及智能材料实验室的Panče Naumov教授和中国吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的张红雨教授及其研究团队在智慧材料领域又取得了令人瞩目的突破，他们开发出了首款完全由柔性有机晶体制成的编织材料。这项创新性的工作最近发表在《自然通讯》上，它将传统的一维晶体转化为坚固而灵活的二维结构。这种材料的强度比原始晶体高出15倍，而且在极低温度下也能保持其灵活性，在柔性电子和太空探索领域应用具有巨大的潜力。 A chemical structures of compounds A-D used to-weave the crystalline patches, Image credit: Dr. Panče Naumov 这项研究代表了对有机晶体的理解发生了重大转变，因为传统上人们认为有机晶体是硬而脆的材料。该团队采用了一种创新的方法，将晶体编织成各种纹理，如平纹、斜纹和缎纹，从而产生了一种轻便但机械强大、在广泛温度范围内都表现出热稳定性的织物。这些性能超越了许多传统聚合物和弹性体材料。此外，这种材料的光学透明度为光学计算开辟了新的可能性，研究人员成功地使用这些编织晶体进行简单的逻辑功能实现。 该团队创造性地将历史悠久的编织技术应用在了晶体上。将细长的晶体结构编织成二维织物显著增强了其机械稳定性和坚固性。虽然在可扩展性方面仍然存在挑战，尤其是在选择均匀尺寸的晶体进行编织方面，但未来的自动化可能会简化这一过程，增强这项技术的实际应用。不同编织模式（如平纹、斜纹和缎纹）的机械强度差异也揭示了基于编织方法的多样化应用潜力。这些编织有机晶体在柔性电子和太空探索等领域具有巨大的应用前景。它们对低温和机械冲击的抵抗力，以及编织结构内的协同作用增强，使其具有独到的应用有价值。这项工作是与中国吉林大学长期合作的一部分，在该合作中采用常见的化学方法，已经开发了多种荧光特性的多样化材料库，增强了它们在各种应用中的实用性。编织有机晶体技术的发展标志着材料科学领域的一个重要里程碑。它挑战了人们对晶体作为刚性和不灵活物质的传统看法，揭示了它们作为适应性强、柔韧材料的潜力。这一突破不仅拓宽了它们在柔性电子产品以及其他需要柔韧材料的应用领域的前景，而且预示着材料科学的一个新时代。在这个新时代，柔性与结构的完美融合为技术进步开辟了新的前沿，巩固了这些创新材料在未来科学和技术创新中的重要角色。 Naumov教授的研究重点是智能材料，他的实验室在众多著名出版物中发表了很多智能材料研究工作，包括智能晶体和与石油化学相关的材料。这些智能材料对外部刺激（如光、热和机械力）做出响应，具有独特的特性，如耐用性、自我修复和适应性。他对这些材料的研究兴趣源于它们能够转换能量。这些晶体的动态响应能力也得到了广泛的研究，它们对外部刺激的适应性是一个显著特点，突显了材料属性与基本物理原理之间的相互关系。这个研究不仅推动了我们对智能材料的理解，还强调了基本物理原理在现代科学研究中的重要性。 向Panče Naumov教授和张红雨教授团队表示感谢，他们的工作为这一领域的进展作出了重要贡献。

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Scientists have discovered the history of Ekgmowechashala, a 30-million-year-old primate from North America. Comparing it with similar species in China, they suggest it was a migratory species, shedding light on primate evolution and environmental impacts. The illustration depicts Ekgmowechashala, the last pre-human primate in North America, by Kristen Tietjen of the KU Biodiversity Institute and Natural History Museum.

艾克莫韦查夏拉（Ekgmowechashala）的迁徙：人类之前居住在北美的最后一种灵长类动物

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Scientists have discovered the history of Ekgmowechashala, a 30-million-year-old primate from North America. Comparing it with similar species in China, they suggest it was a migratory species, shedding light on primate evolution and environmental impacts. The illustration depicts Ekgmowechashala, the last pre-human primate in North America, Image credit: Kristen Tietjen of the KU Biodiversity Institute

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Dr. Melvin M. Vopson, Physicist, Information Scientist, UK

揭示并探索现实的边缘：梅尔文·沃普森博士（Dr. Melvin M. Vopson）对物理学、信息理论和宇宙本质的研究及物理与数据的互联

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Self portrait, Courtesy: Dr. Melvin M. Vopson 揭示并探索现实的边缘：梅尔文·沃普森博士（Dr. Melvin M. Vopson）对物理学、信息理论和宇宙本质的研究及物理与数据的互联 作者: Peter D Gowdy, Ph.D., 翻译: 艾德琳 梅尔文·沃普森博士（Dr. Melvin M. Vopson）在科学领域的探索之旅既充满复杂性也极富魅力，这一切始于他在中央兰开夏大学攻读博士学位时，对磁性数字数据存储领域的好奇和探索。此初步尝试为他理解数字数据技术及其背后的深层物理过程奠定了基础。在2002年完成博士学位后，他在约克大学进行了博士后研究，在那里他更深入地研究了磁性数据存储，将焦点从存储介质转移到读/写换能器的复杂机制。这种兴趣和专业知识的发展，为他在磁性数字数据存储领域的领军企业——希捷科技公司（Seagate Technology）中担任关键角色奠定了基础。2006年，他加入了英国国家物理实验室，为他的职业生涯迎来了重大转变。在那里，他开始探索多铁性材料，这是一种在数据存储中具有潜在应用的新型材料。他的工作产生了具有影响力的文章，展示了多铁性材料在革新信息存储方面的巨大潜力。 自2012年起，他的学术生涯在朴茨茅斯大学进一步蓬勃发展，标志著更理论化方法的转变。在此期间，他发现了“多热量效应”，并开发了铁电体和反铁电体的极化反转模型。值得注意的是，他对反铁电学的研究成为他目前在资讯物理学领域追求的跳板。 在研究多状态数字数据存储技术时，他遇到了一个挑战，即如何为具有超过两种物理状态的单元分配记忆状态，这与传统的二进位储存单元有所不同。这一难题让他接触到了香农资讯理论和兰道尔原理，从而在资讯物理学方面做出了新的贡献。 Courtesy: Dr. Melvin M. Vopson 信息熵与模拟宇宙理论背后的灵感 沃普森博士对信息熵以及它与模拟宇宙理论之间关联的研究起始于一系列连续的思考，而促成他在2019年发表关于质量-能量-信息（M/E/I）等效原理的文章。他将爱因斯坦的质量-能量等价和兰道尔原理（将信息等同于能量）结合起来，提出了一个开创性的观点：质量、能量和信息在根本上是等价。这一原理不仅与现有的物理定律完美契合，还为诸如暗物质这样的现象提供了一种新的解释，可能将其重新概念化为信息。 M/E/I等效原理有趣地支持了模拟宇宙理论，这意味着构成我们模拟宇宙的数字比特可能表现为不可检测的质量，类似于暗物质。这一假说为宇宙的起源和本质、相互交织的物理学、信息论和形而上学推测提供了一个全新的视角。 简化信息动力学第二定律 简化信息动力学第二定律用通俗的话来说，它主张系统和过程在达到平衡时普遍趋向于最低的信息熵。这个概念与热力学第二定律形成鲜明对比，热力学第二定律断言孤立系统中的熵或无序性往往会随著时间的推移而增加。 沃普森博士的发现揭示了一个令人惊讶的转折：仅关注信息状态的系统，随着时间的推移表现出降低或恒定的熵，这与热力学熵恰恰相反。这对多个领域产生了深远的影响，挑战了遗传学、进化论和癌症研究等领域的既有理论。 模拟宇宙理论对我们理解现实的影响 尽管沃普森博士在物理学与信息理论交汇处的研究支持了模拟宇宙的哲学理论；重要的是要认识到，即使这种启示被证明是真实的，它也不会改变我们的日常生活。这一理论虽然有可能重塑科学和宗教信仰，但由于我们无法感知什么是真正的真实或模拟，所以我们的日常现实没有改变。他的发现将这一古老的哲学争论带入了科学的聚光灯下，尽管它们最初源于目标不同的研究。 克服挑战并开拓新的研究领域 将信息动力学第二定律的适用性扩展到各种不同的系统中，是一个重大的挑战。沃普森博士的初步研究虽然很有希望，但仅限于数字和遗传信息存储系统。将其扩展到其他领域对于将其确立为一个普遍法则至关重要。他预计这不仅会涉及个人的探索，还会激发科学界内的并行研究。 模拟宇宙的证据和对怀疑论的回应 信息动力学的第二定律是模拟宇宙最强有力的指标之一，它暗示了信息内容中的一种内在优化，这与计算机数据压缩技术相呼应。虽然这暗示了模拟宇宙的可能性，但确凿的证据仍然难以捉摸。沃普森博士最近的书籍《重新加载现实：科学论证模拟宇宙》更深入地探讨了支持这一假说的证据和理论，旨在促进广泛而包容的科学对话。 展望未来 未来的实验和研究，包括沃普森博士提出的M/E/I原理和物质概念DNA的测试，对于验证模拟宇宙理论和资讯动力学第二定律是首要的环节。整个科学界的合作努力和多样化的实验方法对于进一步探索这些开创性的想法至关重要。 多方面的影响 沃普森博士的研究超越了传统界限，影响了物理学、宇宙学、遗传学，甚至哲学。M/E/I 等效原理和资讯动力学第二定律的意义都是深远的，为宇宙的奥秘（包括暗物质、自然的对称性和基因突变的机制）提供了新的见解。这种跨学科的影响强调了我们的物理世界和资讯世界之间深刻的相互联系，为理解和创新带来了令人兴奋的新途径。

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Dr. Yujia Zhang's team at Oxford University developed an eel-inspired, biocompatible power source to stimulate human nerve cells, with potential use in drug delivery, wound healing, and bio-hybrid devices. (Artist’s concept.)

张瑜伽博士（Dr. Yujia Zhang） ：生物集成器件的创新

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Self portrait, Image credit: Yujia Zhang 英国牛津大学的研究团队在Hagan教授和张瑜伽博士的领导下，在生物电子接口和微型生物集成设备领域取得了显著的突破。这项开创性的工作最近发表于在受人尊敬的《自然》杂志上。 我们有幸采访到张瑜伽博士。以下是他分享的内容： 问：你能否介绍一下你的学术背景以及引导你领导这项高级研究的道路？ 答：我的学术之旅始于中国，获得了电子工程学士学位。之后在上海攻读生物工程博士学位。随后，我在纽约深入研究生物物理学，重点研究近场纳米光谱学。 2021年，我加入了英国牛津大学贝利小组。虽然我们的团队隶属于化学系，但我们进行的是真正的跨学科研究，涵盖化学、生物学、工程和材料等等。这种多方面的方法与我的专业知识深深契合，使我们的工作引人入胜。 问：你的发明“水滴电池”被誉为突破性的创新。你能否提供对这种新颖设计的见解？ 答：十年前，我们首创了一种液滴三维打印方法，并将其命名为“人工合成组织”。基于这项技术，我们研制了本工作。“水滴电池”源自纳升尺寸的导电水凝胶液滴的分层。这种水凝胶基本上是一个充满水的3D聚合物链。每个液滴的成分各不相同，在整个结构中形成盐梯度。脂质双层提供稳定性并限制液滴之间的离子运动，反映我们的细胞膜。编译数千个这样的液滴会产生一个模仿液滴特性或我们定义的合成组织的网络。在这种方法出现后的几年里，我们的发现被展示在《科学》和后来的《自然》等著名期刊上。我们的目标是将这种合成组织与真实组织融合，弥合人造结构和真正的人体器官之间的差距。我们推测，我们的合成组织可能作为进一步探索的电源或“电池”。我们最近的出版物将这一理论变成了现实。一旦封装，水滴电池就可以用于可穿戴设备，甚至可以作为植入物，与人体内部系统（无论是器官、组织还是神经元）顺利集成。根据其应用，它可以是可植入的或可穿戴的，展示了其真正的多功能性。 问：你能深入探讨一下这个设计的灵感来源吗？是什么促使你选择这个独特的研究方向？ 答：確實如此。我們的環境充滿奇蹟，大自然常常成為科學進步的豐富靈感源泉。我們是仿生學的支持者，在我們的技術追求中反映自然的設計和過程。電鰻等能夠發電的動物激起了我們的好奇心。它們有專門的細胞，即電細胞，可以產生令人印象深刻的離子輸出，有些甚至總共超過600伏。這一自然奇觀引起了我們的興趣。它提出了一個問題：我們可以在受控的合成環境中復制這一點嗎？我們隨後的努力催生了液滴網絡，旨在模仿動物界中產生這些離子電流的細胞結構。我們結合了反映天然細胞屏障的脂質雙層，以形成液滴鏈。高鹽和低鹽液滴之間的電荷選擇性液滴模擬了膜離子通道，這在此過程中發揮了重要作用。從本質上講，我們的設計是向大自然致敬，並展示了從自然世界中汲取靈感的潛力。 问：我知道脂质双层在该设计中发挥著不可或缺的作用。这些双层是人类生物学的共同特征吗？ 答：当然。脂质双层是生物学的基础结构。它们形成了封装人类细胞以及所有其他动物细胞内容物的基本细胞膜。这些膜充当屏障和看门人的作用，允许某些物质进入，同时将其他物质排除在外。我们的研究虽然受到这种自然现象的启发，但确实引入了一个转折。虽然我们体内的脂质双层是有机的，由天然脂质形成，但在我们的设计中，我们采用了合成脂质。尽管这些是实验室创造的，但它们从根本上反映了天然对应物的特性和功能。本质上，我们的合成脂质双层充当支架，我们可以在其中放置特殊的液滴，使我们能够形成液滴网络结构。 问：你能否全面概述该设计及其复杂性？ 答：当然。我们创新设计的核心是精心构造的液滴电源装置。该单元由五个单独的水滴组成，每个水滴在发电中都发挥著关键作用。在最外端，我们有高盐浓度的液滴，它们本质上充当了电源的“终端”。位于中心的是盐浓度明显较低的水滴，甚至类似于纯水。这些极端浓度（高浓度和低浓度）对于建立离子梯度至关重要。 高盐和低盐之间的界面液滴是特殊的：一种仅允许正离子，而另一种则允许负离子。这个精心排列的顺序从左到右如下：高盐、阳离子选择性、低盐、阴离子选择性，然后是另一个高盐液滴。由于这种设计，正离子（阳离子）从最左边的液滴迁移到中心，而阴离子从最右边的液滴迁移到中间汇合。这种精心安排的运动建立了从左到右的当前方向，构成了一个动力单元。 我们设计的美妙之处在于它的模块化。利用液滴打印技术，我们可以无缝集成数十甚至数百个这样的单元，类似于串联或并联配置电池以放大电压或电流。此类配置是完全可定制的，可根据个人要求量身定制。我们专有的3D打印机专为这项任务而设计，能够精确开发这些液滴网络。根据特定的人体条件或应用，可以制作不同的单元组合。 电源单元不仅仅是一个理论概念。它通过沉积一系列纳升大小的导电水凝胶液滴（富含水的3D聚合物网络）而变得栩栩如生。每个液滴的成分各不相同，以形成所需的盐梯度。脂质双层在这里发挥著重要作用，既可以分离液滴并提供必要的机械支撑，同时也可以抑制不受控制的离子流。该电源的激活包括将其冷却至4°C并改变其周围介质，导致脂质双层破裂，液滴合并成统一的导电水凝胶。因此，离子穿过这种水凝胶，当连接到电极时，产生的离子梯度被转化为电能。我们的研究展示了这种设计令人印象深刻的寿命和弹性：存储36小时后，液滴电源在打开后仍然产生类似的电流，50纳升装置的峰值功率输出约为65nW。 问：考虑到潜在的应用，哪些人类状况可以从这种开创性的设计中受益？ 答：正如《自然》杂志上发表的一篇论文所概述的那样，我们的研究深入研究了调节特定的神经元结构。通过将我们的液滴电源与神经微组织（类器官）（本质上是模拟早期人类大脑发育阶段的数百个神经元的聚集体）相结合，我们发现了离子电流对神经元活动的影响。这种相互作用会诱发钙波，从而提供刺激神经元生长的潜力。但这只是冰山一角。我们正在进行的研究设想了更广泛的应用范围，包括与心脏相关的刺激。在现实世界中，我们的微型软液滴单元可以成为大型刚性电气设备的替代方法，利用电力来刺激细胞、组织和重要器官。 问：鉴于能量源自离子液滴内的盐梯度，是否可以采用不同的元素源？ 答：这是我们设计固有的关键优势和灵活性之一。目前，虽然我们利用离子梯度作为主要能源，但该平台可以根据能量产生机制轻松适应替代能量产生材料和配置。此外，值得注意的是，用于构建这些液滴的水凝胶成分具有生物相容性，确保了生物应用的安全性。 问：在开发这个创新设备的过程中，你们遇到了哪些障碍？ 答：我们设备的开发历程充满了独特的挑战。最明显的障碍之一是其在生物体或体内的潜在应用。虽然我们最初的成功是通过孤立或体外实验，但过渡到体内应用却带来了重大问题。生物体内的生物环境是复杂的。例如，当进入这种环境时，我们设备内的盐很容易分散到周围的组织和液体中。这种耗散造成了一个问题，因为我们的设备的功能很大程度上依赖于维持特定的盐梯度。 为了解决这个问题，我们使用有机凝胶封装了该系统。这种方法为遏制和保护设备的内部环境提供了初步的解决方案。然而，持久的挑战仍然存在：开发满足特定体内生理条件的强大封装机制。这一挑战是我们正在进行的研究的前沿。 问：从孤立的液滴过渡到连续的水凝胶如何增强设备的功能？你能否解释一下4°C冷却步骤的作用？ 答：这一转变对于我们设备的运营至关重要。最初，液滴之间的脂质双层充当屏障，防止离子在液滴之间迁移。这些双层本质上使设备处于“关闭”状态。温度降低和液滴凝胶化破坏了这些屏障，促进液滴融合成连续的导电水凝胶。这种转变有效地“打开”我们的设备，允许离子穿过水凝胶，引发发电过程。 问：是否有一种机制可以远程控制此激活过程？ 答：是的，我们正在不断探索更加人性化和多功能的激活机制。在我们随后的研究中，我们一直在研究光作为替代触发因素。这个想法是利用光穿透组织内一定深度的能力。通过在液滴中嵌入或包围光敏成分，我们只需用光照射系统即可实现激活。这种方法不仅提供远程控制，而且非侵入性且简单，拓宽了潜在的应用范围。 问：你能否提供有关设备寿命的见解，特别是在实际场景中？ 答：我们的研究结果表明，一旦激活，我们的设备就会持续发电，持续时间从30分钟到两个小时不等。考虑到其可生物降解的性质，预期在生物体内的应用将是短暂的。我们将其视为一次性使用系统，在激活后，它会在其使用寿命内提供电力，并最终无害地降解。然而，在生物体之外，该设备可以充电。通过连接电极并施加反向电压，离子可以被重定向到其原始位置，从而有效地“重置”设备。 问：这项技术开辟了哪些潜在的治疗途径？ 答：我们的主要探索集中在神经元调制上。通过我们的设备，我们观察到长期培养后神经元连接性增强和成熟。这一发现为神经学科学的治疗应用带来了希望。我们正在进行的研究旨在扩大这些发现并发现更多的治疗机会，例如心血管治疗。 问：你能否深入了解该设备的模块化设计以及它如何实现定制？ 答：当然。我们设计的模块化是其主要优势之一。通过组合多个单元，可以放大整体输出。此外，每个液滴内的盐梯度可以在制造过程中进行调整，从而能够控制设备的输出。这种灵活性确保我们的设备可以根据特定要求进行定制，无论是适应不同的组织类型还是适应特定的治疗需求。鉴于其柔软和小规模的性质，我们的设备还可以调整大小，使其与各种应用兼容，从微观干预到更广泛的治疗。 问：有了如此有希望的成果，你们扩大生产的计划是什么？ 答：我们的原型是使用定制3D打印机组装的，这使我们能够连续创建多达25个单元。这种模块化方法使我们能够实现更高的电压，使该设备适合在未来的迭代中驱动电子电路。然而，主要目标仍然是从体外应用过渡到体内应用。在规模化生产之前解决封装挑战至关重要。一旦解决了这个问题，我们的平台就可以适应多种治疗和诊断目的。 问：贝利教授谈到了该设备在微型机器人和生物混合接口方面的潜力。你能扩展一下这个愿景吗？ 答：确实，我们设备的微型和柔软特性为开创性应用打开了大门。想像一下，微型机器人利用磁力等外力在血管中导航，并携带我们的设备作为能源。这些微型机器人可以定向到体内的特定位置，提供有针对性的治疗或干预措施。此外，我们的设备的离子基础使其成为生物混合接口的有吸引力的候选者，有可能在生物系统和电子设备之间建立无缝连接。 我们的多学科团队由化学家、生物学家和工程师组成，正在努力实现这些未来愿景。在这段旅程中，他们的集体专业知识是不可或缺的，我非常感谢他们的贡献以及贝利小组和牛津大学化学系的大力支持。 Figure 1. The activation process for the hydrogel droplet power unit.

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Researchers led by Dr. Ole Kiehn have identified a unique group of nerve cells in the midbrain that can pause all movement, resembling a ‘pause-and-play’ pattern, and restart precisely where it ceased. (Artist’s concept.)

哺乳动物运动中的’暂停-继续’复杂角色

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Self portrait, Courtesy: Dr. Ole Kiehn 哺乳动物运动中的’暂停-继续’复杂角色 作者: Peter D Gowdy, Ph.D., 翻译: 艾德琳 在复杂的哺乳动物运动网络功能中，“暂停-继续”的概念为运动和感觉刺激提供了一个全新的视角。与一些人的想法相反，停顿不是没有运动。它标志着运动的停滞，而控制肌肉的脊髓和神经细胞的活动仍在继续。在这种状态下，尽管身体停止了，但并没有崩溃，而是保持著一种主动的惯性。 “我们在中脑中发现了一组神经细胞，当受到刺激时，它们会停止所有运动。不仅仅是行走；所有的运动活动都会停止。这些细胞会导致小鼠停止呼吸或呼吸减慢，甚至他们的心率也会降低，”丹麦-瑞典神经科学家、这项开创性研究的合著者Ole Kiehn教授解释说。这项研究已经在2023年7月27日发表在《Nature Neuroscience》上，并受到了广泛的关注。”有多种机制可以停止运动。但是，这些特定的神经细胞格外突出。一旦被激活，它们会导致动作暂停或冻结，就像按下电影的暂停按钮一样，导致演员停在原地。”Kiehn教授解释道。 近期关于运动控制的研究，深入探讨了大脑如何协调动作。通过检查神经系统中的各种回路，包括脊髓（大脑信号的中心），研究人员重点关注了桥脚核（PPN）。之前的研究已经确定了促进运动的神经细胞。然而，这项研究发现了PPN中的一个独特的神经元集合。当这些神经元被刺激时，它们表现出了引人注目的“暂停-继续”模式，暂停所有的动作，并且是自愿。这种独特的反应与脑干中先前检测到的其他暂停动作机制（例如，非自愿的由恐惧引起的“冻结”反应）有所区别。 Ole Kiehn教授拥有辉煌的职业生涯和双重身份。他是丹麦哥本哈根大学神经科学系综合神经科学教授，并拥有瑞典卡罗林斯卡学院神经生理学教授头衔。他的开创性工作证明了这一发现的重要性。 Researchers led by Dr. Ole Kiehn have identified a unique group of nerve cells in the midbrain that can pause all movement, resembling a ‘pause-and-play’ pattern, and restart precisely where it ceased. (Artist’s concept.)

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A solar-powered reactor that turns CO2 from industrial emissions or air and plastic waste into sustainable fuels and valuable chemicals by University of Cambridge Researchers. (Artist’s concept.)

利用阳光之力：将二氧化碳和塑料废料转化为可再生燃料和有用化学品

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L-R: Erwin Reisner, Sayan Kar, Motiar Rahaman. Courtesy: Ariffin Mohamad Annuar 利用阳光之力：将二氧化碳和塑料废料转化为可再生燃料和有用化学品 在一项开创性的研究中，由英国剑桥大学哈米德化学系的Erwin Reisner博士所领导的研究团队揭示了一条新的可持续途径，用于生产可再生燃料和有价值的化学品。在《Joule Journal》上发表的研究中，研究人员展示了他们是如何利用太阳能将二氧化碳（CO2）和塑料废料转化为清洁、可再生的燃料。 A solar-powered reactor that turns CO2 from industrial emissions or air and plastic waste into sustainable fuels and valuable chemicals by University of Cambridge Researchers. (Artist’s concept.) 碳捕获和燃料生产的革命性方法 该团队的方法取决于一种专有的太阳能反应器，涉及两个关键步骤。首先，将空气通入溶液中，捕获并浓缩大气中的二氧化碳。然后，使用经过改装的太阳能吸收器，将捕获的二氧化碳转化为燃料。令人印象深刻的是，这个过程通过在系统中加入经过预处理的废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料进行优化，这些塑料本身被转化为广泛应用于化妆品行业的乙二醇酸。 与以前的太阳能二氧化碳转化燃料技术相比，这项新技术取得了显著的进步，以前的太阳能二氧化碳转化燃料技术需要昂贵的浓缩二氧化碳。相反，剑桥团队的反应器可以直接将空气中的二氧化碳与太阳能和塑料废料一起转化为燃料。 将塑料废物转化为有用化学品 除了燃料生产外，研究人员还找到了一种同时将塑料废料转化为有益化学品的方法。该过程包括将商用PET碳酸水瓶粉碎成粉末，然后将其浸泡在氢氧化物溶液中五天，最后将所得溶液放入反应器中以生产乙醇酸。 这不仅为处理PET废料提供了可行的方法，而且还有效地增加了废弃物的价值。通过将废弃塑料转化为通常来自化石燃料的“平台化学品”，该团队找到了一种将它们回收利用到经济中的方法。 选择性碳捕获 该过程的关键在于使用对二氧化碳具有选择性亲和力的碱性溶液。当含有二氧化碳的气流经过该溶液时，二氧化碳会被化学捕获，而其他气体（例如氮气和氧气）则不会发生反应而直接通过。这使得该过程即使在非常稀释的二氧化碳浓度下，例如空气中的二氧化碳浓度，也能有效运行。 Reactor, Courtesy: Dr. Erwin Reisner

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Simultaneous contrast. The bar in the middle of this figure is all one grey level, but it appears lighter on the left and darker on the right due to the gradient in the background. This is called simultaneous contrast, where dark surrounds make targets appear lighter, and vice-versa by Dr. Jolyon Troscianko, Vision Scientist, UK

揭示视觉：通过Jolyon Troscianko博士的模型，探索感知的复杂性

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Self portrait, Courtesy: Dr. Jolyon Troscianko 揭示视觉：通过Jolyon Troscianko博士的模型，探索感知的复杂性 作者: Peter D Gowdy，翻译: 艾德琳 来自英国埃克塞特大学的著名研究员Jolyon Troscianko博士，最近在视觉科学领域上取得了重大飞跃。他提出了一种新模型，可以更深入地理解视觉感知和视错觉。几世纪以来这是一个令人困惑且费解的现象。如今Troscianko博士的研究提供了更深层次的理解。 在《公共科学图书馆 – 计算生物学》（PLOS Computational Biology）上发表的一篇开创性文章中，Troscianko博士和他的团队深入探讨了色彩外观的复杂原理。这一原理强调了物体与其背景之间的对比度如何显著影响我们对物体的感知。这种现象被称为同时对比，其中较暗的环境可以使物体看起来更亮，反之亦然。（这个模型预测的效果中，同时对比只是其中之一。明度诱导和对比度诱导是其他重要的效果。） Simultaneous contrast. The bar in the middle of this figure is all one grey level, but it appears lighter on the left and darker on the right due to the gradient in the background. This

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