Where experiences, discoveries and creative journeys meet

Science and Technology

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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Chinaberry (Melia azedarach), a mahogany species by Dr. Hannah Hodgson, biologist, Researcher at John Innes Centre, U

揭开柠檬苦素的秘密——Hannah Hodgson博士及其合作者的一项突破性发现

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Self portrait, Credit: Dr. Hannah Hodgson at John Innes Centre 揭开柠檬苦素的秘密——Hannah Hodgson博士及其合作者的一项突破性发现 约翰英尼斯中心（John Innes Centre）和斯坦福大学的联合研究小组最近揭示了制造柠檬苦素所需的完整酶，该研究发表在《科学》杂志上。柠檬苦素存在于桃花心木（Mahogany）和柑橘类（Citrus）植物中。它们被广泛用作生物农药，但在本研究之前，它们的生物合成途径尚不清楚。该团队发现并鉴定了22种参与柠檬苦素生物合成的酶，它们可以催化12种不同的酶促反应，揭示了柠檬苦素的完整生物合成途径。 柠檬苦素是一种三萜类化合物（triterpenes），具有广泛的支架修饰，导致广泛的生物活性和结构多样性。有了这个完整的生物合成途径，该团队可以轻松获得柠檬苦素，为进一步研究铺平了道路。除了生物农药，该团队还希望生产出高价值的柠檬苦素，即抗癌候选药物印苦楝内酯（nimbolide）。 我们很高兴能够采访该论文的共同第一作者、约翰英尼斯中心的博士后科学家Hannah Hodgson博士。在接下来的采访中，霍奇森博士详细阐述了他们是如何取得这一重大突破，以及柠檬苦素在临床应用和生物学研究方面的深远意义。 Seeds of Mahogany trees, Credit: Credit: Dr. Hannah Hodgson at John Innes Centre 问：祝贺你最近发表在《科学》杂志上的文章，其中揭示了植物如何制造柠檬苦素的秘密，这些柠檬苦素有可能用作抗癌药物。首先，请与我们分享你的教育和培训背景。 答：我在埃克塞特大学（英国）完成了分子生物学本科学位。这是一个广泛的学位，从生物化学到海洋生物学，包括在昆士兰大学（澳大利亚）学习一年，我喜欢它，并且真正让我大开眼界，了解到植物和作物科学的研究是多么有趣和多样化。此后，2015年，我在伯明翰（英国）的NHS测序实验室短暂担任医疗保健科学助理。然后搬到诺里奇（英国）攻读博士学位，我于2020年在约翰英尼斯中心（John Innes Centre, JIC）由安妮教授（Dr. Anne’s Osbourn）主持的奥斯本小组完成了关于柠檬苦素生物合成的研究。这是一个很棒的项目，当我开始研读博士时，这条途径完全没有特征，但随著项目的进展，该项目的广度使我能够接受大量不同的技能培训。 问：请告诉我们更多关于这项发表在《科学》杂志的研究. 答：柠檬苦素是一种化学物质（或植物天然产物），仅由属于桃花心木或柑橘科的植物所制成。在《科学》杂志上发表的文章中，我们解释了如何发现和表征生产简单柠檬苦素所需的所有酶（生物机器），如氮杂二酮（来自桃花心木家族）和 基达内酯 khidalactone A（来自柑橘家族）。文章描述了22种新酶，其中12种来自柑橘属植物，10种来自桃花心木，其中一些具有新的化学作用。例如，通过进行支架重排，我们首次发现参与非常保守的甾醇初级代谢的酶已经在桃花心木和柑橘中进化，在柠檬苦素的生物合成中发挥关键作用。 桃花心木（Mahogany）系列的工作由我和JIC的同事进行，柑橘（Citrus）则由斯坦福大学的合作者进行。这项工作面临许多挑战，例如，在我们对桃花心木酶进行微调之前，我们首先必须为苦楝（Melia azedarach，该家族中的一种柠檬苦素生产树），生成基因组和表达数据。随著基因测序技术、代谢物分析和生物技术的进步，现在可以表征真正复杂的植物天然产物途径，例如我们对柠檬苦素所做的研究。但是在2016年我开始攻读博士学位时，这项工作几乎不可能达成。 问：是什么让柠檬苦素如此有趣？ 答：柠檬苦素是一组极其多样化的化学物质（迄今为止已鉴定出 2,000 多种）。它们是一种称为三萜类化合物（triterpenes）的化学物质，具有30个碳主链的多环结构。与其他三萜类化合物不同，柠檬苦素类化合物的化学支架被广泛重排。在柠檬苦素的生物合成中，会形成一个呋喃环，导致4个碳的损失，这是我们在《科学》杂志论文中首次描述的过程。柠檬苦素生物合成中，可能会出现各种其他环开口，其中之一在我们的《科学》杂志论文中得到了表征。这些环开口，加上广泛的氧化，构成了柠檬苦素的巨大多样性，使它们让化学家如此著迷。此外，许多柠檬苦素具有生物活性，但对人类无毒，因此对人类具有当前和潜在的未来用途。最著名的例子是来自桃花心木类的印楝树的柠檬苦素，即印苦楝子素。印苦楝子素是一种有效的昆虫拒食剂/毒剂，可在环境中迅速降解，被认为对蜜蜂友好。因此，印苦楝子素是一种强大的作物保护剂，基于印楝种子的溶液可用于传统和商业配方。除了作物保护用途外，柠檬苦素的许多潜在药物用途也有报导，最突出的是印苦楝内酯（nimbolide）的抗癌作用，这是另一种印楝类柠檬苦素。 问：你在进行这项研究时，使用了什么方法和设备？ 答：首先，我们使用下一代测序技术（PacBio、Hi-C 和 RNA-seq）为苦楝（印楝的近亲）生成了基因组和表达数据。然后我们利用这些资源寻找我们怀疑可能参与柠檬苦素生物合成的候选酶。为实现这一目标，我们主要采用表达分析方式（确定植物不同组织中酶的“开启”或“关闭”方式）。我们使用了苦楝（M.azedarach）的表达模式，此表达模式已经在我们于2019年发表的PNAS论文（叶柄和根中柠檬苦素生物合成酶的高表达）中建立，以找到具有相似表达模式的酶。一旦我们有了候选酶的列表，我们就克隆它们，然后在烟草类（本塞姆氏烟草）宿主植物中使用瞬时表达来测试不同的酶组合，并由一种特殊的细菌“农杆菌”做介导。该系统使酶得以在植物中表达并让我们轻松分析这些在宿主植物而非原本植物中的酶的活性。通过LCMS（液相色谱-质谱法）来分析由这些酶所引起的化学变化。最后，如果通过LCMS，我们确定了一种不知道其结构的新化学物质，我们会进行大规模的瞬时表达（使用真空渗透器来加速该过程），然后使用制备型HPLC来纯化新产生的未知化学结构。一旦我们有了一种纯化学物质，我们就可以通过NMR（核磁共振）确认其结构，以及每种酶的活性。 问：通过揭示完整生物合成途径中的酶，你的下一步研究是什么？ 答：虽然我们现在知道简单的柠檬苦素的完整生物合成途径，如氮杂二酮，但对更复杂的柠檬苦素如印苦楝子素（azadirachtin），还有更多的生物合成步骤仍然未知。我们希望了解接下来的步骤，以便能够制造出更有用/更复杂的柠檬苦素。此外，与我们发表在《科学》杂志论文中发现的22种酶一样，柠檬苦素的复杂性意味著我们很可能会在剩余的印苦楝子素途径中发现有趣且新颖的酶，这使它成为一个非常令人兴奋的项目。最后，我也对如何提高寄主植物（本塞姆氏烟草）的柠檬苦素产量感兴趣。鉴于如果我们能够制造更多的柠檬苦素，这对工业和一般人类来说可能更有用。

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Dr. Rhys Grinter, biologist, scientist, Australia

里斯.格林特博士（Dr. Rhys Grinter）和其研究团队发现的“天然电池酶”，可将空气转化为电能

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Self portrait, Courtesy: Monash University, Australia 里斯.格林特博士（Dr. Rhys Grinter）和其研究团队发现的“天然电池酶”，可将空气转化为电能 澳大利亚墨尔本莫纳什大学生物医学发现研究所的里斯.格林特博士（Dr. Rhys Grinter）、Ashleigh Kropp博士生和Chris Greening教授最近在《自然》杂志上发表的一篇文章表明，他们发现了一种酶能够利用空气中的少量氢气来产生电流。这种名为Huc的酶是由研究人员从一种名为耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）中所提取。格林特博士指出，这一突破性发现能为未来的细菌驱动设备，甚至汽车，提供动力。 根据格林特博士，这一发现所以令人兴奋，是因为Huc酶可消耗低于大气水平的氢气，低至人类呼吸的空气的0.00005%。此外，它可以在有氧气的情况下发挥作用，而其他类型的酶在有氧气的情况下，却无法发挥作用。耻垢分枝杆菌很容易在实验室中繁殖，因此通过Huc酶可以实现稳定的电力利用。 在接下来的采访中，格林特博士不仅详细地解释了他的研究，还概述了这一发现在未来的应用途径，甚至包括如何在恶劣环境如火星上的应用。 问：根据最近在《自然》杂志上发表的文章，你们研究团队发现了一种能将空气转化为能源的酶，非常令人兴奋。首先，请与我们分享你的教育和培训背景。答：我在南澳大利亚袋鼠岛上一所人数不多的学校，接受初中和高中教育，然后于2005年在南澳大利亚阿德莱德的弗林德斯大学（Flinders University in Adelaide, South Australia）获得生物技术学士学位。休学几年后，我在英国的格拉斯哥大学攻读微生物学和结构生物学博士学位。在2015年完成博士学位后，我搬到了澳大利亚墨尔本的莫纳什大学，在那里作为博士后研究员的我，专注于研究分子水平上的细菌研究。 在2021年，我成立了自己的研究小组。 问：请告诉我们更多关于这篇发表在《自然》杂志上的惊人发现。答：我们从土壤细菌 – 耻垢分枝杆菌中分离出一种名为Huc的酶，这种酶可将空气中的氢转化为电流。此细菌利用这种酶将空气中的氢转化为能量，尤其是在其他食物来源有限的情况下。我们发现这种酶可以在大气浓度 （0.00005%） 下将氢气转化为电能，如果我们给它更多的氢气，它就会产生更多的能量。我们还表明，当存在氧气时，Huc也能发挥同样的作用，这令人兴奋，因为许多其他将氢转化为电能的分子在氧气存在的情况下不起作用。我们还使用先进的（低温电子）显微镜在原子水平上拍摄了Huc的3D照片。这些照片告诉了我们很多关于Huc如何将大气中的氢转化为电能的信息。 问：请告诉我们更多关于你开发的大气氢氧化的分子蓝图。从这个蓝图中，你还能得到什么？答：如上所述，我们使用先进的显微镜来观察Huc在原子尺度上的样子。这为我们提供了许多关于它如何将空气中的氢气转化为电能的线索。虽然要完全了解Huc的运作原理还有很多的工作要做，但我们可以利用这些信息使其性能更好，或者利用该蓝图，设计其他可以使用空气中的氢的酶或催化剂。 问：除了耻垢分枝杆菌, Huc酶可以从其他细菌中提取吗？它可以合成吗？答：许多土壤细菌会产生像Huc这样的酶。据估计，60%到80%的土壤细菌可以利用这些酶将空气中的氢气作为能源。这就是空气中氢气浓度很低的主要原因。然而，要制造大量的Huc，需要培养大量制造它的细菌。这对土壤细菌来说通常并不容易。我们用耻垢分枝杆菌来开展这项研究，因为我们可以容易地使用简单的酵母汤来大量繁殖耻垢分枝杆菌。 问：Huc与其他酶有何不同？造成这种差异的原因是什么？答：我们已经研究了许多其他可以将氢转化为电能的酶。然而，这些酶与Huc非常不同。当周围有氧气时，大多数这些酶都无法发挥作用，考虑到氧气占空气的21%，这意味著它们在空气中不起作用。重要的是，没有其他分离出的酶可以使用空气中那样低浓度的氢气。这使得分离Huc成为一项重大的发现，因为我们现在可以考虑使用它来发电。 问：这些细菌（耻垢分枝杆菌）在什么样的环境中生存；它们容易在实验室中培养吗？答：通常，这些细菌生活在土壤中，尽管耻垢分枝杆菌最初是从人体相当脆弱的部位分离出来的。它是一种适应性很强的细菌，所以它往往会出现在很多地方。它很容易在实验室中培养。你可以喂给它各种营养素。然而，我们通常在含有酵母提取物（啤酒酿造的副产品）和食盐（氯化钠）混合物的液体肉汤中培养它。它可以在烧瓶中，小体积（100 毫升到 10 升）或大容量发酵罐（15-100,000+ 升）中生长。 问：你使用的细菌会产生废物吗？答：一旦耻垢分枝杆菌生长出来，它就会从生长的液体中分离出来，剩下的液体即成为该过程的废物。这种废液无毒，可以使用标准的水处理程序进行处理，或者可以回收剩余的营养物以备将来使用。 问：你设想过什么样的细菌供电设备（例如电池）可以利用Huc吗？另外，可以利用这些细菌来大规模发电吗？答：由于空气中的氢气浓度很低，Huc只能为需要少量电力的设备提供动力。但是，它非常的稳定，这是一个优势。我们设想它可以用于生物识别监视器、环境传感器、时钟或小型计算机。然而，我们已经证明，如果你给Huc更多的氢气，它就会产生更多的电。如果将Huc结合到氢燃料电池中，这使Huc有可能为更大的设备提供动力，包括更复杂的计算机（例如智能手机或智能手表），甚至可能是汽车。 问：在火星这样没有氧气的环境中，这个方法还能用吗？答：这是一个很好的问题，要用氢气发电，你需要一个完整的电路，这意味著产生的电子需要去某个地方。在地球上，最方便将电子发送的化学物质是氧气，这项工作可以由另一种经过充分研究的酶来完成，从而产生水作为产物。通过快速网路搜索，火星上似乎没有太多的氢气。但是，太空中有很多氢气。如果我们能找到另一个分子将氢的电子提供给Huc，那么Huc就可以在那里产生能量。 问：除了这项研究，你还对哪些研究领域感兴趣？答：我的一般研究兴趣是了解生命，特别是细菌如何在分子水平上运作。除了Huc，我还在研究其他几种将空气中的气体转化为电能的酶，包括一种用一氧化碳进行转化的酶。我的实验室也在研究致病细菌在感染我们时，如何从我们的身体中窃取必需的营养铁。这里的想法是我们可以阻止这个过程来阻止细菌感染。我的实验室还致力于发现新的蛋白质抗生素作为治疗耐药抗生素细菌的下一代疗法。 ***** 我们感谢格林特博士详细回答了我们所提出的问题。他的突破性发现为许多未来应用铺平了道路。我们祝愿他在他的研究追求中取得圆满成功。

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Epithelial cells of palmskin zebrafish larva, Courtesy: Dr. Chen-Hui Chen

陳振輝博士（Dr. Chen-Hui Chen）的突破性發現 – 斑馬魚不尋常的皮膚細胞分裂

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Self-portrait, Courtesy: Dr. Chen-Hui Chen 陳振輝博士（Dr. Chen-Hui Chen）的突破性發現 – 斑馬魚不尋常的皮膚細胞分裂 翻譯：陳振輝博士 我們很榮幸能夠採訪到台灣中央研究院研究員陳振輝博士。陳博士致力於研究複雜組織的再生機制，特別是利用斑馬魚模型，因為它們“在重大損傷後具有非凡的再生復雜組織能力”。在研究過程中，他和他的團隊有一個突破性發現，即在特定生長條件以及沒有DNA合成的情況下，斑馬魚的皮膚細胞可以進行分裂，在魚的身體表面形成基因組減少和異常的細胞。此研究結果發表在2022年4月的《自然》雜誌上。陳博士表示，這一發現挑戰了我們對細胞生物學的基本理解。 此外，陳博士的研究室成員之一，陳潔盈博士 （也是此研究的第一作者）拍攝了“斑馬魚幼魚的上皮細胞”，該圖像獲得了尼康微觀世界2022年顯微攝影大賽的“傑出圖像獎“。 在接下來的採訪中，陳博士概述了他的研究目標和最終抱負——提高人體再生能力。 問：祝賀你的研究論文題為“皮膚細胞經歷非合成裂變以擴大斑馬魚的體表”，發表在2022年4月的《自然》雜誌上。首先，請與我們分享你的教育和研究背景。答：我出生並成長在台灣。我在美國達特茅斯學院獲得了遺傳學博士學位並在杜克大學完成博士後訓練。2016年，我回到台灣，在中央研究院成立了自己的實驗室，專注於研究組織再生。 問：請告訴我們更多有關你在《自然》雜誌上發表的論文信息。答：在這篇論文中，我們探討了支持動物生長的皮膚細胞的集體行為。令我們驚訝的是，我們發現了一種以前未知的細胞分裂方式，不能被歸類為有絲分裂或減數分裂。這一發現挑戰了我們對細胞生物學的基本理解。 Epithelial cells of palmskin zebrafish larva, Courtesy: Dr. Chen-Hui Chen 問：你最近的顯微圖像，標題為“斑馬魚幼魚的上皮細胞”，獲得尼康微觀世界2022年顯微攝影大賽的“傑出圖像獎“。恭喜！請告訴我們更多關於這張圖像的信息以及拍攝這張圖像時所使用的設備。答：恭喜我的博士班研究生，陳潔盈博士（Keat Ying Chan），捕捉了這張獲獎影像。這張影像顯示了多個覆蓋在活體斑馬魚體表的皮膚細胞，這些細胞隨機表達不同比例的紅、綠和藍色螢光蛋白。我們使用共焦顯微鏡拍攝這類影像。 問：你曾說過“我們將精力集中在斑馬魚模型最能解決的關鍵問題”。請詳細說明這一說法。你指的關鍵問題是什麼？答：蝾螈和斑馬魚跟人類一樣是脊椎動物，但是卻擁有再生複雜組織的特殊能力。科學家使用這些動物作為模式生物，探究自然再生的過程。想強調的是，不同的模式生物都有自己獨特的優勢。例如，斑馬魚具有扁平的體型和光學透明度，容易利用遺傳學工具和影像技術進行研究。因此，這些優勢的組合讓斑馬魚模型特別適合解決領域中的某些關鍵問題，例如尋找控制再生能力的重要基因，探索再生過程的細胞機制，以及了解再生過程在巨觀、組織層級的調控機制。 問：你最終的研究目標是什麼？你的研究可以衍生出哪些細胞療法？答：我希望我們的研究最終能有機會促進人類組織和器官的再生能力。基礎研究神奇的地方在於你永遠不知道它的成果是否會帶來突破性的應用。CRISPR基因編輯技術最近的發展及其發現的歷史就是一個最好的例子。 問：在研究再生細胞的機制時，你有沒有對下一個研究目標有所想法？從頭構建合成系統是否可行？答：我們之前的研究聚焦在皮膚細胞在再生過程中的行為。想強調的是，再生複雜組織的過程需要數十種不同類型的細胞一起無縫合作。為了更全面了解這一過程，我們下一個目標是想要繪製出可以描述所有、每個細胞其群體行為的「再生藍圖」。 Courtesy: Dr. Chen-Hui Chen 問：你還有什麼想對我們的讀者說的嗎？答：當我在進行這些影像研究的時候，我發現自己常常在思考科學家和藝術家之間的相似和不同之處。這兩個群體都以挑戰人們對周圍世界的認知為終極目標。也許，在某種程度上，所有的科學家都是藝術家，我以可以成為兩者為榮。 ***** 我們非常欽佩陳博士為解開細胞行為再生機制的不懈努力。我們祝願他在成為一名出色的科學家和藝術家方面取得巨大成功。

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A team of scientists at Canada's McMaster University led by Dr. Zeinab Hosseinidoust have developed a new spray that combats bacterial

Zeinab Hosseinidoust博士新开发的强力噬菌体喷雾剂

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A team of scientists at Canada’s McMaster University led by Dr. Zeinab Hosseinidoust (on the right) have developed a new spray that combats bacterial contamination in our food., Photo Courtesy: Anna Verdillo/McMaster University Zeinab Hosseinidoust博士新开发的强力噬菌体喷雾剂 翻译：田磊博士 Zeinab Hosseinidoust博士和她在麦克马斯特大学的研究团队成功地发明了一种新方法来对抗食物和物品表面（例如办公室、医院等）的细菌污染。这种强大的杀菌产品是将数百万噬菌体通过化学方法组装成的一个小的、柔软的、含水的球。每个球的直径约为 20 微米（50 分之一毫米）。 尽管噬菌体早在抗生素之前就被发现，但当时科学家们对开发抗生素更感兴趣。随着抗生素耐药性的上升，噬菌体成为人类在“后抗生素时代”的新希望，因为噬菌体是细菌的天敌。在《自然通讯》发表的文章中，Hosseinidoust博士的研究团队表明他们的喷雾消毒剂对食品安全且高效。 随着人们对噬菌体消毒剂重新产生兴趣，我们非常感谢能够采访Hosseinidoust博士并了解这一研究的新方向。 A team of scientists at Canada’s McMaster University led by Dr. Zeinab

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Dr. Oliver Warr collection groundwater sample by Dr. Oliver Warr - University of Toronto

Oliver Warr 博士破解10亿年前地下水的秘密

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Dr. Oliver Warr – 3 km underground in a mine, Courtesy: Stable Isotope Lab Oliver Warr 博士破解10亿年前地下水的秘密 翻译: 陈伟斌博士 我们（ON）很高兴最近能够与Oliver Warr博士（OW）进行一场具有启发性的对话。话题专注于Oliver Warr博士的团队在上周（2022年7月）发表于著名的《自然通讯》杂志上的研究结果。其结果显示该团队在位于南非的Moab Khotsong的一座黄金和铀矿中发现了12亿年前的地下深水。 Oliver Warr博士表示，这一发现具有重大意义，它更清楚地解释了生命如何在地球表面以下维持，以及如何在其他行星上繁衍生息的可能性。Oliver Warr博士是多伦多大学地球科学系的研究助理，也是该研究的主要作者。这是他们的新闻稿。 以下是我们与Oliver Warr博士的面对面交谈: ON：非常感谢Oliver Warr博士，在你繁忙的夏威夷会议日程中与我们解悉你的科研成果。首先，我们想知道你是否可以通俗地向我们解释你的研究。 OW: 是的。这完全没问题。实际上，我认为最好从大约10年前说起。当时我们最初对加拿大地盾进行了一项研究，该研究发现，水可以被困于地壳深处长达10亿年。在当时，这一发现是一项开创性的研究。这发现很惊人，因为它揭示了水真的可以长时间被困在地下，比我们想像的要长得多。 但问题是，这有多普遍？可能在世界其他地方找到吗？这是单一个点？仅限于因该点的环境而保存了古老的水？还是反映了一个更广泛的现象？。因为当时我们只看到一个区域，所以我们只能把其看作是一次特殊的情况。 从那时起，我们开始在地球上其他地方寻找这种藏于地壳深处的水——基于岩石覆盖了72%地壳面，我们需要从一个更广泛的角度去了解这种水。由于这些环境是全球性的，所以它就可以容纳高达30%的地下水总量。 但这些水有多古老？从哪里来？具有什么意义？通过什么过程产生和处于哪个进程？这些问题，我们当时还没有答案，但是却把我们引向到当前的研究工作。我们去了世界上一个完全不同的地方，该地方位在南非的一个又深又黑的矿井。在那，我们又发现了古老的水。它和我们在加拿大发现的水一样古老。因此，在世界完全不同的地方，我们发现水已经被困在地下12亿年之久。这太不可思议了，因为意味着这些古老的水属于深层地壳系统的一个普遍特征，那就是在全球环境中，水可以在十亿年的时间尺度上被困住。 这意味著我们10年前的发现不是一个异常，而是具有代表性的；但这些发现只是整个现象的冰山一角。 我们在这个地点还发现，水在这些深岩石中停留了这么久，会与岩石本身发生反应。这些反应可以生产出对人类，较小的生命，和微生物都很重要的资源，例如氦气和氢气。虽然这些发现之前已经被研究和记录，但我们目前研究成果提供了一个证据，证实了这些地下水不仅产生放射性元素，如氦、氖、氩和氙，而且产生了之前从未发现过的， 从未探测到的，作为整个强大化学反应的追踪物，同位素氪。这些放射性元素来源于岩石中，而且散布于地球地壳的其他部分。这意味著它们有可能在全球范围内充当地壳深处的能量源，像发电机一样。 这些深层地下水可以提供氦气，社会需要氦气来满足医疗行业、焊接和大量应用等多种需求。但是氦气资源正在枯萎，我们并不确切地知道氦气的生成和积累机制。因此，这一发现对于理解氦气资源是如何形成和迁移至关重要。此外，如果其他放射性元素，如氢，可以迁移，将意味着这些放射性元素可以维持生命，尽管这些生命完全远离太阳。所以生物群落，生物系统，以及其他生命形式可以在十亿年的时间尺度上在地下深处运行。 Dr. Oliver Warr collecting groundwater sample, Courtesy: Dr. Oliver Warr – University of Toronto ON：哇！太棒了。所以我的下一个问题是：数十亿年的水有什么意义吗？年轻的水也可以吗？ OW:

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