Nature - 百香果褶皺的秘密、電子煙或影響心臟功能、聲音通訊的共同祖先

Nov 10 Thu 2022 23:01
Nature - 百香果褶皺的秘密、電子煙或影響心臟功能、聲音通訊的共同祖先 | 一周論文新鮮讀

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10.29

本周值得讀

來自《自然》旗下期刊的最新發表，我們為您精選呈現。

1. 全球化生產或令太陽能降費

2. 美味百香果蘊藏什麼秘密？

3.脊椎動物聲音通訊的起源

4.電子煙可能影響小鼠心臟功能

5.爬行動物的演化

氣候政策 | 全球化生產或令太陽能降費

Quantifying the cost savings of global solar photovoltaic supply chains

Nature

《自然》本周發表的一項研究指出，整合全球的太陽能電池供應鏈或能讓太陽能更便宜。研究顯示，與限制外部太陽能電池（光伏組件）廠商供應的國有化模式相比，全球化供應鏈或能節省數十億美元的安裝費。

各個國家通常會支持國內的可再生能源生產，制定支持可再生能源產業本地化發展和就業福利的政策。然而，要想讓全球碳減排達到一定規模，就需要對可再生能源進行快速而廣泛地部署，這就需要提高成本效益。

美國紐約州立大學石溪分校的何鋼和同事比較了各個主要市場的本地化供應和全球化供應模式在太陽能電池部署成本上的差異。他們的計算發現，2008年至2020年，全球化太陽能電池市場能在美國節省240億美元的安裝費，在德國節省70億美元，在中國節省360億美元。預測顯示，與全球化供應鏈情景相比，依賴國內生產商會使2030年的太陽能電池價格提高20%-25%。

該研究對整合全球太陽能電池供應鏈相對於嚴格本土化生產所能節省的成本進行了首次量化估算。作者總結道，氣候政策既要考慮可再生能源產業的利益分配，也要考慮通過全球化供應鏈大幅削減成本的方法。

2008年到2020年，中國、德國和美國的本地化供應和全球化供應模式在太陽能部署成本上每年節省數額。來源：Helveston et al.

DOI: 10.1038/s41586-022-05316-6

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來自本文作者的詳細解讀請見今日三條

物理學 | 百香果乾褶皺或啟發機器人設計

Chiral topographic instability in shrinking spheres

Nature Computational Science

《自然-計算科學》發表的一篇論文描述了百香果乾表面一種此前未知的褶皺模式。研究結果和在此基礎上的理論預測，或能幫助我們理解物體大小和形狀非線性自然變化背後的複雜物理學，啟發自適應機器人的新設計。

褶皺是最重要的物體表面自然變化模式之一，會在物體壽命周期中不斷發生，而且程度各異。理論上，生長過程中的對稱性自發破缺（如在胚胎、腫瘤和大腦中）和脫水（如在水果和皮膚中）是造成複雜褶皺的兩大因素。對這類結構變化的準確預測和精準操控具有極其重要的技術意義，比如可以用於納米器件的製造。

中國復旦大學的徐凡、馮西橋和同事報道了百香果乾表面一種未知類型的手性起皺模式。手性對稱性是指物體不具有反射對稱性，但可能有旋轉對稱軸。受到這種排列的啟發，作者開發了一個力學模型用來推廣出一個普適的標度律，從而揭示了巴基球模式（如六邊形和五邊形）和手性模式（如左旋或右旋）形成背後的結構-彈性機制。作者還進一步演示了這種手性起皺過程能在實驗室製作的硅核殼表面進行模擬，並利用這種手性模式極高的局部靈敏度設計了一個能抓取小物件（如一個金剛石、螺絲或綠豆）的自適應機器人。

這項研究不僅解釋並預測了百香果乾表面的結構變化，同時也推動了以自然界手性起皺模式為靈感的目標自適應抓取機器人的開發。

空氣抽吸誘導的表面手性起皺模式。來源：Xu et al.

DOI:10.1038/s43588-022-00332-y

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演化 | 評估脊椎動物聲音通訊的起源

Common evolutionary origin of acoustic communication in choanate vertebrates

Nature Communications

《自然-通訊》的一篇論文報道了53種此前被認為無聲音的動物物種的聲音記錄。基於這些記錄的一項分析表明，用鼻子呼吸的脊椎動物用聲音通訊或起源於4.07億年前的一個共同祖先。

聲音通訊是許多脊椎動物行為——例如促進親代照料或吸引伴侶——的基礎。過去的研究表明，聲音通訊在多個不同群組中獨立演化，但這一適應有共同起源的可能性尚不明確。系統發生分析能夠為聲音通訊演化起源提供見解，但過去的嘗試未能納入關鍵物種的記錄，例如龜類和其他爬行動物，因為它們被認為是非發聲的（無法用聲音通訊）。

為評估其聲通訊能力，瑞士蘇黎世大學的Gabriel Jorgewich-Cohen和同事記錄了來自4個脊椎動物支系（龜、喙頭蜥、蚓螈和肺魚）的53個物種的發聲和行為。作者發現，所有記錄物種都有多樣的聲音庫，包括了多種不同聲音，從啁啾聲、短而尖的咔嗒聲到複雜的音調（tonal）聲音。隨後他們將這些記錄與1800個物種的聲音通訊演化史數據結合，其中包括了脊椎動物除魚之外的所有類群。基於他們的分析，作者提出，用鼻子呼吸的脊椎動物聲音通訊有一個共同起源，約出現在4.07億年前。

這些發現闡明了聲音通訊的起源，拓展了我們對不同動物類群聲音通訊的認識。

幼年木紋龜發聲。視頻來自Gabriel Jorgewich Cohen

DOI: 10.1038/s41467-022-33741-8

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生理學 | 電子煙可能影響小鼠正常心臟功能

E-cigarettes and their lone constituents induce cardiac arrhythmia and conduction defects in mice

Nature Communications

《自然-通訊》發表的一項研究表明，電子煙氣溶膠會在小鼠中短暫擾亂正常心臟功能。

電子煙不通過燃燒煙草來遞送尼古丁。因此，電子煙氣溶膠比之煙草煙霧含有較少的一氧化碳、焦油和致癌化合物，這使一些人斷言電子煙危害更小。但是電子煙氣溶膠對心臟功能的影響，以及其中一些成分的作用，卻並未受到充分的檢驗。

在這項研究中，美國路易斯維爾，路易斯維爾大學的Alex Carll和同事使用小鼠研究電子煙氣溶膠對心臟電特性的實時影響。在一系列實驗中，作者將小鼠暴露於5種不同的電子煙氣溶膠、來自兩種不同參考香煙的主要煙霧，以及丙烯醛（電子煙和香煙產生的一種氣體），每個實驗包括6-8隻小鼠。從基線開始，在吸入性暴露期間、暴露後前期（每次暴露4-9分鐘後）、暴露後後期（每次暴露9-28分鐘後）對小鼠進行監測。作者發現，吸入電子煙氣溶膠會引發小鼠心率失調、損害心臟再極化以及改變小鼠心率，這些都是通過在暴露期間對自主神經系統的調節造成的。作者發現其中一些效應，包括心率上升，會持續到暴露後的後期。然而其他則與暴露後前期水平相當。作者提到，在最後一次暴露後的28分鐘後，這些效應未得到監測。

作者認為，這些反應的性質和程度可能取決於電子煙液中的化合物，如尼古丁、溶劑和香味劑。例如，薄荷味電子煙被發現影響心房傳導（電脈衝通過心臟心房的傳導過程）。此外，電子煙溶劑被發現在雄性小鼠中比在雌性小鼠中能更明顯地擾亂心臟節律，意味着生物性別有所影響。但這些分析中僅使用了4隻雌性小鼠，作者提出應謹慎解讀這些發現。

作者強調，在嚙齒類中觀察到的這些反應可能會與人類中不同。他們還提到，重複暴露於電子煙可能會使人類耐受，從而降低心臟反應，特別是在過去有吸煙史的成人中。

吸入性暴露期間電子煙氣溶膠對心率及其變異性的改變。來源：Carll et al.

DOI: 10.1038/s41467-022-33203-1

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古生物學 | 侏羅紀骨架揭示爬行動物的演化

Personalizing exoskeleton assistance while walking in the real world

Nature

《自然》發表的一篇論文描述了來自中侏羅世蘇格蘭的一個早期爬行動物的近完整骨架。這個化石或能增進我們對決定爬行動物（如現代蜥蜴和蛇）軀體結構的解剖學轉變的認識。

有鱗類是一個爬行動物類群，包含1萬多種現生物種，這些物種都來自約2.4億年前的一個共同祖先。由於早期化石記錄的空白以及對分子和形態學假說的持續爭辯，我們對有鱗類動物軀體結構起源和演化的理解一直有限。

Mateusz Tałanda、Roger Benson和同事描述了Bellairsia gracilis的這具保存完好的近完整骨架。B. gracilis是來自中侏羅世（約1.67億年前）蘇格蘭天空島的一種原始有鱗類。作者利用高分辨X射線成像分析了B. gracilis的這具骨架，發現B. gracilis的身上既有祖先性狀（遺傳自有鱗類共同祖先），也有衍生性狀（來自趨異演化），揭示了對有鱗類軀體結構演化的新認知。它的祖先性狀出現在上顎和脊柱，而它的衍生性狀出現在頭部和肩部。

作者總結道，B. gracilis和其他有鱗類物種之間的預測相似性反映了早期高級有鱗類物種可能曾生活在陸地種群中，時間至少持續到白堊紀中期（約1.2億年前）。