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E-View

E-View是我摘编的一些经典或时事英文以及对其自行的翻译的合集。
该合集于2022年8月29日始编辑,是以翻译关于唐纳德·特朗普的时文为由头的,现以锻炼英语能力和分享精神内涵为目的,不定时更新。
E-View的“E”既代表“English”,亦代表“Electronic”,该名寓意通过网络技术在学习英语的同时拓宽视野。

权威博物文章选摘

大爆炸

1929年,美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现,到遥远星系的距离与它们的红移成正比。当光源远离其观察者时,就会发生红移:光的表观波长通过多普勒效应拉伸到光谱的红色部分。哈勃望远镜的观测暗示遥远的星系正在远离我们,因为最远的星系具有最快的视速度。哈勃认为,如果星系正在远离我们,那么在过去某个时候,它们一定是聚集在一起的。

哈勃的发现是对乔治·勒梅特(Georges Lemaître)于1927年提出的宇宙大爆炸理论的第一个观测支持。勒梅特提出,宇宙从极其密集和炽热的状态爆炸性地膨胀,并且今天继续膨胀。随后的计算将这次大爆炸追溯到大约137亿年前。1998年,两组在加州伯克利独立工作的天文学家观察到超新星 - 爆炸的恒星 - 正在加速远离地球。这为他们赢得了2011年的诺贝尔物理学奖。物理学家认为宇宙中的物质会减缓其膨胀速度。重力最终会导致宇宙回落到其中心。虽然大爆炸理论不能描述宇宙开始时的条件,但它可以帮助物理学家描述膨胀开始后的最早时刻。

起源

在大爆炸后的最初时刻,宇宙非常热和密集。随着宇宙冷却,条件变得恰到好处,产生了物质的基石 —— 我们都是由夸克和电子构成的。几百万分之一秒后,夸克聚集起来产生质子和中子。在几分钟内,这些质子和中子结合成原子核。随着宇宙继续膨胀和冷却,事情开始发生得更慢。电子花了38万年的时间才被困在原子核周围的轨道上,形成了第一个原子。这些主要是氦和氢,它们仍然是迄今为止宇宙中最丰富的元素。目前的观测表明,第一批恒星是在大爆炸后约1.5亿至2亿年由气体云形成的。较重的原子,如碳,氧和铁,已经不断在恒星的心脏中产生,并在壮观的恒星爆炸中弹射到整个宇宙中,称为超新星。

但恒星和星系并不能说明全部情况。天文和物理计算表明,可见的宇宙只是宇宙实际构成的微小部分(4%)。宇宙中很大一部分,实际上是26%,是由一种称为“暗物质”的未知类型的物质组成的。与恒星和星系不同,暗物质不会发出任何光或任何形式的电磁辐射,因此我们只能通过其引力效应来探测它。

一种更神秘的能量形式,称为“暗能量”,约占宇宙质量能量含量的70%。人们对它的了解甚至比暗物质还要少。这个想法源于这样一种观察,即所有星系似乎都在以加速的速度从彼此之间退缩,这意味着一些看不见的额外能量正在起作用。

飞虫与仿生机器人

经过数十年的努力,人们慢慢理解了飞虫飞行的奥秘。如今,飞虫仿生机器人又带来更多发现。

  尽管果蝇的身体瘦弱,但它却具有一流的飞行能力。它舞动翅膀的肌肉每秒钟可运动200个来回,是整个星球上运动最快的肌肉之一。

  年复一年,生物学家不断研究飞虫飞行的奥秘,但早期研究并不成功。80年前的理论计算显示黄蜂是不能飞行的,它的翅膀太小,扇动的速度也太慢,没办法产生足够的升力让壮硕的身体漂浮在空中。这种推理的错误之处在于假定飞机或鸟类的空气动力学原理可以应用到蜜蜂和苍蝇身上,而实际上飞虫的飞行方式完全不同。

  如果像鸟类那样上下扇动翅膀,那么一只厘米大小的飞虫需要以极快的速度扇动翅膀才能产生足够的升力。但是,黄蜂已经是每秒钟扇动250次翅膀,蚊子则是扇动600次。加州理工学院的生物学家Dickinson说:“飞虫扇动翅膀的能力是有极限的。”它们克服极限的方法就是前后移动翅膀,并把翅膀以高角度倾斜,因此飞虫翅膀的运动更像游泳或者踩水。在前向伸展翅膀时,翼面大约与水平面倾斜45°,因此会向下推动空气,从而获得升力。向后扇动翅膀时,翼面则呈现135°倾角,因此仍然会向下推动空气获得升力。

  而对于飞机来说,一个比较大的翼面倾角(叶片攻角)却是个灾难性的设计,过于陡峭的斜面会使其突然失去升力,迅速下坠,这种现象称为空气动力失速。对于飞虫为什么不会失速的关键解释则是来自于 1990年对飞虫仿生机器的研究,比如 Dickinson实验室的机械苍蝇 (Robofly)和英国剑桥大学Charlie Ellington创造的 拍击器 (Flapper)。这些仿生机器人的实验揭示了称为“翼前缘涡流”的微弱涡流。它会产生一个吸引翅膀向上的负压,从而避免了失速。但这种策略的坏处就是空气阻力更大。飞虫感受到的升力—阻力比率接近1,只是鸟类的1/10,飞机的 1/100。Dickinson说: “从飞行器的角度来看,飞虫的效率简直低到可笑。所以,他们会很快把燃料消耗光,于是时时刻刻都会感到饥饿。”

  2013年,西雅图华盛顿大学的机器人工程师Fuller和哈佛大学的Rob Wood等人发布了第一代机器蜂(Robobee)。这是一种翼展3cm,可扇动翅膀的机器人。这台80mg重的线控机械可以在空中悬停7s,并且可以进行可控的飞行。Fuller最近做出了100mg重量,可自由飞行的机器人。它携带了小型微处理器来控制翅膀。可以预见未来某一天,一群这样的小型机器在倒塌的建筑物中寻找幸存者,监视嫌疑犯,或者监控可燃气体泄露。

  机器人也帮助生物学家了解飞虫的机动性。与鸟类不同,飞虫没有尾翼控制方向。早期对果蝇的观察表明,它们的转弯仅包括侧翻和俯仰变化,而没有偏航(身体方向在水平面上的改变)。荷兰代尔夫特理工大学的Muijres与同事一起使用称为DelFly的无尾自由飞行机器人探索了飞虫的可操纵性。他们在飞行器的快速机动期间关闭了偏航控制 。令人惊讶的是,竟然发现DelFly会自动偏航以保持直线飞行。“事实证明,存在一种空气动力学耦合机制,如果能产生适量的侧倾和俯仰扭矩,那么它就会改变身体的方向,实现偏航”,Muijres说。

  加州大学圣地亚哥分校的生物力学专家Gravish说:“人们对飞虫轻而易举的飞行能力赞叹不已。”对于研究的未来,他同意强大的计算机模拟可以更接近于复制飞虫飞行中发生的事情。同时,他更相信通过创建机械模型并查看其自身表现,可以获得更直观的理解。他认为,距离建造一个可以长时间独立飞行的微型机器人还有很长的路要走。

有机太阳能电池(OSCs)

太阳能是指太阳的热辐射能,又被称为“太阳光线”。地球上自生命诞生以来。就主要依靠太阳提供的热辐射生存。而在化石燃料日趋减少情况下,面对能源的巨大需求和日趋严重的环境污染问题,太阳能是大自然赋予人类的一个取之不尽、用之不竭的能源宝库。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”,是一种利用太阳直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足在一定光照条件下,瞬间就可以输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上可以称为太阳能光伏。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转换成电能的装置。

目前占主导地位的太阳能电池主要以无机半导体材料构成,主要包括单晶硅、多晶硅和非晶硅无机太阳能电池。经过多年的发展,硅太阳能电池技术最为成熟,在大规模应用和工业化生成中占据主导地位。但是,提纯硅工艺复杂,成本高,造成在制造硅太阳能电池过程中能耗大、污染高等问题,同时制备工艺复杂且成产设备昂贵,限制其发展。高效的非晶硅薄膜无机太阳能电池包括硫化镉、碲化镉、砷化镓等多晶薄膜,但是由于镉、砷等元素有毒性,同时会造成严重环境污染,因而这类材料的发展也必然受限。有机太阳能电池,顾名思义,就是由有机材料构成核心部件的半导体材料替代无机材料,以光伏效应而产生电压形成电流,实现太阳能发电的效果。

新方法揭秘人类早期胚胎发育

人体外受精(in vitro fertilization, IVF)已经有40年的历史了,但我们仍然不完全了解如何确保健康胚胎的生成,并防止在体外培养过程中出现不希望的遗传或表观遗传变化。一旦胚胎被移植到子宫中继续妊娠,就难以对之后的胚胎发生和胎盘形成的初始阶段进行研究。早期发育中的错误可能导致植入问题,胎儿缺陷和胎盘不足,导致早期妊娠中止。小鼠研究为早期胚胎发育的主要遗传和表观遗传事件提供了线索。但小鼠和人类之间存在显著的形态和遗传差异,这使得跨物种比较的研究非常棘手。最近的一些实验方法,包括直接使用人类胚胎或胚胎干细胞,以及非人灵长类胚胎,为研究早期人类胚胎的发育开辟了新的途径。

最近对早期人类胚胎的单细胞基因表达(RNA测序)分析提供了发育进程的分子时间过程。通过这种方法,科学家发现了扩展囊胚(胚胎期第5天(E5)空化囊胚)中的三种不同的细胞谱系:外滋养层(outer trophectoderm, TE)、外胚层(epiblast, EPI)和封闭内细胞团(enclosed inner cell mass, ICM)的原始内胚层(primitive endoderm, PrE)(图1)。虽然许多细胞谱系标志物,如CDX2(caudal-type homeobox protein 2)、POU5F1(POU domain, class 5, transcription factor 1)和SOX17(SRYbox 17)在小鼠胚胎发育中保守表达,不过表达时间有差异。在人类中,在扩大囊胚阶段之前不易通过转录谱分离这三种细胞谱系,但在小鼠中,在囊胚空化形态学事件之前ICM和TE的转录谱是不同的,因此是可以分离的。在小鼠中,囊胚的外层细胞会分化成32细胞阶段胚胎中的TE细胞。相比之下,完全发育的人类囊胚的TE细胞仍然能够再生整个囊胚。这些观察结果表明,人类胚胎的谱系分离发生在囊胚形成后,而小鼠的谱系分离是逐渐进行的。

如果这个结论属实,那么就意味着小鼠和人类之间的谱系分离差异对驱动谱系分化的上游信号事件的跨物种比较有影响。例如,在囊胚形成之前小鼠胚胎的外部和内部细胞之间Hippo信号传导的差异在引导ICM分化成TE过程中起重要作用。然而,在人类中,是否存在相同的途径则尚不清楚。此外,成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)信号传导的差异是引导小鼠ICM分化成EPI和PrE的关键,但阻断人类胚胎中的FGF信号传导并不影响PrE的形成,这表明其它信号通路可能与此谱系决定相关。这一发现的意义在于,需要提供体外关键信号条件以确保IVF胚胎的正确发育。

直接评估早期胚胎中的基因功能可以确定小鼠和人类之间的差异的重要性,但是直到CRISPR-Cas基因编辑技术出现后,科学家才能完成这类实验。少数几个区域允许在早期人类胚胎中进行实验性基因编辑,以探索基因功能和生殖细胞基因矫正对遗传疾病的治疗效果。人类胚胎中POU5F1的基因编辑实验结果显示,该基因被敲除的突变胚胎无法发育到囊胚阶段。这表明相比于小鼠,POU5F1在人类发育的更早阶段发挥了作用。

尽管直接在IVF条件下培养的人类胚胎中研究囊胚阶段之前的早期发育是可行的,但是胚胎植入后的发育研究就需要新的技术。最近,科学家已经在2D培养系统中培养出了囊胚,并达到了EPI、羊膜和卵黄囊形成的初始阶段。尽管这些培养的胚胎组织结构不佳,并且未能在10到12天后继续发育,但通过改善细胞外基质和培养条件可以支持人类胚胎发育至下一个里程碑阶段——原肠胚E14形成。目前这类实验并未开展,因为全球几乎普遍禁止培养14天以上的完整人类胚胎。14天标志着神经系统发育的开始。鉴于14天以上的培养有可能为早期发育的关键事件提供新的见解,目前监管机构正在就是否应该重新审议14天规则问题进行讨论。

鉴于对人类胚胎培养的伦理担忧以及体内植入后发育阶段研究的不可获得性,科学家在考虑使用替代模型来开展人类早期发育的研究。人类和非人类灵长类胚胎的形态特征之间非常相似(图2)。对食蟹猴(cynomolgus monkey)移植后胚胎的研究揭示了羊膜形成、滋养细胞发育(形成胎盘)、生殖细胞形成和原肠胚形成过程的细节,以及支持这些事件的一些关键基因表达的时间和空间位置。尽管非人灵长类动物的胚胎可能适合进行直接实验,并且可能用于基因修饰实验,但这些研究在技术上具有挑战性,并且还伴随着动物伦理和护理问题。此外,非人灵长类胚胎在多大程度上可以被认为是人类胚胎实验的替代物还存在疑问。

最近,已有研究表明培养人多潜能胚胎干细胞(embryonic stem, ES)可以产生胚胎样结构(胚状体)。在人类多潜能胚胎干细胞的微模式培养(micropatterned culture)中,2D细胞类型和相关基因表达谱都与小鼠胚胎胚层中的有序模式类似。这些模式的构造并不能完全重现原肠胚标志性的3D结构。相反,3D基质中多潜能干细胞的培养可以产生能重现EPI和羊膜形成的胚状体结构。

在小鼠中,3D培养的ES细胞会产生类原肠胚结构。这些结构不仅具有EPI,而且还有局部化的原始条纹状结构和前-后组织模式(胚胎发育中前侧和后侧细胞会分化成不同的细胞谱系),这是原肠胚阶段胚胎的独特特征。在没有胚外组织(如滋养层和PrE)的情况下发育到这种组织程度是非常有意义的,因为胚外组织通常会提供局部信号以引导细胞定向分化。此外,联合培养ES细胞和滋养层干细胞(trophoblast stem, TS)可以模拟一些胚胎-胚外组织的相互作用,并且能够产生类似于囊胚的类囊胚和类似于原肠胚前胚胎的类胚体。这些发现进一步证实了人类ES细胞和人类TS细胞的联合培养可能为人类发育提供近似度较高的实验模型。在这个关键时刻,迫切需要解答的问题是:这些胚胎样结构的发育是否足够类似人体胚胎的体内发育,这些模型得到的结果是否与早期人类发育具有科学上的相关性。未来需要直接对人类胚胎进行研究,以建立一个发育研究的范例,以作为这些胚胎样实体发现的评估依据。

人类胚胎学研究的目标是获取关于早期人类发育的细胞和分子机制的基础知识,并促进其在生殖技术、基因编辑、干细胞研究和预防遗传性出生缺陷方面的应用。虽然这些知识最好从研究人类胚胎上获得,但人体IVF胚胎研究必须遵守关于“适度”和“同意”的伦理、法律和实践原则。许多管辖区禁止以研究为目的地去创造胚胎,这其实也禁止了某些实验的可行性,例如受精和合子形成前的生殖细胞基因编辑。未来,干细胞衍生的胚胎样结构或许足以取代人类胚胎,成为人类发育研究的模型系统,为人类早期发育提供最有用的见解。

随着用于产生干细胞衍生的胚胎样结构的技术提高,这些生物构建体将更接近人类胚胎。这就出现了一个问题:这些实体是否会受到与人类胚胎一样的道德限制?体外发育的14天限制是否会应用于这些胚胎样培养物?14天规则的胚胎学知识是基于人类胚胎的罕见数据和小鼠发育和形态学研究总结得出的,而不是基于人类胚胎的实验发现。如果人类类胚胎和原肠胚可以在14天后继续发育,那么14天规则可能就毫无意义,并且限制了相关研究的进展。因此,在考虑是否维持或修改14天规则之前,为了测试科学价值以及伦理和法律实用性,必须对人类早期胚胎发育和替代性的胚胎学模型进行严格控制的研究。


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