生物工程

本周，科学家发现了他们认为是世界上最古老的麻风病患者。这是《公共科学图书馆·综合》杂志上的一篇论文，其中的图片绝对令人惊叹;至少对骨考古学家来说是这样。

格温·罗宾斯(Gwen Robins)和她在北卡罗来纳州阿巴拉契亚州立大学(Appalachian State University)的同事们一直在印度西北部一个名为Balathal的地点工作。他们挖掘了一个遗址，可以非常可靠地追溯到公元前2000年，也就是4000年前。他们在那里发现了一具37岁男子的遗骸，通过观察骨盆骨的形状来识别，因为男性的骨盆形状与女性不同。

这具骨骼显示了麻风病非常典型的骨骼变化。如果你看头骨，你会看到所谓的反应耀斑在一个眼窝上方的骨头表面涂层上。鼻子底部附近的骨头上也有一个完整的洞一个眼窝下面也有损伤脊椎也有退化。

很长一段时间以来，人们都说有很多疾病会导致类似的骨骼变化:梅毒就是其中之一，骨髓炎和肺结核也是。这似乎是麻风病的一个很好的候选者，因为a)我们可以把它放在空间和时间上，b)它与我们所知道的当时人们正在做的事情相吻合。有历史记录可以追溯到500年前:这些是梵语赞美诗，谈论的是一种明显类似的疾病。但到目前为止，还没有任何考古证据支持这一说法。

这也与我们所知道的当时人们正在做的事情不谋而合。有一种理论认为，麻风病最初起源于非洲，当人们从东非迁移出去时，他们可能把麻风病带到了非洲。另一种理论认为，它根本不是起源于那里，它可能起源于这个人被发现的地方——印度。这具尸体是一个非常重要的发现，因为它与早期人类从游牧狩猎采集者迁移到以农业和饲养动物为基础的村庄和城镇相吻合。因此，他们住得更近，从而促进了疾病的传播。麻风病的传染性很低，但它仍然是一种传染病。它需要人们密切接触，因为只有一小部分人容易感染。你需要大量的人口生活在一起，让足够的人传播它，否则它就会灭绝。

克里斯-本周还有一条新闻，研究人员发现，生活在我们皮肤上的细菌比我们以前认为的要多得多，而且事实证明，它不仅仅是我们的老朋友金黄色葡萄球菌或其他种类的葡萄球菌在我们的身体表面占有地盘。为了告诉我们更多，Julie Segre，你好Julie…

Julie Segre -你好。

克里斯-欢迎来到裸体科学家。金宝搏app最新下载本周你在《科学》杂志上发表了一篇很棒的论文，关于这个问题，你是如何绘制出哪些细菌生活在谁身上，在哪里?

朱莉·塞格雷——很简单因为皮肤太容易,所以我们要健康的志愿者来美国国立卫生研究院临床中心,和我们看起来非常像一个棉签,我们擦洗身体的不同部位的细菌,从额头到耳后在膝盖下面的脚,手指之间,而不是在实验室里培养这些,这是我们了解皮肤上存在什么细菌的传统方法，我们立即对DNA进行了测序。所以没有培养，我们只是通过它的DNA序列来观察每一种细菌的特征，这些序列是独一无二的，我们可以说'这是葡萄球菌，这是链球菌，这是棒状杆菌'，我们发现了大量的细菌多样性，这是我们以前从未意识到的。

克里斯:因为当你把东西放在培养皿中，当然，会有选择作用，换句话说，有些东西在培养皿中不会生长，所以科学家之前会错过它们，但是通过使用基因技术，你可以看到我们以前看不到的东西。你要怎么进一步解释呢，比如，你能告诉我们身体表面的细菌种类吗?它们可能与各种疾病有什么联系吗?

Julie Segre:这是一个基线，之前基于文化的研究给了我们一个不完整的观点。现在这些细菌中的一些，实际上，现在我们知道我们在寻找假单胞菌或者棒状杆菌，我们现在可以培养它们了。培养细菌的有趣之处在于你很难知道你不知道什么，但很容易找到你想要的东西。所以现在我们调整培养基，例如，很多细菌生活在我们皮肤的油性表面，当我们添加时，我们真的只是在培养液中添加脂质或油，现在我们可以培养这些细菌-我们以前不知道它们在那里。这给了我们一个基线现在我们可以开始检查湿疹，牛皮癣，痤疮，我们可以开始问有什么不同?除了我们可以在实验室培养的东西之外，微生物群是如何变化的，然后我们如何定制治疗方法使其恢复平衡?

因为有些人认为你提到的一些皮肤状况是由于细菌的存在而恶化的，事实上，细菌会推动或刺激皮肤状况，使情况变得更糟。这并不仅仅是因为那里有受损的皮肤，而是一些受损皮肤的结合，首先让这些细菌进入那里，然后它们使问题变得更糟。

Julie Segre:完全正确。像湿疹这样的疾病和金黄色葡萄球菌感染。还有其他疾病，比如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，我们知道这是一种细菌感染，但我们也知道很多人的鼻子里都有少量的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，但他们从来没有感染过。所以我们认为可能是健康的细菌，共生菌，控制了那些致病菌。

Chris，我想说的是，因为，近年来我们有了这样的想法拥有健康的肠道菌群有助于保护我们免受各种疾病的侵害，如果你去国外，你不会得旅行者腹泻因为你有健康的微生物菌群，皮肤可能也是如此，事实上，那些正常皮肤细菌有问题的人，它使他们更容易感染那些没有皮肤菌群问题的人不会感染的病毒?

Julie Segre:这是一个非常有趣的想法，因为从科学的角度来看，这很有趣，我认为这绝对是正确的，这就是我们要进行这些实验的地方——也许是为了理解为什么有人会因为微生物群的变化而倾向于患上皮肤病。从社会的角度来看，这也很有趣——为什么我们想要吃益生元来平衡我们的肠道菌群，但我们想要对身体外部进行消毒?我们必须意识到，我们的皮肤上有健康的细菌，我们需要促进它们的生长。我不是说让所有东西在你的皮肤上生长，有很多短暂的细菌是有害的，我非常相信个人卫生——洗手，用肥皂和各种各样的产品。我认为各种护肤产品都有很好的用途，但我也认为我们必须意识到目标是平衡。

克里斯-我刚想说，朱莉，这个月你洗过澡吗?不，我只是在开玩笑，但基本上现在的方向是开始说我们如何将不同的细菌种群与不同的疾病或疾病的缺乏联系起来，我们能否更多地了解什么是健康的。从长远来看，也许我们会看到皮肤护理不是为了消灭细菌而设计的，而是为了鼓励我们想要的细菌，而不是我们不想要的细菌。

Julie Segre:当然，我认为我们的皮肤也有内在的变化，婴儿的皮肤不是青少年的皮肤，也不是老年人的皮肤，所以我们必须明白这些东西随着时间的推移而变化，当我们改变我们生活的环境时，我们可能会改变微生物群。我认为这些将对常见和罕见的皮肤疾病产生深远的影响。

克里斯-朱莉，我们就讲到这里，非常感谢你们的加入。

Julie Segre -非常感谢。

克里斯-这是朱莉·西格尔，她来自美国国家人类基因组研究所，她在本周的《科学》杂志上发表了一篇论文，她阐述了你身上生活着什么。

克里斯-不仅仅是爆米花会爆!之所以被称为“庞巴迪甲虫”，是因为它们确实会用尾部爆炸来轰炸捕食者。它们实际上可以将沸腾的液体排出几英尺远的距离。现在，研究人员已经弄清楚了它们是如何做到的，通过复制它们的策略，他们希望制造出更好的气溶胶和更高效的发动机……其中一位从事这项工作的科学家是安迪·麦金托什。

这些昆虫，放屁甲虫，主要分布在世界上炎热的地区。尽管我相信它们是在英格兰南部海岸被发现的。它们可以长到两厘米，但通常比两厘米要小一点。它们的尾部有最神奇的燃烧室，克里斯，大约一毫米长或更小。他们混合了两种化学物质:对苯二酚和过氧化氢。即使在它们进入腔室之前(没有人知道为什么)，它们也不会在进入的小管中发生反应。在室中现在有催化剂的混合物:过氧化物酶和过氧化氢酶。这使得反应比正常情况下进行得快得多然后加热了也在那里的水。它试图膨胀，但一开始它不能膨胀，因此它不能蒸发，直到排气阀正常沸腾，排气阀只是一小块角质层直到压力上升到足以让它消失，排气阀消失时，它就会发生蒸汽爆炸。这都发生在1/400^th甚至是1/500^th等一下。

克里斯-这就像你拧开汽车发动机散热器的盖子，当压力消失时，水还在沸腾。这是发生在昆虫的后端吗?

安迪-每次它这么做的时候，是的。它会持续几秒钟。你会得到大量的爆炸声。如果它持续了10秒，那么很明显，如果它每秒爆炸400次，你就能算出它爆炸了多少次。

克里斯-它为什么要这么做?

安迪:基本上这只甲虫是被捕食的。像鸟、蜘蛛、蚂蚁这样的生物都试图接近这种生物，但它们通常不会赢。很少有蜘蛛能把它缠在网里，最终吃掉它，但这种情况很少见。它们通常会被这种可怕的热混合物惊呆。虽然它们不会被它杀死，但它们会被吓呆，在几分钟内什么也做不了，然后甲虫就跑了。

克里斯-这是一个有趣的改编。甲虫在这个过程中没有烧伤自己，这真是太神奇了。一定有某种适应来保护它。当你放大这只甲虫用来做这件事的装置时，你知道它是如何工作的吗?

安迪:正如我之前提到的，有一个排气阀，它不会关闭，直到有一个特定的压力。你还应该注意到，有一个进口阀，当爆炸发生时，有一个膨胀，导致整个腔室开始挤压进口阀。当它爆炸时，会阻止更多的物质进入。我们没有意识到的是有一个排气阀是由角质层组成的它只会在特定的压力下伸展。我们估计大约是1.2或1.3巴。我们不是很确定。没有人能找到足够小的仪器来测量它。

克里斯:当你听到这样的故事时，有一件事让我很震惊，那就是有这么多类似于喷枪的应用。你能复印一下吗?

安迪:是的。只是要知道，人们已经使用这种脉冲燃烧的想法发动机。有一种东西叫做脉冲燃烧器发动机。事实上，它被用在了V1上:德国人没有意识到这和甲壳虫的情况是一样的。在没有意识到的情况下，人们已经在使用这种想法了。它的独特之处在于它提供了一个设备，如果我们可以复制它，如果我们知道如何使阀门系统正常工作，就可以得到液体喷雾并控制液滴大小。我们没有像甲虫那样依赖被动系统，而是引入了主动系统，通过这种系统，我们可以控制水何时进入，蒸汽和水何时排出。我们实际上可以利用甲虫的概念，不是在化学上，而是在这个阀门系统的物理上，来得到一些非常独特的喷枪(如你所说)的应用。

克里斯:发动机必须使燃油雾化，使燃油迅速进入汽缸，并以非常广泛的分布和非常均匀的粒度。这意味着烧伤会立刻好起来。

安迪:当然。这是我们正在开发的主要感兴趣的领域之一。我们知道我们可以做到，不需要使用巨大的压力来雾化燃料，而这通常是会发生的。我们知道我们可以在更低的压力下做到这一点，尽管我们使用的是甲虫的蒸汽爆炸原理。我们正在使用一些压力，但远不及人们目前使用的压力。也有气溶胶和其他应用，这些可以用于，也许其他药物。

Chris -我想说的是治疗性的因为有些情况下你想要得到非常均匀，非常精细的液滴雾化混合物。然后，这些将通过空气深入到某人的肺部。你能用这个做类似的事情吗?

安迪:是的。我们认为我们可以做到，尽管我们认为目前还有很长的路要走。我们很确定只用水，而不是燃料(就像燃料喷射器的想法一样)但是只用水我们认为我们可以用它作为喷雾它可以产生蒸汽和水实际上很快冷却下来可以把溶液中的药物带到病人的目标区域。我们还不确定这是否会成功，但我们肯定会对此进行调查。

克里斯-利兹大学的安迪·麦金托什(Andy McIntosh)正在与瑞典仿生3000组织合作，复制投弹甲虫的喷雾技术。

米拉和剑桥大学的吉姆·普拉茨谈到了在风力涡轮机叶片中使用竹子的问题

吉姆:因为风力涡轮机是一个旋转的机器，但是它们是在大气的湍流边界层中，它们受到波动载荷的影响很大，最好的材料是纤维增强材料，金属就不那么好了。所以我们很容易想到玻璃纤维、碳纤维或纤维增强复合材料，但实际上木材是一种天然存在的纤维增强材料。

Meera -是什么让竹子比其他类型的木材更合适?

吉姆:许多常见的木材都有向不同方向伸展的纤维，所以一块木头在各个方向上都很结实，但有些材料，竹子就是其中之一，但你也可以想想冷杉树，木材中的纤维沿着树干或竹茎伸展。

米拉:朝一个方向跑?

吉姆:是的，如果它们都在一个方向上运行，那么在那个方向上你会得到更好的性能

Meera:那么为什么单向纤维对叶片更有利呢?

吉姆:嗯，刀刃本身就很像树。它被固定在叶片的根部，然后它是一个长长的悬臂梁，从风中承受沉重的空气动力载荷，所以它使叶片的尖端弯曲，就像树木在风吹时弯曲一样。所以你想让纤维沿着叶片运行，在梁弯曲的地方给它张力和压缩强度。

Meera -将竹子中的木材整合到风力涡轮机中到底发生了什么?

吉姆:当我们说到竹子时，我们指的是摩萨竹，通常长到12-15米高，茎直径120毫米，壁厚约15毫米，所以这是很大的东西。我们想要的是竹子的外皮，竹子外面1-2毫米的外皮是纤维最密集的地方。这就是我们获得最大力量的地方。其余的竹子可以用来做家具或其他什么，但这是真正的高科技部分。然后我们把这些条一根一根地粘在另一根上做成木板，然后做成叶片的空气动力学形状和强度我们把所有这些木板并排放置，首尾相连，这样就有了结构强度。然后我们用一个聚乙烯袋盖住它，把空气抽出来，让树脂流进去把它们粘在一起，这样就做成了一个完整的结构，外面是玻璃纤维外壳，给了它坚硬的表面，但所有这些竹条都粘在一起，给了它完成这项工作的技术力量。

米拉:你这里有一些木板的样品，它们被树脂覆盖在一起，非常坚固，你甚至感觉不到木板之间有任何缝隙

吉姆:树脂有两个作用，把木板粘在一起，但是木材在干燥的时候有最好的性能，所以我们在使用竹子之前把它弄干，当环氧树脂浸泡在它周围时，环氧树脂是一个完全的蒸汽屏障。有点像你电脑里的硅片里的所有芯片，它们都被包裹在环氧树脂里，以防止它们受潮。

米拉:当然，竹子的碳足迹是负的

吉姆:是的，如果我们将竹子与玻璃纤维或碳纤维进行比较，我们要消耗大量的能量来融化沙子来制造玻璃来制造纤维，而这些能量会产生二氧化碳。因为竹子是一种天然产品，它本身实际上是一种碳封存物。它从大气中吸收二氧化碳，并从中制造出高质量的结构材料。在风力涡轮机20年的运行寿命中它将为你提供400倍于制造叶片的竹子所含能量的电能。因此，它具有负碳足迹和巨大的能源回报。

米拉:那么，让我们来了解一些事实和数据，一个典型的竹子制成的涡轮机，它会是什么样子，它有多大，它会产生多少能量

典型的风力涡轮机是一个80-90米高的塔，转子在顶部直径80米，风力涡轮机叶片40米长。在一个集线器上安装3个这样的叶片，将产生1.5兆瓦的电力。你通常会在一个风力发电场有10个甚至数百个风力涡轮机组成一个相当大的发电站。

Meera -既然竹子不是英国本土的，那么世界上哪里可以使用竹子呢?

吉姆:有几个竹子资源丰富的主要国家。该行业正开始在中国开发这项技术。

我们向克里斯·史密斯提出了这个问题。

Chris -这在仿生学方面很有趣因为人们在谈论利用病毒及其感染细胞的能力并将其DNA和RNA注入细胞进行基因治疗，所以这是一个重要的问题。

…答案是否定的。病毒不是活的，它们没有新陈代谢，它们只不过是一袋具有传染性的基因，它能够将这些基因放入细胞中，使细胞产生所有的病毒产物，以制造更多的病毒。

这就是他们所做的。