电气化未来

本周，来自亚利桑那州立大学的一个研究小组宣布，他们发现了可以在含砷环境中茁壮成长的细菌。这是一种通常毒性很大的化学物质，但这种细菌不仅能忍受它，它们甚至可以用砷代替磷，而磷通常是DNA中的关键元素。亚利桑那州立大学的保罗·戴维斯教授是该论文的作者之一，该论文于本周在《科学》杂志上宣布了这一发现科学他现在和我们在一起。你好,保罗。

保罗-你好。欢迎来自亚利桑那州。

克里斯-谢谢。首先，你一直在研究的细菌到底是什么?你是如何分离出它的?

保罗:这是一种常见的花园细菌，并不奇怪。这并没有什么奇怪的地方。如果不是我的同事Felisa Wolfe-Simon的深刻见解，她现在在Menlo Park的美国地质调查局工作，那么我们永远不会知道有什么惊人的砷的能力，但她几年前有一个预感，然后我们在亚利桑那州立大学发展成一个完整的假设。可能有一些生物可以用砷代替磷，这些生物就是砷生命，她去加州的莫诺湖寻找它们，那里被砷严重污染。所以，这是一个精明的地方但如果她没有给它们喂食大量砷和零磷的食物，我们永远不会知道。

克里斯:她最初从湖中获取了一些细菌样本，这些细菌在环境中可以忍受一定程度的砷，然后通过强迫它们生活在一个富含砷但没有磷的环境中，它们能够用生物化学的方式，在DNA、脂质和其他维持细胞运转的物质方面，代替砷来实现它们的实际行为，用砷来代替磷。

保罗:完全正确。它们把砷带入了重要的内脏——这是很重要的一点。当然，理想情况下，我们想去一个砷含量高磷含量少的地方，地球上有一些地方，比如深海火山口，但去那里很贵，莫诺湖很方便。此外，美国地质调查局的罗恩·奥姆兰(Ron Omland)在那里做了一项研究，研究那些与砷调情的生物，但除了费利萨和我们几个人之外，没有人真正期望找到比这种调情更有效的东西，它们会把砷吸收到内脏里，并用它来代替磷。所以，这是第一个，因为一直以来，生物学家都认为所有的生命都是由六种基本元素组成的:碳，氢，氮，氧，磷和硫。在这里，我们有一个有机体，它偏离了这个基本工具箱。

Chris:从化学角度来说，为什么这种细菌可以用砷来代替磷呢?我们之前认为磷是绝对重要的元素。

保罗:砷是一种毒药，正是因为它在化学上看起来像磷，所以，这就是我们认为可能会发生这种情况的原因，但我们不了解其中的机制。我们不知道是谁在改变这些小虫子体内的齿轮，也不知道到底发生了什么。我们只知道磷被砷取代了。当然，最理想的情况是，我们希望找到一种有机体，从一开始就完全是砷，而磷是一种毒药。不是这样的。它具有双重功能。它喜欢磷。它喜欢砒霜。它可以同时处理这两种情况，所以，它可以混合和匹配，但最重要的是找到一种砷生物是出于义务，而不是出于选择。

Chris -但我认为重点是，你在论文中说得很好，这表明，如果我们自满地认为所有生命都是基于你提到的这六种基本元素，其中之一是磷，实际上，这是不正确的，我们在地球上有一个例子，一个有机体如何替代完全不同的元素进入它的生命。因此，这表明，生命以一种完全不同于我们在地球上所理解的方式存在的机会，很可能存在于外太空。

保罗-没错。也许不是外太空，而是在富含砷的行星或卫星上，但我认为这证明了一个更令人兴奋的观点，那就是，你可能有完全不同的生命形式，隐藏在我们的眼皮底下，就在我们的鼻子底下，就像任何普通的或花园里的微生物一样。你不能通过观察微生物来判断它们是由什么组成的，是什么让它们运转的。这项研究是寻找我们所说的“影子生物圈”的更广泛背景的一部分，或者是寻找地球上是否存在不止一种根本不同的生命形式。是只有一棵生命之树，有许多有趣的分支，还是可能不止一棵树?现在这个特殊有机体显然是在与你和我相同的生命之树,但是它确实表明因为你不能告诉通过,可能会有更大的惊喜在商店,如果我们遵循砷,看到这,我们会发现一个生物体甚至无法被安装在与你和我相同的生命之树,这将表明,地球上的生命已经开始和的影响不止一次宇宙。

Chris -我想说的是，我们今天在地球上看到的生命是适应了现在这个星球的生命。如果我们把时钟拨回到45亿年前的早期地球，那将是一个非常不同的地方。有可能像这样的生物大量存在，它们被适合今天地球的生物所取代。

保罗:是的。更保守的解释是，这是一种后期适应，以适应高砷环境。但你提到的更令人兴奋的可能性是也许生命是沿着砷的路线开始的，原因很简单天体生物学家最喜欢生命开始的地方是深海火山沟槽那里有一种化学混合物被火山的热量搅动着。如果是这样的话，那么，那里就含有砷，这是一个富含砷的环境，所以我们有理由认为，也许生命是从砷开始的，只有当它传播的时候，它才开始利用磷。所以这些东西可能就像活化石，是远古时代遗留下来的。现在下结论还为时过早，因为我们需要其他的例子。如果我们有一个砷微生物的完整集合，我们可以开始做一个系统发育树，我们可以开始看到它们有多古老，基因有多古老，但现在还处于早期阶段。

克里斯:保罗，我来结束这个问题，你已经为砷做了这个，但是我们知道的其他对生命至关重要的元素呢?有没有可能在元素周期表中，其他与砷和磷的化学性质相似的元素在生命中被取代，因此，我们有其他生物使用完全不同的化学物质来代替碳，氢，氮，氧，硫和磷?

当然，在这个游戏中排除任何可能性都是轻率的，但最受欢迎的是碳被硅取代，这很受欢迎，甚至还出现在《星际迷航》的一集里。所以，我们必须认真对待。但是我的化学家朋友告诉我这很难，我认为碳是最后一个被淘汰的，但是我们必须考虑一下，比如说硫，以及磷可能被砷以外的东西取代的可能性。所以，我认为这将打开微生物学家的眼界，鼓励人们去寻找更广泛的地方，更广泛的化学组合，而不是我们所处理的两种。

克里斯-应该一直认真对待《星际迷航》。保罗，非常感谢你。这是亚利桑那州立大学的保罗·戴维斯。

科学家们发现，他们可以通过清除大脑对引起不适的事件的记忆来消除慢性疼痛。慢性疼痛对患者来说是一个重大的健康问题，也给医疗保健提供者带来了相当大的经济和治疗负担。但现在，在本周发表在该杂志上的一篇论文中科学在美国，研究人员已经证明，某些类型的痛觉在很大程度上是“在头脑中”，可以用药物消除。

多伦多大学的科学家Li xiangyao Li通过对老鼠进行基因改造，在受到神经损伤影响的神经元中表达一种发光的绿色基因，从而发现了这一发现。在一组小鼠身上，当控制后肢的腓总神经被结扎时，大脑前部被称为前扣带皮层的细胞亮起了绿色。与此同时，这些动物表现出了异常性疼痛的迹象——或者神经性疼痛——一种感觉增强的状态，在这种情况下，通常无害的刺激——比如轻拂一块受影响的皮肤——会感到极度疼痛。

但是，当研究小组将一种叫做ZIP(泽塔伪底物抑制肽)的化学物质注射到前扣带皮层时，异常性疼痛症状消失了。ZIP抑制一种叫做磷酸激酶M-zeta (PKM-zeta)的酶。

这似乎在控制神经细胞之间突触连接的强度方面起着关键作用。因此，当学习到某些东西时，PKM-zeta会增加其在突触中的活动，并使目标神经细胞对神经递质化学物质敏感。PKM-zeta也促进自己的活动，帮助维持学习状态下的神经连接。

但如果注射ZIP，它会抑制酶，削弱神经连接，也会阻止PKM-zeta进一步的活性。它有效地抹去了学习，当注射到前扣带皮层时，它能够使清醒的动物的异常性疼痛症状消失，这一事实表明，一些慢性疼痛状态是由大脑“学习”的，这可能是有可能使用这种方法来清除神经系统的石板，并重新设置患者的疼痛阈值。

戴安娜:在发达国家，我们往往想当然地认为，只要插上水壶或电脑的插头，水龙头上就有电。但在世界上的许多地方，这根本不是一种选择。非洲大部分农村地区没有电网。由于电网的建设和维护成本很高，因此电力的价格可能会高得令人望而却步。但Meera Senthilingam一直在寻找一种新的简单的解决方案，这种解决方案在英国率先出现，可以为那些需要的人提供负担得起的电力。

米拉—农村电气化是发展中国家面临的最大挑战之一，全世界有数十亿人生活在没有电力供应的环境中。卢旺达等国试图通过增加电网接入来解决这一问题。但由于费用、维护和基础设施方面的挑战，这个问题仍然存在。卢旺达当地人Simon Bataringaya解释道。

西蒙-电力在卢旺达是个大问题。周围的照明是个大问题。随之而来的是安全问题。由于照明时间短，工作时间有限。根据我们在2009年底进行的人口普查数据，卢旺达有7%的人口用上了电。卢旺达人口的90%以上生活在农村地区。对于这些人来说，只有0.1%的人有电可用，而且非常明确地说，人口总数超过1 000万。因此，电力仍然是卢旺达的一个问题，限制了他们的发展。

Meera - Simon Bataringaya在卢旺达报道。目前，卢旺达居民通过燃烧煤油和蜡烛来克服这些限制，并在市场上付费使用发电机。但现在，来自伦敦帝国理工学院的一组工程专业学生开发了e.g inox项目。太阳能供电亭位于农村地区，为当地人充电并提供电池组。第一个售货亭位于Manazi区，另一个更新的设计在Bugesera区开放。E.quinox副主席Daniel Choudhury解释了更多内容。

能源亭的概念是一个集中的充电站。最新的太阳能亭在屋顶上安装了10块太阳能电池板。简而言之，太阳能电池板将为这些电池盒充电。人们会把它们带走，一旦他们把它们用于各种应用，无论是照明，给手机或收音机充电，他们会把它们带回来，能源亭会给它充电。太阳能电池板通过充电控制器连接，然后连接到一个大的蓄电池。这样做的目的是，如果你遇到雨天或雾天，而你没有足够的阳光，它提供了一个备用电源。

Meera -你在我们面前有电池盒的例子，从最初的盒子开始，也从目前正在使用的盒子开始。我认为它们之间的主要区别是尺寸。告诉我更多关于实际电池盒的信息。

丹尼尔:原来的电池盒的容量是12安培小时，新电池盒的容量只有原来的一半，只有5安培小时。旧的提供12伏的直流电源，新的提供230伏通过一个逆变器，其中包括在盒子里。这意味着新盒子基本上是一个便携式插头，所以你可以插入任何低功耗的东西。所以无论是你的手机充电器还是我们提供的灯，它都能给它供电。

Meera -正如你提到的Bugesera的设置，那里提供了多少个电池盒，总的来说产生了多少电力?

Daniel - Bugesera太阳能亭有10块太阳能电池板，每块都有65瓦的峰值，我们用我们的电池箱为120个家庭提供服务。

Meera -这在很大程度上是靠向用户收费来维持的。那么这个费用是什么，它是如何设定的呢?

丹尼尔-人们将支付大约10英镑的初始押金和两个月的经常性费用来给电池盒充电。赚来的钱用来支付店主的工资和售货亭的维护费用。我们根据煤油和人们对煤油的使用量来计算这个价格，这样就不会增加他们的成本，而是取代了购买煤油以满足他们的能源需求的成本。煤油可以用来照明，我们的电池盒提供了额外的服务，比如给手机充电。每个人都有两部手机，那里的网络是足够的，但他们只需要一个给手机充电的点。

Meera - Daniel Choudhury, E.quinox Energy Kiosks的副主席。然而，丹尼尔提到的技术并不局限于太阳能，因为该团队最近调整了他们的设计，以利用其他可再生能源，以及利用电网。主席克里斯托弗·霍珀告诉我更多。

Christopher -一开始，这似乎是违反直觉的:为什么电网旁的人需要电池箱?他们有电网!但事实是，很多人即使住得很近，也无法接入电网。事实上，有些人生活在电网线下，6点以后他们就生活在黑暗中。这主要有两个原因。第一，人们通常负担不起电网连接，第二，有些人负担得起，但他们住得离电网太远。很近，但还没近到连在一起。所以我们认为，通过在电网沿线安装与电网相连的电池充电站，可以扩大电网的覆盖范围。

梅拉:但是除了这个主要的能源，你们现在也在探索水电在未来的潜力。

克里斯托弗:我们想制定一个灵活的解决方案。我们知道，能源亭是一种灵活的电气化解决方案。特别是卢旺达有很大的水电潜力。那是一个多山的国家。事实上，它被称为“千山之国”。雨水也很多，所以有很多小河可供我们利用。当我谈到水力发电时，我不是指巨大的水坝，大型发电厂，而是指非常非常小的水力发电——picohydro。所以几百瓦的连续电力就足够为一个小社区供电了。特别吸引人的是，水力发电可以提供24小时不间断的电力。所以，如果你把它和缓冲电池结合起来，你就可以给很多小电池箱充电，以满足当地的需求。 So basically, if you compare it to a solar powered kiosk, for example in Bugesera we have 650 watts solar power, so 100 watts of continuous hydropower would be the equivalent to power a smaller sized community.

米拉-通过控制不同的发电方法来提供这种便携式能源，可以为未来所有农村电气化铺平道路。

克里斯托弗:传统的电网电气化方式并不奏效。就像非洲人一样，非洲大陆的很大一部分人已经跳过了整个固定电话连接。我们认为这个电池盒的概念可以相当于手机的电力分配，因为它是一个更灵活的解决方案，而不是每个房子都硬布线。世界银行的研究表明，即使每个家庭都接入了电网，超过50%的家庭甚至无法支付电费。所以，你真的需要重新思考你处理这个问题的方式。最后，我们希望真正扩大规模，因为这不仅仅是卢旺达的问题，而是你想要开发一种万能的解决方案，可以大规模复制，真正产生影响，改变人们的生活。

克里斯:好吧，让我先讲第一部分，然后乔纳森可以谈谈温度部分，因为那更像是他的包。如果你把卫星拴在一根很长的电缆上，你就可以在太空中悬挂一根电线。你会有一根导线，如果卫星在轨道上运行，穿过一个变化的磁场，如果你这样做，它会在电缆中产生电流，因此，你会在电缆中分离电荷你会有一个正极和一个负极，这是真的。但是怎么把能量释放出来呢?因为你要把另一根导线从正极传到负极得到一个电路，这意味着你有另一根导线通过完全相同的磁场，它会得到完全相同的电荷分离，所以不会有净增益。好主意，但实际上可能很难。乔纳森，你怎么看这个问题的地热部分?

乔纳森:当然，地热能的使用非常非常广泛，特别是在像新西兰这样地热活跃的国家。我认为这个问题指的是深入地核。这将是非常昂贵的。深达1000英尺的深度钻探是可以实现的，但成本不低，而且操控起来也不容易。因此，地热往往局限于有合适地热条件的地区，在那里热量接近地表，可以被利用。

我们把这个问题交给了来自阿登布鲁克医院的胃肠病学家迈尔斯·帕克斯和重症监护医生阿里·埃尔科尔。

Miles -使用直肠作为对脱水个体进行液体补充的手段是一个有趣的想法。结肠或大肠的主要功能是吸收液体，通常情况下，当物质从小肠进入盲肠时，没有被消化的物质，纤维制品等等，连同大量的液体和溶质一起进入结肠，然后液体被吸出当物质绕结肠4英尺左右形成粪便。所以，你可以看到结肠是为吸收液体而设计的，但它确实需要在溶质运输的背景下这样做，也就是说，钠离子和氯离子，等等。溶质本身的吸收，产生了渗透梯度将液体从肠壁吸到血液中。因此，记住这些事情，我确实认为水灌肠本身，或者水本身，可能不太可能被临床吸收大量，当然，它很可能再次从直肠中排出，然而，我认为施用生理盐水或类似的东西可能会导致液体的大量吸收。

戴安娜:水本身可能不会有太大的作用，但盐水溶液可以给一个更好的机会喝。但是，如果你被困在盐水滴，而你得到的只是更咸的海水呢?

Ari -不幸的是，如果你不幸被困在海上，给自己打海水灌肠来补水完全是热力学上行不通的。问题是海水中的盐比人体组织中各种溶质的浓度要高得多。因为，至少在第一个近似上，肠道可以被认为是一种半透膜，这将导致水分子倾向于通过肠壁从身体移动到海水中，以减少浓度差异。水沿着自己的浓度梯度穿过半透膜的过程被称为渗透，这在生物学中非常重要。在这种情况下，它实际上会导致你越来越脱水。淡水的情况正好相反，它可以被成功地吸收。话虽如此，这两种方法都不是很安全，特别是如果水是脏的。所以，如果你被困在海里，给自己做海水灌肠可能会让你失水。当然，如果你被困在鸡尾酒会上，给自己做海水灌肠也可能会让你失去朋友!