在本周的《裸体科学家》节目中，我们用自我修复、自我感知和自我清洁材料的科学来变得聪明起来。我们会听到碳纤维聚合物如何能使航天器自我修复，为什么钛涂层能保持窗户清洁并杀死超级细菌，以及直升机如何在受损时发出警告。此外，肠道细菌如何讲述我们祖先迁移到澳大利亚和其他地方的故事，RNA管家如何让人类在比香蕉更少的基因下发挥作用，以及分子金属笼如何安全地储存氢或过滤二氧化碳。另外，我们把硼砂和胶水混合在一起，做出有弹性的粘稠物!
在这一集里
肠道细菌和母语照亮了太平洋地图
本周，发表在《科学》(Science)杂志上的两项研究发现了生活在我们肠道内的细菌和从我们嘴里说出来的话的证据，这两项研究都揭示了古代人类祖先是如何从亚洲迁徙到太平洋彼岸的，这个问题几十年来一直让考古学家们摸不着头脑。
德国马克斯-普朗克
这些寄生细菌生活在世界上大约一半无法获得现代药物的人口的肠道内，并可能导致胃溃疡。这些细菌只在人类体内发现，所以我们认为我们的祖先把它们带到了世界各地，细菌在途中突变并进化成不同的菌株。
通过对这些肠道细菌的DNA进行测序，Moodley和他的团队发现了两种新的菌株。第一个被称为hp-sahul，他们认为大约在3万年前从亚洲祖先中分离出来，可能是当人们迁徙到印度尼西亚时，当时海平面较低，有一条通往澳大利亚和新几内亚的大陆桥，它们一起形成了一个被称为Sahul的陆地块。
第二种被称为hp-maori的细菌，在大约5000年前的第二波殖民浪潮中从台湾携带到人类宿主体内，首先是菲律宾，然后再向南到波利尼西亚和新西兰。
许多太平洋部落起源于台湾，这也是另一组研究语言的研究者得出的结论。很长一段时间以来，语言一直被用来帮助解开过去，因为，就像变异的细菌一样，语言也会随着时间的推移而改变，并且可以用来追踪世界不同地区的人群之间的关系。
来自新西兰奥克兰大学的拉塞尔·格雷和他的团队分析了400种南岛语之间的关系，这些语言由太平洋上的部落使用，重点研究了相似词的模式，即同源词。
同源词在不同的语言中突然出现，它们听起来相似，被认为有一个共同的起源。相信我的话明星在英语中，这是斯特拉在意大利,胸骨在德国,灭菌在荷兰,爱丝特雷娜在西班牙语中，等等，这表明这些语言之间有共同的联系。
在所有语言之间进行成千上万的比较需要巨大的计算能力，在此过程中，他们发现了更多的证据，证明大约5000年前，人们从台湾向南迁徙，这种迁徙断断续续，可能是随着人们发明了更好的船只，并在越来越远的岛屿群上定居下来。
令人惊奇的是，过去的信息仍然隐藏在我们的内心——无论是在我们说的话中，还是在我们胃里的虫子里。
是时候从垃圾桶里找回垃圾DNA了
科学家们发现了DNA的作用，它构成了基因组的大部分，但以前被认为是垃圾。
爱丁堡大学的研究人员大卫·托勒维和他的同事在《分子细胞》杂志上发表文章，解释了这些位于已知基因之间的非编码DNA片段是如何产生大量化学信使的，这些化学信使调节着对其他基因的控制。研究人员对酵母细胞进行了研究，酵母细胞与人类细胞非常相似，但比人类细胞简单一些，他们发现非编码DNA产生了化学相对RNA的序列。
正常情况下，RNA分子被用来将写入基因组的遗传配方翻译成在细胞中执行重要功能的蛋白质。但是爱丁堡研究小组一直在研究的这些所谓的非编码rna是不同的。
相反，它们被用来控制DNA中化学标签(甲基或乙酰基)的添加或移除，这一过程被称为组蛋白修饰，可以有力地影响被标记基因的活性。
托勒维解释说:“细胞含有大约2米长的DNA，这些DNA需要被紧密地包裹在细胞核内。”这是通过将DNA缠绕成一种称为染色质的紧密结构来实现的。但通过添加这些化学物质来修饰DNA，细胞能够确保某些基因保持可及性和活性。”
这相当于把你最常用的东西移到橱柜的前面，这样它们就更容易够到。
托勒维说:“我们认为这个过程使酵母能够更严格地控制其基因活动，以利用不同的环境条件或食物来源。”但在人类身上，它也回答了另一个重要的问题——为什么我们的基因比香蕉还少呢?
对快速精子的需求
对于一条雄鱼来说，当你生命中的女人四处游荡，和很多其他雄鱼交配时，生活可能会很艰难。这意味着，为了确保你能生育很多后代，你必须与所有其他男性竞争，更具体地说，你的精子必须能胜任这项工作。
现在，由西澳大利亚大学的约翰·菲茨帕特里克领导的一个研究小组首次在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表文章称，当雄性鱼类必须每天相互竞争以获得交配机会时，它们的精子会进化得更大、更快。
当一夫多妻制的鱼交配时，雌性鱼会产卵，雄性鱼会冲进去加入它们的精子，希望它们是第一个进入的。
很长一段时间以来，生物学家一直怀疑一夫多妻制的雄性必须进化出更快的战术精子，因此更有可能首先到达卵子，但直到现在，还没有找到确凿的证据来证明这一观点。
菲茨帕特里克和他的团队研究了生活在非洲坦噶尼喀湖的慈鲷。慈鲷以极其迅速地进化成许多不同的物种而闻名。一些慈鲷是一夫一妻制的，而另一些则是高度滥交的，一生中分享许多不同的伴侣。
通过研究这些具有不同交配行为的慈鲷，研究人员可以解开精子进化的问题。
研究人员在湖中潜水，捕获了29种不同种类的雄鱼，并对它们进行解剖以研究它们的精子。他们在显微镜下测量精子的长度，并用数码摄像机测量精子游动的速度。他们发现，与一夫一妻制的物种相比，拥有很多配偶的一夫多妻制物种的精子确实更大、更快。
这也是第一次收集到充分的证据来证明，当精子变大时，它们确实游得更快，因为它们的尾巴或鞭毛更长，可以产生更大的推进力。
菲茨帕特里克和他的团队从早期绘制了所有这些慈鲷的家谱的研究中得出，最初在湖中定居的古代慈鲷的精子体积小，移动缓慢，随着时间的推移，某些谱系中的滥交增加，精子开始进化得更大更快。
慈鲷鱼是第一批在一夫多妻制物种中证明了快速精子进化的物种，但很可能在许多其他物种中也发生了类似的事情，雄性必须尽其所能确保将自己的基因传递给下一代。
MOF和分子筛
与西北大学的乔·赫普教授合作
克里斯-现在有请来自西北大学的乔·赫普。你好,乔。这些飞蛾是什么，它们的结构是什么如果你用一个非常强大的显微镜放大看它们，它们会是什么样子?
角上的金属原子或离子，然后是由有机分子制成的刚性柱。它们的每一组都定义了一个笼子，但这个笼子是永远存在的，它们的一个重要特性是它们不仅仅是孤立的笼子，它们是结晶材料。如果你放大看其中一个笼子，你会看到一个隧道一直延伸下去，一直都是同样大小的笼子。
Chris -所以它就像孩子们的积木，但中间有一个洞，你可以把它们连接在一起，做成巨大的容器，但在分子水平上。
乔:没错。这些材料的表面积非常大。最大的每克超过6000平方米。它们是许多已知晶体材料中密度最低的。它们有巨大的内部空间。有些地方80%以上是空的，所以这些微小的墙壁定义了很多微小的空间。重要的是空间大小取决于分子的大小。这使得它们能够储存像氢或甲烷这样的分子作为燃料，或者像你提到的，从混合物中抽出一些分子。
克里斯-我只是想补充一些观点，6000平方米和一个足球场一样大，所以每克是不可思议的。当你说你实际上是在角落里用金属原子做这些东西的时候如果我们想象一个立方体它是最简单的结构和功能单元你在立方体的角落里有一个金属原子它们通过这些有机连接剂连接起来。你是怎么做这些东西的?
乔:嗯，它们其实很容易做。只是很难把它们做好。你只需把它们，那些对金属离子有粘性的碎片，在混合物中煮上四五天。如果一切顺利，你会得到晶体。我们通常做的是尝试三到四百组条件，其中一些是有效的。目前这是一门非常实证的科学。
克里斯，这些东西你能做多少?我们讨论的是每克的量还是一个可以容纳一定量分子的合理量?
乔:在实验室里，我们正在为特定的目的设计和研究这些药物，所以我们只需要几十或几百毫克。巴斯夫是世界上最大的化学公司，它已经证明，使用合适的材料很容易生产出公斤数量的这种化学物质。事实上，他们已经在欧洲各地开了一辆示范车，油箱里装满了甲烷。储存甲烷的是这些小洞吗?
克里斯:你能给我们解释一下这些小洞是如何储存甲烷的吗?为什么使用像这样的复杂晶体比在汽车后座放一大桶汽油更好呢?
乔:嗯，首先，我认为你或我都不会想要开一辆后面装有不锈钢气缸以防碰撞的车。如果甲烷储存在一个比甲烷本身大不了多少的容器里，会安全得多。事实证明，为了粘在物质上，它必须非常靠近它。在不锈钢容器中，大多数分子都不会碰到容器壁。最好是有小通道，让分子附着在上面。
克里斯，你能告诉我们吗，因为我提到的一件事，你可以从烟道和排气管中清除气体。你能制造出一种分子，它的空腔具有足够的化学活性，可以抓住一种你不想进入大气的化学物质或废气，让危害较小的物质通过吗?一种分子筛，如果你喜欢的话。
乔:有很多有趣的研究，比如，从甲烷中提取二氧化碳。美国的一家公司，Innovene化学公司，每年花费5亿美元在冰箱上。他们将二氧化碳压缩成液体，从天然气中提取二氧化碳，他们每年花5亿美元在这上面的原因是他们可以把天然气的价格每年提高5亿多美元。这是非常能源密集的，他们更希望有一种材料，它可以抓住所有的二氧化碳，留下天然气，甲烷。
精子越强就意味着人越强吗?
克里斯:精子是制造精子的基因质量的一个症状，所以如果你有制造精子的好基因，那么你的精子就会先形成，如果其他的基因不能使一个人健康，那么他们就不能制造出好的精子，也就不能制造出很多精子，所以我认为你不能只有一个而没有另一个。
自我感知，自我修复材料
谢菲尔德大学的弗兰克·琼斯教授
我们今天请到了谢菲尔德大学的弗兰克·琼斯教授，他正在开发一种能够自我感知和自我修复的材料。嗨,弗兰克。
弗兰克:嗨，海伦。
海伦:首先，我们所说的自我感知和自我修复材料是什么意思?
弗兰克-自我感知在很大程度上与直接从结构中检测损伤有关。愈合是一种情况，就像皮肤一样，任何缺陷或裂缝都能立即自我修复。这可以通过多种方式实现。有几种方法可以做到这一点:一种是加入小胶囊的液体单体，一旦裂缝出现，就能像血液一样扩散到裂缝尖端。其他技术，比如我们正在尝试开发的技术，利用了聚合物有很多未占用的体积这一事实，你可以将其他分子包裹在结构中，当裂缝形成时，它们可以通过扩散来治愈裂缝。这就是这些材料的大意。
首先，他们能感觉到什么样的伤害?我们可以尝试治疗什么样的材料?
弗兰克:我们主要关注纤维复合材料，如碳纤维、增强树脂和玻璃纤维增强树脂。复合材料失效的本质是在纤维之间连接的基质中出现裂缝。只要纤维完好无损，结构就很健康，但裂缝可能是一个薄弱环节，可能导致完全失败。你需要做的是修复树脂中的那些裂缝，并在很长一段时间内保持结构的完整。
海伦:我想这些最初是非常微小的裂缝吧?它们很小吗?
弗兰克:这要看情况。它们可以扩散到整个材料中，破坏所有的纤维，并通过现有的纤维有效地结合在一起。例如，如果你沿着马路走，看看路边的白线，你会发现这些白线上有很多裂缝。由于路面、柏油路和白漆的特性不同，这些白线会出现裂缝。在复合材料中也会有同样的现象因为两种材料之间有两种刚度。基本上你有一个非常类似的情况，所以你可以现实地治愈白色油漆裂缝。
海伦:你已经开始提到了，我们可以用两种不同的方法来制作这些自我修复的材料。我们能多谈谈这个吗?我们如何创造出这些知道自己已经被损坏的材料，并对其采取措施?
弗兰克:在我正在研究的这个项目中，我们有导电的碳纤维。如果你测量碳纤维的电阻，你可以有一个简单的方法来检测它们是否损坏。当纤维断裂时，阻力会增大。我们发现，在实际的复合材料结构中，如果只有树脂裂缝，阻力实际上会降低。我们可以直接检测到纤维周围有一个基质。因此，我们有机会利用碳纤维的抵抗力来提供一种愈合机制。如果你用电阻加热纤维，就会产生局部热量，需要产生能量来修复树脂。
海伦:那会融化一些东西，然后把材料粘在一起，对吗?
弗兰克:是的，你是对的，但这需要更微妙一点。你不想失去与结构相关的整体刚度。
海伦:当我们没有这些系统让它们自我修复时，这些材料还像以前一样坚固和坚韧吗?
幸运的是，复合材料在真正失效之前可以承受相当大的损伤。这就是为什么直升机旋翼叶片非常耐用，在疲劳实验中可以持续数百万次循环的原因。你的另一位嘉宾，菲尔·欧文教授可以告诉你很多关于这方面的事情，因为他研究过汽车弹簧的疲劳。他非常积极地参与了汽车工业汽车弹簧的开发。它们的抗疲劳结构与汽车寿命一样长。这些材料很好，但为了减轻损害，它给了你一个额外的维度，他们的生活。
海伦:我说的这些自我修复的材料可能在太空中都有用处，而且可能对我们有帮助，我说的对吗?
弗兰克-我觉得这是个好主意。你可以远程检测损坏情况。你可以发送一个信号，让材料自己愈合，所以我相信这是有潜力的。
自洁玻璃
与伦敦大学学院的Ivan Parkin教授合作
米拉-本周我在圣潘克拉斯国际机场，它在2007年11月耗资8亿英镑重新开放。这次修复的一个更显著的特点是覆盖着著名的巴洛火车棚的玻璃屋顶。这是我走进来第一件引起我注意的事。它比街道高出110英尺，面积超过10000平方米，使用了超过17000块玻璃面板。真正有趣的是，屋顶不仅仅是由普通的玻璃制成的。由于在纳米尺度上玻璃上发生的反应，电池板具有自我清洁的能力。和我一起在圣潘克拉斯的是伦敦大学学院材料化学教授伊万·帕金，他告诉我这种自洁玻璃是如何工作的。
伊万-自洁玻璃有两种工作方式。一种是所谓的光催化作用，也就是光在玻璃表面的作用，基本上是把表面的污垢咬掉或吃掉。另一个原因是亲水性。那就是玻璃喜欢水，任何雨水撞击表面都会形成薄片，从而以均匀的方式冲洗掉任何污垢。
米拉-玻璃上是什么导致这一切发生的?
伊万:玻璃的外表面有一层涂层，是一种叫做二氧化钛的化学物质。二氧化钛是一种无机颜料，被广泛应用于各种各样的产品中:从反射太阳紫外线的防晒霜到牙膏，再到白色油漆甚至纸张中的增白剂。二氧化钛以非常薄的涂层形式出现在玻璃的外表面。它的厚度约为25纳米，具体来说，涂层的厚度与玻璃的厚度之比就像一便士硬币的厚度与金丝雀码头塔的高度之比一样。
Meera -这是如何去除玻璃上的污垢的?
伊凡:这是一个双重机制。一:阳光对二氧化钛的作用会产生一种叫做电子和空穴的物质。这些具有二氧化钛特殊性质的电子和空穴可以迁移到表面，它们可以[启动]一个被称为氧化和还原存在的任何有机物质的过程。实际上，二氧化钛的作用是吸收阳光中的紫外线成分，从而导致玻璃表面的任何有机物质、灰尘或碎片的降解和分解。它将其转化为二氧化碳和水。它的一个简洁的特点是，它从污垢的底部向外工作，因此它通过破坏污垢和玻璃的接触层来松散材料涂层上的污垢。
米拉:什么样的泥土可以分解?当然不是一切?
伊凡:没错。它主要对有机污垢或碎片起作用。如果表面有无机物质，那就有问题了。例如，如果你有一个自洁玻璃，在海滨酒店，有盐雾影响窗户，自洁玻璃真的很难去除盐，盐会沉积在表面。
米拉:那么怎样才能除去这些污垢呢?
Ivan -任何雨水在表面上的冲击都会形成一个非常光滑的薄片，它会均匀地冲洗东西。原因是阳光对钛的作用也产生了一个非常亲水的表面，非常亲水。水喜欢湿润表面，阳光的作用会在表面产生有效的羟基物质，如果水有能力与玻璃形成氢键。这就是为什么它能如此有效地润湿它。
Meera:如果它在表面形成了这层水，那这层水是怎么消失的?
伊凡:它只是以一种统一的方式下降。而不是把污垢集中在小溪流或小水滴的边缘随着时间的推移，它的浓度越来越高，所以你会得到一个径流模式，这里的径流模式非常均匀，所以你实际上不会注意到它。所有东西都以同样的速度被冲走，但它主要只适用于有某种倾斜形式的表面。如果你有一个完全水平的表面，那么它就会挣扎，因为没有梯度让水流出来。然后它会蒸发，你仍然不能很有效地清洁。
米拉:这很有道理，因为看看圣潘克拉斯的屋顶，虽然它是拱形的，但每一块玻璃实际上都是成一定角度的。
伊凡:是的，没错。如果你看面板它们可能至少有一个30度的角在你看的任何一张纸上。它们不仅呈拱形，而且还以一种波纹的方式集中在一起，所以每对玻璃窗格的中间都有一条山脊线。
Meera -当玻璃装上二氧化钛吸收足够的能量并真正发挥作用时，会需要一段时间吗?
伊凡:是的，通常在晴天或雨天需要12小时到24-48小时才能有效工作。
Meera -这种涂层的性能除了用于清洁窗户外，还能用于其他地方吗?
伊凡:是的，这是我们在伦敦大学学院正在做的研究。就是研究这些涂层的抗菌性能。实际上，它们在消灭环境中的细菌和病毒方面表现出了一些非常惊人的特性。例如，我们通过一些研究表明，这些涂层可以摧毁耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，大肠杆菌和艰难梭菌。这些表面上的任何细菌，在环形照明的作用下，都可以在这些涂层表面上被摧毁。这实际上是一种潜在的方法，试图帮助减轻医院获得性感染，这是一个巨大的死亡来源，也是所有发达国家的成本。
自我意识系统
与克兰菲尔德大学菲尔·欧文教授合作
克里斯-菲利普·欧文教授现在加入我们。他来自克兰菲尔德大学。他的同事们已经建立了综合车辆健康管理中心(IVHM)，他们希望将所有这些复杂的线索结合起来。你好,菲尔。
菲尔-嗨，克里斯。
克里斯-欢迎来到裸体科学家。金宝搏app最新下载告诉我们一些你正在帮助解决的问题。你到底想解决什么问题?
首先我们要说的是所有的机器和结构在投入使用后都会逐渐退化。它会出现裂缝，磨损，开始腐蚀，目前的情况是所有这些都必须通过人工检查来防止。如果我们能摆脱所有这些人工检查，拥有一些东西，就像你说的，可以自己照顾自己，当它被损坏时，它会检测到并自我修复，那就太好了。那真是太好了。
克里斯-听起来像弗兰克说的，我们可以做到。
菲尔:我们可以，但这绝不是故事的结局。我们开始为复合材料开发这些自我修复的想法。我们仍然要担心传统的材料，比如混凝土、金属、铝、钛，所有这些材料最终都开始发展起来，投入使用。到目前为止，我们唯一能解决这个问题的方法就是预测结构在什么时候会衰变。最好是在灾难发生之前。
克里斯-这就是为什么弗兰克说你和直升机叶片。如果其中一个出了问题，你可能会遇到我们在这个国家看到的风力涡轮机效应，每个人都把它归咎于外星人。可能是结构疲劳造成的。
菲尔-没错，是的。事实上，直升机是为数不多的拥有自己的损伤监测系统的机械之一。这并不是一种智能材料因为它是基于直升机齿轮箱中的振动。如果你记录下这些振动然后进行相当复杂的计算机分析你就可以计算出是否有任何变化，是否开始发生损伤然后找出你要做什么。这真的很棘手。以及任何关于灾难发生前多久的预测。这才是真正棘手的地方。
克里斯，我想知道是谁开着直升机飞了那么久才发现那些是危险信号。
菲尔-好吧，说真的，这是一条漫长而艰难的道路，而且已经发生了许多非常严重的直升机事故，在这些事故中，人们之前注意到，在灾难发生之前，直升机的齿轮会发出奇怪的声音。
Chris -我想关键是能够在危险信号恶化到破坏材料的完整性之前预测到它们是什么。
菲尔。是的。如果我们有一张《星际迷航》控制室的整个结构的地图那就太好了在外翼上有一个红灯闪烁，它表明那里已经开始出现损坏，但在可能发生危险的事情之前还有几百个飞行小时。这才是我们真正想要的。
Chris -我确实看到有一项很有趣的研究是在吊桥上进行的用电线编成辫子把类似听诊器的东西放在电线上你可以听到这些ping的声音那是电线的每一股发出的声音。这意味着，你不必打开电缆，查看电线的物理状况，你可以用声音来计算何时需要更换这些电缆。我想监控的概念正在兴起，不是吗?
菲尔-你所描述的技术被称为声发射，是未来结构和机械损伤保护的巨大希望之一。目前这方面的研究非常广泛但难点在于我们刚才提到的。你如何从最初的损坏检测，说，是的，这是在进行中，但桥梁目前是好的，在什么时候你需要开始考虑采取一些维护行动。这一切都与你何时以及如何真正延长你的寿命有关，你最终可以在没有任何灾难发生的风险的情况下提高你的能力。这是个棘手的问题。
克里斯-什么，在IVHM，你想做些什么让这更容易?
菲尔:我们正在努力建立一个中心，把这个项目需要的所有不同学科都集中起来。最困难的领域之一是，绝大多数工程结构和机械，如直升机或飞机，都是一个非常复杂的系统。我相信你们会明白，诊断人体，将症状转化为有关损伤的信息以及预后，是一件非常困难的事情。它几乎和飞机等复杂的机械部件一样困难。这是我们要做的事情的中心。我们正试图将所有这些不同的部分结合在一起，试图创造出有效的系统，以这种方式检测损坏。
Chris:我想这样人们就会发现如何预测问题，而不是通过艰难的方式发现问题。
菲尔:是的，完全正确。
你能本能地数出多少物体?
我们把这个问题交给了阿伯丁大学心理学院的罗伊·艾伦博士:
他说的是替换，替换是我们的一种明显的能力，可以立即理解一小群物体的数量，而不需要有意识地逐一计算。不幸的是，这是一个有相当激烈争论的研究课题。很多人认为这样的补贴根本不存在，这实际上是某种形式的有意识的快速计数。要研究冥想是非常困难的，因为你必须消除有意识的计数。要做到这一点，唯一的方法就是在很短的时间内快速地呈现刺激。比如50毫秒，然后让人们给出他们实际看到的物体数量的印象。这个人的问题很难回答，因为只要物体存在很长一段时间，它们就有可能在计数的同时也在计数。这个问题的答案可能是真正意义上的3或4。我们可能通过某种形式的模式识别来做到这一点。数量和特定形状之间存在某种关联。 For example, a triangle - three objects is always a triangle or almost invariably a triangle; two objects always form the ends of a straight line.
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