细菌体内的乘客

为什么戒烟者经常抱怨体重增加为什么经常吸烟的人平均更瘦?美国科学家已经破解了这个问题。

尼古丁一直被认为是头号嫌疑犯，因为实验动物在服用这种药物后体重减轻了，但没有人知道其中的原因。

现在，耶鲁大学的科学家Yann Mineur和他的同事们在《科学》杂志上发表了一篇文章，他们找到了与食欲有关的大脑下丘脑区域的确凿证据。

研究小组发现，在这个区域，神经细胞被尼古丁激活，产生一种叫做原黑素皮质素(POMC)的化学物质。当这种物质从这些细胞释放到大脑中与食欲相关的区域——室旁核时，就会产生厌食的效果。

研究小组在实验小鼠身上发现了这一发现，他们使用药物选择性地激活或阻断大脑中与尼古丁结合的化学对接站的某些亚类，即乙酰胆碱受体。

一种被测试的药物，胱氨酸，非常类似于尼古丁的食欲抑制作用。它选择性地与乙酰胆碱α 3- β 4受体结合，因此研究小组使用了一种改良的病毒来灭活一组小鼠下丘脑中的这些受体。

当随后给予尼古丁模拟药物后，这些接受治疗的动物不再减肥。然后，研究小组用另一批动物，在加入尼古丁后对神经细胞进行了电记录，结果显示，这种药物引发了产生POMC的神经细胞的活动爆发，这表明这可能是抑制食欲的信号。

与这一理论一致的是，POMC基因被“敲除”的老鼠在食欲方面没有表现出任何尼古丁引起的变化。当研究小组在另一组老鼠身上使用一种改良病毒，使一种名为黑素皮质素4R (Mc4R)的基因失活时，这些动物的食物摄入量也不受尼古丁的影响。Mc4R是POMC受体的编码基因。

综上所述，这些发现表明尼古丁会触发大脑下丘脑中产生pomc的特定神经细胞子集。它通过邻近室旁核的黑素皮质素(Mc4R)受体起作用，抑制饥饿感，有助于减少卡路里摄入。

根据Mineur和他的同事的说法，这一途径的分子时钟机制可能有助于生产新药，以防止戒烟后体重增加，并解决肥胖及其相关的代谢紊乱问题。

Jane -助听器的工作原理是，如果你觉得很难听到什么，你只要把音量调大就行了。如果你在一个安静的房间里和一个人说话还好，但如果你在一个嘈杂的环境中，那么一切都会被放大。现在，独特的计算机建模技术，结合进行听力测试的新方法，正在彻底改变听力损失和损伤的诊断和治疗方式。雷·梅迪斯教授在埃塞克斯大学领导这项工作。

听觉由声音到达耳朵和信号到达大脑之间的几个阶段组成。计算机模型试图分别表示这些阶段中的每一个。我们使用的测试涉及两个测量，一个涉及调优，另一个涉及压缩。调音是指你可以听到一种声音，而不听背景音的情况。这有点像收音机，你可以调到一个电台，但你不希望受到另一个电台的干扰。对于正常听力，这种调音是自然发生的，所以我们的一个测试集中在这个特殊的问题上。压缩是指其他声音变大时的干扰程度。所以通常情况下，如果声音很安静，我们可以忽略掉它，但当它的强度增加时，我们就更难忽略它了。有听力损失的人在排除不相关的声音方面通常会有特别的困难，所以我们的压缩措施特别关注于增加声音的强度，然后注意到它是如何使特定的声音难以听清的。

虽然听起来很奇怪，但正是服装制作的艺术激发了雷和他的团队采用这种量身定制的方法来诊断和治疗听力障碍。

Ray -当为一个听力损失的病人建立一个电脑模型时，我们总是从一个正常的模型开始，我们试着做一个单一的调整，这涉及到我们认为导致这个特定病人问题的特定病理。当你做了一件衣服，裁缝会测量你的体型，然后改变假人的形状，以代表你的体型，然后裁剪和缝制衣服，使之适合假人。合理的期望是，当顾客回来的时候，衣服会非常合身。现在我们相信我们可以对听力障碍做同样的事情。我们已经有了一个正常听力的模型，所以通过一些调整我们可以让假人模拟受损的听力我们的想法是我们可以用假人来适应助听器我们会调整助听器这样我们就能从受损的听力假人那里得到最好的输出。我们的希望是，在给患者提供助听器之前，我们将能够使用听力假人来进行这些调整。换句话说，助听器应该安装在假人身上，就像一件衣服要安装在裁缝假人身上一样，然后当病人回来的时候，理想情况下，助听器应该完全适合他们的特殊需求。

Jane -在工程和物理科学研究委员会的支持下，这项前沿工作也导致了一种新型助听器的原型设计。

Ray -因为我们的主要兴趣是开发计算机模型，我们逐渐意识到助听器对声音的反应与正常听力的人不同。所以在我们看来，我们可以制造一种助听器来模拟正常的人类听力，这样它就能以同样的方式压缩声音，以同样的方式调节声音，以同样的方式处理音量的变化。我们设计了一种新型助听器，它使用一种叫做瞬时压缩的东西。目前，助听器的声音是被压缩的，但压缩机需要一段时间才能对声级做出反应，这就产生了一些复杂的问题。但是通过模拟正常的人类听力，我们已经能够产生瞬时压缩而没有失真，每个人都认为这是瞬时压缩不可避免的伴随。

简:所以这项研究的许多方面都是前沿的。

雷:这项研究在许多方面都是世界首创。首先，这将是第一个代表不同类型听力障碍的模型。这也是第一次有人尝试通过完整的周期来测量听力损失，设计助听器，使用助听器调整助听器，然后修改助听器以适应患者。

简-新方法简化了复杂的实验室测试过程，大大减少了所需的时间和试验次数，以及所需的专业知识水平。在四年内，我们可以看到这种测试系统与新型助听器一起广泛使用。

凯特-现在，你一打开电视就能看到一个女人喝着酸奶，然后尽情跳舞。我们对友好细菌的概念非常熟悉。所有超市里都能找到促进肠道菌群健康的食品、饮料和补品。但这一切是关于什么的呢?什么是友好细菌?它们与坏细菌有什么不同，它们到底有什么作用?为了找到答案，我们请来了阿伯丁大学的凯伦·斯科特博士。你好,凯伦。

凯伦-你好。

凯特-谢谢你来《裸体科学家》节目。金宝搏app最新下载现在让我们来看看细菌。跟我们说说我们肠道里的细菌吧。它们是什么?他们在那里做什么，他们是怎么到那里的?

凯伦:嗯，实际上人类的肠道里有大量的细菌。事实上，我们体内携带的细菌几乎可以说比实际的人体细胞还要多。这些细菌在帮助我们消化我们一直吃的食物方面非常重要。

Kat -他们到底是从哪里来的?我们生来就有这些缺陷吗?

凯伦-新生婴儿在出生时就被殖民化了。所以，虽然婴儿在子宫里的时候我们的肠道实际上是无菌的，但一旦他们出生，他们就开始从母亲或环境中吸收细菌，我们很快就被肠道细菌占领了。饮用牛奶的婴儿体内的细菌实际上与发育成熟的成年人体内的细菌不同。大约在断奶的时候，存在的细菌类型开始发生变化。这是因为细菌的组成很大程度上取决于我们所吃的食物。当孩子长到2、3、4岁时，他们的肠道细菌可能与成人非常相似。

凯特:我相信任何家长都知道孩子在这个年龄段的消化系统会发生很大的变化，但是这些细菌在我们的肠道里到底有什么用呢?大概，你说的是帮助我们摆脱困境的有益细菌。

凯伦-是的。我应该早点说的。虽然我们在新闻中听到的很多细菌都是有害细菌，致病菌，但绝大多数生活在我们肠道中的细菌对我们是非常有益的。它们对维持肠道健康非常重要。它们对我们有帮助，因为当我们吃东西的时候，我们吃的很多食物我们自己都无法消化。我们没有酶来降解这些食物原料。例如，当它到达结肠时，植物纤维还没有在更高的胃肠道中被消化，在那里我们完全依靠结肠中的细菌来消化这些纤维，并从中获得一些能量。

所以，这给我带来了一些问题，我们的能量有多少来自细菌?

凯伦:据认为，我们大约10%的能量可能来自这些肠道细菌。这并不是说细菌使我们变胖是因为能量是以短链脂肪酸的形式存在的。这些细菌正在进行发酵反应，它们产生的酸对结肠的健康至关重要。尤其是其中一种酸，一种叫做丁酸盐的化合物，可以预防结肠癌。一般来说，微酸性的结肠实际上可以阻止大肠杆菌等致病菌的生长，因为这些细菌不能在酸性条件下生长。所以通过维持好细菌的发酵，你可以把你不想要的坏细菌挡在外面。

凯特:那我们说的是哪种食物呢?水果和蔬菜之类的东西?

凯伦-是的。我是说，这是植物材料，碳水化合物和抗性淀粉。所有这些物质到达结肠并被那里的细菌消化。如果你愿意，你可以通过改变饮食来控制肠道细菌的组成。你可以做得更好或更坏，这取决于我们改变它的方式。

Kat -现在我和三个男人住在一起，我很清楚他们吃豆子之类的东西对肠道活动的影响。所以我们在肠道中产生的大部分气体，都是由细菌产生的吗?

凯伦-对，没错。我的意思是，比如这些短链脂肪酸是挥发性化合物，它们真的很臭。产生的一些气体会以胀气或口腔打嗝的形式释放出来，但这并不是说这是一件坏事。很有趣的是，有些人体内有某种细菌，如果你想的话，这种细菌会让屁更臭，而另一些人体内有一种不同的细菌，他们的屁就不会那么臭。所以它们可能会产生同样多的气体，但你无法像看起来那样很好地探测到它。

凯特，我得说那显然是女性的那一半。你提到我们可以改变肠道细菌的组成，比如把有害的细菌变成有益的细菌，我们被这样的想法狂轰滥炸:你只要喝这种酸奶饮料，它就会给你的友好细菌提供所有的东西。这些酸奶饮料里有什么，人们真的需要它们吗?他们对我们有什么好处吗?

卡伦:嗯，这是个有趣的问题。酸奶饮料本身就含有一种细菌。所以，当你喝那些酸奶饮料时，制造商实际上给了你他们的细菌。所有这些酸奶里的细菌都略有不同，因为它们都有专利，每个制造商在饮料里放的细菌都略有不同。现在这些细菌都被分类了，它们都很安全。它们不会对你造成任何伤害，但一般来说，你把——比如说一罐酸奶可能含有大约1亿个细菌——放在你的肠道里，与成千上万的细菌对抗。所以，它们确实寡不敌众，我认为，在我看来，最好是尝试并鼓励已经存在的细菌的生长，所以你的正常健康细菌。你可以通过增加碳水化合物和纤维的摄入量来做到这一点，但食品公司正在尝试的另一种方法是引入他们所谓的益生元。酸奶和酸奶中含有细菌的物质被称为益生菌。益生元实际上是类似碳水化合物的化合物，我们无法消化。 They go straight through to our gut and our bacteria that are always there can grow on these prebiotics. They're sort of targeted to help the growth of the good bacteria in our guts.

所以很明显，我们已经进化到有这些细菌，它们帮助我们消化食物，保持我们的健康。大多数人的肠道细菌都需要帮助吗?

凯伦:我认为只要你保持健康的饮食和多样化的饮食，因为肠道里有很多不同类型的细菌。有超过500种不同的细菌，如果你想要，它们都有稍微不同的“饮食习惯”，所以只要你有一个总体上良好的健康饮食，那么你的肠道细菌就会充分发挥作用。但有时你可能会无意中引起细菌的变化，然后它们可能需要一点帮助来重新建立一个良好的细菌档案。这些益生菌产品实际上对你很有好处，我说的是抗生素可能是主要的东西。

Kat -我们最近开始在裸体科学家上听到一些故事，关于我们的肠道细菌如何对我们的免疫系统产生更大的影响金宝搏app最新下载。你认为这类领域在未来会变得更加重要吗?

凯伦:我的意思是，已经确定的是，在生命的早期，你的免疫系统是由你的肠道细菌启动的。免疫系统一直与我们正常的肠道细菌接触，它不断地对这些细菌进行采样，它知道不要对它们做出反应。它知道不会发炎，不会对我们的正常细菌产生很大的免疫反应。这就是它如何知道当它遇到不习惯的东西时，它可以做出反应。我们需要这样做才能停止生病。这种情况从很小的时候就开始了，这是卫生假说的一部分，也就是说，如果你试图保持太干净，那么你的免疫系统就不会持续启动。在某些情况下，这可能意味着你对通常不会引起不良反应的事情反应过度。

凯特-非常感谢，凯伦。这是阿伯丁大学微生物生态学小组的凯伦·斯科特博士。

Meera -在本周的裸工程中，Dave和我将探索流体力学领域，也就是液体和气体等流体的力和运动。但是Dave，这仍然是一个很大的领域所以我们应该关注什么呢?

戴夫:是的。流体动力学是一个巨大的领域，从飞机到小得多的东西，甚至是你日常生活中遇到的东西。流体力学中非常困难的一点是你有不止一种相——固体和液体，或者两种不同类型的液体，或者液体和气体——都混合在一起。研究这些物质如何混合在一起以及它们如何相互作用在各种尺度上都是非常非常重要的，尤其是当你在烹饪时，或者在更大的工业规模上进行化学反应，甚至是生物反应。

Meera -为了进一步了解工业规模的生物混合过程，本周我们来到伦敦大学学院，会见了生化工程讲师Martina Micheletti。玛蒂娜，你的研究领域是生物反应器?

玛蒂娜-是的。生物反应器基本上指的是实验室生物实际生产药物的反应器，例如微生物酵母或哺乳动物细胞培养物。他们需要无菌环境，有很多消毒问题。

戴夫:从本质上讲，这是一个可以培养很多细胞的容器，这些细胞经过培育或改造，可以生产出有用的产品。通常是一种毒品。

玛蒂娜-是的。所以，他们将使用的几何形状，最常见的一种，是一种圆柱形的水箱，中间有一个旋转的叶轮。混合是通过搅拌来实现的，有一个叶轮，它可以是不同的设计，以一定的速度旋转。

米拉:所以生物反应器本质上是一个容器，你可以在里面培养细胞。你到底在里面做什么，或者里面的条件是什么，让这些细胞能够培养和快乐?

玛蒂娜:你肯定需要某种食物。营养物质通常以粉末的形式存在于水介质中。但是细胞，为了生存和生长，它们需要氧气。我们通常在生物反应器里有一个预先过滤的空气入口。此外，活生物体需要温度和pH值。通常，温度可以是37度，pH值可以是pH 7。所以温度和pH值也要控制好。

戴夫-我猜如果你有一大缸细胞，一个真正重要的问题是确保所有细胞同时快乐。

玛蒂娜:当然。所以，你需要混合的是，首先，要保持细胞的悬浮状态，这样它们就不会沉淀。你还需要混合营养物质，这样它们才能被细胞吸收。

米拉:这里有气体和营养物质，所有这些都需要混合，为此你需要一个螺旋桨。你真的只是让这个过程快速进行把东西混合起来吗?

玛蒂娜-你知道，你会这么想的。然而，也存在一些问题。很多这样的生物都很脆弱。例如，哺乳动物的细胞没有细胞壁。一些叶轮产生相当高的剪切速率，这可能是有害的。

戴夫:所以切变就是速度的变化率。所以如果细胞的一边比另一边移动得快得多它就会被撕裂。

玛蒂娜-是的。当我们将单个细胞放入生物反应器中时，它将受到不同的力和力应力。

米拉:那么你是如何开始监测通过容器的流量，物质是如何混合的，以及里面的力量?

Martina -我们真正想要得到的是一个叶轮的流动模式，以及一个量化的湍流水平，同时也得到一个关于叶轮耗散的能量的概念。有许多技术可以做到这一点。我想说最先进的是激光。其中之一是粒子图像测速。

米拉:我们这里有一个激光，它指向一个按比例缩小的生物反应器容器。它的直径约为15厘米，中间有一个螺旋桨。在那个容器里也有一种雾蒙蒙的液体。

玛蒂娜-这是一种图像技术，本质上是一种跟随流体的种子粒子。

戴夫:所以观察液体运动的问题在于液体是透明的，你看不到它。所以你加入了非常非常小的种子颗粒，它们会随着液体移动。所以，如果你知道它们在哪里运动，你就会知道流体本身是如何运动的。

玛蒂娜:没错。实际上，我现在就可以打开它给你们看。

[打开激光]

米拉:那么你现在启动它，我们能听到的咔哒声是激光频繁地向我们前面的船只发射。

这基本上是一个高功率激光器，在一个已知的时间间隔产生两个脉冲。我设置它们之间的距离为1毫秒，它基本上在生物反应器内产生了一层光。

戴夫-所以你用的是一张纸而不是照亮整个生物反应器。所以你只照亮了薄片上的粒子你就得到了一幅二维图像。

Meera -在上面放一层光是如何让你看到这些粒子的速度的?

玛蒂娜:在生物反应器前面有一个高速摄像机，它可以精确地聚焦在激光发射的实际飞机上。摄像机实际上可以拍摄两幅图像并且摄像机与激光同步，所以它将在激光脉冲的同一时间间隔拍摄两幅图像。然后将这两幅图像交叉相关，以实际找出粒子移动的平均空间。

米拉:但是现在，在这里的电脑屏幕上，我们可以看到螺旋桨和种子粒子在它周围移动的近距离图像。

玛蒂娜:基于你现在看到的图像，计算机能够得到很多关于每个粒子在那个位置和那个时间的速度的信息。

戴夫:有点像测速相机的工作原理，它会闪烁两次，然后观察你的车在两者之间是如何移动的，所以你必须用电脑计算出这些粒子移动了多远。

玛蒂娜:对，没错。

米拉:那么你是如何使用这些关于粒子速度的信息的呢?

玛蒂娜-我给你举个例子。我们最近在这种生物反应器中发现的有很多不稳定因素。基本上，我们发现叶轮轴周围存在一个已知频率的涡处理。通过实际定位进料管，例如在生物反应器中用于在需要时向细胞输送甘油等，正好在漩涡内，它将减少混合时间(达到完全混合所需的时间)50%。这是相当多的能源节省。

Meera:我想，当涉及到生物反应器的制造商时，你这里有一个15厘米大小的容器，但希望你能把它扩大到制药公司的工业水平?

玛蒂娜-规模研究是工业界非常追求的东西。这是一个2升的容器，但我们再往下缩小到2毫升的容器。所有的流体动力学信息都是小规模的，例如，制药公司可以将一种药物的生产规模从2升扩大到200升。

这项研究的视频可以在这里看到
thenakedscientists.com/engineering．

用显微镜观察它们的最好方法是染色。你可以买一些特定的染色剂，使细菌看起来像粉红色或紫色杆状体或球菌，这取决于它是什么细菌，然后通过普通光学显微镜很容易看到它们。

我想说你肠道里的微生物是最有用的，但我想说的是，因为我在研究它们。但就具体情况而言，我们最感兴趣的是两个主要物种。它们对产生预防结肠癌的丁酸盐非常有帮助，被称为玫瑰杆菌和prausnitzii粪杆菌。也有研究表明，克罗恩病患者体内不存在prausnitzii粪杆菌。因此，目前世界上许多国家都在进行大量的工作，试图看看是否可以将这种特定的细菌重新引入克罗恩病患者体内，以及是否可以避免或减轻这种症状。

问得好。我的意思是，肠出血性大肠杆菌真正重要的是它只需要非常非常少的细菌。如果你的食物被污染了，你基本上必须漂白它，以摆脱它们，使它真正安全。我们真的不想那样做，因为毒素和漂白剂本身就有害。洗得越彻底越好，我想是抱着希望。我的意思是，这是一个非常困难的问题，因为就像你说的，你不能做沙拉蔬菜，你不一定不想吃它们，因为它们有可能被污染。只要它们不是来自已经发现这种污染的源头，风险实际上是很低的。我不知道那个问题的答案。

克里斯:因为当人们做高速公路服务站三明治之类的东西时，这些预先准备好的三明治里的沙拉已经在弱漂白溶液中洗过了，不是吗?我想这些虫子的问题是如果它们进入蔬菜表面的小瑕疵，比如小角落和缝隙，虫子就可以潜伏。它的感染剂量很低，最多只有少数几种微生物会致病，当你剥了它，煮了它，或者离开它的时候，你很可能会被感染。

凯伦-我是说，完全正确。我是说，即使用你说的弱漂白剂洗，它们也会潜伏。如果它们在那里，它们可以潜伏在不会被漂白剂渗透的部位，而你仍然会吃它们。是的，6到10次就会引起这些特定细菌的感染。