01

AI找到30億年前的生物痕跡

科學(xué)家們運(yùn)用化學(xué)技術(shù)和人工智能的強(qiáng)大組合，在南非古老巖石的距今33.3億年前的沉積物中，找到了迄今為止地球上生命存在的最早、最確鑿的化學(xué)證據(jù)。

最原始的微生物不但細(xì)小，而且也沒有骨骼，所以不會(huì)形成可見的化石。而且經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的生物地球化學(xué)循環(huán)后，這些原始的微生物很大概率已經(jīng)風(fēng)化降解掉了，因此幾乎無(wú)跡可尋。

我們有句俗語(yǔ)叫做“化成灰我也認(rèn)識(shí)你”，但如果生物真的化成灰了，只留下一團(tuán)原子和分子的混合物了，人眼確實(shí)很難分辨出——但這并不意味著能逃過AI的火眼金睛。

卡耐基研究所的科學(xué)家們分析了超過400個(gè)樣本，用于檢驗(yàn)AI對(duì)于生命的識(shí)別能力。這些樣本涵蓋了現(xiàn)代植物、動(dòng)物、真菌、煤炭等生物來(lái)源的無(wú)細(xì)胞沉積物，以及富碳隕石、合成有機(jī)材料以及古代沉積物等非生物來(lái)源的沉積物。

他們利用先進(jìn)的光譜技術(shù)，從每個(gè)樣本中釋放出被包裹的化學(xué)碎片。然后，他們將這些數(shù)據(jù)輸入到一種名為“隨機(jī)森林”的特定機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，借此來(lái)練該模型識(shí)別生物過程留下的化學(xué)“指紋”。

模型展現(xiàn)出了驚人的精準(zhǔn)度，能夠以超過90%的準(zhǔn)確率區(qū)分生物來(lái)源和非生物來(lái)源（例如隕石或合成碳）。在已知樣本上，其準(zhǔn)確率甚至高達(dá)98%。

也就是說(shuō)，同樣面對(duì)一堆灰燼，AI可以告訴我們，被燒掉的大概率是一棵植物還是一件衣服。

訓(xùn)練好AI之后，科學(xué)家用它來(lái)分析了來(lái)自南非的33億年前的巖石樣本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些巖石的含碳沉積物，非?？赡苁莵?lái)自一種能夠進(jìn)行光合作用的微生物。

該模型能夠成功地從混亂、降解的化學(xué)數(shù)據(jù)中提取微量的生物信息，同樣的技術(shù)也可以應(yīng)用于空氣樣本，用于尋找地外生命。例如，模型可以應(yīng)用于火星巖石或木衛(wèi)二的樣本。為此，研究人員計(jì)劃改進(jìn)他們的模型，甚至可能以非產(chǎn)氧光合細(xì)菌為例進(jìn)行測(cè)試，以期找到地球外生物的類似物。

這片薄巖片中的黑色結(jié)構(gòu)是距今25億年的微生物遺跡

課代表總結(jié)：真·見到老祖宗了。

02

氮核心手性分子的不對(duì)稱合成獲突破

左手和右手，看上去沒有什么本質(zhì)差異，都是五個(gè)手指連在一個(gè)手掌上。但是一旦涉及到立體的互動(dòng)，左右手的區(qū)別就顯露出來(lái)了。

例如，兩個(gè)人見面握手，如果一人出左手一人出右手，那么握手就會(huì)很別扭；更直觀的例子是，右手的手套戴在左手上就會(huì)很難受。

這種鏡像區(qū)分的性質(zhì)，在化學(xué)中被稱為手性，也就是一種物體與其鏡像不可重合的特性。生物體內(nèi)經(jīng)常涉及到分子之間的立體互動(dòng)，所以很多生物分子都會(huì)表現(xiàn)出手性。因此，如何區(qū)分左右是化學(xué)家和生物學(xué)家長(zhǎng)久以來(lái)的重要研究領(lǐng)域。

現(xiàn)在，想象我們身體的軀干部分是一顆碳原子，而頭、腳、左手和右手都是不同的取代基，加在一起構(gòu)成的人體就是一整個(gè)手性分子。

這類以碳原子為核心的立體分子，如何確保它的左手和右手不會(huì)裝反，科學(xué)家已經(jīng)小有所成；然而對(duì)于以氮原子為核心的立體分子，科學(xué)家仍然感到撓頭。

近期，德國(guó)馬普研究所在《自然》發(fā)表了突破性研究。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一種催化不對(duì)稱策略，用于合成穩(wěn)定的非環(huán)N-立體胺。這項(xiàng)開創(chuàng)性工作將經(jīng)典的離子配對(duì)概念與烯醇硅烷和硝酸根離子的精妙反應(yīng)性相結(jié)合，在受限環(huán)境中通過定制手性陰離子的協(xié)同作用，成功構(gòu)建了夢(mèng)寐以求的立體氮中心。

咳咳，讓我們說(shuō)點(diǎn)能聽懂的。

氮原子核心之所以難以控制，是因?yàn)?strong>它本身容易發(fā)生快速翻轉(zhuǎn)。形象地說(shuō)，氮原子構(gòu)成軀干有一種“超能力”，能在手腳頭都不轉(zhuǎn)向的前提下，肚子和后背直接來(lái)一個(gè)互換。就好比大風(fēng)天撐雨傘，傘被風(fēng)一吹，內(nèi)側(cè)面直接變成外側(cè)面，而外側(cè)面翻轉(zhuǎn)成了內(nèi)側(cè)面。

想象一下，肚子和后背發(fā)生了對(duì)換，那么左右手的相對(duì)位置也就跟著一起互換了，這就是為什么氮原子做核心原子時(shí)，它的左右手很容易裝反的原因。

那么，如何避免傘被風(fēng)吹得“翻面”呢？很簡(jiǎn)單，用墻抵住傘的外側(cè)面，再大的風(fēng)也不可能把它刮翻。

于是，科學(xué)家在設(shè)計(jì)氮原子核心的分子時(shí)，嘗試在它的身后引入兩個(gè)大型原子團(tuán)充當(dāng)墻壁，利用這些原子團(tuán)產(chǎn)生的空間位阻和電子效應(yīng)，強(qiáng)效抑制了氮構(gòu)型的翻轉(zhuǎn)能力。由此，原本轉(zhuǎn)瞬即逝的氮原子核心獲得了構(gòu)型穩(wěn)定性，它的手性就不會(huì)再那么容易變換了。

這項(xiàng)突破體現(xiàn)了創(chuàng)新催化與機(jī)理理解相結(jié)合的變革性影響。隨著不對(duì)稱合成不斷探索新的立體化學(xué)空間，成功控制氮立體中心成為人類智慧與分子世界無(wú)限潛力的見證。

想象一下，雨傘

是一個(gè)氮原子核心的手性分子

課代表總結(jié)：所以為什么襪子不分左右咧？

參考文獻(xiàn)：

Zhu, C., Das, S., Sterling, M.S. et al. The Asymmetric Synthesis of an Acyclic N-Stereogenic Amine. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09905-z

03

月球可能是“近親相撞”的產(chǎn)物

從1970年代開始，隨著地質(zhì)學(xué)研究的深入以及對(duì)月球樣本的分析，科學(xué)家們對(duì)月球的起源有了新的認(rèn)識(shí)。

現(xiàn)在的理論認(rèn)為，大約45億年前，也就是說(shuō)地球剛剛誕生不久，一顆名為忒伊亞的年輕原行星撞擊了地球，并且淹沒在了地幔以下。這次撞擊是如此的劇烈，以至于地幔大部分都被融化，海量的碎片被拋射到空中，并且逐漸融合成了一顆星球，這就是現(xiàn)在的月球。

也就是說(shuō)，組成月球的碎片一部分是來(lái)自于原始地球，也有一部分是來(lái)自于忒伊亞。那么，科學(xué)家想要進(jìn)一步判斷，月球到底有哪些成分是來(lái)自于忒伊亞的，并希望借此來(lái)推測(cè)忒伊亞的組成。

來(lái)自馬克斯·普朗克太陽(yáng)系研究所和芝加哥大學(xué)的研究人員，重建了迄今最詳盡的忒伊亞化學(xué)構(gòu)成與起源圖譜。他們的結(jié)論是：忒伊亞很可能形成于比地球更靠近太陽(yáng)的位置。

研究人員通過分析地球與月球巖石中特定關(guān)鍵金屬（尤其是鐵、鉬和鋯）的同位素展開研究。在早期太陽(yáng)系中，同位素分布并不均勻，其豐度隨行星與太陽(yáng)的距離而變化，這種差異使它們成為天然的化學(xué)地理標(biāo)記。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，月球的同位素組成和地球非常類似。通過計(jì)算能產(chǎn)生現(xiàn)今地球與月球同位素特征的元素組合，研究人員反向推演出忒伊亞的原始構(gòu)成。

計(jì)算表明，地球本身所含有的鐵和鉬，應(yīng)該早就沉沒進(jìn)地核了；但現(xiàn)在在地幔中仍然含有很多鐵和鉬，它們很可能來(lái)自忒伊亞，而不是地球自身的元素。最有可能的情景之一是：地球與忒伊亞的大部分構(gòu)建模塊都起源于太陽(yáng)系內(nèi)部。它們很可能是近鄰。也就是說(shuō)，忒伊亞可能并非先前認(rèn)為的來(lái)自深空的流浪天體，而是由與地球元素組成相似的太陽(yáng)塵埃和富金屬碎屑聚合而成。

忒伊亞和地球相撞的藝術(shù)家想象圖

課代表總結(jié)：本是同根生，相撞何太急！

參考文獻(xiàn)：

Timo Hopp et al. ,The Moon-forming impactor Theia originated from the inner Solar System.Science390,819-823(2025).DOI:10.1126/science.ado0623

04

古DNA揭示石峁古城人群的遺傳來(lái)源與社會(huì)結(jié)構(gòu)

石峁遺址是陜西省神木縣境內(nèi)的一處新石器時(shí)代遺址。遺址位于高家堡鎮(zhèn)石峁村禿尾河北側(cè)山峁，在長(zhǎng)城南邊十余公里，黃河西邊二十余公里，興建于公元前2300年前后，廢棄于公元前1800年前后。

遺址中包含內(nèi)、外城和“皇城臺(tái)”，總面積為425萬(wàn)平方米，看起來(lái)非常像一個(gè)國(guó)家，但是沒有任何文字史料記載該遺址，其人群來(lái)源、社會(huì)結(jié)構(gòu)及與周邊人群的關(guān)系等問題長(zhǎng)期存有爭(zhēng)議。

中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所等科研團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)13年，對(duì)來(lái)自石峁遺址、周邊遺址及晉南地區(qū)共169例古代人骨樣本展開大規(guī)模、高分辨率的核基因組研究，揭示了石峁古城人群的遺傳來(lái)源與社會(huì)結(jié)構(gòu)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，埋在石峁古城皇城臺(tái)、內(nèi)城和外城的不同等級(jí)人群，其主體人群的遺傳成分高度一致，均和陜北本地仰韶晚期人群相同。

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，石峁文化人群的部分離群個(gè)體還攜有一定比例的中國(guó)北方草原裕民成分相關(guān)人群和南方沿海稻作人群相關(guān)祖源成分。

例如，在北方草原方向，從仰韶晚期的五莊果墚遺址，到龍山時(shí)期的石峁城址和周邊的木柱柱梁、新華遺址，均發(fā)現(xiàn)了攜有極高比例裕民成分相關(guān)人群成分的離群個(gè)體。

在南方沿海方向，多個(gè)石峁文化遺址的少數(shù)離群個(gè)體被檢測(cè)出10%-30%的古南方人群遺傳成分，可被4千多年前的南方稻作人群相關(guān)成分所代表。

這一發(fā)現(xiàn)擴(kuò)寬了對(duì)稻作農(nóng)業(yè)人群北向影響范圍的理解，為史前稻作農(nóng)業(yè)北傳提供了強(qiáng)有力的遺傳學(xué)證據(jù)。

可見，石峁文化與相關(guān)人群呈現(xiàn)出“主干清晰、多元交融”的動(dòng)態(tài)形成過程，以本地仰韶人群為穩(wěn)定的遺傳主干，同時(shí)與中原、草原和南方的農(nóng)牧業(yè)人群保持著不同程度、長(zhǎng)期的互動(dòng)交流，為理解中華文明“多元一體”格局的早期演進(jìn)提供了關(guān)鍵實(shí)證。

這些發(fā)現(xiàn)深化了我們對(duì)早期國(guó)家形態(tài)和中華文明早期發(fā)展路徑的認(rèn)識(shí)，為探索中華文明“多元一體”格局形成過程做出里程碑式的貢獻(xiàn)。

石峁古城遺址及其人口分布來(lái)源

課代表總結(jié)：上古文明還有很多需要我們?nèi)ヌ剿?，畢竟中?guó)太大了。

參考文獻(xiàn)：

Chen, Z., Gardner, J.D., Sun, Z. et al. Ancient DNA from Shimao city records kinship practices in Neolithic China. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09799-x

05

全球航運(yùn)路線的改變揭示了隱藏的氣候變化

正如蝴蝶效應(yīng)所說(shuō)：“亞馬遜河上的一只蝴蝶扇動(dòng)翅膀，導(dǎo)致了密西西比河流域上的一場(chǎng)颶風(fēng)?！鳖愃频?，紅海航運(yùn)路線上的槍聲，可能會(huì)導(dǎo)致南大西洋上空的云層開始消散。

自2023年11月起，紅海曼德海峽的襲擊事件導(dǎo)致紅海航運(yùn)量急劇下降，迫使船只改道繞行非洲最南端的好望角，南大西洋地區(qū)航運(yùn)活動(dòng)迅速增加。

受地理因素影響，這一地區(qū)的云層很低，因此對(duì)船舶污染反應(yīng)非常強(qiáng)烈。但令人疑惑的是，從船隊(duì)開始繞行好望角開始，這一地區(qū)的云層居然變少了。

之前，繞行此處的船舶都會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，為什么這次的繞行非但沒有污染，反而讓云層消散了呢？

在《大氣化學(xué)與物理》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)最新研究中，美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)?strong>船用燃料中的硫含量降低造成的。

2020年1月，國(guó)際海事組織（IMO）要求大幅降低船用燃料的硫含量，這一措施主要是為了減少硫化物對(duì)空氣產(chǎn)生的污染。

這一要求產(chǎn)生了意向不到的效果?？茖W(xué)家表示，燃料中的硫燃燒后會(huì)形成氣溶膠，形成含有大量小液滴的云，讓云層變得不透明并且更低?，F(xiàn)在燃料里沒有硫了，這種氣溶膠的濃度降低，因此濃厚的云層就減少了。

而云層能夠反射太陽(yáng)光，從而有效減少地球接收到的太陽(yáng)加熱。因此有觀點(diǎn)提出，這種減硫燃料雖然可以減少污染，但會(huì)加劇氣候變暖。

科學(xué)家們?nèi)栽跔?zhēng)論，IMO新規(guī)實(shí)施后，到達(dá)海洋的陽(yáng)光增加是否可能對(duì)2023年和2024年大西洋海洋熱浪產(chǎn)生了影響。此外，對(duì)于云量總體下降的幅度也存在分歧，有人估計(jì)云量下降了10%，而有人認(rèn)為下降了80%。

這次的航線改變?yōu)榭茖W(xué)家們提供了實(shí)測(cè)的機(jī)會(huì)，能夠在航運(yùn)活動(dòng)水平相近的情況下，直接比較燃油排放規(guī)則實(shí)施前后云層狀況的變化。

數(shù)據(jù)顯示，燃油新規(guī)實(shí)施后，船舶對(duì)云形成的影響能力下降了67%。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了清潔燃料已顯著降低了航運(yùn)對(duì)云特性的影響，并為改進(jìn)未來(lái)的氣候模型提供了重要的約束條件。

總的來(lái)說(shuō)，棄用含硫燃料已經(jīng)拯救了數(shù)萬(wàn)人因空氣污染而過早死亡，但可能也導(dǎo)致了地球失去了大量云層。已有相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家提出，需要對(duì)短期和長(zhǎng)期的環(huán)境利益進(jìn)行進(jìn)一步的權(quán)衡。

全球航運(yùn)路線的改變可能對(duì)全球氣候有意料之外的影響

課代表總結(jié)：當(dāng)下還是未來(lái)，從來(lái)都是一個(gè)難題。

參考文獻(xiàn)：

Michael S. Diamond, Lili F. Boss. Conflict-induced ship traffic disruptions constrain cloud sensitivity to stricter marine pollution regulations. Atmospheric Chemistry and Physics, 2025; 25 (22): 16401 DOI: 10.5194/acp-25-16401-2025

來(lái)源：科學(xué)大院，原標(biāo)題：我都化成灰30億年了，咋還能被你認(rèn)出來(lái)？| 一周趣科學(xué)vol.84

編輯：LYang

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