整理 | 周舒義、平生

探測到迄今最大質量的黑洞合并事件

一個國際合作團隊LIGO-Virgo-KAGRA合作組日前在英國格拉斯哥舉行的國際廣義相對論和引力會議上宣布，他們借助美國激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）探測到了迄今最大質量的黑洞碰撞合并事件，該發現對理解宇宙中黑洞的成長方式具有重要意義。

藝術家描繪的兩個黑洞合并的景象，地球上可以通過碰撞產生的引力波探測到。| 圖片來源：Victor de Schwanberg/SPL

據Nature新聞網站報道，自2015年LIGO首次探測到引力波以來，已觀測到數百次黑洞或中子星合并事件。此次于2023年11月探測到的合并事件，是迄今觀測到的最大規模合并。

通過對LIGO探測信號建模，科研人員計算出，這起被命名為GW231123的合并事件中，兩個質量分別約為太陽質量100倍和140倍的黑洞合并，產生一個質量約為太陽質量225倍的黑洞。模型還顯示，這兩個黑洞自旋速度極快——大約每秒40次，接近愛因斯坦廣義相對論預測的黑洞在保持穩定情況下能達到的極限。

黑洞按照質量可分為三類：幾倍到100倍太陽質量的恒星級黑洞、星系中心百萬倍太陽質量以上的超大質量黑洞和介于二者之間的中等質量黑洞。迄今已有足夠證據證明恒星級黑洞和超大質量黑洞的存在，但中等質量黑洞卻十分罕見。

LIGO捕捉到的大多數事件都涉及恒星級黑洞，它們被認為是大質量恒星以超新星爆發形式終結生命時形成的。但GW231123事件涉及的兩個黑洞質量接近或超出了恒星級黑洞區間，其形成不能完全通過上述機制解釋。

LIGO-Virgo-KAGRA合作組成員、英國加的夫大學物理學家馬克·漢納姆指出，一種可能的解釋是，這兩個黑洞是由早期較小的黑洞分級合并形成的，這種合并會增加黑洞的自旋速度和質量。（新華社）

相關論文：
https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.08219

如不采取措施，極端高溫或將導致510萬中國人住院

7月16日發表于Nature的一項建模研究指出，到2100年，中國因極端高溫導致的額外住院人數可能將大幅增加，具體取決于溫室氣體排放情景。研究預測，若不采取任何適應措施，在高排放情景下，本世紀末全國因極端高溫導致的超額住院人數將達到510萬人，額外住院成本高達51.9億美元（約合人民幣372.5億元）。

研究人員分析了2021年至2023年間中國301個城市超過7000家醫院約7800萬條住院記錄，評估了氣候敏感性疾病（CSD）住院情況與氣溫之間的歷史關聯。這些數據被用于在三種不同的碳排放情景下（低、中、高）預測未來至2100年的住院風險。極端高溫導致的超額住院風險在三種情景下均預計會上升，而極端低溫的影響則被認為微乎其微。

研究顯示，基于2021–2023年的數據分析，中國西北部和西南部在極端氣溫下的住院風險顯著較高，華東和華南等發達地區對極端氣溫的適應力更強，但極端天氣仍對脆弱人群（如青少年兒童）有明顯影響。高溫影響下，甘肅省和四川省的住院風險最高，蘭州、北京和武漢的青少年住院風險顯著升高；低溫影響下，中國北方和西部，包括東北地區、內蒙古、甘肅、新疆等地住院風險相對較高。值得注意的是，低溫風險區域往往也屬于高溫風險區域，突出表現在西北和西南地區，意味著這些地區面臨寒潮和熱浪的雙重挑戰。

氣候健康影響呈現出顯著的南北差異。研究揭示了一個“孕產相關疾病（GRD）氣溫風險分界線”：北方城市在高溫下的孕產疾病住院風險顯著升高，而南方城市對嚴寒更為敏感。

伴隨氣候變化，研究預測極端炎熱天氣在未來大幅增加。在高排放路徑SSP5-8.5下，到2100年全國年均極端高溫日數預計超過120天。極端嚴寒事件則全國范圍內減少，維持在較低頻率。在當前氣候適應力不變的假設下，全國額外住院人數到2100年可達約510萬（高排放情景）。總體來看，中西部和南部城市在未來將承受更高的高溫醫療風險，而東部沿海和東北部盡管極端熱事件增加但相對風險仍低于內陸地區。

基于2022年中國城市平均住院成本，到2100年極端高溫導致的全國額外住院成本將大幅增加，估算的額外成本在低排放情景（代表性濃度路徑，SSP1-2.6）下約為5.54億美元，在中等排放情景（SSP2-4.5）下為37.8億美元，在高排放情景下為51.9億美元。住院負擔在全國范圍內呈不均勻分布，人口較多且經濟發展水平較高的地區，如北京、天津和河北，在極端高溫時期面臨相對較低的額外住院風險和負擔。中高排放情景下，65歲以上老年人口的脆弱性，使華南和西南地區的醫療負擔在中后期尤為沉重。

新研究強調了減緩氣候變化和制定醫療衛生系統適應策略以保護脆弱人群的緊迫性，同時需考慮城市地理位置、極端溫度、人口群體和碳排放發展路徑的差異。

相關論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09352-w

首次觀測到重子CP破壞

當地時間3月24日，歐洲核子研究中心（CERN）在第59屆國際電弱相互作用和統一理論會議上宣布，大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）合作組首次在重子衰變中觀測到電荷共軛-宇稱聯合變換對稱性破壞（CP破壞）現象。7月16日，相關論文在Nature正式發表。這一結果有助于我們進一步認知宇宙演化過程，被視為人類探索基本對稱性破壞歷程中一座新的里程碑。

138億年前的宇宙大爆炸本應產生等量的正物質與反物質，然而如今的可觀測宇宙幾乎完全由正物質主導。這一謎題的核心可能在于正反粒子行為的細微差異，即CP對稱性破壞。這一效應被物理學標準模型預測，60多年前已在介子（由一對正反夸克組成）中觀測到，但在重子（由三個夸克組成）中一直難覓蹤跡。

在本項研究中，研究團隊在底重子到質子、奇異介子和正反π介子的四體衰變中確認了正反底重子衰變率的差異，顯著性水平達到5.2倍標準差，從而首次證實了重子系統的CP破壞。研究者表示，盡管這種破壞已得到預測，也不會解決大爆炸正物質-反物質不平衡問題，但實驗性地揭示其細節帶來了重要線索，不僅驗證了標準模型的預言，更為探索超越標準模型的新物理開辟了新路徑。

相關論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09119-3

想減肥，“管住嘴”比“邁開腿”更重要

全球已有超過10億人受肥胖癥困擾，這通常被歸咎于熱量攝入過多和體育活動過少，但哪個因素的影響更大呢？一項7月14日發表于PNAS的跨國比較研究發現，肥胖率居高不下，90%以上可以用“吃得太多”來解釋，而非“動得太少”。

杜克大學進化人類學家Herman Pontzer領導團隊，收集了六大洲34個群體4213名成年人的能量代謝數據，這些群體的生活方式和經濟狀況各異，包括狩獵采集、游牧、農耕和工業化人群。受試者先飲用含有穩定同位素的“重水”，當人體燃燒熱量時，飲用水中的一些氧原子會被用于生成呼出的二氧化碳。研究人員在受試者飲用標記水幾天后測量其尿液中的重氫含量，由此估算有多少氧被代謝生成二氧化碳，進而推算出受試者消耗了多少能量。再扣除基礎代謝（呼吸、體溫調節等）和消化成本，就能得到與身體活動直接相關的熱量支出。

對年齡與體型等因素進行校正后，他們發現經濟越發達的地區，人們的總能量消耗越低。不過各人群之間的差異幅度其實不大，且變異性很高。這種下降主要源于基礎能量消耗（BEE）較低，而非身體活動水平不足。此前研究表明，工業化程度較低的社會群體可能擁有更高的基礎代謝水平，因為他們接觸到的病原體更多，免疫活動更旺盛。

總體而言，總能量消耗的差異只能解釋經濟發展-肥胖關聯的約10%。研究人員由此推斷，其余90%的“罪魁禍首”應當是過量的能量攝入。由于缺乏參與者飲食數據，研究無法確切找出經濟發達社會中飲食結構導致肥胖率更高的原因，不過他們確實觀察到，平均而言，食用更多高熱量、超加工食品的人群體脂率更高。作者強調，相關機制還需要進一步研究，并補充說研究結果并未否定運動的重要性。“體育活動對健康絕對有益，只是它對總能量消耗的影響可能沒有人們此前想象的那么大。”

未參與研究的阿肯色醫科大學生物統計學家安德魯·布朗表示，這項研究的方法雖然有趣，但依賴于“層層疊加的假設”。“體力活動的微小變化很可能對能量攝入本身產生巨大的影響。”伊利諾伊大學芝加哥分校流行病學家Vanessa Oddo也提醒說，這項研究依賴計算機模型、一次性觀測以及對身體活動和飲食的間接測量，因此并不足以精確追溯肥胖流行的具體成因。

相關論文：
https://doi.org/10.1073/pnas.2420902122

為什么有些媽媽一直生男孩，有些一直生女孩？

在大多數情況下，嬰兒出生性別被視為拋硬幣般的隨機事件。然而一項7月18日發表于Science Advances的研究指出，某些母親似乎天生就更容易生某一性別的孩子，而且這種傾向會隨著首次懷孕年齡和子女數量的增加而放大。論文作者、哈佛大學公共衛生學院流行病學家Jorge Chavarro說：“如果你姐姐連生四個女兒沒有兒子，這很可能不是巧合。”

研究團隊從“護士健康研究”（Nurses' Health Study）調取數據，該隊列是美國一項持續數十年的研究項目，主要研究女性慢性病的風險因素。研究團隊統計了1956年至2015年間至少育有兩個孩子的58007名女性，共計146064例活產記錄。結果發現，各家庭子女性別比例與50∶50的理論預期存在偏差，這意味著部分女性可能存在生育某一性別孩子的生物學傾向。

無論家庭最終有幾個孩子，首次生育年齡超過28歲的女性，其子女全部是男孩或全部是女孩的幾率，比首次生育年齡低于23歲的女性高13%。

隨后，研究人員分析了隊列中7000多名女性的全基因組。他們發現，全部生女孩的女性往往在10號染色體上的NSUN6基因攜帶特定變異，而全部生男孩的女性傾向于在18號染色體上的TSHZ1基因攜帶特定變異。NSUN6參與蛋白質合成，而TSHZ1被認為與嗅覺有關，目前尚不清楚這兩個基因在生殖過程中發揮何種作用。

作者承認研究存在一定局限性，參與者主要為居住在美國的白人護士，文化與職業同質性限制了研究結論外推；此外缺乏父親信息，無法評估精子因素。其他專家也對研究提出質疑，昆士蘭大學遺傳學家布倫丹·齊茨奇（Brendan Zietsch）在2020年對470萬瑞典新生兒進行的研究中，并未發現性別比例偏向的跡象，他稱這項新研究“不可靠”。

2024年的一項研究支持了新研究的結論——10號染色體上一個與精子形成及受精過程有關的基因，哪怕只有一個位點發生突變，也會導致生女孩的概率增加10%。不過2024年研究的作者提醒，對這兩項研究應謹慎解讀，參與者大多為歐洲血統，可能無法完全代表全球遺傳多樣性。

此外，性別偏向不僅僅是一個生物學問題，它還與文化息息相關。例如，有些家庭會在“兒女雙全”后才停止生育（coupon collection）。為排除這類行為帶來的影響，研究作者在統計時剔除了每個家庭的最后一個孩子。即便如此，仍出現了偏差：在納入分析的兩孩家庭中，近53%是“一兒一女”，高于隨機概率所預期的水平。

相關論文：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adu7402

平臺很重要：生命科學家50%的科研產出歸功于所在機構

據科學新聞（ScienceNews）報道，美國國家經濟研究局（NBER）本月發布的一篇工作論文指出，科學家所在的科研機構對于他們的研究產出至關重要，對生命科學家出版記錄的追蹤分析表明，機構對產出的影響占比超過50%。

加州大學伯克利分校經濟學家卡羅琳·斯坦（Carolyn Stein，未參與新研究）表示，這種效應很容易想象，“平臺更好，效率自然也會更高。”但平臺的影響之大令人震驚——“科學研究中運氣和路徑依賴所起的作用，可能超出了我的預想。”

該研究納入約30萬名在1945年至2023年間發表過論文的美國生命科學家，追蹤分析他們在Cell、Nature和Science等15種期刊上的發表記錄。波士頓地區的研究人員擁有最高的產出效率，他們每年在頂尖期刊上發表的論文數量是許多其他地區研究人員的兩到三倍。研究特別關注了3.8萬名曾經“跳槽”，且“跳槽”前后均有發表記錄的“流動學者”。分析表明，科研人員從“低效”機構轉移到“高效”機構之后，科研產出顯著提升。約50%-60%的研究者產出歸功于所在機構，而非個人特質。近2/3的機構效應來自頂尖5%的“明星”科學家。

新研究未能詳細討論是哪些制度特征導致了機構效應的差別，可能因素包括科研資源、設備條件、研究生數量等。2022年發表于Science Advances的一篇論文中指出，在那些合作、合著為常態的領域，“大牛”之所以科研高產，很大程度上是因為他們領導著更大的實驗室團隊。科羅拉多大學博爾德分校計算機科學家、2022年研究作者亞倫·克勞塞特（Aaron Clauset）表示：“真正提升教授科研產出的是這些勞動力，而不是他們自身的內在特質。”

這篇論文也激起了關于如何分配撥款的政策討論。資助者應該追求產出最大化，將資金集中在少數精英機構，還是站在普惠立場，更廣泛地分配撥款？論文指出，如果資助機構在兩個科研能力相當的候選人之間，選擇資助高產出機構的研究者，可能會多獲得50%的研究成果。另一方面，佛蒙特大學副校長柯克·多姆布羅夫斯基（Kirk Dombrowski）表示，“這些機構有能力讓研究人員更加高效……是因為它們在過去幾十年里獲得了大量的支持。”不成比例地向這些機構傾斜資源，只會“反映并延續造成差距的歷史不平等”。

相關論文：
https://www.nber.org/papers/w33996

魚類懸停在水中其實很“費勁”

一項近日發表于PNAS的研究發現，魚類懸停在水中時并不像看起來那般輕松，而是要消耗不少能量。這一發現為設計靈活的水下機器人提供了新思路。

科學界長期以來認為魚類懸停在水中是一種類似休息的狀態，但研究人員通過實驗發現，魚類在懸停時消耗的能量幾乎是靜止休息（即魚類靠著水底支撐重量）時的2倍，這是因為它們需要不斷劃動魚鰭以維持身體穩定。

作者對13種帶魚鰾的魚進行了實驗。他們將每條魚放入一個專門設計的水箱中，記錄它們在主動懸停和靜止休息時的氧氣消耗情況。在魚懸停時用高速攝像機拍攝它們，以捕捉每條魚鰭的運動方式及劃動頻率。

研究人員還對每條魚的形態進行了測量，特別是魚的重心與浮心（與魚鰾的位置和形狀有關）間的距離，以量化魚類的穩定性水平。

結果發現，盡管魚鰾產生的浮力能讓魚類幾乎處于“失重”狀態，但重心與浮心不重合會導致魚類身體傾斜或翻滾，這迫使它們必須持續劃動鰭來維持姿態。重心與浮心距離越大的魚種，在懸停時消耗的能量也越多，這表明對抗不穩定性是懸停耗能的一個關鍵因素。

此外，魚類的體形和胸鰭位置也會影響其懸停效率。細長的魚類懸停效率較低，反之則懸停效率更高。胸鰭位置更靠后的魚在懸停時一般耗能更少，研究人員認為這可能與杠桿效應更好有關。

研究人員表示，這些發現可用于設計水下機器人和其他設備。以往水下機器人的設計傾向于追求高度穩定的緊湊形狀，但就像魚類一樣，更穩定的形狀往往意味著更差的機動性。如果想讓水下機器人能在狹小空間中靈活穿梭，可以設計成“不穩定”的構型，由系統不斷調節。（新華社）

相關論文：
https://doi.org/10.1073/pnas.2420015122

“聞一聞”就能診斷細菌感染和耐藥性

一個由工程師、微生物學家和機器學習專家組成的團隊提出，通過開發類似呼氣測試儀的微型傳感器，有望“嗅出”細菌感染并檢測體液中的耐藥菌，提供經濟高效的快速診斷方式，從而改善治療方案并助力對抗耐藥性問題。相關論文7月2日發表于Cell Biomaterials。

“耐藥菌問題的產生與惡化，很大程度上與缺乏快速診斷手段有關。”文章通訊作者、蘇黎世聯邦理工學院機械與流程工程師Andreas Güntner說。“我們的設想是用一種簡單的測試來取代傳統的實驗室分析。傳統的實驗室分析通常需要花費數小時、數天，有時甚至是數周的時間，而新測試可以在幾秒到幾分鐘內得出結果。”

歷史上，醫生曾通過嗅覺來診斷細菌感染。例如，銅綠假單胞菌感染會散發出一種甜美的葡萄般的氣味，而梭狀芽孢桿菌感染則會散發出一種惡臭的腐臭味。這些氣味是由微生物和其他生物體釋放的揮發性有機化合物（VOC）引起的，這些微小分子通常帶有獨特的氣味。研究人員提議，可以開發化學傳感器來檢測血液、尿液、糞便和痰液等體液中的細菌相關的VOC，而不是像以往那樣依靠人的嗅覺。類似的技術已被用于檢測酒精和空氣污染物等。

即使在同一菌種內，不同菌株的細菌也會釋放出不同組合或濃度的VOC。作者指出，正因為如此，這些傳感器可用于識別由耐藥細菌引起的感染。這一概念已在實驗室得到驗證——先前的一項研究表明，VOC特征可用于區分耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和非耐藥菌株。然而，要開發出可用于臨床實踐的傳感器，還需要進行更多研究。

由于細菌釋放的VOC濃度極低，因此開發合適的傳感器頗具挑戰性。“想象一下，你有一個房間里有10億個小球，除了一個紅球外，其他都是藍色的。”Güntner說，“為了區分不同類型的細菌，你必須能夠在幾秒鐘內識別并將這種情況與有3或4個紅球的情況區分開來。”

研究人員表示，機器學習算法將在指導傳感器設計方面發揮重要作用。“機器學習對于識別能夠區分不同類型細菌的最小VOC組合至關重要，并能提供有關抗菌藥物耐藥性和毒力的信息。”Güntner說道。

一旦開發出來，這種傳感器將提供一種快速、便攜的細菌感染診斷方法，無需大量培訓即可使用。“總體目標是將VOC分析的科學進展轉化為可用于日常醫療實踐的實用、可靠的工具，我們希望這最終能改善患者預后并支持抗生素管理。”Güntner說。

相關論文：
http://dx.doi.org/10.1016/j.celbio.2025.100125

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