2009年10月28日星期三

科学松鼠会

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实验室手记之卡布奇诺的泡泡(续)

Wed, 28 Oct 2009 09:56:50 +0800

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上一篇:实验室手记之卡布奇诺的泡泡

在老板给了卡布奇诺的拼写之后,我很好奇地去查了它的做法。正宗的卡布奇诺是以浓缩咖啡(espresso,大致发音"已死不勒索")为基础的,应该装在瓷杯子里,上面的那层泡沫是把热的水蒸汽通到凉的牛奶里产生的。瓷杯子和这层泡沫除了看起来有情调一些,还有保温的作用。做真正的卡布奇诺的咖啡机设计要复杂一些,关键部分是把水加压加热——在卡布奇诺咖啡机的内部,水与咖啡粉接触的地方水温可达95度,通过咖啡粉末的时候,从中提取可溶成分的能力和效率都要比通常的热水高,因而得到的咖啡很浓(原稿中的温度是我疏忽了,谢谢lalunasun提醒)。就咖啡因而言,通常浓度是普通咖啡的两三倍。此外,还有一些通常的开水提取不出来的成分也被搞定。这样,浓缩咖啡并不是简单的"普通咖啡的浓缩",而是其中的成分也不相同。既然有加压的水,自然也就可以产生高压的水蒸汽。把高压水蒸汽通到牛奶里,就能产生牛奶泡沫。把泡沫装到浓缩咖啡的上面,就卡布奇诺了。

不过这玩意儿操作起来不是那么方便,至少不能放到图书馆或者会议室的走廊,让大家自己去弄——除了瓷杯子和牛奶桶的不便,万一哪个毛手毛脚的被水蒸汽烫了手,经销商可就亏大了。所以,真正的卡布奇诺,还得到咖啡店里让店小二服务,或者买台机器回家自己动手。

对米国鬼子来说,喜欢的还是用一次性的杯子,投几个硬币,然后接一杯拿着去上课、开会或者自习。那层泡沫有助于保温,在冬天里尤其受欢迎。我们要做的,就是这种山寨版的"卡布奇诺"。

江湖前辈风清扬说,天下武功只要九招剑法就可以全被破掉。食品中产生泡沫,只有三招——产生泡沫的形形色色的厨具,都是从这三招变化而来。正宗卡布奇诺的那招,属于"通气法",就是把气体通到液体里,气体钻出来就成了气泡。另一招是"减压",就是在高压下把气体溶解到水中,突然减压之后水中的气体获得了自由,争先恐后杂乱无章地逃跑,就产生了气泡。碳酸饮料就是这种方式,还有啤酒、一些葡萄酒也依靠其中的二氧化碳而"起泡"。最简单、最容易操作的还得算是第三招——"搅和"。拿一个鸡蛋,只要蛋白,用搅拌器或者筷子"打"一会儿,就能产生雪白细腻可以保持形状的泡沫。搅上一盘,摆七根薯条或者桔梗,在某些饭店里就可以叫做"七剑下天山"了。

令狐冲所有的剑招都需要一把剑,否则他就跟常人无异。而得到稳定的泡沫都需要水里有乳化剂。正式版和山寨版的卡布奇诺都用奶粉来实现乳化。啤酒和葡萄酒在发酵过程中会产生一些蛋白质碎片等具有表面活性的成分,也具有乳化性能。至于鸡蛋白,乳化性能就更好了,不加水的蛋白浓度也高,搅出的泡沫接近固体了。

收到公司寄来的饮料机,就找了个改锥给拆开了。我老板喜欢招学过工程的学生,大概也是因为敢于下手——不管什么仪器,都敢拆开,只要再装回去的时候不多出零件来就行了。里面其实没有我想象的那么复杂,就是一个电路板,连接到几个马达。水经过热水器连到搅拌器里,搅拌器上方有几个盒子,用来装各种不同的粉末,比如奶粉、可可粉、咖啡粉等等。盒子底部都有一根螺旋状的棍子,一转起来就可以把粉末带出来,掉到搅拌器里。

那个电路板显然是整个饮料机的"大脑",根据面板上的选择决定马达们哪个先转那个后转。不过我完全看不懂那个电路板和那堆红红绿绿的线。虽然做研究好奇心很重要,但是不被累死的关键是看不懂的东西就不去折腾。于是我直接无视了饮料机的"大脑"而着眼于细节——我只需要关心那个搅拌器就行了。

那个搅拌器也比较简单,就是一个小马达带动一个搅拌桨。搅拌桨外面是一个不大的塑料壳。热水和粉末一起进到搅拌器里,被搅和之后再从搅拌器下面的口出来,就成了气体和液体的混合物。接到杯子里,很快就变成了下面是液体上面是泡沫的"卡布奇诺"。

我剪掉电线,取了一个搅拌器下来,开始了搭建装置的努力。过程实在是繁琐,一言难尽,就不说了。大致就是把整个实验室都翻了个遍,寻找各种东西为我所用。这个过程中还发现原来这个实验室的犄角旮旯里藏着许多我都没见过的东西,有很多估计老板都忘了它们的存在。最后,终于在实验台上搭出了一堆东西,可以搅出泡沫来,也可以检测其中的几个物理量。

前面说过为了显示这个项目的技术含量,要用核磁成像来检测不同位置的泡沫含水量的变化曲线。虽然老板气定神闲地说过我们已经成功地应用这个技术很久了,其实他并不清楚这个泡沫做核磁成像不是一定能成的。简单说来,泡沫的核磁成像,就是把一管子泡沫放到仪器里,连续地检测它产生的核磁信号。在各个位置检测到的信号由那个地方的氢原子数、溶液的核磁特性参数以及操作参数来决定。对于泡沫来说,泡沫中的水在不停地从上往下流,而这个过程中伴随着溶液的核磁特性参数的变化。应用这个技术来检测水含量的变化,关键就是把操作参数调节到除了含水量之外的其他参数总的影响接近常数。此外,仪器接收到的信号除了泡沫产生的,还有一些背景信号——就像我们听别人说话的同时也能听到"噪音"。如果噪音太大,就可能淹� �真正的信号,检测到的东西就没有意义了。在分析技术上,就把想要检测的信号和背景噪音的比值称为"信噪比"。信噪比越高,检测结果就越容易分析。对于一个具体的检测来说,如果我们做两次检测,然后把检测结果相加,那么信号就会加强,但是由于"噪音信号"是杂乱无章的,相加的结果是只是另一个强度相同的噪音。这样,信号加强了,但是噪音的强度没有变化,检测结果就更加清晰。

我以前做的检测是为了研究泡沫的稳定机理,泡沫故意做得很稳定。那台仪器扫描一次要两秒钟左右,因为泡沫很稳定,我可以把六十多次扫描的信号相加当作一个时间点,这样信噪比很高,曲线很平滑。但是这个卡布奇诺的泡泡太不稳定了,含水量的分布变化很快,没法把那么多次的信号相加。减少扫描次数,得到的曲线信噪比不是那么高,就不那么赏心悦目了。我再一次跟老板探讨做这个的必要性,老板说能做成啥样就做成啥样了,反正对公司来说都是新鲜玩意儿。

 (太长了,先打住。)

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[小红猪]牙没了,基因在

Wed, 28 Oct 2009 06:32:08 +0800

译者:绵羊c    原文见

译者自我介绍简单而显得羞赧:还有个人简介呀..那就写”每天在实验室往不同癌细胞里下药的绵羊”好了。

Charles Darwin感兴趣的除了新生事物怎样演化,还有老旧的东西是怎样消失的。通常它们不会完全消失以至于无迹可寻,总有什么线索会被留下。比如我们不像我们灵长类的祖先那样,有条明显的尾巴,但我们的脊椎尾端却藏着一串小骨头,证明这里曾经有尾巴的存在。当然现在这条 "骨头尾巴"已经失去了真正尾巴应有的功能, 但它仍然有助于固定盆骨附近的肌肉。盲鱼不像它们那些在其他地方被发现的近亲种类那样有眼睛, 但它们在幼体时期的确会分化出眼睛,只不过后来这些眼睛的细胞在盲鱼的成长过程中慢慢消失了。

尽管这些例子表明消失的特征的确有迹可循,但有时我们的唯一线索,只有基因。

在PLoS Genetics杂志中, 来自加利福尼亚大学的Mark Springer和他的同事们发表了一个有趣的研究报告,讲述了牙齿—以及牙齿的基因—在过去的5亿年当中是如何退化的。 他们主要的研究对象是牙釉质(珐琅质)—覆盖在人类及其他脊椎动物牙齿表面的坚固保护层。

在这一类的研究中,牙釉质有三个优点:第一,牙釉质可以石化的非常好,利于长久保存。 实际上对于很多物种来说,最后能剩下的也就只有牙釉质了。 第二, 科学家们对于编码牙釉质的基因已经有了较好的了解 – 并且这个基因在很多物种内都具有相似的序列。第三个优点是牙釉质在某些种类的哺乳动物中已经退化消失了。像长须鲸,食蚁兽和穿山甲,它们已经连牙都没有了。(长须鲸会长出牙胚,但是就像盲鱼的眼睛一样,这些牙胚会慢慢消失,在没有分化出牙釉质的时候就已经完全不见了。) 树獭,犰狳,小抹香鲸和土豚(也是一种食蚁动物)还有牙齿,但是已经没有牙釉质了。这些不同类型的例子表明,牙釉质在几个相互独立的哺乳动物分支中已经退化消失了。

这几种哺乳动物之所以会失去牙釉质,是因为它们不需要倚仗坚硬的牙齿生存下去。 就像我在这里写的, 长须鲸的祖先有非常发达的牙齿用以捕捉猎物。 但它们的祖先也找到了另一种新方式觅食,那就是长出鲸须—它由很多片叶状组织构成,用以从海水中过滤出磷虾和其他动物做食物。当食蚁兽慢慢演变至只以虫子为食,它们祖先的牙齿不但起不到任何作用还成了累赘。它们的嘴逐渐变的细长以便于将长长的舌头伸进蚁巢。大大的牙齿只会变成绊"舌"石。

那么牙釉质去向何方了? 科学家们决定检验一下这种可能性:在这些没有牙齿的哺乳动物的基因组中,牙釉质的基因仍然存在,但是这些基因被 "关闭"了。在每一个物种的基因组中,科学家都可以发现一些所谓的"假基因",它们在某些极为有害的突变发生之后不能再编码蛋白质了。其中一种突变方式,就是在基因中插入一个"停止"指令,使得细胞无法识别完整的基因序列进而无法翻译出完整的蛋白质。另一些突变方式可能会将一大段DNA放置于基因的不同位置,从而改变了基因的编码序列。 你可以想象一下把一句话中的空格都向左移动一下。 亻 尔会得 至刂这 木 羊的一句讠 舌。

尽管有这些极具破坏性的突变存在,假基因却通常保留着与"真基因"的相似性。 比如我们体内就有成百上千个假基因与编码我们鼻子内受体的基因极为相似。所以Springer和他的同事们将49个哺乳动物物种中负责编码牙釉质的基因ENAM进行了测序,其中包括没有牙齿以及有牙齿但没有牙釉质的动物,希望探寻到在退化的过程中基因到底发生了什么变化。

结果与他们预料的非常相似,但他们仍旧惊讶不已。对于有牙齿的哺乳动物,ENAM并没有发生移码突变(基因突变的一种类型,即有碱基对插入DNA序列或从序列中丢失,从而造成密码子的改变)。可是20种没牙齿或者有牙齿但没有牙釉质的动物中有17种至少具有一个移码突变。在这所有20种没有牙釉质的动物的ENAM基因里,都有一个停止指令(也就是通常所说的终止密码子)。这些ENAM就这样被"枪毙"了。

在许许多多的基因当中只有一部分是可以被编码成蛋白质的,剩下的基因则不会。基于这一事实科学家们探查出了ENAM基因的进化过程。那些可以改变蛋白质结构的突变会给生物们带来重大的后果。这些后果可能是好的,也可能是坏的-但无论是好是坏,基因突变都有可能使得携带这种突变的个体在繁衍后代上获得绝对性的优势,从而使这种突变得以延续下去。与之相反的是,沉默突变很可能没有带来任何改变(或者最多是一个很小的改变)。

这样看来,有牙齿的哺乳动物的ENAM基因经历了所谓的纯化筛选(也叫做稳定筛选,即在这个过程中生物特征趋向于某个稳定状态,基因多样性降低,除了较为稳定的特征外其他因突变产生的特征则被淘汰,突变体通常不会得以保留)。换句话说,只有很少很少可以造成蛋白质改变的基因突变能够经受住数以百万年的考验得以保存下来,比如如果你需要坚固的牙齿才可以生存下去的话,胡乱篡改牙釉质的编码基因实在不是件好事。与之不同的是,在没有牙釉质的哺乳动物中,ENAM基因以另一种方式演变了。这种演变方式被称作中性进化(即分子进化的中性学说):沉默突变和造成蛋白质改变的突变所发生的几率是相同的。(即任何种类的突变都只是分子层面上的一个随机事件,无所谓好或者坏,是中性的,因此自然选择对它们不起作用。)ENAM的� �变对于这些无牙釉质的哺乳动物来说已经不再重要了,因为正如前文所述,这些基因已经被 "枪毙"了。

这些基因的残迹不仅说明了牙齿是怎样消失的。他们还表明了牙齿是什么时候消失的。通过比较没有牙釉质的物种中亲缘较近的一些,科学家们可以总结出它们最近的一个共同祖先发生了怎样的突变。并且因为中性突变的累积速度较为稳定,科学家们可以算出ENAM基因是在多久以前从一个非常重要的基因变成了一个无用的东西。对于某些物种,科学家们甚至可以预言,古生物学家可以找到比迄今最古老的无齿动物早几百万年的同物种无齿动物—以穿山甲为例,如所示。图中可以看到一个明显的趋同(convergence)过程。历史的痕迹隐藏在食蚁兽细胞的分子里和那些已经变成石头的头骨中。但是有了这些线索,一张简单的图片就可以揭示出进化过程的真相。

1

Reference:

http://en.wikipedia.org/wiki/Purifying_selection

http://en.wikipedia.org/wiki/Neutral_evolution

http://www.bio-medicine.org/biology-definition/Neutral_theory_of_molecular_evolution/

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