Pandemics of the Past and Future: A Conversation with Nobelist David Baltimore

注:这篇文章是加州理工学院科学家系列文章的一部分,这些科学家正在根据各自的专业研究COVID-19大流行。从生物学,到化学,到社会科学,再到计算机,对抗这种疾病的关键还有待发现。

虽然没有哪两次大流行是相同的,但每一次大流行都给我们上了下一次大流行的课。巴尔的摩(David Baltimore)是一位病毒学家,曾在上世纪80年代和90年代艾滋病最严重的时候研究过HIV。

1975年,巴尔的摩分享了诺贝尔生理学或医学奖,因为他发现了艾滋病毒等病毒用来将RNA复制到DNA中的酶。这些所谓的逆转录酶病毒然后将其基因的DNA拷贝永久地插入宿主细胞中,这样就不可能真正清除感染。尽管新型冠状病毒(SARS-CoV-2)不是逆转录病毒,但它仍然是自艾滋病流行高峰以来最具破坏性的全球流行病。

我们与巴尔的摩进行了电话交谈,以了解他对这次大流行的看法,以及如何为不可避免的大流行做好准备。

你能先给我们介绍一下艾滋病流行的时间轴吗?

事实上,艾滋病的流行开始于在洛杉矶的一些病人的观察,他们去看医生;办公室里有各种奇怪的症状,所有这些都表明免疫系统有问题。这是一种以前从未见过的综合症。特别的皮肤病、口腔疾病和其他疾病,合在一起,毫无意义。这些病人大部分是男同性恋者,由专门治疗男同性恋者的医生诊治。

医生们将这些病例报告给了亚特兰大的疾病控制中心,该中心将这一事件作为特例发表,但是其他地方的医生也意识到他们也遇到了类似的问题。它成为一种病因不明的综合症,过了一段时间才被确认为一种病毒,即人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,简称HIV)。

一旦明确这是一种病毒,那么它就可以被认为是一种传染病,从一个人传播到另一个人。这极大地帮助我们查明了问题的类型,但它显然是一种我们以前从未见过的媒介。它原来是一种病毒,属于我10年前研究过的一类病毒,叫做逆转录病毒。我发现逆转录病毒有一种独特的酶能力来复制RNA的DNA。为此,我在1975年获得了诺贝尔奖。到20世纪80年代早期,这类病毒已经很成熟了,但还没有人见过它引起这种疾病。

HIV病毒最终被追踪到一种非洲猴子特有的病毒,这种病毒进入了黑猩猩,进入了人类,并且在人类之间传播——虽然效果不佳,但却很有效。从某种意义上说,它不是一种传染性很强的病毒,这是很糟糕的。在20世纪80年代和90年代,这一切都变得清晰起来。

与此同时,HIV病毒当然在世界各地传播。它是相当致命的,会导致大规模的疾病和死亡。幸运的是,人们一直在研究这种病毒的抑制剂,货架上有一些药物可以立即测试它们的能力来阻止这种疾病。事实上,其中的一种,AZT,被证明是非常有效的,尽管它的作用是短暂的,因为病毒对它产生了突变。但是,它提供了线索,这是药物发展的方向。这一类的许多其他药物是由不同的制药公司生产的,最终我们得到了很好的抗病毒化合物。

科学界研究了病毒的性质,并发现了药物开发的其他弱点。我们最终得到了治疗这种疾病的各种各样的药物。今天,艾滋病仍然是一种慢性病,但其致死率在很大程度上得到了控制,至少在发达国家是这样,那里的药物供应更加稳定。我们现在生活在艾滋病病毒中,艾滋病病毒是我们世界的一部分。

因此,艾滋病的流行最终因药物治疗而减缓,但艾滋病毒的疫苗却没有。为什么没有艾滋病疫苗?

这是一个非常有趣的故事,因为我们认为,当人们第一次发现大多数病毒时,我们将能够制造出一种疫苗来对付它们。从历史上看,我们已经研制出了针对多种病毒的疫苗:天花、脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎、风疹等等。有了这段历史,我们希望能制造出一种疫苗。

我曾在80年代参与思考过这个问题,当我们研究这种病毒时,我们发现它有一个特征,表明可能无法制造出疫苗。这一特点是,病毒可以而且确实自由变异,因此它不断呈现出不同的免疫特征。尽管世界各地的公司和大学科学家做了大量工作,但我们没有疫苗。从来没有一种病毒如此难以控制,如此致命。尽管如此,我的一些同事正在研究我们最终能够开发出疫苗的方法。

这就是COVID-19出现的背景。那次大流行和这次有什么不同?例如,您提到艾滋病毒的传播很差,而COVID-19病毒似乎很容易传播。

是的,一个主要的区别是SARS-CoV-2是极具传染性的,而HIV的传染性很差。

这两种病毒之间还有许多其他的区别。首先,它们属于非常不同的病毒家族。SARS-CoV-2是一种冠状病毒。我们称HIV为逆转录病毒或慢病毒。它们有着完全不同的进化史,在机制上也有很多不同之处。尽管它们都是病毒——它们是只能在细胞内生长的非常小的病原体——但它们的行为方式非常不同。

但它们的相似之处在于它们都来自动物。对于HIV,是猴子,而对于SARS-CoV-2,我们认为是蝙蝠。它们对人类来说都是全新的。我们没有任何治疗冠状病毒的药物,因为到目前为止冠状病毒还不是一个大问题。它们是引起SARS和中东呼吸综合征(中东呼吸综合征)的病毒的一个小焦点问题,这些病毒是冠状病毒,但这些疫情得到了相对迅速的控制。

我们如何应对当前的大流行?重点是药物治疗还是开发疫苗?

目前,我们没有任何办法来对付这种病毒。我们希望那些被开发出来用于其他目的的药物也许能治疗冠状病毒,但是当然,我们没有疫苗。我们正在从零开始。然而,我们有一个巨大的设备来解决这个问题。我们的一些公司已经研制出了许多其他病毒的疫苗,并开发出了治疗艾滋病的药物。

科学界希望研制出一种针对COVID-19的疫苗相对简单。但是我们没有继续下去的经验。我们从未研制出一种预防冠状病毒的疫苗,因为我们没有必要这样做。我们没有经验知道这类病毒是容易对付还是很难对付。我希望如此,但是病毒传播得如此之快,我们没有多少时间来阻止它的传播。

因此,我们选择了唯一能减缓病毒传播的途径,那就是阻止人们聚集在一起。这种病毒和其他任何病毒一样,只能通过从一个人传播到另一个人再传播到另一个人而存在。传播需要人与人之间的密切接触,这就是为什么我们现在要求人们保持6英尺的距离,戴上口罩,呆在家里。

在没有药物和疫苗的情况下,我们正在做以前从未做过的事情来阻止病毒传播。我们必须接受对社会的破坏,对经济活动的破坏,对智力活动的破坏,对所有普通行为的破坏。

普通的感冒也常常是由冠状病毒引起的;为什么它不被认为是流行病?

普通感冒也是一种流行病。但它不是致命的。引起普通感冒的病毒有数百种,其中一些是冠状病毒,但我们通常不担心它们,因为它们会自己照顾自己。它们会引起轻微的感冒,通常发生在孩子身上,然后感冒就会消失。

那些冠状病毒不是严重的致病原因,所以我们不担心它们。即使它们会引发流行病——意思是说,世界上有很多很多人都得了鼻塞——我们只是让我们的免疫系统来对付它。

忽视普通感冒病毒可能不是一个好主意。公共卫生官员有时的确会研究普通感冒,至少要了解它的自然历史,以及它在哪里分布,传染性如何,以及其他一些事情。但我们没有投入大量资源,因为这对我们的社会来说不是一个真正的挑战。

COVID-19病毒在1-5%的感染中是致命的,不像普通的感冒冠状病毒,它几乎是不致命的。我们对COVID-19没有预先存在的免疫力,因为据我们所知,COVID-19以前从未在人类身上出现过。现在我们正在动员起来,试图阻止它的蔓延,因为它正在杀人,它对我们社会正常功能的破坏程度是绝对不同寻常的。自1918年流感流行以来,我们从未见过这样的情况——而且很少有人见过。

事后来看,你认为流行病学家和公共卫生官员在应对艾滋病大流行时应该采取什么不同的做法吗?你认为我们现在在应对艾滋病大流行时应该采取什么不同的做法吗?

艾滋病的传播处理得很糟糕。当时,在20世纪80年代早期,它似乎是一种主要影响男同性恋者的疾病。当时,同性恋被视为一种异常行为。里根总统甚至都不想用“艾滋病”这个词,“HIV”这个词,“同性恋”这个词。因此,由于恐同症,我们在应对艾滋病流行方面进展缓慢。我们花了10年或20年的时间才认识到,首先,这是一种广泛存在于同性恋群体中的病毒,但也存在于同性恋群体之外,尤其是在非洲。

我们必须认识到,我们需要把它当作对我们社会的一种威胁,而不只是某一特定阶层的人的一种疾病。然后我们通过预防接触和用随之而来的药物治疗来更有效地预防它。但这花了很长时间。

1986年,我是美国国家科学院一个委员会的联合主席,该委员会发布了一份名为《抗击艾滋病》的报告。这是一项本应由联邦政府进行的活动,但联邦政府害怕触及它。所以,这是由国家科学院完成的它为国家制定了一个计划来研究病毒,应对病毒,并采取行动。国会拨款,我们开始了一个严肃的研究项目。但那是在我们知道病毒性质的5年后。

我们开始对COVID-19的反应与我们对HIV的反应非常相似。我们试图把它归类为一种特定人群的疾病,中国人的covid19或同性恋者的艾滋病。我们试图忽略它。我们知道,在科学界,病毒不会只影响一群人,它们会传染给所有人。当我们知道COVID-19具有传染性时,我们就知道它会传播到世界各地。我们现在发现,纽约市可怕的流行病实际上始于2月份,但没有人注意到它。它来自欧洲,而不是中国。

科学界明白,新的大流行是大流行历史的一部分,以前发生过的事情将会再次发生。

作为一个社会,我们能做些什么来为下一次病毒大流行做准备?

我们必须投入资源保护我们自己,并在流行病学、公共卫生、疫苗、快速反应和病毒科学等领域加强我们的能力。

我们应该有一批公共卫生人员不断地研究这些问题,观察自然界中的所有病毒,一个接一个地说,",如果这个病毒失控了,我们该怎么办?",做好准备。这些我们都可以做到。它实际上并不是特别贵。但这意味着,首先,我们不能依靠我们的行业来做这件事,因为它在经济上没有吸引力。

这是必须由公众来做的事情,这意味着必须为它留出资金。在我的一生中,我所看到的是,每当有流行病发生时,我们说:“现在我们必须研究这个,并为下一次流行病做好准备。”但是在几年之内,这种动力消失了,资金被重新分配到其他问题上,我们不再维持对自然世界的监控。我们没有保持我们在疫苗和药物开发方面的能力,所以当下一种疾病出现时,我们必须从头再来。这# x27; s短视。然而,这是政治的现实。

现在,研究人员正在研究药物和疫苗,社会上的其他人似乎也在以我们自己的方式被动员起来,采取了居家指导和保护措施,你认为我们有什么可以做得更好的特别之处吗?

嗯,实际上我对正在发生的事情印象非常深刻。一些公司只是简单地说,"we将把我们的专业知识用于解决这个问题,我们不会担心它的经济效益。我认为我们会对这个问题做出反应,但是反应已经太迟了。我们从这种流行病中看到的是,一旦基因从瓶子里出来,可以说,它传播得如此广泛和迅速,除非我们所有的防御准备就绪,否则我们将为时已晚。我们现在太晚了。

我们应该从中吸取教训。我们应该有一个全国性的计划来确保下次发生这种情况时,我们不会那么无助。

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Connecting from a Distance: The New Prefrosh Experience

在新入学的学生不能来加州理工学院的时候,加州理工学院正在尽最大努力来找他们。

在covid19大流行之前,4月20日至22日是加州理工学院的预科生体验,这是入学季的标志性事件,在这期间,大约250名被录取的学生及其家人会来学校参加为期三天的活动,包括参观和参观教室。

“我们会在这三天里投入很多努力,”加州理工学院本科生招生办主任Nikki Chun说,“因为我们知道,亲身的校园经历对学生秋季是否选择加州理工学院有着重要的影响。

全永说,COVID-19改变了这一切,但它也为创新和推广开辟了新的机会。与短暂的校园访问不同,今年的预科生体验提供了持续的视频聊天室,连接当前的学生和他们的预科生同伴,并有机会参加与教师的小组缩放会议。

“尽管我们不得不找到不同的方式来组织这次体验,但目的是一样的:向预科生和他们的家人展示加州理工学院所能提供的一切,让他们能够做出明智的决定。”

4月10日,175多名准学生与诺贝尔奖得主、化学工程、生物工程和生物化学教授弗朗西丝·阿诺德进行了长达一小时的非正式问答。

穿着休闲的蓝色“阿诺德实验室”t恤,阿诺德回答了关于她的工作,她的职业,科学领域的女性,以及关于研究所本身的问题。

“加州理工学院是高度互动的。它很小,所以你可以认识这里的很多人,我们互相尊重。包括学生在内,"阿诺德告诉视频会议的与会者。你可以直接去敲别人的门,然后坐下来和他们交谈。在一所大学校里做到这一点要难得多。”

她补充道:“如果你热爱科学,加州理工就是天堂。真的是天堂。工作很多,但任何伟大的事情都值得为之努力。”

该校招生办助理主任卡拉•阿里阿加(Karla Arriaga)表示,其他推广努力还包括在Facebook上建立群组,以及通过不和谐的聊天,在一种非正式的、学院式的氛围中,将准学生与在校生联系起来。每个部门的教师还主持了45分钟的小组视频聊天,讨论他们的学科和各种可用的选择。虽然高科技的推广方式可能很有效,但招生人员会根据对预科生和他们的家人最有效的方式来调整他们的沟通方式,有时会通过电话,有时也会通过信件。

她说,到目前为止,虚拟产品的效果“比我们希望的要好”。我们的录取学生人数使我们的办公室有优势来个性化我们与预科生的每一次交流,从我们的录取学生门户到单独的缩放会议。我们发现,学生们非常热衷于参与虚拟活动,并开始利用不同的社交媒体平台创建在线社区。”

全永补充道:“虽然我们真的希望我们可以亲自做所有这些,但即使是在网上,也很容易传达我们社区的美丽和它是多么的自然。无论是面对面还是隔着一段距离,它都是显而易见的。”

描述:诺贝尔奖获得者弗朗西丝·阿诺德是化学工程、生物工程和生物化学的莱纳斯·鲍林教授,她在与175名学生的视频聊天中讨论了自己的职业生涯。

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Caltech Graduate Student Receives P. D. Soros Fellowship

加州大学洛杉矶分校加州理工学院医学科学家培训项目的博士研究生贾斯汀·李(Justin Lee)获得了保罗和黛西·索罗斯(Paul and Daisy Soros)新美国人奖学金。该项目向移民子女、绿卡持有者、归化公民、童年抵美暂缓遣返(DACA)受助人或美国签证持有者提供9万美元的研究生奖学金。

" Lee说:“我相信,作为一个新美国人,我要扎根于我的韩国传统,同时努力为美国做贡献,为美国人民服务。”我非常幸运,在美国有无数的机会,我计划利用这些机会,通过医学和健康技术的发展来为我身边的人服务

在加州理工学院,李在米哈伊尔·夏皮罗的生物工程实验室研究合成生物学,夏皮罗是化学工程教授和传统医学研究所研究员。他参与了一个项目,设计人体的免疫细胞对癌症特异性信号做出反应。与此同时,通过加州大学洛杉矶分校和加州理工学院的合作,李正在加州大学洛杉矶分校神经外科系主任Linda Liau的指导下接受培训,成为一名神经外科医生。在该领域,他希望利用新的合成生物学技术开发出基于细胞的工具,用于诊断和治疗恶性胶质瘤等癌症。

他说:“我相信,通过合成生物学和细胞工程,我们可以获得细胞免疫疗法的最佳特性,并赋予它们新的能力,以提高它们瞄准肿瘤、感知疾病和启动强大的抗癌项目的能力。”

李彦宏对医学的热情来自于他与祖父母的深厚联系。在李彦宏全家从韩国搬到美国、他的父母为了创办和管理一家摄影公司工作了很长时间之后,他的祖父母在抚养李彦宏的过程中发挥了重要作用。他的祖父在上高中的最后一年被诊断出患有癌症,而他的祖母在那之后不久就中风了。",他说,看到他们在痛苦中死去,激励我去追求在医学上的职业生涯。在进入加州理工学院-加州大学洛杉矶分校的项目之前,他在约翰霍普金斯大学读医科预科,期间投身于科学和数学。李说,在沙皮罗的实验室里,他可以从事自他对医学科学产生兴趣以来一直想从事的那种协作式创新研究。

他说:“合成生物学让我能够改造细胞,使它们具备有用的特性和能力,从而可能改善人类健康。”设计和测试不同的遗传构造是非常有趣的,而且开发新技术也是值得的

索罗斯奖学金从2,211名申请者中挑选了30名学生,李是其中之一。匈牙利移民黛西·m·索罗斯(Daisy M. Soros)和她已故的丈夫保罗·索罗斯(Paul Soros, 1926-2013)创立了这个项目。李信贷纪律和毅力他学会了作为初级奥运美国水球帮助引导他走向成功。最重要的是,他相信他的家人和他们作为新美国人的经历。

他说:“我的家人教会了我社区的重要性,我的故事不是让自己自力更生。我非常幸运能成为一个提供支持和指导的大型社区的一员,我知道如果没有我周围许多人的牺牲,我的旅程是不可能完成的

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Caltech Helps Launch International Alliance of Universities Addressing Climate Change

加州理工学院与全球数十所大学共同发起了国际大学气候联盟(IUCA),旨在为参与有关气候变化的国际和国家政策讨论提供一个新的声音。

该联盟由澳大利亚悉尼新南威尔士大学(UNSW)发起,是一个由18个国家的40所大学组成的网络,每个大学在分析和应对气候变化方面都有不同的优势。该组织计划就如何最好地应对这一存在的威胁,向政策制定者和公众传达研究见解。

今天,我们看到了对社会面临的问题和挑战有明确的科学投入的重要性。"环境科学与工程教授、加州理工学院IUCA联络人安德鲁·汤普森说,IUCA希望成为政府和其他利益相关者的资源,在与气候科学、影响、缓解和适应相关的问题上提供一个独立和受人尊敬的国际声音。

尽管冠状病毒目前在公众头脑中占据着主导地位,但联盟的成员大学出于应对气候变化的迫切需要,决定推进该组织的成立。

"当然,在目前形势下,把我们的注意力转到抗击第19届脊髓灰质炎大流行上必须是一个优先事项,这已经导致了研究项目和资源的重大转变。然而,在过去的一个月里,我们已经见证了同样有争议的讨论,围绕着科学投入对政策制定的重要性,这也是几十年来气候辩论的特点," Thompson说。

最终,应对气候变化可能需要社会运作方式的根本改变。他补充说,现在比以往任何时候都更加清楚的是,基于气候科学界的集体理解,在知情的情况下做出这些决定,对于国家和国际利益的管理都是至关重要的。

最近,Stewart和Lynda Resnick捐赠了7.5亿美元,用于支持环境可持续性方面最紧迫挑战的前沿研究,加州理工学院将成为气候变化方面的领导者,他说,这是现在迫切需要的声音。

更多关于联盟的信息可以在其网站上找到:https://www.universtiesforclimate.org。

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Black Hole Bends Light Back on Itself

你可能听说过,没有任何东西能逃脱黑洞的引力,甚至光也不能。在黑洞附近确实如此,但是在更远一点的地方——在一些黑洞周围旋转的物质圆盘——光线可以逃逸。事实上,这就是黑洞活跃地成长并发出明亮的x射线的原因。

现在,一项即将发表在《天体物理学杂志》上的新研究提供了证据,证明事实上并非所有从黑洞周围的圆盘流出的光都能轻易逃逸。其中一些被黑洞的巨大引力所折服,转回来,最终从圆盘上弹回并逃逸。

"是这项新研究的主要作者,也是加州理工学院的博士后学者,他说:“我们观察到光线从离黑洞很近的地方发出,黑洞试图逃逸,但却像回力棒一样被黑洞拉了回来。”这是在20世纪70年代就被预测到的事情,但是直到现在才被显示出来

这些新发现是通过梳理美国国家航空航天局(nasa)现已关闭的罗西x射线定时探测器(RXTE)任务的档案观测资料而得出的,该任务于2012年结束。研究人员专门研究了一个由类太阳恒星环绕的黑洞;这一对被称为XTE J1550-564。黑洞"从这颗恒星向外输送物质,将物质拉到它周围的平坦结构上,这种结构被称为吸积盘。通过仔细观察来自圆盘的x射线,研究小组发现了一些痕迹,表明光线被弯曲回圆盘并被反射了出去。

来自加州理工学院的物理学研究助理教授贾维尔·加西亚(Javier Garcia)是该论文的共同作者之一。"的理论学家已经预测了光会有多少部分折回到圆盘上,现在,我们第一次证实了这些预测

科学家们说,新的结果间接地证实了爱因斯坦的广义相对论,也将有助于未来测量黑洞的自旋率,而这方面的知识目前还知之甚少。

康纳斯说,由于黑洞可能会快速旋转,它们不仅会使光弯曲,还会使光发生扭曲。这些最近的观测结果是试图找出黑洞旋转速度之谜中的又一块

这项名为“黑洞x射线双星XTEJ1550-564中返回圆盘辐射的"证据”的新研究是由美国国家航空航天局、亚历山大·冯·洪堡基金会和玛格丽特·冯·兰格尔奖学金资助的。其他合著者还有德国埃尔兰根-纽伦堡大学的托马斯·道泽尔、斯蒂芬·里克德勒和约恩·威尔姆斯;德国图宾根大学的维多利亚·格林伯格;麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所和哈佛大学的James Steiner;哥伦比亚大学的纳文·斯里达尔;加州大学伯克利分校的John Tomsick;菲奥娜·哈里森(Fiona Harrison),加州理工学院哈罗德·a·罗森(Harold A. Rosen)物理学教授,肯特·克里萨(Kent Kresa)和乔伊斯·克里萨(Joyce Kresa)物理、数学和天文学系主任。

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Ask a Caltech Student

科学家怎么知道行星中间有什么?

在"问一个加州理工学院的学生,"一个新的Facebook群,帕萨德纳地区的K-12学生和家庭被鼓励联系到加州理工学院的研究生与科学和数学问题有关的学生的学校作业和家庭作业。

集团成立于2020年3月由学院# x27; s中心教学,学习,和外联(CTLO),与Raj Katti合作,研究生在物理学中,为了应对暂时关闭学校在洛杉矶县由于COVID-19危机和由此产生的远程学习。

"说,我意识到,如果加州理工学院的研究生有一些空闲时间,而帕萨德纳地区的学生对他们的家庭作业有疑问,就必须有一种方法把这两个群体联系起来。由于CTLO并不是为了运行直接的辅导项目而设立的,卡哈兰和卡蒂提出了在社交媒体上建立一个开放论坛的概念,人们可以在这个论坛上提问,并可能从学生那里得到多个答案。

在创建Facebook群组的24小时内,已有220人成为会员;其中约三分之二是研究生,三分之一是帕萨迪纳社区成员。最初,卡哈拉人只允许帕萨迪纳市10英里以内的家庭成为会员,但后来扩展到20英里,包括从格伦多到伯班克和波因特南的家庭。截至4月3日,这一数字已升至320。

Katti将人们对这一举措的热情归结为三个因素:"教学的乐趣、帮助社区的兴趣以及老式的无聊。"的研究生同事迈克尔·马扎(Michael Mazza)是一位化学专家,他补充说,"的研究生不得不暂停他们的研究活动几周,并将继续这样做。与第一次学习这些材料的学生接触可以重新点燃发现和兴奋的感觉,正是这种感觉最初推动我们走上这条职业道路

这确实为研究生们提供了一个分享和庆祝他们所热爱的工作的机会,卡哈兰说,他们现在非常渴望这样做

它的目标不是提供具体问题或方程的答案,而是让加州理工学院的学生解释基本概念,发布外部内容的链接,并共享资源以获得额外的帮助。该小组由Cahalan和CTLO教育推广副主任Mitch Aiken主持。

有什么好方法可以向一个9岁的孩子解释为什么电池不能连接在一起?

加州理工学院的学生需要调整自己对K-12学生群体的反应,这本身就带来了挑战,但已经成为相关人士乐于接受的学习机会。马扎说:“思考如何最好地向学生描述和介绍新的科学概念本身就是一种智力要求和有益的经验,所以我自己肯定对材料有了更深刻的理解。”天才科学家的标志不是他们的工作听起来多么复杂,而是他们能多么清楚、简明地阐述自己的工作

在回答9岁孩子关于电池的问题时,马扎回答说:"当我了解到电池时,我的老师把它描述成水管。所以,电子就像水一样,想要向同一个方向流动。当你有两个电池连接在相反的两端,这就相当于把两个消防水管指向同一个方向。这是通过它们的水量的两倍!如果你把它们连在一起,就像把两条水管连在一起一样。那样水就会互相流入,而不会有任何东西流出来

正如卡哈伦所指出的,线程对话格式也很有帮助,因为一个学生如果不能理解所提供的问题的第一个解释,那么他在第二个或第三个解释时可能会有"aha"的时间点。有人可能会用一种方式来解释,她说的是",但也有人可能会说:“我就是这样学的。”或者,这是解决这个问题的另一种方法

对于相关的研究生来说,获得教学经验是一个强大的动力。“我想改进我的教学,”卡蒂说。我的导师(Michael Roukes)喜欢告诉我,大部分教学工作是搞清楚你的听众——他们熟悉哪些单词,他们已经知道哪些概念。通常我给同事或教职工做研究报告,或者教本科生。现在,观众是初中生和高中生,但是过程是一样的

虽然目前的重点是学校作业和家庭作业,但卡哈兰看到了更广泛的社区影响的潜力。我希望能有一个空间,让有这些问题的孩子们走进来,然后说:“请跟我谈谈你的研究或职业道路。

她补充道:“如果我们现在都不得不放慢速度,从电脑上探索一些东西,那么可能还有比这更糟糕的事情可接触,那就是一群非常聪明、兴奋的研究生,他们有时间谈论他们感兴趣的东西。

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Deep-Sea Worms and Bacteria Team Up to Harvest Methane

美国加州理工学院西方学院的科学家们在海底发现了一种以甲烷为燃料的蠕虫和细菌共生关系,这为深海环境的生态学带来了新的曙光。

他们发现,甲双球菌科的细菌已经搭上了羽状羽毛的顺风车,这些羽状羽毛是薄层和双皮拉蠕虫的呼吸器官。甲藻科是产甲烷菌,这意味着它们从甲烷(一种由碳和氢组成的分子)中获取碳和能量。

这种蠕虫只有几英寸长,它们大量出现在深海甲烷渗出物附近,也就是海底富含碳氢化合物的液体渗出到海洋中的喷口,尽管目前还不清楚为什么这些蠕虫偏爱喷口。事实证明,蠕虫会慢慢消化搭便车而来的细菌,从而吸收细菌从甲烷中获取的碳和能量。

也就是说,在一些帮助和一些额外的步骤下,这些蠕虫已经变成了甲烷生物。

Worms在哥斯达黎加海岸的海底发现的食甲烷的serpulid蠕虫。图片来源:Alvin/WHOI

"这些蠕虫一直与渗漏联系在一起,但每个人都认为它们是滤食性细菌。相反,我们发现他们正与微生物利用化学能量饲料在某种程度上我们没有# x27; t认为,"维多利亚孤儿说,詹姆斯欧文的环境科学和生物学教授和共同通讯作者论文的蠕虫是4月3日出版的科学进步。

孤儿和她的同事们是在研究南加州和哥斯达黎加海岸的甲烷喷口时发现这一现象的。

"我们的一位同事是研究这种蠕虫的专家,他注意到这种蠕虫的形态不同寻常。呼吸羽状物比任何人以前见过的都要多,这是第一个线索。这就足以使我们说,这是有趣的。加州理工学院地球生物学的访客、《科学进展》杂志上那篇论文的主要作者莎娜·戈夫雷迪说,我们应该进行调查。戈弗雷迪是洛杉矶西方学院的生物学副教授。

为了探索蠕虫和细菌之间关系的本质,科学家们必须首先使用机器人潜水艇从深海甲烷喷口提取样本,在这种情况下,甲烷喷口位于海洋表面以下1800米。

Ship型载人潜水器“阿尔文”的表面恢复,小船上的恢复小组在视野中。图片来源:莎娜·戈夫里迪/西方学院图片Lightbox Ship载人潜水器“阿尔文”号表面恢复,小船上的恢复小组清晰可见。从顶部的R/V亚特兰蒂斯信贷:Shana Goffredi/西方学院下载完整的图像

一旦这些蠕虫被带到上层,科学家们分析了它们的组织,记录了它们所消耗的碳同位素。碳以两种稳定的同位素形式存在——可以说是不同的"flavors"的碳。大约99%的碳是碳-12,每个原子核里有6个中子和6个质子,大约1%是碳-13(6个质子和7个中子)。碳-14是一种放射性同位素,以微量存在。

所有的有机体都需要某种形式的碳来生存,它们通过代谢过程来吸收碳。研究生物组织中碳13和碳12的比例,可以为了解碳的来源和形成条件提供线索。以深海蠕虫为例,它们的组织中碳13和碳12的比例非常低,这意味着蠕虫体内的碳很可能来自甲烷。孤儿和她的合作者推断,因为蠕虫不能直接处理甲烷,它们必须从产甲烷的细菌中获取碳。

事实上,我们在整个蠕虫中发现了碳的这种特殊同位素;"孤儿说,不仅仅是在呼吸系统中,身体也在消耗这些细菌产生的甲烷碳。研究小组通过使用分子技术和显微镜以及实验来验证这些蠕虫吸收改良的、可追踪的甲烷的能力,从而进一步证实了这一假设。

Alvin的科学家维多利亚·欧凡和莎娜·戈弗雷迪准备和飞行员丹尼尔·福斯曼一起潜入阿尔文潜水器。Victoria Orphan和Shana Goffredi准备和飞行员Danik Forsman一起潜入阿尔文潜水器。资料来源:Victoria Orphan/Caltech下载完整图片

他们的研究成果改变了我们对渗漏生态系统的理解,并对深海管理产生了影响,因为由于人类对能源和矿物的开采,甲烷渗漏和热液喷口肯定会承受越来越大的压力。

论文题目为"Methanotrophic细菌性共生菌为深海羽毛掸虫(Sabellida, Annelida)的密集种群提供燃料,并扩展了甲烷渗漏的空间影响。"加州理工学院的合著者包括研究生Sean Mullin和博士后研究员Fabai Wu。其他合著者包括圣地亚哥斯克里普斯海洋研究所的Ekin Tilic、Lisa Levin和Greg Rouse;新泽西州罗格斯大学的凯瑟琳·道森;费城坦普尔大学的Abigail Keller和Erik Cordes;华盛顿州立大学的雷蒙德·李。这项研究得到了国家科学基金会和戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/deep-sea-worms-and-bacteria-team-harvest-methane

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Caltech Signs Agreement to Provide Open Access to Computing Research

我们很多人都知道点击一篇新闻文章后遇到收费墙的挫败感。学术研究人员在试图获取期刊文章时也会遇到这个问题,但对他们来说,成本往往高达数千美元。

加州理工学院和计算机研究学术协会(ACM)之间的一项新的开放获取协议,保证了所有由加州理工学院的研究人员撰写的论文,只要出现在ACM期刊上,任何用户都可以免费获取,而不需要支付任何费用。

"说:“这对加州理工学院来说是一件大事,因为我们的研究已经在全世界产生了影响。”许多研究人员所在的机构买不起我们作者发表的期刊的订阅费,这实际上使加州理工学院的研究工作对他们隐瞒了

在与ACM签署了开放获取协议后,加州理工学院加入了其他主要机构的行列,如加州大学系统、卡内基梅隆大学麻省理工学院爱荷华州立大学

去年加入加州理工学院的Whatley说,开放获取为加州理工学院的研究人员、其他机构的研究人员和公众提供了好处。尽管加州理工学院过去一直支持开放获取计划,Whatley说这是该学院与出版商签署的第一个此类开放获取协议。

"期刊的价格涨幅明显快于图书馆的预算。那是不可持续的,正如霍利所说。"出版商确实通过同行评审、编辑、推广等方式为他们发表的研究带来了价值,但这种模式已经被打破了,我不认为我们应该修正它。我认为我们应该开发一种新的、能更好地配合当今研究工作的计算机

开放获取运动可以追溯到2008年,当时哈佛大学开始向公众免费提供其发表的研究成果。2013年,加州理工学院(Caltech)的教职工投票决定,开始免费提供该学院的研究成果。CaltechAUTHORS是加州理工学院研究人员撰写的在线文章库,2017年下载量超过1000万次。

Whatley说,开放获取是降低研究所期刊订阅成本的努力的一部分。图书馆采取的另一种方式是打破与出版商之间所谓的"协议。

想想那笔大买卖吧;她说,就像订阅有线电视一样。你可能不想要所有的频道,但期刊订阅就是这样运作的。要得到一些期刊,你得买一整套。几年前,为了收回对我们收藏品的控制,我们几乎打破了所有的大买卖

此外,图书馆已经开始尝试作为自己的出版商。

她说:“我们还没有大规模地进行这项工作,但加州理工学院图书馆现在是出版商了。”我们出版了一本叫做《微生物学》的开放获取期刊,同时我们还出版了一本微生物学教科书

要了解更多关于ACM OPEN的信息,请访问https://www.acm.org/publications/openaccess。

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New Superconducting Film Resists a Magnet’s Power to Thwart It

对于最近加入加州理工学院担任材料科学助理教授的约瑟夫·法尔森来说,电子就像奇异的超级跑车,因为它们拥有惊人的能力。

考虑超导现象,其中成对的电子不受阻碍地飞行,导致材料显示零电阻。然而,当电子穿过不纯物质时,或者当超导性被破坏时,这些才能就会丧失。在falson27的类比中,他把这比作驾驶一辆超级跑车行驶在鹅卵石街道上,限制了它的速度。我们的工作不是制造超级汽车,而是制造高速公路,他说。

在加州理工学院,他以两种方式应对材料挑战。首先,他和他的学生将尝试合成新材料,以显示新的电子特性。理论家们已经提出了许多这样的材料,其中许多现在已经成熟,可以在一个稳定的实验环境中创造出来。第二种方法是测试和改进已知的材料,特别是超薄膜,其中一些是外来超导体。

使用后一种方法,Falson清华大学和他的同事们在中国和德国的马克斯·普朗克固体研究所发现超导材料,保留其超导即使暴露于磁场,根据传统理论的预测,通常应该破坏财产。这项研究发表在3月27日出版的《科学》杂志上。

打破了规则

对于那些寻求研究超导性并最终实际利用它的人来说,问题在于,到目前为止,人们只在不高于-70摄氏度的超冷温度下认识到这一点。有一股强大的力量去实现室温超导性——这是科学的圣杯之一,法尔森说,因为这样你就可以把这些材料用在发动机或传输线上,损耗就会大大减少。它将使社会发生革命性的变化

然而,科学家要实现这一目标还面临许多挑战。扰乱超导性的三个主要因素是:温度升高、磁场暴露或携带高密度电流。此外,这些因素是相互关联的:环境温度越高,破坏其超导性所需的临界磁场就越小。然而,在他们的新研究中,法尔森和同事测试了一种被怀疑具有奇异电子特性的材料,并证明其超导性比理论所认为的更能抵抗外部磁场。

研究人员从一个普通的硅衬底开始,在它上面放置许多薄的晶体层材料,如碲化铋和碲化铅。最上层的灰色锡只有几个原子层那么厚,这时锡就变成了二维的;该层中的电子只能在锡的平面内移动,不能上下移动。早期的理论工作表明这种多层材料具有奇异的电子特性,而其他研究人员意外地发现这些薄膜具有超导性。法尔森将这种材料冷却到极低的温度,以进一步研究超导性,并发现了意想不到的反常行为。

研究的关键是电子的量子特性,即自旋。电子的自旋是指它的角动量;这种性质可以用大小和方向来衡量。他说,在正常的超导材料中,自旋相反的电子会变成库珀对,即负责超导的粒子。在散装材料中,自旋可以指向任何方向。然而,在某些薄膜中,自旋方向与材料的底层电子结构耦合,导致自旋倾向于指向平面外的"。换句话说,如果你把锡层想象成一张纸,它的自旋倾向于垂直于纸的平面。

然而,当电子暴露在磁场中时,电子的自旋倾向于与磁场的方向一致。在锡层的研究中,falson_27;s组施加了一个大的磁场" In -plane,"的意思是与纸平行。他们发现,改变自旋方向,从而消除超导性,需要的磁场强度比现有理论预测的要多40%,而这种效果只有在实验温度接近绝对零度时才会明显。为解释这些结果而发展起来的一种新的理论方法证实,层状材料的潜在结构特性使电子不愿翻转。

一些falson27的合作者发表了一项相关研究,解释了这一发现的含义,并预测了另外200种对磁场具有同样弹性的理论材料。位于哈利·g·斯蒂尔实验室的美国加州理工学院新实验室正在建设中,该实验室将试图找出那些预测的材料中哪些可以在现实世界中显示出类似的物理现象。他和他的同事将通过一种叫做分子束外延的技术来合成这种材料:在真空室中,各种元素将被蒸发,形成分子束。然后,这些材料将在精心挑选和制备的几层只有几纳米厚的衬底上积累。我们必须在其他晶体的上面生长晶体。这就是我们与块状晶体种植者的区别,"法尔森解释说。我们可以研究不同材料的三文治或异质结构,并研究它们的涌现性

世界各地的

法尔森第一次对材料的物理性质产生兴趣是在他的祖国澳大利亚上大学的时候,然后他踏上了环游地球的旅程,来到了加州理工学院。在新南威尔士大学(University of New South Wales)完成本科学业后,他获得了日本政府用于鼓励外国学者到日本学习和研究的一个项目的奖学金。在东京大学攻读博士期间,他学习了晶体生长和凝聚态物理,这是一门探索物质的宏观和微观属性的学科,同时也学了一点日语。在他于2020年初到达帕萨迪纳之前,博士后工作带他去了德国的马克斯·普朗克研究所。

法尔森说,加州理工学院的校园给人一种家的感觉。我喜欢这里的桉树,他说。它让我想起了家。我记得在面试期间在校园里四处走着,闻到了桉树的味道

加州理工学院对基础科学的研究方法也吸引了他。他不想在大学或国家实验室工作,与许多人研究同样的课题,他想去一个地方,让他去新的方向,比如他在合成新材料方面的基础工作。他说:“我很高兴他们愿意冒这个险,支持这个方向。

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The COVID-19 Virus, By the Numbers

注:这篇文章是加州理工学院科学家正在进行的关于COVID-19大流行研究的系列文章的一部分,每个科学家都有自己的专长。从生物学,到化学,到社会科学,再到计算机,对抗这种疾病的关键还有待发现。

当Rob Phillips决定离开凝聚态物理领域而成为一名生物学家时,那是因为他对病毒着迷。在过去的20年里,加州理工学院的Fred和Nancy Morris生物物理学、生物学和物理学教授一直在寻求对病毒研究的数字把握。

他说:“人们渴望得到定量的信息。当你对事实有一个数字把握时,你可以对过程如何展开做出更精确的预测。这很复杂也很难,但我们已经取得了进展

2018年,菲利普斯和他的长期合作者罗恩·米洛(Ron Milo)和伊农·巴隆(Yinon Bar-On)对地球上有多少生物物质进行了全面的定量全球评估,说明了人类是如何对我们的环境造成不成比例的影响的。

现在,随着SARS-CoV-2型冠状病毒(SARS-CoV-2)在全球范围内的流行,Phillips和由以色列魏茨曼研究所的Ron Milo领导的研究小组,已经把他的" – by- numbers"方法转向研究这种新型病毒。他和他的同事们现在已经在《生命》杂志上发表了一篇论文,内容是关于构成covid19的关键数字——病毒在人体内的平均浓度、病毒在不同表面的稳定性、感染率等等。我们和菲利普斯坐下来讨论新论文。

让我们从最基本的开始:什么是病毒?

病毒占据了生物和非生物之间的阴影世界。病毒本质上是一个小容器,里面是它的遗传信息。他们的基因很少。这种新型冠状病毒大约有25个基因。作为比较,一个细菌有大约4000个基因,一个人有大约20000个基因。它们用这么少的基因就产生了如此巨大的生物影响,这真是令人着迷。

在感染期间,病毒就像特洛伊木马一样。它们携带遗传物质进入宿主细胞,欺骗宿主细胞制造数百或数千个新的病毒副本。然后新的病毒从细胞中爆发出来,摧毁它,并对更多的细胞做同样的事情。在这一点上,它基本上是病毒和宿主的免疫系统之间的战争,试图组织防御和消灭包藏病毒的细胞。

这些数字说明了什么?有什么重要的收获?

基因数据非常有趣:SARS-CoV-2有50%的基因与普通感冒冠状病毒相似,96%与蝙蝠冠状病毒相似。这些人畜共患病毒——来源于动物并转移到人类的病毒——已经存在。它们是人类历史的一部分。

关于病毒进化和突变率的数据将使我们了解病毒发生变化的时间尺度。会不会出现第二波感染?会是季节性的吗?例如,流感病毒基本上每年都在进化,这就是为什么我们每年都要注射新的流感疫苗。

很难全面掌握感染率的一个问题是,数据中也存在很大的统计差异。有些人比其他人更具有传染性,不同的感染者携带的病毒量表现出巨大的差异。这是一个动态的情况,所以我们仍在掌握数字。

还有什么问题没有解决?你最感兴趣的回答是什么?

有各种各样的有趣的和非常多元,问题仍然没有答案,从分数的摆脱受感染细胞的病毒感染,病毒的数量从这样一个受感染的细胞,摆脱的人口比例是无症状的。我特别喜欢的是我们可以用数学来预测未来动态系统的路径。当然,科学史上最著名的例子之一发生在物理学和天文学的早期,当时诸如第谷·布拉赫、约翰内斯·开普勒和艾萨克·牛顿等科学家就如何预测行星的运动达成了协议。类似的想法关于所谓"dynamical systems"相关流行病的传播在时间和空间上就像我们现在正在经历,现在绝大纲要的数据高可用空间,时间,和人口决议提供了一个机会真正深入并找出这个流行的展开。

这带来了这样的希望:下一次这样的大流行来的时候,甚至可能是这次大流行本身,如果人们能够足够快地工作,我们将更好地知道如何思考它将如何演变,也许更好地知道如何应对它。

是什么促使你将研究转向新型冠状病毒?

六、七周前,就在这种冠状病毒开始向美国扩散的时候我的一个朋友——研究病毒的物理学家——告诉我,到明年4月,我们所有人都将被限制在家里,无法飞往任何地方。说实话,我很害怕。我意识到我们需要集中注意力,我想找出我的团队可以在哪些方面做出改变。

SARS-CoV-2研究的困难之一是有太多的单独的小插曲。人们都在看拼图的不同部分;这有点像盲人摸象的故事,盲人摸着大象的不同部位,每个人都拿出不同的大象图片。在冠状病毒的情况下,有些小插曲:病毒的生存在各种表面突起蛋白在病毒的结构生物学# x27;表面,电子显微镜的结构元素病毒的细胞生物学病毒与宿主相互作用,等等。

我们想要做的是创建一个一站式的资源,人们可以找到关于SARS-CoV-2的生物学和感染过程的关键数字。我的合作伙伴——罗恩·米洛和两位出色的研究生伊农·巴隆和阿维·弗莱蒙——我想总结一下科学文献,把它们放在一起。为此,我们所有的参考文献都是完全透明的,直接引用每篇论文中的句子,并准确地表明我们是如何知道我们所知道的事情的。论文也将是活的,这意味着每次文献更新一些数字,我们可以更新这篇论文。

这篇论文的题目是"SARS-CoV-2 (COVID-19)。"除Phillips外,论文的共同作者还有Weizmann科学研究所的Yinon Bar-On,加州大学伯克利分校的Avi Flamholz和Weizmann科学研究所的Ron Milo。

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