基因編輯仿佛是把魔刀
擁有改寫生命密碼的力量
在生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域讓人期待
那么這種力量是否有上限呢？
可以幫助我們獲得任何想要的性狀嗎

Q1

鹽水的冰點(diǎn)為什么比純水低？鹽水結(jié)冰后冰里有鹽嗎？

by heipen

答：

在純水中，水分子會(huì)在特定溫度下（0攝氏度）形成晶體結(jié)構(gòu)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。但當(dāng)你向水中加入鹽時(shí)，鹽離子(?、?）會(huì)與水分子相互作用，插入到水分子之間的結(jié)構(gòu)中，打破了一部分水分子之間的氫鍵。這使得水分子在更低的溫度下才能形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，從而降低了冰點(diǎn)。

這個(gè)現(xiàn)象在日常生活中常常被利用，例如，在冬季道路除冰時(shí)，散布鹽可以降低道路上冰的形成溫度，從而改善道路行駛的安全性。

當(dāng)鹽水結(jié)冰時(shí)，冰中通常不會(huì)包含鹽。飽和的氯化鈉溶液，凝固點(diǎn)低于零下20攝氏度。一般情況下，水結(jié)冰時(shí)，冰晶中的水分子會(huì)以晶格結(jié)構(gòu)排列，不容納溶解在水中的鹽離子。因此，冰結(jié)晶過程中，鹽會(huì)被排除在冰外，形成冰晶和鹽水的分離現(xiàn)象,此時(shí)NaCl會(huì)結(jié)晶于冰的間隙中。當(dāng)冰融化時(shí)，它會(huì)形成普通的鹽水。這也是為什么冰雪通常不咸的原因。

by 小線

Q.E.D.

Q2

為什么在冰箱中凍的冰塊，自己會(huì)長出“小角”？凍冰塊時(shí)，每個(gè)小槽中的水的液面是平的啊

by 大宇

答：

好問題，不過小編之前從沒見到過冷凍室的冰塊上長出尖角的樣子，于是就上網(wǎng)搜了一下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的有！看到了很多很神奇的圖片，比如：

小編只能說大受震撼。但這仍然是一個(gè)普通的物理現(xiàn)象，我們可以解釋。

在冷凍室中，冰格里的水會(huì)在與冷空氣相接處首先開始結(jié)冰，在格子里的水沒有完全變成冰之前，格子里的水會(huì)被外部的冰所包裹起來，形成一個(gè)固態(tài)外殼。

當(dāng)這個(gè)縫隙在冰塊正上面時(shí)，通過這個(gè)縫隙流出去的水就會(huì)在冰塊表面形成一個(gè)冰尖錐，并且隨著冷凍過程的進(jìn)行，水會(huì)從這個(gè)尖錐上的薄弱部分會(huì)不斷流出，從而使尖錐變得越來越高。于是，當(dāng)我們想要喝一杯加冰塊的飲料而滿懷喜悅地打開冷凍室時(shí)，就有幾率能看到冰格子上長出的奇異尖角了。

當(dāng)然，這個(gè)尖角的形成也是需要條件的。首先，環(huán)境溫度需要不那么低，-8℃到-3℃可能是個(gè)合適的區(qū)間，這可以使得水不會(huì)被很快地凍結(jié)；其次，水需要足夠純凈，哪怕少量的礦物質(zhì)鹽也會(huì)破壞尖角的形成（我猜這就是自己從小到大都沒有見到過冰格子上長角的原因，我家的自來水水質(zhì)比較硬）。

另外，對(duì)形成冰塊的環(huán)境恰當(dāng)通風(fēng)也會(huì)促進(jìn)尖角的形成，但這對(duì)于冰箱冷凍室來說還是有些困難，但在自然界則是有可能發(fā)生的。

參考資料：

1. https://www.zhihu.com/question/403647054

2. vedio from Veritasium

by K.Collider

Q.E.D.

Q3

臭氧的密度比空氣大，為什么他不會(huì)掉在空氣中與空氣混合，而是在高高的天空上形成一層臭氧層？

by 紅塵居士

答：

會(huì)混合，只不過在臭氧層處臭氧濃度相對(duì)較大。

這是一幅描述臭氧空洞的圖，我們可以用它來看一下臭氧的分層。橫軸是臭氧濃度，縱軸是海拔。藍(lán)色曲線就是正常的臭氧層?？梢钥吹皆诰嚯x地面15——20km高度處有一個(gè)明顯的臭氧濃度峰，峰值濃度大約15mPa。而這個(gè)高度的大氣壓大概在5kPa到10kPa，臭氧濃度在百萬分之一量級(jí)?？梢哉f即使是在臭氧層，臭氧與空氣混合得也相當(dāng)好。

而之所以臭氧層會(huì)出現(xiàn)，是因?yàn)檫@個(gè)高度的紫外光很強(qiáng)烈，紫外光將氧氣分解成臭氧；而在更高的高度上，空氣密度又下降得很快，氧氣變少。多種因素共同作用，導(dǎo)致海拔15—20km處產(chǎn)生的臭氧最多，換句話說，這里是一個(gè)臭氧源。類比一下，假如在廚房里放一盤紅燒肉，那么廚房也會(huì)比臥室更香一些。

參考資料：

1. 臭氧濃度垂直分布

2. 氣壓-高度對(duì)照

by 藏癡

Q.E.D.

Q4

基因編輯技術(shù)能培育出所需的任何性狀嗎？有沒有實(shí)際應(yīng)用的明確限制？

by 垂耳玉兔??

答：

理論上是可以的，但實(shí)際的限制其實(shí)很多，難度較大。

最重要的也是最關(guān)鍵的，是道德和法律的限制，基因編輯作為技術(shù)雖然是自由的，但是應(yīng)用這種技術(shù)需要充分考慮道德和法律后果，并且遵守學(xué)術(shù)界約定的規(guī)則，賀建奎是一個(gè)典型的反面案例，并且促進(jìn)了法律法規(guī)的完善?！吨腥A人民共和國刑法》規(guī)定："將基因編輯、克隆的人類胚胎植入人體或者動(dòng)物體內(nèi)，或者將基因編輯、克隆的動(dòng)物胚胎植入人體內(nèi)，情節(jié)嚴(yán)重的，處三年以下有期徒刑或者拘役；并處罰金；情節(jié)特別嚴(yán)重的，處三年以上七年以下有期徒刑，并處罰金。"同時(shí)還有其他相關(guān)規(guī)定也隨之出臺(tái)。

其他的一些限制其實(shí)也很多，首先一個(gè)性狀背后的控制基因，往往不止一個(gè)，所以如果想要控制某個(gè)性狀往往需要編輯很多個(gè)基因，而伴隨著編輯基因數(shù)量的上升，技術(shù)難度是指數(shù)上升的。其次無論何種基因編輯技術(shù)，都有自身的缺陷，慢病毒載體會(huì)有插入位點(diǎn)沒有特異性的問題，CRISPR/Cas系列方法有脫靶率較高的問題。最后基因編輯的個(gè)體其實(shí)并不一定會(huì)有競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，例如擁有優(yōu)良作物性狀的水稻在野外并不能競(jìng)爭過野生水稻。

by 某大型裸猿

Q.E.D.

Q5

為什么藍(lán)色的LED比紅色和綠色的更難實(shí)現(xiàn)？

by YYY

答：

2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)面藍(lán)光LED的三位科學(xué)家。他們有人解決了從理論到實(shí)驗(yàn)的困難，有人解決了從實(shí)驗(yàn)室到工程的困難，完成了藍(lán)光LED實(shí)用化的任務(wù)。這對(duì)人類意義重大，因?yàn)樗{(lán)光的LED加上已有的紅色和綠色的LED，就可以產(chǎn)生明亮又純凈的白色光。

對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光物質(zhì)來說，光的顏色由發(fā)光物質(zhì)的禁帶寬度決定。根據(jù)固體物理的能帶論，電子只能存在于幾個(gè)特定的狀態(tài)上。在二能級(jí)系統(tǒng)中，能量低的狀態(tài)叫做價(jià)帶，能量高的狀態(tài)叫做導(dǎo)帶。導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的區(qū)域叫做禁帶，能量差叫禁帶寬度。電子平常位于價(jià)帶。發(fā)光時(shí)，電子先被激發(fā)到導(dǎo)帶中，然后向下躍遷回價(jià)帶并釋放一個(gè)光子，光子能量就等于禁帶寬度。

藍(lán)光相比于紅綠光，波長短、能量高，對(duì)應(yīng)的發(fā)光材料的禁帶寬度大。在LED發(fā)展的初期人們并沒有發(fā)現(xiàn)合適的材料。后來，隨著InN和GaN的出現(xiàn)，理論上可以通過調(diào)節(jié)二者的配比組分制成藍(lán)光LED。

但是由于晶格失配，InN/GaN的高質(zhì)量單晶較難生長，影響發(fā)光效率。另外從實(shí)驗(yàn)室器件走向?qū)嵱冒l(fā)光元件還有許多問題需要克服，比如器件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及將半導(dǎo)體發(fā)光元件煉乳電爐的電極設(shè)計(jì)等。

by ?藏癡

Q.E.D.

Q6

為什么（在彈性限度內(nèi)）壓縮或拉伸彈簧，彈簧還能恢復(fù)原狀（但彎折鐵絲卻不能恢復(fù)）？

by 某高中牲

答：

彈簧和彎折鐵絲之間的不同彈性行為是由于它們的結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)的差異所致。

● 結(jié)構(gòu)：彈簧通常是繞成螺旋形的，這種結(jié)構(gòu)有利于彈簧存儲(chǔ)彈性勢(shì)能，在受到拉伸或壓縮時(shí)可以發(fā)生線性的彈性變形，而且可以在受力結(jié)束后恢復(fù)原狀。

● 材料性質(zhì)：彈簧通常由高彈性的材料制成，如彈簧鋼，這些材料具有高度的彈性極限，其原子結(jié)構(gòu)使得它們能夠在受力后重新排列并恢復(fù)原狀，所以可以經(jīng)受很大的應(yīng)力而不變形或損壞。

相比之下，彎折鐵絲通常不是設(shè)計(jì)為彈性材料。這些材料在受到彎曲或扭曲時(shí)可能會(huì)發(fā)生塑性變形，這意味著分子和原子之間的結(jié)構(gòu)可能會(huì)永久改變，導(dǎo)致鐵絲不能完全恢復(fù)原來的形狀。

by 小線

Q.E.D.

Q7

課本上說，相對(duì)原子質(zhì)量是原子實(shí)際質(zhì)量與（1/12）碳原子的比值，為什么當(dāng)初要選擇碳原子作為比例基礎(chǔ)？而現(xiàn)實(shí)中1mol的物質(zhì)的質(zhì)量在數(shù)值上就是其相對(duì)原子質(zhì)量，這幾個(gè)單位是怎么統(tǒng)一起來的？

by 匿名

答：

如簡單點(diǎn)說，碳元素廣泛存在于有機(jī)物質(zhì)和生物體中,是構(gòu)成生命體的主要元素之一,獲取純品相對(duì)容易。碳的同位素中,其二碳-12的豐度最高,約占地球碳的98.93%,測(cè)量起來準(zhǔn)確可靠。

其實(shí)這也是一個(gè)歷史悠久的問題，原子質(zhì)量和摩爾的歷史（兩者相互關(guān)聯(lián)）可以追溯到 19 世紀(jì)初的原子理論之父約翰-道爾頓[1]。統(tǒng)一的原子質(zhì)量單位就是以他的名字命名的。那個(gè)時(shí)代的科學(xué)家們剛剛了解元素；元素周期表是道爾頓 60 年后的事情。道爾頓最初提出以氫為基礎(chǔ)?？蓽y(cè)量性和可重復(fù)性問題很快就出現(xiàn)了。錯(cuò)誤也是如此。例如，道爾頓認(rèn)為水HO是而不是O[2]。

這些問題導(dǎo)致化學(xué)家改用以地球上發(fā)現(xiàn)的氧為基礎(chǔ)的氧標(biāo)準(zhǔn)。(物理學(xué)家對(duì)原子水平的研究使他們?cè)?20 世紀(jì)制定了自己的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)以為基礎(chǔ)，而不是、和的自然混合體（原子質(zhì)量：15.994915、16.994915 和 17.999161): 化學(xué)家使用的標(biāo)準(zhǔn)是是、和的自然混合體（的標(biāo)稱混合量為百萬分之379.9，為百萬分之2005.20，其余為）。

各種氧同位素的自然混合并非恒定不變。它會(huì)隨著時(shí)間、地點(diǎn)和氣候的變化而變化。到 20 世紀(jì)中葉，測(cè)量方法的改進(jìn)和更廣泛的使用使得可重復(fù)性成為一個(gè)重要問題。主要原因是兩種最常見的氧同位素?（主要同位素）和（平均約為百萬分之2000）的自然變化。國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）關(guān)于元素原子量的技術(shù)報(bào)告[4] 列出，自然界中氧氣的原子量從 15.99903 到 15.99977 不等。

造成這些自然變化的主要原因是基于各種氧同位素的水分子的蒸發(fā)和沉淀優(yōu)先級(jí)不同。以為基礎(chǔ)的水比以為基礎(chǔ)的水更容易蒸發(fā)，這使得熱帶海洋的含量比平均水平高一些。另一方面，基于的水比基于的水更容易沉淀。這使得熱帶地區(qū)降水中的濃度略高于標(biāo)稱濃度，也使得高緯度地區(qū)降水中的濃度略低于標(biāo)稱濃度。

物理學(xué)家有一個(gè)解決方案：改用同位素純的標(biāo)準(zhǔn)。這將對(duì)化學(xué)中以氧為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)造成不可接受的巨大改變（百萬分之275 [3]）。這就需要重寫教科書、參考書，也許最重要的是重寫煉油廠和其他化工廠使用的配方。商業(yè)成本將是巨大的。重要的是，計(jì)量學(xué)的存在首先是為了支持商業(yè)。因此，化學(xué)家對(duì)物理學(xué)家提出的這一建議表示反對(duì)。

碳基標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)很好的折衷方案。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，人們發(fā)現(xiàn)，將原子質(zhì)量定義為一摩爾由、和組成的天然混合氧的質(zhì)量的 1/16，與將原子質(zhì)量定義為一摩爾的質(zhì)量的 1/12 的標(biāo)準(zhǔn)非常接近[3]。這意味著與化學(xué)家的天然氧標(biāo)準(zhǔn)相比，將有百萬分之42的變化，而如果改為 1/16 摩爾[3]的質(zhì)量，則會(huì)產(chǎn)生百萬分之275的變化。這一新標(biāo)準(zhǔn)以純同位素為基礎(chǔ)，從而使物理學(xué)家感到滿意，而且與過去的標(biāo)準(zhǔn)相差很小，可以接受，從而使化學(xué)家和商業(yè)界感到滿意。

在科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)各種元素與碳的質(zhì)量比值后,選擇碳作為參比基礎(chǔ)有利于統(tǒng)一原子質(zhì)量的概念。而1mol的物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)值就是其相對(duì)原子質(zhì)量,原因是:1mol包含了這種物質(zhì)原子或分子的物質(zhì)量(由阿伏加德羅常數(shù)決定),而1mol重復(fù)單位中原子或分子的質(zhì)量正好就是其相對(duì)原子質(zhì)量的總和。

參考資料

1. Atomic theory of John Dalton

2. Class 11: How Atoms Combine

3. Atomic Weights and the International Committee —A Historical Review

4. http://nparc.cisti-icist.nrc-cnrc.gc.ca/eng/view/fulltext/?id=23a71e6c-605b-458b-b56e-5efb0a347895

by 青春小花??

Q.E.D.

Q8

DNA是怎樣表達(dá)遺傳信息的？

橙子

答：

這個(gè)問題太大了，詳細(xì)介紹不如直接看分子生物學(xué)教科書。簡明扼要的介紹就是中心法則，對(duì)就是中學(xué)生物課本中的那個(gè)中心法則，DNA轉(zhuǎn)錄為RNA，RNA翻譯為蛋白，蛋白和RNA作為執(zhí)行者發(fā)揮功能，然后會(huì)有一系列的機(jī)制來調(diào)節(jié)主要路線。

這里簡單介紹一下調(diào)控過程。

在上游，DNA的甲基化水平會(huì)直接影響其表達(dá)水平，同時(shí)與DNA結(jié)合的組蛋白存在著以甲基化、乙?；癁榇淼拇罅啃揎棧@些修飾也會(huì)影響DNA的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)真核生物基因組中可以被轉(zhuǎn)錄的區(qū)域只是很小一部分，其他區(qū)域更多的是調(diào)控區(qū)域，比如增強(qiáng)子、沉默子、轉(zhuǎn)座子。在中游，RNA的調(diào)控也是豐富多彩，一段區(qū)域轉(zhuǎn)錄的RNA可以有多種剪切方式，組合出不同樣式的RNA來發(fā)揮不同的功能，而且還存在有RNA binding protein來結(jié)合RNA調(diào)控翻譯，同時(shí)siRNA的存在也可以直接降解特異的mRNA，更遑論大量的非編碼RNA的功能其實(shí)還不是很清楚。

在下游，蛋白水平的調(diào)控更是太太太復(fù)雜了，蛋白本身可以有非常豐富的修飾，磷酸化與去磷酸化來調(diào)控蛋白活性，泛素化來介導(dǎo)蛋白降解等等。同時(shí)蛋白還可以與其他蛋白或者小分子結(jié)合發(fā)揮不同的活性，比如小GTP酶與GTP和GDP結(jié)合有不同的功能活性，核孔復(fù)合物、剪切體復(fù)合物都是不同蛋白一起組裝發(fā)揮活性。

看完這些是不是已經(jīng)開始迷糊了，沒事，只要報(bào)考細(xì)胞生物學(xué)or分子生物學(xué)專業(yè)研究生，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這里介紹的僅僅是皮毛和入門，會(huì)發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控的過程是如此復(fù)雜和迷人?！?1世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)”，歡迎大家加入這個(gè)深坑來一起研究（除了收入比較低，壓力比較大，加班比較多，畢業(yè)比較遲，其實(shí)生物專業(yè)還是很有趣的，完全沒有網(wǎng)上說的那么坑嘛）。

by ?某大型裸猿

Q.E.D

#本期答題團(tuán)隊(duì)

小線、某大型裸猿、藏癡、K.Collider、青春小花??

#點(diǎn)擊這里或識(shí)別下方二維碼快速提問

編輯：小范