如何掰彎聲音？研究繪製新冠病毒全球風險地圖 | 一週科技速覽_風聞

目  錄

1. 如何掰彎聲音？

2. 生物鐘新研究：“美容覺”是真的

3. 男人的空間認知能力比女人強？NO！

4. 新研究測序亞洲基因，有助對抗特定遺傳病

5. 研究繪製新冠病毒全球風險地圖

6. 悲傷導致更多的吸煙和成癮物濫用

編輯 | 韓若冰、琵思佛

編譯 | 楊凌、太閣爾

1

如何掰彎聲音？

過去，科學家只瞭解一種彎曲的光束：艾裏光束（Airy beams）及其衍生物。艾裏光束在傳播過程中不會發生衍射，因而不會擴散開來，而且艾裏光束還具有自彎曲加速的特性，其路徑會形成拋物線形狀。2007年，中佛羅里達大學的科研人員首次在實驗中實現了艾裏光束**[1****]**。

艾裏光束 | 來源：Wikipedia

由於艾裏光束具有這些獨特的物理性質，這種光束可用於操控微小的顆粒，並應用於微流體器件與細胞生物學中。但是要獲得這種彎曲的光束需要複雜的設備。因此，全世界的研究人員都在努力尋找更方便的方法以獲得能夠彎曲的光束。

不論是對於基礎研究還是工程應用，開發新的彎曲光束都是一個新鮮有趣並充滿機遇的挑戰。在2018年，來自俄羅斯托木斯克理工大學和託木斯克國立大學的研究人員在理論上預測了一種像彎鈎一樣的新型自加速光束。因為它是一種彎曲的電磁波，所以被命名為“光鈎”。在那之後，他們一直試圖尋找一種彎曲的聲波束。近日，他們終於在這一領域取得了突破**[2, 3****]**。

研究人員將這種聲波束命名為“聲鈎（acoustical hooks）”。要獲得這種彎曲的聲波束，他們使用了一種名為Rexolite的塑料介電材料製成的形狀不對稱的微顆粒。在實驗中，研究人員把這些1-2釐米大小的顆粒放到水中，並對其施加250kHz的超聲波。由於顆粒形狀是彎曲的，聲波穿過時會彎曲成鈎狀再離開。

實驗裝置及測量結果：聲波在樣品中傳播時向一個方向偏轉，從而實現聲鈎。[2****]

相比於艾裏光束，要得到這種彎曲的聲波束要容易得多。而且這種聲鈎技術可以用於艾裏光束無法應用的場景中。目前，這項技術的主要應用是生物醫學、新材料合成，以及利用超聲波在亞波長尺度進行納米顆粒的操控。下一步，研究人員將通過實驗驗證聲鈎對於顆粒操控的效果。此外，這種聲鈎技術也可以繞開在聲波傳播路徑上的某個特定物體，實現類似聲隱形的效果。

事實上，利用聲波來操控宏觀物體亦或微納米顆粒並不是什麼新鮮事。聲波會對其傳播路徑上物體施加體積力，也就是所謂的聲輻射力（acoustic radiation force）。特別是當聲波形成駐波時，聲輻射力會將物體推到駐波的節點處（某些情況下會推到反節點處）。這一推動力可以大到克服宏觀物體的重力，實現“聲懸浮”的效果。

例如，研究人員曾經將昆蟲放置到兩個相對的聲波發生器（類似於擴音器）之間，當聲波的頻率和功率合適時，可以將昆蟲懸浮於半空中，實現失重的效果。可想而知，如果有合適的裝置，將人懸浮起來也不是不可能。

利用超聲波懸浮瓢蟲**[4****]**

而在微納領域，我們也可以設計合適的微納器件來產生超聲波，將微納米顆粒懸浮於溶液和空氣中，或者將顆粒推動並限制在某一特定的位置，後一技術被稱作聲鑷（acoustic tweezer）。因為可以方便、無接觸地操控細胞、細菌、水藻、線蟲等微納尺度的物體，聲鑷技術近年來在生物學領域有着巨大的應用潛力，也能夠應用於顆粒篩選、微納製造等領域。

四組叉指電極產生超聲波，可以在二維平面上將微納米顆粒束縛在特定位置。[5****]

[1]《幾類艾裏光束的傳輸特性研究》，南京航空航天大學碩士論文，2017

[2] Rubio, Constanza, et al. “Acoustical hooks: a new subwavelength self-bending beam.” Results in Physics (2020): 102921.

[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/tpu-nto012720.php

[4] https://www.nature.com/news/2006/061127/full/061127-6.html

[5] https://scitechdaily.com/acoustic-tweezers-use-sound-waves-to-control-items/

2

生物鐘新研究：“美容覺”是真的

英國曼徹斯特大學的生物學家在《自然-細胞生物學》雜誌上發表了一項新研究**[1****]**，首次解釋了為什麼睡個好覺確實能幫我們應對新一天的考驗——膠原蛋白在夜間休息過程中會得到修復。

論文作者Karl Kadler教授稱，已知人體生物鐘會隨着年齡的增長而變得不那麼精確，因此這一發現將來可能有助於揭開衰老的謎團。

人體的細胞外基質為結締組織（例如骨骼、皮膚、肌腱和軟骨）細胞提供了結構上和生化上的支持。基質占人體重的一半以上，而膠原蛋白（簡稱膠原）又佔了基質的一半。膠原是體內最豐富的蛋白質，在人17歲時就會完全形成。

然而現在研究人員發現，膠原中存在兩種類型的纖維。纖維即膠原的繩狀結構，編織起細胞以形成組織。其中，直徑約200納米的粗纖維是永久性的，從人的17歲起就一直保持不變，伴隨終生。而直徑50納米的細纖維是損耗性的，在身體白天經受嚴峻考驗時會遭到破壞，但在晚上休息時會得到補充。

研究人員通過質譜法觀察小鼠的膠原蛋白，並使用先進的體積電子顯微鏡觀察小鼠纖維，2天內每4小時觀察一次。當小鼠體內的生物鐘基因被敲除時，會導致纖維異常和膠原累積。

Kadler解釋説，直覺上我們認為基質會隨着使用而損耗，但現在發現並不是——生物鐘使損耗性的部分能夠得到補充，以保護基質的永久部分。如果把牆上的磚塊想象成是永久性的部分，那麼牆上的油漆就可以看作是損耗性的部分，需要經常進行補充。

Kadler説：“瞭解這一點可能會影響我們從最基本的層面上理解生物學。例如，它可能使我們對傷口如何癒合或人如何衰老產生更深刻的見解。”

[1] https://www.nature.com/articles/s41556-019-0441-z

3

男人的空間認知能力比女人強？NO！

在看地圖、開車認路等空間認知能力上，男性並不比女性強——來自利莫瑞克大學愛爾蘭科學基金會軟件研究中心（Lero）的研究者們給出了這一開創性的結論，相關研究發表在《科學報告》雜誌上**[1****]**。

空間認知能力，比如讀地圖、找路、記路，一直以來都被大眾認為是男性天生佔優勢的能力。然而利用前沿的眼動追蹤技術，研究人員Mark Campbell博士和Adam Toth博士發現，男性在與空間認知能力相關的“心理旋轉**[2****]**”（mental rotation）能力上並無優勢。

Campbell表示，在過去的40年時間裏，關於在空間導航能力測試（尤其是心理旋轉測試）中男性比女性表現更強的觀點一直存在爭論。從2019年開始，Lero的科研人員以空間認知熟練度（congnitive proficiency）為研究關鍵點，利用心理旋轉測試設計了實驗。

這項研究在利莫瑞克大學的學生中徵集了100名身體健康的志願者，其中有47名男性和53名女性，平均年齡在23歲。研究發現，參與者在測試中表現出的較好空間認知能力，與在學校STEM科目（即科學、技術、工程和數學相關領域）中的良好表現和較高智商都有很強的關聯。

Toth 總結説：“男人在這方面一定比女人強嗎？並不。我們的研究發現，男人並沒有更強的空間認知能力。通過延長允許個體完成測試的時間，男性的表現優勢完全不見了。這表明在心理旋轉方面所謂的性別差異並不存在，差異可能是由其他原因造成的。”

這項研究也首次發現，為了在認知測試中得到正確答案，男性和女性會採取不同的眼動策略。換句話説，男性和女性在測試中殊途同歸。

[1] http://www.nature.com/articles/s41598-019-56041-6

[2] 指對二維、三維物體轉動的空間想象能力。

4

新研究測序亞洲基因，有助對抗特定遺傳病

一項針對亞洲人羣基因的新研究正在填補人類遺傳學認識上的巨大空白，並最終旨在提高治療疾病的能力。研究的早期發現已在《科學》雜誌發表**[1****]**。

全球數十個機構的研究人員合作檢查了來自亞洲64個國家和地區、共219類不同人羣的1,739名對象的基因組。研究的最終目標是對10萬亞洲人口的基因組進行測序，獲得的大量遺傳信息將幫助醫學家和醫生更好地理解、發現和治療遺傳病。

美國弗吉尼亞大學的研究員Aakrosh Ratan博士説，目前的基因研究中亞洲人羣未得到充分代表，這意味着全球超半數人口的醫療相關性偏低。

Ratan解釋説，不同人羣之間存在天然的基因突變，這一定程度上解釋了為何某些特定血統的人羣罹患某些疾病的風險更高。為亞洲人口創建詳細的參考數據庫，將對面向所有人羣的醫學遺傳學大有裨益，而且對於針對亞洲罕見疾病的研究工作尤其重要。

Ratan 以青年人中的成年發病型糖尿病**[2****]**（MODY）為例解釋了新研究的重要性。研究結果表明，如果想要治療印度的MODY患者，醫生將從印度人口的基因突變信息中獲益，識別出可能導致該病的遺傳差異。如果僅利用歐洲個體突變數據的數據庫，則更有可能得到假陽性的結果，並且難以確定導致該疾病的確切基因。

該研究不僅闡明瞭疾病的原因，還將幫助醫生更好地為患者提供治療。例如，某些羣體可能更容易對特定藥物產生不良反應。鑑別出與此相關的基因，有助於醫生了解哪些患者不宜服用該藥物，或者不宜服用特定劑量的藥物。

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1793-z

[2] 注：這是一種罕見的糖尿病，通常在25歲之前發病，並且通常不依賴胰島素治療。

5

研究繪製新冠病毒全球風險地圖

截至 2020 年 2 月 1 日，中國共報告了11,791例感染新型冠狀病毒（2019-nCoV）的確診病例，海外22個國家和地區共確診125例。英國南安普敦大學的人口地圖專家指出了全球範圍內因該病毒傳播而處於高風險的地區，加拿大多倫多大學、中國疾病預防控制中心等機構合作參與了這項研究**[1****]**。

研究團隊利用了2013-2015年百度基於位置服務的匿名數據，以及2018年國際航空運輸協會的國際航空旅行數據，分析了春節前後時期的人羣流動模式，對新冠病毒的全國和全球傳播風險做出了初步評估。

春運期間內地各省份從武漢輸入新冠病毒感染者的風險圖**[2****]**

根據春節前後兩週各地來自武漢的人數佔武漢流出總人數的百分比，研究人員將北京、廣州、上海和重慶等城市以及廣東、浙江、四川和河南等省份定為內地的高風險地區。

春節前後共三個月內從中國內地多個高風險城市前往其他國家或地區的民航旅客分佈**[3****]**

研究人員還發現，根據來自中國內地高風險城市的民航旅客分佈，目前該病毒在全球範圍內傳播風險最大的城市是泰國曼谷，中國香港和中國台北分列第二、第三。排行中的其他30個主要國際城市還包括悉尼（12）、紐約（16）和倫敦（19）。全球最高風險的國家或地區的前三位分別是泰國、日本和中國香港，排名靠前的還包括美國（6）、澳大利亞（10）和英國（17）。

南安普敦大學地理與環境科學教授Andrew Tatem説：“為了評估這種新型病毒如何在國內外傳播，瞭解中國境內和全球的人口流動模式是至關重要的。通過繪製出這些趨勢並指出高風險區域，我們可以為感染篩查和醫療準備等公共衞生干預工作提供信息。”

研究人員承認，他們的分析是基於以往“非疾病爆發”情況下的出行模式。研究人員同時強調，在疫情爆發早期，已有相當大比例的病例在出現症狀的情況下出行。儘管自1月23日起，武漢等城市開始採取交通管制等措施，然而該時間點可能已錯過離漢人流高峯。

報告主要作者、南安普敦大學的賴聖傑博士稱：“新型冠狀病毒的傳播處於快速變化的情況之下，我們正在密切監測該流行病，以便對可能的傳播提供進一步的最新分析，包括分析中國城市交通封鎖的有效性以及春節假期返程人流的傳播性。”

[1] https://www.worldpop.org/events/china，報告的中文版全文見：https://www.worldpop.org/resources/docs/china/WorldPop-coronavirus-spread-risk-analysis-v1-25Jan_Chinese_version.pdf

[2] https://www.worldpop.org/resources/docs/china/WorldPop-coronavirus-spread-risk-analysis-v1-25Jan_Chinese_version.pdf

[3] 同2

6

悲傷導致更多的吸煙和成癮物濫用

到底是什麼驅使人們吸煙？為什麼經過了幾十年的反煙草運動，美國成年人中仍然有六分之一是吸煙人士，並每年導致48萬人過早死亡？情緒在這一成癮行為中發揮了什麼作用？為何很多吸煙者會吸得越來越多，甚至戒煙多年後仍故態復萌？如果政策制定者能夠知悉上述問題的答案，他們會如何推動全球的反煙草運動？

最近，哈佛大學的一組研究人員為回答這些問題提供了一個全新的視角。發表在最新一期《美國國家科學院院刊》的相關研究文章揭示**[1****]**，“悲傷”情緒在觸發上癮行為時起到了很強的作用。這些研究分析的數據不僅包含了一項超過10000名參與者的全國調查，也包括了研究吸煙者對負面情緒反應的實驗室系列試驗。所有的四項相關研究都佐證，悲傷比任何其他負面情緒都更能增加人吸煙的慾望。

“這一領域的傳統認知是，無論是憤怒、噁心、壓力、悲傷、恐懼或羞恥，任何一種負面情緒都會觸發人更想吸煙，”這項研究的首席研究員，哈佛大學肯尼迪學院的博士候選人Charles A. Dorison説。“俗話説‘感覺很壞，吸煙更快’，我們的研究揭示了現實比這句俗語更微妙，尤其是發現了悲傷在觸發吸煙和使用成癮類物品的獨特作用。”  

另外一位共同作者，哈佛大學肯尼迪學院公共政策及決策科學和管理學教授Jennifer Lerner認為，這項研究結果將對公共政策產生有利影響。比如，現有的煙草廣告應考慮重新設計，避免出現可能觸發人們悲傷情緒的圖片，進而無意中增加吸煙者的吸煙渴望。

下面是研究小組進行的四項研究試驗：

1. 對一項全國調查中追蹤20年的10685名被調查者進行數據分析，研究人員發現被調查者自我描述的悲傷情緒與成為吸煙者、或者是在10多年後復吸有關係。被調查者越悲傷，就越有可能成為吸煙者。而其他的負面情緒與吸煙行為之間並無這種相關性。

2. 然後，研究小組設計了一個試驗來驗證“是否是悲傷導致了人們吸煙，抑或任何負面事件都會同時導致悲傷和吸煙？”425名吸煙者被招募進行在線測試：其中三分之一會看到例如痛失親人的悲傷視頻，三分之一會看到木工活這類情緒中立的視頻，另三分之一會看到骯髒衞生間一類的噁心視頻。所有的被調查者都被要求寫下與視頻內容相似的個人經歷。研究發現，看到悲傷視頻並寫下自己痛失親人經歷的那一組，比另外兩組自認有更高的吸煙渴望。

3. 與第二個讓被調查者自報吸煙渴望的試驗不同，第三個研究量化了對吸煙的實際渴望。這次是對近700名參與者進行與第二個試驗相同的視頻試驗，在寫下與視頻內容相關的個人經歷之後，參與者被要求在兩個選項之間做出選擇：馬上抽幾口，還是稍後抽更多。悲傷的一組顯示出更高的馬上吸煙傾向。結合第二、三個試驗，可以得出結論：從行為經濟學的角度看，悲傷會使人更加的財務不耐，即更傾向於及時消費而不是積蓄以供未來消費。

4. 第四項試驗從波士頓地區招募了158名吸煙者，以測試悲傷如何影響實際抽煙行為。參與者必須戒煙至少8小時，他們會被隨機分為悲傷組或情緒中立對照組，每個人被分配到實驗室中的獨立房間。悲傷組觀看悲傷視頻，控制組觀看情緒中立的視頻，在觀後仍需寫下個人相關經歷，隨後被允許在房間裏吸自己隨身帶的煙，一個專用的檢測設備會記錄吸煙的速度和時間。結果顯示：悲傷組的參與者對煙草更迫切，而且每一口的吸食量更大。

在美國，經歷了60多年的反煙草運動，吸煙仍是主要的死亡原因之一。而在全球範圍內，本世紀末預計有10億人因吸煙而過早死亡。Dorison認為：“通過這些理論研究，我們相信可以更好地描述吸煙這一流行性疾病。我們需要更多心理學、行為經濟學以及公共健康方面的洞見，以更有效地應對吸煙這一威脅。”

[1] https://www.pnas.org/content/early/2019/12/24/1909888116

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