逆轉生物鐘的神奇分子；固液界面上質子如何運動？| 一週科技速覽_風聞

目 錄

1. 會看“面相”預測性格的AI

2. 中國研究團隊發現倒撥生物時鐘的神奇分子

3. 首張心臟內神經系統3D圖

4. 黑猩猩填補人類語音進化證據

5. 藻類暴發下的多彩南極

6. “乖乖聽話”的人造纖毛

7. 熒光指明固液界面上的質子運動

8. 用幾何和動力學預測細胞發育

01

會看“面相”預測性格的AI

中國有句成語叫“相由心生”，還有一門“面相”玄學。近日發表在《科學報告》的一篇論文中，一支俄羅斯和英國學者組成的聯合團隊不僅證明了人面部形態和性格之間的相關性，還教會了人工智能通過觀察人的正面照，判斷其大五人格特質，最終機器“以面識人”的準確率為58%。

研究人員徵集了12447名18~60歲的志願者，總共收集到31367張中性表情或者近中性表情的正面照片，志願者完成了大五人格特質分數測試（包括開放性、嚴謹性、外向性、親和性和神經質）。為了保證實驗的準確性，團隊將數據隨機分為兩組，一組是訓練數據集（90%），其中的數據被打上標籤，用來訓練機器的識人能力；另一組則是測試數據集（10%），用來測試機器在接受訓練之後的學習成果。

研究人員研發出一種雙層機器學習視覺神經網絡，可生成128個臉部尺度矢量來描述其面部特徵。隨後，他們用訓練數據集訓練人工智能神經網絡級聯，通過多層感知器來預測性格特徵。閲人無數之後，人工智能掌握了人臉與性格之間的規律，預測準確率高達58%，超過了以往的研究結果。在五種人格特徵中，機器最容易識別出來的就是嚴謹性，而相對難以識別的則是外向性和神經質，研究人員認為這兩類人格特徵還與積極或者消極的面部表情有關。同時，機器對女性面部的預測結果準確率要高於男性。

從左到右，嚴謹性由低到高的人的面部特徵變化 圖片來源：[1]

研究人員表示他們的方法優勢就是相對簡單，一台裝有圖形加速器的台式電腦就可以運行。此外，該人工智能系統在對象匹配、客户服務等領域中具有應用潛力。

[1] DOI ： 10.1038/s41598-020-65358-6

02

中國研究團隊發現倒撥生物時鐘的神奇分子

時差難倒，不少人都有過時差反應，表現為睡眠紊亂、精神萎靡、消化不良等。時差反應和我們體內的生物鐘有關。大腦內控制生物鐘的部分位於下丘腦，是一組叫做視交叉上核的神經細胞核羣。通過感知光照，生物鐘行駛“內部定時器”的功能，調節我們的作息。當生物鐘的內部計時與外界的時間（日出日落）不匹配時，我們就會出現時差反應。

如果能夠人為地調整生物鐘，也就意味着有可能消除時差反應。近期，一項來自中國研究團隊研究發現，蟲草素（cordycepin）能夠調節生物鐘——在小鼠實驗中，蟲草素將調整時差的時間縮短了一半。相關論文發表在《科學·轉化醫學》。

蟲草素是一種核苷衍生物，最早是從蛹蟲草中提取出的。蛹蟲草是一種真菌，與大名鼎鼎的“冬蟲夏草”同屬於真菌門蟲草屬，但為不同的種。

這幅圖展示了RUVBL2蛋白(紅色部分)如何整合晝夜節律抑制超複合體，以及蟲草素(CoTP，綠色部分)的生理代謝產物分解該複合體並導致早晚的生物鐘 圖片來源：Zhangcong Xu

在研究中，研究者將一部分小鼠的時間前移8小時，另一部分小鼠的時間後移了8小時。在這兩種情況下，給老鼠一定劑量的蟲草素後，觀察它們睡眠週期的該病和適應時間。結果發現，無論是生物鐘需要調前還是後撥，使用蟲草素後，調整時差的平均時間都在4天左右，而不用蟲草素的小鼠，都在8天左右。

進一步研究發現，蟲草素之所以能夠調整生物鐘，是因為它能穿透血腦屏障，與大腦中一種名為RUVBL2的酶結合。RUVBL2是一種重要的酶，能夠開啓或關閉生物鐘基因的表達。在小鼠和人腦中，都存在RUVBL2，因此，蟲草素也可能對人體生物鐘同樣有效，不過仍需要進一步開展試驗來證明。

[1] DOI: 10.1126/scitranslmed.aba0769

03

首張心臟內神經系統3D圖

心臟是人體最重要的器官之一，其正常功能由大腦的神經網絡維持，如果神經傳輸發生異常則將導致心臟病發作、心源性猝死等問題。為了保障心臟的神經傳導更加安全，心臟也有自己的第二層保護系統——心臟內神經系統（ICN）。ICN對保護心臟健康至關重要，但是目前我們尚不清楚ICN的確切功能，甚至不知道它們在心臟中的位置、它們之間如何通信及分子特性等。

心臟神經系統的3D地圖 圖片來源：[1]

近日，一個跨學科研究團隊以大鼠為模型，首次繪製了心臟神經系統的3D地圖，這項突破性的研究發Science雜誌。研究人員建立了兩種方法來捕捉心臟中單個神經元的位置。其中一種方法利用了被稱之為刀鋒掃描顯微鏡（KSEM）的新成像技術並首次用於心臟研究，該技術能夠讓研究人員建立整個齧齒動物心臟的精確三維模型，。第二種方法是利用激光捕獲顯微切割技術對單個神經元進行基因表達分析，並在心臟的三維結構中繪製它們各自的位置圖。該地圖揭示了ICN的複雜性，發現了神經元在空間和基因表達的組織方式上存在性別差異。

這項研究從解剖和分子的角度分析了心臟神經系統，能幫助我們更好地理解心臟功能並開發心臟疾病的新療法。儘管目前該3D地圖是用鼠類的心臟繪製的，但該程序在未來必將會對人類醫學產生長遠影響。

[1] DOI: 10.1016/j.isci.2020.101140

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/tju-tf3051920.php

04

黑猩猩填補人類語音進化證據

兩隻雌性黑猩猩 圖片來源：Fernando Turmo

口頭語音（speech）的發展是歷史最悠久的進化難題之一。科學家過去發現，猴子會發出一種“咂嘴”信號，即快速連續的張口-閉口循環動作，頻率約為每秒5個週期（即5Hz），與人類所有口頭語言的節奏相似。科學家在其他靈長類動物中也發現了類似的節奏，包括長臂猿的“歌唱”、紅毛猩猩的輔音狀和元音狀呼號。然而，在與人類的親緣關係更近的非洲猿類（例如大猩猩、倭黑猩猩和黑猩猩）身上還缺少相關證據，因此言音進化的連續性仍無定論。

為了填補這一空白，英國華威大學領導的研究小組調查了黑猩猩交流聲音的節奏。研究人員獲取了來自四個黑猩猩羣體的數據，包括英國愛丁堡動物園和德國萊比錫動物園的兩個人工圈養羣體，以及在烏干達的兩個野生羣體。視頻分析顯示，黑猩猩在互相梳理毛髮時發出的“咂嘴”節奏平均為4.15 Hz，近似於人類言音特徵。研究人員認為這是朝着解決言語進化難題的方向邁出的關鍵一步，為語音節奏在靈長類譜系中進化中具有連續性的假説提供了支持。相關結果已發表在《生物學快報》雜誌。

黑猩猩“咂嘴”發出平均4.15Hz節奏口音 圖片來源：[1]

研究者表示，黑猩猩同一羣體內部和不同羣體之間的口唇節律存在明顯差異，表明這些信號並不是自動和刻板的行為。相反，就像在人類中那樣，科學家應該開始考慮個體差異、社會習俗和環境因素對黑猩猩如何“交談”的可能影響。

[1] DOI: 10.1098/rsbl.2020.0232

[2] https://phys.org/news/2020-05-chimpanzees-evolution-human-speech-ancient.html

05

藻類暴發下的多彩南極

南極“綠雪” 圖片來源：Matt Davey

人們想象中的南極應該是一片皚皚白雪覆蓋下的雪原。但是，當你在温暖的月份裏造訪它時，你可能會被它調皮的顏色驚到。“這是一個多彩的地方，簡直就是一個抹上綠色、紅色、橘色的調色板，看起來很魔幻。” 劍橋大學生態學家Matt Davey説。

最近，劍橋大學和英國南極科考隊在《自然-通訊》發表研究表明，氣候變暖導致南極“綠雪”蔓延，“綠雪”是由綠雪藻大量繁殖造成的，成為南極碳循環中最要組成部分。在過去兩年，Davey帶領團隊利用歐洲哨兵2號衞星遙感和實地測量，研究了南極半島（Antarctic Peninsula）的綠藻暴發，並繪製了南極藻類地圖。他們發現了1679處藻類暴發點，總表面積約為1.9平方公里，相當於1300噸幹生物量。

積雪融化後綠藻暴露出來 圖片來源：[1]

這些藻類最早由英國探險家Ernest Shackleton（1874-1922）在20世紀初的極地先驅探險中記載，但是如此大範圍的測量和研究還是首次。研究發現這些綠藻暴發點與鳥類或哺乳動物的聚集有關係，有60%的暴發點在帝企鵝的領地附近。

劍橋大學生物學家Alison Smit表示， “這些藻類品種不同，生態位也各不相同，有些生長在雪表面，有些生長在稍微深一點的地方，他們的數量也會隨着温度不斷變化。” 研究者預測，隨着南極變暖冰雪融化，這些綠藻可能在南極大陸的大陸架附近消失，但會在南極腹地的半融冰雪上發展出新的繁殖地，而且更大。科學家將進一步研究全球變暖對這些藻類的擴張有何影響。

[1] DOI: 10.1038/s41467-020-16018-w

[2]https://www.smithsonianmag.com/smart-news/algae-are-turning-antarcticas-ice-green-180974960/

06

“乖乖聽話”的人人造纖毛

形狀記憶高分子是一種特殊的智能材料，能夠在光、熱、電磁場等外界刺激下，形狀變化為其“記憶”中的某個特定形狀，因而在航空航天、智能裝備、微納製造等領域有着廣泛的應用。

近日，北卡羅來納州立大學和伊隆大學的研究人員開發了一種能夠響應磁場和光控的人造磁纖毛，它在磁場的作用下彎曲，而在適當的光照下又會恢復到原來的形狀。這種人造纖毛有望在軟體機器人等領域發揮重要的作用。該成果發表於《先進材料技術》。

人造纖毛（上）和其磁控（下） 圖片來源：[1]

研究人員將磁性的鐵微米粒子混在熱塑性的聚氨酯形狀記憶高分子中，並將其加工成約1毫米長、頭髮絲粗細的細絲陣列。在這種酷似毛髮的人造纖毛中，鐵微米粒子能夠在磁場下互相連接自組裝，因此會改變纖毛的形狀；而高分子在光照後會發熱，使纖毛形狀恢復。通過改變磁場和光的開關、強弱、位置等參數，纖毛陣列可以被特定的方式彎曲、伸直，進而可以對人造纖毛的形狀進行設定、鎖定、解鎖和重新編程。此外，該研究還提出了一種理論模型，可以預測磁纖毛如何響應，並解釋了響應機制。

研究人員特別強調，這項工作中對纖毛磁操控的精細程度遠超之前的工作，並且只需要廉價的永久磁鐵就可以實現。因而這項工作為製造軟體機器人提供了有力的支撐。

[1] DOI: 10.1002/admt.202000147

[2] https://eurekalert.org/pub_releases/2020-05/ncsu-cac052620.php

07

熒光指明固液界面上的質子運動

模擬質子在固體表面跳躍 圖片來源：[1]

氫是所有化學元素中質量最輕的元素。日常的水中普遍含有氫離子。這是由於小部分的水分子會自發電離，失去電荷後成為質子。研究表明，質子在水中很容易移動，可以藉助不同的水分子輕易跳躍（Grotthuss機制）。但是，如果在水中存在一個固體界面，氫離子的行為會受到極大的影響，而這種界面上行為普遍存在，例如細胞信號傳輸、化學催化等。到目前為止，科學家幾乎沒有工具在室温條件下和水中測量氫離子在界面上的運動。

在最近的一項研究中，研究人員首次在單分子水平上觀測到固液界面上的氫離子運動行為，結果發表於《自然納米技術》雜誌。研究人員選擇六方氮化硼（hBN）晶體作為固體界面，這種非常光滑的材料表面通常含有晶體缺陷，當氫離子與缺陷結合時會發出熒光。利用超分辨率顯微鏡，研究人員以10納米的高精度確定了缺陷的位置。觀察顯示，界面上氫離子與晶體缺陷結合，依次發出熒光，可以讓研究人員標記出氫離子實時運動的路徑，水-固界面為質子傳輸提供了一條優先路徑。

研究人員認為這項實驗突破，使人們進一步瞭解到水中的氫離子如何與固體表面相互作用。這項研究成果可以很容易推廣到其他領域，有望對細胞膜界面的生物過程、設計更高效的過濾器、以及電池等研究產生影響。

[1] DOI: 10.1038/s41565-020-0695-4

[2] https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200526111250.htm

08

用幾何和動力學預測細胞發育

從單個細胞到器官形成，向來是最神秘、複雜的問題。在胚胎髮育過程中，大量細胞的協調集體運動很類似海洋和大氣中複雜的流體運動，但它們究竟如何發育成大腦、腸道的呢？科學家認為，如果能夠對細胞的命運進行預測，或許就能在發育的最初階段發現病變。傳統方法是用顯微鏡觀察單個細胞的軌跡來預測組織的形成，但如此就要處理大量數據，以致無法找出關鍵點。

果蠅胚胎髮育的照片，來源：StefanGünther/ EMBL Heidelberg

近日，一個哈佛大學領銜的跨學科團隊提出了新的方法，嘗試將流體動力學和混沌理論應用到胚胎髮育中。混沌理論不必要求瞭解每個細胞的軌跡，而是瞭解整個全局。與預測漂浮物在海面的位置類似，他們以細胞運動數據為基礎進行建模，得到了胚胎中吸引或排斥細胞的區域的時空圖，這些區域只會在發育過程中的特定時間、位置出現。進而，研究人員可以實時觀察細胞的分化甚至分化前的前體細胞。

雛雞胚胎中的細胞運動，該運動將細胞分開並形成組織，圖中涉及至少100,000個細胞的協同運動，來源：StefanGünther/ EMBL Heidelberg，動圖請戳：https://www.seas.harvard.edu/sites/default/files/styles/embedded_image_large/public/2020-05/PrematitiveStreak.gif?itok=8O5KRA84

加州大學聖芭芭拉分校和鄧迪大學的研究人員分別觀測了果蠅和雞胚胎髮育，利用數學模型最後得到了胚胎髮育時空圖像。論文作者，哈佛大學L.Mahadevan教授認為，該研究為觀測細胞運動和組織形成奠定了幾何基礎，與其他技術結合，就能找出形態學上的常態與反常，併為解釋生物學上的終極問題邁進了一步。

[1] DOI: 10.1073/pnas.1908803117

[2] https://phys.org/news/2020-05-geometry-dynamics-tissue.html

撰文 | 小葉、葉譯楚、顧舒晨、韓若冰、楊凌、太閣爾、姜小滿、夏春秋

編輯 | 劉辛味、小桃