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如何掰弯声音?研究绘制新冠病毒全球风险地图 | 一周科技速览

科界 02月02日

编辑 | 韩若冰、琵思佛

编译 | 杨凌、太阁尔 

目  录

1. 如何掰弯声音?

2. 生物钟新研究:“美容觉”是真的

3. 男人的空间认知能力比女人强?NO!

4. 新研究测序亚洲基因,有助对抗特定遗传病

5. 研究绘制新冠病毒全球风险地图

6. 悲伤导致更多的吸烟和成瘾物滥用

如何掰弯声音?

过去,科学家只了解一种弯曲的光束:艾里光束(Airy beams)及其衍生物。艾里光束在传播过程中不会发生衍射,因而不会扩散开来,而且艾里光束还具有自弯曲加速的特性,其路径会形成抛物线形状。2007年,中佛罗里达大学的科研人员首次在实验中实现了艾里光束[1]

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艾里光束 | 来源:Wikipedia

由于艾里光束具有这些独特的物理性质,这种光束可用于操控微小的颗粒,并应用于微流体器件与细胞生物学中。但是要获得这种弯曲的光束需要复杂的设备。因此,全世界的研究人员都在努力寻找更方便的方法以获得能够弯曲的光束。

不论是对于基础研究还是工程应用,开发新的弯曲光束都是一个新鲜有趣并充满机遇的挑战。在2018年,来自俄罗斯托木斯克理工大学和托木斯克国立大学的研究人员在理论上预测了一种像弯钩一样的新型自加速光束。因为它是一种弯曲的电磁波,所以被命名为“光钩”。在那之后,他们一直试图寻找一种弯曲的声波束。近日,他们终于在这一领域取得了突破[2, 3]

研究人员将这种声波束命名为“声钩(acoustical hooks)”。要获得这种弯曲的声波束,他们使用了一种名为Rexolite的塑料介电材料制成的形状不对称的微颗粒。在实验中,研究人员把这些1-2厘米大小的颗粒放到水中,并对其施加250kHz的超声波。由于颗粒形状是弯曲的,声波穿过时会弯曲成钩状再离开。

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实验装置及测量结果:声波在样品中传播时向一个方向偏转,从而实现声钩。[2]

相比于艾里光束,要得到这种弯曲的声波束要容易得多。而且这种声钩技术可以用于艾里光束无法应用的场景中。目前,这项技术的主要应用是生物医学、新材料合成,以及利用超声波在亚波长尺度进行纳米颗粒的操控。下一步,研究人员将通过实验验证声钩对于颗粒操控的效果。此外,这种声钩技术也可以绕开在声波传播路径上的某个特定物体,实现类似声隐形的效果。

事实上,利用声波来操控宏观物体亦或微纳米颗粒并不是什么新鲜事。声波会对其传播路径上物体施加体积力,也就是所谓的声辐射力(acoustic radiation force)。特别是当声波形成驻波时,声辐射力会将物体推到驻波的节点处(某些情况下会推到反节点处)。这一推动力可以大到克服宏观物体的重力,实现“声悬浮”的效果。

例如,研究人员曾经将昆虫放置到两个相对的声波发生器(类似于扩音器)之间,当声波的频率和功率合适时,可以将昆虫悬浮于半空中,实现失重的效果。可想而知,如果有合适的装置,将人悬浮起来也不是不可能。

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利用超声波悬浮瓢虫[4]

而在微纳领域,我们也可以设计合适的微纳器件来产生超声波,将微纳米颗粒悬浮于溶液和空气中,或者将颗粒推动并限制在某一特定的位置,后一技术被称作声镊(acoustic tweezer)。因为可以方便、无接触地操控细胞、细菌、水藻、线虫等微纳尺度的物体,声镊技术近年来在生物学领域有着巨大的应用潜力,也能够应用于颗粒筛选、微纳制造等领域。

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四组叉指电极产生超声波,可以在二维平面上将微纳米颗粒束缚在特定位置。[5]

[1]《几类艾里光束的传输特性研究》,南京航空航天大学硕士论文,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/

生物钟新研究:“美容觉”是真的

英国曼彻斯特大学的生物学家在《自然-细胞生物学》杂志上发表了一项新研究[1],首次解释了为什么睡个好觉确实能帮我们应对新一天的考验——胶原蛋白在夜间休息过程中会得到修复。

论文作者Karl Kadler教授称,已知人体生物钟会随着年龄的增长而变得不那么精确,因此这一发现将来可能有助于揭开衰老的谜团。

人体的细胞外基质为结缔组织(例如骨骼、皮肤、肌腱和软骨)细胞提供了结构上和生化上的支持。基质占人体重的一半以上,而胶原蛋白(简称胶原)又占了基质的一半。胶原是体内最丰富的蛋白质,在人17岁时就会完全形成。

然而现在研究人员发现,胶原中存在两种类型的纤维。纤维即胶原的绳状结构,编织起细胞以形成组织。其中,直径约200纳米的粗纤维是永久性的,从人的17岁起就一直保持不变,伴随终生。而直径50纳米的细纤维是损耗性的,在身体白天经受严峻考验时会遭到破坏,但在晚上休息时会得到补充。

研究人员通过质谱法观察小鼠的胶原蛋白,并使用先进的体积电子显微镜观察小鼠纤维,2天内每4小时观察一次。当小鼠体内的生物钟基因被敲除时,会导致纤维异常和胶原累积。

Kadler解释说,直觉上我们认为基质会随着使用而损耗,但现在发现并不是——生物钟使损耗性的部分能够得到补充,以保护基质的永久部分。如果把墙上的砖块想象成是永久性的部分,那么墙上的油漆就可以看作是损耗性的部分,需要经常进行补充。

Kadler说:“了解这一点可能会影响我们从最基本的层面上理解生物学。例如,它可能使我们对伤口如何愈合或人如何衰老产生更深刻的见解。”

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

男人的空间认知能力比女人强?NO!

在看地图、开车认路等空间认知能力上,男性并不比女性强——来自利莫瑞克大学爱尔兰科学基金会软件研究中心(Lero)的研究者们给出了这一开创性的结论,相关研究发表在《科学报告》杂志上[1]

空间认知能力,比如读地图、找路、记路,一直以来都被大众认为是男性天生占优势的能力。然而利用前沿的眼动追踪技术,研究人员Mark Campbell博士和Adam Toth博士发现,男性在与空间认知能力相关的“心理旋转[2](mental rotation)能力上并无优势。

Campbell表示,在过去的40年时间里,关于在空间导航能力测试(尤其是心理旋转测试)中男性比女性表现更强的观点一直存在争论。从2019年开始,Lero的科研人员以空间认知熟练度(congnitive proficiency)为研究关键点,利用心理旋转测试设计了实验。

这项研究在利莫瑞克大学的学生中征集了100名身体健康的志愿者,其中有47名男性和53名女性,平均年龄在23岁。研究发现,参与者在测试中表现出的较好空间认知能力,与在学校STEM科目(即科学、技术、工程和数学相关领域)中的良好表现和较高智商都有很强的关联。

Toth 总结说:“男人在这方面一定比女人强吗?并不。我们的研究发现,男人并没有更强的空间认知能力。通过延长允许个体完成测试的时间,男性的表现优势完全不见了。这表明在心理旋转方面所谓的性别差异并不存在,差异可能是由其他原因造成的。”

这项研究也首次发现,为了在认知测试中得到正确答案,男性和女性会采取不同的眼动策略。换句话说,男性和女性在测试中殊途同归。

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

[2] 指对二维、三维物体转动的空间想象能力。

新研究测序亚洲基因,有助对抗特定遗传病

一项针对亚洲人群基因的新研究正在填补人类遗传学认识上的巨大空白,并最终旨在提高治疗疾病的能力。研究的早期发现已在《科学》杂志发表[1]

全球数十个机构的研究人员合作检查了来自亚洲64个国家和地区、共219类不同人群的1,739名对象的基因组。研究的最终目标是对10万亚洲人口的基因组进行测序,获得的大量遗传信息将帮助医学家和医生更好地理解、发现和治疗遗传病。

美国弗吉尼亚大学的研究员Aakrosh Ratan博士说,目前的基因研究中亚洲人群未得到充分代表,这意味着全球超半数人口的医疗相关性偏低。

Ratan解释说,不同人群之间存在天然的基因突变,这一定程度上解释了为何某些特定血统的人群罹患某些疾病的风险更高。为亚洲人口创建详细的参考数据库,将对面向所有人群的医学遗传学大有裨益,而且对于针对亚洲罕见疾病的研究工作尤其重要。

Ratan 以青年人中的成年发病型糖尿病[2](MODY)为例解释了新研究的重要性。研究结果表明,如果想要治疗印度的MODY患者,医生将从印度人口的基因突变信息中获益,识别出可能导致该病的遗传差异。如果仅利用欧洲个体突变数据的数据库,则更有可能得到假阳性的结果,并且难以确定导致该疾病的确切基因。

该研究不仅阐明了疾病的原因,还将帮助医生更好地为患者提供治疗。例如,某些群体可能更容易对特定药物产生不良反应。鉴别出与此相关的基因,有助于医生了解哪些患者不宜服用该药物,或者不宜服用特定剂量的药物。

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

[2] 注:这是一种罕见的糖尿病,通常在25岁之前发病,并且通常不依赖胰岛素治疗。

研究绘制新冠病毒全球风险地图

截至 2020 年 2 月 1 日,中国共报告了11,791例感染新型冠状病毒(2019-nCoV)的确诊病例,海外22个国家和地区共确诊125例。英国南安普敦大学的人口地图专家指出了全球范围内因该病毒传播而处于高风险的地区,加拿大多伦多大学、中国疾病预防控制中心等机构合作参与了这项研究[1]

研究团队利用了2013-2015年百度基于位置服务的匿名数据,以及2018年国际航空运输协会的国际航空旅行数据,分析了春节前后时期的人群流动模式,对新冠病毒的全国和全球传播风险做出了初步评估。

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春运期间内地各省份从武汉输入新冠病毒感染者的风险图[2]

根据春节前后两周各地来自武汉的人数占武汉流出总人数的百分比,研究人员将北京、广州、上海和重庆等城市以及广东、浙江、四川和河南等省份定为内地的高风险地区。

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春节前后共三个月内从中国内地多个高风险城市前往其他国家或地区的民航旅客分布[3]

研究人员还发现,根据来自中国内地高风险城市的民航旅客分布,目前该病毒在全球范围内传播风险最大的城市是泰国曼谷,中国香港和中国台北分列第二、第三。排行中的其他30个主要国际城市还包括悉尼(12)、纽约(16)和伦敦(19)。全球最高风险的国家或地区的前三位分别是泰国、日本和中国香港,排名靠前的还包括美国(6)、澳大利亚(10)和英国(17)。

南安普敦大学地理与环境科学教授Andrew Tatem说:“为了评估这种新型病毒如何在国内外传播,了解中国境内和全球的人口流动模式是至关重要的。通过绘制出这些趋势并指出高风险区域,我们可以为感染筛查和医疗准备等公共卫生干预工作提供信息。”

研究人员承认,他们的分析是基于以往“非疾病爆发”情况下的出行模式。研究人员同时强调,在疫情爆发早期,已有相当大比例的病例在出现症状的情况下出行。尽管自1月23日起,武汉等城市开始采取交通管制等措施,然而该时间点可能已错过离汉人流高峰。

报告主要作者、南安普敦大学的赖圣杰博士称:“新型冠状病毒的传播处于快速变化的情况之下,我们正在密切监测该流行病,以便对可能的传播提供进一步的最新分析,包括分析中国城市交通封锁的有效性以及春节假期返程人流的传播性。”

[1] https://www.worldpop.org/events/china,报告的中文版全文见: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

悲伤导致更多的吸烟和成瘾物滥用

到底是什么驱使人们吸烟?为什么经过了几十年的反烟草运动,美国成年人中仍然有六分之一是吸烟人士,并每年导致48万人过早死亡?情绪在这一成瘾行为中发挥了什么作用?为何很多吸烟者会吸得越来越多,甚至戒烟多年后仍故态复萌?如果政策制定者能够知悉上述问题的答案,他们会如何推动全球的反烟草运动?

最近,哈佛大学的一组研究人员为回答这些问题提供了一个全新的视角。发表在最新一期《美国国家科学院院刊》的相关研究文章揭示[1],“悲伤”情绪在触发上瘾行为时起到了很强的作用。这些研究分析的数据不仅包含了一项超过10000名参与者的全国调查,也包括了研究吸烟者对负面情绪反应的实验室系列试验。所有的四项相关研究都佐证,悲伤比任何其他负面情绪都更能增加人吸烟的欲望。

“这一领域的传统认知是,无论是愤怒、恶心、压力、悲伤、恐惧或羞耻,任何一种负面情绪都会触发人更想吸烟,”这项研究的首席研究员,哈佛大学肯尼迪学院的博士候选人Charles A. Dorison说。“俗话说‘感觉很坏,吸烟更快’,我们的研究揭示了现实比这句俗语更微妙,尤其是发现了悲伤在触发吸烟和使用成瘾类物品的独特作用。”  

另外一位共同作者,哈佛大学肯尼迪学院公共政策及决策科学和管理学教授Jennifer Lerner认为,这项研究结果将对公共政策产生有利影响。比如,现有的烟草广告应考虑重新设计,避免出现可能触发人们悲伤情绪的图片,进而无意中增加吸烟者的吸烟渴望。

下面是研究小组进行的四项研究试验:

1. 对一项全国调查中追踪20年的10685名被调查者进行数据分析,研究人员发现被调查者自我描述的悲伤情绪与成为吸烟者、或者是在10多年后复吸有关系。被调查者越悲伤,就越有可能成为吸烟者。而其他的负面情绪与吸烟行为之间并无这种相关性。

2. 然后,研究小组设计了一个试验来验证“是否是悲伤导致了人们吸烟,抑或任何负面事件都会同时导致悲伤和吸烟?”425名吸烟者被招募进行在线测试:其中三分之一会看到例如痛失亲人的悲伤视频,三分之一会看到木工活这类情绪中立的视频,另三分之一会看到肮脏卫生间一类的恶心视频。所有的被调查者都被要求写下与视频内容相似的个人经历。研究发现,看到悲伤视频并写下自己痛失亲人经历的那一组,比另外两组自认有更高的吸烟渴望。

3. 与第二个让被调查者自报吸烟渴望的试验不同,第三个研究量化了对吸烟的实际渴望。这次是对近700名参与者进行与第二个试验相同的视频试验,在写下与视频内容相关的个人经历之后,参与者被要求在两个选项之间做出选择:马上抽几口,还是稍后抽更多。悲伤的一组显示出更高的马上吸烟倾向。结合第二、三个试验,可以得出结论:从行为经济学的角度看,悲伤会使人更加的财务不耐,即更倾向于及时消费而不是积蓄以供未来消费。

4. 第四项试验从波士顿地区招募了158名吸烟者,以测试悲伤如何影响实际抽烟行为。参与者必须戒烟至少8小时,他们会被随机分为悲伤组或情绪中立对照组,每个人被分配到实验室中的独立房间。悲伤组观看悲伤视频,控制组观看情绪中立的视频,在观后仍需写下个人相关经历,随后被允许在房间里吸自己随身带的烟,一个专用的检测设备会记录吸烟的速度和时间。结果显示:悲伤组的参与者对烟草更迫切,而且每一口的吸食量更大。

在美国,经历了60多年的反烟草运动,吸烟仍是主要的死亡原因之一。而在全球范围内,本世纪末预计有10亿人因吸烟而过早死亡。Dorison认为:“通过这些理论研究,我们相信可以更好地描述吸烟这一流行性疾病。我们需要更多心理学、行为经济学以及公共健康方面的洞见,以更有效地应对吸烟这一威胁。”

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

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