宇宙是均勻的嗎？甜食變涼后為什么沒那么甜了 | 一周科技速覽

目 錄

1. 宇宙是均勻的嗎？

2. 甜食變涼后為什么沒那么甜了

3. 帕金森病腸道起源假說又添新證

4. 借鑒演化論，AI演化也可適者生存

5. 技術進步的增速正在放緩

6. 小小細菌也有“記憶”

7. 水分子：一個好漢三個幫

8. 類淋巴系統(tǒng)擦亮“心靈的窗戶”

撰文 | 董唯元、韓若冰、小葉、葉譯楚、顧舒晨、太閣爾、夏春秋、洪俊賢

1 宇宙是均勻的嗎？常數是物理學中非常有趣的研究對象，尤其是無量綱常數，都暗藏著自然規(guī)律的玄機奧妙。物理學中最重要的無量綱常數，當屬精細結構常數。

最近《科學進展》雜志（Science Advances）上發(fā)表了一個澳大利亞研究團隊的最新成果[1]，來自悉尼新南威爾士大學的研究小組，分別采用4種不同的方法，對130億年前的古老天體進行了觀測和分析。這些在宇宙僅8億歲時便已形成的天體，攜帶著許多早期宇宙的信息。如果當時的物理學規(guī)律與今天有所差別，必然會在當時的精細結構常數中留下明顯“化石”證據。

概念圖。| 圖?來源：Shutterstock

在這場宇宙“考古”活動中，研究人員大量采用AI技術，將數據處理精度和效率都推升到前所未有的高度。從這些高精度數據中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個極為驚人的結果：精細結構常數似乎并不恒定，130億年前的數值與現(xiàn)在相比，大約存在萬分之一左右的不同。

同時研究小組還發(fā)現(xiàn)了更令人意想不到的現(xiàn)象：宇宙似乎不是嚴格的各向同性！也就是說，似乎在某些方位上的物理規(guī)律與另一些方位上的物理規(guī)律存在差異。這一發(fā)現(xiàn)大大超出了所有現(xiàn)有理論的認知，如果能夠得到進一步觀測證實，這無疑將是繼宇宙加速膨脹之后，又一個重大宇宙學發(fā)現(xiàn)。

[1] Wilczynska M R, Webb J K, Bainbridge M, et al. Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago[J]. Science Advances, 2020, doi: 10.1126/sciadv.aay9672.

2 甜食變涼后為什么沒那么甜了咬下一口剛出爐的水果派，口中充滿甜蜜。同樣的甜食，如果剛從冰箱中取出，為什么似乎不那么誘人了？

已知低溫會降低甜味帶給人的愉悅感，美國科學家以果蠅為研究對象探究其中的機理，發(fā)現(xiàn)低溫并不影響甜味神經元本身，而是通過一種蛋白影響其他神經元，間接導致了甜食的吸引力降低。該研究[1, 2]發(fā)表在《當代生物學》雜志上。

研究者發(fā)現(xiàn)，當蔗糖溶液的溫度在 19-23攝氏度之間變化時，果蠅攝食的興趣顯著不同。盡管果蠅的行為發(fā)生了變化，但甜味感知神經元的活性并未顯示出差異。也就是說在低溫下，甜味神經元仍會被糖激活。

然而，食物的低溫還會激活果蠅口器中的苦味和機械感知等其他神經元。研究者稱，可能是因為這些神經元被激活，釋放出抑制性神經遞質，抑制了甜味神經元與大腦之間的通訊，從而改變了果蠅對糖的攝食傾向。

研究者發(fā)現(xiàn)，視紫紅質6（Rh6）是該過程中一種重要的蛋白，這種蛋白與視力有關，而它通常也在苦味感知神經元中得到表達。如果果蠅缺失Rh6，則低溫不會激活苦味神經元。食物溫度的感知是一個比較復雜的過程，苦味和機械感知神經元都參與其中。僅當兩者都被激活時，大腦才會解讀出冷信號。因此，缺失Rh6的果蠅無法識別較低的溫度，含糖食物對果蠅的吸引力也不會因低溫而降低。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/uoc--nss042320.php

[2] https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30436-X

3 帕金森病腸道起源假說又添新證神經系統(tǒng)由數百種不同功能的細胞組成。不同類型的神經疾病影響的細胞也不同。了解各類神經疾病相關的細胞類型，有助于開發(fā)出有效的針對性治療。最近一項發(fā)表于《自然·遺傳學》雜志的研究，系統(tǒng)地追蹤了與各類神經系統(tǒng)疾?。òㄅ两鹕。┫嚓P的細胞類型。研究結果中，有一個有趣的發(fā)現(xiàn)——帕金森病可能與腸道神經元相關[1]。

帕金森病是一種神經退行性疾病，患者會出現(xiàn)認知和行為上的改變。帕金森病的發(fā)病原因，目前被認為是大腦特定區(qū)域中產生多巴胺的細胞（多巴胺能神經元）的逐漸衰亡。此前科學家發(fā)現(xiàn)，一種名為路易小體（Lewy bodies）的有毒蛋白質聚集，可能是原因之一。之前的一項動物實驗顯示，路易小體是在腸道中形成，并沿著迷走神經進入大腦。因此，有假說認為帕金森病源于腸道。

在這項新的研究中，研究者比較了健康人群與不同疾病階段帕金森患者的大腦差異，發(fā)現(xiàn)腸神經系統(tǒng)的確在帕金森的發(fā)病中發(fā)揮著重要作用。這一結果也為帕金森病源于腸道這一假說提供了支持。

此外，研究者還發(fā)現(xiàn)，在帕金森患者腦中，一種叫做少突膠質細胞的支持性細胞，在疾病早期（甚至在多巴胺能神經元衰亡之前）就受到影響。這一發(fā)現(xiàn)提示，少突膠質細胞可能是一個潛在的帕金森病治療靶點，值得進一步研究探索。

[1] doi: 10.1038/s41588-020-0610-9.

4 借鑒演化論，AI演化也可適者生存生物演化產生人類智能，那人工智能能否遵循演化過程自主發(fā)展呢？谷歌公司的計算機團隊最近給出了一套名為“AutoML-Zero”的人工智能程序，這套程序借用了達爾文演化論中概念，包括“突變”、“適者生存”等。在人工零輸入情況下，以基本數學運算為基礎，自主迭代發(fā)現(xiàn)機器學習算法。

AutoML-Zero：可自我進化的人工智能。|圖片來源：JAKARIN2521/ISTOCK.COM

AutoML是機器學習催生的新領域，利用機器計算時間取代人類搜索時間，實現(xiàn)機器學習自動化。但AutoML面臨兩大問題：人為設計組件讓搜索結果偏向人為設計算法，以及對于搜索空間仍有限制[1]。

為此，谷歌公司的計算機科學家Quoc Le及同事引入基于開源代碼的新框架搭建大范圍搜索空間，結合基本數學運算，機器從空程序開始給出由100個隨機生成算法構成的群。接下來在簡單任務上對它們進行測試，同時比較機器生成算法和手動設計算法。通過隨機替換、編輯或刪除其中一些代碼讓表現(xiàn)最好的算法副本產生“突變”，創(chuàng)造出略有差異的最佳算法。然后再將其添加回算法群中，淘汰舊程序，這種類似于“優(yōu)勝劣汰”的策略讓整個過程循環(huán)往復自主迭代[2]。

AutoML-Zero演化方法的一次循環(huán)過程示意。| 圖片來源[1]

這套程序已發(fā)現(xiàn)權重平均、歸一化梯度等技術，令人欣喜。但研究人員指出，該技術仍處在概念驗證階段，旨在人工設計最少化，突破空間限制，實現(xiàn)自主演化搜索。因此他們相信，增加庫中的數學運算量，投入更多計算資源，也許AutoML-Zero能演化出意想不到的人工智能新“腦力”。

[1] Real E, Liang C, David R So, et al. AutoML-Zero: Evolving Machine Learning Algorithms From Scratch.[published online 2020 Mar 06].arXiv:2003.03384v1 [cs.LG]

[2] https://www.sciencemag.org/news/2020/04/artificial-intelligence-evolving-all-itself#

5 技術進步的增速正在放緩根據以往各種研究，我們可以按照生產理論原理，即發(fā)明和技術重大變革出現(xiàn)的周期，將人類歷史劃分為4個時期，并且由3次技術革命大致將它們區(qū)分開來（如下圖所示）。

人類歷史的4個時期。| 圖片來源：返樸

長久以來人們認為，技術發(fā)展是持續(xù)加速的，直到在無窮遠處達到一個“技術奇點”，在這一點上，不斷加速的進步將變得人類無法控制，并落入人工智能手中。

但就在最近，來自俄羅斯國立高等經濟學院（HSE）等機構的社會學家提出了不同看法[1-3]。他們發(fā)現(xiàn)：雖然人類的技術一直在進步，但進步速率則在變化，速率由快變慢的拐點才是所謂的技術奇點，它代表發(fā)展類型出現(xiàn)了變化。

對于人類歷史中的四個時期，由于技術發(fā)展的加速，每個時期持續(xù)的時間都比前一個時期短。但研究人員發(fā)現(xiàn)，每個時期都包含六個相似的階段，而且它們的順序和持續(xù)時間基本是穩(wěn)定的。也就是說，這四個時期實際上遵循著相似的歷史模式。根據這種規(guī)律，他們就可以定量分析4萬年人類歷史中的技術進步，并預測當下及未來的趨勢。

將人口老齡化因素考慮進去后，研究人員做出了如下預測：

1. 2018年即為一個技術奇點，之后技術進步的增速會放緩，從而會導致全球經濟下行。但這種下行是一種總體趨勢，并非由于短期的經濟政策造成，“黑天鵝”事件不過是下行趨勢的反映，從長期來看，包括“新冠”疫情在內的事件都可以看作是這種總體趨勢中的短期波動，不會有什么根本性影響。

2. 2030年有望出現(xiàn)新的加速，直至2106年到達下一個拐點。進一步地，22世紀的技術發(fā)現(xiàn)會比21世紀少，而23世紀會更少。

3.未來的技術突破集中在藥物開發(fā)、適應性技術、納米技術、生物技術、機器人技術、IT部門和認知領域產生的協(xié)同作用技術。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/nruh-tpp042220.php

[2] https://iq.hse.ru/en/news/356963077.html

[3] https://doi.org/10.1016/j.techfore.2020.119955

6 小小細菌也有“記憶”在后生動物中，大腦細胞膜電位變化在記憶的形成和提取中起著關鍵的作用。近日，加州大學圣地亞哥分校的科學家們發(fā)表在《細胞·系統(tǒng)》的一項研究[1, 2]表明，細菌群落中同樣存在基于膜電位變化的記憶編碼。

研究人員首先給予枯草芽孢桿菌菌群生物膜（biofilm）瞬時的光刺激，引起光照區(qū)域細菌膜電位變化；之后，他們通過改變環(huán)境離子濃度，觀察細菌群體膜電位的應答。研究者發(fā)現(xiàn)，與未暴露區(qū)域的細菌相比，細菌接受光刺激后的膜電位，對細胞外離子濃度變化的應答是反相的。這種反相的應答印記可穩(wěn)定持續(xù)數小時，進而在單細胞的分辨率水平，實現(xiàn)了空間記憶的可視化。

利用光學印記在生物被膜中形成的圖案，顏色代表膜電位值。| 圖片來源 [2]

研究者Gürol Süel教授說，“我們第一次看到哪些細胞是具有記憶的，（這種研究）在人腦中是無法想象的?！北狙芯康陌l(fā)現(xiàn)揭示了單細胞生物群落與高等動物神經元在記憶形成機制上的平行性。另外，基于膜電位變化編碼記憶的成功實現(xiàn)，也使利用細菌群落進行生物計算成為可能。

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/uoc--trc042420.php

[2] doi.org/10.1016/j.cels.2020.04.002

7 水分子：一個好漢三個幫水分子可能看起來平凡無奇，卻是地球之所以成為生命搖籃的根本原因之一。此外，水有很多非比尋常的性質，例如，為什么水結冰后密度反而變??？而為了理解水的這些物理性質，不僅需要理解水分子本身的結構和特性，更需要研究水分子之間的相互作用。

水分子的卡通示意圖。| 圖片來源[1]

之前的科學研究表明，2個水分子之間的相互作用只能解釋水分子75%的結合能，剩下的25%則需要考慮3個及以上水分子的相互作用。雖然過去40年科學家已經發(fā)展出許多理論和模擬研究3個水分子之間的相互作用，但實驗測量卻遇到了許多挑戰(zhàn)。例如，一種常見的測量水分子相互作用的方法是對水分子照射激光，通過檢測水分子對特定波長的吸收，從而留下指紋一樣的吸收光譜。然而目前缺少能夠在所需的太赫茲頻率下產生足夠功率的光源。

近日，在一項發(fā)表于《德國應用化學》的研究中[2, 3]，這個技術挑戰(zhàn)終于獲得了突破，并獲得了截至目前最精確的三個水分子相互作用的勢能圖，從而可以用于推算水的密度、導電率和相變溫度等關鍵物理參數。文章中，激光照到微小的液氦滴上。這些液滴溫度只有-272.75攝氏度（約0.4 K），在其上水分子可以逐個凝結，從而獲得水分子二聚體和三聚體。如此低溫下，水分子之間的結合變得很穩(wěn)定，從而可以讓科學家精確地研究水分子二聚體或者三聚體之間的相互作用。通過量子計算分析，科學家對所獲得的光吸收譜進行了解析，并獲得了6種分子間吸收的振動能級。

[1] https://videohive.net/item/water-molecules/7513092

[2] Havenith-Newen M , Schwan R , Qu C , et al. Observation of the low frequency spectrum of water trimer as a sensitive test of the water trimer potential and the dipole moment surface[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2020, doi: 10.1002/anie.202003851

[3] https://news.rub.de/english/press-releases/2020-04-24-chemistry-water-molecules-dance-three

8 類淋巴系統(tǒng)擦亮“心靈的窗戶”淋巴系統(tǒng)是人體內重要的防御功能系統(tǒng)，由淋巴管、淋巴組織和淋巴器官構成。其中淋巴管主要負責引流淋巴液，清除機體內的異物和細菌等。但有些器官卻缺乏典型的淋巴管，例如大腦和眼睛。2012年，哥本哈根大學Maiken Nedergaard教授團隊發(fā)現(xiàn)，大腦擁有一種獨特的“類淋巴”系統(tǒng)，用于處理分子廢物。近期，Nedergaard領銜的國際研究團隊在《科學·轉化醫(yī)學》發(fā)文稱，嚙齒動物的眼睛中也存在與大腦類似的類淋巴系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要負責排除眼睛中的新陳代謝產物、細胞和其他碎屑。

研究人員在小鼠玻璃體中注入熒光標記的淀粉樣蛋白-β并進行追蹤，發(fā)現(xiàn)這些蛋白可通過眼睛后方視覺神經的分泌通道進入類淋巴系統(tǒng)，最終流到頸部的淋巴管中。更有趣的是，這些頸部淋巴管與大腦清理廢物的通道相連。研究人員還發(fā)現(xiàn)青光眼模型小鼠中，該清除途徑受到限制，這表明眼睛的類淋巴系統(tǒng)可能與眼部疾病相關。

另外，與大腦類淋巴系統(tǒng)在夜間工作不同的是，眼部類淋巴系統(tǒng)在光線刺激下，排出代謝產物的效率更高。這項全新的科學發(fā)現(xiàn)為理解眼睛如何清理新陳代謝產物及細胞碎屑打開了一個新窗口，也為眼睛和大腦如何共享類淋巴系統(tǒng)的關鍵途徑提供了新思路。

[1] medicalxpress.com/news/2020-04-discovery-scientists-eyes-cellular-debris.html

[2] stm.sciencemag.org/content/12/536/eaaw3210

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