聽！昆蟲分泌物能“唱歌”

　　一些昆蟲能分泌化學(xué)物質(zhì)擊退“敵人”。人類有時能聞到它們，甚至看到它們，但是很難想象可以聽見這些物質(zhì)。

　　近日，研究人員首次提出了一種理解單一及混合昆蟲分泌化學(xué)物生物活性的新方法，即通過一個聲化過程將昆蟲分泌物的化學(xué)信號建模為聽覺信號。換句話說，他們將分泌物的化學(xué)成分轉(zhuǎn)換成了可以聽到的聲音，并測量了人類的反應(yīng)。

　　9月23日，相關(guān)論文刊登于《模式》。

　　聽見分泌物

　　葉蜂幼蟲能分泌揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)擊退捕食者，尤其是螞蟻。

　　一直以來，研究人員通過組織獵物和捕食者評估這些防御措施的有效性，即所謂的生物測試。但僅使用生物測試很難量化復(fù)雜混合物的生物活性——如昆蟲釋放的揮發(fā)性防御分泌物，以及單一化合物對混合物驅(qū)避性的影響。

　　“生物測試本身可能很困難，例如，人們難以采集到足夠的獵物和/或捕食者?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒈壤麜r皇家自然科學(xué)研究所昆蟲學(xué)家Jean-Luc Boevé在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

　　2009年4月，Boevé首次提出了將揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為聲音的想法。

　　“一些小分子，比如醋中含有的醋酸或一些螞蟻釋放的刺激性甲酸，非常易揮發(fā)，并能迅速擴散到空氣中?！盉oevé說，“所以，我認(rèn)為有可能將揮發(fā)性轉(zhuǎn)化為相應(yīng)高低的音調(diào)，以及將其他化學(xué)特征轉(zhuǎn)化為聲音特征?！?/p>

　　實際上，化學(xué)物質(zhì)能通過一種名為聲化的過程轉(zhuǎn)化成聲音。每個分子的重要特征，比如它的分子量和官能團，都可以被映射到聲音的不同參數(shù)上，比如音高、持續(xù)時間和音色。

　　“我們選擇將化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為聽覺信號的一個主要原因是，這兩種信號都是隨著時間的推移而進化的，例如聞到的氣味和聽到的聲音，這兩種感知從開始到結(jié)束通常都隨時間而變化。”Boevé說。

　　螞蟻啥感受

　　Boevé和布魯塞爾工業(yè)研究所信息工程師Rudi Giot將這些化學(xué)信息輸入到一個合成器中，后者會為每個分子制作聲音，然后這些聲音會在不同的音量水平上被混合，最終錄下昆蟲防御性分泌物的“聲音”。

　　“化學(xué)信號介導(dǎo)了昆蟲主要的生態(tài)相互作用。為了在不同感知中表征化學(xué)數(shù)據(jù)，我們在分貝水平上混合了轉(zhuǎn)化后的聲音信號，以反映這些化學(xué)物在不同物種的特定分泌物中的相對濃度?！盙iot說。

　　那么，這些聲音能很好地代表分泌物嗎？如何判斷？

　　“我們的主要目標(biāo)就是回答這兩個問題。最初，我們假設(shè)聽到的聲音可以代表揮發(fā)物，這一假設(shè)得到了刺激傳播時空動態(tài)模擬的支持?！盉oevé說。

　　之后，研究人員通過生物檢測，對比了人類聽眾與捕食者（這里是螞蟻）對這些防御性揮發(fā)物的反應(yīng)，進而驗證了這一假設(shè)。統(tǒng)計分析表明，螞蟻對揮發(fā)物的反應(yīng)與人類對相應(yīng)聲音的反應(yīng)類似。

　　他們還量化了這些聲音使人類感到不愉快的程度——測量受試者與揚聲器有多遠才能到達“舒適距離”。他們表示，在大約50名參與者中，有一部分人將這些聲音描述為不愉快甚至令人恐懼的聲音，可以與恐怖或科幻電影中的背景音樂片段相媲美。

　　“聲化使我們能夠通過聽到防御性分泌物的生物活性得到新認(rèn)識，并通過測量聲音強度量化這種認(rèn)識?！盉oevé說。

　　這項研究還利用了這樣一個事實：人腦處理信息的方式因信息感知器官的不同而異。Giot說：“通常，聲化過程用于檢測大數(shù)據(jù)集的特定元素。例如地震數(shù)據(jù)中記錄的地震，或者互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流中的網(wǎng)絡(luò)黑客行為。”

　　用聲音感知

　　實際上，為了理解一個復(fù)雜現(xiàn)象，聲學(xué)經(jīng)常被用來連接兩個不相關(guān)的領(lǐng)域。除了昆蟲分泌物，細(xì)胞、病毒、輻射、天體甚至“上帝粒子”等都能有自己獨特的聲音。

　　聲化技術(shù)的使用可以追溯到1908年甚至更早——德國物理學(xué)家蓋革當(dāng)時設(shè)計并制成了一臺α粒子計數(shù)器。輻射使計數(shù)器中的氣體電離會產(chǎn)生電流脈沖，從而發(fā)出連續(xù)不斷的咔嗒聲。該設(shè)備至今仍是核物理學(xué)和粒子物理學(xué)不可缺少的探測器，是實驗室中敏銳的“眼睛”。

　　新冠肺炎疫情期間，新冠病毒刺突蛋白結(jié)構(gòu)也被轉(zhuǎn)譯成音樂。美國麻省理工學(xué)院的Markus J. Buehler同樣使用聲化技術(shù)，給每個氨基酸分配一個獨特的音階音符，從而把整個蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換成初步的樂譜。編鐘聲、撥弦聲、長笛聲代表了刺突蛋白質(zhì)的不同方面。研究人員認(rèn)為，這種方法比傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)研究方法（如分子建模）更快、更直觀，可以幫助科學(xué)家更容易找到抗體或藥物可能結(jié)合的蛋白質(zhì)位點——只需搜索與這些位點對應(yīng)的特定音樂序列。

　　高能物理學(xué)家Piotr Traczyk為了紀(jì)念歐洲大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”——希格斯玻色子，選取了搜索過程中的兩張主要數(shù)據(jù)圖，將其中一張圖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為音符，最終譜寫出一首希格斯玻色子重金屬搖滾樂。

　　另一方面，聲音也能“創(chuàng)造”全新蛋白質(zhì)。Buehler團隊將蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成樂譜，隨后給電腦一個序列，人工智能系統(tǒng)就能設(shè)計出一種在自然界中從未有過的蛋白質(zhì)。相關(guān)論文刊登于《APL生物工程》。Buehler 表示，這樣一種方法為制造全新的生物材料鋪平了道路。

　　不過，對于昆蟲分泌物研究而言，聲化技術(shù)還存在限制。該技術(shù)僅限于對利己素的研究，可能在諸如信息素的研究中沒有用處。“信息素作用于同一種個體之間，利己素作用于物種之間。信息素在進化過程中被精細(xì)地調(diào)節(jié)以引出特定行為，例如聚集、示警和繁殖等。從化學(xué)角度來看，信息素通常比異種激素混合物簡單得多——包含的化合物更少。”Boevé說。

　　目前，研究人員正繼續(xù)研究其他大型化學(xué)物質(zhì)數(shù)據(jù)集，以開發(fā)揮發(fā)性物質(zhì)聲化創(chuàng)新方法。Boevé希望新方法能與現(xiàn)有的揮發(fā)性物質(zhì)測試技術(shù)相互補充，特別是在昆蟲較少的季節(jié)或難以獲取足夠分泌物的情況下。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.patter.2021.100352

　　https://doi.org/10.1063/1.5133026