目 錄
1. 用zip軟體測量熵
2. 「貓語者」真的存在
3. 從透明的魚腦觀察決策過程
4. 超冷化學反應捕獲分子合成瞬間
5. 潛伏在化妝包里的致命細菌：九成化妝品里都有！
6. 人類自我馴化假說首獲實驗遺傳證據支持
7. 無聲交流實驗展示語言如何誕生
編輯 | 楊凌、董唯元、韓若冰、顧淼飛、陳航
1 用zip軟體測量熵
科普書中談到熵這一概念時，都會介紹這個物理量描述的是系統混亂程度，但這個陳述未免有些含混不清。例如，當我們說「一個漢字比一個英文字母的信息熵更大」時，難道是說漢字比字母更混亂嗎？這顯然不夠恰當。
事實上，熵像個物理世界的多面精靈，在不同場景中以不同的面孔出現，時刻體現著能量、信息、時空甚至生命現象之間深刻的內在聯繫。孤立系統中的熵，是個鎖住能量的保險柜，任何自發演化過程都會使一些原本在柜子外活躍的能量掉進柜子里沉睡，直至所有活躍能量消耗殆盡。而那些柜子里堆積的沉睡能量，成了逐漸增厚的帳簿，默默記錄下越來越多的信息。如果沒有來自系統之外的影響，沉睡的能量將永遠不會被喚醒。這就是熱力學第二定律所刻畫的時間之箭，也是生命體必須不斷進行新陳代謝以保持活力的原因。
當然，對科學家而言，比定性認識更重要的是定量計算。從最初Boltzmann基於經典微觀狀態數所定義的 S=k InΩ ，到von Neumann擴展至量子系統的 S= -tr ( ρ In ρ ) ，以及Shannon在信息理論中重建的 S= -Ep [log P]（前一個p為下標），可以說熵的定量計算方法雖然五花八門，但幾乎都建立在簡單系統模型上。計算黑洞的熵可以用一個簡單的公式
搞定，但要是企圖計算一顆小草、一個細胞或者哪怕一杯DNA溶液的熵，都不得不進行繁瑣複雜的拆解，然後再求助於大型計算來執行。
那麼面對高分子聚合物或者生命體這些複雜的系統，有沒有既便捷又通用的計算方法呢？最近，以色列的研究者Ram Avinery及其合作者想到了一個巧妙的辦法[1]。他們注意到，複雜系統演化過程中的熵，既衡量著系統自由能的降低，也標誌著系統信息量的增加。於是定量測量自由能和熵的問題，就可以轉換為測量系統內信息量的問題。而這個抽象的信息量，雖然用不同的方式展現出來的實際數據量之間並不相同，但通過例如Zip軟體無損壓縮的方式就可以非常好地擠掉「水分」，逼近有效信息量的「乾貨」。
這個方法在理論上不算創新，信息熵概念早在誕生之初，就具備衡量信息容量理論上限的屬性。但Ram Avinery團隊的工作，卻是第一次正式的將這一思想應用於複雜化學系統的熵值測量，並且對各種情況下新舊方法的測量結果進行了精細比對。其對比結果正如理論所預料，熵值與溫度的關係在0階和1階導上的圖像符合得非常完美。
這個簡便易行的計算技巧，無疑是眾多生命科學和高分子材料科學領域研究者們的一大福音。未來在面對分子量成千上萬的有機分子時，任其空間構型各種花式扭曲，只管拿出隨處可見的文件壓縮軟體，原本神秘的熵值就會立等可取。
[1] Universal and Accessible Entropy Estimation Using a Compression Algorithm.
Ram Avinery, Micha Kornreich, and Roy Beck, Phys. Rev. Lett. 123, 178102.
2 「貓語者」真的存在
貓的心，似海深。貓以難懂著稱，在貓面前，你甚至分不清自己是主子還是奴才。然而，加拿大圭爾夫大學的一項最新研究發現[1]，有些人是名副其實的「貓語者」，他們擅長分辨貓的面部表情中透露情緒的細微差別。這些「貓語者」以女性和獸醫居多，儘管這些人里相當一部分聲稱他們並非鏟屎官。
來自加拿大圭爾夫大學Campell中心的Niel Lee教授和Georgia Mason教授認為，能夠讀懂動物的面部表情，對從事動物福利相關工作的人來說很關鍵，研究發現有些人特別擅長讀懂動物表情，這項技能應能通過培訓讓更多人掌握。這項研究不僅包括貓在積極情緒下的面部表情，更是首次研究了貓在負面情緒時候的面部表情，包括恐懼和受挫時。
該項研究結果刊登在11月份的《動物福利》雜誌上[1]。研究人員調研了來自85個國家的6300名被調查人員，他們被要求觀看20個YouTube在線短視頻，然後完成相應的在線題目。有些視頻是積極情緒的，比如寵愛貓咪或給它愛吃的，有些情緒是負面的，比如貓咪生病或者攆它走。每個視頻都只展示貓咪的臉部——口鼻眼部位，但沒有那些極端表情的視頻，比如豎起毛壓下耳朵或者露出尖牙。被調查人員需要回答他們對這些表情的判斷，是積極的，消極的，還是不確定。大部分的被調查人員回答的正確率是60%[2]，這個結果只比擲骰子強一點。但有13%的人表現優秀，他們能答對15道以上的題目。這群人被研究人員戲稱為「貓語者」。
「貓語者」大部分是女性或者獸醫行業的人，年紀越輕越能成為貓語者。有研究表明女性比男性更能讀懂表情或者肢體語言，這次的研究結果印證了這一結論。
出人意料的是，「貓語者」與是不是愛貓一族（鏟屎官）並無多大關係。看懂「貓語」或許是一項可以被培訓的技能，如此一來，「鏟屎官」將和愛貓保持更緊密的關係，貓咪也能得到更好的看護。
研究人員已創建了一個網站[1]，鏟屎官們可以上去測試一下自己的「貓語者」指數。
[1] Dawson L, Niel L, Cheal J, et al. Humans can identify cats』 affective states from subtle facial expressions[J]. Animal Welfare, 2019.
[2] 被調查人員在20道題里回答對12道題
3 從透明的魚腦觀察決策過程
我們時刻在做出決定：左轉還是右轉？加速還是等待？關注還是忽略？在做出決定之前，腦部會先評估感覺信息（視、嗅、聽等），然後才產生行為。馬克斯·普朗克神經生物學研究所的科學家們首次在完整的脊椎動物腦部追蹤了這樣的決策過程[1]。
斑馬魚幼體微小，腦部比蒼蠅的腦大不了多少，並且幾乎透明。研究者因此可以觀察斑馬魚的整個腦部，並獲知腦是如何將環境變動轉化為行為決策的。
研究者Elena Dragomir說：「我們利用了一種叫做視動反應[2]的可靠行為來識讀魚的決策。」 如果魚隨波逐流，環境的圖像會在它眼前移動。魚會沿著感知到的光流[3]方向遊動，以防止漂移。在實驗室中，環境中移動的點可能會觸發這種視動反應，魚則會根據點移動的方向左轉或右轉。如果增強視覺刺激，例如設置更高比例的朝著同一方向移動的點，那麼魚將更快且更有可能轉向正確的方向。
研究人員通過顯微鏡觀察到，魚腦及時識別了移動的點並解讀出這種定向運動。這些證據在積累到足夠的程度後會觸發魚腦的決策，使魚朝著感知到的點移動的方向游泳。
魚在何時以及朝哪個方向轉向的決策與點的運動模式相關。共同作者Vilim Stih解釋說：「這一過程可能要花幾秒鐘的時間，絕對不是反射作用，而是對感覺刺激的即時反應。」
Vilim Stih稱：「這種感官信息隨時間的積累過程也是其他動物物種決策模型的一部分。」不同的是，研究人員可以繪製出斑馬魚幼體中參與該決策過程的幾乎所有腦區。例如，前頂蓋/丘腦區的神經元簇可能負責處理視覺輸入，後腦的神經元可能負責觸發轉向和游泳運動，「腳間核」（IPN）與魚的轉向速度密切相關。
通過整合了行為、神經生理學等方法，研究人員為研究脊椎動物大腦決策過程中的信息流提供了全新的可能性。
[1] Dragomir, E.I., Štih, V. & Portugues, R. Evidence accumulation during a sensorimotor decision task revealed by whole-brain imaging. Nat Neurosci (2019) doi:10.1038/s41593-019-0535-8
[2] 視動反應是魚和昆蟲中一種常見的本能，可以為偏離直線的運動提供糾偏，以回到期望的運動方向
[3] 光流是指由觀察者和環境的相對運動造成的視覺場景中物體等的運動模式。
4 超冷化學反應捕獲分子合成瞬間
哈佛大學的Kang-Kuen Ni團隊實現了迄今為止最冷的化學反應，並由此捕捉到了反應物分子轉化成產物分子的瞬間。11月29日，研究團隊在《科學》雜誌發表了這一研究成果[1]。
化學反應的發生時間以皮秒（10^-12秒）計，在過去20年間，科學家多採用超快雷射技術來捕捉化學反應中轉瞬即逝的實時圖像，但是始終無法獲得全部的圖像。「大多數時候，我們只能看到反應物消失了，隨後產物生成了，至於這其中發生了什麼，又是如何發生的，我們無從知曉。」 Ni表示。
由反應物轉化為產物的過程中會形成一個中間體，此時，舊的化學鍵斷裂，新的化學鍵生成。中間體的存在時間極短，幾乎觀察不到。Ni的團隊通過銣化伽分子分解生成鉀單質和銣單質的反應
，將反應物分子「凍結」到500納開爾文，也就是只比絕對零度高出百萬分之一攝氏度，在這一溫度下，分子的旋轉、振動等一切運動都極其緩慢，所以中間體分子仿佛被「困住」一般，可以存在幾微秒的時間。幾微秒看上去很短，但已經比常規條件下延長了幾百萬倍，足以讓研究人員通過光致電離檢測手段觀察到化學鍵斷裂和形成的過程——從本質上說，這是一個分子如何變成另一個分子的過程，也是化學反應中最關鍵的步驟。
有了能直接觀察的視角，Ni表示，研究團隊接下來可以驗證化學反應機理的正確性，還可以根據實際發生的圖像數據開發新的反應模型，從而更加準確地預測其他化學反應的機理。而藉助這一超冷化學反應平台，Ni的團隊還可以通過超冷分子進行化學反應的定量調控。
[1] Direct observation of bimolecular reactions of ultracold KRb molecules. Science 29 Nov 2019: Vol. 366, Issue 6469, pp. 1111-1115. DOI: 10.1126/science.aay9531
5 潛伏在化妝包里的致命細菌：九成化妝品里都有！
你每天使用的化妝品中可能潛伏著致命細菌！
來自英國阿斯頓大學生命健康科學的Peter Lambert和Ameren Bashir博士研究發現，使用中的美容化妝產品中常常含有潛在的致命細菌，例如大腸桿菌和葡萄球桿菌[1]。這些化妝品很多從未清洗過，甚至在過了有效期後仍然被使用。研究人員在使用過的90%的化妝品中發現這些細菌，它們如果使用在眼睛、嘴巴附近，或者有傷口的皮膚上，就可能導致皮膚感染，甚至血液中毒。易感染人群則會受到更大的感染威脅。這項研究成果已經發表在最新一期的《應用微生物學期刊》上。
新型化妝品beauty blender美妝蛋，一種用來打粉底的海綿製品，受到很多愛美人士的喜愛，但研究發現使用過的美妝蛋里的潛在致病菌含量是最高的。93%的美妝蛋從未清洗過，64%的美妝蛋曾經掉到地上撿起來繼續使用。作為第一個研究美妝蛋的機構，阿斯頓大學的研究者發現美妝蛋非常容易滋生細菌，因為它們使用後常常是潮濕的，這為有害細菌滋生創造了極好的環境。
研究發現，使用者完全沒有意識到這種健康風險，這種情況下製造商和監管機構必須為保護消費者承擔起更多的責任，例如嚴格標註過期日期，包裝上註明必須定期清洗等。
歐盟已經對化妝品製造商提出了更嚴格的標準——任何剛出廠的產品均不得檢測出大腸桿菌。但是對於產品使用過程中的消費者保護，各方做的還非常不夠。英國消費者還會面臨另外一個風險，脫歐後，歐盟的相關監管法律將不再適用於英國，英國人可能會購買更多的美國化妝品，而美國是不要求化妝品包裝上標註過期日期的。
對於這項研究發現，Bashir博士說：「我們在化妝品中發現了在糞便中常有的大腸桿菌，這不得不讓我們對化妝品使用者的衛生健康狀況感到擔憂。消費者需要知道這些美妝蛋要定期清洗，保持乾燥，超過保質期使用是有風險的。」
[1] Bashir A, Lambert P. Microbiological study of used cosmetic products: highlighting possible impact on consumer health[J]. Journal of applied microbiology, 2019.
6 人類自我馴化假說首獲實驗遺傳證據支持
人類自我馴化的觀點可追溯到19世紀。該觀點稱，現代人類的解剖學和認知行為特徵，例如順從性或纖柔的面容，可能來自於跟動物馴化非常類似的進化過程。
歐洲科學家團隊早先的研究發現，人類和家養動物的基因存在相似之處。發表在《科學》雜誌子刊上的新研究則更進一步地提供神經嵴細胞方面的實驗證據[1]。神經嵴細胞是在脊椎發育過程中形成的一類游離多能細胞，能在體內形成所有的細胞類型，對於發育至關重要。
研究人員聚焦於威廉士綜合徵，這是一種特殊的人類神經發育障礙，表現為與馴化相關的顱面和認知行為特徵，由胚胎髮生過程中神經嵴細胞的缺陷所致。
研究團隊使用了來自皮膚幹細胞的威廉士綜合徵體外模型。BAZ1B基因位於引起威廉士綜合徵的基因組區域。實驗結果表明，BAZ1B基因控制著神經嵴細胞的行為：較低水平的BAZ1B導致神經嵴遷移減少，而較高水平的BAZ1B導致更多的神經嵴遷移。
研究人員在古人類和現代人類的基因組中檢查了該基因，試圖理解與尼安德特人的基因組相比，現代人類進化過程中的神經嵴細胞遺傳網絡是否受到了影響。
結果表明，BAZ1B的影響導致在所有現存人類群體中都累積了高頻突變的多種基因，而這些突變在目前可得的古基因組中是找不到的。「我們認為，這意味著BAZ1B遺傳網絡正是我們的面孔與已滅絕的近親尼安德特人如此不同的重要原因，」領導研究團隊的Cedric Boeckx稱。「總的來說，研究首次為自我馴化假說提供了基於神經嵴的實驗驗證。」
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/uob-feg120419.php
7 無聲交流實驗展示語言如何誕生
世界上6,000多種自然語言的誕生在很大程度上仍是謎題。觀察顯示，當陌生的聾人聚集同在一社區，他們會在短時間內創造出新的手語。最著名的例子是出現於1980年代的尼加拉瓜手語。有趣的是，兒童在這些新語言的發展中起著重要作用。
人們對社交互動如何變成語言知之甚少。萊比錫幼兒發展研究中心和馬克斯·普朗克進化人類學研究所的科學家們試圖重現這一過程[1]。
如何使參與研究的孩子們彼此交流而又不交談呢？研究者在Skype對話時想到了解決方案：實驗中，孩子們分處在兩個房間，並連接Skype視頻通話。在孩子們大致熟悉情況後，研究人員悄悄關閉了Skype的聲音，觀察他們如何在口頭語言之外找到新的交流方式。
孩子們的任務是在合作遊戲中描述不同主題的圖片。對於抽象圖片，例如一張白紙，孩子甲首先嘗試了各種不同手勢，但同伴乙表示不明白什麼意思。直到甲指出自己彩色T恤上的白點，和同伴乙的溝通才取得突破。角色互換後，孩子乙的T恤上沒有白點，但她仍將T恤拉到一邊並指向它，同伴甲立刻會意。兩人在短時間內建立了表現抽象概念的符號。對於複雜圖片，例如兩隻動物之間的互動，孩子們發明了單獨表現演員和動作的手勢，並將它們組合在一起，從而創建了一種小的語法。
語言是如何出現的？根據研究，人們首先利用模擬的符號實現對動作和物體的指涉，前提是同伴之間有共同的經驗基礎。同伴之間也會互相協同和模仿，以便對同樣的事物使用相同符號。符號以此在人際溝通中具有意義，進而獲得約定俗成的意義。隨著時間的流逝，符號與事物之間的關係變得更加抽象，各個符號的含義也更加具體。當需要溝通更複雜的事實時，人們會逐步引入語法結構。當前研究中最引人矚目的是，在受控的情形下，30分鐘內即可觀察到以上這些過程。
研究表明，交流不能僅指文字語言。當無法使用常規口頭語言時，人們會尋求其他方式來傳達其信息。這種現象構成了發展新語言的基礎。
[1] Young children spontaneously recreate core properties of language in a new modality. Manuel Bohn, Gregor Kachel, Michael Tomasello, Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2019, 201904871; DOI:10.1073/pnas.1904871116
特 別 提 示
1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單「精品專欄「，可查閱不同主題系列科普文章。
2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回復四位數組成的年份+月份，如「1903」，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。
《返樸》，科學家領航的好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧共同出任總編輯，與數十位不同領域一流學者組成的編委會一起，與你共同求索。關注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫返樸公眾號後台。