用zip软件丈量熵；超冷化学反应捕获分子组成瞬间

目 录

1. 用zip软件测量熵

2. “猫语者”真的存在

3. 从透明的鱼脑观察决策过程

4. 超冷化学反应捕获分子合成瞬间

5. 潜伏在化妆包里的致命细菌：九成化妆品里都有！

6. 人类自我驯化假说首获实验遗传证据支持

7. 无声交流实验展示语言如何诞生

编辑 | 杨凌、董唯元、韩若冰、顾淼飞、陈航

1 用zip软件测量熵

科普书中谈到熵这一概念时，都会介绍这个物理量描述的是系统混乱程度，但这个陈述未免有些含混不清。例如，当我们说“一个汉字比一个英文字母的信息熵更大”时，难道是说汉字比字母更混乱吗？这显然不够恰当。

事实上，熵像个物理世界的多面精灵，在不同场景中以不同的面孔出现，时刻体现着能量、信息、时空甚至生命现象之间深刻的内在联系。孤立系统中的熵，是个锁住能量的保险柜，任何自发演化过程都会使一些原本在柜子外活跃的能量掉进柜子里沉睡，直至所有活跃能量消耗殆尽。而那些柜子里堆积的沉睡能量，成了逐渐增厚的账簿，默默记录下慢慢的变多的信息。假如没有来自系统之外的影响，沉睡的能量将永远都不可能被唤醒。这就是热力学第二定律所刻画的时间之箭，也是生命体必须不断进行新陈代谢以保持活力的原因。

当然，对科学家而言，比定性认识更重要的是定量计算。从最初Boltzmann基于经典微观状态数所定义的 S=k InΩ ，到von Neumann扩展至量子系统的 S= -tr ( ρ In ρ ) ，以及Shannon在信息理论中重建的 S= -Ep [log P](前一个p为下标)，可以说熵的定量计算方法虽然五花八门，但几乎都建立在简单系统模型上。计算黑洞的熵可以用一个简单的公式

搞定，但要是企图计算一颗小草、一个细胞或者哪怕一杯DNA溶液的熵，都不得不进行繁琐复杂的拆解，然后再求助于大型计算来执行。

那么面对高分子聚合物或者生命体这些复杂的系统，有没有既便捷又通用的计算方法呢？最近，以色列的研究者Ram Avinery及其合作者想到了一个巧妙的办法[1]。他们注意到，复杂系统演化过程中的熵，既衡量着系统自由能的降低，也标志着系统信息量的增加。于是定量测量自由能和熵的问题，就可以转换为测量系统内信息量的问题。而这个抽象的信息量，虽然用不同的方式展现出来的实际数据量之间并不相同，但通过例如Zip软件无损压缩的方式就可以非常好地挤掉“水分”，逼近有效信息量的“干货”。

这个方法在理论上不算创新，信息熵概念早在诞生之初，就具备衡量信息容量理论上限的属性。但Ram Avinery团队的工作，却是第一次正式的将这一思想应用于复杂化学系统的熵值测量，并且对各种情况下新旧方法的测量结果进行了精细比对。其对比结果正如理论所预料，熵值与温度的关系在0阶和1阶导上的图像符合得非常完美。

这个简便易行的计算技巧，无疑是众多生命科学和高分子材料科学领域研究者们的一大福音。未来在面对分子量成千上万的有机分子时，任其空间构型各种花式扭曲，只管拿出随处可见的文件压缩软件，原本神秘的熵值就会立等可取。

[1] Universal and Accessible Entropy Estimation Using a Compression Algorithm.

Ram Avinery, Micha Kornreich, and Roy Beck, Phys. Rev. Lett. 123, 178102.

2 “猫语者”真的存在

猫的心，似海深。猫以难懂著称，在猫面前，你甚至分不清自己是主子还是奴才。然而，加拿大圭尔夫大学的一项最新研究发现[1]，有些人是名副其实的“猫语者”，他们擅长分辨猫的面部表情中透露情绪的细微差别。这些“猫语者”以女性和兽医居多，尽管这些人里相当一部分声称他们并非铲屎官。

来自加拿大圭尔夫大学Campell中心的Niel Lee教授和Georgia Mason教授认为，能够读懂动物的面部表情，对从事动物福利相关工作的人来说很关键，研究发现有些人特别擅长读懂动物表情，这项技能应能通过培训让更多人掌握。这项研究不仅包括猫在积极情绪下的面部表情，更是首次研究了猫在负面情绪时候的面部表情，包括恐惧和受挫时。

该项研究结果刊登在11月份的《动物福利》杂志上[1]。研究人员调研了来自85个国家的6300名被调查人员，他们被要求观看20个YouTube在线短视频，然后完成相应的在线题目。有些视频是积极情绪的，比如宠爱猫咪或给它爱吃的，有些情绪是负面的，比如猫咪生病或者撵它走。每个视频都只展示猫咪的脸部——口鼻眼部位，但没有那些极端表情的视频，比如竖起毛压下耳朵或者露出尖牙。被调查人员需要回答他们对这些表情的判断，是积极的，消极的，还是不确定。大部分的被调查人员回答的正确率是60%[2]，这个结果只比掷骰子强一点。但有13%的人表现优秀，他们能答对15道以上的题目。这群人被研究人员戏称为“猫语者”。

“猫语者”大部分是女性或者兽医行业的人，年纪越轻越能成为猫语者。有研究表明女性比男性更能读懂表情或者肢体语言，这次的研究结果印证了这一结论。

出人意料的是，“猫语者”与是不是爱猫一族（铲屎官）并无多大关系。看懂“猫语”或许是一项可以被培训的技能，如此一来，“铲屎官”将和爱猫保持更紧密的关系，猫咪也能得到更好的看护。

研究人员已创建了一个网站[1]，铲屎官们可以上去测试一下自己的“猫语者”指数。

[1] Dawson L, Niel L, Cheal J, et al. Humans can identify cats’ affective states from subtle facial expressions[J]. Animal Welfare, 2019.

[2] 被调查人员在20道题里回答对12道题

3 从透明的鱼脑观察决策过程

我们时刻在做出决定：左转还是右转？加速还是等待？关注还是忽略？在做出决定之前，脑部会先评估感觉信息（视、嗅、听等），然后才产生行为。马克斯·普朗克神经生物学研究所的科学家们首次在完整的脊椎动物脑部追踪了这样的决策过程[1]。

斑马鱼幼体微小，脑部比苍蝇的脑大不了多少，并且几乎透明。研究者因此可以观察斑马鱼的整个脑部，并获知脑是如何将环境变动转化为行为决策的。

研究者Elena Dragomir说：“我们利用了一种叫做视动反应[2]的可靠行为来识读鱼的决策。” 如果鱼随波逐流，环境的图像会在它眼前移动。鱼会沿着感知到的光流[3]方向游动，以防止漂移。在实验室中，环境中移动的点可能会触发这种视动反应，鱼则会根据点移动的方向左转或右转。如果增强视觉刺激，例如设置更高比例的朝着同一方向移动的点，那么鱼将更快且更有可能转向正确的方向。

研究人员通过显微镜观察到，鱼脑及时识别了移动的点并解读出这种定向运动。这些证据在积累到足够的程度后会触发鱼脑的决策，使鱼朝着感知到的点移动的方向游泳。

鱼在何时以及朝哪个方向转向的决策与点的运动模式相关。共同作者Vilim Stih解释说：“这一过程可能要花几秒钟的时间，绝对不是反射作用，而是对感觉刺激的即时反应。”

Vilim Stih称：“这种感官信息随时间的积累过程也是其他动物物种决策模型的一部分。”不同的是，研究人员可以绘制出斑马鱼幼体中参与该决策过程的几乎所有脑区。例如，前顶盖/丘脑区的神经元簇可能负责处理视觉输入，后脑的神经元可能负责触发转向和游泳运动，“脚间核”（IPN）与鱼的转向速度密切相关。

通过整合了行为、神经生理学等方法，研究人员为研究脊椎动物大脑决策过程中的信息流提供了全新的可能性。

[1] Dragomir, E.I., tih, 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] 视动反应是鱼和昆虫中一种常见的本能，可以为偏离直线的运动提供纠偏，以回到期望的运动方向

[3] 光流是指由观察者和环境的相对运动造成的视觉场景中物体等的运动模式。

4 超冷化学反应捕获分子合成瞬间

哈佛大学的Kang-Kuen Ni团队实现了迄今为止最冷的化学反应，并由此捕捉到了反应物分子转化成产物分子的瞬间。11月29日，研究团队在《科学》杂志发表了这一研究成果[1]。

化学反应的发生时间以皮秒（10^-12秒）计，在过去20年间，科学家多采用超快激光技术来捕捉化学反应中转瞬即逝的实时图像，但是始终无法获得全部的图像。“大多数时候，我们只能看到反应物消失了，随后产物生成了，至于这其中发生了什么，又是如何发生的，我们无从知晓。” Ni表示。

由反应物转化为产物的过程中会形成一个中间体，此时，旧的化学键断裂，新的化学键生成。中间体的存在时间极短，几乎观察不到。Ni的团队通过铷化伽分子分解生成钾单质和铷单质的反应

，将反应物分子“冻结”到500纳开尔文，也就是只比绝对零度高出百万分之一摄氏度，在这一温度下，分子的旋转、振动等一切运动都极其缓慢，所以中间体分子仿佛被“困住”一般，可以存在几微秒的时间。几微秒看上去很短，但已经比常规条件下延长了几百万倍，足以让研究人员通过光致电离检测手段观察到化学键断裂和形成的过程——从本质上说，这是一个分子如何变成另一个分子的过程，也是化学反应中最关键的步骤。

有了能直接观察的视角，Ni表示，研究团队接下来可以验证化学反应机理的正确性，还能够准确的通过实际发生的图像数据开发新的反应模型，从而更加准确地预测其他化学反应的机理。而借助这一超冷化学反应平台，Ni的团队还能够最终靠超冷分子进行化学反应的定量调控。

[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 潜伏在化妆包里的致命细菌：九成化妆品里都有！

你每天使用的化妆品中可能潜伏着致命细菌！

来自英国阿斯顿大学生命健康科学的Peter Lambert和Ameren Bashir博士研究发现，使用中的美容化妆产品中常常含有潜在的致命细菌，例如大肠杆菌和葡萄球杆菌[1]。这些化妆品很多从未清洗过，甚至在过了有效期后仍然被使用。研究人员在使用过的90%的化妆品中发现这些细菌，它们如果使用在眼睛、嘴巴附近，或者有伤口的皮肤上，就可能会引起皮肤感染，甚至血液中毒。易感染人群则会受到更大的感染威胁。这项研究成果已经发表在最新一期的《应用微生物学期刊》上。

新型化妆品beauty blender美妆蛋，一种用来打粉底的海绵制品，受到很多爱美人士的喜爱，但研究发现使用过的美妆蛋里的潜在致病菌含量是最高的。93%的美妆蛋从未清洗过，64%的美妆蛋曾经掉到地上捡起来继续使用。作为第一个研究美妆蛋的机构，阿斯顿大学的研究者发现美妆蛋非常容易滋生细菌，因为它们使用后常常是潮湿的，这为有害细菌滋生创造了极好的环境。

研究发现，使用者绝对没意识到这种健康风险，这样的一种情况下制造商和监管机构必须为保护消费者承担起更多的责任，例如严格标注过期日期，包装上注明必须定期清洗等。

欧盟已经对化妆品制造商提出了更严格的标准——任何刚出厂的产品均不得检测出大肠杆菌。但是对于产品使用的过程中的消费者保护，各方做的还非常不够。英国消费者还会面临另外一个风险，脱欧后，欧盟的相关监管法律将不再适用于英国，英国人可能会购买更多的美国化妆品，而美国是不要求化妆品包装上标注过期日期的。

对于这项研究发现，Bashir博士说：“我们在化妆品中发现了在粪便中常有的大肠杆菌，这不得不让我们对化妆品使用者的卫生健康状况感到担忧。消费者需要知道这些美妆蛋要定期清洗，保持干燥，超过保质期使用是有风险的。”

[1] Bashir A, Lambert P. Microbiological study of used cosmetic products: highlighting possible impact on consumer health[J]. Journal of applied microbiology, 2019.

6 人类自我驯化假说首获实验遗传证据支持

人类自我驯化的观点可追溯到19世纪。该观点称，现代人类的解剖学和认知行为特征，例如顺从性或纤柔的面容，可能来自于跟动物驯化非常类似的进化过程。

欧洲科学家团队早先的研究发现，人类和家养动物的基因存在相似之处。发表在《科学》杂志子刊上的新研究则更进一步地提供神经嵴细胞方面的实验证据[1]。神经嵴细胞是在脊椎发育过程中形成的一类游离多能细胞，能在体内形成所有的细胞类型，对于发育至关重要。

研究人员聚焦于威廉姆斯综合征，这是一种特殊的人类神经发育障碍，表现为与驯化相关的颅面和认知行为特征，由胚胎发生过程中神经嵴细胞的缺陷所致。

研究团队使用了来自皮肤干细胞的威廉姆斯综合征体外模型。BAZ1B基因位于引起威廉姆斯综合征的基因组区域。实验结果表明，BAZ1B基因控制着神经嵴细胞的行为：较低水平的BAZ1B导致神经嵴迁移减少，而较高水平的BAZ1B导致更多的神经嵴迁移。

研究人员在古人类和现代人类的基因组中检查了该基因，试图理解与尼安德特人的基因组相比，现代人类进化过程中的神经嵴细胞遗传网络是否受到了影响。

结果表明，BAZ1B的影响导致在所有现存人类群体中都累积了高频突变的多种基因，而这些突变在目前可得的古基因组中是找不到的。“我们大家都认为，这在某种程度上预示着BAZ1B遗传网络正是我们的面孔与已灭绝的近亲尼安德特人如此不同的重要原因，”领导研究团队的Cedric Boeckx称。“总的来说，研究首次为自我驯化假说提供了基于神经嵴的实验验证。”

[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/uob-feg120419.php

7 无声交流实验展示语言如何诞生

世界上6,000多种自然语言的诞生在很大程度上仍是谜题。观察显示，当陌生的聋人聚集同在一社区，他们会在短时间内创造出新的手语。最著名的例子是出现于1980年代的尼加拉瓜手语。有趣的是，儿童在这些新语言的发展中起着及其重要的作用。

人们对社交互动如何变成语言知之甚少。莱比锡幼儿发展研究中心和马克斯·普朗克进化人类学研究所的科学家们试图重现这一过程[1]。

如何使参与研究的孩子们彼此交流而又不交谈呢？研究者在Skype对话时想到了解决方案：实验中，孩子们分处在两个房间，并连接Skype视频通话。在孩子们大致熟悉情况后，研究人员悄悄关闭了Skype的声音，观察他们如何在口头语言之外找到新的交流方式。

孩子们的任务是在合作游戏中描述不同主题的图片。对于抽象图片，例如一张白纸，孩子甲首先尝试了各种不同手势，但同伴乙表示不明白啥意思。直到甲指出自己彩色T恤上的白点，和同伴乙的沟通才取得突破。角色互换后，孩子乙的T恤上没有白点，但她仍将T恤拉到一边并指向它，同伴甲立刻会意。两人在短时间内建立了表现抽象概念的符号。对于复杂图片，例如两只动物之间的互动，孩子们发明了单独表现演员和动作的手势，并将它们组合在一起，从而创建了一种小的语法。

语言是如何出现的？根据研究，人们首先利用模拟的符号实现对动作和物体的指涉，前提是同伴之间有共同的经验基础。同伴之间也会互相协同和模仿，以便对同样的事物使用相同符号。符号以此在人际沟通中具有意义，进而获得约定俗成的意义。跟着时间的流逝，符号与事物之间的关系变得更抽象，各个符号的含义也更加具体。当需要沟通更复杂的事实时，人们会逐步引入语法结构。当前研究中最引人瞩目的是，在受控的情形下，30分钟内即可观察到以上这些过程。

研究表明，交流不能仅指文字语言。当无法使用常规口头语言时，人们会寻求其他方式来传达其信息。这种现象构成了发展新语言的基础。

[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

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