新冠病毒、上帝粒子与宇宙的音乐化探索

作者: 圆的方块

来源: 我是科学家iScientist

发布日期: 2020-06-02

本文探讨了如何将科学数据转化为音乐,特别是通过音乐来理解和模拟新冠病毒的蛋白质结构。文章还介绍了声化技术在科学研究中的应用,如盖革计数器和天体物理学家的研究,以及如何通过音乐来宣传科学发现,如欧洲核子研究中心的声化项目。最后,文章提到了NASA的《行星交响乐》唱片,展示了宇宙的声音。

你想听什么曲子?新冠病毒、上帝粒子,还是宇宙?

新冠病毒听起来什么样?音频全长约1小时50分钟,描述的是新冠病毒。这首曲子的作者是马库斯·布勒教授,来自美国麻省理工学院,主业是研究蛋白质的结构设计。病毒的本质很简单,由遗传物质和蛋白质外壳组成。不同的病毒,蛋白质外壳的样子也不同。新冠病毒之所以得名如此,就是因为其外壳如同一顶中世纪的皇冠。

这些皇冠状“尖刺”名为刺突糖蛋白,是病毒与人体细胞结合的关键。如果可以明晰这些蛋白质的结构与特征,就可以为药物设计帮上大忙。

然而,蛋白质结构的研究,却是难题。作为生命的基础物质之一,蛋白质的本质是一长串氨基酸链,这些氨基酸的种类与排序被称为蛋白质的一级结构。氨基酸的种类高达20种,如同用20种积木来拼合生命的多彩。然而,故事还远没有结束。

由这20种氨基酸组成的长链,通过氢键之类的吸引力,会形成一些螺旋或者折叠的二级结构。多个二级结构又可以在三维空间构造出更为复杂的构型,即为蛋白质的三级结构。如若理清这眼花缭乱的排列与层次,就能揭示蛋白质的功能与特性,从而让我们更接近生命的本源。

如何拆解蕴藏无穷可能的蛋白质结构之谜?马库斯认为:音乐也许是答案。组成蛋白质的基本单元数量有限,而构成音乐的音符数量也有限。

一首曲子的音高、音域与节奏,类似于蛋白质的螺旋、折叠和三维构象。于是,马库斯开发了一种技术将蛋白质转化与之对应的旋律。蛋白质音乐化的好处是:我们的大脑更善于处理声音。只要聆听一次,耳朵就能识别出声音的音色、音量与和弦。通过音乐,研究者可以更容易地发现蛋白质结构中的特定模式,就如同在一曲古典乐中寻找某一个特殊的和弦。

将这种技术逆向化,人们甚至可以先谱写一首曲子,将其反推回蛋白质,从而创造一种自然界不曾有过的全新结构。

如今,马库斯应用这种转化方法来模拟新冠病毒的刺突糖蛋白,将这一蛋白质的多级层次转变为交织的旋律,也就是文首听到的曲子。这项研究能帮助人们更好地理解病毒的致病机理,或许还能找到具有相似旋律的蛋白质,以作为有效的抗体。对于自己的技术,马库斯评价道“通过声音获取蛋白质中的信息,这非常优雅”。

人类具有五感,仅仅只用视觉来处理数据,未免有些遗憾与浪费。将数据或者信息转化为声音,这种技术统称为“声化”。最为著名的“声化”技术成果,就是盖革计数器。这项发明于1908年的仪器,可以用来测试辐射水平。它的内部有一个低压气体管,当辐射使其中的气体电离时,会产生电流脉冲,从而发出连续不断的咔嗒声。盖革计数器急促的声音如同警报,告诫人们这里辐射水平超标,务必远离。

通过声音,我们甚至能发现眼睛容易忽视的特征。

万达·迪亚兹·默塞德,一位来自南非的天体物理学家,因为疾病而失明。但是,她仍然向往星空。为此,她与程序员合作开发了一种算法,能够将繁杂的天体数据变为特定的声音模式。借助这项技术,她继续着自己的研究,甚至还“听”出了星体爆炸过程中产生的特殊电磁信号。而此前,这些信号被“明眼”的天文学者忽视了。除了从数据中发掘出新的特征,人们也希望借由声音的途径,让研究结果吸引更多人的关注。

2012年,欧洲的大型强子对撞机发现了“上帝粒子”——希格斯玻色子。为此,高能物理学家彼得·特雷奇克感到十分激动,他想通过自己的方式,来纪念这一重要成就。特雷奇克恰好还是个吉他手——他决定将希格斯玻色子的实验数据变成一首重金属摇滚乐。他选取了希格斯玻色子搜索过程中的两张主要数据图,将其中直方图的数据转化为音符,再加入鼓和贝斯的部分。

于是,一首希格斯玻色子的重金属摇滚乐,在欧洲核子研究中心的大礼堂中奏响——这也是宣布发现希格斯玻色子的地方。

除了这场略显学术的摇滚演出,CERN一直致力于用声化技术来宣传自己。2014年,CERN成立60周年。组织者就将CERN所管理的LHC四个大型检测器的数据进行了“声化”,并邀请了工作于此的物理学家和工程师进行演奏。在这场“生日献礼”演奏中,小提琴、单簧管、钢琴、长笛,在LHC——这座人类最为宏大的科学装置中——相得益彰。在激昂的摇滚与悠扬的四重奏中,科学,被更多人所“听到”。

可以声化的,又何止是科研成果?从海洋生物的分布密度、到某一家公司的股票涨跌,只要存在数据或者信息,我们都可以将其转变为音乐。简言之,万物自有其乐章。美国宇航局曾出过一张唱片。没错,NASA出过一张唱片。这张名为《行星交响乐》的唱片,是使用了漫游寰宇的旅行者号探测器,录制了一系列宇宙间的声音。虽然宇宙是真空的,无法传播声音,但旅行者号上有一种特殊的设备,可以将电子振动转换成人类听觉范围内的声音。

于是,在这张唱片中,我们能听到太阳风与行星磁场产生的带电粒子,无线电波在大气层中的反弹,太空本身的电磁噪音。打开这段音乐,如果不知道它从何而来,你会以为这是无意义的噪音——其实,你,正在聆听宇宙本身。

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