[科普中国]-你想听什么曲子？新冠病毒、上帝粒子，还是宇宙？

01

新冠病毒听起来什么样？

作者： Markus J. Buehler。音频 全长约1小时50分钟，但微信音频最长只能放1个小时。想听原版的可以戳： https://soundcloud.com/user-275864738/viral-counterpoint-of-the-coronavirus-spike-protein-2019-ncov

上面这段音乐，全长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 （Markus Buehler） 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 （Spike Glycoprotein） ， 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。

（新冠病毒示意图，表面分布着大量的刺突糖蛋白（红色部分） | phil.cdc.gov，Public domain）

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。

（蛋白质的各级结构 | Wikimedia Commons, Shakiestone / Public domain）

20种氨基酸、一级、二级、三级， 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。

（将蛋白质转化为音乐示意图 | 参考文献[1]）

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”。

02

如何让科学被听到？

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 ” （Sonification） 。

最为著名的“声化”技术成果，就是盖革计数器。

（盖革计数器 | Wikimedia Commons, Boffy b / CC BY-SA （http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/））

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 （Wanda Diaz Merced） ，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 （LHC） 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 （Piotr Traczyk） 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 。

（彼得·特雷奇克既是物理学也是乐队吉他手 | fuw.edu.pl）

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 （CERN） 的大礼堂中奏响——这也是宣布发现希格斯玻色子的地方。

希格斯玻色子重金属音乐的演奏现场 | youtube，Traq

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”。

03

宇宙是一首乐曲？

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 （NASA） 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》 （Symphonies of the planets 1-5） 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。

（《行星交响乐》唱片封面 | Amazon.com）

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。

行星交响曲，宇宙空间的电磁场噪声 | NASA

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。

作者名片

作者：圆的方块

编辑：范可鑫 麦芽杨

排版：凝音

题图来源：图虫创意

参考文献：

[1] Buehler et al., "A Self-Consistent Sonification Method to Translate Amino Acid Sequences into Musical Compositions and Application in Protein Design Using Artificial Intelligence," ACS Nano, 2019, DOI: pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02180

[2] https://news.mit.edu/2020/qa-markus-buehler-setting-coronavirus-and-ai-inspired-proteins-to-music-0402

[3] https://www.ted.com/speakers/wanda_diaz_merced

[4] http://cylindricalonion.web.cern.ch/blog/201504/what-would-higgs-discovery-sound-heavy-metal-song

[5] http://cylindricalonion.web.cern.ch/blog/201410/lhc-data-brought-life-through-music