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分类: 生活

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有哪些知道后让你震惊的冷知识?

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实际上, 我们每个人都是食人者的后代。

大多数人都会把吃人与野蛮不开化联系起来。这类见闻在大航海时代最多,食人这个词在西方各种语言里都派生自西班牙语的「Caníbales」,就是「加勒比人」——这是一个生活在小安的列斯群岛的原住民族群。殖民者一边冷酷地屠杀他们,一边兴奋地讲述原住民用融化的黄金灌进几个西班牙人肚子里宰杀吃掉的故事。

西班牙和葡萄牙的殖民者还在南美见证了更广泛的食人传统,被他们笼统称做塔普亚人的原住民会在部落冲突之后将战俘的尸体剁成肉块,架在篝火上烤熟吃掉,妇女们安之若素地背着尸块回家做饭。

事实上,在西方文明全面渗透之前,太平洋上为数众多的热带岛屿,特别是美拉尼西亚,许多原住民文化都普遍存在着食人风俗。

在今天作为度假胜地的斐济尤为著名,这些火山环礁的小岛非常缺乏土地,使得群岛上的诸部落常年处于残酷的敌对状态。每一场冲突之后,他们会将战俘用棍子敲死,或者用刀子割喉,然后在地上垒砌火堆将尸体烤熟——部落中的酋长和祭司地位尊贵,不宜直接触碰食物,会由仆人用特制的食人叉将人肉喂给他们吃。

斐济人的食人习俗可能延续了 2000 年以上,直到 19 世纪末才被西方人遏止,类似的风俗也出现在临近的瓦努阿图、新西兰、新几内亚,乃至更远的苏门答腊。

像这样吃掉战俘毫无疑问是对敌人最彻底的羞辱,也是一种霍布斯的诅咒:热带的岛屿和丛林,环境险恶,资源匮乏,部落只堪维持最小的熟人规模 ,其它部落只是纯粹的竞争者,与会说话的猛兽无异,捉来吃掉是最好的处置。

除了战争羞辱,食人还有其他动机:在许多信奉万物有灵的原住民中,亲友的尸体蕴含灵魂,要把它吃下肚才能重返部落。比如新几内亚的安伽人(Anga),会用竹管捅入死者的腹部收集体液和脂肪用于烹饪,以求将死者的力量传递给家人,然后把尸体制成腊肉长期供奉,继续庇护整个部落。

岛上东部的福尔人(Fore)则为食人赋予了更重大的意义,他们会将死者完全肢解,包上香蕉叶,焖火烤熟了分着吃,不同的部落成员会分到不同的部位:肌肉分给男子,脑子和内脏分给妇女和儿童——结果在 20 世纪中叶,招来了库鲁病的大流行,南部的某些村子里女性几乎死绝。

从 1957 年开始,美国国立卫生研究院的丹尼尔·盖杜谢克(Daniel Carleton Gajdusek)前往新几内亚调查此病,之后与巴鲁克·布隆伯格(Baruch Samuel Blumberg)共同发现了它的病原,因此获得了 1976 年的诺贝尔生理学或医学奖。

造成库鲁病的是朊病毒:朊就是蛋白质,这种蛋白质不能复制自己,但是能将机体内某些正常的蛋白质也改造成朊病毒,使神经系统海绵样退化,最终致命,频繁地同类相食就是它最主要的传播途径——疯牛病是它更著名的案例。

同类相食在人类早期是如此普遍,不仅出现在每个民族最遥远的记忆中,还深深地刻在我们的基因中:几乎所有现代人都在第 20 号染色体上有一个与朊病毒高度相关的 PRNP 基因,能抵抗朊病毒的侵袭——这个基因非常多样,推算有长达 50 万年的历史——这意味着我们每个人都是食人者的后代,在更新世晚期的严寒中,吃掉俘虏的敌人和死去的亲人,足以帮助我们度过最严酷的岁月。

而我们的堂兄尼安德特人很可能对朊病毒更加敏感,甚至因为吃我们感染了朊病毒,于是像感染库鲁病的福尔人一样迅速消亡了,这也是对他们灭绝原因的一种猜想。可能就是吃人者的后代。

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光学领域有什么常见的常识性错误?

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谢谢邀请。

今天我们来说一说蓝天。问到“天为什么是蓝色的”这个问题,稍微有些光学知识的朋友都会回答,因为大气分子对光具有散射作用,而散射的强度与波长的四次方成反比,这就意味着波长越短散射作用越强。

这样一来,长波长的光较为顺利地继续沿原路径传播,短波长的光则被散射到四面八方。

这样一来,就形成了蓝色的天空。而我们直视太阳的时候,则会发现太阳呈红黄色,正是由于短波长光被大量散射的缘故。可见光波段其实紫色光比蓝色光波长更短,但是由于太阳光谱中蓝光波段比例比紫光波段更高,因此占到了主导作用。

由于大气分子对光的散射作用是瑞利首先发现并研究的,因此这种散射又被称为“瑞利散射”。所以关于“天空为什么是蓝色”的问题,也可以简单地用“瑞利散射”来解答。


以上就是通常情况下对“天蓝”问题的回答,大多数情境中这种回答已经足够,包括我自己撰写相关科普文章时,也都是到此为止。但这个题目既然要我们较一下真,那就不能只停留在这种程度的解答了。

实际上,瑞利在 1899 年解答天蓝问题的论文中(J.Rayleigh,Phil.Mag.XLVII,375,1899),除了研究了瑞利散射,还有一个非常重要的前提假设,那就是大气分子在做无规则运动,整体是不均匀分布的。

如果气体是绝对均匀分布的气体,那么会出现什么情景呢?即便每个分子都发生了瑞利散射,将短波长光散射到偏离原来传播路径的四面八方,但是由于气体分子分布绝对均匀,因此光会再次被散射,而大气分子量极为巨大,这种几乎无休止的散射最终会导致这种散射作用几乎被彻底抵消掉,根本无法形成如此明显的“蓝天”。

因此瑞利提出了一个假设,那就是大气分子随机运动,整体的分布其实并不均匀,这样一来很多光被散射后就不会经历无休止的散射过程,甚至在一定程度上可以认为不同分子之间的散射作用互不干扰。如此一来便能够形成蓝天。

瑞利在 1899 年提出的“大气分子不均匀分布”只是一种假设性的前提描述,并没有数学推导。真正让这种假设称为严格理论的,则是我们熟悉的爱因斯坦。爱因斯坦根据“熵”的相关理论,在 1910 年提出,由于密度随机涨落的存在,哪怕最纯净的大气中,也会随机出现无数分布更为密集的“分子团”,导致大气整体分布并不均匀。爱因斯坦给出了严格的数学推导,彻底补齐了“天蓝”的相关理论解释。

因此要完整回答“天空为什么是蓝色的”这一问题,需要同时运用瑞利散射和爱因斯坦提出的密度涨落理论。虽然从结果上来看,爱因斯坦对天蓝的解释和瑞利给出的解答是完全一致的,但是严格的数学理论意义巨大。

例如高锟在分析光纤波导的论文中,就曾经利用过相关理论(Kao K C, Hockham G A. Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies[C]//Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. IET Digital Library, 1966, 113(7): 1151-1158.),如下图所示。

在分析光纤波导能量损失时,有一个重要部分就是散射作用。高锟指出,散射主要有四个方面的因素导致,对于晶体材料,结构缺陷等因素影响较大;但对于光纤这种无机非晶体材料,随机涨落则起到了关键作用。

最后感慨一句,每个孩子都能问出“天空为什么是蓝色”这样的问题,但对这种看似简单的问题的解答,却推动了物理学的长足进步,并最终应用于造福人类社会的关键技术中。

不得不说,物理学还真是迷人呢。

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小事 ·「这是我父亲日记里的文字,这是他的青春留下来的散文诗。」

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我今年 21 岁

父亲离世第九年了

去年搬家,无意间从家里柜子里翻到一个斑驳的本子,绿色的封皮上面蒙了些灰尘,之前从来没有见过。怀着好奇的心理打开后,才发现是父亲年轻时的日记。

首先有一段自我介绍,25 岁的他,年轻且迷茫,渴望爱情。

” 我叫 xxx,现年二十五岁,自一九九四年四月一日在乔(应为’桥)山林业局柳芽林场石尧营林区工作。

我是一个脾气极坏,毛病很多(吸烟、喝茶、酒等),文化程度很低,言语粗鲁,爱发脾气的人。优柔寡断,自尊心和虚荣心、自卑感也非常强,死要面子,但没有钱。

在人际交往上也不行,工作上也没成就,在社会经验上也不够。可以说空活二十五,一事也无成。

但在爱情观上,也可以说有一点小经验。人常说,吃一堑,长一智。截止目前,有两次是我全身心投入的,可是最终还是再见了。从这两次的感情来看,本人在’痴’这个字上要吃大亏,因为太痴情了,也可以说太专情了,以后,长处要保留,缺点要改正。”

在遇见我母亲之前,他有过两次恋爱经历,但都不告而终。后在 1995 年认识了我的母亲,一个在当年很天真的姑娘。听母亲说两人通过介绍,互相了解后便一拍即合。但因为工作的原因,两人常年相隔甚远。林场也没有电话,于是父亲常以信和日记表达思念。

下面是九七年有了我之后的一篇日记,来自于一位刚刚成为父亲的丈夫,对于家中妻儿的想念。

“这几天我干什么都心不在焉,为什么呢?因为这几天天气比较暖和,我想找个车将你母子接来小住一段时间,但因为人不在,所以不能如愿。

这几天我越来越想你们,真恨不能一下子把你们接来,使你们得到我的爱抚。真是等待思念,难熬啊!”

九七年十月十八日晚

母亲是家里的小女儿,算得上娇生惯养,又很漂亮,父亲对她甚是爱护。自结婚后脾气也收敛了很多,下面是一封吵架后的道歉信。

从众多信里,我看到的是一个年轻男人对与妻儿满满的爱,一个有责任和担当的男人。

这段话令我感动不已。

“芳,对不起,假如我们以后的日子过烂了,你在家里,我出去要饭,要一个馒头,一人一半,要一碗粥,一人一半。不过我想日子也不会过到那一步的,芳你相信我,我不会让你受苦的,我们的儿子也不会受苦的,芳,你相信吗?”

署名,永远牵挂你的夫: 东。

翻到最后,出现一封母亲的回信。

小字是父亲的回复,一个认真的写,一个认真的看。都是为了爱情圆满,希望能互相搀扶走完下半生。

虽然看起来两人矛盾颇多,也看得出父亲当时确实有些地方做得不好,吵架时会骂人,母亲甚至觉得他以后会拳脚相加,可他实际上属于外刚内柔的男人。通常吵完会主动道歉,变着法子逗母亲开心。

直至我慢慢长大懂事,他们也不再那么年轻时,才有了真正的父母亲的样子。一个沉稳成熟,一个贤妻良母。想着怎么样过日子,怎么样以身作则,正确地教导自己的下一代。

就这样,一家三口的幸福生活持续了短暂又珍贵的 12 年。

我们都是平凡的人,我们的父母也是,当不平凡甚至残酷的现实降临时,任谁也无能为力。

我十二岁的秋天,2009 年阴历 9 月 12 日,父亲因公殉职,与我永隔阴阳。

出事的前三天晚上还跟我在电话里说在家要听你妈妈的话,你妈妈这个人不太会教育孩子,你要体谅她。我们是男人,要让着女人。我似懂非懂地答应,却没曾想以后真的只能跟母亲相依为命了。

这是我父亲日记里的文字,这是他的青春留下来的散文诗。多年以后我看着泪流不止,下辈子还希望你做我的父亲。

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二月二 龙抬头

今天 是你 48 岁生日了

如果还在的话

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洗衣机洗内裤明明洗得更干净,为什么还被从小教育应当手洗内裤?

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前几天我跟我妈也因为这个问题吵了一架。我跟你一样认为洗衣机洗内裤更干净,我妈认为手洗内裤更干净。于是我们网购了一套培养皿和试管,做了一次实验,实验记录如下。


研究问题:

  • 在家庭环境中,手洗内裤和洗衣机机洗内裤哪个更干净?

原假设:

  • 在家庭环境中,洗衣机洗内裤比手洗内裤干净。

实验材料:

  • 旧内裤 2 条
  • 灭菌琼脂培养皿 10 个
  • 灭菌一次性摇菌试管 6 个
  • 灭菌一次性 1ml 刻度滴管 6 个
  • 双头棉签 8 个
  • 自来水
  • 美的波轮全自动洗衣机
    • 产品型号:MB30VH12E
    • 机身条码:531380B104929271100171
  • 洗衣机洗剂
    • 品名:La 洗衣液
    • 生产日期:20220703
    • 生产批号:WD010B
  • 手洗用洗剂
    • 品名:丁香好物内衣洗衣液
    • 生产日期和批号看不清

实验过程:

  • 时间:20240816 培养皿位置:客厅 室温:26-29 摄氏度
    • 将培养皿编号 1-10,摇菌管编号 1-6。
    • 旧内裤 A 穿一天,日常活动。
    • 用 1 号摇菌管接自来水,摇匀。用滴管取 1ml 自来水,滴入 1 号培养皿中,摇匀。
    • 取一棉签,头端按压在 2 号培养皿左上部分;尾端先在内裤 A 正面擦拭,然后按压在培养皿右上部分。取另一棉签,头端按压在 2 号培养皿左下部分;尾端先在内裤 A 反面擦拭,然后按压在培养皿右下部分。
    • 用自来水打湿内裤 A,再将内裤中的水拧入 2 号摇菌管中,摇匀。用滴管取 1ml 水,滴入 3 号培养皿中,摇匀。
    • 将内裤 A 与当天衣物一起放入洗衣机内,注入洗衣液,选择模式 15 分钟快速洗涤。
    • 将洗涤后的内裤 A 取出,在水龙头下手洗去除残留的洗衣液。
    • 将洗涤后的内裤 A 中的水拧入 3 号摇菌管中,摇匀。滴管取 1ml 水,滴入 5 号培养皿中,摇匀。
    • 取一棉签,头端按压在 4 号培养皿左上部分;尾端先在洗涤后的内裤 A 正面擦拭,然后按压在培养皿右上部分。取另一棉签,头端按压在 4 号培养皿左下部分;尾端先在洗涤后的内裤 A 反面擦拭,然后按压在培养皿右下部分。
    • 拍照记录培养皿 1-5,摇菌管 1-3。
  • 时间:20240817 培养皿位置:客厅 室温:26-29 摄氏度
    • 拍照记录培养皿 1-5,摇菌管 1-3
    • 在 7、9 号培养皿底部用油性笔画一个十字,将培养皿分成 ABCD 四个分区。
    • 旧内裤 B 穿一天,正常活动,未外出。
    • 用 4 号摇菌管接自来水,摇匀。用滴管取 1ml 自来水,滴入 6 号培养皿中,摇匀。
    • 取一棉签,头端按压在 7 号培养皿 A 区;尾端先在内裤 B 正面擦拭,然后按压在培养皿 B 区。取另一棉签,头端按压在 7 号培养皿 C 区;尾端先在内裤 B 反面擦拭,然后按压在培养皿 D 区。
    • 用自来水打湿内裤 B,再将内裤中的水拧入 5 号摇菌管中,摇匀。用滴管取 1ml 水,滴入 8 号培养皿中,摇匀。
    • 将内裤 B 按日常手洗。
    • 洗净后,在水龙头下去除残留的手洗洗剂。
    • 将洗涤后的内裤 B 中的水拧入 6 号摇菌管中,摇匀。滴管取 1ml 水,滴入 10 号培养皿中,摇匀。
    • 取一棉签,头端按压在 9 号培养皿 A 区;尾端先在洗涤后的内裤 B 正面擦拭,然后按压在培养皿 B 区。取另一棉签,头端按压在 9 号培养皿左 C 区;尾端先在洗涤后的内裤 B 反面擦拭,然后按压在培养皿 D 区。
    • 拍照记录培养皿 6-10,摇菌管 4-6。
  • 时间:20240818 培养皿位置:客厅 室温:26-29 摄氏度
    • 拍照记录培养皿 1-10,摇菌管 1-6
  • 时间:20240819 培养皿位置:客厅 室温:26-29 摄氏度
    • 拍照记录培养皿 1-10,摇菌管 1-6
  • 时间:20240820 培养皿位置:客厅 室温:26-29 摄氏度
    • 拍照记录培养皿 1-10,摇菌管 1-6
    • 将培养皿 1-5 连续 5 天的照片合并成 Fig1-5。将培养皿 6-10 连续 4 天的照片合并成 Fig6-10。

实验结果:

  • 20240816
    • 注意到,3 号摇菌管中液体摇晃后气泡明显多于 1 号或 2 号摇菌管。再次用清水冲洗后重新取样,结果不变。
  • 20240817
    • 1 号皿中肉眼可见菌落数 8。
    • 2 号皿中右上角可见菌落数 13,其余部分未见菌落。
    • 3 号皿中菌落数不可计数,开盖后有臭鸡蛋样气味。
    • 4 号皿中左上可见菌落数 4,右上可见压痕,无法分辨是否为菌落。
    • 5 号皿中菌落数不可计数,开盖后无明显异味。
    • 1、3 号摇菌管未见明显异常。
    • 2 号摇菌管管壁上可见残留物,疑似菌斑。
    • 6 号摇菌管中液体摇晃后气泡明显多于 4 号或 5 号摇菌管。
  • 20240818
    • 1 号皿可见菌落数 15,表面白浊。
    • 2 号皿左上、左下可见大菌斑。右上可见菌落数 25,右下可见菌落数 3。
    • 3 号皿菌落数不可计数,约半部表面霉绿,臭鸡蛋气味浓。
    • 4 号皿左上有浅菌斑,左下有白、黄色深菌斑,右上、右下未见菌斑。
    • 5 号皿菌落数不可计数,大半部表面霉绿,有霉味。
    • 6 号皿未见菌落,表面清澈。
    • 7 号皿 AC 区未见菌落,B 区有微小菌落群,D 区有大菌斑。
    • 8 号皿菌落数不可计数,中部疑似有大面积连片菌斑,有臭鸡蛋味。
    • 9 号皿 4 角均未见明显菌斑。
    • 10 号皿菌落数不可计数,表面黄浊,有臭鸡蛋味,中部疑似有大面积连片菌斑。
  • 20240819
    • 1 号皿有菌落 20
    • 2 号皿四角外有菌斑,疑似杂菌污染
    • 3 号皿菌落不可计数,表面黑绿
    • 4 号皿左上有白色大菌斑,左下有一墨绿色核心白色周围菌斑,有另一墨绿色核心黄色周围菌斑,右上右下未见菌斑。中部、边缘有菌斑,疑似杂菌污染。
    • 5 号皿菌落不可计数,表面浅黑
    • 6 号皿有菌落 2
    • 7 号皿 B 区有菌落数 9,A 区有离散菌落 2,D 区有大菌斑,C 区未见菌落。边缘有白色菌斑,疑似杂菌污染。
    • 8 号皿菌落不可计数,表面霉绿,有霉味
    • 9 号皿 A 区有小菌斑,D 区有白色菌落 2
    • 10 号皿菌落不可计数,表面尿黄,有臭鸡蛋味
  • 20240820
    • 2 号皿表面可见大量离散小菌斑,已污染
    • 4 号皿中部、边缘可见白色菌斑,已污染
    • 6 号皿中部有白色菌斑,边缘有大片尿黄色菌落,疑似开盖拍照时污染
    • 7 号皿 AB 区接种位置有若干白色菌落,D 区有大面积菌斑,C 区接种位置有浅白色放射絮状菌斑。C 区未接种边缘有深绿色中心白色边缘大菌斑,疑似被污染。
    • 9 号 A 区有墨绿色中心白色边缘菌斑,未接种区域有浅白色放射絮状菌斑。D 区有黄色菌落 2。
    • 10 号皿日光灯直射下可见大量小点密布。
    • 1、3、5、8 号皿未见明显变化

备注:

  • 20240817
    • 手机拍照时,需打开闪光灯,揭开培养皿盖,才能拍到菌落
    • 棉签取样效果不好。
    • 棉签疑似被污染。
    • 棉签接种前,应在培养皿底部划分并标记区域。培养皿移动、旋转后无法判断培养皿四角对应的接种物。
    • 摇菌管培养效果不好。
    • 从摇菌管取溶液接种到培养皿上效果最好。
    • 洗衣机混洗、速洗条件下,疑似无法有效除菌。
    • 移动 7 号皿时,右手大拇指触碰到了 D 区培养基。
  • 20240818
    • 通过放大镜确认 10 号皿菌落不可计数,而非无菌落。
  • 20240820
    • 实验被妈妈叫停。

结论:

  • 主要结论
    • 由 Fig3 和 Fig5 可知,速洗、混洗条件下,洗衣机无法有效除菌。
    • 由 Fig8 和 Fig10 可知,手洗无法有效除菌。
    • 综上,结合 Fig10 和 Fig5,本实验不支持原假设,也不支持备择假设。
  • 次要结论
    • 由 Fig1 和 Fig6 可知,不同日期的自来水含菌量不同。
    • 由 Fig2、4、7、9 可知,双头棉签已被不同程度污染,不适合用作采样。
  • 对 10 号皿表面颜色不同于 3、5、8 号皿的猜想
    • 手洗抑制了大部分杂菌的生长,使得一种不被抑制的尿黄色的菌落大量繁殖。
    • 残留的洗剂与培养皿发生了化学反应,改变了培养皿环境,使得一种尿黄色菌落大量繁殖。
    • 残留的洗剂与培养皿发生了化学反应,黄色为反应产物,不是菌落。

本实验的不足:

  • 旧内裤 A 与旧内裤 B 含菌量、材质及其他特性不同,特性变量未被控制。
  • 8 月 16 日与 8 月 17 日日常活动不同,生理环境不同,日期变量未被控制。
  • 自来水含菌量未被控制。
  • 双头棉签被污染。
  • 拍照时揭开了培养皿盖,空气中杂菌污染了培养皿。
  • 洗衣液和手洗洗剂的用量未被记录。
  • 1ml 水样中含菌量太多,无法计数。

下次实验改进方案:

  • 扩大样本容量,在满足一定统计学假设的情况下,未控制的日期变量和特性变量带来的误差可以通过取平均值消除。
  • 使用娃哈哈纯净水代替自来水打湿内裤。
  • 使用独立包装的灭菌棉签代替普通棉签。
  • 将标签贴在培养皿侧面,拍照时不要揭开皿盖。
  • 记录洗衣液和手洗洗剂的用量。
  • 取 1ml 水样后按梯度稀释,然后再接种到培养皿内。

从这次实验来看,”洗衣机洗内裤明明洗得更干净“这一论点,并不一定成立。至少在我们家的日常习惯下,机洗之后的内裤,在微生物检测这一关,并不比手洗之后的内裤更干净。

固然实验同样没能证明手洗内裤比机洗内裤更干净,但总归我妈的观点,以及你父母的观点,没有看起来的那么不合理。

虽然实验没能达成预期目的,但我认为这次实验是有价值的。它至少证明了用我们家的洗衣机,我们家的洗衣液,开 15 分钟速洗,把全家的衣服一起放进去混洗,这种洗涤方式,并不靠谱。哪怕专家和文献都说洗衣机洗的更干净,那也一定不是我们这种洗法。

我们决定,以后洗衣机都要洗满 40 分钟,水温至少设定到 40 度。此外,我们正在选购适合的消毒液,准备加进洗衣液里。

实验未能如期证明原假设,但是产生了实质影响,改变我们家的洗涤习惯。我觉得也算一种成功。

最后,实验记录中提到的图片,附在最下面。


Fig. 1 2024 年 8 月 16 日自来水取样
Fig. 2 2024 年 8 月 16 号用棉签从未洗内裤取样
Fig. 3 2024 年 8 月 16 号用自来水从未洗内裤取样
Fig. 4 2024 年 8 月 16 号用棉签从机洗后内裤取样
Fig. 5 2024 年 8 月 16 号用自来水从机洗后内裤取样
Fig. 6 2024 年 8 月 17 号自来水取样
Fig. 7 2024 年 8 月 17 号用棉签从未洗内裤取样
Fig. 8 2024 年 8 月 17 号用自来水从未洗内裤取样
Fig. 9 2024 年 8 月 17 号用棉签从手洗后内裤取样
Fig. 10 2024 年 8 月 17 号用自来水从手洗后内裤取样
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傅里叶变换如何应用于实际的物理信号?

头图

这个问题简直是为了恒星震动而生的!

  • 恒星震动

恒星是一团很热的等离子气体,在引力和气体压力的平衡下保持稳定。但是,如果其内部有一些扰动,那么恒星的结构就会发生周期性的震动,这就是恒星震动。

各种震动模式

恒星震动的一个结果就是,恒星的亮度会发生周期性的变化。所以天文学家通过观测恒星亮度的变化,即可知道恒星是否在震动,也可以把观测和理论做对比,探测恒星内部结构。

  • 光变曲线

现在以一颗星为例,演示一下傅里叶变换在星震里的作用。

开普勒卫星很厉害,对着天鹅座和天琴座之间的一片天区连续观测了四年,天文学家下载好了某一颗星的亮度数据,也就是光变曲线,如下图

横轴为时间,纵轴为亮度

横轴为时间,纵轴为亮度。但啥也看不出来是不是?那我们放大看看

横轴还是时间,纵轴还是亮度

放大看好像能看出一点问题了,似乎恒星的亮度在上下波动?但这个波动是真的吗?还是只是测量的不确定度造成的呢?于是我们做个傅里叶变换。

  • 傅里叶变换

具体怎么做傅里叶变换可以看这篇文章。

李刚:《恒星脉动》笔记一:观测数据的傅立叶变换

做完傅里叶变换后,我们终于看到了一些东西。。

横轴是频率,单位是天分之一。纵轴是振幅。

上图就是把光变曲线做完傅里叶变换后的样子,即功率谱。其横轴是频率,单位是天分之一,纵轴是振幅。简单来说,如果光变曲线里有一个频率为

的信号,那么在功率谱里频率

的地方就会有一个峰。

  • 引力模式和压力模式

功率谱明显分成两部分,左边的低频信号和右边的高频信号。低频信号(在 1 天分之一)是恒星内核的震动,回复力为浮力,我们叫它们重力模式。高频信号(18 天分之一那里)是恒星外层的震动,回复力是压力,我们叫它们压力模式。

我们先来看压力模式:

压力模式的一个震动模式的三重分裂

上图展示了压力模式某一个震动频率的分裂。分裂的原因是表面的自转。由于自转的原因,震动频率会分裂成三个,分裂大小即等于表面自转频率。所以这颗星的表面的自转大约就是 0.01 天分之一,即大约 100 天转一圈。

引力模式的泛音和自转分裂

现在再说说引力模式。引力模式发生在恒星内部,其震动频率较低。上图即为这颗星的引力模式,可以看到每一个峰都分裂成了两个,而且有一系列的峰。分裂成两个即为内核自转造成的,而所谓一系列的峰为不同径向节点数的泛音。。好吧我也不知道怎么举例了。。

理论上预言,引力模式一系列峰,以周期为单位的话,应该会等间隔。我们画一下看看

上图还是功率谱,但是轴坐标为周期了,即频率的倒数。现在可以看到,引力模式的一系列峰确实是近似等间隔的,都在 2100 秒上下波动,有波动的原因是内部元素梯度。所以天文学家就可以用这个来推算内部氢燃烧阶段,以及元素混合的程度。

自转分裂用加号和减号标注出来了。对于引力模式,自转分裂等于自转频率的一半,算出来这颗恒星的内核自转速度也差不多是 100 天一圈,和表面一样。

所以我们用压力模式简单算了下表面的自转,又用引力模式算了内核的自转,发现都是一百天。这颗恒星这么巨大,也都是气体不是固体,自转速度从里向外居然是一样的!

  • 更多的例子
内核自转很快的一颗星

这个还是个功率谱,还是引力模式,但是你会发现这一系列的峰(红色点点)的间隔变得越来越小了,这是因为内核自转太快了,大约是 0.8 天。

太阳的功率谱

上图是我们太阳的功率谱,你会发现这些峰在频率上几乎是等间隔,而且会一组一组地出现。

  • 总结

恒星不是不变的,恒星也会震动。但是直接看震动信号的话,很难看出什么,做过傅里叶变换后,就可以看到一个个的震动频率了。天文学家就可以用这些震动频率去推测恒星内部的环境,也可以检测当前物理模型是不是正确。

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既然神经元的结构非常简单,那么为什么不制造几百亿个模拟神经元来模拟人脑?

头图

欧洲的“蓝脑计划”不是被“媒体圈”宣告失败了么,花了 10 亿经费,试图模拟人脑的 86 亿个神经元和 100 万亿个突触,但真的远比设想的难太多。

以下回答分两部分:首先澄清神经元的结构并不简单,其次解释科学家在模拟大脑上都做了些什么。

神经元是目前已知生物细胞种类中最复杂多变的。“所谓的神经元结构非常简单”一说,恐怕仅限初中生物课本那张图。

因人脑图谱研究的复杂性和已知信息的局限性,我这里以鼠脑的研究举例。领域内,科学家们常常用谷歌地图或社会关系网络图去类比脑连接图谱,因为脑图谱和它们一样,高度复杂且动态变化。

鼠脑图谱 vs 谷歌地图 vs 社会网络(来源:Josh Huang)

如同我们很难定义和分类一个处于社会群体中的人,处于复杂网络中的神经元也是难以被定义的。当你从不同的分子和功能维度去描述单个神经元时,都可能会给它一个不同的分类。

当我们去看特定分子在脑区不同位置的分布时,常常会得到完全不一样的结果。如下图我展示了脂质分子在同一鼠脑切片上的分布,而可检测和描述的分子在大脑中成千上万,当分辨率小至细胞甚至亚细胞层级时,这种差异会更加细微且显著。

不同脂质分子在同一鼠脑切片上的分布

从表型组或功能组的角度,也许我们可以粗略的将神经元进行分类,但如果深入至遗传学角度,分子特性甚至基因组上的各种修饰,都是不容且无法被忽略的。因为这些都将直接决定,我们该如何去观测神经元,描述神经元的不同功能。

神经元维度还有另一个不容忽视的重要概念,连接组。通俗来讲,它描绘的是生物体神经系统内神经连接的映射关系,也可以称为映射组。

达芬奇甚至更早的解剖学家们,曾试图从形态学和解剖学的角度理解大脑,而随着脑研究的深入,如今的科学家已可从对神经元至神经元尺度映射关系的示踪,去描绘它们之间更复杂的连接和相互作用。

达芬奇眼中的大脑

神经元细微尺度描绘和定义的其他工作,我在之前的回答中也略有提及,比如单细胞基因组学、转录组学、表观遗传组学,再比如各种超分辨的光学成像手段、光遗传、电生理以及我现在所做的质谱成像。

神经元到神经元的映射可能很长(来源:Micheal Economo)

那么为什么学界要在如何定义神经元上花如此多的时间和精力?为什么欧盟会给“蓝脑计划”批 10 亿多欧元的经费?

我想也许,如果无法准确描绘和理解神经元,在盲人摸象阶段,我们又如何对大脑进行改造,去理解和治愈神经相关的疾病呢?甚至人工神经网络算法也需要更多生物层面的借鉴才好。

蓝脑计划的工作与其说是“模拟人脑”,不如说是希望通过整合以上所提的种种技术和手段,尽可能的还原和描绘人脑。

那么关于模拟大脑,学界目前都做了什么?

脑图谱领域同样有许多数学、物理、计算机背景的科学家,他们的研究和思考角度,与传统生物背景的科学家很不一样。下文我将以举例的方式来试图回答这个问题。

既然神经系统是复杂网络,它理应可以用连接矩阵,即网络中所有节点之间成对连接的方式进行描述。而这种简化的数学表示,对大脑神经元复杂网络的重构和模拟都是非常有帮助的。

用矩阵描述神经网络的连接组(来源:Giorgio Ascoli)

再比如将电生理得到的有关神经突触的数据抽象成一系列门控电路,来描述一组神经元向另一组神经元的信息流向机制。

海马门控信息通过伏隔核神经元活动从前额叶皮层流出。

从统计学和计算图形学的角度,科学家们将神经元之间的连接用树或拓扑结构去抽象,即用生成式模型去抽象神经网络结构。

生成式模型去抽象神经元网络结构(来源:Hermann Cuntz)

这些抽象一方面帮助科学家们从更宏观的角度理解神经系统,另一方面也帮助机器学习领域的研究者去更好的理解和定义机器人的程序。

跨神经科学和机器学习领域的研究者们做的另一项工作,是通过生物神经网络的方法,优化机器人理解世界和执行任务的能力。举个简单例子,当机器人去熟悉陌生环境时,需要对全局信息进行层层扫描,进而会产生较多的数据冗余,但在人的视觉皮层处理实际任务时,这一问题却不曾出现。

神经机器人学(Neurorobotics),用以研究大脑中从知觉到动作的闭环回路,身体和环境的相互作用。特定环境下,机器人的输出会影响其未来的感知输入。 该领域的核心,是通过对生物大脑的结构和功能进行建模,将机器人由不同细节水平的模拟神经系统控制。

在典型的神经机器人实验中,机器人会通过一组传感器感知当前环境,进而将信号传输到模拟的大脑。 大脑模型会产生引导机器人运动的信号,从而改变主体对环境的感知。

以上都还只是我对这个领域尚且粗浅的了解,当科学家们已经揭开脑科学研究的冰山一角时,相信对全脑更为广泛详实的认识也会随之到来。

参考文献:

  1. He, Miao, and Z. Josh Huang. “Genetic approaches to access cell types in mammalian nervous systems.” Current opinion in neurobiology 50 (2018): 109-118.
  2. Wang, Yun, et al. “Complete Whole-Brain Single Neuron Reconstruction Reveals Morphological Diversity in Molecularly Defined Claustral and Cortical Neuron Types.” (2019).
  3. Wang, Yun, et al. “Complete Whole-Brain Single Neuron Reconstruction Reveals Morphological Diversity in Molecularly Defined Claustral and Cortical Neuron Types.” (2019).
  4. Mohammadi, Amir Saeid, et al. “Intact lipid imaging of mouse brain samples: MALDI, nanoparticle-laser desorption ionization, and 40 keV argon cluster secondary ion mass spectrometry.” Analytical and bioanalytical chemistry 408.24 (2016): 6857-6868.
  5. Pevsner, Jonathan. “Leonardo da Vinci’s studies of the brain.” The Lancet 393.10179 (2019): 1465-1472.
  6. Gisiger, Thomas, and Mounir Boukadoum. “Mechanisms gating the flow of information in the cortex: what they might look like and what their uses may be.” Frontiers in computational neuroscience 5 (2011): 1.
  7. Zeng, Yi, Cheng-Lin Liu, and Tieniu Tan. “Retrospect and outlook of brain-inspired intelligence research.” (2016).

上述回答部分图片来源于 2019 年苏州冷泉港脑图谱课程科学家们提供的讲义,故没有提供准确出处。


我的其他相关回答和文章,见链接:

你们实验室在用质谱做什么?

赵和玉:在鸟儿的歌声 大脑和基因中 他发现了语言的踪迹

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小事 ·「求复活卷轴一张。」

头图

上次去扫墓,发现后面多了一座新的,上面摆了些上校和金拱门食物,大概是生前喜欢的。

一看生时年月,比我年轻两年,感慨墓主人年少命短。

鲜艳的假花缠满了整个墓碑,碑上只有一段短短的文字,和周围其他工整的墓志很是不一样。

我好奇到底写了些啥,

瞅近一看:

“求复活卷轴一张。”

我吓了一跳,想笑又不敢拍照,摸摸口袋只有一袋心相印纸巾。

拿出口袋的时候手一滑,整包心相印掉在墓前烧纸的供碗里,灰烬撒了一地。

惊魂未定的我赶紧拿扫帚去清扫下,结果无意间看见碑的右下角还刻有一行小字:

“没有就算了。”

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蚊子的天敌是什么?

头图

蚊子作为人血猎人真是身怀绝技:二氧化碳追踪、“无痛针灸”、紧急起飞术,让作为猎物的人类纵有万般对策也无法完全逃脱魔爪。晚上睡觉还要一直在我们耳边吵来吵去,让人不得安心。

即使蚊子看起来这么难以对付,蚊子也有众多仇家,其中一种对蚊子穷追猛打,从小追杀到大,从水里追杀到天空,那就是——蜻蜓。

就是令蚊子幼虫闻风丧胆的蜻蜓……幼虫

蜻蜓究竟是怎么制服蚊子的呢?

其貌不扬的水中杀手

小时候的蜻蜓长什么样?有的朋友可能会想到在河岸常常见到的一些纤细的小蜻蜓,认为那就是幼年蜻蜓,其实这种“小蜻蜓”是一个叫“豆娘”的蜻蜓类群成体。真正的蜻蜓幼体是下图这个样子:

蜻蜓稚虫 (图片来源:foter.com)

幼年蜻蜓也有自己的名字,叫做水虿(chài),专业术语称之为蜻蜓稚虫。这个颜值可以说非常路人,就算是很多昆虫爱好者,第一次见到蜻蜓幼体时也会想说:怎么长这么丑?

从外表上看,水虿全身似乎也找不到猎手的武器。像螳螂镰刀般的捕捉足、胡蜂强有力的大颚、猎蝽一击致命的口针,这些武器在水虿身上都没有,它看上去只是一只形状中庸、长有六条腿的小灰虫。事实上它平日里生活也很低调,擅长伏击猎物的它总是寻找一个能让自己融入背景的地方——一团水草、一根枯枝,有些种类甚至把自己全身埋在淤泥里,只保留头部,然后开始耐心等待。任何大意的水生小动物经过水虿面前,就会被瞬间捕食。

它到底是怎么做到的?

水虿捕食鱼苗 (图片来源:feng.ifeng.com)

君子藏器于身,待时而动。水虿捕食的利器就藏在它的头部。从正面看,水虿面部下方有一对螯肢 ,但那并不是昆虫咀嚼式口器上下颚的任何一对,而是由下唇特化形成的一个叫做“脸盖”的结构,从侧面看是个“>”的形状,折叠覆盖在头部的下方,真正的上下颚藏在里面[2] 。

脸盖结构示意图 蓝色:下唇;绿色:下唇须;黄色:上唇;红色:上下颚 (图片来源:作者绘制)

当有猎物经过时,折叠的下唇会伸展并弹射出去,同时前方由下唇须特化而来的螯肢会在瞬间夹住捕食对象,再拉回头部,由颚部完成撕咬和进食。水虿完成弹射出下唇再收回的过程仅需百分之一秒,时速之快使得很少有猎物能躲过这一击。

在陆地上也有很多迅捷的猎手依靠一些器官的瞬间伸长捕捉猎物,但想要在水中运用同样的方式捕猎,需要克服巨大的阻力,完成起来困难得多,所以水虿进化出了一套助推系统。

与许多水生昆虫需要上浮到水面换气不同,水虿依靠直肠鳃在水中呼吸,通过腹部收缩,肛门交替吸入和排出水来完成氧气交换。当直肠鳃吸入水流并关闭出水口时,水虿体内会处于高压状态,这时再把压力引向头部,下唇便会像拉满弦的箭一般弹射出去。这还不是直肠鳃唯一的秘技,在危机关头,腹部可以猛烈收缩把水全部向身后挤出,强大的反冲推力能让水虿立即冲刺几十厘米,摆脱天敌,有时还可以用来缩短与猎物的距离。火箭飞行也是运用一样的原理。

有了这些本领,再加上能感知水流的触角和灵敏的复眼,水虿就像一名练就神功的武林高手,洞察一切,身存丹田之气,向下运气便是轻功,向上运气能让“嘴唇”变长,用“胡须[4] ”制敌。

攻击的瞬间 (图片来源:naturepl.com)

蚊子的幼虫叫孑孓,生活在水中,形状如毛毛虫,经过蛹期才变成蚊子。

这。。。。似乎真的有点像辣条。

从形状上看,孑孓和辣条颇有几分相似,都是柔软的条状食物。而对于水虿来说,小鱼小虾尚不是它的对手,制服孑孓更是易如反掌。

吵吵闹闹的蚊子在蜻蜓面前,也只能想办法快快逃走啦。

参考文献:

[1]杜婷,廖怀建,石雷.蜻蜓目水生昆虫在滇池入湖口湿地水质评价中的指示作用[J].林业科学研究,2018,31(05):145-152.
[2]蒋筠雅,何钊,赵敏,王成业,孙龙,冯颖.6 种常见食用蜻蜓稚虫含油率与脂肪酸组成分析[J].中国油脂,2017,42(03):135-139.
[3]徐奇涵,林文才,庄发扬,沈潮,林新萍.池塘养殖敌害蜻蜓稚虫的防治方法[J].福建农业科技,2016(03):49-50.
[4]Göran Sahlén, Haase S, Suhling F.Morphology of dragonfly larvae along a habitat gradient: interactions with feeding behaviour and growth (Odonata: Libellulidae)[J]. International Journal of Odonatology, 2008, 11(2):225-240.
[5]Hughes G M.The Co-Ordination of Insect Movements III. Swimming in Dytiscus, Hydrophilus and a Dragonfly Nymph[J]. Journal of Experimental Biology, 1958, 35(3).
[6]Pritchard G.PREY CAPTURE BY DRAGONFLY LARVAE (ODONATA; ANISOPTERA)[J]. Canadian Journal of Zoology, 1968, 43(2):271-289.

作者:谭熠华(武汉大学生命科学学院)

出品:科学大院

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埃菲尔铁塔如果不维护的话,寿命是多久?

头图

如果不维护,任其锈蚀的话,很难撑得过一个世纪。


铁塔锈蚀细节
到处都是锈迹斑斑

本来只准备宣扬一下法国国威,用个 20 年给大家开开眼到 1909 年就拆掉将地皮还给巴黎市政府用作他用的,结果没想到这一落成就屹立了一个多世纪。

埃菲尔铁塔所用的一共 18038 块铁片的厚度不是均匀的,像主要承重结构部分里的铁片,厚度就会达到 10-12 毫米,次要的或者连接部分的厚度大概在 6-12 毫米之间,如果在完全不维护的情况下每年的腐蚀在 0.1 到 0.2 毫米之间,很难撑过百年。

尤其是巴黎的气候条件,温带海洋性气候,冬天更是降水充沛,雾气较重,空气湿润,就会加速铁的氧化与腐蚀。再者巴黎所在的法兰西岛大区又是全法国工业最发达、人口最集中的区域,工业活动的污染与酸雨又会加重腐蚀,总之,腐蚀速度会进一步加快。

一座铁塔的寿命不是说看每个部件,从头到脚完全腐蚀掉才会倒塌。而是那些关键部位腐蚀掉,结构出现问题,哪天刮一阵狂风,可能铁塔就被拦腰截断了。

所以铁塔每七年都会重新刷漆一次,防止锈蚀以避免结构出现损害。从 1889 年 3 月 31 日竣工以来,铁塔至少被重新粉刷过 19 次,每一次粉刷都会用掉 60 吨的油漆。

这里说一个小故事:铁塔一开始是通体刷“威尼斯红”漆,后来 1889 年世博会又在底部和中部加了一层棕红色,使铁塔从头到脚呈现一种由浅入深的渐变效果,更好地融入周围的环境。1892 年又涂了一身的“赭色”,再到 1900 年世博会,铁塔底部涂上了橙色,渐变至顶部变成了明黄色,成了一座“黄塔”,之后到 1954 年前都是棕黄色为主,在之后又变成了棕红色,一直到今天。

1889 年世博会期间的埃菲尔铁塔夜景,通体红色
1900 年世博会期间的铁塔,通体黄色

铁塔的保养真的很重要,当初埃菲尔铁塔修好后很快就震惊了全球,一向和法国佬不对付的英国佬马上也开始修铁塔,要和法国一决高下。

除了布莱克浦塔很快在 1894 年竣工后,但高度仅只有巴黎铁塔一半高。新的更高的塔已经在利物浦附近的新布赖顿开工了:

新布赖顿塔,173 米,当时的世界第二高

新布莱顿塔 1897 年 7 月开工,1898 年到 1900 年间完工对外开放,173 米高,成为当时全英格兰最高建筑也是全球除巴黎铁塔外第二高建筑,四部高速电梯 90 秒就可以到达塔顶俯瞰整个利物浦城与海景,每小时可运送 2000 人。开放第一年就吸引了 50 万游客,虽然比不上埃菲尔铁塔,但是也算是成功了。

开业后 14 年,一战爆发,1914 年塔就被关闭了,关闭的四年里因缺乏维护,铁塔生锈,于是战争一结束就被宣告要拆除(尽管引起了争议是因为四年的锈蚀可能并没有严重到威胁塔的支撑结构还可以稍微修复一下),但最终还是于 1919 年完全拆除并将金属卖给了废品回收站(战争期间政府还打起了这个铁塔的主意希望向铁塔所有者购买这个塔的金属以支援战争,但被业主拒绝)。

1919 年,拆除塔时的航拍

写这个的意义是铁塔不维护的话,锈蚀速度和严重程度比我们想象的要快,按照当时的科技发展如果建成后不管不顾,可能现在巴黎的天际线早已没了铁塔。


当然真的哪天法国没钱维护了,铁塔塌了不在了,欢迎各国朋友来中国参观埃菲尔铁塔,高仿版简约版抽象版应有尽有:

比如深圳版埃菲尔铁塔:

世界之窗

杭州版埃菲尔铁塔:

天都城
天都城

澳门版埃菲尔铁塔:

澳门巴黎人酒店

昆明版埃菲尔铁塔:

昆明公园 1903

烟台版埃菲尔铁塔:

烟台龙口铁塔

上海版埃菲尔铁塔:

其实只是宝山某地铁站旁的公园景观

建筑学学生如何制作作品集?如何做动态作品集?请问建筑设计的必学软件有哪些呢?建筑设计如何从概念设计入手?

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有哪些需要几代人才能完成的科学实验?

头图

有一个实验似乎还没有人提过,昨天无意中看到的,顺手写下来。

伊利诺伊的玉米遗传实验,从 1896 年开始,今天仍然在持续。

1896 年,农学家、化学家 Cyril G. Hopkins 在伊利诺伊农业实验站收获了 163 颗同种的玉米,这 163 颗玉米被分为 4 组:

1,24 根蛋白质含量最高的玉米

2,12 根蛋白质含量最低的玉米

3,24 根含油量最高的玉米

4,12 根含油量最低的玉米。

这 4 组玉米被分开种植,防止相互传粉,一根玉米在一块地里种一行,最高的一组种在中间。

第一年后,四组玉米都收获了,Hopkins 将结果发表在 1899 年的《Improvement in the chemical composition of the corn kernel》中

高蛋白玉米的种植结果
低蛋白玉米的种植结果

可以看到高蛋白玉米(含量 12.54%)种植出了蛋白含量 11.1%的玉米,低蛋白玉米(含量 9.03%)种出了蛋白含量 10.55%的玉米,两者相差 0.55%。

当然,实验才刚刚开始,接下来的每一年,都将重复第一年的做法,从高蛋白 / 油的产出里面取 24 颗最高的,从低蛋白 / 油的产出里面取 12 颗最低的,继续种。

1900 年后,伊利诺伊玉米实验的负责人换成了 L. H. Smith,他们在 1908 年发表了实验的第二篇论文《Ten generations of corn breeding》,并公布了结果:

高蛋白和低蛋白玉米的含量和差异

十年过去,高蛋白和低蛋白的差异已经达到了 5.62%,高蛋白组的含量上升到 14%以上,低蛋白组含量已经低于 9%。

1921 年后,负责人又换成 C. M. Woodworth,他们在 1929 年发表了论文《The mean and variability as affected by continuous selection for composition in corn》,公布了蛋白含量和含油量的差异:

三十代玉米试验的蛋白含量和含油量差异,上图为蛋白,下图为油

蛋白和油的含量差异已经超过 8%。

如果说,伊利诺伊玉米实验一开始试验的目的只是想要看不断分开选种是否会造成子代的差异越来越大,那么这个目的已经实现了。现在的实验已经有了下一个目的——完全通过选种的方式,使得蛋白质含量和含油量上升,这个上升会有上限吗?从前 30 代来看,两者的上升似乎都是线性的,并没有上限存在。

1951 年,伊利诺伊玉米实验的负责人又换成了 E.R. Leng,他们在 1952 年发表了论文《Fifty generations of selection for oil and protein in corn》,讲述了 50 代之后的情况:

五十代玉米试验的蛋白含量和含油量差异,上图为油,下图为蛋白

看起来,含油量和蛋白质含量的线性上升并没有停止,且蛋白质含量的下降也是几乎线性的。含油量的下降则趋缓——毕竟含油量不能低于 0。

到了这里,伊利诺伊实验想出了一个新的方案:如果我们这个时候从高蛋白 / 含油组里开始选择那些蛋白 / 含油最低的玉米,同时从低蛋白 / 含油组里开始选择那些蛋白 / 含油最高的玉米,反向选育,然后不断重复,结果会怎么样呢?

这个实验从 1947 年开始,1960 年时达到了 13 代,1962 年发表的论文《Results of long-term selection for chemical composition in maize and their significance in evaluating breeding systems》公布了该结果:

高 / 低蛋白组(实线),反向高 / 低蛋白(虚线)的蛋白质含量
高 / 低含油组(实线),反向高 / 低含油(虚线)的含油量

反向选育组的走向很有意思。虽然在之前已经经过了近 50 代的选育,无论是含油量还是蛋白质含量都达到了很高的程度,但从这些组别经过了仅仅 13 代的反向选育之后,之前的积累的优势就已经消失近半。比如在蛋白质组,反向高蛋白组和反向低蛋白组之间的差别和 20 代时已经差不多。

1966 年后,J. W. Dudley 接替了伊利诺伊玉米遗传实验,他们又在反向高油组里面进行了分叉,进行了一个「回旋」(Switchback),意思是在那些选了 47 代高油有选了 7 代低油的玉米里面再选 16 代高油玉米……这个玉米真的给折腾得够呛呢。

小组在 1974 年的《Seventy Generations of Selection for Oil and Protein Concentration in the Maize Kernel》发表了下列结果:

高 / 低含油(实线),反向高 / 低含油(星号线)以及反向回旋高油组(圆点线)的含油量
高 / 低蛋白(实线),反向高 / 低蛋白(星号线)的蛋白质含量

从这里我们又能看到,在含油量这一块,「回旋组」重新上升的速度还是挺快的;而在蛋白质含量上,反向高蛋白组的下降速度令人印象深刻,仅仅 20 代后,之前 47 代的优势就全部消失了。

用两句话来重复这两个现象,对含油量来说,是「浪子回头金不换」,对蛋白质来说,是「从善如登,从恶如崩」。

2004 年,Stephen P. Moose 已经成为伊利诺伊玉米实验新的负责人,他们发表了论文《Maize selection passes the century mark: a unique resource for 21st century genomics》,总结了一个世纪以来的这一场玉米试验。

左图为蛋白质,右图为含油量

从这两张图看,蛋白质的「从善如登,从恶如崩」还是在持续,从左图看,50 代后反向高蛋白组和经过了 100 年选育的低蛋白组已经几乎没有差别,把之前 50 代的优势完全抵消了;而 50 代后的反向低蛋白组到高蛋白组之间还是有很大的差距。

含油量的「浪子回头金不换」也颇为有趣,「回旋」组已经基本赶上了高油组,弥补了 7 代的差异。而反向高油组和反向低油组也才刚刚碰面。看起来,对含油量来说,用选种带来上升和下降的速度是差不多的。

当然,我们不能不注意到两张图和百年前差不多的一个趋势——无论是蛋白质含量还是含油量,他们的上升仍然是几乎线性的,还没有看到显著的停止,在含油量的上升上尤其如此。这可能意味着玉米的含油量和蛋白质含量,尤其是前者,还远未被接近。

在最近几十年,随着分子生物学的兴起,玉米遗传实验已经没有那么受欢迎了。同时我们也有更多更合适的物种来做实验,比如其他的答案里有提到的大肠杆菌实验,进行了三十多年,已经有 6 万代了,出现了很多奇妙的特性。伊利诺伊玉米实验也开始更多地关注基因上的差异,比如实验的最近一篇论文发表在 2019 年 7 月——没错,就是上个月——他们研究了高蛋白组和低蛋白组由于 RNA 的不同而在「持绿性」上产生的差异并进而由于光合作用带来的产量差异。

总之,伊利诺伊玉米遗传实验仍然在继续。100 年前,Cyril G. Hopkins 大概完全不会想到他的实验还能有那么多玩法,期待在未来的 100 年,他们还能从中发现更多有趣的东西。

虽然是很简单的选种实验,但想来却十分神奇。差不多的一批玉米,分开来种,按标准选育,一个世纪以来更换了数位实验室负责人,观察了短短的一百年。

就是这一百年,已经让一批相似玉米的子女们出现了天壤之别。含油量高的,超过 20%,含油量低的,已经无法检出。

高蛋白和低蛋白组在外观上的差异

如上图所示,高蛋白组颗颗呈现圆形,而低蛋白组的颗粒则呈现长条形,在外观上也已经出现了差异。一百代,似乎已经造成了极大的差异。

但是,在历史的长河中,一百代又何足挂齿?

根据 2014 年发表在 Nature Genetics 上的论文《Inferring human population size and separation history from multiple genome sequences》,用分子钟计算基因变化速率,中国人和日本人的共祖出现在 8000 年前,按照 20 年一代的算法,已经过了 400 代,相当于伊利诺伊玉米实验的代数重复了 4 次;中国人和墨西哥人的共祖出现在 2 万年前,相当于 1000 代,也就是伊利诺伊玉米实验的代数重复了 10 次。

再把目光放远一点,人类和黑猩猩的共祖出现在 600 万年前,就算 20 年一代,也有了 30 万代。

想象一下,600 万年前的一只猿类,她育有两个子女,其中一个是当前所有人类的祖先,而另一个是当前所有黑猩猩和倭黑猩猩的祖先,而这相当于伊利诺伊玉米实验的代数重复了 3000 次。

从这个角度看,人类的进化不也正是大自然的一场大型实验吗?会不会有「反向」、「回旋」等控制因素被人类自己施加在身上呢?光是想一想,就觉得是一件非常带(kě)感(pà)的事情呢。

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