整理 | 周舒義、望鄉
梵高《星月夜》中的湍流天空與科學理論相符
《星月夜》中斑駁的星光和旋轉的雲層被認為反映了文森特·梵高動蕩的心境。而一項新研究表明，《星月夜》中的湍流天空與科學理論相符，梵高對湍流流動的數學結構有着深刻的直覺了解。相關論文9月17日發表于Physics of Fluids。
文森特·梵高的《星月夜》創作于1889年。| AIP Publishing
湍流是一種在流體中廣泛存在的自然現象，如水流、洋流、血液流動、翻滾的風暴雲以及煙霧柱等形式。湍流本質上是一種混亂狀态，其中較大的渦旋不斷形成并解體為更小的渦旋。在這項研究中，科學家們利用《星月夜》的數字圖像，分析了畫中14個主要旋轉形狀的尺度，研究它們是否符合在大規模渦流和小規模渦流互相碰撞和作用時的實體學理論。
《星月夜》中的渦旋/渦流 | AIP Publishing
由于無法直接測量畫中天空的氣流運動，研究人員精确測量了畫筆的筆觸，并将這些筆觸的大小與湍流理論中預測的數學尺度進行了比較。為了分析實體運動，他們利用了不同顔料顔色的相對亮度或光度。結果發現，《星月夜》中14個渦流的大小、相對距離和強度遵循了流體動力學中的柯爾莫哥洛夫理論。這一理論在20世紀40年代由蘇聯數學家安德雷·柯爾莫哥洛夫提出，描述了流速波動與能量耗散率之間的數學關系。研究同時發現，在最小尺度上，顔料與一些背景渦流以湍流理論預測的方式混合，遵循巴切勒定律的統計模式——這一定律在數學上描述了小顆粒（如海洋中漂流的藻類或風中的塵埃）如何被湍流流動被動地混合。
《星月夜》中一些渦流的典型筆觸的空間尺度 | AIP Publishing
研究人員表示：“當然，梵高可能并不了解這些方程，但他很可能花了大量時間觀察自然中的湍流。我相信這種實體關系深植于他的腦海中，是以在創作著名的《星月夜》時，他自然模仿了真實的流動。”深入了解湍流将有助于改善天氣預報、減少飛行颠簸以及其他許多過程。科學家們長期以來在流體動力學中描述湍流方面面臨困難，目前尚未找到一種有效的方法來預測這一現象，完整的解釋依然是實體學中的一大謎團。
新研究揭示了梵高名作《星月夜》中神秘而奇幻的天空，背後隐藏着與湍流理論的驚人相似性，展現了藝術與科學之間的微妙聯系。梵高在潛意識中展現出了對湍流的獨特感覺，在1889年的那個夜晚，他看到的或許遠不止星空流轉的激昂與孤絕。（AIP Publishing）
相關論文：https://doi.org/10.1063/5.0213627
猴子預測美國總統大選
猴子盯着哈裡斯和特朗普的照片，若有所思。它能預測誰最終赢得11月美國總統大選嗎？雖然這聽起來有點荒誕不經，但先别急着大搖其頭。一項新研究指出，猴子的目光會在最終落敗的候選人臉上停留更長時間。相關論文9月19日以預印本形式釋出于bioRxiv，未經同行評審。
論文作者團隊多年來一直研究猴子對面部的偏好。在此前一項實驗中，他們向猕猴展示陌生的同類面孔。結果發現，猕猴隻會偷偷瞥一眼高地位雄性（長時間凝視被視為具有侵略性），而對雌性或低地位雄性，它們的目光就會肆無忌憚，停留更久。似乎僅靠照片，猕猴就能“察覺”對方的社會地位高低。
這項本領是否也适用于人類面孔呢？在新研究中，作者向猴子展示美國參議員、州長和總統候選人的面孔，并追蹤它們的視線。結果發現，在成對競選者中，猴子通常會盯着其中一人看。1995年至2008年的273次參議員和州長競選中，猴子在54.6%的情況下注視落選人的頻率更高、時間更長，高于随機水準。在“搖擺州”競選中，猴子的預測更加準确，正确率達58.1%。不過，對于2000年到2020年的6次美國總統競選，這種方法和抛硬币沒什麼兩樣，準确率僅50.4%。在2016、2020、2024三次美國總統競選中，根據猴子給出的“判斷”，特朗普對希拉裡大幅領先，對拜登優勢收窄，對哈裡斯則沒有優勢。
猴子注視哈裡斯（左）、特朗普（右）照片的時間大緻相同。（彩圈大小表示持注視時間長短）| Creative Commons, adapted by Yaoguang Jian
進一步研究表明，猕猴的目光會避開那些顴骨更窄、下颌更寬更突出、面部“橫向發展”的個體。這些特征表明其青春期的睾酮水準較高，與猕猴的體能相關，進而關聯到社會地位。這一現象似乎延續到了人類社會——研究發現，競選中獲勝的候選人，下颌平均比其他人突出2%。
研究人員表示，從面部特征提取的視覺線索，或許會影響選民在真實選舉中的選擇。如果能在更多猴子身上重複這一結果，那麼它将有力證明，人類和猴子對面部特征的偏見有着共同的進化根源。不過，這并不能解釋所有的投票行為，比如，僅從面部特征是否強勢來看，女性候選人無疑會一敗塗地，現實卻并非如此。顯然其他因素也會影響投票決定。
美國前總統克林頓曾說：“美國人喜歡強勢和錯誤，而不是弱勢和正确。”新研究或許揭示了選舉行為中的非理性一面——身體特征有時比政策綱領更能左右選民。研究人員說，“在投票和日常行為的方方面面，我們每個人心中都有一隻小猴子。”
相關論文：https://doi.org/10.1101/2024.09.17.613526
為了解人類演化，科學家給約3500年前的奶酪“驗了DNA”
誰動了我的奶酪？在人類數百萬年的演化曆史中，食品發酵本身就是一則古老而充滿智慧的“寓言”：不同人群、文化對食品發酵有各自的偏好，生業模式轉變及農業發展也和發酵技術的演變息息相關。一項新研究通過對3組距今約3500年的開菲爾奶酪進行古微生物基因組研究，揭示了人類對開菲爾乳酸菌的應用、傳播和馴化曆史，為了解人類的演化及其與環境的互相作用提供了全新思路。相關論文9月25日發表于Cell。
新疆小河墓地出土的青銅時代奶酪樣本與外徑約1.8厘米的玻璃管瓶蓋對比。| 中國科學院大學人文學院 楊益民
該研究的樣本是迄今發現最早的奶酪制品——新疆塔裡木盆地小河墓地出土的3組開菲爾奶酪，其源自開菲爾酸奶，由開菲爾粒（類似酒曲）在奶中發酵而成。奶制品發酵技術的傳播在很大程度上伴随着人類的遷徙和互動，這一過程推動了在發酵作用中發揮重要作用的乳酸菌演化。
研究團隊通過自主設計乳酸菌全基因組位點探針，從樣本中提取出高品質的古代開菲爾奶酪中的乳酸菌基因組。通過系統發育關系分析，研究發現，用于發酵的開菲爾乳酸菌存在兩個分化的支系，一個支系符合從高加索擴散到歐洲、亞洲和東南亞沿海地區的主流路線，而另一支系主要包括分布在東亞内陸地區（包括西藏）的菌株，新疆塔裡木盆地古人群用于發酵開菲爾酸奶的菌株便來自該支系，且處在基部位置，這就表明存在另一條通過技術文化交流将開菲爾酸奶制作工藝從新疆地區傳播至東亞内陸的傳播路線。
（A）新疆小河墓地平面圖；（B）新疆小河墓地出土的木乃伊樣本（被稱為“小河公主”，奶酪樣本即圍繞在其脖子周圍）；（C）本研究獲得微生物基因組的三組青銅時代奶酪樣本；（D）奶酪樣本中的微生物DNA組成
研究作者認為，開菲爾乳酸菌兩個支系的分化，很可能就是其共同祖先最初被馴化後，由于人群遷徙路徑的不同，在不同人群中傳播所導緻的。這代表不同古人群在應用和馴化發酵微生物過程中發生了不同路線的遷徙與交流。
此外研究還發現，人類長時間的應用和馴化很可能也影響了開菲爾乳酸菌的演化。與新疆地區青銅時代的開菲爾乳酸菌相比，西藏地區的現代開菲爾乳酸菌菌株中出現了兩個與減輕腸道發炎反應相關的水準轉移的基因簇，這些基因簇不僅有利于乳杆菌在人類腸道中生存，而且能促進腸道功能。這很可能與當時人群對攜帶不同支系開菲爾乳酸菌的開菲爾粒的偏好有關。
相關專家評價，該研究是領域裡很罕見的挖掘全新資料的古DNA研究，為歐亞草原中部人群的遷徙交流與微生物馴化曆史帶來新認識。
相關論文：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-86742400899-7
停留太空一個月，人體心髒就會出現衰老迹象
長時間停留太空，低重力環境會對身體造成怎樣的影響？9月23日發表于PNAS的一項研究發現，人體心髒組織在太空中連續停留一個月，就開始變得衰弱，跳動節律變得不規則，并且經曆了類似衰老的分子遺傳變化。
研究人員培育人誘導多能幹細胞（iPSC），使其分化成心肌細胞，然後把得到的心肌組織樣本安裝在模拟人體心髒環境的心肌器官晶片（heart-on-a-chip）中，該裝置可以讓樣本像跳動的心髒一樣收縮、舒張，并通過傳感器實時監測其收縮強度和搏動節律。2020年3月，48份樣本搭乘SpaceX的“龍”飛船前往國際空間站，之後每30分鐘向地面回傳10秒的心肌組織監測資料。
分析發現，與留在地面的對照組相比，在國際空間站停留12天後，心肌組織的收縮強度就幾乎減半，即使在傳回地球9天後，這種減弱仍然很明顯。在太空中，随着時間推移，心律變得更加不規則。到第19天，組織每次搏動的間隔增加了5倍以上。不過，這種不規律性在傳回地球後就消失了。
對回收組織的顯微觀察表明，負責肌肉收縮的肌節變得更短、更無序；線粒體也變得腫脹、破碎。RNA測序表明，組織中與發炎和氧化損傷相關的基因表達上調；與此同時，産生正常心髒收縮和線粒體功能所需蛋白質的基因表達有下調迹象。研究人員表示，第二批心肌組織樣本已于2023年被送往國際空間站，以篩選潛在藥物，保護宇航員免受低重力環境的不良影響。
相關論文：https://doi.org/10.1073/pnas.2404644121
平均每7篇論文，就有1篇造假
資訊爆炸的年代裡，謊言與真實的界限幽微難辨。究竟有多少科研論文造假？一項荟萃分析試圖給出明确的回答：平均每7篇論文中，就有1篇造假。該研究9月24日以預印本形式釋出在開放科學平台（OSF）上，未經同行評審。
2009年的一項研究表明，約2%的科學家承認在職業生涯中至少有過一次學術造假。這項研究被廣為引用。而新研究的作者詹姆斯·希瑟斯（James Heathers）表示，2009年研究納入的資料集截止到2005年，結論放到20年後的今天已然過時，卻被一再引用，有必要進行更及時的評估。
希瑟斯說，過去很多研究仰賴于直接詢問研究人員是否有過學術不端行為，這是一種非常糟糕的方法。“詢問那些在研究中弄虛作假的人，要他們如實回答之前是否弄虛作假，我認為這非常幼稚。”
作為一名資深學術打假人，希瑟斯在新研究中回顧了12項此前研究，這些研究均使用線上工具來評估科研造假比例，橫跨社會科學、醫學、生物學等不同領域，納入約75000篇論文樣本。“粗略的估計表明，1/7的研究論文存在造假。”希瑟斯承認，新研究的資料來源非常廣泛，并不系統。
2009年研究作者、赫瑞-瓦特大學的丹尼爾·法内利（Daniele Fanelli）對新研究并不信服。他說：“這些論文樣本各不相同，在不同背景下使用各種不同的方法，強調了不同的問題。”新研究一刀切的估算方式“并不嚴謹”。
荷蘭馬斯特裡赫特大學流行病學家戈夫裡·戈帕拉克裡什納（Gowri Gopalakrishna）表示，“我不認為這完全錯誤，但它可能會有些誤導。”她認為，學術造假在某些領域會更為猖獗，是以将所有論文一概而論可能沒有幫助。“如果你想引起關注，試圖改變現狀，把它們放到一起然後說，看，問題多嚴重。這可能會有用，但我确實認為更深入、細分的研究會更重要。”
希瑟斯承認這些局限性，但他認為，造假問題已經迫在眉睫，即使現有資源條件不足，也要着手行動。希瑟斯表示，他将繼續研究學術造假的總體比例，“即使你做了非常正式的系統性審查，我懷疑你也會得到和我一樣的結果。”
來源：https://retractionwatch.com/2024/09/24/1-in-7-scientific-papers-is-fake-suggests-study-that-author-calls-wildly-nonsystematic/#more-130075
相關論文：https://osf.io/5rf2m/
改寫教科書？這個碳-碳鍵，隻有一個電子
在“隻有1個電子的共價鍵”首次提出近一個世紀後，9月25日發表于Nature的一項研究首次實作了兩個碳原子之間的單電子共價鍵。這一發現不僅對更深入地了解化學鍵理論至關重要，也為進一步了解化學反應提供了新的見解。
在分子中，兩個原子通過共享電子對來形成共價鍵。大多數共價鍵都是由一對共享電子構成的單鍵，或是由兩對甚至三對電子構成的雙鍵和三鍵。1931年，化學家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）提出，或許存在由單個未配對的電子形成的單電子共價鍵，隻是非常不穩定——很容易斷裂，并且有很強的傾向釋放或捕獲電子以恢複成對電子。這種鍵合被稱為單電子σ鍵。
為了實作這一點，研究人員試圖通過碘氧化，從現有的碳-碳雙電子共價鍵中去除一個電子。他們基于六苯基乙烷（HPE），設計了修飾螺二苯并環庚三烯（DBCHT）的化合物HPE 1。由于周圍芳基産生的空間位阻效應，中心碳-碳單鍵被大幅拉長，導緻分子HOMO能級升高，這意味着分子中其他地方的電子很難取代被去除的電子。
論文作者、日本東京大學的Takuya Shimajiri說，過去嘗試去除電子的實驗留下的化學鍵太弱，是以斷裂得太快，無法進行确切的化學分析，而這次他們采用的分子在去除電子後仍然足夠穩定。研究人員利用X射線衍射和拉曼光譜對其進行分析，并經密度泛函理論計算後，确定它有一個由單電子組成的穩定共價鍵，最終證明了碳-碳單電子σ鍵的存在。
該結果構成了單電子碳-碳σ鍵的首個實驗證據。有化學家表示，這是一項意義重大的發現。可以預計，在碳中實作單電子σ鍵，将有助于更好地了解化學鍵的基本性質，可能會促使化學家創造出全新的分子家族。
相關論文：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1
重壓之下表現失常？猴子也會
考場上大腦一片空白？答辯時說都不會話了？球場上想要壓哨絕殺，卻發現擡不動腿？放輕松，大家都一樣——甚至猴子也一樣。9月12日發表于Neuron的一項研究表明，重壓之下的“崩潰”與為運動做準備的大腦神經元活動下降有關，而且并非人類獨有。
研究人員設定任務，讓恒河猴盡可能快速、準确地将計算機光标移動到指定位置，然後給予獎勵。每次任務開始前，研究人員會提示猴子，獎勵是小額、中額、大額還是“頭彩”。頭彩稀有且異常豐厚，是一種高風險、高回報的情境。他們還向猴子大腦控制運動的額葉區域植入電極，以觀察在不同獎勵場景下神經元活動的變化。
結果發現，随着獎勵額度增加，猴子的神經活動也随之活躍，狀态更佳。但在獎勵是頭彩的情境下，與運動準備相關的神經元活動反而減弱。“運動準備”和“運動執行”相對，包含了個體在運動前的注意、組織、計劃等認知活動過程——類似于在扣動扳機之前先瞄準目标。相關神經元活動減弱意味着猴子準備不足，也是以表現不佳。研究認為，随着潛在獎勵的增加，神經活動會到達到峰值，越過這個點，獎勵再豐厚，神經元活動就開始減弱，導緻大腦偏離最佳狀态。
相關論文：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.08.012
特 别 提 示
1. 進入『返樸』微信公衆号底部菜單“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。關注公衆号，回複四位數組成的年份+月份，如“1903”，可擷取2019年3月的文章索引，以此類推。
版權說明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公衆号内聯系背景。