作者：圓的方塊
編輯：範可鑫 麥芽楊
來源 | 我是科學家iScientist
01
新冠病毒聽起來什麼樣？
作者：Markus J. Buehler。音頻全長約1小時50分鐘，但微信音頻最長只能放1個小時。想聽原版的可以戳：https://soundcloud.com/user-275864738/viral-counterpoint-of-the-coronavirus-spike-protein-2019-ncov
上面這段音樂，全長1小時50分鐘，描述的是新冠病毒。
這首曲子的作者是馬庫斯·布勒（Markus Buehler）教授，來自美國麻省理工學院，主業是研究蛋白質的結構設計。
病毒的本質很簡單，由遺傳物質和蛋白質外殼組成。不同的病毒，蛋白質外殼的樣子也不同。新冠病毒之所以得名如此，就是因為其外殼如同一頂中世紀的皇冠。
這些皇冠狀「尖刺」名為刺突糖蛋白（Spike Glycoprotein），是病毒與人體細胞結合的關鍵。如果可以明晰這些蛋白質的結構與特徵，就可以為藥物設計幫上大忙。
新冠病毒示意圖，表面分布著大量的刺突糖蛋白（紅色部分） | phil.cdc.gov，Public domain
然而，蛋白質結構的研究，卻是難題。
作為生命的基礎物質之一，蛋白質的本質是一長串胺基酸鏈，這些胺基酸的種類與排序被稱為蛋白質的一級結構。胺基酸的種類高達20種，如同用20種積木來拼合生命的多彩。
然而，故事還遠沒有結束。由這20種胺基酸組成的長鏈，通過氫鍵之類的吸引力，會形成一些螺旋或者摺疊的二級結構。多個二級結構又可以在三維空間構造出更為複雜的構型，即為蛋白質的三級結構。
蛋白質的各級結構 | Wikimedia Commons, Shakiestone / Public domain
20種胺基酸、一級、二級、三級，如若理清這眼花繚亂的排列與層次，就能揭示蛋白質的功能與特性，從而讓我們更接近生命的本源。
如何拆解蘊藏無窮可能的蛋白質結構之謎？馬庫斯認為：音樂也許是答案。
組成蛋白質的基本單元數量有限，而構成音樂的音符數量也有限。一首曲子的音高、音域與節奏，類似於蛋白質的螺旋、摺疊和三維構象。
於是，馬庫斯開發了一種技術將蛋白質轉化與之對應的旋律。
將蛋白質轉化為音樂示意圖 | 參考文獻[1]
蛋白質音樂化的好處是：我們的大腦更善於處理聲音。只要聆聽一次，耳朵就能識別出聲音的音色、音量與和弦。
通過音樂，研究者可以更容易地發現蛋白質結構中的特定模式，就如同在一曲古典樂中尋找某一個特殊的和弦。
將這種技術逆向化，人們甚至可以先譜寫一首曲子，將其反推回蛋白質，從而創造一種自然界不曾有過的全新結構。
如今，馬庫斯應用這種轉化方法來模擬新冠病毒的刺突糖蛋白，將這一蛋白質的多級層次轉變為交織的旋律，也就是文首聽到的曲子。
這項研究能幫助人們更好地理解病毒的致病機理，或許還能找到具有相似旋律的蛋白質，以作為有效的抗體。
對於自己的技術，馬庫斯評價道「通過聲音獲取蛋白質中的信息，這非常優雅」。
02
如何讓科學被聽到？
人類具有五感，僅僅只用視覺來處理數據，未免有些遺憾與浪費。將數據或者信息轉化為聲音，這種技術統稱為「聲化」（Sonification）。
最為著名的「聲化」技術成果，就是蓋革計數器。
蓋革計數器 | Wikimedia Commons, Boffy b / CC BY-SA （http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/）
這項發明於1908年的儀器，可以用來測試輻射水平。它的內部有一個低壓氣體管，當輻射使其中的氣體電離時，會產生電流脈衝，從而發出連續不斷的咔嗒聲。
蓋革計數器急促的聲音如同警報，告誡人們這裡輻射水平超標，務必遠離。
通過聲音，我們甚至能發現眼睛容易忽視的特徵。
萬達·迪亞茲·默塞德（Wanda Diaz Merced），一位來自南非的天體物理學家，因為疾病而失明。但是，她仍然嚮往星空。
為此，她與程式設計師合作開發了一種算法，能夠將繁雜的天體數據變為特定的聲音模式。藉助這項技術，她繼續著自己的研究，甚至還「聽」出了星體爆炸過程中產生的特殊電磁信號。而此前，這些信號被「明眼」的天文學者忽視了。
除了從數據中發掘出新的特徵，人們也希望藉由聲音的途徑，讓研究結果吸引更多人的關注。
2012年，歐洲的大型強子對撞機（LHC）發現了「上帝粒子」——希格斯玻色子。
為此，高能物理學家彼得·特雷奇克（Piotr Traczyk）感到十分激動，他想通過自己的方式，來紀念這一重要成就。特雷奇克恰好還是個吉他手——他決定將希格斯玻色子的實驗數據變成一首重金屬搖滾樂。
彼得·特雷奇克既是物理學也是樂隊吉他手 | fuw.edu.pl
他選取了希格斯玻色子搜索過程中的兩張主要數據圖，將其中直方圖的數據轉化為音符，再加入鼓和貝斯的部分。於是，一首希格斯玻色子的重金屬搖滾樂，在歐洲核子研究中心（CERN）的大禮堂中奏響——這也是宣布發現希格斯玻色子的地方。
希格斯玻色子重金屬音樂的演奏現場 | youtube，Traq
除了這場略顯學術的搖滾演出，CERN一直致力於用聲化技術來宣傳自己。
2014年，CERN成立60周年。組織者就將CERN所管理的LHC四個大型檢測器的數據進行了「聲化」，並邀請了工作於此的物理學家和工程師進行演奏。
在這場「生日獻禮」演奏中，小提琴、單簧管、鋼琴、長笛，在LHC——這座人類最為宏大的科學裝置中——相得益彰。
在激昂的搖滾與悠揚的四重奏中，科學，被更多人所「聽到」。
03
宇宙是一首樂曲？
可以聲化的，又何止是科研成果？
從海洋生物的分布密度、到某一家公司的股票漲跌，只要存在數據或者信息，我們都可以將其轉變為音樂。
簡言之，萬物自有其樂章。
美國宇航局（NASA）曾出過一張唱片。沒錯，NASA出過一張唱片。
這張名為《行星交響樂》（Symphonies of the planets 1-5）的唱片，是使用了漫遊寰宇的旅行者號探測器，錄製了一系列宇宙間的聲音。
《行星交響樂》唱片封面 | Amazon.com
雖然宇宙是真空的，無法傳播聲音，但旅行者號上有一種特殊的設備，可以將電子振動轉換成人類聽覺範圍內的聲音。
於是，在這張唱片中，我們能聽到太陽風與行星磁場產生的帶電粒子，無線電波在大氣層中的反彈，太空本身的電磁噪音。
行星交響曲，宇宙空間的電磁場噪聲 | NASA
打開這段音樂，如果不知道它從何而來，你會以為這是無意義的噪音——
其實，你，正在聆聽宇宙本身。
參考文獻：
[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
原標題：你想聽什麼曲子？新冠病毒、上帝粒子，還是宇宙？
本文作者 圓的方塊，首發於我是科學家iScientist，歡迎關注。
編輯：Kun
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