聚焦“智慧的選擇” 格致論道·灣區(qū)科學(xué)家黃埔開講

魚刺可以用基因編輯技術(shù)“敲除”？人為什么會(huì)做無意義的“白日夢(mèng)”？研究動(dòng)物進(jìn)食，得先研究大便？5月20日下午在黃埔區(qū)，2023年廣州科技活動(dòng)周暨格致論道·灣區(qū)第22期聚焦“智慧的選擇”主題，邀請(qǐng)6位科學(xué)家從人臉識(shí)別到深潛器設(shè)計(jì)、從納米測汞到無刺魚改良、從動(dòng)物行為進(jìn)化到食肉動(dòng)物群落研究分享了他們自立自強(qiáng)的科研攻關(guān)故事。

該活動(dòng)由廣州市科技局主辦，廣州物聯(lián)網(wǎng)研究院承辦，廣州市黃埔區(qū)科學(xué)技術(shù)局、廣州市黃埔區(qū)教育局、廣州市黃埔區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)（廣州開發(fā)區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)）、廣州市玉巖中學(xué)協(xié)辦。

朱翔昱：從二維人臉照片“架起”三維結(jié)構(gòu)

如何在姿態(tài)變化較大的情況下準(zhǔn)確識(shí)別人臉？如果僅有側(cè)臉或被部分遮擋的面部，人臉能否被精準(zhǔn)識(shí)別？這些問題長期以來存在于海關(guān)識(shí)別、刑偵追蹤以及日常手機(jī)應(yīng)用當(dāng)中。

“如果能根據(jù)任意一張人臉圖片生成正面無表情的圖片，就可以很好地解決這些問題。”中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所副研究員朱翔昱介紹道。但這在現(xiàn)實(shí)中難度非常大，首先需要從二維的照片中恢復(fù)出人臉的三維結(jié)構(gòu)，然后在三維空間對(duì)人臉的姿態(tài)和表情進(jìn)行校正，才能生成面無表情的照片。朱翔昱及其團(tuán)隊(duì)花了近10年的時(shí)間研發(fā)出全姿態(tài)三維人臉重建及校正算法，一方面他們通過合成分析法生成逼真的三維人臉，另一方面訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使其自動(dòng)學(xué)習(xí)，提升了人臉生成速度。通過重建三維人臉，在三維空間對(duì)人臉照片進(jìn)行轉(zhuǎn)正，并重新成像，生成出逼真的人臉。此外，朱翔昱還提到，人臉的潛力不止于此，未來還可以通過人臉測算生理和心理健康狀況等，人工智能會(huì)變得更加人性化。

高澤霞：調(diào)控基因，讓魚“有刺”變“無刺”

中國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量連續(xù)33年位居世界首位，占世界水產(chǎn)品養(yǎng)殖總產(chǎn)量的65%左右?？梢哉f，全世界每3條養(yǎng)殖的魚，就有2條來自中國。

魚好吃，但小刺難挑?！拔覀償?shù)了一下，平均一條武昌魚肌肉中的小刺大概有120根。” 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院高澤霞教授介紹道。我國主養(yǎng)魚類普遍存在肌間刺多、影響食用和加工的問題，那能否從根源上解決魚刺“卡脖子”的難題呢？高澤霞和她的研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)10年，在斑馬魚的68個(gè)基因突變體中篩選鑒定，找到了調(diào)控肌間刺發(fā)育的關(guān)鍵基因，并用基因編輯技術(shù)敲除掉這個(gè)關(guān)鍵基因。從減少小刺數(shù)目30%，到100%無小刺，他們終于在2022年成功培育出了無小刺武昌魚，并與桂院士合作培育了無小刺銀鯽。經(jīng)過試吃和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，無小刺武昌魚與普通魚在體型、口感、營養(yǎng)上相差無幾?！敖衲?，我們也繁育了無肌間刺草魚選育群體F1代，再等它們長大一點(diǎn)，我們希望可以把沒有肌間刺的草魚個(gè)體篩選出來?！备邼上佳a(bǔ)充道。

馬英杰：萬米載人深潛背后，“鈦”不一樣

2020年11月，“奮斗者”號(hào)載人深潛器成功下潛10909米海底，創(chuàng)造了中國載人深潛的新紀(jì)錄，這也是世界上首次同時(shí)將3人帶到海洋最深處。

載人艙是深潛器的關(guān)鍵部件之一，是潛航員生命安全的重要保障。近年來，國際上的萬米深潛器采用鈦64合金，但一次最多只能2人下潛。為了保證更為合理的3人下潛，載人艙要足夠大；為了實(shí)現(xiàn)多次安全下潛，載人艙既要能承受住萬米水壓又要能順利上浮。如果一味增加載人艙厚度，會(huì)導(dǎo)致深潛器過重，影響上浮性能，只能通過選用高強(qiáng)度、高韌性材料來保障載人艙空間和滿足重量要求。那么，什么樣的材料才能保證載人艙不開裂和不被擠扁的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)3人、多次下潛呢？國產(chǎn)新型鈦合金材料就是解決這一問題的關(guān)鍵。

經(jīng)過12年的不斷優(yōu)化和上千次的測試，馬英杰研究員所在的中國科學(xué)院金屬研究所鈦合金團(tuán)隊(duì)自主研制的新型鈦合金終于問世，成功鑄造“奮斗者”號(hào)載人球艙。目前“奮斗者”號(hào)深潛器已實(shí)現(xiàn)數(shù)十次萬米下潛，我國已經(jīng)成為萬米下潛次數(shù)和人數(shù)最多的國家。“載人艙研制借助了全國多個(gè)科研單位的力量，從材料制備、鍛造、焊接到成型，帶動(dòng)了國內(nèi)整個(gè)鈦工業(yè)的發(fā)展，真的‘鈦’強(qiáng)大！”

陳佩佩：探汞納米傳感器，守護(hù)飲用水安全

汞是一種典型的重金屬污染物。過量汞進(jìn)入水體會(huì)導(dǎo)致汞中毒，危害人的生命健康。甚至在被稱為“世界海洋最深處”的馬里亞納海溝淤泥中也發(fā)現(xiàn)了汞，這說明汞的污染已經(jīng)非常嚴(yán)重。然而，傳統(tǒng)檢測水中汞的設(shè)備體積大、檢測周期長、成本高，無法攜帶到現(xiàn)場進(jìn)行及時(shí)檢測和預(yù)警。有沒有可能研發(fā)出可以在現(xiàn)場快速檢測出汞的設(shè)備呢？

“一項(xiàng)國家級(jí)項(xiàng)目的成功申請(qǐng)給予我們利用納米加工技術(shù)研制汞快速檢測傳感器的機(jī)會(huì)。”國家納米科學(xué)中心研究員陳佩佩介紹道。為什么是納米技術(shù)？因?yàn)榛诩{米光學(xué)效應(yīng)的檢測靈敏度非常高、響應(yīng)速度快，甚至能夠檢測單個(gè)分子。陳佩佩及其團(tuán)隊(duì)提出，利用三維納米結(jié)構(gòu)引發(fā)一種電磁波的增強(qiáng)，從而大幅提升檢測靈敏度，并通過百余種納米結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，從而建立了傳感芯片定量設(shè)計(jì)方法。團(tuán)隊(duì)基于多年來的納米加工技術(shù)研究基礎(chǔ)，有效降低了傳感芯片批量制備的成本。

此外，他們還完成了傳感器硬件小型化和軟件系統(tǒng)開發(fā)與集成，研發(fā)出可以手持的、性能先進(jìn)的汞納米傳感器，建立了從傳感芯片設(shè)計(jì)、批量制備到應(yīng)用的完備平臺(tái)。他們研制的傳感器，不僅能夠檢測汞，還可以延伸到檢測其他環(huán)境污染物、?；贰⑺幤?、化妝品、食品、農(nóng)殘等領(lǐng)域，具有廣泛應(yīng)用前景。

唐業(yè)忠：神奇的動(dòng)物行為背后是大腦的選擇

動(dòng)物的本能是生存和繁衍，但實(shí)際上動(dòng)物經(jīng)常會(huì)做出一些超出本能以外的反常行為，比如“飛蛾撲火”“大象醉酒”。人也一樣，比如無意義的“白日夢(mèng)”。

中國科學(xué)院成都生物研究所研究員唐業(yè)忠對(duì)這些行為的適應(yīng)意義進(jìn)行了長期的思考。一次偶然的機(jī)會(huì)，他聽到了一種理論，即神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部廣泛存在競爭關(guān)系。那這種競爭是否可以解釋這些怪異行為呢？唐業(yè)忠介紹道，行為的發(fā)生受到神經(jīng)系統(tǒng)的直接控制，而神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和功能的同質(zhì)化，導(dǎo)致相互之間存在競爭。比如用作存儲(chǔ)信息的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，是由神經(jīng)元通過化學(xué)突觸構(gòu)成的，有刺激時(shí)突觸得到加強(qiáng)，而無刺激時(shí)突觸衰減。如果長期得不到刺激，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)就會(huì)分解，無法儲(chǔ)存信息形成記憶。神經(jīng)突觸的形成很緩慢，但人們卻可以形成瞬時(shí)記憶，這說明在大腦中有大量預(yù)先儲(chǔ)備的冗余網(wǎng)絡(luò)。而這些冗余網(wǎng)絡(luò)也需要持續(xù)、適當(dāng)?shù)拇碳砭S持，這些刺激表現(xiàn)為無目的性、隨機(jī)性或偶然性。比如作為夜行性動(dòng)物的飛蛾，其視覺網(wǎng)絡(luò)長期處于“饑餓”狀態(tài)，一旦有光就會(huì)不要命地?fù)渖先?。成癮、醉酒、超常刺激等則通過獎(jiǎng)賞系統(tǒng)對(duì)腦進(jìn)行刺激。那些看似無用甚至有害的行為，就得到了合理的解釋。

基于此，唐業(yè)忠原創(chuàng)性提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“間接選擇”理論，這對(duì)幼兒教育也有啟示。他認(rèn)為應(yīng)該對(duì)兒童大腦進(jìn)行全方位的刺激，而不是過早地開始單一的算數(shù)和習(xí)字。

姚蒙：高原食肉動(dòng)物進(jìn)食法則

大型食肉動(dòng)物通常處于食物網(wǎng)的最頂端，通過自上而下的調(diào)控，在調(diào)節(jié)食物網(wǎng)和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡中起到重要的作用。盡管大型食肉動(dòng)物非常重要，但受人類捕獵、破壞棲息地等行為影響，其物種數(shù)量和分布范圍在全球范圍內(nèi)迅速下降。

我國西南山地及青藏高原的東南部地區(qū)是全球大型食肉動(dòng)物種類最豐富的地區(qū)。要想更好地保護(hù)這里的大型食肉動(dòng)物，首先得了解它們是怎么生存的，而生存離不開食物。森林中的“肉”就那么多，如何“分食”才能共存？大型食肉動(dòng)物數(shù)量少、行動(dòng)隱秘，想直接觀察它們吃什么并不容易。因此，北京大學(xué)生態(tài)研究中心副研究員姚蒙轉(zhuǎn)換思維，帶領(lǐng)她的學(xué)生從動(dòng)物輸出的“糞”去研究入口的“食”，他們歷經(jīng)8年，在我國西南山地采集1700余份動(dòng)物糞便，通過糞便DNA分子食性分析方法去判斷每一份糞便對(duì)應(yīng)的動(dòng)物物種和食物組成，最后獲得了900多份食肉動(dòng)物的高精度分子食性數(shù)據(jù)，這也是世界上首個(gè)多種食肉動(dòng)物的分子食性數(shù)據(jù)集。姚蒙通過構(gòu)建高原食肉動(dòng)物食物網(wǎng)，分析得出不同食肉動(dòng)物的食性差異及捕食偏好有顯著的差異，這使得它們能減少彼此對(duì)食物資源的競爭，更好地在生態(tài)系統(tǒng)中共存。

文/廣州日?qǐng)?bào)·新花城記者：方晴 通訊員：雷錦萍

圖/廣州日?qǐng)?bào)·新花城記者：方晴 通訊員：雷錦萍