环球科技七天博览(2019年9月15日)

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【本期导读】

  • 潘建伟:量子通信面临两大挑战
  • 积极回应婴儿发声有助其语言发展
  • 天文学家发现“一日进三餐”的黑洞
  • “小行星撞地球致恐龙灭绝”假说添佐证
  • "同性恋基因"不存在

 

潘建伟:量子通信面临两大挑战

人类真的可以实现安全的信息传送吗?这到底是梦想,还是现实?

9月10日的北京雁栖湖,虽然天空淅淅沥沥地下着雨,但仍有不少学者和学生赶来参加中国科学院与德国国立科学院(Leopoldina)联合举办的第一届双边研讨会。会上,中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟作了题为“梦想还是现实?量子通信的过去、现在与未来”的报告。

对信息的安全传输是数千年来人类一直追求的梦想。理论上,所有依赖于计算复杂度的经典加密方法原理上都可以被破解,因此在历史发展中,经典密码学的每一次进步都被破解技术的进步所击败。那么人类能否发明一种密码工具来确保信息传输的安全性?具体而言,该如何在相距遥远的两地实现安全的密钥分配呢?潘建伟在报告中指出,在人类实现远距离安全量子通信的征途上有两大挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。

量子密钥分发因其具有理论上的无条件安全性而备受关注,但是在实际系统中,量子密钥分发系统会由于设备的非完美性而存在安全性漏洞。由于量子密钥分发过程中,线路的安全性是可以严格保障的,因此可能的安全性漏洞就集中在发射端和接收端。诱骗态方案和“测量器件无关”方案分别解决了上述两端的安全性漏洞。这两个方案均率先被潘建伟团队实现。

潘建伟介绍道,结合“测量器件无关”方案与自主可控的光源,量子密钥分发就可以达到“信息论可证”的安全性。因此,目前现实条件下量子密钥分发的安全性已经很好地建立起来了。

迄今为止,在地面实验中,量子密钥分发的点对点距离可达到500千米量级,而量子隐形传态可达到100千米。那么,如何在此基础上继续增加量子通信的距离呢?

一个阶段性的解决方案是可信中继传输,我国建设的光纤总长超过2000千米的“京沪干线”便采用了这一方案。在可信中继方案中,需要人为保障中继站点的安全,而中继之间的线路则是安全的。这比传统通信手段中整条线路处处都面临着信息泄露的风险而言,大幅提高了安全性。

更为长远的方案是使用量子中继器。量子中继包括量子纠缠纯化、量子纠缠交换和量子存储等手段,可以在遥远地点间分发量子纠缠,从而实现远距离的量子通信。潘建伟团队在量子中继的核心环节取得了一系列重要成果,目前已可支持通过量子中继实现500千米的量子通信。但是量子中继器的实际应用可能还需要等待10年之久。

目前更为有效的方法是基于卫星的量子通信技术。这种手段不受地球表面障碍物的影响,在外太空也几乎没有衰减。我国于2016年研制成功并发射国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在国际上率先实现星地量子通信实验,充分验证了这一技术的可行性。

报告中,潘建伟展望量子通信的未来,描绘了一幅令人遐想的图景:通过量子卫星与地面光纤网络,并与经典通信网络相融合,未来将可形成覆盖全球的广域量子通信网络,全面提升信息安全水平。而利用广域的量子通信网络,人类可以发展出空间分辨率极高的望远镜技术;也可以构建高精度的光频率传递网络,精度相比现在的微波时频网络可以提高4个数量级。而“墨子号”量子卫星发展的空间量子科学实验技术,也为物理学基本原理研究提供了全新的平台。例如,最近潘建伟团队利用“墨子号”量子卫星对Event Formalism量子引力模型进行了检验,首次对量子力学和引力的融合进行了实验探索。利用高轨空间极低的引力和磁场噪声,未来还有望实现精度高达10-21的光钟,将会促进对引力波信号,特别是低频信号的探测,可以揭示更为丰富的天文现象。(科技日报)

 

积极回应婴儿发声有助其语言发展

英国谢菲尔德大学近日发布的一项研究结果说,在婴儿牙牙学语的时候,如果大人能通过眼神交流、语言回复等方式予以积极回应,会有助于孩子的语言发展。

该校学者领衔的团队近日在美国期刊《发展科学》上发表的论文说,他们分析了一些11至12个月大的婴儿与照顾他们的大人玩耍时的录像,观察了这些婴儿的发声、手势和凝视动作,以及大人的回应情况。后来还让参与研究的大人填写了关于孩子语言能力发展情况的问卷。

结果发现,11至12个月大的婴儿会经常尝试与照顾他们的大人进行眼神交流并咿呀发声,这时大人的回应就显得很重要。数据显示,孩子19个月大时掌握的平均词汇量大约是100个,而如果孩子在1岁左右开始牙牙学语时,大人能通过眼神交流和语言回复等方式予以更多积极回应,这些孩子的词汇量会多出约30个。

谢菲尔德大学的埃德·唐纳伦博士说,婴儿在学会说话前就能与人交流,大人如果能够及时回应他们的交流尝试,能够帮助他们更好地学习语言。(新华网)

 

天文学家发现“一日进三餐”的黑洞

一个国际天文学团队新发现一个“一日进三餐”的超大质量黑洞,它大约每9个小时“吞食”一次物质,“每顿饭”吃掉的物质大约相当于4个月球。

美国航天局等机构研究人员在新一期英国《自然》杂志上发表的论文说,这个黑洞位于代号“GSN 069”星系的中心,距离地球约2.5亿光年,质量大约是太阳的40万倍。

研究人员利用美国航天局钱德拉X射线天文台和欧洲航天局“XMM-牛顿”天文望远镜,观测到这个星系有X射线周期性爆发现象,爆发期间的X射线喷射强度比安静期间高约20倍。由于黑洞在吞噬周围物质的过程中会发出X射线,研究人员推测这是该星系中央黑洞在周期性地吞食物质。

对于这个黑洞大约“一日三餐”的频率,研究人员提出了两种可能的解释。第一种可能性是黑洞周围吸积盘中的能量逐渐蓄积,当达到不稳定状态时,物质就落入黑洞,这一过程不断循环;第二种可能性是黑洞吸积盘与绕黑洞运行的另一个天体之间有周期性的相互作用。(新华网)

 

“小行星撞地球致恐龙灭绝”假说添佐证

美国科研团队为小行星撞击地球导致恐龙灭绝的假说找到新证据。发表在新一期美国《国家科学院学报》上的研究显示,一个埋藏在墨西哥近海海底巨大撞击坑的岩石“记录”了小行星撞击地球那个地球生命史上“糟糕”的日子。

“行星撞击说”认为,6500万年前,一颗小行星撞击了地球,撞入墨西哥尤卡坦半岛,并在希克苏鲁伯镇附近形成一个宽约160公里、深约20公里陨石坑。撞击产生的威力相当于100亿颗二战时期使用的原子弹,曾导致地球上75%的动植物灭绝。行星撞击引发了森林大火和海啸,并将硫喷射到大气中,遮蔽了太阳,从而导致了全球变冷,最终使恐龙灭绝。

新研究显示,钻探取自希克苏鲁伯陨坑的岩石中含有爆炸性熔融、大地震、海啸、泥石流和森林大火导致的约130米厚的沉积物。研究人员认为,这些都是在小行星撞击地球后24小时内形成的。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队在沉积物中发现了木炭和与土地真菌有关的生物标记物,这些生物标记物位于沙层内部或沙层之上,表明沉积物是海啸回流带来的。

研究人员还发现陨坑周围的岩石都富含硫,但陨坑中的岩石却没有硫,这表明小行星撞击时将含硫物质气化。研究人员估计撞击至少将3250亿吨的硫释放到大气,导致全球平均温度大幅降低,并持续了几十年。(新华网)

 

"同性恋基因"不存在

        有许多研究发现某些基因位点与同性恋相关性很大,因此也被认为是“同性恋基因”。不过,最新发表在《科学》上的研究已经明确:不存在“同性恋基因”。

1969年6月27日,在美国一家名为“stonewall”的酒吧,同性恋者开展了一场抵制歧视与暴力的运动,这也成为后来同性恋权利运动的起源。为了纪念该历史性事件,人们用酒吧的名称将该反歧视的抗议开端称作“石墙事件”。

在这场运动4年后,美国精神病学会开始重新考量同性恋的定义,并在后续的《精神疾病诊断与统计手册》中删除了同性恋这个术语;1990年,世界卫生组织正式将同性恋从精神病名册除名;2001年,中华精神科学会也将同性恋从精神疾病分类中删除。每一个时间节点都意味着,无论是科学上还是文化上,越来越多的人开始正视这一群体的存在。

在同性恋者走在前线为自己争取正当权利之时,背后也有众多生物学家在探索不同性取向背后的生物学因素。首先科学家开始调查,我们究竟忽略了多少非异性恋群体?2011年,加州大学洛杉矶分校专门研究性取向的威廉研究所综合分析了9项有关性取向的调查研究后,认为美国非异性恋人群大约在3.5%左右,而全球各地的样本比例也在1.2%~2.1%之间波动。之后2014年,美国疾病预防与控制中心也印证了之前威廉研究所的数据。如果按照美国3.27亿的人口计算,仅仅美国的非异性恋群体就有近1100万。那么,如此庞大的非异性恋群体为什么会存在呢?

从基因寻找答案

一开始,科学家关注的重点主要是:是否有基因影响了性取向。在上个世纪90年代的研究中,美国国立卫生研究院的一些研究证据指向了X染色体上的Xq28位点,他们认为这个位点出现突变与同性取向相关;而随后在2005年,又有另外一些研究认为8号染色体上某段区域也可能与性取向存在联系,并将这段位点标志为8q12。

这两段区域在2014年美国北岸大学的一项分析中得到了印证,当时研究人员分别比较了数百名同性恋与异性恋的基因组,找到了这两个区域上的一些单碱基突变与性取向存在联系。不过,当时该项研究没有找到特别的哪一个基因会与性取向相关。而2017年,同样来自北岸大学的研究扩大了调查样本数量,锁定了两个基因。包括13号染色体上的SLITRK6,这个基因会在间脑的部分区域活跃表达。这部分脑区中含有一个关键部位——下丘脑,而实际上在1991年,已经有研究指出,同性和异性取向的人下丘脑大小不同。这似乎能一定程度上将性取向和基因联系上来。另一个基因被称作TSHR,主要与甲状腺功能相关,也能间接地和同性恋扯上关系。

不过,这些研究也并非直接找出了所谓“同性恋基因”。而且很多实验都无法重复,也不能说明哪一个基因位点突变就决定了个体成为同性恋或者异性恋。研究者由于样本数量的限制,最后也会总结出一个复杂的结论,即性取向会受到基因、环境等各种因素的影响,甚至认为出生顺序,孕期激素都会影响下一代性取向。因此,在性取向生物学中一直存在着悬而未决的问题,那就是基因在性取向中起到了多大作用,到底有哪个基因让个体成为了同性恋?

不存在”同性恋基因”

现在,最新发表在《科学》上的新研究几乎可以对这个问题下一个定论:不存在“同性恋基因”,更加不要妄想通过基因来预测、“矫正”和“治疗”同性恋。这次由麻省理工博德研究所、哈佛大学和剑桥大学联合开展的医学和人类基因组项目,涉及了近50万名有同性取向的人,包括了曾经与同性发生过性关系或者同性关系次数远超异性关系的人。

目前,想要找出个体间表型差异基因层面原因的最好手段,就是全基因组关联分析(GWAS)。该技术可以在全基因组范围内检测出样本的单核苷酸多态性位点(SNP),通过与对照组进行比较,就能找出所有的发生变异的等位基因频率。这种方法有一个优势在于,它是非假说驱动的,因此科学家不需要先做出预测,然后再开展实验。相反,它是直接分析样本,给出基因差异,从而可以避免假阳性的产生。因此在对性取向研究时,可以避免研究人员先入为主造成误差。

从2005年开始,已经陆续有研究尝试利用GWAS寻找与同性性行为相关的基因位点,2005~2016各研究找到的可能相关基因位点数的平均值为13.6。而在这次以Andrea Ganna为第一作者的研究中,他们发现了5个基因位点可能和同性性行为存在联系,2个主要集中在男同性行为,1个集中在女同性行为,另外2个男女都有。不过,Ganna发现的这5个位点都没有位于X染色体上。

在5个位点中,与男同性行为相关的一个位点上游有着嗅觉受体基因TCF12,TCF12负责调控睾酮和雌激素,并且会影响人对特殊气味的敏感性。另一个位点,在Y染色体性别决定区域基因(SRY)的下游,而SRY决定着男性性特征的发育。看起来似乎能将基因和同性性行为联系起来,但是事实真的如此吗?Ganna利用特殊的位点遗传分析技术对这5个位点进行了分析,结果显示,从基因层面来看,每一个基因位点对同性性行为的影响程度上限也就维持在8%~25%之间。而当Ganna将GWAS产出结果综合起来分析时,基因能解释同性性行为的可能已经降到1%以下。因此Ganna在论文中写道,“影响率是如此的低,因此不存在任何方法可以从基因中去预测同性性行为。”

哈佛大学社会学家Melinda C. Mills在该篇论文的评论稿中同样指出,低于1%的这个数字说明,想要利用这些遗传学的结果,从而去预测、干预或者“治疗”同性恋是完全不可能的。而人类的各种复杂社会行为,都不可能利用一个基因位点去解释。

性取向无法简单解释

其实近些年来,已经有研究者提出性取向并不是一个非黑即白的选项,而是一个连续谱。这个连续指的是基因在影响表型时是处于离散的状态,就像眼睛颜色有棕色、蓝色,但是棕色的颜色深度也会有一个由浅至深的连续谱。而性行为也是如此,落在性取向连续谱两端的人,基本上是不能够改变性取向的,而落在性取向连续谱中间的人往往会在外界影响下发生改变。

这部分人通常会受到社会压力而做出选择,长期从事性取向连续谱研究的美国维斯塔行为研究和技术研究所的Robert Epstein指出,在连续谱中间的人通常会最终选择异性恋那一端,因为目前社会是强烈支持异性恋行为的。这就像左撇子会在社会主流文化影响下被训练使用右手一样。

Epstein同样将左撇子与同性性行为做出了类比,即没有一个基因能够让人成为左撇子,因此像人类这种复杂的社会行为就更难用某个“同性恋基因”去解释。像那些觉得可以轻易改变性取向的人,Epstein建议他们可以改为左利手生活几天,再回来讨论这一问题。既然自然界一直都存在同性行为,而并没有出现物种灭绝。并且在异性恋为主流文化的情况下,同性恋仍然存在,那么很多问题就不言而喻了。

就像论文最后总结的一样,对复杂的人类行为来说,不存在一个简单的答案。同性性行为为什么存在,又是怎样通过基因与环境相互作用产生的?现在还没有科学家能给出回答,毕竟,连左撇子怎么产生的也还没有人完全弄清楚。(环球科学)

【洪田短评】

并非所有的人类行为都是由基因决定的。人类的心理因素和社会环境往往会对人类个体产生巨大的影响。为什么要重视文化?为什么要重视个人的思想修养?因为文化和修养可以把一个”生物人“塑造成为一个“社会人”。

(选编: 洪田 博士)

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