聚焦“智慧的選擇” 格致論道·灣區科學家黃埔開講

魚刺可以用基因編輯技術“敲除”？人為什么會做無意義的“白日夢”？研究動物進食，得先研究大便？5月20日下午在黃埔區，2023年廣州科技活動周暨格致論道·灣區第22期聚焦“智慧的選擇”主題，邀請6位科學家從人臉識別到深潛器設計、從納米測汞到無刺魚改良、從動物行為進化到食肉動物群落研究分享了他們自立自強的科研攻關故事。

該活動由廣州市科技局主辦，廣州物聯網研究院承辦，廣州市黃埔區科學技術局、廣州市黃埔區教育局、廣州市黃埔區科學技術協會（廣州開發區科學技術協會）、廣州市玉巖中學協辦。

朱翔昱：從二維人臉照片“架起”三維結構

如何在姿態變化較大的情況下準確識別人臉？如果僅有側臉或被部分遮擋的面部，人臉能否被精準識別？這些問題長期以來存在于海關識別、刑偵追蹤以及日常手機應用當中。

“如果能根據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。”中國科學院自動化研究所副研究員朱翔昱介紹道。但這在現實中難度非常大，首先需要從二維的照片中恢復出人臉的三維結構，然后在三維空間對人臉的姿態和表情進行校正，才能生成面無表情的照片。朱翔昱及其團隊花了近10年的時間研發出全姿態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，另一方面訓練神經網絡使其自動學習，提升了人臉生成速度。通過重建三維人臉，在三維空間對人臉照片進行轉正，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，人工智能會變得更加人性化。

高澤霞：調控基因，讓魚“有刺”變“無刺”

中國水產養殖產量連續33年位居世界首位，占世界水產品養殖總產量的65%左右。可以說，全世界每3條養殖的魚，就有2條來自中國。

魚好吃，但小刺難挑。“我們數了一下，平均一條武昌魚肌肉中的小刺大概有120根。” 華中農業大學水產學院高澤霞教授介紹道。我國主養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隊歷時10年，在斑馬魚的68個基因突變體中篩選鑒定，找到了調控肌間刺發育的關鍵基因，并用基因編輯技術敲除掉這個關鍵基因。從減少小刺數目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。經過試吃和數據驗證，無小刺武昌魚與普通魚在體型、口感、營養上相差無幾。“今年，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，我們希望可以把沒有肌間刺的草魚個體篩選出來。”高澤霞補充道。

馬英杰：萬米載人深潛背后，“鈦”不一樣

2020年11月，“奮斗者”號載人深潛器成功下潛10909米海底，創造了中國載人深潛的新紀錄，這也是世界上首次同時將3人帶到海洋最深處。

載人艙是深潛器的關鍵部件之一，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；為了實現多次安全下潛，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，會導致深潛器過重，影響上浮性能，只能通過選用高強度、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，還能實現3人、多次下潛呢？國產新型鈦合金材料就是解決這一問題的關鍵。

經過12年的不斷優化和上千次的測試，馬英杰研究員所在的中國科學院金屬研究所鈦合金團隊自主研制的新型鈦合金終于問世，成功鑄造“奮斗者”號載人球艙。目前“奮斗者”號深潛器已實現數十次萬米下潛，我國已經成為萬米下潛次數和人數最多的國家。“載人艙研制借助了全國多個科研單位的力量，從材料制備、鍛造、焊接到成型，帶動了國內整個鈦工業的發展，真的‘鈦’強大！”

陳佩佩：探汞納米傳感器，守護飲用水安全

汞是一種典型的重金屬污染物。過量汞進入水體會導致汞中毒，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現了汞，這說明汞的污染已經非常嚴重。然而，傳統檢測水中汞的設備體積大、檢測周期長、成本高，無法攜帶到現場進行及時檢測和預警。有沒有可能研發出可以在現場快速檢測出汞的設備呢？

“一項國家級項目的成功申請給予我們利用納米加工技術研制汞快速檢測傳感器的機會。”國家納米科學中心研究員陳佩佩介紹道。為什么是納米技術？因為基于納米光學效應的檢測靈敏度非常高、響應速度快，甚至能夠檢測單個分子。陳佩佩及其團隊提出，利用三維納米結構引發一種電磁波的增強，從而大幅提升檢測靈敏度，并通過百余種納米結構的實驗結果進行了驗證，從而建立了傳感芯片定量設計方法。團隊基于多年來的納米加工技術研究基礎，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開發與集成，研發出可以手持的、性能先進的汞納米傳感器，建立了從傳感芯片設計、批量制備到應用的完備平臺。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境污染物、危化品、藥品、化妝品、食品、農殘等領域，具有廣泛應用前景。

唐業忠：神奇的動物行為背后是大腦的選擇

動物的本能是生存和繁衍，但實際上動物經常會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”。

中國科學院成都生物研究所研究員唐業忠對這些行為的適應意義進行了長期的思考。一次偶然的機會，他聽到了一種理論，即神經系統內部廣泛存在競爭關系。那這種競爭是否可以解釋這些怪異行為呢？唐業忠介紹道，行為的發生受到神經系統的直接控制，而神經系統內部因為結構和功能的同質化，導致相互之間存在競爭。比如用作存儲信息的神經元網絡，是由神經元通過化學突觸構成的，有刺激時突觸得到加強，而無刺激時突觸衰減。如果長期得不到刺激，神經元網絡就會分解，無法儲存信息形成記憶。神經突觸的形成很緩慢，但人們卻可以形成瞬時記憶，這說明在大腦中有大量預先儲備的冗余網絡。而這些冗余網絡也需要持續、適當的刺激來維持，這些刺激表現為無目的性、隨機性或偶然性。比如作為夜行性動物的飛蛾，其視覺網絡長期處于“饑餓”狀態，一旦有光就會不要命地撲上去。成癮、醉酒、超常刺激等則通過獎賞系統對腦進行刺激。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，唐業忠原創性提出神經網絡“間接選擇”理論，這對幼兒教育也有啟示。他認為應該對兒童大腦進行全方位的刺激，而不是過早地開始單一的算數和習字。

姚蒙：高原食肉動物進食法則

大型食肉動物通常處于食物網的最頂端，通過自上而下的調控，在調節食物網和維持生態系統平衡中起到重要的作用。盡管大型食肉動物非常重要，但受人類捕獵、破壞棲息地等行為影響，其物種數量和分布范圍在全球范圍內迅速下降。

我國西南山地及青藏高原的東南部地區是全球大型食肉動物種類最豐富的地區。要想更好地保護這里的大型食肉動物，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？大型食肉動物數量少、行動隱秘，想直接觀察它們吃什么并不容易。因此，北京大學生態研究中心副研究員姚蒙轉換思維，帶領她的學生從動物輸出的“糞”去研究入口的“食”，他們歷經8年，在我國西南山地采集1700余份動物糞便，通過糞便DNA分子食性分析方法去判斷每一份糞便對應的動物物種和食物組成，最后獲得了900多份食肉動物的高精度分子食性數據，這也是世界上首個多種食肉動物的分子食性數據集。姚蒙通過構建高原食肉動物食物網，分析得出不同食肉動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食物資源的競爭，更好地在生態系統中共存。

文/廣州日報·新花城記者：方晴 通訊員：雷錦萍

圖/廣州日報·新花城記者：方晴 通訊員：雷錦萍