空间科学
Space Science
小行星险撞地球，为什么近到眼前才发现？
7月25日你在做什么？
那天，有颗名叫“2019 OK”直径57-130米的小天体，差点撞上地球。最近的时候，离我们的头顶只有7万公里，相当于地月距离1/5！要是这个数字没给你感受到惊险的话，来对比一下洛希极限，对，就是电影《流浪地球》里提到的那个洛希极限。根据来犯天体的密度不同，地球的洛希极限大约就在1~3万公里左右。这次7万公里的擦肩邂逅，真心没有偏出太多。
也许你还觉得直径100米左右的石头听起来没什么可怕，然而历史告诉我们，哪怕一个直径10米的小天体撞上地球也会产生原子弹级别的破坏力。2002年6月6日降落在东地中海，2009年10月8日降落在印度尼西亚，这两次撞击的天体都只有10米左右，但是都释放了不亚于广岛原子弹的能量。所幸这两次撞击地点都远离人类居住区，没有造成人员伤亡。而2013年2月15日那次发生在俄罗斯的陨石事件就没有那么幸运。尽管不是结实地撞击地球，只是斜擦过地球时在3万米高空碎裂，这颗仅20米大小的天体，仍然在人口稀疏的Chelyabinsk市造成了1491人受伤，大多是被震碎的玻璃划伤。
对太阳系里这些熊孩子一样乱跑的小天体，天文学家们早就又担心又害怕，尤其是其中的近地小行星——直径1公里以上且轨道跟地球轨道有交叉的小行星——天文界专门组织了巡天监测任务。承担熊孩子看守工作的有Pan-STARRS、ATLAS、SONEAR和Catalina等。几天前这次惊险一幕，就是被巴西的SONEAR发现的。SONEAR的全称是Southern Observatory for Near Earth Asteroids Research，看名字就知道他们的本职是什么了。
你猜SONEAR提前了多久发现“2019 OK”这个熊孩子？答案是7月24日，也就是只提前了1天！先别掀桌子，其实11年前也有一次类似经历，2008年10月6日Catalina巡天系统发现了一个直径4米多的小天体要撞击地球，20小时后的10月7日，这颗刚刚被命名为“2008 TC3（3为下标）”的小天体，就在苏丹北部努比亚沙漠上空爆炸，化做耀眼的流星雨。
科学家之所以没能更早地发现“2008 TC3（3为下标）”和“2019 OK”，完全是因为这种直径只有几百米甚至几十米的天体实在太暗了。如果在夜晚可观测到的话，发现难度还相对低些，可是如果运行轨迹刚巧淹没在太阳光中，那科学家们就算瞪瞎了眼睛也不可能看到。更何况承担大范围巡天任务的都是小口径望远镜，只有专注小范围天区的工作才使用大口径望远镜。
另外一个困难就是引力扰动影响，小天体很容易受行星或卫星的影响改变轨道，这种轨道改变本质上是混沌系统，不能长期精确预测，只能持续跟踪观察，并根据观察结果数据不断更新轨道计算结果。
当然，真正世界末日级别的威胁主要还是来自于直径在1公里以上的小行星，比如6500万年前灭绝了恐龙的那颗小行星，据估计直径大约10公里左右。自从近地小行星巡天监测成为一个专门任务以来，已经有近900颗直径1公里以上的小行星被密切监视着。
所幸近年来新发现的直径1公里以上的小行星数量越来越少，这个趋势让我们大体可以不必太担心遭遇物种灭绝级别的大灾难。最近新加入监视清单的都是直径1公里以下的小天体，而且似乎存在某种机制在不断制造出小天体。
噢，对了，科学家还预测到10年后还有一次惊险时刻。2029年4月13日（那天是个星期五，是不是有点慌？）一颗直径400米的小行星会擦过地球，最近距离只有3万公里，比这次更近……
[1] https://www.sci-news.com/astronomy/asteroid-2019-ok-07446.html
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Near-Earth_object
交叉学科
Interdisciplinary
学科交叉：地震学启发光学算法，白墙能当镜子用有了新进展！
Wave-based non-line-of-sight imaging using fast F-K migration
针对非视距成像（NLOS）问题，斯坦福大学提出了一种基于波的成像模型。受到地震学方法的启发，他们采用频域方法f-k偏移来求解NLOS的反演问题[1, 2]。那么，什么是非视距成像？简单来说，就是应用一些中间媒介，对躲藏在遮挡物之后的目标进行数字化重建，从而让人“看到”视线所不及之处的场景。
?如何进行目标物重建？
目标物的重建依托于非视距成像原理，具体来说，在拍摄时，高速脉冲激光器（如皮秒激光器）发射的高速脉冲，入射至墙面或天花板等遮挡物发生散射，散射光传向待测目标物体表面，经过目标物再次反射散射后一部分光子得以原路返回。最终，这些光子会回到激光的出射位置，根据光子返回时间的差异，成像系统能对拍摄空间进行数字化计算，从而重建出隐藏物体的三维几何形貌。
成像系统记录了激光从墙上散射后，继而从隐藏目标身上反射，再回到墙上所花的时间。通过获取不同激光位置在壁面上的定时测量值，可以重建隐藏物体的三维几何形状 | 图片来源：David Lindell
频域方法f-k偏移的算法优势
与现有的非视距成像算法不同，f-k偏移算法计算速度快，内存效率高，与其他方法相比，f-k偏移算法对测量噪声具有更强的鲁棒性，通常能产生更好的重建质量，且原理简单易于实现。
频域方法f-k偏移来求解NLOS的反演问题，简单来说，需要三个步骤。(1)将测量值进行傅里叶变换，(2)沿时间频率维度重新采样。然后，(3)利用傅里叶反变换恢复隐藏目标物的三维几何形状。具体过程如下视频所示。
视频请戳：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxNzQyMjU5NQ==&mid=2247486248&idx=2&sn=7d363fca82c2a5b35db3d2cf897099f5&chksm=f9992044ceeea952ae113b41876e27e326775040ca851fa5b37695de385f669a795e139c313b&token=2142001145&lang=zh_CN#rd
视频来源：David Lindell
利用f-k偏移算法实现的非视距成像，已经得到了许多令人着迷的实验结果。在交互捕捉实验中，我们可以以4 fps的交互速率捕捉身着白色反光服志愿者的运动。虽然从拐角处拍摄，但我们清楚地重建了志愿者的运动行为。
视频请戳：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxNzQyMjU5NQ==&mid=2247486248&idx=2&sn=7d363fca82c2a5b35db3d2cf897099f5&chksm=f9992044ceeea952ae113b41876e27e326775040ca851fa5b37695de385f669a795e139c313b&token=2142001145&lang=zh_CN#rd
交互捕捉|视频来源：David Lindell
在户外环境下实测（噪声更大），利用高能激光束扫描石头墙壁也成功地实现了隐藏场景（石膏雕像以及绿植）的重建，该实验也进一步验证了f-k偏移算法具有更强的鲁棒性。
视频请戳：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxNzQyMjU5NQ==&mid=2247486248&idx=2&sn=7d363fca82c2a5b35db3d2cf897099f5&chksm=f9992044ceeea952ae113b41876e27e326775040ca851fa5b37695de385f669a795e139c313b&token=2142001145&lang=zh_CN#rd
户外实测 | 视频来源：David Lindell
虽然，目前这种技术，在一些简单环境中，实验性质的操作，或者说理论上的验证没有任何问题。但要进入实际应用，也许还需要技术方面更大的突破。
[1] https://news.stanford.edu/press/view/29312
[2] https://www.computationalimaging.org/publications/nlos-fk/
智能设备
Intelligent Device
超乎想象：智能手机甚至可以进行病毒检测
Mobile imaging platform for digital influenza virus counting
传统的科研离不开大量的设备，而上位机更是其中进行协调和指挥的“大脑中枢”。计算机作为一种应用最为广泛的上位机，已成为了数据处理和分析的最为主要的平台。智能手机以及各种移动端设备的普及，使得轻量化、云端、远程科研成为了另外一种趋势。试想，无论你身在何地，通过身边的智能手机就可以控制和操作复杂的实验流程，这将是多么的便捷与高效！一个典型的例子就发生在人工智能领域，科学家曾尝试利用智能手机进行神经网络训练，当全球几十上百亿台智能手机同时进行算法训练，其算力将远超这个地球上性能最强的超级计算机。
另一个例子发生在最近，日本科学家利用智能手机实现了病毒检测[1]。目前评估病毒和其他疾病生物标记物存在的主要方法虽然很高效的，但是往往规模较大且价格昂贵，甚至由于某些经济和地理因素，使得它在许多情况下都难以使用。因此，东京大学研究人员使用低成本组件和智能手机创造并测试了一种微型系统，研究人员希望该系统能够帮助到那些处理和分析疾病传播的医疗人员。
东京大学研究人员使用低成本组件和智能手机创造并测试的一种微型病毒检测系统 | 图片来源：2019 Rohan Mehra - Division for Strategic Public Relations
利用该平台，研究人员成功完成了牛碱性磷酸酶的数字酶测定，基于荧光法测定病毒神经氨酸酶活性的数字流感病毒计数也得到了证实。在该平台上成功观察到了单个病毒颗粒产生的不同荧光斑点。检测到的荧光点数目与病毒效价呈良好的线性关系，表明该方法具有较高的灵敏度和定量能力。除此之外，使用该移动成像平台进行数字流感病毒计数，结果显示出比商用快速流感测试剂高达100倍的灵敏度。这些实验证明了智能手机检测流感病毒的可行性，为病毒检测提供了一种新思路。
[1] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/LC/C9LC00370C#!divAbstract
生命科学
Life Sciences
吸烟的新危害：使病菌更耐药
Cigarette smoke exposure redirects Staphylococcus aureus to a virulence profile associated with persistent infection
在此之前，研究人员往往认为，吸烟者更易受感染是因为吸烟对我们免疫系统的破坏作用。但最近的一项研究表明，事实也许并非如此：巴斯大学的研究人员表示，香烟烟雾可以改变致病微生物的DNA和特征，会使例如MRSA（金黄色葡萄球菌）菌株等对抗生素产生更强的耐药性[1]。
香烟烟雾加速了人类病原体金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)中耐抗生素小菌落变异(SCVs)的出现。左侧为正常野生型金黄色葡萄球菌；右侧为耐庆大霉素SCVs | 图片来源：University of Bath
研究表明，暴露在香烟烟雾中的一些金黄色葡萄球菌菌株会更具侵袭性和持久活性，尽管这种效果并不是在所有测试的菌株中都普遍存在。研究人员认为，香烟烟雾引起的应激性会引发金黄色葡萄球菌紧急的“SOS”反应，这将增加微生物DNA的变异率，导致耐受性变强、持久性变强，从而更好地抵抗抗生素。
“吸烟作为全球可预防死亡的主要方式，香烟烟雾中包含有约4800多种化合物。我们以金黄色葡萄球菌作为研究对象，是因为它在人类中很常见，可以引发一系列疾病，所以我们想看看当把它暴露在烟雾中会发生什么。”巴斯大学的研究人员表示，“香烟会使这些菌落产生变异，使得其具有更强的粘性、侵入性和持久性。此时的它们很难被抗生素消除，并可以引发一系列慢性感染。我们希望通过我们的工作为呼吁人类不吸烟以及现有的吸烟者戒烟提供另一个合理的理由。”
[1] https://www.nature.com/articles/s41598-019-47258-6
生态学与进化
Ecolony & Evolution
未孵化的小海鸥，也能“听到”声音
Unhatched Gulls Shake Their Shells to Warn Siblings of Danger
大自然鬼斧神工，演化出无数的“智者”。月见草听见嗡嗡的声音，能够产生更甜的花蜜吸引蜜蜂，促进花粉传播；牛儿听着音乐，心情愉快，会产生更多乳汁……近日，有科学家发现，未孵化的小海鸥可以听到母鸟的示警信息，并通过蛋壳的振动向同窝的“兄弟姐妹们”传递危险信号，相关结果发表在《自然生态学与进化》杂志上[1]。
文章的共同作者Jose Noguera（西班牙维戈大学的进化生态学家）在接受《卫报》采访时说，“众所周知，胚胎能够感知卵子外部的某些信息。但直到现在我们才知道，它们不仅能感知外部信息，还能将其从一个胚胎转移到另一个胚胎。”
鸟儿们在其白色羽毛的沙沙声中发出叫声，以便在求偶和喂食期间互相交流。当遇到捕食者时，海鸥们会发出一系列声嘶力竭的啼叫，这是一种典型的示警信号。
研究人员在Sálvora岛上（黄腿海鸥的繁殖地，位于西班牙海岸附近的小块陆地上）收集了90枚海鸥蛋，他们将其中30枚海鸥蛋暴露在这种标志性啼鸣声中，每天四次，并另取30枚海鸥蛋暴露在白噪声中作为对照，剩下的30枚仍放置在野外安静的孵化器中。海鸥蛋在示警声中发出振动，将其放回巢穴内时它们依旧会持续振动。而未暴露在示警声中的同窝们与实验组的海鸥蛋进行物理接触后也受到了“蛊惑”，并产生比对照组更多的振动。
这些振动的海鸥蛋孵化时间较对照组晚，并且在孵化后，产生更迅捷的应激反应和高水平的应激激素皮质酮。另外，在有危险时，幼鸟发出的声音较少，并可以更迅速地蹲下。小海鸥的DNA甲基化水平也比对照组更高，这表明某些基因在发育期间被激活。康奈尔大学的鸟类学家Kevin McGowan在接受《纽约时报》采访时评价说，“这一结果太出乎意料了，孵化前的鸟类竟然可以将它们的智慧传达给它们的兄弟姐妹。”
文章作者Noguera旨在研究胚胎与胚胎之间的关系，以进一步了解在发育过程中同窝幼鸟的适应性以及兄弟姐妹在孵化后如何生存。他告诉《科学美国人》说，“如果一个胚胎能够感知环境信息，它也可能会感知到有多少潜在的兄弟姐妹或竞争对手将会孵化。”
[1] https://www.nature.com/articles/s41559-019-0929-8
编辑 | 陈航
编译 | 陈航、徐颖、董唯元
《返朴》，一群大科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑，与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起，与你共同求索。二次转载或合作请联系fanpusci@163.com。
