我们是如何听到的，回声定位和巨大的放屁垫

科学家在地下2.8公里处发现了一种细菌种群，它们依靠铀产生的辐射生存。这一发现使得宇宙中其他地方存在生命的可能性大大增加。这一发现是在南非约翰内斯堡附近的一个金矿发现的，发表在他本周的《科学》杂志上。听说在矿井中发现了一个新的充满水的裂缝，印第安纳大学布卢明顿分校的研究员丽莎·普拉特和她的同事收集了从裂缝中流出的水的样本。他们使用各种化学同位素技术来确定水被隔离在地下的时间，并使用DNA方法来确定水中含有的细菌数量。分析表明，这些水被困在地下已有1500万年到2500万年的历史，这意味着其中含有的细菌至少可以追溯到那个时候。DNA测试显示了大量的细菌，但有一个种群占主导地位，这是一种与在热液喷口发现的细菌密切相关的新物种，称为Furmicutes。这些生物适应于消耗氢和硫化合物，这些化合物是矿物被衰变铀的辐射击中时释放出来的，铀也存在于岩石中。Furmicutes的副产物和代谢物然后维持其他种类的细菌。以前，科学家们一直认为地球上所有形式的生命都间接地依赖于来自太阳的能量。 But these bacteria, which have essentially existed on the energy provided by low-level natural radioactivity for millions of years, prove that's not the case. And at the same time they greatly increase the odds of life evolving to exist in similar conditions elsewhere in the universe...

美国研究人员发明了一种检测方法，可以通过检测血液中癌细胞的存在来检测黑色素瘤(一种皮肤癌)的扩散。这项技术被称为光声检测，其灵敏度足以在含有数百万细胞的血液样本中检测出10个癌细胞。在《光学快报》杂志上，密苏里-哥伦比亚大学的John Viator和他的同事们利用一位癌症患者身上培养的黑色素瘤细胞开发了这种方法。但他们也概述了该测试如何作为早期预警系统，在早期阶段发现癌症扩散。他们建议收集潜在癌症患者的血液。红细胞和血浆会被丢弃，只留下白细胞和任何黑色素瘤细胞。然后用激光发出的短暂(十亿分之一秒)蓝光照射这些物体。黑色素瘤细胞优先吸收激光能量，因为它们含有棕色黑色素颗粒。这使得它们随着激光的每次闪光而膨胀和收缩，产生可以用专门的麦克风拾取的超声波冲击波。由于其他人类细胞不含有与黑色素相同颜色的色素，因此黑色素的“特征”很容易被发现。 And the presence of such a melanin signal is highly diagnostic. "The only reason there could be melanin in the human blood is that there would be melanoma cells," explains Viator.

克里斯:我想，我们都认为耳朵是理所当然的。它们到底是如何工作的?

鲍勃:基本上，声音是空气中的振动，它被你头部侧面的软盘接收。这就是耳廓。然后声音被传送到内耳，内耳内部有一层膜，一端又薄又硬，另一端则摇摆不定。细而坚硬的钻头对高频声音的振动最大，而低而宽而摇摆的钻头对低频声音的振动最大。

克里斯-那就是耳蜗，对吧?

是的，这是耳蜗内的基底膜。在这个长度上有一系列的受体细胞，它们接收振动并沿着神经纤维传递到大脑。

克里斯:所以在耳蜗的不同部位，你的振动比其他部位的振动要大一些，这就在神经中产生了大脑可以理解的电信号。

鲍勃:完全正确，是的。

如果我站在一个嘈杂的房间里，我的两只耳朵都会受到来自各个角度的声音轰击。然后你在房间的另一边说点什么我就能专注于你的声音了。那我该怎么做呢?

鲍勃:没错。尤其令人印象深刻的是，我们可以做到这一点，因为我的声音和其他人的声音至少在生理上是非常相似的。所以大脑会使用两到三种不同的技巧。其中之一就是你显然有两只耳朵。例如，我的声音可能一只耳朵比另一只耳朵大，我们可以利用这些差异。但是，即使你在听单声道收音机，并且有很多人在同一个节目中争论，你仍然可以区分出声音。大脑使用的是同一个人声音的不同频率成分会同时开始和停止，它们也会有一个共同的音调，大脑可以使用模式识别方法将这些东西组合在一起。

你的耳朵真的能适应某些声音吗?

鲍勃:耳朵能很好地调谐到单个频率，但问题是我的声音包含了很多频率。它有摩擦音的高频嘶嘶声，以及我鼻腔和声音周围的振动产生的低频部分，大脑要做的就是把所有这些小块组合在一起，忽略可能属于别人的其他频率。这就是狡猾的地方。

克里斯-那么一旦它被转换成电子神经信号，这些信号去哪里被解释呢?

在听觉系统的不同神经通路中有很多处理。所以在视觉方面，视网膜做了一些工作，它直接到达视觉皮层，中间没有太多东西。但在听觉系统中，脑干中有很多核;一个叫耳蜗核，另一个叫下丘。当它到达大脑表面的听觉皮层时，已经进行了相当多的处理。

Chris，前几天我读了一篇关于耳虫的精彩研究;歌曲在你的脑海里盘旋，你无法摆脱它们。这是怎么回事?

鲍勃:这是个有趣的问题。人们会听到一种特定类型的音乐幻觉。例如，有些人可以强迫自己想象声音，我们都这样做，但有些人只是让歌曲在他们的脑海中挥之不去，他们无法摆脱它们。有些人通过脑成像来识别皮层区域，虽然不是主要区域，而是次要区域。其中一个区域被称为“足球回家”区域，因为当播放特定的歌曲时，特定的人在扫描仪中显示出该区域的激活。

克里斯-我们离摆脱它有多近了吗，因为它太烦人了!

鲍勃-不是为了那些在你脑海里盘旋的歌。我觉得你最好去酒吧装得像只果蝇!你还会听到另一种恼人的声音，那就是耳炎。你会听到铃声，口哨声和嗡嗡声，这可能会让人非常非常虚弱。

Chris -这是同一种现象吗?

鲍勃:不，不完全是。我认为耳炎基本上是大脑对听觉系统外围发生的活动的解读。有时耳炎是由听力损失或耳部事件引起的。

克里斯:有时候，如果有人失去了什么东西，比如肢体的一部分，那么失去肢体的人会觉得自己还能感觉到肢体。他们也会经历幻肢痛。我确实从某人那里听到的一个建议是，当你长期暴露在大量的大声声音中，它会损害耳蜗的某些部分，这些部分会将某些频率转换成信号发送到大脑。由于耳蜗的某些部分受损或失去，就像幻痛一样，耳炎在听觉系统中是等效的。

鲍勃:我认为研究耳炎的一种方法是大脑对刺激听觉神经纤维的自发活动做出反应，这是我们都能得到的，作为某种威胁信号。有一些有趣的研究表明，在三分之一的耳炎病例中，人们实际上是在生活中的压力事件之后患上耳炎的。所以在某些情况下，他们的耳朵并没有什么特别的问题。但这可能只是因为他们的大脑已经开始将这个信号解读为威胁。这会让他们听起来更有威胁性，他们会变得更有压力。

克里斯:说到压力信号，你能给我解释一下为什么当有人把手指放在黑板上时，会让人很不舒服吗?

鲍勃:这方面有一篇有趣的论文。我想，如果你问大多数科学家，声音的哪个频率成分是最令人恼火的，你会说那是声音的高频成分。这些科学家所做的是过滤不同频率区域的声音，然后将这些转换后的声音呈现给人们，以找出哪些部分让人脊背发冷。这篇论文的题目是《令人毛骨悚然的声音的心理物理学》，令人惊讶的发现是，正是声音的低频成分导致了你脊椎的可怕颤抖。

克里斯-但我们为什么要得到它?我读到的一个理论是，当动物遭受可怕的事件时，比如狮子咬了一只试图逃跑的羚羊的背部，它会发出非常高的声音。这声音传得很远，很多其他动物都能听到。这会提醒你，刺激你逃跑;这是危险信号。这可能是背后的原因吗?

鲍勃:嗯，可能是这样，但是你可能会听到很多其他危险的声音。我可以在你耳边播放狮子的叫声，但它不会让你脊椎发麻，也不会让你脚趾发麻。

克里斯-不会，但是动物的叫声会。动物的尖叫声类似于手指划过黑板的声音。

是的，但我们需要知道的是，为什么有些声音让你感到痛苦，而另一些声音让你觉得，可怜的动物。我认为声音中有一些低频调制，这可能会激活一些大脑结构，但我认为没有人真正研究过任何细节。

我们来看看听力什么时候会出现问题，因为人们显然会失聪，听力会变得不那么敏锐。这是因为耳蜗正在失去进行转换过程的神经纤维或细胞吗?

通常是受体细胞死亡。通常有两种类型的细胞作用于基底膜。其中一个纯粹充当受体，另一个充当迷你放大器，如果你愿意的话。它们把能量踢回声音中，使基底膜对它喜欢的频率更挑剔或更有选择性。通常这些东西是最先消失的。

克里斯:所以当我们失去了它们，我们想用这种耳蜗植入技术来恢复它们，那是如何工作的呢?这是做什么的?

鲍勃:我想说的是，对于听力损失的人来说，标准的治疗方法仍然是使用传统的助听器，而耳蜗植入是为那些受体细胞已经完全死亡或功能相当差的人准备的。但是人工耳蜗看起来有点像普通的助听器。它戴在耳后，上面有一个麦克风。有一个小的射频发射器戴在耳朵上方的头部表面，它将能量传输到一个小接收器，这个接收器被植入人的头部。然后将电脉冲发送到插入内耳的电极上。基本上，高频声音会传到位于膜上的电极上，在正常听力中，这些电极通常会编码高频声音。

克里斯-它有多好?

鲍勃:如果你在安静的环境中听的话，效果会很好。在安静的面对面或电话交谈中，许多病人表现得非常好。首先，当不止一个人同时说话时，问题就会出现。另一种情况是当他们听音乐或听唱歌的时候。

克里斯-你给了我们一个样本。让我们来听听如果你戴着人工耳蜗听一段音乐会是什么样子。听起来他们不太喜欢那场音乐会。

鲍勃:不太喜欢。更重要的是，他们也听不到这个人在唱什么。

克里斯:我现在可以播放正常的那个吗?

鲍勃:是的[声音]。

克里斯-有点像艾拉·菲茨杰拉德。现在如果我播放第一个版本，会很神奇，因为你几乎可以听到你应该听到的。(声音)但是为什么它的演奏如此糟糕呢?为什么他们没有像我们大多数人一样体验到美妙的声音?

鲍勃:我认为原因是你可以听到别人说的话，当耳蜗植入物被开发出来的时候，这是主要的目标，因为人们需要说话并理解别人对他们说的话。但它们的设计并没有考虑到音高感知，所以基本上，耳蜗植入物中音高的编码方式与正常听力中的编码方式大不相同。

克里斯:还能改进吗?

鲍勃:是的，还可以改进。当然，一直都有一些小的渐进式改进。我们正在关注的一件事是，是否可以做出任何重大改变。换句话说，我们正在寻找一种更激进的声音编码方式的可能性。

克里斯-但不仅仅是蝙蝠能听到超声波。最近，研究人员发现了一种被称为凹耳流蛙的青蛙种群，它们生活在中国黄山温泉中。这些动物通过超声波相互交流，这是为了防止它们的叫声被附近的流水声淹没。Albert Feng在伊利诺伊大学报道。

阿尔伯特-这次发现主要是为了解开中国这种不寻常青蛙的谜团。在这篇论文中，我们描述了这些青蛙能够产生，但更重要的是能够与超声波交流。这是一种非常高频的声音，我们人类听不太清楚。

克里斯:这不是青蛙通常会做的事情，对吧?

艾伯特:不。令人惊奇的是，为了听到超声波，耳膜必须非常薄。此外，中耳小骨，也就是传递声音的骨头，必须质量小才能传递高频声音，这正是青蛙所做的。

为什么这些青蛙需要超声波?他们用它做什么?

阿尔伯特-说得很好。超声波是一种方法，可以让他们绕过这种由自来水产生的强烈背景噪音所掩盖的问题。这与蝙蝠使用超声波进行回声定位的原因非常相似。

克里斯:你到底是怎么发现他们使用超声波的?

艾伯特-当我们在2000年第一次记录它们的通信信号时。我们使用了可听录音机和可听麦克风，当时我们注意到，在我们可以可靠地记录的频率范围的高端，似乎有能量存在。所以三年后，我们在德国的同事带来了一个非常复杂的设备，令我们惊讶的是，他们的信号有超过120千赫的能量。

克里斯:那么当一只青蛙发出这种声音时，其他青蛙会有什么反应呢?

阿尔伯特:他们跟着。这些青蛙通常会形成我们所说的合唱，所以当一只青蛙叫的时候，它会诱使其他雄性青蛙也叫，形成合唱。合唱的声音被认为对吸引雌性更有效。

克里斯-这有点像狼的嚎叫，不是吗?所以这完全是雄性求偶的叫声。

阿尔伯特:是的，非常喜欢。

克里斯:那雌性是怎么反应的呢?你有记录过女性吗?

艾伯特:不，不幸的是，我们没有遇到太多的女性。只有一个是诚实的。

克里斯-所以它是否有效是有争议的!

阿尔伯特:我们不知道它是如何工作的，但我们看到了这种青蛙的一大堆巢卵，所以它们显然听到了它。

克里斯:那么如果青蛙也发出声音，你怎么知道它们真的对超声波有反应呢?你是如何区分这两种效应的?

阿尔伯特:所以我们必须利用特殊的过滤机制，这样我们就可以呈现呼叫的听觉成分或呼叫的超声波成分。

克里斯-他们的反应是一样的吗?

阿尔伯特:是的。

克里斯-那你怎么知道它是如何传递到神经系统的呢?是通过骨头的感觉还是通过这些经过改造的耳朵?

阿尔伯特:这显然是通过耳朵传导的，因为我们发现了一个堵塞耳道的实验。当我们这样做的时候，听觉反应完全消失了。

克里斯:这在青蛙中是独一无二的吗?

阿尔伯特:据我们所知，它是独一无二的。凹耳蛙非常罕见。

克里斯-那你现在在看什么呢?你下一步将把研究引向何方?

艾伯特:我们真的很想知道雌性听到了什么，以及它们对这些成分的反应。

我们试图利用这种能量。令人难以置信的是，冰岛农民甚至可以种植香蕉(尽管数量很少)，原因是他们使用了来自炎热的地球内部的地热能。冰岛地表附近有很多热岩浆，所以它们利用这些热量做各种事情。世界上还有其他地方，他们利用周围炎热的地球上的热量来加热水和发电。但最终的问题是热量从何而来，在某种程度上，热量一直存在。地球是一个巨大的天体，因此，它有大量的能量被困在地表下，但它已经冷却下来了。当地球最初形成时，它本质上是太空中的一团熔融物质。从那时起，它已经冷却了很多，但因为我们是一个相当大的星球，我们还没有失去所有的热量。还有第二个贡献。在地球还处于熔融状态的早期，所有重而致密的元素都比轻的元素更深地沉入地壳。 The heavy, dense things included radioactive elements like uranium, which continue to decay today, giving out heat as they do so. This so-called "radiogenic heat" accounts for about 90% of the planet's heat production.

飞机是，但不是在这些频率上。他们使用其他类型的技术，如无线电波来确定方向，着陆和其他组件。蝙蝠没有配备无线电接收器，但它们配备了声音接收器，并且它们使用这些接收器。潜艇使用声纳，这是同样的东西。他们从蝙蝠和海豚那里学来的。

声音的速度确实取决于温度，在较冷的温度下声音会变慢，所以听起来会不一样。在深处，声音是分子的振动，如果你在一个较低的温度下遇到它们，它们只是振动得慢一点。