马鞍:骑自行车的科学

英国大约有40万人患有1型糖尿病，这是一种免疫系统攻击胰腺，破坏制造胰岛素的细胞的疾病，胰岛素是调节血糖水平的激素。因此，1型糖尿病患者需要全天甚至夜间监测自己的血糖水平，并在需要时注射适量的胰岛素。这是一种有效的治疗方法，但很麻烦。现在，纽约哥伦比亚大学的Domenico Accili和他的团队朝着找到解决方案迈出了一步——诱导肠道细胞产生胰岛素。Kat Arney采访了他，以了解更多关于这项研究背后的想法。

几年前，我们做了一个相当偶然的观察，我们可以欺骗胃肠道中的细胞，在肠道中，开始做胰腺中产生胰岛素的细胞通常做的事情。这就变成了胰岛素工厂。这是一个令人兴奋的观察结果，但它是在实验动物身上进行的。因此，我们不知道这是否有任何临床应用。

所以基本上，你是在诱使细胞从肠道细胞变成胰腺细胞。

我们真的是在欺骗内分泌细胞，肠道中产生激素的细胞变成产生胰岛素的细胞。所以，细胞在某种程度上已经准备好了。

凯特-去做东西。

多梅尼科——……制造和分泌物质。我们只是重新训练它，如果你愿意的话。

凯特:那么，你在实验室里的动物身上有了这些发现。你现在是如何把它带到人类身上的?这个新发现是关于什么的?

多梅尼科:这项研究的下一步是制造一种可以给病人使用的药物，就像我们在试管中对病人细胞所做的那样，研究中也描述了这一点。我们的目标是开发一种基因抑制剂，作为这个过程的关键调节因子，并将其制成一种有效的药物，用于治疗患有这种疾病的人。

所以，这是一种分子再训练剂，一种可以重新训练这些细胞的药物。

多梅尼科:没错。我们知道，如果我们能给人类使用我们在试管中使用的相同试剂，他们可能会这样做。但一个重要的警告是，我们在试管中使用的东西不适用于人类。因此，我们需要稍微改变一下我们处理这个问题的方式，以回应适当的线索。

凯特:那么，你使用的技术，是那种对病人有用的东西吗?

多梅尼科:是的。其中之一肯定适用于人类。事实上，这种技术的变种已经被用来治疗眼睛的黄斑变性或者它们被用来治疗升高的胆固醇水平以降低升高的胆固醇水平并预防心脏病。显然，其中一种方法将适用于人类，1型糖尿病患者。

Kat:现在，我们的听众中可能有很多人知道有人患有1型糖尿病，或者他们自己也患有1型糖尿病，尽管胰岛素注射非常有效，但这是一种终生的药物治疗，随之而来的是健康问题。我敢肯定人们会想知道，我们多快能拿到这个?你认为未来会怎样?

多梅尼科:我不想给人一种明天就能找到治疗方法的错觉。治疗1型糖尿病要求我们提出的任何替代胰岛素的药物都要和胰岛素一样安全有效，而且更实用。我们不能冒险使用未经证实的安全性或有效性的东西。我知道，尤其是1型糖尿病患者已经对不断的新发现感到厌倦，这些新发现承诺会戏剧性地改变他们的生活，这是可以理解的。下一步，我们可能需要18到24个月的时间来研究出一种化学物质，一种至少可以在人体上进行初步测试的化学实体。所以，这不会是另一个10年。这不是6个月的时间，而是一项持续的努力，我们正试图尽我们所能迅速有效地推进这项工作。

你能独自思考多久?10秒?借我一分钟?

根据一项新的研究，人类真的不喜欢独自一人，除了思考什么都不做。事实上，当参与者可以选择思考15分钟或电击自己，67%的男性和四分之一的女性宁愿电击自己。

那么，为什么人们觉得思考如此不愉快呢?弗吉尼亚大学的心理学家蒂莫西·威尔逊教授领导了这项研究，他和格雷哈·杰克逊谈论了这项研究……

蒂莫西:每个人都被要求先做一次电击的实验，这有点像严重的静电。然后我们让人们花——在这种情况下，花了15分钟，只是思考，但我们告诉他们，如果他们想要，电击仍然存在，如果他们能按下一个按钮，他们就能再次获得电击。我不得不说，我们不知道会发生什么。我的意思是，我们研究团队中的一些人说，“我们为什么要做这个?没有人会吓到自己。”但是很多人确实这样做了，尤其是男人，他们似乎想让自己摆脱无聊。

格雷哈:为什么?你为什么要选择电击自己?

蒂莫西-我确实认为人类的思维进化到参与这个世界。即使是在这么短的时间里无所事事也有点令人不安。有些人只是觉得很难保持思路，需要一些外部刺激。男性更有可能给自己一个打击。三分之二的男性和四分之一的女性至少感到过一次震惊。它不同。有些人只给自己一个，有些人给自己三个，四个，五个。确实有一个人按了190次按钮，这让我们很惊讶。考虑到我们电击设备的性质，我不确定他是否真的受到了190次电击。

Graihagh -那么，既然如此，为什么思考如此不愉快呢?当然，这是正常人生活的一部分。当我们发现一些无聊的事情时，我们可能会做白日梦。那么，为什么这么不愉快呢?

蒂莫西-我不想夸大其词。我确实认为我们所有人在日常生活中，就像你说的，我们确实会发现自己的思绪游离到愉快的话题上。我认为在我们的学习中最困难的是在现场做这件事。要想让一条思路持续这么长时间，很难打开和关闭它。也许如果人们有一点别的事情可做，这可能会解放他们的思想，让他们去想其他的事情，因为当人们告诉我们他们喜欢思考时，他们通常是在做其他的事情，比如走路、开车或锻炼。所以，也许困难在于，当头脑完全无事可做时，它只是一种不舒服的状态。

在过去的两年里，我们一直有英国人赢得美巡赛，克里斯·弗鲁姆今年将努力做到这三件事。

这些成功，至少在一定程度上，要归功于天空之队的教练，戴夫Brailsford。他的目标是所谓的边际收益，他说:“如果你把你能想到的所有关于骑自行车的东西拆开，然后把它提高1%，当你把它们放在一起时，你会得到显著的增长。”

其中一个百分之一是车手的空气阻力，所以凯特·兰布尔访问了南安普顿大学，会见了他们的性能运动工程实验室主任斯蒂芬·托尔克，并在风洞中进行了尝试，像威金斯和弗鲁姆这样的人使用风洞来完善他们的比赛姿势。

凯特:过去，谁将赢得环法自行车赛的冠军是在法国阿尔卑斯高山的斜坡上决定的。但如今，这些决定可能是在南安普顿大学的一个风洞里做出的，因为越来越多的自行车队求助于科学家，以从他们的车手身上榨出最后一点速度。今天和我一起的是斯蒂芬·托尔克。我们在一个巨大的洞穴般的黑色空间里，中间有一辆非常孤独的赛车。谁来了?

斯蒂芬:我们这里有各种各样的运动员，主要是通过英国体育和英国自行车队的联系来的。首先，这是关于找到他们在自行车上的最佳位置，这个位置意味着他们需要使用尽可能少的能量来穿越空气。

凯特:所以，我知道我每天早上骑车上班的时候，风和风速会影响我的速度，以及我是否在努力翻越剑桥的那些小山丘。风是如何影响那些做得好的赛车手的?

Stephen -这是一个简单的物理定律，你走得越快，风荷载就越大，基本上这是一个关于阻力的平方定律和一个关于能量的立方定律。所以，如果我以两倍的速度行驶，我从自己的速度得到的风阻力是我需要的8倍的能量。所以，如果我遇到逆风或顺风，那就意味着我必须更努力地工作，或者我必须更少地工作才能以同样的速度前进。

凯特:是不是因为我要把前面的空气推开，速度越快，难度就越大?

斯蒂芬:有效地说，是的。你的身体在风的作用下是什么样子或者你在骑车时遇到的相对风的作用会改变流体动力学的作用。因此，你的压力负荷是多少以及你需要承受多大的力。

凯特:那么，这个空间如何帮助我们测量它呢?我们在房间的一端有一个巨大的涡轮风扇，在房间的另一端有一个看起来像黑洞的东西，中间有一辆孤零零的自行车。显然我们没法让自行车动起来。在自行车不能移动的情况下我们怎么知道有多少阻力?

斯蒂芬:所以，自行车的轮子在一个装置上旋转，这个装置给你一定的力，所以你觉得你在骑自行车。整个系统安装在一个测功机上用来测量阻力。

凯特:我们可以试一下吗?

斯蒂芬:当然，是的，看看你的手肘应该放在哪里。

凯特:最后一扇门已经关上了，我真的有点害怕，我是否会在所有透过窗户盯着我的技术人员面前让自己难堪。我的阻力，我的力量，我的卡路里和我的时间都出现在我面前，在风起作用之前，它们都将变成零值。

所以，你可以听到风从那里涌出。这是我第一次打开电脑，至少换了个新发型。所以，在我的前面，它需要几秒钟的平均阻力和力量一次。所以，如果我坐得很大，就像我坐在那种仰卧起坐的自行车上，我们可以看到阻力平均约为30牛顿，但如果我像你在赛车上那样向下移动到降把手杆上，那么阻力立即下降到20牛顿以下。所以，这是10牛顿的阻力差，尽管，因为我有点累了，我的力量在下降。这对我骑车时的感觉有很大的影响。

所以，我要问他们，在长距离比赛中，10牛顿的阻力差会改变多少。

看，已经上气不接下气了!

所以，你可以听到我的呼吸，所以我还在稍微恢复，但是当我坐在那种坐起来求自行车上的时候，我承受了大约30牛顿的力当我坐在把手杆上的时候，即使我拿着录音机和麦克风，那也降到了19牛顿。所以这是10牛顿的差。这对车手在比赛中的表现有多大影响?

Stephen -这是一个例子。他们不太可能发现自己的姿势有这么大的变化，因为他们中的大多数人多年来都学会了什么是真正好的姿势。然而，进入类似风洞的东西的美妙之处在于你可以发现微小的变化。当你骑自行车的时候，你无法感知到它们，但是当你在比赛的全程中，这些微小的变化加起来，到比赛结束的时候，你就有了一个差距，可以让你从奖牌外进入奖牌内。

凯特:我看到的不仅仅是骑自行车的人把身体塞进去。你也可以看到他们明显地成群结队，排成一列。但是当有冲刺时，当他们想要跑得很快时，团队倾向于排成一条直线，他们的短跑运动员在中间。坐火车能改变多少?

斯蒂芬:它改变了很多事情，因为实际上，当你紧靠在前面骑自行车的人后面时，你所做的就是他们为你做了所有艰苦的工作。它们减少了你身上的风压，你可以少做很多很多的工作。所以，当他们都骑在一个大的车队里，他们都挤在那里，中间的幸运儿根本不需要很努力。它们只是在有效地克服车轮的滚动阻力。

凯特-我确实发现，当我骑自行车的时候，我有点被困在一个我非常骄傲的人后面，比如“我不敢相信你开得这么慢”，直到我超车时才意识到这有多费事。

史蒂芬:没错。所以，每个人都能感觉到。

凯特:所以，后面的人受益于前面的人。反过来也一样吗?

斯蒂芬:是的。前面的人得到了一点好处。所以实际上，让两个骑自行车的人一起工作对他们俩都有好处，在理想的情况下，他们会经常交换位置。

凯特:这似乎有点违反直觉，被风遮蔽的人实际上会向充当他们盾牌的人伸出援手。

Stephen -实际上，这是因为后面的人也改变了前面人的流场，从而改变了他们周围的压力场，从而改变了他们身上的阻力。实际上，如果你有很多人站在一条线上，你看起来就像一个更大、更流线型的物体，只有一个人在他们自己身上。

凯特-我希望看到的是剑桥有很多骑自行车的人，他们想让通勤更方便。

信不信由你，环法自行车赛从1903年开始举办，只在两次世界大战期间停止过。那么，在过去的111年里，自行车发生了多大的变化?

剑桥大学电气工程专业的学生Philip Garsed接受了Chris Smith的采访关于自行车的辐条是怎么来的……

克里斯:自行车到底是什么时候发明的?

菲利普:嗯，有一项发明真正拉开了这场比赛的序幕，那就是把一个轮子放在另一个轮子的前面，这样就可以操纵一个轮子了。那是在1817年左右。

克里斯-那是最近的事，不是吗?

菲利普:相对而言，是的，因为如果你认为罗马人和希腊人都有轮子，把一个放在另一个前面的想法似乎是相当明显的，但显然不是。

克里斯-同名的自行车是一分钱一分钱。这肯定是最著名的设计了。人们是怎么想到这个的为什么他们会想到前面那个巨大的轮子后面那个小的呢?

菲利普:如果你看看今天的便士法币，整个想法似乎完全荒谬。他们很危险。它们很重，但实际上，整个想法非常合乎逻辑，因为在那个阶段，我们已经达到了有两个轮子和踏板的自行车，但是踏板是直接安装在前轮上的。如果你这样做了，在给定的踏板速度下改变速度的唯一方法就是把轮子变大或变小因为没有链条或齿轮之类的东西。很明显，人们喜欢开得快，所以轮子变得越来越大。

克里斯-那么，我们所知道的自行车到底是什么时候发明的?

菲利普:所以，最初的想法出现在1817年左右，但可能又过了70或80年才变成我们今天真正认识的样子。在此过程中出现了一系列重要的发明。有踏板、缓冲行驶的轮胎、帮助车轮更容易旋转的轴承，还有链条之类的东西，让所有东西都能正常运转。

克里斯-但是，公平地说，到维多利亚时代末期，我们已经有了各种各样的发明，实际上，在过去的100年里，自行车根本没有改变。

嗯，你得小心点。到19世纪末^th大约在1890年，一位来自考文垂的企业家组装了所有的关键部件——两个同样大小的轮子，一条链条，刹车，当然还有踏板。你可以看到，在那之后的10年里，任何人，每个人都骑自行车了——有埃尔加骑自行车的照片和类似的东西。但如果说自那以后一切都没有改变，那当然是错误的。有一件事发生了，也有了一些改进，所以，经过120年的改进，我们有了一台比19世纪末好得多的机器^th世纪。

克里斯-让我们看一下轮胎。那橡胶硫化的影响呢，制造一个不坚固的轮胎的能力，它可以含有空气因为那是一场事故，不是吗?

菲利普:嗯，确实发生了一些事情，这是发明的问题之一。像你自行车上的充气轮胎被发明了两次。这有几个原因。首先，天然产生的橡胶是一种非常非常柔软的材料。但要想让它在自行车轮胎上发挥作用，它实际上需要非常耐用。这种硫化工艺发明于19世纪中期^thCentury对于实现这一目标非常重要。但是，早在自行车真正成为一种东西之前，就有人发明了手推车轮胎的想法。但它从来没有真正流行起来，因为橡胶并没有完全适应它，奇怪的是，没有人看到这项发明的可能性。所以，当一个叫约翰·博伊德·邓洛普的人想到把这个想法用在自行车上的时候，它就起飞了，而且非常成功。他实际上申请了专利来保护他的发明。这件事持续了两年，直到有人在回顾历史档案时发现这件事已经完成了，所以他把它弄丢了。但他的发明在其他方面都很成功。

克里斯-那齿轮之类的东西呢?人们是什么时候想到这个想法的他们是已经知道了其中的工程和物理原理还是为了骑自行车而发明的?

菲利普:当然，在自行车真正开始流行的时候，已经有了蒸汽机和大型工业机器。所以，传动装置背后的实际原理非常简单。但是自行车的问题是，它是一种机器，并没有得到很好的照顾。它暴露在自然环境中，更重要的是，它需要尽可能的轻。棘手的事情是等待链条和实际的物理齿轮足够强大和可靠，真正可以在自行车上使用，而不是每次你试图骑它时都被磨掉灰尘。直到20世纪10年代，20世纪20年代，30年代，我们今天所知道的适当的杠杆才真正变得实用。

克里斯-告诉我们结束，为什么骑车的时候更容易熬夜?

好的，这里有几个影响。一个是，当你跑得越来越快时，轮子旋转会产生一种效果，如果你试图倾斜它们，就会使你保持直立。所以，这真的很有用，但只有当你以合理的速度行驶时，也许超过每小时10英里，它才会被注意到。所以，另一个原因很简单，你一直在驾驶，你倾向于转弯。当然，如果你在拐角处转弯，任何在拐角处转弯速度很快的人都会知道你倾向于被抛到角落外面。所以，如果你在直线上骑车，你并不是在直线上骑车。你只是在一系列的摆动中循环，这些摆动加在一起就形成了一条看起来有点像直线的东西。

尽管历史悠久，但可能是环法历史上最黑暗的时刻之一从1999年到2005年的7年里，历史书上再也没有赢家。2012年，国际自行车联盟(International Cycling Union)发现兰斯·阿姆斯特朗(Lance Armstrong)系统性使用兴奋剂，并剥夺了他的冠军头衔。

为了了解各组织是如何通过更好的药物检测来保持自行车和其他运动的清白，凯特·兰布尔采访了世界反兴奋剂机构总干事大卫·豪曼。

凯特-最著名的例子，至少在最近的自行车比赛中，有人被发现使用兴奋剂，那就是兰斯·阿姆斯特朗，他去年承认使用了违禁药物EPO，也使用了所谓的血液兴奋剂。EPO和血液兴奋剂之类的东西有什么作用?这到底是什么意思?

大卫:嗯，我希望他能早一点承认，但这是顺便说一下。促红细胞生成素的作用是为血液提供更多的氧气，因此，可以这么说，增强你的运动能力，这和血液兴奋剂是一样的。

凯特:那么，血液兴奋剂，据我所知，就是在比赛前把自己的血液抽走，这样你的红细胞水平就会更高，然后在晚些时候再把它注射回去。

大卫:这是血液兴奋剂的一种形式，是的，而且很难检测出来，因为你是在用自己的血液重新进入你的身体。用别人的血或动物的血的例子更容易被发现。这在过去也发生过。

凯特-现在，阿姆斯特朗很长一段时间的辩护是，他作为赛车的一部分接受了200多次检测，从未被发现。为什么像EPO和血液兴奋剂这样的东西没有出现在这个测试中?

大卫:我只能猜测，可能有很多原因。一个是他有非常聪明的医生或科学家能够在他接受测试的时候或之前操纵他的系统。这是推测，因为它还没有被证明，但我们知道，举个例子，如果你提前通知你的血液或尿液测试，你可以操纵你的尿液或血液，这并不太难。我们也知道兰斯·阿姆斯特朗并不是唯一一个——比如玛丽昂·琼斯就是另一个在她的职业生涯中从未检测呈阳性的人，但自始至终都在作弊。我们正在努力做的是确保我们不仅仅依赖于血液和尿液的收集，因此，对这些样本的后续分析，还要考虑其他方法来收集人们如何作弊的证据。

凯特:两年前阿姆斯特朗的冠军头衔被撤销时，我记得当时担任国际自行车联盟主席的帕特·麦奎德(Pat McQuaid)说，作弊者比科学家还厉害。这就是反兴奋剂的意义吗，就是想在任何运动中作弊的人和科学家之间的长期竞赛吗?

大卫:我想我会把它比作我们社会中任何一个人都想作弊的种族。你可以看看同样的问题例如，新闻业的剽窃。它永远不会因为人们想走捷径而消失。

我们认为作弊者和试图抓住作弊者之间的差距正在缩小。自从帕特·麦奎德说出这句话以来，这个范围已经缩小了很多。但你总能找到愿意花很多钱的人。如果你还记得我们有多少钱可以支配的话，我们每年大约有2800万美元，可以买半个足球运动员。

凯特:EPO，我记得它在自行车运动中被讨论过，在它被开发出来之前很长一段时间。对于运动员是否使用药物，你不能百分百确定，你是如何开发测试的?

大卫:嗯，这是一个科学问题，我们在研究上花了很多钱，而这项研究需要一段时间，因为在一天结束的时候，当你把一种检测方法放在一起时，你必须接近100%地确定它不会产生假阳性病例。

EPO测试早在20世纪90年代就开始研究了，科学家们花了5到6年的时间才就使用哪种方法达成一致。如果你还记得2000年的悉尼奥运会，有人建议用尿检/血检的方法来检测促生成素过了很长一段时间才有了确定的检测促生成素的方法。2001年，尿液就发生了这种情况。所以，这些事情需要时间，我们最近发现的是，以EPO为例，我们现在进入了第三代或第四代EPO类型的产品。请记住，这些都是制药工业出于良好和适当的健康原因而生产的产品。所以，有些产品是制药公司定期生产的，我们需要跟上这些产品的步伐，因为那些作弊的运动员会出于错误的原因使用它们。

凯特:我的意思是，现在的运动员不仅要进行血液和尿液测试，以检测特定的药物，还需要这些生物护照。这是什么意思?为什么他们第一次被引入?

大卫:嗯，生物护照实际上是在2007年由UCI提出的，在那一年经历了一场非常不幸的巡回赛之后，因为这不仅是一种检测运动员是否使用违禁药物的方法，也是一种运动员可以举手说，“看看我的个人资料。是很正常的。”它所做的是从一些样本中收集结果。在一段时间内，你需要4到5个血液样本，这样你就可以看到任何运动员的个人资料，你可以看到个人资料中的尖峰，起伏。如果不能用正常的医学或健康原因来解释，那么你就必须进一步调查，这是兴奋剂还是运动员的健康问题?然后你对它进行医学调查

凯特:有些运动员确实天生就有较高的睾丸激素水平之类的。你如何判断什么是正常的?

大卫:睾丸激素是另一个问题，我们现在对睾丸激素的了解是通过类固醇模块来评估运动员体内的睾丸激素水平。再一次，这归结为运动员的正常状态。所以，你说得很对，很难说世界上所有人的正常情况是什么。我们过去的表睾酮和睾酮的比例是4:1这已经被证明是保守的2因为你的正常睾酮水平可能是1.5因此你可以骗到4。

所以，他们现在要做的就是看他们的资料，从尿液测试中收集就像我刚刚描述的4到5个样本的血液一样，看看正常的TE比率是多少。如果运动员正常地坐在那个比例内，那么就不会有进一步的调查。如果他或她没有，有一个高峰或低谷然后我们有一个工具叫做碳同位素比率方法它会自动进入，告诉你是否是合成睾丸激素。

凯特:生物护照已经在自行车运动中使用了一段时间，在其他运动中也越来越受欢迎。所以，在去年的2013年网球比赛中，它们首次在今年的巴西世界杯上被使用。为什么有些运动比其他运动更快采取反兴奋剂措施?

大卫:嗯，我想是因为他们没有被要求这么做。如果有人被要求去做，他们就会去做。如果这是自由裁量的，人们会在他们觉得适合他们的运动或适合他们的运动员并且对他们有帮助的时候这样做。我认为我们已经发现护照的处理花了一段时间。因此，人们一直不愿意使用它，除非他们在体育运动中遇到了历史上的问题或困难，他们觉得护照将非常有用。我们现在看到的是，尤其是足球，体育运动普遍意识到这是一种比仅仅依靠尿液收集更好的方法。