正如古老的哲學問題所說：“如果一棵樹倒在森林裡，而周圍沒有人聽到它，它會發出聲音嗎？”字面上的科學答案是肯定的，因為原子的任何運動——在像這樣的大規模上，或者在我們看不到的最小尺度上——都會使。這也延伸到生物實體。您是否曾停下來想知道病毒會發出什麼聲音？一項新研究的作者確實做到了。雖然我們聽不到它們的超聲波振動，但這並不意味著我們不能將它們轉化為我們的優勢。
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在一篇新論文中，由材料科學、光學、聲學和病毒學專家組成的多學科團隊共同開發了一種利用光檢測單個病毒顆粒中聲振動的方法。雖然這項研究仍處於早期階段，但它帶來的可能性是巨大的。
方法關鍵，作為通訊作者埃拉德·哈雷爾博士密歇根州立大學的教授告訴 IFLScience，它允許在自然環境中研究病毒顆粒。
你聽說過大海撈針問題嗎？這是針在一堆針中，或者針在針的倉庫中的問題！
埃拉德·哈雷爾博士
“如果我們能夠看到這些[聲學]特徵並且它們是獨一無二的，那麼我們真的可以開闢一種對微生物進行生物學研究的全新方法，”哈雷爾說。 “您可以立即實時看到正在發生的事情[...]。您不必開發分析方法並進行所有這些非常廣泛的研究。您可以非常非常快地做到這一點。”
標籤問題
生物學研究的支柱之一是標記。從根本上講，許多細胞和組織看起來非常相似。例如，為了分離器官中的不同細胞類型，或者識別健康組織和患病組織，我們依靠添加標籤。經過特定的結構或分子，通常含有發出不同顏色光或具有我們可以測量的其他獨特屬性的蛋白質，我們可以開始了解生物樣本的組成。
儘管多年來已經開發出許多複雜的標記方法，但它們並非沒有缺點，特別是在病毒方面。
“標記非常複雜。它是針對病毒的。你必須對每一個新的[...]病毒突變進行標記，[因此]非常耗時、勞動密集、昂貴等等，”Harel 解釋道。
哈雷爾之前對納米顆粒的研究——實際上與病毒並沒有太大不同——激發了將他們的一些方法應用於生物顆粒的想法，但一開始的道路上遇到了一些坎坷。
“我們一直在測量納米顆粒中的這些聲振動，[並且]病毒有點像納米顆粒[...]——它是否也表現出這些類型的振動？[我們]開始測量這一點。但我們失敗了很多次，”哈雷爾說。 “你聽說過大海撈針問題嗎？這是一堆針中的針，或者是針倉裡的針問題！”
“我們在一天結束時檢測光子，它們看起來都一樣。病毒發出的光子與細菌或細胞碎片發出的光子看起來不同，這是怎麼回事？”
但最終，他們破解了它。正如哈雷爾所說，通過有效地“用錘子敲擊[病毒]”，他們可以誘導它“以對其結構和特性敏感的非常特定的方式振動”。我們自然的下一個問題是：“聽起來像什麼？”但可悲的是：“它的頻率幾乎比人類經歷的頻率高一百萬倍。”
我們對這些光譜的豐富程度感到非常驚訝。
埃拉德·哈雷爾博士
因此，哈雷爾和團隊沒有傾聽，而是使用專門的儀器來隔離和拾取由微小振動引起的光散射。他們稱之為BioSonics 光譜學。
光和聲音
“人們已經Harel 向 IFLScience 解釋道：“100 年來，有趣的是，病毒的這些振動確實與存在的所有其他振動截然不同。”“我們對這些頻譜的豐富程度、這些聲學特徵的豐富程度感到非常驚訝，這意味著我們不僅可以感知病毒是什麼，還可以看到病毒正在與什麼相互作用。這有點像病毒本身就是其自身環境的傳感器。”
實際上，這可能意味著能夠實時觀察單個病毒顆粒的行為。有很多圍繞病毒行為仍有待解決——其中一個重要問題是我們仍然不知道病毒顆粒如何準確地組裝自身。哈雷爾告訴我們，這種方法可以讓我們看到這一點，如果我們能看到，那麼我們也許能夠用新一代的方法來破壞它。
BioSonics 還可以為能夠遠距離檢測病毒的非侵入性傳感器鋪平道路。 “那種光太神奇了，對吧？因為你可以將它放入某個地方，[並且]你可以在不進行身體接觸的情況下將它取出，”哈雷爾說。
“如果您願意，您可以在食品安全工廠進行，也可以在機場進行。[……]您照射激光，然後從 10 米 [33 英尺] 外拾取一些東西。”
這種方法無需為每種病毒或每種新變種開發高度特異性的傳感器，而是自然地區分所有不同類型的病毒。除此之外，由於細菌、真菌、人類和動物細胞的機械差異，它也適用於它們。
“如果你有一個鋼球和一個橡膠球，它們的行為會非常不同。當你掉落它們時，它們的聲音會完全不同。這裡的情況是一樣的。[…]例如，癌細胞與健康細胞具有非常不同的機械特性。”
團隊開始的原因是因為目前，該技術的範圍擴大了六個數量級，將其潛在應用擴展到許多生物和化學系統。他們預見 BioSonics 將補充而不是取代標記等現有技術。
他們甚至能夠實時觀察單個病毒顆粒的破裂。在檢測活動性感染方面，能夠區分功能性病毒顆粒和過期病毒顆粒的潛在醫學意義是巨大的。
“當然，這確實很早，”哈雷爾說。 “但在基礎科學方面，比如藥物發現方面，而且在診斷、醫療應用方面也有很大的潛力。這就是讓我們感到非常興奮的原因。”
該研究發表在期刊上美國國家科學院院刊。
