Watching continents slowly break apart, and turbo charging robotic sniffers
26:04 Share

这档播客由位于纽约市的西奈山卫生系统学术机构——西奈山伊坎医学院赞助播出，它是美国领先的研究型医学院之一。科学家和临床医生正在进行哪些工作以改善女性的医疗保健和健康？请在由西奈山伊坎医学院与《科学》杂志合作准备的《科学》杂志特刊中了解更多信息。

访问我们的网站 www.science.org 并搜索医学研究前沿 - 女性健康，西奈山伊坎医学院。我们总能找到方法。这里是 2024 年 11 月 8 日的科学播客。我是 Sarah Crespi。本周首先，特约撰稿人 Paul Voosen 将讨论寻找正在撕裂非洲大陆的裂谷迹象。这只需要几百万年的时间。

接下来，研究员 Nick Denler 将讨论加速电子鼻。这些快速嗅探设备有朝一日可以安装在无人机上，以帮助在森林大火大到足以被卫星发现之前追踪它们。

本周的特约撰稿人 Paul Voosen 撰写了一篇关于非洲大陆即将分裂的文章，你知道，这将在几百万年后发生。嗨，Paul。欢迎回到播客。嗨，很高兴来到这里。是的，所以我们不知道这具体什么时候会发生，但我认为，首先，泛大陆对人们来说可能是一个很好的参考点。这是一个超级大陆，大约在 2 亿年前开始分裂。

但地球从未停止移动。板块构造仍在继续。在这种情况下，我们将讨论非洲的裂谷作用，这有点像大陆分裂，对吧？是的，就是这样。这是，你知道，一个大陆如何开始消亡，我喜欢这样想。那么为什么是非洲呢？我们对那里发生的事情有什么了解，让我们认为它不会永远保持在一起？

几十年来，非洲，特别是东非，一直是大陆裂谷如何发生的模型，因为它是世界上最活跃的裂谷带之一，或者说是最活跃的裂谷带，从埃塞俄比亚向下延伸。你知道，它的一部分已经深入到扩张和分裂的过程中。

然后随着你走得更远而发生变化。但几十年来，这一直是西方科学家，尤其是来访的西方科学家的研究对象。其中之一

你在故事中提到的一件事是，有一条河流没有通向海洋，这暗示着裂谷正在发生。有很多东西可以在景观中造成洼地。但是，是的，这是真正开始形成这些裂谷的原因之一，著名的裂谷，人类的进化完全源于非洲的分裂。真有趣。你为什么称它为干裂谷？这与湿裂谷有什么不同？我想是相反的。

岩浆的简写是什么？所以，关于大陆裂谷如何运作的一个大问题是，长期以来人们一直认为你需要

某种岩浆来削弱地壳。所以是从下面融化，对吧？是的。所以，你知道，要分裂一个大陆，这不是一件容易的事。正常的板块构造应力很难，你知道，来自板块另一侧沉入地幔的东西，因为你必须分裂地壳和地幔的上部。不仅仅是地壳。

所以，你知道，如果你开始将岩浆注入地壳，也许你会削弱它，从而导致分裂。但在非洲的部分地区，以及在已经分裂的较老的裂谷带中，比如大西洋的中洋脊，也发现了这种情况。

他们没有看到岩浆的证据，但裂谷正在发生。那么那里发生了什么？那就是干裂谷。所以这就是你现在写这个故事的原因吗？我们早就知道非洲的裂谷作用了。有一个问题是，东非裂谷带延伸到多远？研究活跃裂谷带带来的好处之一是，你可以研究它是如何开始的，它是如何扩张的，裂谷是什么样子的？

一开始，我们称之为初始裂谷。现在博茨瓦纳正在发生这种情况。这是其中一个地方。所以我跟着科学家 Fulorin Kholawal 和他的合作者去了那里，他一直在那里研究这个过程。所以只是一个裂谷的开端。哇。这不是你认为你会看到的东西，因为它多久发生一次？但我想，你知道，所有这些过程的一部分在它们的时间线上的某个地方，在地球上的某个地方被冻结了，对吧？是的。

好吧，不是冻结，只是移动得非常缓慢。对不起，对不起。在非地质时间中冻结。

没错，没错。那么当你去苏旺纳的时候看到了什么？大部分是沙子。你知道，这片土地上覆盖着卡拉哈里沙漠的沙子。你知道，它不像北部其他裂谷带那样有高耸的山脉，那里有大峡谷。他们正在做的工作实际上是，你从斜坡上的小隆起推断，然后你用反铲挖掘机。

挖一条沟，寻找沉积物中的变化，以表明存在断层，就像岩石中的裂缝一样。如果该断层匹配，并且

表明存在运动，这似乎表明存在裂谷作用。此外，他们还会寻找采石场。任何其他你可以进入岩石本身寻找裂谷和断层范围证据的方法。是的，那么他们能够找到什么样的证据，或者他们在那里做了什么样的测试？所以现在，东非裂谷带已知并且有点弯曲，

在南部靠近印度洋时向西弯曲，并进入博茨瓦纳的奥卡万戈三角洲，著名的奥卡万戈三角洲。和我一起的研究人员发现的是

实际上，它似乎并没有在那里停止，并且有来自地震的迹象，以及现在发现的一些断层，表明它可能会再次转向并延伸到南非，你知道，也许会朝着那个方向的海洋前进。也有人认为它可能会穿过纳米比亚一直延伸到大西洋。而且他们也看到了，研究人员也看到了，这幅图景，关于这将会是什么样子的未来，并不是这种干净利落的分裂。

你知道，非洲和古巴可能会变成一系列的微板块。马达加斯加可能会再次分裂。在未来，几乎就像一个巨大的群岛。所以，

所以他们正在尝试做的一件事就是绘制该地区裂谷的未来图。然后，我想提一下，新闻报道中有一张非常好的地图。所以我知道这是音频。你可能无法在脑海中很好地想象出一张地图。所以一定要在网上查看一下。那么 Paul，他们是否也从太空或无人机上观察地表下的一些裂谷迹象？是的，和我一起在那里的 Fola，他做了

各种各样的技术。所以他是一位构造地质学家。这意味着他喜欢研究原地的岩石和地层及其背景，但他也引入了许多地球物理工具。所以他测量，你知道，他们在地面上运行的仪器，以查看电导率的变化，以查看那里是否存在断层。你甚至可以使用谷歌地球，你可以看到植被或斜坡的变化，这表明

这是对断层的第一个暗示，然后你需要到现场去验证。你知道，新一代人正在将地球物理学与更传统的 地质学相结合，试图推动该领域的发展。所以你发现了一些东西，表明那里可能有裂谷或断层。你会在地上做什么来判断这是否是你正在寻找的东西？

他们寻找像光滑线这样的东西，这是最近发生的地震滑动的证据。他们寻找沉积物中的这种变化，然后对其进行年代测定，以确定它何时暴露在光线下，这可以让他们追溯到上次地震发生的时间，这种变化发生的时间。如果它更现代，那就表明它更活跃。有

关于何时才是真正的裂谷，总是存在一些争论。你还必须展示断层的类型。有不同种类的断层。你知道，如果它像圣安德烈亚斯断层那样的断层，那不是大陆裂谷。裂谷是否有特定的深度，或者，你知道，你如何定义裂谷？总是很难确切地知道。关于奥卡万戈三角洲仍然存在一些争论，即使人们普遍认为它是一个裂谷。

一个裂谷带，你知道，有人说，嘿，也许它不是，你知道，你需要看到这种地幔变薄，你知道，这有助于表明它。断层的运动，以某种方式表明你可以看到这种类型的运动，你知道，它在这个更广泛的背景下是有意义的。但在你达到某个无法否认的地步之前，总会有一些争论。那么，了解裂谷的走向、现在的位置以及它正在发生什么，除了对非洲的未来以及这一切如何运作的纯粹理论好奇之外，还有什么重要意义呢？

是的，未来大陆会在哪里是一个有趣的问题，对吧？是的。Fola 和他的团队正在研究的一个大问题是，当你发生这种三叉裂谷时，还有什么在塑造它？是什么在引导它？他们知道它可以像

古老的山脉带，现在被埋在一切之下。这在地壳中存在这种弱点，也许是这些山脉带内的特征，反映了当岩石发生热液爆破时，这些裂谷断层可以利用这种弱点。

但同时，这些也代表着危险。所以裂谷带是壮丽的、美丽的景观，也有很多火山。当它们成熟时，它们会发生很多地震。所以说如果这是一个真正的裂谷带，正朝着博茨瓦纳的首都前进，他们会想知道这一点。当然。还有哪些地方正在发生裂谷作用？我想我从来没有想过还有哪些地方有裂谷。有。

现在没有很多地方。在陆地上，我想。我想捷克共和国有一个，如果我没记错的话。我知道，有点奇怪。我不知道它真的会去哪里。我想加利福尼亚湾是一个。你知道，有一些著名的过去的裂谷带，比如大西洋中脊就是你最好的例子。大陆分裂需要多长时间？我们知道吗？

我的意思是，我们说的是数百万年。我确信估计值会根据它所处的特定环境而有所不同。这不是我们在短期内需要担心的事情。是的。那么是什么让你决定写这篇文章呢？我一直对大陆裂谷很感兴趣。几年前我遇到了 Fola，他本人来自尼日利亚，现在在哥伦比亚大学工作，他将……

地质学和地球物理学的不同部分融合在一起。而且他也是新一代的科学家，他正在努力确保，你知道，他在非洲的合作者，他正在带研究生到博茨瓦纳或他工作的任何国家和他一起工作。这也是我们在该地区其他国家看到的。

在该地区工作的科学家。他也应该感谢一些前辈。他是一个完美的人物，可以和他一起去那里，了解这一切。好的，Paul，这非常有趣。谢谢你和我聊天。是的，我的荣幸。Paul Voosen 是《科学》杂志的地球和行星科学记者，报道从大气边缘到地球以及太阳系其他地方最内层的内核的一切。

别走开。接下来，我们将与研究员 Nick Dedler 讨论高速机器人嗅探器。日本的 Noster 专门从事基于后生元肠道微生物群代谢物的药物研究，以治疗代谢和免疫相关疾病。Noster 的产品包括生物合成的 GMP 细菌制剂和 QMEC，世界上第一个 HYA-50 代谢物后生元保健品。

他们的分析服务包括液相色谱、质谱、代谢组学分析和最先进的肠道微生物群分析基因测序。访问 www.noster.inc，了解 Noster 如何为您提供帮助。这档播客由美国领先的研究型医学院之一——西奈山伊坎医学院赞助播出。伊坎西奈山是位于纽约市的拥有 8 家医院的西奈山卫生系统的学术机构。

它一直是 NIH 资助的最大受益者之一。伊坎西奈山的 研究人员在许多对改善患者健康至关重要的领域取得了突破性发现，包括癌症、COVID 和长期 COVID、心脏病学、神经科学和人工智能。西奈山伊坎医学院。我们总能找到方法。

我们在这档播客中讨论了很多关于气味的话题。我基本上对嗅觉很感兴趣。这是一个令人惊叹的科学谜题。我们称之为气味空间的巨大气味分子集合，所有这些不同的化学物质如何与我们细胞中的受体相互作用，然后以某种方式转化为闻到饼干或燃烧轮胎的感觉？

另一个问题是，人类真的那么不擅长闻东西吗？你知道，我们是否足够肯定自己闻东西的能力？还有一个新问题。我们或其他动物检测气味的速度有多快？我们能否在机器人鼻子或机器人中复制这种速度？本周在《科学进展》杂志上，Nick Denler 和他的同事撰写了一篇关于创造快速电子鼻的文章。嗨，Nick。欢迎来到科学播客。

你好，很高兴来到这里。是的，我很高兴以一种新的方式谈论嗅觉。这不是我以前真正考虑过的事情，比嗅觉的速度更快。那么动物闻东西的速度有多快？我们对此了解多少？显然，这对于不同的动物和不同的物种来说是非常不同的，但总的来说，它实际上非常快。例如，

一些昆虫，如蚱蜢和果蝇，它们的转导时间只有几毫秒甚至更短。这使得它们能够非常快速地对复杂的环境做出反应和导航。我们在昆虫身上发现了这一点。我们对哺乳动物方面了解多少？是的，这很有趣，因为长期以来人们一直认为哺乳动物的嗅觉非常慢，但这最近已被推翻。

几年前发表的一项重要研究表明，小鼠也可以在毫秒的时间尺度内区分成对的气味。实际上，人类也很快，虽然不如小鼠快，但也很快。为什么对机器人或电子鼻来说快速闻东西可能有用？

更快地进行这种动物似乎可以进行的高速嗅探？这真的取决于你想用这样的机器做什么。传统上，气体传感器已被用于许多不需要高速的事情。对于办公楼内的空气质量监测，在几秒到几分钟的时间尺度内就足够了。

或者如果你想建造一个智能冰箱，你也不需要那么快。等等，智能冰箱？是的。所以如果你想识别某种食物是否即将变质，你或许能够闻到它，对吧？所以实际上有一些公司正在生产那些内置传感器的智能冰箱。它们会准确地告诉你你的产品什么时候会变质。好的。但是，是的，时间不是那么重要。它不是，你知道，几分钟就可以了。

不，这是真的。然而，如果你想把这样的电子鼻放在移动平台上，比如机器人或无人机上，并且你想用它来导航，那么快速就变得非常非常关键了。我想我们应该花点时间谈谈什么是电子鼻。当我们谈论电子鼻时，它是一种非常特殊的用例。它只是，是的，你为什么不告诉我们在这种情况下它到底是什么意思？是的，所以电子鼻是

基本上是一种可以感知气味的电子设备，对吧？所以它通常有不同的传感器，你还有电子外围设备来读取它们并控制传感器。你可以根据不同的用例来设计它，根据你具体想做什么，设计可能看起来会有所不同。电子鼻可以闻到的气味范围是多少？是

5 种？还是 1000 种？同样，这真的取决于你如何设计设备。所以在我们的例子中，我们的电子鼻上只有 8 个传感器。所以这个空间可能会映射 10 或 20 种不同的气味，你可以一次性区分它们。然而，也有一些不同的设计可能不是特别快，但它们可以一次性映射 300 种或更多的气味。那么化学物质与传感器相遇的技术是什么？在那个过程中发生了什么

所以这会有点技术性，但我们使用的传感器是基于金属氧化物技术的。这种传感原理是基于一个小氧化物层，它的电导率会根据空气中不同的气体如何与其反应而发生变化。所以这意味着它不像受体那样是锁钥机制。就像你可以只寻找你想要的信号，你可以设置它。这是我想要的信号，然后把它发送到传感器。

训练你的检测下游以发出信号，哦，这种气味已经击中了传感器。它对分子不那么挑剔。当然。是的，没错。所以每个传感器都会给你

基本上是一个一维的传感器响应。如果你有多个这样的传感器，它们都对不同的气味有广泛的接收能力，你就可以得到这种指纹，它可能是某种气味的特征，然后在下游学习它。这也是在进行气味研究时经常出现的问题，即产生气味，控制它们去哪里，计时。所有这些东西都像是，它是一个整体的技术设置，也可能非常复杂或错综复杂。

是的，没错。实际上，精确地部署气味剂非常困难。幸运的是，我们与弗朗西斯·克里克研究所进行了很好的合作，

他们一直在用小鼠进行这些实验。我们设法使用了他们的设置。它基本上由一个由不同的、真正快速的气味阀组成的系统组成。有了这个，他们可以非常精确地喷射这些气味剂。然后你可以根据你的需要设计你的刺激。是的，所以你可以说脉冲或交替或……

或者只是，是的，用这种微小精确的气味脉冲和你的小型电子鼻的设置，你能多快地检测到气味？所以其中一个关键结果是，我们表明，如果你有，比如说，五种不同的气味剂，你可以对短至 10 毫秒的气味脉冲进行分类。

第二个关键结果是，我们可以解码两个气味脉冲序列之间高达 40 赫兹左右频率的相关性。这是在小鼠身上显示的结果。所以我们在一个非常相似的实验中匹配了小鼠的这种表现。这如何转化为，你知道，移动机器人？它是一个微型传感器。它在船上。你能用它做什么？有一个

我在论文中描述了不少应用，但我最喜欢的一个还没有提到，它更多的是在生态学方面。你可以使用这些快速气体传感器，例如，用于早期检测野火。所以如果你，一些背景知识，野火，它们在全球范围内是最大的二氧化碳排放源之一。

传统上，它们是通过卫星或小型监测飞机探测到的。然而，为了让它们从空中被看到，它们需要已经达到一定的大小。如果火灾在树冠下方，就很难从上方探测到它们。

在那里，快速气体传感器，这可能是一个很好的解决方案。事实上，德国已经有一些初创公司在做这件事。他们在整个森林中部署这些相对快速的传感器，然后在火灾发生时检测到它们。

但实际上，由于它们是静止的，如果你想覆盖一个很大的区域，你需要一个非常大的基础设施。我相信，有了我们开发的传感器和电子鼻，你可以把它们放在无人机上，你可以从空中巡逻森林，寻找火灾的气味。

如果这减少了基础设施，同时增加了面积。你能否利用这种检测气味之间变化的能力来进行定位或追踪气味？

我想可以。我认为你可以将它用于任何具有类似机制的应用。所以字面上任何你根据气味进行主动搜索的应用。所以气味导航或嗅觉导航。为什么对动物来说能够快速检测气味并区分，你知道，以非常快速的方式区分不同的气味很重要？

如果我们研究流体动力学领域，如果我们研究这些气味是如何在空气中扩散的，我们会注意到这些过程比我们天真地预期的要复杂得多。例如，气味强度在源和接收器之间遵循梯度，这听起来可能很直观，但在大多数情况下这实际上是不正确的。所以气味，它们以间断的包的形式出现，这些包是由

空气中的微观和宏观尺度动态过程产生的。这些包本身可能非常短，而且两个包之间可能会有很长时间的间隔。这使得动物能够快速感知这些线索并尽可能有效地处理它们变得非常重要。因为它可能是危险，可能是食物，可能是天气，所有这些不同的东西。是的，它可以是任何东西，从寻找食物或寻找配偶到感知，是的，烟雾。

那么是什么让你决定研究气味或电子鼻适合你？你为什么在这个领域工作？是的，所以我是一名物理学家出身，我在瑞士获得了本科学位。在我的硕士期间和之前，我做过几次实习，在那里我用新的传感器设计做了很多实验。所以新型相机或气体传感器。我一直觉得嗅觉如此未被开发，这很令人着迷。

特别是考虑到化学感觉很可能是动物进化中最古老、最基本的感官。对我来说，我很兴奋能够开始这个博士学位，它试图结合物理学和生物学的见解，以及电气工程和计算机科学。这是一次精彩的对话。非常感谢你和我聊天。谢谢。

谢谢你邀请我。Nick Dendler 就在上周成功地完成了他的博士论文答辩。他的工作是在赫特福德郡大学的生物计算小组和澳大利亚西悉尼大学的国际神经形态系统中心进行的。你可以在 science.org/podcast 上找到我们讨论的《科学进展》论文的链接。

本期科学播客到此结束。如果你有任何意见或建议，请写信给我们 [email protected]。要在播客应用程序中找到我们，请搜索《科学》杂志，或者你也可以在我们的网站 science.org/podcast 上收听。也请回答我们的调查。我们现在正在进行这项调查，我们非常希望通过这种形式听到你的意见。

这档节目由我和 Sarah Crespi 以及 Kevin McLean 编辑。我们得到了 Podigy 的 Megan Tuck 的制作帮助。我们的音乐由 Jeffrey Cook 和 Wenkui Wen 创作。我代表《科学》杂志及其出版商 AAAS 感谢你的收听。