Deep Dive
Shownotes Transcript
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所以
这是《无法解释》。我是Noam Hassenfeld，我和我们的高级科学记者Brian Resnick一起在这里。嘿。这是一个关于未解科学问题的节目。Brian，我想和你谈谈，因为当我们最初讨论节目中可能要涵盖的主题时，你告诉我你有一个关于鼻子的谜团想让我调查。是的。我自己没有做过任何研究，但我确实记得看过一个YouTube视频，
它讲述了嗅觉仍然是一个谜。是的，我们仍然不知道嗅觉是如何工作的。这有点令人震惊，因为这是一个我们没有完全理解的非常基本的事情。是的，就像你在小学学到的五种感官之一。是的，在过去几周的研究中，我意识到这不仅仅是一个有趣的谜题。如果我们能解开这个谜团，我们实际上可以挽救生命，因为癌症有气味。
我从未闻到过。好吧，我们闻不到，但狗可以闻到。我实际上和四只生物探测犬坐在一起。我和一位特别喜欢狗的科学家克莱尔·盖斯特博士谈过话。如果你在背景中听到它们的声音，那是因为它们刚刚进行了长时间的散步，目前正在晾干，并用爪子抓挠地毯。哦，听起来很可爱。所以在21世纪初，克莱尔正在训练这些狗，她的生物探测犬，
以便它们可以闻到疾病的气味。但后来她的工作发生了转变。她正在训练她的狗进行一项即将进行的大型研究。我的其中一只狗，一只和我一起生活过的美丽的狗，名叫黛西，是一只赤狐拉布拉多犬。她开始看起来很沮丧。这可能是最好的描述，有点沮丧。她只是坐在那里。只是看着我，然后轻轻推我，看着我，然后轻轻推我。
克莱尔摸到了黛西推的地方，她摸到一个肿块。我最终被诊断出患有非常非常深层的早期乳腺癌。她接受了治疗，幸运的是她没事，但她可能没有及时发现。因为肿瘤实际上非常深层。如果不是她的狗黛西。
哇，所以黛西，她被训练来做这个？是的，是的。所以有点像游戏。所以你教它们识别一种气味。当它们闻到这种新的疾病时，它们会说，“哇，这很有趣。”这就是你捕捉到的。你给狗奖励。狗开始意识到你想要我找到这种特征气味，然后你从那里开始构建。
一旦狗学会了这种气味，克莱尔就可以使用许多不同的东西：尿液、汗水，甚至是患有某种疾病的人穿过的袜子。她取了一些阳性样本和一些阴性样本，并将每个样本放在一个支架上。好的。它们被分成一个放在支架上的格栅，狗沿着格栅依次嗅探每个样本。如果狗闻到阳性样本，它会停下来等待奖励。如果是阴性样本，
它会从一个样本移动到下一个样本。所以传递意味着这是一个阴性样本。那么癌症是它们唯一能闻到的东西吗？它们能闻到其他疾病吗？哦，不仅仅是癌症。从狗的行为来看，似乎每一种疾病和病症都有独特的异味。狗可以被训练来可靠地找到这种气味并告诉我们。
我们说的是什么疾病？它们基本上可以检测到目前为止它们尝试过的所有东西。所以它们做过各种形式的癌症。膀胱癌、前列腺癌和乳腺癌。帕金森氏症。细菌。疟疾。我认为这项研究最令人兴奋的部分是，现在他们开始测试这种能力对COVID-19的影响。真的吗？就像狗可以闻到携带……
冠状病毒的人？是的，而且它们做得相当不错。克莱尔说，这项研究看起来非常有前景。他们应该很快就会发表结果。想想这里的潜力吧。我的意思是，它比你普通的鼻拭子PCR检测要快得多，侵入性也小得多。这是通过单次嗅探完成的。现在，这种嗅探只需要狗半秒钟的时间。你可以让一只狗闻很多人的气味，然后将狗认为患有COVID-19的人送去进行PCR检测以确认。
所以，你想要什么？像一支庞大的狗军队？是的，这是一种方法。有些地方实际上正在这样做。赫尔辛基的机场有COVID-19嗅探犬。在赫尔辛基，他们领先一步。在迪拜。现在，阿联酋的人们声称他们已经训练了狗来检测冠状病毒的气味，准确率达到92%。
它们甚至被用来筛选去看迈阿密热火篮球赛的球迷。- COVID-19嗅探犬现在将在球迷进入体育馆前迎接他们。- 但是认真地扩大所有这些规模的想法
这将非常难以管理。这需要大量的时间、金钱和专业知识。训练并不容易。除了困难之外，狗军队从来都不是这里的计划。这个想法一直是让狗用它的鼻子来翻译它所知道的东西……
到电子设备上。如果科学家能够反向工程狗鼻子中发生的事情，他们可以使用机器人鼻子。你知道，也许不是为了这场大流行病，而是为了下一场大流行病。那将会有所帮助。但这就是嗅觉的整个谜团开始成为一个大问题的地方。这就是我想在本期节目剩余部分关注的内容。因为我们并不真正了解嗅觉是如何工作的。
嗯。我们已经掌握了一些基本的机制，但根本问题是我们并不真正知道为什么一样东西闻起来是一种味道，而其他东西闻起来是另一种味道。是的，你需要知道这一点。是的，如果你不知道嗅觉是如何工作的，你怎么能利用狗鼻子的力量呢？但不像……
我们不能完全蒙在鼓里，对吧？你说过我们知道气味工作的一些基本知识。是的，我们知道基础知识。那么，基本上，什么是气味？
所以到处都是东西。想象一下一块巧克力棒、一棵树或一支蜡烛，你知道，任何东西。分子，这些小东西，正在脱落并四处弹跳。而气味实际上有点像触觉或味觉。它是物理的。
你实际上是用鼻子内部触摸这些物质。你闻到的物质到达你的鼻子，并直接与你鼻子里的受体发生物理相互作用。这是安妮-索菲·巴维奇。她是印第安纳大学的教授。所以当你走进公共厕所，你认为，哦，有人在我之前来过这里，闻起来很臭。好吧，你确实有粪便分子到达你的鼻子。所以我毁了很多体验。
所以我们有分子撞击你鼻子后部的受体蛋白，然后你的大脑将所有这些解释为气味。这是简单的一部分。棘手的是，即使我们知道气味是如何进入鼻子的，我们也不真正知道为什么东西闻起来是这样的。
长期以来，我们能想到的最好的解释是分子的形状。就像某些分子一样，如果它们具有某种形状，它们就会闻起来是一种味道。如果它们的结构不同，如果它们的形状不同，它们就会闻起来不同？是的，就是这样。这被称为锁钥模型。基本上，你的鼻子里有很多不同的受体，世界上有很多分子。
这有点像孩子们的游戏，你知道，把三角形放在三角形孔里，把正方形放在正方形孔里。需要明确的是，所以这里的受体是锁，这些分子是解锁它们的钥匙。对，它们被解锁了，这些会向你的大脑发送气味信号。但是我们研究受体越多，尤其是在过去的几十年里，
我们越意识到它们实际上不能像带钥匙的锁一样工作。首先，数学根本行不通。人类大约有400个受体。我们可能有1万亿种人类可以感知到的气味分子。所以显然它不可能仅仅是分子-受体的相互作用。
我可以闻到1万亿种不同的东西。是的，1万亿种不同的东西。而且你的鼻子肯定没有1万亿种不同类型的锁。只有400个。所以你可能有某些形状的某些分子负责某些特性，这种想法是幼稚的。是的。然后，你知道，我们对这些受体的了解越多，
它们看起来就越不像锁，因为科学家们已经发现受体实际上可以改变它们的形状。这些不是刚性的实体，因为它们不断地改变构象。它们是弯弯曲曲的，而且移动很多，锁钥模型看起来很直观，看起来很合理，但这根本不是它的工作方式。
那么这个想法完全是错误的吗？气味与分子的形状无关？好吧，科学家们认为形状是众多因素中的一个。好的。因为具有相似形状的分子闻起来可能不同。而具有不同形状的分子闻起来可能完全相同。你在这里说的是，如果我画一个分子的图片并把它交给科学家……
他们不一定能够告诉我那个分子闻起来是什么味道。对。可能有一些分子可以起作用，但没有系统的方法可以仅根据形状来预测气味。本质上，锁钥模型听起来不错，但气味要复杂得多，而且实际上是动态的。你几乎在跳探戈。♪
所以有时你可能会有一个舞伴，你会有这种色情的张力。其他时候感觉不存在。还有一些你认为，哦，拜托，永远，永远不要再有。吸引力很复杂。同样，受体具有不同的敏感性。每个受体都被吸引到不同的事物。所以你可能有一个受体认为，你知道，我完全喜欢硫磺，我喜欢它。另一个可能是某种环状分子。
分子有多弯曲，有多灵活。它可以寻找不止一件东西。下一个可能实际上有10个不同的特征。但它之所以是舞蹈，是因为这两个伙伴，它们不仅仅是契合在一起。
我喜欢探戈的比喻，因为你有两个人在跳舞和互动，而且有时，当然，会有一个更占主导地位的人来领导另一个人。有时受体可以接管。所以受体也可能会弯曲分子，如果它更灵活的话。其他时候，分子可以激活受体，将其打开。但在不同的分子环境中，在不同的混合物中，它会降低受体活性。这更像是一种关闭。
所有这些都在鼻子中的每个受体上重复400次，然后发送到大脑。大脑如何知道这个受体对哪个特征有反应？我们真的不知道。这是一个有趣的问题。
所以鼻子真的很复杂。我相信这一点。它只是，在我看来，我们只是不知道这种舞蹈对于每种可以想象的气味是什么样的。这就是这里的问题。好吧，这是其中一部分。你鼻子里的情况绝对超级复杂。你知道，这种舞蹈使400个受体能够产生1万亿种不同的气味。但实际上这里还有第二层。差异。
不同的人可以闻到完全相同的东西，并体验到不同的气味。例如，想想香菜。我相信你知道有些人认为它闻起来和尝起来像肥皂。我认为它尝起来像肥皂，闻起来也像肥皂。
哦，不，这太糟糕了。但我也不讨厌它。好的，这很奇怪。但我猜我的鼻子只是在做与你鼻子不同的舞蹈。是的，基本上就是这样。这是因为你实际上是一个突变体。哦。如果香菜闻起来像肥皂，那是因为你有一个突变，导致你的受体以不同的方式反应。哇。但除此之外……
还有很多事情需要考虑，这与大脑的关系更大。例如语言和文化、你母亲怀孕时吃的东西、环境、经验。所有这些都会影响你的嗅觉。好的。但这就是我们进入真正疯狂的部分的地方。科学家们正在研究所有这些，整个探戈，而且他们毫不气馁。因为利用狗鼻子中这种超级力量来闻到疾病的想法是……
太诱人了，以至于一些科学家正在全力以赴进行“建造机器人鼻子”行动。
那么这些人知道嗅觉是如何工作的吗？不，真的不知道。当你根本不了解嗅觉是如何工作的时，你怎么能制造出像机器人鼻子这样的东西呢？他们只是有点忽略了这个问题。只是忽略它？是的，事实证明，你实际上可能能够在不真正理解它如何工作的情况下制造出机器人鼻子。哦。是的，我会在稍作休息后告诉你。
对《无法解释》的支持来自Greenlight。有孩子的父母告诉我，时间过得快得多。在你意识到之前，你的孩子已经长大了，他们有了自己的信用卡，而且他们不知道如何使用它。但你可以帮忙。如果你想让你的孩子尽早获得一些金融知识，
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第一，狗可以闻到各种疾病。第二，我们真的不知道它们是如何做到的，因为嗅觉是一种我们不真正理解的超级复杂的鼻子探戈。是的，明白了。第三……
尽管存在这个巨大的问号，但一些人仍在试图制造一个机器人鼻子。他们实际上对我们知之甚少感到兴奋。吸引我参与嗅觉游戏的是这些狗能够做到我的实验室中没有任何分析工具能够做到的事情。这是安德烈亚斯·梅申。他是麻省理工学院的一位令人兴奋的研究科学家。我可以使用价值超过1亿美元的设备。这让我很生气，一只卑微的狗竟然比价值1亿美元的设备做得更好。是的。
这张照片有点不对劲。我不应该能够做到这一点。而他拥有的所有这些大型精密设备都无法做到这一点，因为正在进行这种复杂的探戈。是的，鼻子探戈究竟是如何工作的仍然是一个很大的问号。但安德烈亚斯认为他可以解决这个问题。我只是决定，看，狗已经证明它们可以做到这一点。
我们可以做到。我们只需要弄清楚。幸运的是，安德烈亚斯得到了一个很好的机会来弄清楚。DARPA，国防部的研究和发展机构，他们也想弄清楚这种狗的超能力。也许用它来嗅探炸弹和其他东西。所以他们举行了一场比赛，看看是否有人能够制造出机器人鼻子。目标很简单。打败狗。这就是挑战。
这是一位麻省理工学院的科学家与一只狗对抗。安德烈亚斯喜欢他的机会。我认为我知道我在做什么。我非常自信。他与麻省理工学院的合作者徐王张一起工作，后者已经弄清楚了如何在细胞中培养真正的受体。你鼻子里的相同受体，我们使用各种技术来稳定它们。它们有点散布在一个电路板上。它看起来大约有台式机那么大，也许是侧放的。等等，等等。你在说，像……
这是一个半机械人。是的。就像科幻小说中的东西。是的，这可能像半机械人的鼻子一样。是的。他认为它可以像一个改进的一氧化碳探测器一样工作，只是它会寻找某些与炸弹相关的化学物质。如果它检测到这些化学物质，它所有的化学警报都会响起。
但是它必须检测的化学物质太多了，警报会响得太频繁了。本质上，他意识到这个模型将无法解码鼻子探戈。
所以他现在又回到了起点，第一阶段？他以为他能解决这个整个嗅探探戈的事情，却失败了？是的，但这实际上给了他一个主意。他认为他必须建造一些能够解码气味的东西，你知道，根据它最微小的部分来弄清楚它究竟是什么。但这可能不是嗅觉的工作方式。安德烈亚斯一直在想着克莱尔和她的狗黛西。他
他在想，等等。克莱尔的狗黛西被训练用来检测膀胱癌，但却检测出了乳腺癌。这真的很奇怪，因为这两种癌症的特征分子是不同的。它们之间没有任何共同之处。然而，狗可以概括。你训练它们检测一种癌症，它们意识到，哦，这闻起来也像癌症。我们不知道狗是如何做到这一点的。我们只知道它们可以做到。所以这有点像它们正在学习癌症闻起来是什么味道吗？
是的，他就是这么认为的。当你闻到某种东西时，你不会看到分子的列表，就像当你听音乐或看画作时一样。你不会看到像素和颜色值的列表。你同时看到整幅画。所以这个想法非常关键。我实际上想用安德烈亚斯的一个例子，并尝试将气味想象成一首乐曲。Brian，你认识这首歌吗，对吧？
显然。而且你认识它，因为你认识这个模式。你并不一定认识它，因为你记住了每一个单独的声音。是的，但我也知道声音是什么。好吧，即使声音改变了，你仍然可以识别它。例如，如果我用合成器或垃圾桶播放它，或者即使它在不同的调子上，而且实际的音符不同，你也可以识别它。
你仍然可以识别它？是的，它仍然在彩虹之上。对。即使部分不同，部分之间的关系也是相同的。模式相同。所以气味就像这些我们学会识别的大的整体模式。是的。这就像你只需要那种整体印象。是的。
所以这就是我们进入机器人鼻子2.0的地方。他称之为纳米鼻子。纳米鼻子。是的。这一次他尝试了不同的方法。好的。他意识到他不需要化学探测器。他需要的是大脑。他以狗为例，他说，看，我们不知道狗是如何做到这一点的。我们只知道它们可以做到，而且它们可以被训练。所以如果安德烈亚斯可以建造一些能够识别歌曲的东西……
不是单独的音符本身，而是更大的画面，模式。他不需要弄清楚所有这些部分是如何组合在一起形成气味的。只要他能像训练狗一样训练它，它就能工作。所以，就像，你怎么训练一个半机械人？你会给它奖励吗？说实话，有点像。
我们不知道狗的鼻子最终是如何工作的。这意味着当狗闻到正确的袜子时会得到奖励。
对于计算机来说，它略有不同，而不是奖励。这是你按下的一个不同的按钮，它只是在那个时候通知所有受体，你现在闻到的任何东西都是我们正在寻找的东西。找到其他方法来找到相同的东西。哦，这有点像机器学习，就像构建人工智能一样。是的。安德烈亚斯没有解决关于嗅觉是如何工作的这个巨大的、神秘的问号，即所有的小部分是如何组合在一起形成气味的，而是忽略了这个问号。
他建造了纳米鼻子来识别模式，向它展示了测试需要识别的东西，然后他让纳米鼻子自学如何识别气味。当你达到相同的统计结果时，一个涉及狗，一个涉及机器……在那时，你基本上可以说……好的，这两件事正在做同样的事情，在我的理解范围内。所以安德烈亚斯忽略了问号，仍然制造了一个工作的鼻子。
这里有点令人毛骨悚然的是，纳米鼻子中发生的事情可能与狗脑中发生的事情并不完全相同。安德烈亚斯真的不知道。他只知道它有效。而且它确实有效？就像，他建造了这个？好吧，有点像。安德烈亚斯证明它可以闻到DARPA感兴趣的某些分子。而且它非常灵敏。
但这是在一个极其受控的环境中进行的，这可能是DARPA最终放弃该项目的原因。现实世界要困难得多。你知道，到处都有各种气味在四处飘荡。
但安德烈亚斯认为纳米鼻子仍然可以做到。他仍在继续推进这项研究。现在，他正在努力使大脑部分更聪明。哦，所以这个AI只需要变得更好？是的，他们仍在试图反向工程狗在闻东西时脑子里究竟发生了什么。例如，究竟是什么让东西闻起来像癌症？
安德烈亚斯和克莱尔实际上在上个月刚刚发表了一些非常有前景的研究成果，但他们还没有将它与纳米鼻子结合在现实环境中进行测试。是的，那么你如何让它为现实世界做好准备呢？我的意思是，这并不容易。他将不得不让它接触到越来越多的气味来继续训练大脑，使AI更聪明，这可能需要一段时间。但就纳米鼻子本身而言，他已经把它做得比台式机小得多。此时，它实际上可以装进你的手机里。是的。
这是这里的目标吗？就像，我会问，嘿，Siri，我需要洗澡吗？也许吧。我不确定Siri，但我可以告诉你，对于安德烈亚斯来说，这绝对是下一步。想想看，对吧？我们中的任何一个人都可能有一个变成恶性的痣，它有一个六个月的时期。它正在改变颜色，改变形状，改变气味。如果你等六个月，有时它会变成死刑。
这并不是某种遥远的科幻技术。这可能很快就会发生。我认为我们可能还有五年时间，也许更短一点，才能将它从现在的位置转移到手机内部。我说的是部署到1亿部手机中。医疗设备手机即将到来。仍然有一些东西，它还没有解决。就像，我们可能会在手机里安装鼻子。
但是，我们仍然不知道鼻子是如何工作的。是的，这有点奇怪。但这里可能是我最喜欢的部分。确实，他跳过了理解。但我喜欢这一点，这种跳跃，可能是最终让他获得理解的唯一方法。理查德·费曼，一位著名的物理学家，在他去世的那天，他黑板上著名的遗言是，如果你不能创造一些东西，你就无法理解它。
这很深刻而有力，但我没有意识到它的真正含义是，认为你必须在建造之前理解某件事是愚蠢的。这只有在你已经知道它的时候才有效。也许费曼实际上说的是更像这样。建造它来理解它。你可以通过建造来更好地理解某件事。发明飞行的莱特兄弟，他们不知道飞行是如何工作的。他们建造飞机是为了了解它如何飞行。所以这就是最后一个鼻子的情况。
有趣的是，科学家们并不完全了解飞机是如何飞行的。是的，这可能是另一期节目的内容。是的，我们会谈到它。至于鼻子，安德烈亚斯仍然没有完整的画面，但他做得越多，学到的就越多。所以，建造它来理解它，但理解它这部分，还没有完全到位。是的，我有点喜欢这个作为对无法解释问题的答案，因为它
你知道，它向你展示了你不必完全了解才能取得进展。是的，我们有这项令人难以置信的新技术。是的，我喜欢安德烈亚斯例子的那种自信、希望和乐观，因为他诚实地承认他并不真正了解鼻子的工作原理。但是那个大空盒子，那个问号，开始感觉不那么像障碍，而更像是一个机会。
信不信由你，科学家们仍然不知道嗅觉是如何工作的。但他们正在研究嗅觉的强大之处——狗实际上可以嗅出癌症和许多其他疾病——他们正试图弄清楚如何反向工程它。事实上，一位麻省理工学院的科学家可能已经制造了一个机器人鼻子……而并没有完全理解他的发明是如何工作的。更多阅读，请在此处注册我们的时事通讯：http://vox.com/unexplainable-newsletter在以下网址查看成绩单和文章：http://vox.com/unexplainable关于量子鼻理论的文章：https://bit.ly/3clurfs给我们发邮件！[email protected]我们会阅读每一封邮件。了解您的广告选择。访问podcastchoices.com/adchoices</context> <raw_text>0 本集由诺姆·哈森费尔德报道和制作，他也为此创作了音乐。吉利安·温伯格、布莱恩·雷斯尼克和我，伯德·平克顿进行了编辑。
莉莉安娜·米切莱纳做了回溯工作。汉尼斯·布朗负责混音和声音设计。谢谢，汉尼斯。梅雷迪思·霍德诺特是我们的高级制作人。此外，丽兹·凯利·尼尔森是Vox播客的编辑总监。本集特别感谢莎拉·哈里森和埃拉·费特。
此外，嗅觉的奥秘还有一些非常奇妙的转折，我们无法在本集中全部容纳。例如，有一种理论认为，我们的鼻子真正的工作方式是利用量子力学，
这有点复杂。但如果你想深入研究，请查看我们的节目说明，其中包含安妮-索菲·巴维奇的一篇文章的链接。你在节目的前半部分听过她的声音，她写了关于科学界是如何非常迷恋这种量子鼻理论的，然后这个理论并没有像人们想象的那样好。
当你查看节目说明时，我们还有一个指向Unexplainable网站的链接，你可以在那里找到关于我们节目的文章，你可以找到节目记录，你可以找到更多内容。一定要记下我们的电子邮件地址，以便你可以向我们发送你的想法。我们的邮箱是[email protected]。请发送你的想法。我们很乐意听到你的想法。还有一件事。如果你想了解更多关于嗅觉奥秘的信息，我强烈推荐安妮的书《嗅觉哲学》。
它涵盖了我们在本集中无法涉及到的各种引人入胜的历史。Unexplainable是Vox Media播客网络的一部分，我们下周三将在你的订阅中回归。