人群為什么天然愛左轉(zhuǎn) | 科技周覽

整理 | 周舒義、平生

目錄

• 三年級坐不住，可能會一路影響成年學歷
• 人群為什么天然愛左轉(zhuǎn)？
• 為什么老年病越來越多？自然選擇偏愛年輕人
• 拖延癥有救了？大學生試過后，目標完成率真的提高了
• 細菌沒有腦子，卻能把“上輩子的苦”傳給孫輩
• 缺乏“性”，曾讓生命演化停滯數(shù)千萬年
• 冰到底是怎么凍出來的？理論仍然錯得離譜

三年級坐不住，可能會一路影響成年學歷

三年級時的課堂表現(xiàn)能否預測高中、乃至成年后的發(fā)展？一項發(fā)表于《發(fā)展心理學》（Developmental Psychology）的最新研究顯示：一定程度上可以。這是一項相關(guān)性研究，不能表明因果。

研究人員利用一項從出生追蹤到成年的縱向數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，那些在校期間表現(xiàn)得更加好動和沖動（表明自控力較差）的三年級學生，更有可能在小學和高中階段學業(yè)成績較低，并且成年后受教育年限也更短。

圖源：Unsplash/CC0 Public Domain

研究人員使用美國國家兒童健康與人類發(fā)展研究所（NICHD）“早期兒童保育與青少年發(fā)展研究”的數(shù)據(jù)，分析了747名個體的信息。參與者出生于1991年，數(shù)據(jù)采集從出生一直持續(xù)到26歲。他們在三年級時曾連續(xù)最多7天佩戴加速度計，記錄在學校的身體活動水平（如跑步、跳躍）。

研究作者在論文中解釋：“我們之所以聚焦三年級，是因為這一階段標志著兒童向童年中期過渡，開始更多地獨立控制自身行為。”

為評估兒童的自控能力，研究人員考察了活動水平、教師對多動行為的評估、以數(shù)學和閱讀成績衡量的學業(yè)成就，以及參與者自我報告的26歲前所獲最高學位等數(shù)據(jù)。

結(jié)果顯示，兒童的活動量往往隨著上學時間的推移而增加。然而，有些孩子的活動量上升幅度更大，被教師評價為更沖動、更具破壞性，他們在小學和高中階段的數(shù)學和閱讀成績更低，成年后完成的受教育年限也更短。相比之下，那些在一天中更能維持行為穩(wěn)定的兒童，數(shù)學和閱讀成績更高，完成四年制本科學位的幾率也高出20%。

“身處校園需要一定程度的自控能力。孩子們被要求走路而不是奔跑、管好自己的手腳、在需要時安坐在座位上，”該研究的第一作者、紐約大學應用心理學助理教授安德魯·E·克普（Andrew E. Koepp）表示。

克普指出：“我們的研究結(jié)果表明，從行為層面來看，大多數(shù)孩子到放學前都會有點‘繃不住’。有趣的是，那些能夠‘穩(wěn)住’更長時間的孩子，往往在學校表現(xiàn)更好，也更有可能取得長期的教育成功?！?/p>

不過，這項研究并不意味著“三年級坐不住，就注定學業(yè)失敗”。研究采用的指標可以作為自控能力的外在信號，但不能完整概括一個孩子的性格、智力或未來潛力。研究的意義不在于給孩子貼上“自控力差”的標簽，而在于更早識別那些可能需要額外支持的學生。學校和家長應該幫助兒童練習行為調(diào)節(jié)、改善課堂節(jié)奏、提供適當活動機會，而不是單純批評他們“坐不住”。

相關(guān)論文：
https://dx.doi.org/10.1037/dev0002212

人群為什么天然愛左轉(zhuǎn)？

在喜劇電影《超級名模》（Zoolander）中，世界頂級男模德里克·祖蘭德曾哀嘆自己有一個罕見的怪癖：“我不是‘雙向轉(zhuǎn)彎者’……這是我從小就有的毛病……我不能左轉(zhuǎn)?！?/p>

如今，一項最新研究表明，這位時尚達人的怪癖比人們想象的更加罕見。實驗顯示，人們在隨意走動時，存在一種天然的左轉(zhuǎn)傾向，并且更喜歡沿逆時針方向行走。相關(guān)論文6月10日發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

“如果你只是讓某人開始走路——無論是在博物館、超市，甚至是一個空房間里漫步——他們逆時針走動的可能性出奇地高，”西班牙納瓦拉大學（University of Navarra）的伊尼亞基·埃切韋里亞·華爾特（I?aki Echeverría Huarte）博士說。

這一發(fā)現(xiàn)來自偶然。新冠疫情期間研究人員開展實驗，研究多少人能在保持安全距離的前提下共享同一空間。在回看實驗錄像時，他們注意到人群絕大多數(shù)沿逆時針方向移動。這一意外觀察催生了一整個研究項目?？茖W家們隨后進行了一系列實驗，讓單個行人或小規(guī)模人群在封閉空間內(nèi)漫步，結(jié)果一次又一次地觀察到逆時針行走的傾向。

這張俯視圖展示了西班牙一所學校的操場，圖中點和線標示了青少年參與者的運動軌跡。| 2026 Echeverría-Huarte et al. CC-BY-ND

由于懷疑可能是文化習慣起作用，研究團隊與東京大學的克勞迪奧·費利恰尼（Claudio Feliciani）博士展開合作，結(jié)果后者在日本得到了同樣的結(jié)果。即便研究人員將慣用右手、右腳以及右眼主導等因素納入考量，這一發(fā)現(xiàn)依然成立，且在男性和女性步行者中均有體現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)的唯一差異是，這種偏好在兒童身上更為明顯。

“我們每個人都帶有輕微偏向一側(cè)的個人傾向，而當許多人共處一個空間時，這些微小的偏差累加起來，便形成了整體的逆時針旋轉(zhuǎn)，”埃切韋里亞·華爾特說。

科學家們尚不清楚這種偏好的來源，但已在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中開展了進一步實驗，還讓參與者假裝一條腿骨折后行走，希望借此找到線索。有研究成員甚至打趣說，澳大利亞或許會觀察到相反的趨勢，或許是地球自轉(zhuǎn)使風向偏轉(zhuǎn)的“科里奧利效應”在作怪。

“我們不知道這種現(xiàn)象為何發(fā)生，但我們認為，通過理解其中的原因，我們能夠更好地理解人類如何感知世界，”費利恰尼說，“這或許還能帶來比這項發(fā)現(xiàn)本身更重要的其他發(fā)現(xiàn)?！?/p>

值得一提的是，人類并非唯一表現(xiàn)出這種偏好的物種。英國布里斯托爾的研究人員已經(jīng)證明，巖蟻在探索陌生巢穴時同樣存在左轉(zhuǎn)偏好。

目前，研究人員的懷疑焦點集中在生物力學上。“我們沒有人是完全對稱的，每個人的大腦收集感官信息并與肌肉協(xié)調(diào)的方式，似乎會讓人輕微地偏向一側(cè)?！卑Ｇ许f里亞·華爾特說，“不過我必須坦誠，我們已經(jīng)檢驗了好幾種假說，但這種偏差頑固地反復出現(xiàn)，所以確切機制仍然是一個懸而未決的問題?！?/p>

他還表示，理解這種偏好有助于讓人群流動和疏散模擬更加真實，并為我們?nèi)粘４┬械目臻g——從博物館、超市到火車站——提供更好的設計依據(jù)。

事實上，這種偏好早已在體育領(lǐng)域留下印記。

卡迪夫城市大學運動與鍛煉生物力學系主任加雷斯·歐文（Gareth Irwin）教授指出，在1896年首屆現(xiàn)代奧運會上，運動員是沿順時針方向繞跑道奔跑的，但由于大多數(shù)運動員認為那是一個“不自然的奔跑方向”，這一規(guī)則在1913年被修改。

如今，逆時針跑步已被寫入《田徑規(guī)則》?！翱梢院侠硗茰y，這一慣例源于人群普遍的右腿優(yōu)勢，”歐文說，“沿逆時針方向跑彎道時，身體右側(cè)承受的內(nèi)部作用力更大。”

不過他補充道，這或許與其說是生物力學問題，不如說反映了右腿優(yōu)勢人群的社會主導地位?！坝覀?cè)主導的觀念超越了體育和田徑的范疇，在其他領(lǐng)域也隨處可見，比如超市的布局設計，它影響著商家希望引導顧客在店內(nèi)行走的方向?！?/p>

相關(guān)論文：
https://dx.doi.org/10.1038/s41467-026-73713-w

為什么老年病越來越多？自然選擇偏愛年輕人

為什么人類在擁有更長壽命的同時，卻不得不面對越來越多如心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等“老年病”？近期發(fā)表在《自然綜述：遺傳學》（Nature Reviews Genetics）上的一篇綜述文章，通過將進化理論、比較基因組學與人類遺傳學相結(jié)合，試圖解釋這一現(xiàn)象背后的生物學謎團。

衰老的進化解釋，核心在于被稱為“選擇陰影”（selection shadow）的現(xiàn)象。自然選擇主要優(yōu)化年輕和繁殖期的生物通路，晚年才顯現(xiàn)的有害突變和副作用不容易被清除。舉例來說，如果一個基因突變會導致個體在幼年或青年時期死亡，這個突變就會被自然選擇無情淘汰，因為攜帶它的人根本沒有機會留下后代。反之，一旦個體完成繁衍，如果某種基因缺陷在晚年才發(fā)作，自然選擇對這種晚發(fā)缺陷是“盲目”的——因為攜帶缺陷的個體早就把基因順利傳給下一代了。

這意味著，那些只在生命晚期才發(fā)揮有害作用的突變，會在漫長演化過程中不斷積累。

文章指出，衰老的遺傳機制主要可以從兩個方面理解。第一是“突變積累”：由于自然選擇在“陰影區(qū)”失效，那些晚發(fā)性的有害突變難以被進化機制清除。當我們變老并步入這個“陰影區(qū)”時，自然選擇撒手不管留下的“爛攤子”問題集中爆發(fā)。

第二是“拮抗多效性”：同一個基因可能同時具有兩種截然相反的作用——在年輕時能帶來巨大好處，例如促進生長、代謝或繁殖，卻在老年階段增加疾病風險。因為早期的收益在自然選擇的光環(huán)下極其寶貴，而晚期的代價被隱藏在“選擇陰影”中，所以進化會主動獎勵并保留這些“先甜后苦”的基因。這意味著衰老并不是一個獨立于生命史之外的過程，而是早年收益和晚年代價之間的長期權(quán)衡。

這種權(quán)衡不僅存在于基因?qū)用妫泊嬖谟谀芰糠峙鋵用?。生物體可支配的能量是有限的，必須在“繁衍后代”和“維護身體運轉(zhuǎn)”之間做出選擇。在生命早期生育許多后代的個體，往往在長期的身體修復過程中投入較少，這可能導致其身體加速衰老。

現(xiàn)代社會經(jīng)歷了“人口結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型”，使這一問題變得更加突出。人們壽命顯著延長、生育更少、醫(yī)療條件更好，從高出生率、高死亡率的社會，轉(zhuǎn)向低出生率、高預期壽命的社會。作者指出：由于今天存活到老年的人數(shù)遠超人類進化史上的任何時期，“選擇陰影”的后果——過去那些未被自然選擇清除的晚年有害變異，以及那些專為年輕時期優(yōu)化的生物學通路，如今正以前所未有的規(guī)模在長壽人群中顯現(xiàn)出負面后果。

現(xiàn)代生活方式也會放大這些代價。充足甚至過量的食物、更少的體力活動以及現(xiàn)代醫(yī)療干預，都與人類生物學演化時所處的環(huán)境大相徑庭。某些曾經(jīng)在資源匱乏、體力活動頻繁的環(huán)境中有利的代謝和生長通路，在現(xiàn)代環(huán)境中可能增加肥胖、糖尿病、心血管疾病或其他慢性病風險。

作者特別強調(diào)，這并不意味著老年如今像青年一樣重新受到強烈的自然選擇。更長的壽命確實將選擇的影響延伸到了生命的更晚階段，但走低的生育率又削弱了整體選擇強度。最終的結(jié)果是，那些在進化史上幾乎未被選擇觸及的生物學過程，如今正塑造著大量人群的生活。

“衰老的進化視角不只是一種歷史上的好奇，”論文作者、德國萊布尼茨衰老研究所的梅利克·德內(nèi)爾塔什（Melike D?nerta?）強調(diào)，“它指向那些保守的、古老的通路——正是它們在生命晚期的持續(xù)活動促成了年齡相關(guān)疾病，因而也最有可能成為干預奏效之處?！?/p>

相關(guān)論文：
https://dx.doi.org/10.1038/s41576-026-00959-x

拖延癥有救了？大學生試過后，目標完成率真的提高了

如果能與十年后的自己面對面交談，你今天的選擇會有所不同嗎？一項發(fā)表于《醫(yī)學互聯(lián)網(wǎng)研究雜志》（Journal of Medical Internet Research）的最新隨機對照試驗表明，通過虛擬現(xiàn)實（VR）和智能手機應用與數(shù)字化的“未來自我”互動，能夠顯著增強大學新生的未來自我認同感并提高目標達成率，部分效果在六個月后依然存在。

研究招募了321名大學一年級學生，并將其隨機分配到三個組別：智能手機應用干預組、同一干預內(nèi)容的沉浸式VR版本組，以及接受傳統(tǒng)目標設定支持的對照組。參與者首先設定個人目標——一個年度目標和一個月度目標，此外還制定了一個周目標，作為實現(xiàn)月度目標的第一步。研究人員協(xié)助參與者完善這些目標，確保其具體、可衡量、具有挑戰(zhàn)性但切實可行。

FutureU VR環(huán)境概覽 | 論文

在為期三周的干預中，應用組和VR組的參與者與十年后的"未來自我"數(shù)字化身進行互動，開展引導式對話和反思練習。VR體驗還允許用戶“化身”為自己的未來自我，以第一人稱視角增強沉浸感。

結(jié)果顯示，與對照組相比，兩個數(shù)字干預組在未來自我認同的三個維度上均有顯著提升：連結(jié)感，即現(xiàn)在自我與未來自我之間的相似性與連續(xù)性；生動性，即對未來自我心理圖像的清晰程度；以及情感效價，即與未來自我相關(guān)聯(lián)的情緒基調(diào)。這些效果在干預期間最為顯著，在六個月后的隨訪中仍部分保留，其中情感效價的持續(xù)性尤為突出。

另一項引人注目的發(fā)現(xiàn)是VR對目標達成的更強促進作用。使用VR的參與者報告的每周目標完成率顯著更高（效應量 d = 0.88），這表明沉浸式體驗可能更有效地將心理層面的轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實行動。相比之下，智能手機應用并未表現(xiàn)出類似優(yōu)勢，原因可能在于支持結(jié)構(gòu)的差異：VR組獲得了面對面指導和針對目標的結(jié)構(gòu)化反饋，而應用組則完全獨立完成練習。

該研究的共同作者、未來自我認同領(lǐng)域的知名研究者讓-路易·范·海爾德（Jean-Louis van Gelder）強調(diào)了這類工具的變革潛力：“當人們能夠看到、聽到甚至‘成為’自己的未來自我時，‘未來’這一抽象概念就變得真實起來。這是一種能夠釋放動力的心理轉(zhuǎn)變。”

他進一步補充道：“真正的力量不僅在于技術(shù)本身，更在于它降低了未來思維的認知負荷。我們不是要求人們?nèi)ァ胂蟆磥?，而是讓他們親身體驗未來——這使未來變得更加觸手可及，對那些在長期規(guī)劃方面有困難的人尤其如此。”

研究人員同時指出，該干預并未對自我挫敗行為、沖動性或?qū)W業(yè)表現(xiàn)等更深層的結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。但其在未來自我認同和目標投入方面的短期收益已頗為可觀。研究結(jié)果表明，數(shù)字工具有望成為促進長期福祉與目標追求的有力且可推廣的切入點，在教育和預防性健康領(lǐng)域尤具應用價值。

相關(guān)論文：
https://dx.doi.org/10.2196/84420

細菌沒有腦子，卻能把“上輩子的苦”傳給孫輩

一項最新研究表明，即便沒有大腦或神經(jīng)系統(tǒng)，細菌也能夠從過往經(jīng)歷中“學習”、跨代儲存“記憶”，并據(jù)此調(diào)整自身行為以適應不斷變化的環(huán)境。

研究團隊來自卡內(nèi)基梅隆大學，他們追蹤了單個大腸桿菌（E. coli）細胞在營養(yǎng)豐富與營養(yǎng)匱乏環(huán)境之間反復切換時的反應。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細菌并非每次都以相同方式作出反應，而是會根據(jù)此前經(jīng)歷過的環(huán)境變化模式來調(diào)整自身的生長——那些經(jīng)歷過快速變化環(huán)境的細胞，比在穩(wěn)定環(huán)境中長大的細胞適應得更好。

“長期以來，人們假設細菌的生長只由它當前所處的環(huán)境決定，”論文第一作者約西亞·克拉茨（Josiah Kratz）表示，“而我們的研究表明，過去環(huán)境的歷史同樣重要。細胞會記住這些經(jīng)歷，而這種記憶會改變它們的行為方式。”

此前一些研究已證明細菌能夠保留對先前環(huán)境的短期記憶，而新研究更進一步。“我們證明了細胞能夠分辨不同的環(huán)境變化頻率，”克拉茨說，“要做到這一點，它們需要一種比此前任何人所展示過的都更復雜的記憶?！?/p>

更令人驚訝的是，這種記憶甚至能夠跨代延續(xù)。對細菌而言，一代的時間可能只有幾十分鐘到數(shù)小時。在營養(yǎng)豐富的條件下，單個大腸桿菌細胞可能每30分鐘到1小時就分裂一次，但在應激條件下產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，可以被子代乃至孫代細胞所繼承。這些被遺傳下來的分子，讓后代得以保留關(guān)于其自身從未直接經(jīng)歷過的環(huán)境的信息。

“如果一個‘祖母’細胞經(jīng)歷過應激并存活了下來，那么‘孫輩’細胞會因為這段歷史而表現(xiàn)出不同的行為，”克拉茨這樣形容。

這一發(fā)現(xiàn)對臨床醫(yī)學具有潛在意義。傳統(tǒng)上，研究人員認為細菌對抗生素的反應主要取決于藥物的種類與劑量濃度。但如果細菌確實保留著對過往應激的“記憶”，那么它們的反應或許還取決于自身的環(huán)境歷史——曾經(jīng)歷過饑餓、高溫或低溫或低劑量抗生素的細菌，對治療的反應可能與沒有這類經(jīng)歷的細菌截然不同。

“如果我們想要全面理解并預測細菌對抗生素的反應，我們可能不僅要考慮它們當下正在經(jīng)歷什么，還要考慮它們過去曾經(jīng)經(jīng)歷了什么，”克拉茨說。

相關(guān)論文：
https://dx.doi.org/10.1103/5zbg-8vll

缺乏“性”，曾讓生命演化停滯數(shù)千萬年

一項最新化石研究顯示，地球上最早期動物的無性生殖，曾在長達數(shù)千萬年的時間里抑制了生命多樣性的發(fā)展。直到環(huán)境壓力和競爭催生了有性生殖，演化的步伐才驟然加快。相關(guān)論文6月9日發(fā)表于《自然-生態(tài)與演化》（Nature Ecology & Evolution）。

長期以來，古生物學家一直困惑于這樣一個現(xiàn)象：動物生命在地球上出現(xiàn)之后，卻在漫長的歲月里演化緩慢，直到大約5.5億年前的“第二波”多樣化浪潮，才為演化進程注入了強勁動力。從動物登場到真正迎來爆發(fā)，這中間長達兩千多萬年的“停滯期”究竟經(jīng)歷了什么？

研究團隊分析了距今約5.74億年、目前已知最古老動物的化石。結(jié)果表明，無性生殖將演化的節(jié)奏拖慢到近乎停滯，原因在于它限制了不同類群之間的競爭。

在經(jīng)歷了數(shù)十億年的微生物時代后，地球進入了埃迪卡拉紀（約6.35億至5.39億年前）。在這一時期，生命的體型顯著增大，最早的動物登上舞臺。其中一些最早期的動物，比如外形近似蕨葉的Fractofusus，體長可達兩米。

這些動物的外觀更像蕨類植物，而非我們今天所熟悉的任何動物：它們似乎沒有口、沒有器官，也沒有運動能力，因此科學家推測它們是通過吸收周圍水中的養(yǎng)分來維生。和大多數(shù)埃迪卡拉生物一樣，它們在約5.4億年前寒武紀伊始便從化石記錄中消失，這使得科學家很難將它們與任何現(xiàn)代生命形式建立聯(lián)系。

藝術(shù)家描繪的埃迪卡拉紀動物群落。| Hugo Salais

此前的研究已經(jīng)確定，這些早期動物通過無性方式繁殖——它們像今天的草莓植株那樣，通過匍匐莖或走莖派生出克隆個體。在埃迪卡拉紀富含營養(yǎng)的海水中，它們繁衍生息、欣欣向榮。

“埃迪卡拉紀的生活相當愜意，所以對‘性’的需求相當有限，”新研究的第一作者、劍橋大學動物學系的艾米莉·米切爾（Emily Mitchell）博士表示，“當時競爭相對較少，因此并沒有真正的壓力去改變什么?！?/p>

米切爾和合作者安德烈亞·馬尼卡（Andrea Manica）教授綜合運用了激光掃描、空間分析和人工智能等手段，研究了來自加拿大紐芬蘭“迷斯塔肯角”（Mistaken Point）的化石。這里是全球埃迪卡拉紀化石最豐富的產(chǎn)地之一。

埃迪卡拉紀動物Fractofusus的化石。| Emily Mitchell

研究團隊進一步建立了計算機模型，模擬不同繁殖策略下早期動物群落的擴散和競爭。模型被運行數(shù)千次，并借助簡單神經(jīng)網(wǎng)絡篩選出最符合真實化石分布模式的模擬結(jié)果。研究采用的方法稱為近似貝葉斯計算，即從現(xiàn)實化石數(shù)據(jù)反推古代生物的擴散距離和資源競爭強度。

結(jié)果顯示，以匍匐莖為基礎的無性繁殖會把個體連接在鄰近區(qū)域內(nèi)。這樣一來，相鄰個體之間可能共享營養(yǎng)，彼此競爭較弱；但代價是種群擴散范圍有限，生態(tài)位分化和物種多樣化速度也隨之降低；而后來向更廣泛擴散和有性生殖的轉(zhuǎn)變，則恰好與演化多樣性的突然爆發(fā)相吻合。

競爭與壓力在數(shù)十億年間一直是演化的主要驅(qū)動力，但在埃迪卡拉紀的深海中，無性生殖意味著競爭被限制在很低的水平?！叭绻愫袜従油ㄟ^這些走莖相互連接，那么你們是在共享養(yǎng)分，根本不需要彼此競爭，”馬尼卡解釋道。

轉(zhuǎn)折可能發(fā)生在早期動物從深海逐漸進入更淺水域之后。淺海環(huán)境更不穩(wěn)定，潮汐、風暴、溫度變化以及營養(yǎng)水平的波動，都讓生存變得更加岌岌可危，從而加劇了對資源的爭奪，擴散到新區(qū)域的收益也隨之變大。

“如果你突然身處一個一年里要被‘殺死’好幾次的環(huán)境，那一切就都不一樣了，”米切爾說，“壓力本質(zhì)上會催生有性生殖，而一旦這種情況發(fā)生，我們就能看到擴散距離的大幅增加——由于競爭加劇，動物會努力去開拓新的領(lǐng)地。”

研究人員認為，壓力增加可能推動有性繁殖和更遠距離擴散的出現(xiàn)，最終引發(fā)了埃迪卡拉紀動物演化的“第二波”浪潮。

相關(guān)論文：
https://dx.doi.org/10.1038/s41559-026-03094-2

冰到底是怎么凍出來的？理論仍然錯得離譜

在德國漢堡郊區(qū)的地下，一臺粒子加速器將電子加速至接近光速，在急轉(zhuǎn)彎中釋放出輻射脈沖，由此產(chǎn)生強大的X射線激光束。這臺名為“歐洲X射線自由電子激光裝置”（European XFEL）的設備，曾幫助科學家拍攝化學反應的超快“電影”、繪制病毒的原子結(jié)構(gòu)。如今，研究人員正用它破解一個看似簡單、卻困擾科學界數(shù)十年的難題：水和其他液體究竟是如何結(jié)冰的。

150年來，理論學家一直試圖解釋純凈液體凝固成固體的過程，然而他們關(guān)于結(jié)冰速度的模型與實驗結(jié)果相比往往嚴重失準——偏差可高達20個數(shù)量級?！皩嶒灧浅＠щy，理論很困難，計算機模擬同樣困難。”位于瑞士盧加諾的意大利語區(qū)大學理論學家米歇爾·帕里內(nèi)洛（Michele Parrinello）說。模型或?qū)嶒炛械奈⑿≌`差，都可能導致結(jié)果的巨大變化。

現(xiàn)代結(jié)冰理論可追溯到18世紀初的物理學家丹尼爾·華倫海特，以及一個多世紀后的約西亞·威拉德·吉布斯。吉布斯用統(tǒng)計力學描述了純凈液體——即不含任何雜質(zhì)顆粒的液體的結(jié)冰過程。

但自然界中的結(jié)冰大多并不“純凈”。把一杯水放進冰箱，水分子會首先在杯壁和水中雜質(zhì)上開始結(jié)晶。這種“非均相成核”遠比純凈液體中的“均相成核”容易發(fā)生。在大多數(shù)云層中，水正是在塵埃等顆粒物上通過非均相成核結(jié)冰的；而在極高海拔處，由于空氣極冷且相對純凈，均相成核也時常出現(xiàn)。

吉布斯關(guān)注的正是純凈液體。在他的理論中，結(jié)冰是兩種分子組織狀態(tài)之間的競爭：一方面，液體分子排成有序晶體后能量更低，降溫到冰點以下后結(jié)晶在能量上是有利的；另一方面，在晶體與液體之間形成新界面需要付出能量代價。微小顆粒的表面積與體積之比極大，因此液體中剛萌生的微小晶體天然不穩(wěn)定，會迅速瓦解回液態(tài)。只有當晶體團簇達到“臨界半徑”，繼續(xù)生長才變得有利，相變才會真正發(fā)生。結(jié)晶速率因此取決于一種罕見熱漲落的概率——大量分子憑隨機機會恰好落入正確的晶體排列，推動團簇越過能量壁壘。

后來的科學家將這一思想發(fā)展為“經(jīng)典成核理論”（CNT），至今仍是大多數(shù)成核理論的核心。應用該理論需要一些簡化假設，例如臨界晶核呈球形、微小新晶體與大塊固體性質(zhì)同等?；谶@些假設，理論可以預測成核速率：每秒每單位體積內(nèi)應發(fā)生多少次成核事件。

不幸的是，該理論給出的速率是一個極度敏感的指數(shù)函數(shù)，依賴于液-固界面張力、液體黏度等多個變量。德國達姆施塔特GSI亥姆霍茲重離子研究中心的物理學家羅伯特·格里森蒂（Robert Grisenti）指出，對純凈液體而言，條件的微小變化會引起結(jié)冰速率的巨變：“一滴保持在零下20攝氏度的純水，幾十億年都不會結(jié)冰；但再降溫15度，它會在一瞬間凍結(jié)?！?/p>

正因如此，研究人員很難做出可重復的實驗，而理論家略有不同的假設也會得出天差地別的結(jié)果。一項對理論估算的調(diào)查顯示，不同的建模選擇可使成核速率的預測值相差多達25個數(shù)量級。

實驗同樣如此。瑞典斯德哥爾摩皇家理工學院（KTH）的物理化學家約納斯·塞爾貝里（Jonas Sellberg）及其同事測量了小水滴中的成核速率。當他們匯總過去三四十年間多項研究的數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)測量值的差異同樣跨越20至25個數(shù)量級。

“這只是水而已，”他說，“這不禁讓人疑惑：速率怎么會相差這么多？”

這些實驗涵蓋微米級液滴、納米級液滴以及沉積在基底上的水薄膜。塞爾貝里說，在一組實驗中，即便研究人員努力復現(xiàn)相似條件，成核速率仍相差6個數(shù)量級。“這些不是隨機誤差，而是薄膜的制備方式不同，結(jié)果就截然不同?！?/p>

為了拉近理論與實驗的距離，研究人員轉(zhuǎn)向了更簡單的體系。水之所以復雜，一個重要因素在于其分子具有方向性——它們通過氫鍵相連，而氫鍵要求分子既靠近又取向正確。在一種簡單模型——倫納德-瓊斯（LJ）液體中，分子在遠距離上相互吸引，靠得太近則相互排斥。LJ液體在自然界中以液化稀有氣體（如氪和氬）的形式存在。

格里森蒂團隊制造出液態(tài)氪和氬的高速射流并射入真空，液體因蒸發(fā)而迅速冷卻。研究人員向射流發(fā)射X射線脈沖并分析衍射圖樣，從中讀取液體原子構(gòu)型的變化。結(jié)果顯示，射流在僅僅幾百微米的距離內(nèi)、短短幾微秒中，便從液態(tài)演化出晶體結(jié)構(gòu)的跡象。

將理論與模擬結(jié)合后，預測的成核速率仍比實驗值高出100至1000倍——但與以往實驗相比，差距已縮小了約100倍。格里森蒂解釋說，進步源于兩方面：LJ液體足夠簡單，略有差異的理論和模擬都能給出相對一致的預測；而新測得的成核速率很可能也比以往更準確。

這些實驗還為超越經(jīng)典成核理論提供了線索。在今年1月發(fā)表的論文中，帕里內(nèi)洛團隊對真空中小LJ液滴的結(jié)冰進行了建模，設置與格里森蒂等人的實驗非常相似。經(jīng)典理論假設存在唯一的球形臨界晶核，而帕里內(nèi)洛團隊考慮了更復雜的成核幾何形狀，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當模型納入對球形的偏離時，與實驗數(shù)據(jù)吻合得最好。這表明，更多樣的原子構(gòu)型很可能在早期成核中扮演關(guān)鍵角色。

科學家由此意識到，凝固液體中早期結(jié)構(gòu)的精確細節(jié)可能影響成核速率，水或許同樣如此。X射線激光正是研究這一問題的理想工具——它能探測極小體積的晶種，并憑借其強度分辨結(jié)構(gòu)細節(jié)?！斑@讓你有機會瞄準晶體成核與生長的早期時間尺度?！比麪栘惱镎f。

分子動力學模擬也提供了線索。大約15年前對水的模擬表明，冰晶常呈現(xiàn)一種不尋常的有序性：普通的冰具有六方晶格，但冰也能以較不穩(wěn)定的立方結(jié)構(gòu)形成。模擬顯示，過冷水經(jīng)均相成核后生長的晶體往往表現(xiàn)出“堆垛無序”——六方與立方晶層的隨機交錯排列。近年來對過冷水滴的實驗也發(fā)現(xiàn)了類似證據(jù)。在去年發(fā)表的實驗中，格里森蒂團隊利用XFEL對液態(tài)氪液滴進行了初步探索，同樣在生長中的晶體里發(fā)現(xiàn)了高比例的堆垛層錯。他希望未來的實驗能確定這些不尋常的結(jié)構(gòu)是否會加速成核。

不過格里森蒂表示，水的均相成核問題恐怕在相當長時間內(nèi)仍將深奧難解?！皩嶒炁c模擬報告的冰成核速率之間，差距仍可高達20個數(shù)量級?！彼f，這對云內(nèi)過程建模影響重大，而云對氣候預測舉足輕重。目前，格里森蒂團隊已開始用機器學習模型解讀X射線激光數(shù)據(jù)，希望從原始衍射數(shù)據(jù)中提取出原本無法獲得的信息，揭示水和其他液體中最早期晶體的新結(jié)構(gòu)基元。

相關(guān)來源：
https://www.nature.com/articles/d41586-026-01817-w

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