核酸测量是怎么回事?
⼀、科学始于测量
在COVID-19发展过程中,⼈们常见到⼀个专业名称就是核酸检测(本⽂建议更专业的说法是核酸测量),它是⽤于发现是否带病毒的测量⽅法。本⽂将对核酸测量的原理从普通测量学⾓度进⾏解读,不仅使普通⼈,⽽且使医学专业⼈⼠更好地理解这种测量⽅法。本⽂同时要借此机会阐明任何⼀个科学家都必须明⽩的道理:测量不仅是发现⼀个⼈是否带病毒的⽅法,它其实是⼀切科学的基础,因此,普通测量学就是⼀切科学最重要的⼀个根基。本⽂专业性较强,读起来可能有些吃⼒,但认真读完后你就理解了成千上万学科⾥最重要的内容。
⼆、⼈感官的缺陷与测量
当我们每天起床睁开眼睛,我们就在⽤⾃⼰天⽣的感觉器官在测量世界。没有这样的测量,就⽆法认识并在这个世界上⽣活,可说是⼨步难⾏。但是,⼈类天然的感觉器官的测量存在很多问题,这也是为什么古希腊创⽴科学的智者们都有⼀个共同的特点,就是全⼒批评和否定⼈的感官,甚⾄认为⼈的感官感知到的世界是骗⼈的、虚幻的。这种对⼈类感官的否定是促使古希腊在埃及⽂明基础上发展出以数学和逻辑为基础的原始科学动⼒之⼀。
池上意思
钢琴谱学习⼈的感官的确是存在缺陷的,但这并不意味着它⼀⽆是处。事实上,⼀切科学的测量都必然存在误差和缺陷,只是⼈的感官的缺陷对科学的认知的确存在⼀些根本性的问题。它们主要有以下这些:
1. 缺乏统⼀性
因为⼈和⼈感官的差异和主观的偏向,会对同⼀个对象感觉不⼀样。同⼀个声⾳,有⼈觉
得“很强、太吵”,有⼈觉得“很平常、很⼀般”。同样的⾷物调料,有⼈觉得“太咸”,有⼈觉得“很淡”。同样的物体,有⼈说“很重”,有⼈说“很轻”......没有统⼀的感觉结果,就没法进⾏⽐较。因此科学的测量与⼈的感觉不同,⾸先就是有“计量基准”,这个在古代中国叫“度量衡”。有了计量基准,不仅⼀切测量结果都有统⼀的计量基准,⽽且都获得了量化,可以进⾏数字化的精确⽐较。⼀切科学的测量结果,都是与统⼀的计量基准进⾏⽐较的倍数。
2. 量程、灵敏度和分辨⼒的有限
⼈的感觉⽆论在微观上还是在宏观上都是受限制的。其实任何科学的测量也都有这个问题,向上是量程的限制,向下是灵敏度或分辨⼒的限制。只是科学的测量仪器可以通过技术的改进⽽不断扩展量程和灵敏度,虽然⼈的感官感知量程、灵敏度和分辨⼒通过⼀些训练可以稍微提升⼀些,但从本质上说它们完全是⼈类⽣物进化的结果,⼏乎不可能有显著的持续扩展。这种感官的限制在感觉⽣理学上叫“
阈限”。这只是各个专业术语的不同形成的不同学科⾥的“⽅⾔”。所以,⼈的视觉空间分辨⼒最⼩取决于⼈眼视⽹膜中央凹附近的视锥细胞⼤⼩。如果两个光点落在同⼀个视锥细胞上,⼈眼就⽆法分辨了。这个空间上感觉的“阈限”为1'的⾓度,也可以按普通测量学的语⾔说⼈眼的空间分辨⼒为1'。
因此,就需要借助科学测量仪器和⼿段去扩展⼈类认知世界的量程、灵敏度和分辨⼒,减少误差。
3. 感觉种类的有限
⼈有视觉、听觉、触觉、味觉、肤觉等少数⼏种感觉器官,也就只能感知到这⼏种物理现象。如果不借助科学测量仪器,我们⽆法认识到电磁波等⼈的感觉器官感知不到的物理现象。
三、学科⽅⾔的专业与普通话世界语的专业
⽿⿐喉科的医⽣可以说⼈⽿对声⾳频率的感觉阈限为14Hz到2万Hz,这是学科⽅⾔的专业,也可以说⼈⽿对⾳频的量程范围是14Hz-20000Hz,这是“普通话”的专业术语。眼科医⽣可以说⼈眼能感受到的最⼩光强度变化叫“差别感觉阈限”,这是⽅⾔的专业术语,也可以说光强分辨⼒,这是“普通话”的专业术语。
⽤普通话的专业术语有什么好处,就是⽆论是⾏业内的还是⾏业外的⼈,你⼀说别⼈都明⽩
了。但如果只说⽅⾔的专业术语,只有专业内的⼈才听明⽩。给其他专业的⼈得解释和翻译⼀下别⼈才能听明⽩。另外,普通测量学是经过最多学科测量实验总结出来的,所有问题解决得最彻底。⽽在感觉⽣理学中把各种不同概念的感觉限性都⽤“阈限”来表达,理解起来就相当费劲。对于⼈感觉的误差,⽅⾔专业术语有⼀部分是⽤“错觉”来表达。但错觉概念的研究远远不能覆盖误差的分析。⾊盲、中央凹处的盲点等⽤错觉还稍微接近⼀点,但近视眼、青光眼等形成的视觉误差增⼤,就不能完全⽤错觉来表达。因此,采⽤⽅⾔专业术语导致不同学科间的分割,不仅会使各学科专业外的⼈理解起来困难更⼤,也会导致专业内的学者不能最充分地利⽤全部科学已有成果。
考古学家说“探⽅”,别⼈⼀时就搞不明⽩。但如果说考古测量,啊,⼀下就明⽩了:灵敏度、分辨⼒、量程、误差。就这么⼏个概念去套,不⽤考古学家解释,全都清楚了。
⽯油⾏业的⼈说“勘探”,别⼈半懂不懂,你说⽯油寻矿测量,啊,⼀下就明⽩了:灵敏度、分辨⼒、量程、误差。还是这么⼏个概念套就⾏了。
天⽂观测,这个不太严格。最初的“观”字来⾃视觉,因为最初是靠眼睛和望远镜来认识天⽂对象的。但现在,电磁波,宇宙射线甚⾄引⼒波都进⼊了天⽂领域。因此,叫天⽂测量,⼀下就全清楚了:灵敏度、分辨⼒、量程、误差。不管接收什么天⽂信号,还是这么⼏个概念。
如果你说化学分析,仪器分析,不是化学专业的⼈就有点神秘。
但是,如果说化学测量,啊,⼀下就全清楚了:
灵敏度、分辨⼒、量程、误差。
你根本就不需要先成为化学专家,马上就可以上⼿拿质谱仪、光谱仪等⼲活了,⽽且可能⼲得⽐这个专业的⼈还好。
......
就这么⼏个概念去套,全世界成千上万的学科怎么去搞科学研究全清楚了。现存的学科还存在什么问题,也⼀眼就可看明⽩。
肉粽子的做法全球每年成百万篇论⽂,有多少新东西吗?99.9%以上是重复的。你⽤查重软件查不出来,为什么?把本来没什么新内容的东西编出更多的⽅⾔术语,编出更多的科学⿊话,让别的专业的⼈更难看懂,看起来貌似更专业,其实没啥新东西。你⽤⽅⾔为基础去进⾏研究,其完备性、精确性和效率,⼀定是会⽐⽤普通话更差的。因为普通测量学是集成和总结了全世界所有科学的研究成果,它⼀定⽐你任何单⼀学科的⽅法论更强。你⽤普通测量学的理论去看各个学科,很容易发现⼏乎每个学科都有些遗漏或偏差的地⽅。如果没有普通测量学的系统和严格地指导,单凭这些学科的专家⾃⼰去悟,⼏乎不可能做到不遗漏的。
不要去从哲学或认识论上谈什么真理的相对性和绝对性,有限性和⽆限性......,灵敏度、分辨⼒、量程、误差,就这些概念把那些哲学和认识论的问题最精确地、可以⽤数据说话地完全解决了。
如果把全世界所有学科⾥的⽅⾔术语改成普通话术语,就会发现95%以上的知识原来都是重复的。科学其实就只有两门学科:数学和普通测量学,其他⼀切专业学科都不过是采⽤这两门学科的知识在不同领域做⼏道作业题⽽已。
要想搞清楚⼀个领域,⼀般最经典的那篇论⽂和经典著作是最重要的。例如要想理解量⼦纠缠,你得⾸先仔细读明⽩爱因斯坦等三个⼈写的论⽂(EPR佯谬就是⽤他们三个⼈的名字命名的,E:爱因斯坦、P:波多尔斯基和R:罗森)。然后是各个重要发展阶段的论⽂,相当于各个阶段的经典。这两种论⽂⼀定要花⼒⽓研究清楚。然后是⼀定阶段权威学者综述性的论⽂,他们往往会把这个领域的论⽂都读得差不多了,他们的总结是⽐较全⾯的。然后随便些不管⽔平⾼低论⽂,读读他们前⾔发展情况介绍部分以及他们在论⽂中想说什么,逐渐就会发现⼤家说得差不多了。再然后,这个领域的论⽂读不读都⽆所谓,基本都是重复的。每年全球160多万篇论⽂中,能有个上千篇有新东西就算不错了,再如果剔除⽅⾔术语故弄⽞虚的部分,剩下有新东西的⼏百篇撑死了。绝⼤多数都是为评职和拿博⼠毕业⽂凭称写的⼼得体会。不要以为只是中国这样,国外包括科技最发达的国家也都是如此。
四、⼈类感官对测量的价值
通过感觉⽣理学的研究表明,除了有前⾯分析的⼏个缺陷之外,⼈的感觉器官依然是相当重要的⼈类天然测量⼯具。它表现在以下⼏个⽅⾯:
1. 科学测量的最后接收通道
⼀切科学测量结果最终还是要能被⼈的感官所接受,才能最终被⼈所认知。所以⼀切科学测
量并不是绝对的只依靠科学测量仪器。科学测量仪器的测量过程,最终都把测量结果转换成⼈的感官可接受的⽅式。因为⼈的视觉是最主要的天然测量⼯具,所以各种测量仪器最终往往是把测量结果转换成⼈可看见的视觉结果。从最初的指针表到现在的屏幕显⽰都是如此。
2. 量程和误差范围内的有效性
尽管⼈的感觉存在有限的灵敏度、分辨⼒、量程和相应的误差,但在这个范围内的测量还是有效的。否则,⼈的⽇常⽣活就不会正常的进⾏。
新款凯越3. ⼈感觉器官的优点
⼈类的感觉器官也有很多优点。例如采⽤对数结果表达⽅式,使其动态范围极⼤。⼈的视觉感受的光强范围从低到⾼可以相差上万亿倍。这种测量结果表达⽅法也被⼈类开发的⼤量测量仪器所采⽤。例
如测量电磁场功率的功率计或空间电压幅度的场强仪等都是采⽤对数定标,从⽽可实现极⼤的动态范围。
五、如何测量微观世界
本⽂我们不再去过于展开对测量其他⽅⾯的讨论,有兴趣的读者可以参考我写的书《实验、测量与科学》。此处我们重点讨论如何去进⾏⼈类感官灵敏度以下的微观对象的测量。这主要⽤到两个⽅法:放⼤与衰减(或选择)。
根据信息论的研究,信息量与信噪⽐的对数成正⽐。要想研究微观的对象,就必须要提升(放⼤)对象的信号强度,衰减掉⼲扰信号的强度,使得微观对象的信号最终可以进⼊⼈感觉器官灵敏度以上。如何进⾏放⼤和衰减,就成为认识微观世界的关键。致病的病原体病毒或细菌都是⾮常微⼩的对象,必须采⽤各种放⼤技术才能对它们进⾏有效的测量。显微镜是最初测量微观对象的重要技术。
六、放⼤
放⼤的基本⽅法从⼤的⽅⾯说有两类,⼀类是⾮质能放⼤,另⼀类是质能放⼤。
⾮质能放⼤就是没有能量和物质增加的放⼤。实现⾮质能放⼤的主要是两种⽅式:
转换式放⼤。就是利⽤物理上⼀些守恒原理,通过转换实现某个物理量减少的同时,对应的另⼀个物理量增加。最简单的就是杆杠,它利⽤了杆杠⼒矩相等的原理。⼒矩等于⼒臂乘作⽤⼒,这样,当⼒越⼩时,⼒臂越长;⼒臂越短,作⽤⼒就越⼤。利⽤这⼀原理,即可以把⼀些⼩的作⽤⼒通过较⼤的⼒臂转换成较⼤的⼒,也可以将较⼩的形变转换成较⼤的形变。⽽较⼤的形变在视觉上更容易被⼈眼看到,后者就是指针式放⼤器的原理。它们在过去⼤量运⽤于各种测量仪器中作为模拟输出显⽰的仪表盘。
聚集式放⼤。顾名思义就是通过相同认知对象的聚集,从⽽获得更⼤的质量或能量。最典型的聚集式放⼤莫过于抛物⾯天线的放⼤。这种放⼤⽅式⼴泛应⽤于卫星通讯、观测天外射电信号、雷达、微波通讯等场合。当测量核酸时,有时在进⾏质能放⼤之前也采⽤聚集式放⼤的⽅法,就是将核酸进⾏提纯和富集。它同时应⽤了对⼲扰物质或信号的衰减⽅法。
⾮质能放⼤毕竟受到⼀定的限制。因此,如果要获得对微观世界⼴泛的测量,质能的放⼤就是最为关键的⼿段。
所谓质能放⼤就是有新增能量或物质的放⼤形式。能够有新增的能量或物质,就可以使微观的对象被增强到宏观的程度。质能放⼤的最基本原理形态是门控式放⼤。它的原理其实⾮常简单,其名称就是来⾃于最容易理解的汽车油门控制。你在开汽车的时候,⽤脚轻轻地踩油门,就可以控制汽车速度⼤
⼩的变化。其原因就在于它本质上是⼀种门控式放⼤。⼀切门控式放⼤都有四个要素:输⼊、质能源、控制门、输出。
在汽车的案例中,
输⼊就是⽤脚踩油门的踏板。
质能源就是油箱。
控制门就是油门(事实上很多时候是控制的进⽓门,进油门是根据油门踏板⾃动控制的)。
输出就是发动机动⼒输出。
怎么在淘宝开网店你只要⽤这四个要素去套,就可⾮常容易地理解绝⼤多数质能放⼤的原理。以晶体管为例。如果你没有普通测量学⾥对门控式放⼤的学习,直接去学习晶体管的话,会被“基极”“集电
极”“发射极”这些⽅⾔术语搞得神秘和费解。事实上,我最初在⼤学学习模拟电⼦电路课程时,刚开始遇到晶体管内容,就被这些术语给搞得很长时间难以适应。因为没法明⽩B⼜不是接地的基础为什么叫基极?C并没集中任何电流,为什么叫集电极?⼀直没搞明⽩E到底发射了什么,它为什么要叫发射极?但如果你跳开这些⽅⾔术语,明⽩电源就相当于汽车⾥的油箱。基极就相当于油门踏板。B与E之
间的多层PN结形成了油门和汽门,B加上电压可以改变C与E之间PN 结的宽度,极⼤改变C到E之间的导电性能。C到E之间就是油路,C极那个地⽅就是动⼒输出。在电路中不需要汽车发动机⾥那样的化学能和机械能之间的能量形式转换,直接就可以输出电能。这样⽤普通话术语⼀解释,⼀下所有原理就全明⽩了。
还有场效应晶体管,最初会被它的⽅⾔术语栅极、漏极、源极、沟道等术语搞得晕头转向。但如果明⽩了,所谓沟道其实就是油路。栅极就是输⼊的油门踏板。栅极加上的电压会显著改变沟道宽度,从⽽改变沟道的导电性能,相当于通过控制门的油门改变输油量的⼤⼩。从漏极到源极就是从油箱到发动机的油路。加在漏极的电源就是质能源。在漏极的输出就是发动机的动⼒输出。
⼀旦⽤输⼊、控制门、质能源、输出四个普通话的通⽤概念去套,不仅各种不同类型的晶体管和场效应晶体管的原理全都⼀下搞明⽩了,⽽且各种电⼦管,⾏波管,磁控管等所有质能放⼤(电⼦学中称为有源放⼤)的原理全都很容易搞明⽩了。它们和控制汽车油门的原理从普通测量学⾓度看完全⼀样。
七、雪崩式放⼤
前⾯说了那么多与核酸测量看似没有关系的内容,是因为有了这些基础以后,我们就可以⽤极为简单易懂的原理把它搞清楚了。
以门控式放⼤为基础,可以形成不同的放⼤形式。例如,将两个门控式放⼤级联,就可形成放⼤倍数具有乘积效应的级联式放⼤。其中⼀种特殊的级联式放⼤的形式,就是雪崩式放⼤。雪崩式放⼤就是以雪崩过程来命名的,简单来说它就是“⼀传⼗,⼗传百”的这种放⼤过程。
要从原理上透彻理解它,同样⽤门控式放⼤的四个要素来套就⾏了。要实现这种不断增多的过程,当然就需要有质能源的补充。最初的⼀就是输⼊,最后的百就是输出。只是雪崩式放⼤的控制门⼀般不是简单能看出,需要仔细寻⼀番。因为每⼀级放⼤都有与该级相关的控制门,远不⽌是在⼀个地⽅。在放⼤的每⼀级,是通过使该级的质能源处于临界状态,这样上⼀级的质能释放就会触发下⼀级更多的质能释放。这样每⼀级就会存在质能的放⼤,以形成雪崩放⼤的过程。这个过程就像雪崩⼀样。⼭坡上的雪越积越多,各个地⽅的雪形成的势能都处于临界状态。如果没有其他刺激,它们暂时堆积在⼭坡上,但当上⾯有雪滑下来时,就会引发更多的雪开始下滑。越往下引发下滑雪越多,最终形成巨⼤的雪崩。
尽管这个过程更为复杂,但它本质上依然是门控式放⼤。只要有新质能加⼊的,都肯定是门控式放⼤,最多只是门控式放⼤的变种⽽已。所以,你只要⽤“输⼊、质能源、控制门、输出”四个要素去套,就⼀定能完善地理解其原理是什么。在雪崩过程中,输⼊就是上⼀层下滑的雪。控制门就是雪静⽌时的临界状态,有限的摩擦⼒⽀撑雪的势能不会释放。质能源就是雪的势能。输出就是最终的雪崩。
我们之所以要花费这么多语⾔来解释门控式放⼤和雪崩式放⼤,就是希望⽤尽可能普通的、最多数⼈都能明⽩的案例,去把普通话的专业术语含义讲清楚。当理解清楚了普通话的专业术语之后,其他看似很深奥的专业问题就全都变得⾮常简单了。
例如,激光、光纤拉曼放⼤、病毒传播、互联⽹传播、核反应、光电倍增管(最早⽤于微观粒⼦测量的盖⾰计数器,其灵敏度之⾼可以测量到单个基本粒)、微光夜视⽤到的微通道板......这些全都是雪崩式放⼤。在激光⾥,质能源叫“泵浦源”。控制门是激发态的电⼦能级。输⼊是最初的激光,输出是最后输出的⾼强度激光。
⽤这样的普通话专业术语去看待已有的很多专业内容,就可以发现⼀些过去狭窄专业圈⼦内的专家们很难发现的问题。例如经济学⾥的财富效应,原来的⽅⾔术语叫“杆杠”。学习了普通测量学的放⼤原理后就会明⽩,这个叫法是错误的。杆杠是⼀种转换式放⼤,没有质能增强,⽽经济学中的财富效应并不是⼀种转换,⽽是会抽取社会的财富,是有质能增加的,它是⼀种雪
崩式的放⼤过程。正因为它是⼀种质能放⼤,所以财富不可能凭空产⽣。它的表现就是在获得财富效应的同时,债务也同步增加了,并且通过通货膨胀抽取全社会的财富,把全社会以及债务⼈的未来财富当成质能源。你获得了多少财富效应,就同步增加了多少债务通货膨胀。财富是不可能仅仅靠转换就获得放⼤的。因此,财富效应过⼤时,就会把全社会和债务⼈未来的财富抽取光,从⽽导致经济崩
溃。质能守恒定律是不可能被破坏的,不会因为经济学家发明了杆杠这样的错误的⽅⾔专业词汇就失效。财富效应过⼤导致其质能源被耗尽,就像导游拿的扩⾳⼩喇叭说话太多了,把电池耗光了⼀样,就突然间再也不起作⽤了。
⼋、核酸测量的基础
现在有⾮常多的核酸测量技术,会把外⾏⼈看得眼花缭乱。其实要知道,医学家⾥也没多少完全理解各种核酸扩增技术原理是怎么回事的。但只要理解了前⾯我们所说的,在这⾥告诉你⼀句话:现在市⾯上⼤量核酸测量技术,基本原理全都属于雪崩式放⼤,你⼀下就全明⽩了。在没有普通话专业术语之前,⼈们很可能会被“模版”“引物”“扩增”这些⽅⾔搅得头晕脑胀。但是,如果仔细看完以上普通话术语的介绍并理解之后,再来理解核酸测量的所有术语就简单太多了。模板其实就是基因的输⼊,引物就是质能源,外加控制门。扩增就是放⼤。它们都是通过雪崩式放⼤过程,将输⼊基因不断复制,从⽽在数量上增⼤到可以较容易测量到的程度。它们的放⼤倍数可以达到上百万倍到万亿倍。
在此基础上,再⽤“灵敏度、分辨率、误差、量程”等四个普通测量学的普通话专业术语⼀套,基本上就成⾮常资深的核酸测量专家了。
最经典的聚合酶链式反应PCR(Polymerase Chain Reaction)。它是通过变温⽅式,在单链和双链之间不断变换来实现雪崩式放⼤的,所以消耗时间会有些长。
套式聚合酶链式反应nPCR,说⽩了就是在PCR基础上进⾏多级级联的扩增放⼤。别被“套式”这种⽅⾔搞晕了。其实,⼏乎所有扩增技术都可以进⾏级联,就是输出的产物再输⼊进⾏扩增。这样简单来说放⼤倍数就是单个扩增的乘级。
依赖核酸序列的扩增NASBA(Nuclear acid sequence-based amplification)。这是⼀种等温扩增技术。
环介导核酸等温扩增LAMP
滚环扩增RCA
单引物等温扩增SPIA
依赖解旋酶的等温扩增 HAD
链替代扩增 SDA
交叉引物扩增CPA
巨龙之魂副本在哪核酸依赖性扩增检测 NASBA
Qβ复制酶反应
重组酶聚合酶扩增RPA
重组酶介导链替换核酸扩增RAA
切⼝酶扩增NEAR(Nicking Enzyme Amplification Reaction)
......
以上技术原理因为⽹上都有,所以我这⾥不去重复地解释。当然,真的要⽤数学、普通测量学的普通话专业术语把分⼦⽣物学的这些课题做好,可能有⼈还是会感觉对它们的知识细节理解起来有些困难。即使你在⽹上都查到了它们的专业介绍。如果是这样,你不⽤感到⾃卑,真不完全是你能⼒不⾏,不仅因为你遇到的很多是这个领域的⽅⾔术语,⽽且是医学和分⼦⽣物学这些领域的专业⼈员起⽅⾔名字的能⼒实在太糟糕了。所以在你⽤那些扩增技术名字去⽹上查它们的原理介绍时,要想⽐较容易地理解,就先看⼀下我同步发的另⼀篇⽂章“不会起名字的医学和分⼦⽣物学”。
汪涛
“⼈类第三次科学⾰命”倡导者,纯科学理论体系创始⼈,历经30多年研究和实践形成科学经济学体系。
上海析易船舶技术有限公司联合创始⼈、总经理
云铝股份(000807)独⽴董事
浙江宇视科技顾问
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