玩个游戏我能就发Nature了?
2020-07-08 17:06

玩个游戏我能就发Nature了?

本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:圆的方块,头图来自unsplash


2019年,国际权威期刊《自然》(Nature)刊登了一篇论文,内容分析了几种蛋白质结构[1],作者之一叫福迪特·普雷尔(Foldit Players)


翻看这位作者的论文列表,会发现他学术水平很高。早在2010年,他关于蛋白质的研究就发表在了《自然》[2]。除此之外,福迪特还先后在《自然通信》(Nature Communication),《美国国家科学院院刊》(PNAS)等多个权威期刊发表过论文。


其实,我就是福迪特·普雷尔。


准确地说,我是他的1/800000。


几十万人的折叠游戏


福迪特·普雷尔,Foldit Players,真正的翻译是“Foldit玩家”。 


而Foldit,是一款让玩家参与折叠蛋白质结构的在线游戏。


蛋白质是生命的基本组成之一,其结构解析,对了解生命本质和药物设计都有重要意义。


不过,蛋白质的空间结构极其复杂:由氨基酸组成的多肽链折叠盘旋而成。虽然计算机可以根据蛋白质的氨基酸序列,预测出空间结构,但这需要大量运算,得到的结果也不够准确。


也许,是时候让我们的脑子登场了——人脑很擅长处理三维空间构造。因此,Foldit希望能利用人类这种思维优势,帮忙分析蛋白质结构


游戏的开发者将蛋白质结构转化为一个个谜题,玩家通过弯折、拖拽等操作,找到优化结构的方法,从而解决谜题。


Foldit游戏界面 | 圆的方块


目前,有大约80万玩家参与了Foldit。


2010年《自然》杂志刊登了一篇预测蛋白质结构的论文,5万7千名玩家贡献了分析结果。玩家们群策群力,在解析蛋白质如何折叠的表现上,超过了程序算法[2]


2011年,Foldit玩家更是帮了大忙,他们帮助解读了一种逆转录病毒蛋白酶(M-PMV)的结构。这种蛋白酶是艾滋病毒在人体细胞中繁殖的关键,而对它的结构解析是一个十五年都没能解决的科学问题。在游戏中,玩家们破解它的结构,只用了不到3周[3,4]


对抗新冠病毒,Foldit也在做着自己的贡献。目前,社区中最火热的项目之一,名叫“冠状病毒结合蛋白设计”(Coronavirus Binder Design)玩家需要设计一种能和冠状病毒刺突蛋白结合的新蛋白,从而阻止病毒与人类受体相互作用,这对新冠特效药的开发有重要意义。


Foldit中关于冠状病毒的谜题 | fold.it


与任何游戏一样,Foldit玩家有积分,有公会,也有排行榜。目前,积分最高的是一名德国玩家,名叫mirp,隶属于全服最强公会“科学给我冲”(Go Science),这个公会在“小分子设计”等多个领域保持总积分第一。紧随其后的“人择梦想”(Anthropic Dreams)公会,他们在“结构预测”等类别中排在榜首。


两家顶级公会在细分领域的积分排名 | fold.it


在Foldit的官网,有一个页面专门记录了Foldit玩家参与的学术论文,翻看长长的列表,不得不感叹群众智慧的力量。


Foldit玩家参与的部分学术论文 | fold.it


为什么科研需要游戏?


除了Foldit中用到的空间思维能力,在模式识别、多方博弈等领域,人的表现有时比机器或者数学模型更好。因此,越来越多的科研项目藏身在游戏中,等待着人民群众发挥智慧。


《无主之地》(Borderlands)是一款著名的打枪游戏。在系列新作《无主之地3》中,你会在角落发现一台游戏机,里面有一个排列方块的拼图小游戏。玩这个游戏,玩家就能帮助科学家绘制和对比肠道微生物DNA信息 [5]


无主之地3中科学小游戏截图 | borderlands.com


方块拼图游戏和微生物DNA有什么关系?


其实,游戏中不同色彩的小方块就代表了微生物DNA的核苷酸


微生物DNA链特别复杂,现有的计算机精度不够,在整理此类数据时,容易积累大量的微小错误。因此,游戏开发者将DNA的核苷酸转化为小方块,而玩家需要把它们排列到正确的位置上,这一过程,就能帮科学家挑出真实数据中的错误。


通关这款游戏的奖励是——《无主之地3》中人物的限量款皮肤。


无论是Foldit,还是《无主之地3》中的科学游戏,人类其实都在扮演工具人的角色:帮助机器分析或者纠错。


人类智慧得到最充分发挥的领域,还是人与人之间的博弈,最典型的例子就是买卖交易。


现在很多人家里都安装了太阳能,有时产的电多了,就想卖出去。但是这些零碎的电不适合并入电网,最佳方式是直接卖给邻居。


怎么卖,卖多少,买给谁,怎么定价。这些问题加起来,使这种点对点(P2P)的私人电力交易变得无比复杂。


有一个团队,想通过研究能源买卖中的互动与博弈,建立合适的模型,从而帮管理者制定合适的政策。


起初,研究者利用数学模型,分析实验受访者的交易过程。但是后来他们发现,相比冷冰冰的数学模型,卡片游戏的形式,更能激发受访者的参与度,从而更真实地反应交易中的种种博弈。于是,他们索性开发了一款名为“Watts the Deal”的桌游 [6]


Watts the Deal游戏界面 | wattsthedeal.org


游戏参与者将扮演住户的角色,他们需要在其他玩家的电力买卖中,满足自己家的能源需求。


研究团队从大量玩家的互动中,不断吸取经验,改进自己的理论模型,从而更准确地反应真实世界的样子。


Watts the Deal桌游现场 | wattsthedeal.org


现在,研究者们开源了游戏的素材,人们可以免费下载打印,呼朋唤友一起玩。


试问,谁不想来一场烧脑的能源买卖呢?


真正的“民科”


无论是80万人参与的Foldit,还是三五好友就能玩的“Watts the Deal”,游戏目的都是让公众参与科学研究。


这或许算是真正的“民科”。不过,这里的“民科”,准确来说是公民科学(Citizen Science),也就是号召大家一起出力解决科学问题。


公民科学的概念早已有之。


20世纪早期,业余天文爱好者会帮天文学家观测记录彗星的轨迹;现在,观鸟爱好者会帮助生物学家记录鸟群迁移路线,从而保护特定的鸟类种群;互联网普及后,公众更容易参与研究项目,形式也更多样,游戏就是其中之一。


看到这里,有些朋友就要问了:“唉,我不玩游戏咋整?是不是没有发Nature的机会了?”


不不不,其实你只要下载个程序,就能开启宏大的科研探索。


如今,很多科学实验会产生海量数据,而分析这些数据需要大量算力。一些研究者就想让大众参与数据分析的过程。说白了,就是蹭一下群众们的CPU。


公众参与的科学计算项目中,BOINC最为知名。


准确地说,BOINC是一个分布式计算平台,很多研究组将项目打包放在BOINC上,希望大众下载参与。从这一点上看,BOINC在公众科学中扮演的角色堪比游戏界的Steam。


实时统计显示,当前时间正有将近10万名活跃的志愿者为BOINC平台贡献着自己的算力 | Boinc.berkeley.edu


BOINC这个平台前身是SETI@Home,SETI是Search for Extraterrestrial Intelligence的简写,SETI@Home翻译过来就是:在家寻找外星智能生命


SETI@Home项目自1999年开始运行,下载他们的一个小程序,就能让自己的电脑在空闲时间,帮忙分析大型射电望远镜采集的无线电信号,寻找外星智能存在的证据。


SETI@Home运行界面 | LGPL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=364292


2005年项目停止时,SETI@Home也没发现外星人的蛛丝马迹。不过,在此期间,这个项目拥有了500万参与者,积累了近200万年的CPU运行时间,处理了超过13亿个数据单元。


SETI@Home的成功,让更多科研机构,领略了民间力量的强大。于是很多“在家”(@Home)研究项目奔涌而出,汇聚到了BOINC。


这其中有:“宇宙在家”(Cosmology@Home),研究宇宙模型及其相关的物理天文学信息;“强子对撞机在家”(LHC@Home),协助设计并改善LHC粒子加速器;“药品发现在家”(DrugDiscovery@Home),研发药物以治疗人类疾病。


浏览BONIC项目列表时,我甚至看到了“中科院在家”(CAS@Home)


BONIC部分项目列表 | Boinc.berkeley.edu


这些项目通过世界人民的努力,不断产出科研成果。


比如,2019年发表在《物理评论D》(Phys. Rev. D)上的一篇论文,名为《Einstein@Home对于仙后座A,Vela Jr.和G347.3的连续引力波之搜索结果》 [7]。论文中引力波天文台的海量数据分析,就多亏了“爱因斯坦在家”(Einstein@Home)志愿者们提供的强大计算能力。


让我们建一个新巴别塔


玩着Foldit谜题,看着BOINC运行时的界面,想到还有几十万人在干同样的事。


恍惚间,觉得这还真是了不起。


圣经中有一则“巴别塔”的典故。起初,人们说着同一种语言,大家心里全无芥蒂,准备齐心协力盖一座直通天际的高塔。上帝见了,十分不悦,于是把人们的语言打乱,让他们分散各地。从此,人类充满了误解、隔阂与纷争。


如今,游戏和分布式计算扮演起“同一种语言”的角色。借此,人类也许有机会去盖起科学的高塔。


PS:赶紧去翻一翻BOINC的项目列表,下一篇Nature,你就是共同作者!


本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:圆的方块

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