中国科学家首次在自然界发现超临界二氧化碳

我国科学家首次在自然界发现超临界二氧化碳

新华社青岛5月11日电(记者张旭东)《科学通报》近日以封面文章刊发中国科学院海洋研究所和中国科学院海洋大科学研究中心的一项科研成果:我国科学家在西太平洋一处深海热液区发现超临界二氧化碳,这是全球首次在自然界发现超临界二氧化碳,并为研究生命起源提供了新启示。

科学家分析认为,深海热液区的超临界二氧化碳、氮气与周围矿物质结合,催化产生有机物,从而实现从无机到有机的转化过程,而有机物是生命基础,这为研究地球生命起源提供了新启示。

马佐莱尼说,患者现年32岁,近日从厄瓜多尔回国,已被要求在家隔离。患者家人和接触者都在接受医学观察。马佐莱尼表示,该国暂不会实行更为严厉的安全措施。

“在31摄氏度、7.3兆帕的温压条件下,二氧化碳才会以超临界态的形式存在。超临界二氧化碳既有气态性质,又有液态性质,能快速溶解有机物。日常生活中的干洗就是用超临界二氧化碳,石油工业中也大量使用超临界二氧化碳作为溶剂,虽然被广泛应用,但此前还从未在自然界中发现超临界二氧化碳。”张鑫说。

模型一方面学习图像中可以区分新冠病人和非新冠病人的特征,另一方面把模型的“注意力”集中在病灶区域,即学习多标签病灶,这就是团队提出的LA-DNN(Lesion-Attention Deep Neural Networks)模型,如同临床医生通过CT图像判断病情时会侧重关注异常的病灶区域而略过正常区域一样,模型同时训练两个任务,相互协调,从而使得模型性能得到显著的提升,其各项指标均达到了临床标准。

“目前,中国的疫情得以控制,而其他许多国家和地区仍然存在很大压力,希望该系统可以在疫情仍然严重的区域发挥作用,减轻核酸检测的负担。”雷锋网(公众号:雷锋网)

因此,在尹教授看来,“这批数据,虽然样本数量有限,但信息量极大,是一个具有代表性,价值很高的数据集。”

尹国圣教授向雷锋网说到,新冠CT图像诊断系统上线后,团队仍然在继续收集新的样本,在线系统的训练样本比最初的样本数量翻了一倍,并定期重新训练模型,在线系统的效果比论文中的结果又有提升。

中国科学院海洋研究所研究员张鑫介绍,在“科学”号科考船2016年深海热液航次中,科研人员利用我国自主研发的深海原位拉曼光谱探针,在1400米深海热液区发现了喷发含有超临界二氧化碳流体的热液喷口。

在这些文章中,临床医生对新冠病人的胸部CT病灶特征做了详细的描述,有些还和其他常见肺部疾病的病灶特征做了仔细的对比分析。

利用深海原位拉曼光谱分析,科研人员发现,含有超临界二氧化碳的热液流体中有大量氮气,远高于周围海水和热液中的氮气浓度,这说明超临界二氧化碳对氮气有富集作用。此外,这些热液流体中含有一些未知有机化学物质。

然而,其结果显示的预测效果还未能达到临床标准。

基于生物统计和临床试验方向的多年研究经验,从2020年1月底,尹国圣教授带领的研究团队开始尝试一些新冠肺炎方面的研究,基于CT图像诊断是其中一项工作。

尹国圣教授表示,通过对非典疫情及各类流感病毒的研究,香港大学一直都走在世界科研的最前沿。2003年非典期间,深圳和香港的科研人员就曾联合宣布,从果子狸等野生动物体内找到非典病毒前体。

于是,团队设计出一个基于CT图像的Lesion-Attention深度神经网络模型(LA-DNN)。

中国科学院海洋研究所研究员孙卫东说,热液所特有的化能生物群落具有不依赖阳光和嗜热特性,深海热液系统被认为可能与地球上初始生命产生的环境类似。生命的基本组成物质是氨基酸,但热液流体中缺少氨基酸的关键元素——氮,这是早期生命起源于热液假说最致命问题。此次在深海热液区发现超临界二氧化碳流体大量富集氮气,为地球早期从无机到有机的过程提供了绝佳反应介质。

科研团队基于这项科研成果,提出了新的地球生命起源假说:地球早期,存在于海洋与大气交界面的超临界二氧化碳层,富集大量氮气,并与海水和露出海表面的岩石矿物结合,催化产生有机物,成为地球上早期生命源头。

同时,团队也采用了迁移学习,即利用预训练的VGG、DenseNet等神经网络来作为模型的骨干网络。

参与这项研究的人员,还有西南财经大学统计学院助理教授刘斌博士、研究生高晓雪、何孟霜、刘霖以及刘斌博士的同事吕凤毛(西南财经大学统计学院助理教授)。

但是,由于没有公开的CT图像数据集,团队需要花大量的时间去寻找开放的样本并对样本进行标记。

后来,medRxiv上有一项工作,整理了一些关于新冠病人CT图像分析的论文预印本。该论文从medRxiv和bioRxiv文章的预印本中提取了746张病人的CT图像,并训练了一个新冠病人二分类的神经网络。

尹国圣教授认为,一个原因是样本量较小,另一个重要原因是没有充分利用CT图像样本自身丰富的标注信息。这批CT数据跟传统的医疗图像数据最大的差别是,每个样本都来自一篇医学影像学论文。

对于该成果未来的应用方向,尹教授表示,希望前线抗击疫情的医务人员使用该系统,分享数据、开展合作研究,帮助进一步测试和改进系统。

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巴拉圭公共卫生部长马佐莱尼当天在记者会上表示,卫生部实验室确诊了该国首例新冠肺炎病例,这是一例输入型病例。

研究人员进一步对样本附带的文本信息进行了针对性的研究,发现760篇论文涵盖了对于新冠肺炎的五种病灶(Lesion)的描述,其中每个病人CT影像上均会出现其中一种或者多种病灶。通过对新冠确诊病人的CT图像的诊断描述进行分析,这五种病灶是影像学上对新冠肺炎诊断的主要标准。