AI繪制蛋白質(zhì)序列音樂流程及彩色二維譜

陳宇綜 孫洋 張輝

一、引言

在生命科學(xué)領(lǐng)域，AI也逐漸開啟無法替代的數(shù)據(jù)分析地位。作為生命體重要組成的蛋白質(zhì)，具有功能結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和序列的多樣性，與音樂作品結(jié)構(gòu)組成在某種意義上具有相似性。實(shí)際上，藝術(shù)與科學(xué)一樣，都是關(guān)于創(chuàng)造和創(chuàng)新的學(xué)科。藝術(shù)與科學(xué)都需要不斷創(chuàng)新和探索，才能有所突破。藝術(shù)與科學(xué)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，并具有雙向的促進(jìn)作用?？茖W(xué)能夠?yàn)樗囆g(shù)創(chuàng)作提供靈感和數(shù)據(jù)源，藝術(shù)能夠降低大眾對科學(xué)的認(rèn)知障礙，有利于科學(xué)的感知化普及[1]。蛋白質(zhì)研究至今，依然是科學(xué)家們難以徹底攻破的生命科學(xué)領(lǐng)域[2]，而在藝術(shù)家面前，將蛋白質(zhì)序列音樂化處理或推出色彩斑斕的圖畫卻是幾十年前就已經(jīng)發(fā)生的事。其實(shí)，音樂作品的創(chuàng)作受到多方面因素的干擾，譬如創(chuàng)作者的閱歷、情感狀態(tài)、音樂基礎(chǔ)與喜好、靈感的把握以及音樂工具的使用等等，而快捷、高效、多形式的音樂表達(dá)方法卻成為音樂創(chuàng)作的新需求[3，4]。在AI技術(shù)支持下，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開發(fā)起點(diǎn)的AI具有算法推理、多能高效的特點(diǎn)，以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息為數(shù)據(jù)源，將生物大分子轉(zhuǎn)換成音樂創(chuàng)作成果，并在多領(lǐng)域內(nèi)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用是我們追求的目標(biāo)。藝術(shù)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們正在不斷研發(fā)新的算法使不同模式的數(shù)據(jù)源能夠轉(zhuǎn)換成音樂作品[5]，既是生命科學(xué)與藝術(shù)的創(chuàng)新性融合，又能推動(dòng)科技發(fā)展的多形態(tài)表現(xiàn)模式。蛋白質(zhì)的種類與功能數(shù)不勝數(shù)，為音樂創(chuàng)作提供了數(shù)據(jù)源的無限可能。同時(shí)，音樂形式的表達(dá)也將蛋白質(zhì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與功能直觀的展現(xiàn)出來，為簡單易行的感受科技和生命的魅力拓展了新的思路。本文通過分析蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)和音樂作品之間的相關(guān)性，運(yùn)用AI技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，探討挖掘生命大分子功能結(jié)構(gòu)預(yù)測的方法及其轉(zhuǎn)換成音樂作品的可能性。以功能結(jié)構(gòu)不同的10種病毒為研究基樣，運(yùn)用AI技術(shù)轉(zhuǎn)換成音樂作品的二維譜形式，以提升可視化效果，從而便于分析。由此超越一切可想象開發(fā)的界限，為藝術(shù)創(chuàng)造提供源源不斷的靈感與資源。

二、蛋白質(zhì)分子到樂譜生成的AI轉(zhuǎn)換流程

我們知道音樂的基本組成單位是七種音階而蛋白質(zhì)的基本組成元素是20種氨基酸，雖然它們的基本元素?cái)?shù)量不同，但可以通過設(shè)計(jì)映射方法進(jìn)行基本元素之間的匹配;在蛋白質(zhì)氨基酸按照不同排列組合形成一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過共價(jià)鍵、非共價(jià)鍵構(gòu)建多種形式的空間構(gòu)象，形成形狀、功能各異的生物大分子。在不同音階排列組合的音樂基礎(chǔ)上，形成基本的曲調(diào)。再融入節(jié)奏、和聲、力度、調(diào)式、曲式、織體以及音色的綜合與調(diào)節(jié)，形成具有不同特色的風(fēng)格和旋律，給人以不同的藝術(shù)欣賞和感官體驗(yàn)，即蛋白質(zhì)與音樂都是在基本元素排列組合的基礎(chǔ)上再構(gòu)想進(jìn)而呈現(xiàn)出不同的表達(dá)結(jié)果。音樂與蛋白質(zhì)在功能和結(jié)構(gòu)上的高度相似性為以蛋白質(zhì)為數(shù)據(jù)源進(jìn)行音樂創(chuàng)作，理論上提供了可能性。通過一系列AI轉(zhuǎn)換技術(shù)，預(yù)測分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能以及轉(zhuǎn)換模式，定義蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成樂譜的轉(zhuǎn)換規(guī)則，設(shè)計(jì)AI轉(zhuǎn)換算法，即可完成蛋白質(zhì)的音樂創(chuàng)作，其創(chuàng)作流程如圖1所示。

三、病毒基樣的序列音樂分析

（一）NC045512序列音樂的二維譜分析（圖2）：整段音樂由五個(gè)聲部構(gòu)成，其中一個(gè)聲部為打擊樂音色，五個(gè)聲部以相同的節(jié)奏節(jié)拍、不同音色、不同的旋律進(jìn)行方向形成無重復(fù)的旋律進(jìn)行。在四個(gè)具有音高的旋律聲部中，呈現(xiàn)出兩種不同的結(jié)合關(guān)系：重復(fù)關(guān)系與鏡像倒影關(guān)系。其中紅色旋律聲部與藍(lán)色旋律聲部以八度的變化重復(fù)開始，其后一直保持八度距離的重復(fù)，兩小節(jié)后藍(lán)色聲部向下方進(jìn)行，形成十五度音程關(guān)系的重復(fù)，并于第七小節(jié)恢復(fù)八度重復(fù)關(guān)系。二維譜中充分的將兩個(gè)聲部的振幅關(guān)系顯現(xiàn)出來。另一對旋律為黃色聲部與黑色聲部，這兩個(gè)聲部呈現(xiàn)出非嚴(yán)格的鏡像關(guān)系，兩個(gè)旋律均以相似的橫向音程關(guān)系形成反向的倒影進(jìn)行。打擊樂聲部運(yùn)用了三種音色，伴隨相同的節(jié)奏節(jié)拍形成色彩性的結(jié)合。

（二）LC528232序列音樂的二維譜分析（圖3）：整段音樂由六個(gè)聲部構(gòu)成，其中二個(gè)聲部為打擊樂。四個(gè)具有絕對音高的旋律聲部以八度的振幅、和音的音高關(guān)系開始，其后各聲部均以相同節(jié)奏節(jié)拍、不同音色形成齊奏。在二維譜中紅色與藍(lán)色的旋律聲部以八度關(guān)系重復(fù)，黑色與黃色聲部則以自由的形式、整體向下進(jìn)行。其后則向反向發(fā)展，整體向高音區(qū)進(jìn)行。打擊樂聲部以三種音色的混合，形成二聲部的進(jìn)行，其中一個(gè)聲部與旋律聲部節(jié)奏相同，另一個(gè)聲部以自己獨(dú)特而自由的形式出現(xiàn)。

（三）NC045612序列音樂的二維譜分析（圖4）：整段音樂由六個(gè)聲部構(gòu)成，其中打擊樂為兩個(gè)聲部，其他四個(gè)聲部為有音高的旋律聲部。四個(gè)有音高的旋律聲部以不同的音色、相同節(jié)奏節(jié)拍齊奏的形式形成兩對互為相關(guān)的組合關(guān)系：八度重復(fù)關(guān)系與反向鏡像倒影，其中紅色旋律聲部與藍(lán)色旋律聲部形成八度關(guān)系的重復(fù);橙色與黑色旋律聲部則以非嚴(yán)格的鏡像倒影式呈現(xiàn)。音樂的開始以和音的音高關(guān)系開始，其后的音高關(guān)系并不局限于傳統(tǒng)和聲范疇，而以多種的結(jié)合方式出現(xiàn)。打擊樂中的兩個(gè)聲部，其中一個(gè)聲部為不同音色交替組合，以旋律形成相同節(jié)奏節(jié)拍的進(jìn)行，另一聲部則以自由的節(jié)奏與整體形成對位節(jié)奏。這樣形成的縱向音響會(huì)塑造出不協(xié)和的音響效果。從二維譜整體上看，整段旋律開始在中低音區(qū)，隨后轉(zhuǎn)向高音區(qū)，同時(shí)音樂的音域進(jìn)行擴(kuò)張，振幅加大。這段音樂的組織形式與NC045512相似。但音區(qū)發(fā)展并不相同。

（四）SMPRGS序列音樂的二維譜分析（圖5）：這段音樂為單一音色的音樂，由兩個(gè)聲部構(gòu)成，與以上音樂不同，這里兩個(gè)聲部的節(jié)奏完全不同，具有對位節(jié)奏特點(diǎn)，大量的使用了切分節(jié)奏，包括大切分節(jié)奏、小切分節(jié)奏、三連音及各種連線節(jié)奏。前幾段音樂中運(yùn)用的最小時(shí)值為八分音符，并成為其主要運(yùn)用音值，而在這段音樂中十六分音符時(shí)值占據(jù)重要地位。使音樂音響密度加大。在這段音樂中出現(xiàn)了前幾段音樂中沒有出現(xiàn)的臨時(shí)變化音，這使得音樂更具色彩性的變化。同時(shí)縱向的音高組織以多音和弦的形式出現(xiàn)，形成高疊和弦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（五）對比分析：前三個(gè)音樂具有一定的共性，如：聲部間的重復(fù)與鏡像倒影，最小音值為八分音符，除了打擊樂之外，旋律聲部以節(jié)奏相同進(jìn)行，所有音樂片段均為基本音級，聲部結(jié)合不形成高疊和弦。按舊算法AI給出的蛋白質(zhì)序列音樂運(yùn)用了多種音色的結(jié)合，其中還體現(xiàn)出打擊樂的音色，多個(gè)聲部以和音的形式形成其和聲語音。在節(jié)奏方面，以四分音符、八分音符居多，上下聲部均以相同節(jié)奏形成聲部間的重復(fù)，音域范圍均在八度左右;按新算法AI給出的蛋白質(zhì)序列音樂為兩聲部音樂，音色單一，節(jié)奏復(fù)雜，大量運(yùn)用了切分節(jié)奏，上下聲部的結(jié)合具有復(fù)調(diào)音樂的特征，形成具有對位特點(diǎn)的節(jié)奏模式。和聲上形成傳統(tǒng)和弦的結(jié)構(gòu)，及超越傳統(tǒng)和聲的具有變化性的和聲結(jié)構(gòu)。音域比按舊算法AI給出的蛋白質(zhì)序列音樂要寬了很多，重復(fù)性的聲部不復(fù)存在，比按舊算法AI給出的蛋白質(zhì)序列音樂確有顯著的改進(jìn)。說明算法規(guī)則不同，AI給出的蛋白質(zhì)序列音樂的結(jié)果亦不同?；诘鞍踪|(zhì)具有調(diào)控鍛煉耐力的功能，在AI干預(yù)下會(huì)給出更豐富的繪景。

四、結(jié)語

1.在AI技術(shù)支持下，以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息為數(shù)據(jù)源，將生物大分子轉(zhuǎn)換成音樂創(chuàng)作成果，既是生命科學(xué)與藝術(shù)的創(chuàng)新性融合，又能有效推動(dòng)科技發(fā)展的多形態(tài)表現(xiàn)模式。

2.蛋白質(zhì)的種類與功能數(shù)不勝數(shù)，為音樂創(chuàng)作提供了數(shù)據(jù)源的無限可能性。同時(shí)，音樂形式的表達(dá)也將蛋白質(zhì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與功能直觀的展現(xiàn)出來，為簡單易行的感受科技和生命的魅力拓展了新的思路。

3.AI通過算法訓(xùn)練，將蛋白質(zhì)序列與結(jié)構(gòu)按照指定的轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行音樂作品的創(chuàng)作，帶來藝術(shù)的高效和多態(tài)產(chǎn)出，同時(shí)音樂作品也能夠反向影響蛋白質(zhì)相關(guān)結(jié)構(gòu)與功能的研究，在醫(yī)藥領(lǐng)域及其周邊產(chǎn)品的開發(fā)中發(fā)揮重要作用。

4.生命科學(xué)的神秘面紗可以被藝術(shù)的直觀表達(dá)揭開，讓更多人有機(jī)會(huì)深入了解生命科學(xué)的奧秘。蛋白質(zhì)的氨基酸序列性和結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)雜性及多變性與音樂旋律的組構(gòu)高度相似。

注釋：

[1]張新天：《創(chuàng)造性思維40法》，上海大學(xué)出版社，2005年。

[2]閻隆飛，孫之榮：《蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)》，清華大學(xué)出版社，1999年。

[3]趙雅璇：《淺談心情與音樂創(chuàng)作的關(guān)系》，《傳播力研究》2019年第4期。

[4]江暉：《想象思維在音樂創(chuàng)作中的應(yīng)用初探》，《戲劇之家》2018年第11期。

[5]付鵬：《試析數(shù)字化時(shí)代下的音樂創(chuàng)作策略》，《戲劇之家》2018年第4期。

陳宇綜 美國普渡大學(xué)博后、國家千人計(jì)劃特聘教授、

新加坡國立大學(xué)終身教授

孫 洋 沈陽師范大學(xué)音樂學(xué)院教師

張 輝 國家社科基金藝術(shù)學(xué)重大招標(biāo)項(xiàng)目及教育部

哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究后期資助重大項(xiàng)目首席專

家、內(nèi)蒙古民族大學(xué)特聘教授、博士生導(dǎo)師