AI繪制蛋白質序列音樂流程及彩色二維譜

陳宇綜 孫洋 張輝

一、引言

在生命科學領域，AI也逐漸開啟無法替代的數據分析地位。作為生命體重要組成的蛋白質，具有功能結構的復雜性和序列的多樣性，與音樂作品結構組成在某種意義上具有相似性。實際上，藝術與科學一樣，都是關于創造和創新的學科。藝術與科學都需要不斷創新和探索，才能有所突破。藝術與科學相互關聯、相互影響，并具有雙向的促進作用。科學能夠為藝術創作提供靈感和數據源，藝術能夠降低大眾對科學的認知障礙，有利于科學的感知化普及[1]。蛋白質研究至今，依然是科學家們難以徹底攻破的生命科學領域[2]，而在藝術家面前，將蛋白質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發生的事。其實，音樂作品的創作受到多方面因素的干擾，譬如創作者的閱歷、情感狀態、音樂基礎與喜好、靈感的把握以及音樂工具的使用等等，而快捷、高效、多形式的音樂表達方法卻成為音樂創作的新需求[3，4]。在AI技術支持下，以神經網絡結構為開發起點的AI具有算法推理、多能高效的特點，以蛋白質結構信息為數據源，將生物大分子轉換成音樂創作成果，并在多領域內得到快速發展和廣泛應用是我們追求的目標。藝術家和計算機科學家們正在不斷研發新的算法使不同模式的數據源能夠轉換成音樂作品[5]，既是生命科學與藝術的創新性融合，又能推動科技發展的多形態表現模式。蛋白質的種類與功能數不勝數，為音樂創作提供了數據源的無限可能。同時，音樂形式的表達也將蛋白質復雜的結構與功能直觀的展現出來，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分子結構組成特點和音樂作品之間的相關性，運用AI技術的應用優勢，探討挖掘生命大分子功能結構預測的方法及其轉換成音樂作品的可能性。以功能結構不同的10種病毒為研究基樣，運用AI技術轉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的界限，為藝術創造提供源源不斷的靈感與資源。

二、蛋白質分子到樂譜生成的AI轉換流程

我們知道音樂的基本組成單位是七種音階而蛋白質的基本組成元素是20種氨基酸，雖然它們的基本元素數量不同，但可以通過設計映射方法進行基本元素之間的匹配;在蛋白質氨基酸按照不同排列組合形成一級結構的基礎上，通過共價鍵、非共價鍵構建多種形式的空間構象，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上，形成基本的曲調。再融入節奏、和聲、力度、調式、曲式、織體以及音色的綜合與調節，形成具有不同特色的風格和旋律，給人以不同的藝術欣賞和感官體驗，即蛋白質與音樂都是在基本元素排列組合的基礎上再構想進而呈現出不同的表達結果。音樂與蛋白質在功能和結構上的高度相似性為以蛋白質為數據源進行音樂創作，理論上提供了可能性。通過一系列AI轉換技術，預測分析蛋白質結構和功能以及轉換模式，定義蛋白質數據轉換成樂譜的轉換規則，設計AI轉換算法，即可完成蛋白質的音樂創作，其創作流程如圖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）：整段音樂由五個聲部構成，其中一個聲部為打擊樂音色，五個聲部以相同的節奏節拍、不同音色、不同的旋律進行方向形成無重復的旋律進行。在四個具有音高的旋律聲部中，呈現出兩種不同的結合關系：重復關系與鏡像倒影關系。其中紅色旋律聲部與藍色旋律聲部以八度的變化重復開始，其后一直保持八度距離的重復，兩小節后藍色聲部向下方進行，形成十五度音程關系的重復，并于第七小節恢復八度重復關系。二維譜中充分的將兩個聲部的振幅關系顯現出來。另一對旋律為黃色聲部與黑色聲部，這兩個聲部呈現出非嚴格的鏡像關系，兩個旋律均以相似的橫向音程關系形成反向的倒影進行。打擊樂聲部運用了三種音色，伴隨相同的節奏節拍形成色彩性的結合。

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

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

（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，由兩個聲部構成，與以上音樂不同，這里兩個聲部的節奏完全不同，具有對位節奏特點，大量的使用了切分節奏，包括大切分節奏、小切分節奏、三連音及各種連線節奏。前幾段音樂中運用的最小時值為八分音符，并成為其主要運用音值，而在這段音樂中十六分音符時值占據重要地位。使音樂音響密度加大。在這段音樂中出現了前幾段音樂中沒有出現的臨時變化音，這使得音樂更具色彩性的變化。同時縱向的音高組織以多音和弦的形式出現，形成高疊和弦的結構特點。

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

四、結語

1.在AI技術支持下，以蛋白質結構信息為數據源，將生物大分子轉換成音樂創作成果，既是生命科學與藝術的創新性融合，又能有效推動科技發展的多形態表現模式。

2.蛋白質的種類與功能數不勝數，為音樂創作提供了數據源的無限可能性。同時，音樂形式的表達也將蛋白質復雜的結構與功能直觀的展現出來，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通過算法訓練，將蛋白質序列與結構按照指定的轉換模式進行音樂作品的創作，帶來藝術的高效和多態產出，同時音樂作品也能夠反向影響蛋白質相關結構與功能的研究，在醫藥領域及其周邊產品的開發中發揮重要作用。

4.生命科學的神秘面紗可以被藝術的直觀表達揭開，讓更多人有機會深入了解生命科學的奧秘。蛋白質的氨基酸序列性和結構與功能的復雜性及多變性與音樂旋律的組構高度相似。

注釋：

[1]張新天：《創造性思維40法》，上海大學出版社，2005年。

[2]閻隆飛，孫之榮：《蛋白質分子結構》，清華大學出版社，1999年。

[3]趙雅璇：《淺談心情與音樂創作的關系》，《傳播力研究》2019年第4期。

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

[5]付鵬：《試析數字化時代下的音樂創作策略》，《戲劇之家》2018年第4期。

陳宇綜 美國普渡大學博后、國家千人計劃特聘教授、

新加坡國立大學終身教授

孫 洋 沈陽師范大學音樂學院教師

張 輝 國家社科基金藝術學重大招標項目及教育部

哲學社會科學研究后期資助重大項目首席專

家、內蒙古民族大學特聘教授、博士生導師