奇思妙想 改變科學(xué)日期：2011-01-26 作者：史博臻 來(lái)源：文匯報(bào) |
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史博臻 編譯 是什么改變了人類(lèi)對(duì)周遭世界的理解？又是什么引領(lǐng)著科學(xué)研究的方向？英國(guó)《新科學(xué)家》雜志近期推出專(zhuān)輯，請(qǐng)生物學(xué)、生命科學(xué)和地球科學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的權(quán)威科學(xué)家發(fā)表看法，那些導(dǎo)致他們投身其中的科學(xué)世界發(fā)生天翻地覆變革的偉大“靈感”究竟是什么？同時(shí)也包含了科技編輯的一些想法。這其中，有些可謂異想天開(kāi)，有些顛覆了先前的認(rèn)知，有些則帶來(lái)了全新的研究視角……本刊分兩期介紹其中的精華。 超級(jí)進(jìn)化：群體利益捆綁 在選擇性壓力面前，由多物種組成的生態(tài)系統(tǒng)或人類(lèi)社會(huì)，到底會(huì)是“單兵作戰(zhàn)”，還是為了共同利益而組合成“超級(jí)有機(jī)體”？ 研究進(jìn)化論可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)仍是還原論的天下，任何事情都要用個(gè)人利己主義和自私基因理論來(lái)解釋。但現(xiàn)在，我們正邁入整體論的時(shí)代。該理論認(rèn)為，在應(yīng)對(duì)選擇性壓力面前，無(wú)論是整個(gè)人類(lèi)社會(huì)，還是由多物種組成的生態(tài)系統(tǒng)，都可被看作一個(gè)“超級(jí)有機(jī)體”。 這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)生物學(xué)家林恩·馬古利斯提出，復(fù)雜的有核細(xì)胞是細(xì)菌細(xì)胞共生體的起源。現(xiàn)在，所有已被確認(rèn)的生物體都是高度組合而成的細(xì)胞群。而且，很多生物體都具有相似的屬性，因此可以共同進(jìn)化。 在利己主義盛行的時(shí)代，群體選擇過(guò)程總被“拒之門(mén)外”。但達(dá)爾文對(duì)“群體選擇”做過(guò)一番正確解釋?zhuān)?#8220;利他主義表現(xiàn)的是‘為了整體的利益’，不管它是一個(gè)物種還是一套生態(tài)系統(tǒng)，都需要依靠組間的選擇來(lái)發(fā)展進(jìn)化。而個(gè)體選擇，會(huì)大大削弱整體的發(fā)展。” 現(xiàn)在，有一種觀點(diǎn)很新穎，那就是在高級(jí)別選擇與低級(jí)別選擇的博弈中，并非總是前者取勝。我們必須體會(huì)這種見(jiàn)解的獨(dú)到之處，因?yàn)槠渖婕胺秶粌H包括生命起源、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還包括了宗教本質(zhì)、人類(lèi)生物文化的進(jìn)化特性。 我們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，社會(huì)能夠作為一個(gè)單一的“超級(jí)有機(jī)體”來(lái)應(yīng)對(duì)選擇性壓力。 大衛(wèi)·斯隆·威爾森（紐約州賓漢姆頓大學(xué)生物學(xué)、人類(lèi)學(xué)教授） 人類(lèi)大規(guī)模改變地球環(huán)境的結(jié)果，導(dǎo)致了地球的諸多疾病。那么，是不是可以通過(guò)更多的干預(yù)，來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化呢？ 地球工程：大規(guī)模改變地球環(huán)境 根據(jù)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的定義，地球工程是指“通過(guò)大規(guī)模地改變地球環(huán)境，來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化”。它有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式：其一，將進(jìn)入大氣層的太陽(yáng)光反射回太空；其二，消除空氣中的二氧化碳，并儲(chǔ)存到地下。 對(duì)于第一種方式，向高層大氣注入能反射陽(yáng)光的硫酸氣溶膠是一個(gè)相對(duì)便宜、簡(jiǎn)單、快捷的選擇。因?yàn)榛鹕奖l(fā)已經(jīng)驗(yàn)證了這種辦法的有效性。但如果不同時(shí)大幅度地減少二氧化碳的排放，這個(gè)項(xiàng)目就必須無(wú)休止地進(jìn)行下去。因?yàn)橐坏和?，地球的溫度就?huì)急劇上升，破壞幾十億人賴(lài)以生存的亞洲季風(fēng)。這些不確定因素使國(guó)際上難以達(dá)成關(guān)于應(yīng)對(duì)措施的共同協(xié)議。 相比之下，第二種方式的國(guó)際分歧就小得多了。但技術(shù)與注入氣溶膠相比都還不成熟，也比較昂貴，所以，它所帶來(lái)的益處將需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。 這種兩分法正體現(xiàn)了地球工程所面臨的困境。地球工程代表著科學(xué)與自然相結(jié)合的一個(gè)全新領(lǐng)域，所以被稱(chēng)為拯救地球的“最后一劑猛藥”。但我們同時(shí)也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，社會(huì)阻力最終可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于技術(shù)障礙。正如我們?cè)鲆暫四艿慕逃?xùn)及轉(zhuǎn)基因作物的危害一樣。 史蒂夫·雷納（牛津大學(xué)商學(xué)院科學(xué)、創(chuàng)新和社會(huì)研究所主任） 1837年，達(dá)爾文在他的筆記本里畫(huà)了一4棵“進(jìn)化樹(shù)”，每個(gè)細(xì)枝代表一個(gè)物種，它們?cè)醋怨餐母５?，?shù)狀型進(jìn)化理論現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)法解釋細(xì)菌與病毒的網(wǎng)狀式進(jìn)化現(xiàn)實(shí)，更為全面的生物進(jìn)化網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是怎樣的呢？ 生命之網(wǎng)：動(dòng)搖“達(dá)爾文樹(shù)” 我們逐漸意識(shí)到，細(xì)菌的基因組是一個(gè)大拼盤(pán)?；驌碛胁煌膩?lái)源，甚至是同一物種的兩個(gè)菌株之間，也存在一半不同的基因。 導(dǎo)致這種情況的主要“罪魁禍?zhǔn)?#8221;是“橫向”基因的轉(zhuǎn)移，通俗地說(shuō)，就是遺傳物質(zhì)從一種細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)菌。轉(zhuǎn)移的方式主要有兩種，一種是遺傳物質(zhì)直接進(jìn)入到另一種細(xì)菌的生存環(huán)境，然后被攝取吸收；一種是通過(guò)細(xì)菌或病毒的相互作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移。這種轉(zhuǎn)移不僅會(huì)發(fā)生在物種內(nèi)和物種間，甚至?xí)霈F(xiàn)在不同門(mén)類(lèi)的細(xì)菌之間。由此造成的一個(gè)結(jié)果是，沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的模式可以定義微生物種之間的關(guān)系?？磥?lái)，擁有整齊分枝的“生命之樹(shù)”（達(dá)爾文描繪，暗喻進(jìn)化論）已經(jīng)被連根拔起。 我們現(xiàn)在意識(shí)到，要想真正理解進(jìn)化過(guò)程，可以不依賴(lài)這種“樹(shù)思維”。更重要的是，科學(xué)家提出了宏基因組學(xué)這一新概念，在相同層面上聚焦微生物群落和功能性基因的差異性，并逐步摒棄了“物種思維”理念的俗套。 福特·杜里特爾(加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)名譽(yù)教授) 生物造成的氣候變化：地球的進(jìn)化 地質(zhì)記錄顯示，地球原本是在極端高溫期和冰川期之間來(lái)回?cái)[動(dòng)，然而當(dāng)?shù)厍蛏系纳M(jìn)化完之后，冰川期就從未出現(xiàn)過(guò)。生命進(jìn)化對(duì)氣候的“反饋”到底起了多大的作用？ 大約在10億年前至5億年前之間，地球的歷史出現(xiàn)了一個(gè)有趣的片段：在最開(kāi)始的節(jié)點(diǎn)上，盡管現(xiàn)代真核生物蓬勃發(fā)展，但它們僅作為單細(xì)胞而繁衍生息；而在最終的節(jié)點(diǎn)上，那個(gè)世界同現(xiàn)在非常相像，到處都是大型植物、無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)。 地質(zhì)記錄顯示，在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，地球在極端高溫期和雪球冰川期之間不停地來(lái)回?cái)[蕩。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，諸如大陸碰撞等地質(zhì)過(guò)程造成了這種氣候的不穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，生命進(jìn)化帶來(lái)的反饋?zhàn)饔貌攀顷P(guān)鍵原因。例如，雪球冰川會(huì)是由多細(xì)胞海藻和海綿的進(jìn)化而帶來(lái)的嗎？這兩種生物都依賴(lài)空氣中的溫室氣體碳為生，進(jìn)而降低了空氣的儲(chǔ)熱能力。但是，當(dāng)它們死亡時(shí)，碳也將隨之入海變成沉積物。 地球會(huì)通過(guò)生物進(jìn)化所產(chǎn)生的碳循環(huán)而生存下來(lái)嗎？一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，雪球冰川在“碳循環(huán)”生物的進(jìn)化之前就已廣泛存在，然而，當(dāng)這些生物進(jìn)化完之后，雪球冰川就從未出現(xiàn)過(guò)。 這樣的問(wèn)題不是奇思妙想。當(dāng)我們?cè)噲D探究自身對(duì)地球氣候的影響時(shí)，這些問(wèn)題提供了一個(gè)全新的思考維度，來(lái)審視地球的歷史以及地球生物的作用。 馬汀·布拉西爾（牛津大學(xué)微古生物學(xué)教授） 讓早已成為化石的遠(yuǎn)古生物重新蘇醒，就像回到侏羅紀(jì)公園那樣，難道只是一種幻想嗎？ 古遺傳學(xué)：來(lái)自過(guò)去的DNA藍(lán)圖 一直以來(lái)，破譯已滅絕物種的基因藍(lán)圖是一個(gè)“不可能的任務(wù)”。然而在2010年5月，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)公開(kāi)發(fā)布了尼安德特人基因組的全部序列。是什么驅(qū)動(dòng)了這一轉(zhuǎn)變？ 隨著基因組測(cè)序越來(lái)越快捷和便宜，它能一次性測(cè)序成千上萬(wàn)個(gè)基因組。這不僅使古遺傳學(xué)家可以輕而易舉地剔除受損DNA，然后把剩余部分拼接在一起，還能從一個(gè)遠(yuǎn)古物種的化石樣本中抽取5%的基因組，讓它與現(xiàn)存的相關(guān)物種的DNA進(jìn)行匹配。在過(guò)去5年中，這種方法已經(jīng)讓科學(xué)家繪制出了幾個(gè)典型物種的基因組，包括一個(gè)4萬(wàn)年前的洞熊、一頭猛犸象以及尼安德特人。 這些成果告訴我們，古DNA序列可以用來(lái)復(fù)活早已滅絕的物種，正如電影《侏羅紀(jì)公園》中所呈現(xiàn)的那樣。 深海觀測(cè)站：在海底深處“通電” 能不能用傳感器組成網(wǎng)絡(luò)，把人類(lèi)探尋的觸角通往未開(kāi)發(fā)的海洋深處？ 海洋在氣候變化中扮演著什么角色？占全球地震所釋放能量90%的海底地震，是如何發(fā)生在海底俯沖帶？海底生物是什么樣子？ 缺乏數(shù)據(jù)是解決上述問(wèn)題的“攔路虎”，但一個(gè)新項(xiàng)目成為了“救星”，并摒棄了傳統(tǒng)依托船舶探險(xiǎn)的費(fèi)力做法。這種給海洋“通電”的新方案，通過(guò)由傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，將美國(guó)沿海區(qū)域、太平洋和大西洋的海面與海底串聯(lián)起來(lái)。之后，把傳感器采集到的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室、學(xué)校和家庭。 這項(xiàng)工作自從前年開(kāi)始一直有條不紊地進(jìn)行著。接下來(lái)，與海洋的實(shí)時(shí)互動(dòng)將成為人類(lèi)探索地球最后邊界的突破口。 地球掃描：地球下面是什么？ 相對(duì)于外太空，人類(lèi)對(duì)與地球內(nèi)部世界的了解仍極為有限。那么，在我們腳下那口“翻騰的大鍋”里，到底有些什么？ 相比于人類(lèi)生活的地球，我們對(duì)外太空的了解反而更多。但地質(zhì)學(xué)家現(xiàn)在可以聽(tīng)到整個(gè)地球最微小的震動(dòng)所帶來(lái)的“嗡嗡聲”，分析這些震動(dòng)的速度和強(qiáng)度，可以幫助人們對(duì)地底的了解。 其中，在北美開(kāi)展的“美國(guó)臺(tái)陣”（USArray）就是一個(gè)野心勃勃的項(xiàng)目，以由西向東的滾動(dòng)方式掃描整個(gè)歐洲大陸的內(nèi)部。它揭示了黃石國(guó)家公園地下的超級(jí)火山，如何從地底1000公里深的熾熱地幔中獲得熱量。另外，一些其他項(xiàng)目展示了印度大陸如何支撐起整個(gè)喜馬拉雅山脈。 今年，科學(xué)家們將登上日本一艘名為“地球號(hào)”的深海鉆井船，他們希望通過(guò)鉆開(kāi)一塊薄薄的大洋地殼到達(dá)地球的地幔。這將是人類(lèi)首次直接探測(cè)到巖石如何在地幔中循環(huán)和混合，以及解答地幔這口“翻騰的大鍋”如何驅(qū)動(dòng)板塊構(gòu)造并最后形成地球表面的基本問(wèn)題。隨著氣溶膠的注入，它所帶來(lái)的效益還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。 人工光合作用：憑空產(chǎn)生能量 樹(shù)葉是美麗的事物，也是化學(xué)工程的奇跡?？萍寄軓?fù)制這種自然力嗎？ 樹(shù)葉的光合反應(yīng)中心能吸收太陽(yáng)能，使空氣中的水和二氧化碳產(chǎn)生反應(yīng)并生成葡萄糖，這些“養(yǎng)分”哺育和建造著地球上的植物。 科技能復(fù)制這種自然力嗎？太陽(yáng)是目前為止最大的能量源，但陽(yáng)光并非隨時(shí)隨處可見(jiàn)。如果能找到一種廉價(jià)的方法，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成無(wú)限期儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用的化學(xué)燃料，那么人類(lèi)就步入到了清潔能源時(shí)代。 目前，科學(xué)家已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。把收集光線的微粒嵌入人造“光合膜”中，讓其吸收太陽(yáng)能并分解成二氧化碳和水。不過(guò)，這種反應(yīng)的產(chǎn)物不是糖，而是環(huán)保型低碳燃料：氫氣、甲醇和可供未來(lái)飛行器等特殊設(shè)備使用的高能量密度燃料。 2010年，美國(guó)能源部撥款1.22億美元，在加州設(shè)立人工光合作用聯(lián)合中心。這一行動(dòng)引發(fā)了全球性競(jìng)賽，各國(guó)都在為開(kāi)發(fā)新的吸收劑、催化劑和“光合膜”而進(jìn)行技術(shù)較量。如果這些“人造”產(chǎn)品最終從構(gòu)想走向現(xiàn)實(shí)，那么，將大大推動(dòng)人工光合作用的發(fā)展并改變?nèi)祟?lèi)對(duì)世界的看法。 把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成可儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)燃料，將有助于人類(lèi)步入清潔能源時(shí)代。 內(nèi)特·劉易斯（加州理工學(xué)院帕薩迪納分?；瘜W(xué)系教授、人造光合作用聯(lián)合中心主任） 大腦聯(lián)絡(luò)圖譜：心像地圖 我們的大腦約有1000億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元都可能與其他1萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元相連。它們究竟是如何互動(dòng)導(dǎo)致我們各種行為的產(chǎn)生？ 探索腦細(xì)胞分享信息的途徑，是了解大腦工作狀況的關(guān)鍵步驟。盡管我們能大概推斷出腦內(nèi)的單個(gè)連接，但還沒(méi)有獲得整個(gè)聯(lián)絡(luò)圖譜。 這不足為奇。因?yàn)榇竽X內(nèi)約有1000億個(gè)神經(jīng)元，并且每個(gè)神經(jīng)元都可能與其他1萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元相連。可喜的是，利用新興技術(shù)能夠幫助我們攻克這一艱巨任務(wù)。 例如，借助電子顯微鏡，能觀察到動(dòng)物大腦神經(jīng)元之間的關(guān)系，特別是一些循環(huán)往復(fù)的回路。從更寬泛的角度看，腦成像技術(shù)可繪制出腦內(nèi)“高速公路”——由成千上萬(wàn)個(gè)區(qū)域連接而成的大型“電纜”。 目前，美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）已資助開(kāi)展“大腦聯(lián)絡(luò)圖譜”工程。如果該項(xiàng)目獲得成功，將能更好地了解大腦區(qū)域間，如何進(jìn)行相互作用從而產(chǎn)生特定的行為。 繪制大腦聯(lián)絡(luò)圖譜能幫助我們更好地理解大腦區(qū)域互動(dòng)產(chǎn)生行為的機(jī)理。 提姆·貝倫斯（英國(guó)牛津大學(xué)神經(jīng)學(xué)家） 內(nèi)源性干細(xì)胞：器官再生 兩棲類(lèi)動(dòng)物可以利用身體機(jī)能，再生出完全失去的肢體。人類(lèi)具備這樣的本領(lǐng)嗎？ 毋庸置疑，干細(xì)胞是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最令人矚目的科學(xué)突破。人體中的大部分細(xì)胞不可逆地分化，形成約200種類(lèi)型。通俗地說(shuō)，干細(xì)胞如同一張白紙，具有分化成多種細(xì)胞的潛能。這意味著它們可用來(lái)治愈大量的損傷、病變組織。 到目前為止，大多數(shù)研究都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用胚胎或成體組織來(lái)制造干細(xì)胞，同時(shí)，使用化學(xué)“生長(zhǎng)因子”控制其發(fā)育，最后移植到所需部位。其實(shí)，還存在一種更聰明的做法，那就是喚醒身體自有的內(nèi)源性干細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)自然再生。 在這一方面，其他動(dòng)物已經(jīng)比人類(lèi)提早實(shí)現(xiàn)。例如兩棲類(lèi)動(dòng)物就可以利用身體機(jī)能，再生出完全失去的肢體。也許不久的將來(lái)，只要注射有效且合法的化學(xué)制劑，人類(lèi)就可以再生出一個(gè)新的腎臟、胰腺甚至腿。 聰明藥:大腦的食物 想一直保持全神貫注，想迅速擺脫大腦疲勞，想提高記憶力和注意力，什么藥物有這樣的功效？ 如果要處理一個(gè)緊急文件，你能全神貫注并保證不出差錯(cuò)地完成嗎？或是經(jīng)過(guò)一晚的熬夜苦戰(zhàn)，你能迅速擺脫疲勞嗎？一種能激活上述大腦功能的聰明藥的問(wèn)世，使之成為可能。 醫(yī)生給患有注意力缺陷多動(dòng)障礙的病人開(kāi)的利他林（Ritalin）和阿得拉（Adderall）、給阿爾茨海默氏癥患者開(kāi)的安理申（Aricept）等精神興奮藥，也可以提高健康人的注意力和記憶力。 目前，這些藥物都是處方藥。但一些研究人員表示，這種藥物能大幅度提高全人類(lèi)的腦力，有助于社會(huì)發(fā)展和知識(shí)進(jìn)步。但同時(shí)我們也應(yīng)該冷靜地思考一下，我們真的需要一個(gè)被藥物催生的“超級(jí)大腦”嗎？ 無(wú)氧地帶：氣候變化導(dǎo)致“死海” 為什么越來(lái)越多的魚(yú)類(lèi)和海洋生物缺氧窒息？ 雖然我們?yōu)闅夂蜃兓o陸地生物（包括人類(lèi)自身）帶來(lái)的短期效應(yīng)而擔(dān)憂，但全球變暖已經(jīng)給海洋系統(tǒng)帶來(lái)了更加嚴(yán)重的威脅。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，已發(fā)生明顯改變的大氣熱量正慢慢地滲入到海洋。由于溫水溶解氧的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷水，因此，很多海洋魚(yú)類(lèi)和其他生物可能會(huì)因?yàn)槿毖醵舷⑺劳觥?br> 一些海洋已經(jīng)出現(xiàn)了這種無(wú)氧“死亡地帶”。比如，一個(gè)位于墨西哥灣的上千平方公里的區(qū)域。仿真模擬的結(jié)果表明，在未來(lái)2000年內(nèi)，由溫室效應(yīng)帶來(lái)的氣候變化將使這塊區(qū)域的總面積增加7倍。 |
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