奇思妙想 改变科学（1）

奇思妙想 改变科学

日期：2011-01-26 作者：史博臻 来源：文汇报

 

共祖  

 

 

 

 

         

    史博臻  编译
    
    是什么改变了人类对周遭世界的理解？又是什么引领着科学研究的方向？英国《新科学家》杂志近期推出专辑，请生物学、生命科学和地球科学、物理学、天文学、计算机科学等各个领域的权威科学家发表看法，那些导致他们投身其中的科学世界发生天翻地覆变革的伟大“灵感”究竟是什么？同时也包含了科技编辑的一些想法。这其中，有些可谓异想天开，有些颠覆了先前的认知，有些则带来了全新的研究视角……本刊分两期介绍其中的精华。
    
超级进化：群体利益捆绑
    
    在选择性压力面前，由多物种组成的生态系统或人类社会，到底会是“单兵作战”，还是为了共同利益而组合成“超级有机体”？
    
    研究进化论可以发现，过去的半个世纪仍是还原论的天下，任何事情都要用个人利己主义和自私基因理论来解释。但现在，我们正迈入整体论的时代。该理论认为，在应对选择性压力面前，无论是整个人类社会，还是由多物种组成的生态系统，都可被看作一个“超级有机体”。
    
    这个转折点出现在20世纪70年代，当时生物学家林恩·马古利斯提出，复杂的有核细胞是细菌细胞共生体的起源。现在，所有已被确认的生物体都是高度组合而成的细胞群。而且，很多生物体都具有相似的属性，因此可以共同进化。
    
    在利己主义盛行的时代，群体选择过程总被“拒之门外”。但达尔文对“群体选择”做过一番正确解释：“利他主义表现的是‘为了整体的利益’，不管它是一个物种还是一套生态系统，都需要依靠组间的选择来发展进化。而个体选择，会大大削弱整体的发展。”
    
    现在，有一种观点很新颖，那就是在高级别选择与低级别选择的博弈中，并非总是前者取胜。我们必须体会这种见解的独到之处，因为其涉及范围不仅包括生命起源、生态系统结构，还包括了宗教本质、人类生物文化的进化特性。
    
    我们开始认识到，社会能够作为一个单一的“超级有机体”来应对选择性压力。
    
    大卫·斯隆·威尔森（纽约州宾汉姆顿大学生物学、人类学教授）
    
    人类大规模改变地球环境的结果，导致了地球的诸多疾病。那么，是不是可以通过更多的干预，来应对气候变化呢？
    
地球工程：大规模改变地球环境
    
    根据英国皇家学会的定义，地球工程是指“通过大规模地改变地球环境，来应对气候变化”。它有两种不同的实现方式：其一，将进入大气层的太阳光反射回太空；其二，消除空气中的二氧化碳，并储存到地下。
    
    对于第一种方式，向高层大气注入能反射阳光的硫酸气溶胶是一个相对便宜、简单、快捷的选择。因为火山爆发已经验证了这种办法的有效性。但如果不同时大幅度地减少二氧化碳的排放，这个项目就必须无休止地进行下去。因为一旦暂停，地球的温度就会急剧上升，破坏几十亿人赖以生存的亚洲季风。这些不确定因素使国际上难以达成关于应对措施的共同协议。
    
    相比之下，第二种方式的国际分歧就小得多了。但技术与注入气溶胶相比都还不成熟，也比较昂贵，所以，它所带来的益处将需要更长的时间来验证。
    
    这种两分法正体现了地球工程所面临的困境。地球工程代表着科学与自然相结合的一个全新领域，所以被称为拯救地球的“最后一剂猛药”。但我们同时也应该认识到，社会阻力最终可能会远远大于技术障碍。正如我们曾忽视核能的教训及转基因作物的危害一样。
    
    史蒂夫·雷纳（牛津大学商学院科学、创新和社会研究所主任）
    
    1837年，达尔文在他的笔记本里画了一4棵“进化树”，每个细枝代表一个物种，它们源自共同的根。但是，树状型进化理论现在已经无法解释细菌与病毒的网状式进化现实，更为全面的生物进化网络将会是怎样的呢？
    
生命之网：动摇“达尔文树”
    
    我们逐渐意识到，细菌的基因组是一个大拼盘。基因拥有不同的来源，甚至是同一物种的两个菌株之间，也存在一半不同的基因。
    
    导致这种情况的主要“罪魁祸首”是“横向”基因的转移，通俗地说，就是遗传物质从一种细菌转移到另一种细菌。转移的方式主要有两种，一种是遗传物质直接进入到另一种细菌的生存环境，然后被摄取吸收；一种是通过细菌或病毒的相互作用，进而实现转移。这种转移不仅会发生在物种内和物种间，甚至会出现在不同门类的细菌之间。由此造成的一个结果是，没有一种简单的模式可以定义微生物种之间的关系。看来，拥有整齐分枝的“生命之树”（达尔文描绘，暗喻进化论）已经被连根拔起。
    
    我们现在意识到，要想真正理解进化过程，可以不依赖这种“树思维”。更重要的是，科学家提出了宏基因组学这一新概念，在相同层面上聚焦微生物群落和功能性基因的差异性，并逐步摒弃了“物种思维”理念的俗套。
    
    福特·杜里特尔(加拿大达尔豪斯大学生物化学与分子生物学名誉教授)
    
生物造成的气候变化：地球的进化
    
    地质记录显示，地球原本是在极端高温期和冰川期之间来回摆动，然而当地球上的生命进化完之后，冰川期就从未出现过。生命进化对气候的“反馈”到底起了多大的作用？
    
    大约在10亿年前至5亿年前之间，地球的历史出现了一个有趣的片段：在最开始的节点上，尽管现代真核生物蓬勃发展，但它们仅作为单细胞而繁衍生息；而在最终的节点上，那个世界同现在非常相像，到处都是大型植物、无脊椎动物和鱼类。
    
    地质记录显示，在这两个节点之间，地球在极端高温期和雪球冰川期之间不停地来回摆荡。传统的观点认为，诸如大陆碰撞等地质过程造成了这种气候的不稳定性。然而，现在人们越来越认识到，生命进化带来的反馈作用才是关键原因。例如，雪球冰川会是由多细胞海藻和海绵的进化而带来的吗？这两种生物都依赖空气中的温室气体碳为生，进而降低了空气的储热能力。但是，当它们死亡时，碳也将随之入海变成沉积物。
    
    地球会通过生物进化所产生的碳循环而生存下来吗？一个有趣的现象是，雪球冰川在“碳循环”生物的进化之前就已广泛存在，然而，当这些生物进化完之后，雪球冰川就从未出现过。
    
    这样的问题不是奇思妙想。当我们试图探究自身对地球气候的影响时，这些问题提供了一个全新的思考维度，来审视地球的历史以及地球生物的作用。
    
    马汀·布拉西尔（牛津大学微古生物学教授）
    
    让早已成为化石的远古生物重新苏醒，就像回到侏罗纪公园那样，难道只是一种幻想吗？
    
古遗传学：来自过去的DNA蓝图
    
    一直以来，破译已灭绝物种的基因蓝图是一个“不可能的任务”。然而在2010年5月，一个国际研究团队公开发布了尼安德特人基因组的全部序列。是什么驱动了这一转变？
    
    随着基因组测序越来越快捷和便宜，它能一次性测序成千上万个基因组。这不仅使古遗传学家可以轻而易举地剔除受损DNA，然后把剩余部分拼接在一起，还能从一个远古物种的化石样本中抽取5%的基因组，让它与现存的相关物种的DNA进行匹配。在过去5年中，这种方法已经让科学家绘制出了几个典型物种的基因组，包括一个4万年前的洞熊、一头猛犸象以及尼安德特人。
    
    这些成果告诉我们，古DNA序列可以用来复活早已灭绝的物种，正如电影《侏罗纪公园》中所呈现的那样。
    
深海观测站：在海底深处“通电”
    
    能不能用传感器组成网络，把人类探寻的触角通往未开发的海洋深处？
    
    海洋在气候变化中扮演着什么角色？占全球地震所释放能量90%的海底地震，是如何发生在海底俯冲带？海底生物是什么样子？
    
    缺乏数据是解决上述问题的“拦路虎”，但一个新项目成为了“救星”，并摒弃了传统依托船舶探险的费力做法。这种给海洋“通电”的新方案，通过由传感器组成的网络，将美国沿海区域、太平洋和大西洋的海面与海底串联起来。之后，把传感器采集到的视频数据通过互联网发送到实验室、学校和家庭。
    
    这项工作自从前年开始一直有条不紊地进行着。接下来，与海洋的实时互动将成为人类探索地球最后边界的突破口。
    
地球扫描：地球下面是什么？
    
    相对于外太空，人类对与地球内部世界的了解仍极为有限。那么，在我们脚下那口“翻腾的大锅”里，到底有些什么？
    
    相比于人类生活的地球，我们对外太空的了解反而更多。但地质学家现在可以听到整个地球最微小的震动所带来的“嗡嗡声”，分析这些震动的速度和强度，可以帮助人们对地底的了解。
    
    其中，在北美开展的“美国台阵”（USArray）就是一个野心勃勃的项目，以由西向东的滚动方式扫描整个欧洲大陆的内部。它揭示了黄石国家公园地下的超级火山，如何从地底1000公里深的炽热地幔中获得热量。另外，一些其他项目展示了印度大陆如何支撑起整个喜马拉雅山脉。
    
    今年，科学家们将登上日本一艘名为“地球号”的深海钻井船，他们希望通过钻开一块薄薄的大洋地壳到达地球的地幔。这将是人类首次直接探测到岩石如何在地幔中循环和混合，以及解答地幔这口“翻腾的大锅”如何驱动板块构造并最后形成地球表面的基本问题。随着气溶胶的注入，它所带来的效益还需要很长一段时间才会出现。
    
人工光合作用：凭空产生能量
    
    树叶是美丽的事物，也是化学工程的奇迹。科技能复制这种自然力吗？
    
    树叶的光合反应中心能吸收太阳能，使空气中的水和二氧化碳产生反应并生成葡萄糖，这些“养分”哺育和建造着地球上的植物。
    
    科技能复制这种自然力吗？太阳是目前为止最大的能量源，但阳光并非随时随处可见。如果能找到一种廉价的方法，把太阳能转化成无限期储存、运输、使用的化学燃料，那么人类就步入到了清洁能源时代。
    
    目前，科学家已经取得了一些进展。把收集光线的微粒嵌入人造“光合膜”中，让其吸收太阳能并分解成二氧化碳和水。不过，这种反应的产物不是糖，而是环保型低碳燃料：氢气、甲醇和可供未来飞行器等特殊设备使用的高能量密度燃料。
    
    2010年，美国能源部拨款1.22亿美元，在加州设立人工光合作用联合中心。这一行动引发了全球性竞赛，各国都在为开发新的吸收剂、催化剂和“光合膜”而进行技术较量。如果这些“人造”产品最终从构想走向现实，那么，将大大推动人工光合作用的发展并改变人类对世界的看法。
    
    把太阳能转化成可储存、运输的化学燃料，将有助于人类步入清洁能源时代。
    
    内特·刘易斯（加州理工学院帕萨迪纳分校化学系教授、人造光合作用联合中心主任）
    
大脑联络图谱：心像地图
    
    我们的大脑约有1000亿个神经元，每个神经元都可能与其他1万个神经元相连。它们究竟是如何互动导致我们各种行为的产生？
    
    探索脑细胞分享信息的途径，是了解大脑工作状况的关键步骤。尽管我们能大概推断出脑内的单个连接，但还没有获得整个联络图谱。
    
    这不足为奇。因为大脑内约有1000亿个神经元，并且每个神经元都可能与其他1万个神经元相连。可喜的是，利用新兴技术能够帮助我们攻克这一艰巨任务。
    
    例如，借助电子显微镜，能观察到动物大脑神经元之间的关系，特别是一些循环往复的回路。从更宽泛的角度看，脑成像技术可绘制出脑内“高速公路”——由成千上万个区域连接而成的大型“电缆”。
    
    目前，美国国家卫生研究院（NIH）已资助开展“大脑联络图谱”工程。如果该项目获得成功，将能更好地了解大脑区域间，如何进行相互作用从而产生特定的行为。
    
    绘制大脑联络图谱能帮助我们更好地理解大脑区域互动产生行为的机理。
    
    提姆·贝伦斯（英国牛津大学神经学家）
    
内源性干细胞：器官再生
    
    两栖类动物可以利用身体机能，再生出完全失去的肢体。人类具备这样的本领吗？
    
    毋庸置疑，干细胞是现代医学领域最令人瞩目的科学突破。人体中的大部分细胞不可逆地分化，形成约200种类型。通俗地说，干细胞如同一张白纸，具有分化成多种细胞的潜能。这意味着它们可用来治愈大量的损伤、病变组织。
    
    到目前为止，大多数研究都是在实验室进行，利用胚胎或成体组织来制造干细胞，同时，使用化学“生长因子”控制其发育，最后移植到所需部位。其实，还存在一种更聪明的做法，那就是唤醒身体自有的内源性干细胞，实现自然再生。
    
    在这一方面，其他动物已经比人类提早实现。例如两栖类动物就可以利用身体机能，再生出完全失去的肢体。也许不久的将来，只要注射有效且合法的化学制剂，人类就可以再生出一个新的肾脏、胰腺甚至腿。
    
聪明药:大脑的食物
    
    想一直保持全神贯注，想迅速摆脱大脑疲劳，想提高记忆力和注意力，什么药物有这样的功效？
    
    如果要处理一个紧急文件，你能全神贯注并保证不出差错地完成吗？或是经过一晚的熬夜苦战，你能迅速摆脱疲劳吗？一种能激活上述大脑功能的聪明药的问世，使之成为可能。
    
    医生给患有注意力缺陷多动障碍的病人开的利他林（Ritalin）和阿得拉（Adderall）、给阿尔茨海默氏症患者开的安理申（Aricept）等精神兴奋药，也可以提高健康人的注意力和记忆力。
    
    目前，这些药物都是处方药。但一些研究人员表示，这种药物能大幅度提高全人类的脑力，有助于社会发展和知识进步。但同时我们也应该冷静地思考一下，我们真的需要一个被药物催生的“超级大脑”吗？
    
无氧地带：气候变化导致“死海”
    
    为什么越来越多的鱼类和海洋生物缺氧窒息？
    
    虽然我们为气候变化给陆地生物（包括人类自身）带来的短期效应而担忧，但全球变暖已经给海洋系统带来了更加严重的威胁。几个世纪以来，已发生明显改变的大气热量正慢慢地渗入到海洋。由于温水溶解氧的能力远远低于冷水，因此，很多海洋鱼类和其他生物可能会因为缺氧而窒息死亡。
    
    一些海洋已经出现了这种无氧“死亡地带”。比如，一个位于墨西哥湾的上千平方公里的区域。仿真模拟的结果表明，在未来2000年内，由温室效应带来的气候变化将使这块区域的总面积增加7倍。