25大未解之謎 我們距離答案還有多遠
2005/07/25 來(lái)源于:深圳熱線(xiàn)
關(guān)于宇宙、關(guān)于地球、關(guān)于我們自身，有太多的謎題等待我們去挖掘。但哪些是最重要的未解之謎，我們距離找到答案還有多遠？今年7月1日，在紀念美國《科學(xué)》雜志創(chuàng )刊125周年之際，科學(xué)家們總結出了125個(gè)迄今我們還不能很好回答的問(wèn)題，重中之重有25個(gè)。
-宇宙篇：
1、宇宙是由什么組成的？
一個(gè)脫口而出的答案是：由那些亮晶晶的星星組成的。但在最近幾十年中，科學(xué)家越來(lái)越發(fā)現這個(gè)答案是不正確的。天文學(xué)家認為，組成恒星、行星、星系——當然還有我們——的物質(zhì)，或者叫普通物質(zhì)，只占宇宙總質(zhì)量的不到5%。他們估計，另外25%，可能是由尚未發(fā)現的粒子組成的暗物質(zhì)。剩下的70%呢？天文學(xué)家認為那可能是暗能量——讓宇宙加速膨脹的力量。暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么？科學(xué)家正在用加速器和望遠鏡尋找這些問(wèn)題的答案，如果找到了，其意義肯定是宇宙級的。
2、我們在宇宙中是唯一的嗎？
45年前，天文學(xué)家弗克·德雷克首次啟動(dòng)了探尋地外文明的奧茲瑪計劃——用巨大的天線(xiàn)(射電望遠鏡)接受外星文明發(fā)射的信號。45年過(guò)去了，天文學(xué)家的努力仍然在繼續著(zhù)。然而，即使是迄今為止規模最大的“鳳凰”計劃，也還沒(méi)有找到任何來(lái)自外星文明的無(wú)線(xiàn)電信號。
-地球篇：
3、地球內部如何運作？
40多年以前，一場(chǎng)地球科學(xué)的革命發(fā)生了。板塊構造學(xué)說(shuō)更新了關(guān)于地球自身的知識。但是關(guān)于地球內部構造的問(wèn)題，仍然沿襲著(zhù)革命之前的知識?？茖W(xué)家在這40年中所做的，就是把這個(gè)雞蛋模型——分為地殼、地幔和地核進(jìn)一步細化。借助于越來(lái)越先進(jìn)的地震波成像技術(shù)，科學(xué)家正在研究地球這個(gè)龐大機器的運作過(guò)程。但是要掀起另一場(chǎng)科學(xué)革命，可能還需要半個(gè)世紀。
4、地球溫室將變得多熱？
盡管大氣的二氧化碳濃度肯定會(huì )在這個(gè)世紀繼續增加，盡管這種增加肯定會(huì )帶來(lái)全球變暖，但是變暖的程度仍然不太確定?？茖W(xué)家一般認為，這個(gè)世紀二氧化碳濃度的加倍會(huì )帶來(lái)1.5℃～4.5℃的升溫。但是這不夠精確?？茖W(xué)家正在發(fā)展新的數學(xué)模型，試圖讓數字更令人信服。
-數理化篇：
5、物理學(xué)定律可以被統一起來(lái)嗎？
蘋(píng)果落向地面、一道閃電劃過(guò)長(cháng)空、核電站反應堆里的鈾原子衰變同時(shí)放出能量，超級加速器擊碎質(zhì)子：這幾種現象代表著(zhù)自然界中四種基本力的作用，也就是引力、電磁力、弱力和強力。宇宙間所有的物理現象都可以用這四種基本力進(jìn)行解釋。但是科學(xué)家并不滿(mǎn)足。有沒(méi)有可能把這四種力統一成為一種？上個(gè)世紀60年代，物理學(xué)家發(fā)現弱力和電磁力是可以統一起來(lái)的，它們是一種事物的不同側面，統稱(chēng)電弱力。但是其余兩種力是否可以和它統一起來(lái)？
6、在量子不確定性和非定域性之下，還有更深層次的原理嗎？
量子理論已經(jīng)誕生了100年有余，它產(chǎn)生了令人信服的應用成果，但是它也帶來(lái)了反直覺(jué)：量子力學(xué)的不確定原理指出我們無(wú)法同時(shí)精確地獲得一個(gè)物體的動(dòng)量和位置。而非定域性讓兩個(gè)處于量子糾纏態(tài)的粒子的糾纏態(tài)同時(shí)崩潰，而不管它們相距多遠。愛(ài)因斯坦就說(shuō)過(guò)，盡管量子力學(xué)給他留下了非常深刻的印象，但是“一個(gè)內心的聲音告訴我，它還不是真實(shí)的東西。”
7、我們能把化學(xué)自我裝配推進(jìn)多遠？
在某種意義上，化學(xué)家是最喜歡發(fā)明的一群人，因為他們總是不斷制造出新型的分子。盡管今天的化學(xué)家已經(jīng)能制造出很復雜的化學(xué)結構，他們能讓這項工作變得既簡(jiǎn)單又復雜嗎？也就是說(shuō)，讓“原料”原子自己“裝配”成復雜的結構，就像生命所表現出來(lái)的那種自我裝配的特性。已經(jīng)有一些化學(xué)自我裝配的實(shí)例，例如制造類(lèi)似細胞膜的雙層膜結構。但是更高級的自我裝配，例如自下而上地制造集成電路，仍然是一個(gè)夢(mèng)想。
8、傳統計算的極限是什么？
有些事看上去很簡(jiǎn)單但是解決起來(lái)很復雜，例如一個(gè)推銷(xiāo)員要走遍相互連接的幾個(gè)城市，那么怎樣走才能實(shí)現總路程最近？城市數量的增加會(huì )讓最強大的電子計算機也感到畏懼。上個(gè)世紀40年代，信息論之父香農提出了信息
以比特方式存在)儲存和傳遞所遵循的物理規律。任何傳統的計算機都不能超越這個(gè)規律。那么，在工程上，最終我們能造出多么強大的計算機？不過(guò)，非傳統的計算機可能并不受到這些限制，例如近年來(lái)興起的量子計算機。
-生物篇：
9、意識的生物學(xué)基礎是什么？
17世紀的法國哲學(xué)家有一句名言：“我思故我在”?？梢钥闯?，意識在很長(cháng)時(shí)間里都是哲學(xué)討論的話(huà)題?，F代科學(xué)認為，意識是從大腦中數以?xún)|計的神經(jīng)元的協(xié)作中涌現出來(lái)的。但是這仍然太籠統了，具體來(lái)說(shuō)，神經(jīng)元是如何產(chǎn)生意識的？近年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)找到了一些可以對這個(gè)最主觀(guān)和最個(gè)人的事物進(jìn)行客觀(guān)研究的方法和工具，并且借助大腦損傷的病人，科學(xué)家得以一窺意識的奧秘。除了要弄清意識的具體運作方式，科學(xué)家還想知道一個(gè)更深層次問(wèn)題的答案：它為什么存在，它是如何起源的？
10、什么控制著(zhù)器官再生？
有一些生物擁有非凡的修復本領(lǐng)：被切斷的蚯蚓可以重新長(cháng)出一半身體，而蠑螈可以重建受損的四肢……相比而言，人類(lèi)的再生本領(lǐng)似乎就差了一點(diǎn)。沒(méi)有人可以重新長(cháng)出手指，骨頭的使用也是從一而終。稍可令人安慰的是肝臟。被部分切除的肝臟可以恢復到原來(lái)的狀態(tài)?？茖W(xué)家發(fā)現，那些可以讓器官再生的動(dòng)物，在必要的時(shí)候重新啟動(dòng)了胚胎發(fā)育時(shí)期的遺傳程序，從而長(cháng)出了新的器官。那么人類(lèi)是否可以利用類(lèi)似的手法，在人工控制下自我更換零部件呢？
11、一個(gè)皮膚細胞如何能變成神經(jīng)細胞？
在上個(gè)世紀中期，生物學(xué)家把青蛙的體細胞核放入青蛙的去核卵細胞里，結果制造出了克隆蝌蚪。最近幾年，關(guān)于人類(lèi)胚胎干細胞的研究正在熱火朝天地進(jìn)行——把人的體細胞核放入卵細胞中，科學(xué)家期待著(zhù)制造出各種各樣的人類(lèi)體細胞，例如神經(jīng)細胞、成骨細胞、心肌細胞等等。盡管科學(xué)家已經(jīng)取得了一些成功，他們仍然對于這種體細胞核移植技術(shù)能夠成功的原因知之甚少。的確，去核的卵細胞在這個(gè)過(guò)程中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色——可是具體機制是什么？
12、一個(gè)體細胞是如何變成整株植物的？
在某種意義上，植物似乎比動(dòng)物有更大的靈活性。植物的體細胞不需要繁瑣的體細胞核移植技術(shù)，就能重新變成植物胚胎細胞?？茖W(xué)家很早就已經(jīng)開(kāi)始利用植物的這種性質(zhì)。用一小塊植物組織，在實(shí)驗室里就能培養出可以供一片森林使用的幼苗。但是為什么植物細胞有這樣的靈活性？科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現了一些線(xiàn)索，例如植物的生長(cháng)素在這個(gè)過(guò)程中起到的作用。
13、生命是如何以及在哪里起源的？
科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現了34億年前的微生物的化石，在更古老的巖石上也能找到生物光合作用的痕跡。那么蛋白質(zhì)和DNA——生命的兩大支柱——哪一個(gè)先出現在地球上？或者一起出現？科學(xué)家認為，更可能的情況是，RNA比前兩者更早出現。另一個(gè)問(wèn)題是，生命在什么樣的環(huán)境下起源？一種假說(shuō)認為，生命最早起源于海底的熱水中。如今，科學(xué)家一方面在實(shí)驗室里探尋從簡(jiǎn)單有機物到可以自我復制的有機物的發(fā)展過(guò)程，另一方面，研究彗星和火星，也將為這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)重要的啟示。
14、什么決定了物種多樣性？
這是一個(gè)充滿(mǎn)生命的行星，但是并非每一個(gè)角落的生命都同樣繁榮。一些地區居住的物種的數量超過(guò)其他地區。熱帶比寒帶擁有更高的物種多樣性。為什么會(huì )出現這種情況？?jì)H僅是因為熱帶比寒帶更熱？科學(xué)家認為，生物和環(huán)境之間的相互作用對多樣性起著(zhù)關(guān)鍵的作用。當然，還有其他一些改變多樣性的力量，例如捕食和被捕食的關(guān)系。但是，科學(xué)家首先面臨的問(wèn)題是如何獲取關(guān)于全球物種多樣性的基礎數據——到底有多少種生物在那兒。
15、合作的行為如何進(jìn)化？
你很容易在社會(huì )性動(dòng)物身上看到利他的行為。例如蜜蜂把食物的信息傳遞給其他蜜蜂。人類(lèi)和其他靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物社會(huì )也充滿(mǎn)了合作的行為。進(jìn)化論的創(chuàng )立者達爾文對合作現象提出過(guò)一些解釋?zhuān)缬H屬之間的相互幫助，實(shí)際上會(huì )促進(jìn)整個(gè)家族繁殖的可能性。如今，科學(xué)家正在尋找合作行為的遺傳基礎。而博弈論——一種關(guān)于競爭、合作和游戲規則的數學(xué)理論，也能夠幫助科學(xué)家理解合作行為如何運作。達爾文觀(guān)察到了合作的現象并做出了解釋?zhuān)裉斓目茖W(xué)家希望能夠讓這個(gè)解釋更加深入，并且希望能夠回答它是如何產(chǎn)生的。
16、如何從大量的生物學(xué)數據中得到全景？
生命是如此的復雜，以至于幾乎每一位生物學(xué)家都只能在一個(gè)很小的領(lǐng)域進(jìn)行探索。盡管在每一個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生了大量的描述性的數據。但是科學(xué)家能夠從這些海量的數據中得出一個(gè)整體的概念，例如生物是如何運作的？系統生物學(xué)這門(mén)正在形成的學(xué)科為回答這些問(wèn)題提供了一些希望。它試圖把生物學(xué)的各個(gè)分支聯(lián)系起來(lái)，利用數學(xué)、工程和計算機科學(xué)的方法讓生物學(xué)更加量化。不過(guò)，現在還沒(méi)有人知道這些方法是否能夠最終讓科學(xué)家理解生物運作的整體圖景。
-人類(lèi)篇：
17、為什么人類(lèi)的基因這么少？
2003年，當人類(lèi)基因組計劃接近完成的時(shí)候，生物學(xué)家在歡呼這一成就的同時(shí)，驚奇地發(fā)現人類(lèi)的基因數量比原先估計的少，是的，人只有大約2.5萬(wàn)個(gè)，而原來(lái)認為應該有10萬(wàn)個(gè)。相比之下，一種非常簡(jiǎn)單的生物——線(xiàn)蟲(chóng)也有2萬(wàn)個(gè)基因。擬南芥植物的基因數量比人類(lèi)稍多，而水稻的基因數量則是人類(lèi)的一倍?？茖W(xué)家認為，基因組運作的方式應該比以前認為的更加靈活和復雜，他們正在探尋這些少用基因多辦事的分子機制。
18、遺傳差異和個(gè)體健康在多大程度上是相關(guān)聯(lián)的？
很早以前科學(xué)家就發(fā)現有些人對于某些藥物的反應和其他病人不同。例如，某種麻醉用肌肉松弛劑會(huì )導致特定的人無(wú)法呼吸，最終，科學(xué)家發(fā)現這種現象的原因在于他們擁有特定的基因。這也就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：研究不同的人之間的遺傳差異是否可以促進(jìn)醫學(xué)發(fā)展出更高級的治療手段，也就是說(shuō)，根據個(gè)人的DNA進(jìn)行“量體裁藥”？科學(xué)家已經(jīng)辨認出了一批與藥物相互作用的基因。但是要真正實(shí)現“量體裁藥”，恐怕還為時(shí)尚早。
19、人類(lèi)壽命可以延長(cháng)多少？
盡管百歲老人仍然少見(jiàn)，人類(lèi)的平均壽命(尤其是在發(fā)達國家)在過(guò)去的幾十年中一直在延長(cháng)。但是這種趨勢能保持多久？科學(xué)家通過(guò)對實(shí)驗動(dòng)物的研究，發(fā)現包括限制熱量攝入在內的一些方法可以顯著(zhù)地延長(cháng)它們的壽命。但是這些方法是否可以成功地應用到人類(lèi)的身上，以及能延長(cháng)多少壽命呢？一些科學(xué)家認為，至少人類(lèi)活到100歲可以成為家常便飯。不過(guò)，即使是這樣，長(cháng)壽也會(huì )帶來(lái)其他的麻煩，比如社會(huì )保險。
20、什么遺傳差異導致我們成為獨特的人類(lèi)？
隨著(zhù)基因測序技術(shù)的改進(jìn)，越來(lái)越多物種的基因組全序列進(jìn)入了科學(xué)家的數據庫中，包括我們自己和數種靈長(cháng)類(lèi)親戚，比如黑猩猩。我們很容易分辨出人和黑猩猩，然而在分子水平上，這種分辨卻不那么容易。我們和黑猩猩的DNA差異大約是1.2%。這是一個(gè)很小的數字，但是從絕對數量上來(lái)看，這種差異意味著(zhù)3千多萬(wàn)個(gè)堿基對的不同。到底是這3千多萬(wàn)個(gè)差異中的哪些，讓我們在與黑猩猩“分家”之后，變得如此獨特？科學(xué)家正在尋找那些讓我們有別于其他靈長(cháng)類(lèi)物種的遺傳差異，當然，還有文化、語(yǔ)言和技術(shù)等等超越基因的因素。
21、記憶是如何存取的？
美好的記憶、悲傷的記憶，關(guān)于解方程技巧的記憶，英語(yǔ)單詞的記憶，毫無(wú)疑問(wèn)它們都儲存在我們的大腦中。但是它們具體在什么部位？
上個(gè)世紀50年代，科學(xué)家發(fā)現大腦中的“海馬區”在存儲信息的過(guò)程中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色——如果切除掉海馬區，那么以前的記憶就會(huì )一同消失。但是海馬區的神經(jīng)細胞如何把信息固定下來(lái)？科學(xué)家發(fā)現一些分子參與到了記憶的形成。此外，神經(jīng)細胞突觸地形成也與記憶相關(guān)聯(lián)。但是，科學(xué)家目前對于記憶的運作機制的了解還不夠——而這一機制對于理解我們自身是非常重要的。
22、我們可以選擇性地關(guān)閉一些免疫應答嗎？
在今天，器官移植已經(jīng)成為了一種不那么罕見(jiàn)的手術(shù)，但是醫生和病人面對的一個(gè)大麻煩在一定程度上仍然存在：免疫排斥反應。病人的免疫系統有可能把移植的器官當作“非我族類(lèi)”進(jìn)行攻擊，讓手術(shù)功虧一簣。為了防止這種情況發(fā)生，醫生要仔細挑選供體器官，而有的病人需要終身服用免疫抑制類(lèi)藥物——這顯然不是個(gè)好主意?？茖W(xué)家已經(jīng)找到了幾種可能的方法，既讓免疫系統正常工作，又不會(huì )排斥移植的器官的方法，但是要實(shí)現臨床的應用，還需要很長(cháng)的時(shí)間。
23、是否存在行之有效的艾滋病疫苗？
每年，僅僅美國國立衛生院就投入5億美元用于艾滋病疫苗的研發(fā)工作。但是迄今為止還沒(méi)有一種疫苗表現出實(shí)用性。懷疑者認為艾滋病疫苗永遠都不會(huì )成功，因為人類(lèi)免疫缺陷病毒(HIV)變化多端。而支持者認為，在猿免疫缺陷病毒上，疫苗可以產(chǎn)生效果，因此HIV的疫苗也可能成功。
24、什么能替代廉價(jià)的石油——以及什么時(shí)候？
沒(méi)有人否認石油最終會(huì )用光。而且，石油產(chǎn)量可能不久就要開(kāi)始下降。即便不考慮這些因素，全球變暖的危險也促使人類(lèi)盡快找到替代石油的能源——太陽(yáng)能？風(fēng)能？核能？每一種似乎都很有潛力，但是它們都還不太成熟。
25、馬爾薩斯仍然錯了嗎？
1798年，馬爾薩斯發(fā)表了他著(zhù)名的《人口原理》一書(shū)，他提出人口增長(cháng)總是跟不上食品供應的增長(cháng)，而只有災難才能阻止增長(cháng)。200年過(guò)去了，地球總人口增長(cháng)到了60億(是馬爾薩斯時(shí)代的6倍)，但是馬爾薩斯所預言的大災難并沒(méi)有發(fā)生?？茖W(xué)技術(shù)在很大程度上阻止了這種災難。但是人類(lèi)仍然面臨著(zhù)一個(gè)問(wèn)題，如何保證大災難不會(huì )在未來(lái)發(fā)生？
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