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 |
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史博臻 編譯 是什么改變了人類(lèi)對周遭世界的理解？又是什么引領(lǐng)著(zhù)科學(xué)研究的方向？英國《新科學(xué)家》雜志近期推出專(zhuān)輯，請生物學(xué)、生命科學(xué)和地球科學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、計算機科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的權威科學(xué)家發(fā)表看法，那些導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)系統或人類(lèi)社會(huì )，到底會(huì )是“單兵作戰”，還是為了共同利益而組合成“超級有機體”？ 研究進(jìn)化論可以發(fā)現，過(guò)去的半個(gè)世紀仍是還原論的天下，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。但現在，我們正邁入整體論的時(shí)代。該理論認為，在應對選擇性壓力面前，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，都可被看作一個(gè)“超級有機體”。 這個(gè)轉折點(diǎn)出現在20世紀70年代，當時(shí)生物學(xué)家林恩·馬古利斯提出，復雜的有核細胞是細菌細胞共生體的起源?，F在，所有已被確認的生物體都是高度組合而成的細胞群。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”。但達爾文對“群體選擇”做過(guò)一番正確解釋?zhuān)?#8220;利他主義表現的是‘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，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。” 現在，有一種觀(guān)點(diǎn)很新穎，那就是在高級別選擇與低級別選擇的博弈中，并非總是前者取勝。我們必須體會(huì )這種見(jiàn)解的獨到之處，因為其涉及范圍不僅包括生命起源、生態(tài)系統結構，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)始認識到，社會(huì )能夠作為一個(gè)單一的“超級有機體”來(lái)應對選擇性壓力。 大衛·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)大規模改變地球環(huán)境的結果，導致了地球的諸多疾病。那么，是不是可以通過(guò)更多的干預，來(lái)應對氣候變化呢？ 地球工程：大規模改變地球環(huán)境 根據英國皇家學(xué)會(huì )的定義，地球工程是指“通過(guò)大規模地改變地球環(huán)境，來(lái)應對氣候變化”。它有兩種不同的實(shí)現方式：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，并儲存到地下。 對于第一種方式，向高層大氣注入能反射陽(yáng)光的硫酸氣溶膠是一個(gè)相對便宜、簡(jiǎn)單、快捷的選擇。因為火山爆發(fā)已經(jīng)驗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)項目就必須無(wú)休止地進(jìn)行下去。因為一旦暫停，地球的溫度就會(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際上難以達成關(guān)于應對措施的共同協(xié)議。 相比之下，第二種方式的國際分歧就小得多了。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(cháng)的時(shí)間來(lái)驗證。 這種兩分法正體現了地球工程所面臨的困境。地球工程代表著(zhù)科學(xué)與自然相結合的一個(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)也應該認識到，社會(huì )阻力最終可能會(huì )遠遠大于技術(shù)障礙。正如我們曾忽視核能的教訓及轉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，達爾文在他的筆記本里畫(huà)了一4棵“進(jìn)化樹(shù)”，每個(gè)細枝代表一個(gè)物種，它們源自共同的根。但是，樹(shù)狀型進(jìn)化理論現在已經(jīng)無(wú)法解釋細菌與病毒的網(wǎng)狀式進(jìn)化現實(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“達爾文樹(shù)” 我們逐漸意識到，細菌的基因組是一個(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。 導致這種情況的主要“罪魁禍首”是“橫向”基因的轉移，通俗地說(shuō)，就是遺傳物質(zhì)從一種細菌轉移到另一種細菌。轉移的方式主要有兩種，一種是遺傳物質(zhì)直接進(jìn)入到另一種細菌的生存環(huán)境，然后被攝取吸收；一種是通過(guò)細菌或病毒的相互作用，進(jìn)而實(shí)現轉移。這種轉移不僅會(huì )發(fā)生在物種內和物種間，甚至會(huì )出現在不同門(mén)類(lèi)的細菌之間。由此造成的一個(gè)結果是，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)”（達爾文描繪，暗喻進(jìn)化論）已經(jīng)被連根拔起。 我們現在意識到，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)回擺動(dòng)，然而當地球上的生命進(jìn)化完之后，冰川期就從未出現過(guò)。生命進(jìn)化對氣候的“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，地球的歷史出現了一個(gè)有趣的片段：在最開(kāi)始的節點(diǎn)上，盡管現代真核生物蓬勃發(fā)展，但它們僅作為單細胞而繁衍生息；而在最終的節點(diǎn)上，那個(gè)世界同現在非常相像，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)回擺蕩。傳統的觀(guān)點(diǎn)認為，諸如大陸碰撞等地質(zhì)過(guò)程造成了這種氣候的不穩定性。然而，現在人們越來(lái)越認識到，生命進(jìn)化帶來(lái)的反饋作用才是關(guān)鍵原因。例如，雪球冰川會(huì )是由多細胞海藻和海綿的進(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)而降低了空氣的儲熱能力。但是，當它們死亡時(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，當這些生物進(jìn)化完之后，雪球冰川就從未出現過(guò)。 這樣的問(wèn)題不是奇思妙想。當我們試圖探究自身對地球氣候的影響時(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古生物重新蘇醒，就像回到侏羅紀公園那樣，難道只是一種幻想嗎？ 古遺傳學(xué)：來(lái)自過(guò)去的DNA藍圖 一直以來(lái)，破譯已滅絕物種的基因藍圖是一個(gè)“不可能的任務(wù)”。然而在2010年5月，一個(gè)國際研究團隊公開(kāi)發(fā)布了尼安德特人基因組的全部序列。是什么驅動(dòng)了這一轉變？ 隨著(zhù)基因組測序越來(lái)越快捷和便宜，它能一次性測序成千上萬(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)遠古物種的化石樣本中抽取5%的基因組，讓它與現存的相關(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)復活早已滅絕的物種，正如電影《侏羅紀公園》中所呈現的那樣。 深海觀(guān)測站：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(zhù)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？ 缺乏數據是解決上述問(wèn)題的“攔路虎”，但一個(gè)新項目成為了“救星”，并摒棄了傳統依托船舶探險的費力做法。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 )，將美國沿海區域、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據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到實(shí)驗室、學(xué)校和家庭。 這項工作自從前年開(kāi)始一直有條不紊地進(jìn)行著(zhù)。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？ 相對于外太空，人類(lèi)對與地球內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，我們對外太空的了解反而更多。但地質(zhì)學(xué)家現在可以聽(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)的速度和強度，可以幫助人們對地底的了解。 其中，在北美開(kāi)展的“美國臺陣”（USArray）就是一個(gè)野心勃勃的項目，以由西向東的滾動(dòng)方式掃描整個(gè)歐洲大陸的內部。它揭示了黃石國家公園地下的超級火山，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”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地球的地幔。這將是人類(lèi)首次直接探測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”如何驅動(dòng)板塊構造并最后形成地球表面的基本問(wèn)題。隨著(zhù)氣溶膠的注入，它所帶來(lái)的效益還需要很長(cháng)一段時(shí)間才會(huì )出現。 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?？萍寄軓椭七@種自然力嗎？ 樹(shù)葉的光合反應中心能吸收太陽(yáng)能，使空氣中的水和二氧化碳產(chǎn)生反應并生成葡萄糖，這些“養分”哺育和建造著(zhù)地球上的植物。 科技能復制這種自然力嗎？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)能轉化成無(wú)限期儲存、運輸、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(xiàn)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)飛行器等特殊設備使用的高能量密度燃料。 2010年，美國能源部撥款1.22億美元，在加州設立人工光合作用聯(lián)合中心。這一行動(dòng)引發(fā)了全球性競賽，各國都在為開(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)品最終從構想走向現實(shí)，那么，將大大推動(dòng)人工光合作用的發(fā)展并改變人類(lèi)對世界的看法。 把太陽(yáng)能轉化成可儲存、運輸的化學(xué)燃料，將有助于人類(lèi)步入清潔能源時(shí)代。 內特·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)導致我們各種行為的產(chǎn)生？ 探索腦細胞分享信息的途徑，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。因為大腦內約有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?？上驳氖?，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(guān)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)往復的回路。從更寬泛的角度看，腦成像技術(shù)可繪制出腦內“高速公路”——由成千上萬(wàn)個(gè)區域連接而成的大型“電纜”。 目前，美國國家衛生研究院（NIH）已資助開(kāi)展“大腦聯(lián)絡(luò )圖譜”工程。如果該項目獲得成功，將能更好地了解大腦區域間，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域互動(dòng)產(chǎn)生行為的機理。 提姆·貝倫斯（英國牛津大學(xué)神經(jīng)學(xué)家） 內源性干細胞：器官再生 兩棲類(lèi)動(dòng)物可以利用身體機能，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，干細胞是現代醫學(xué)領(lǐng)域最令人矚目的科學(xué)突破。人體中的大部分細胞不可逆地分化，形成約200種類(lèi)型。通俗地說(shuō)，干細胞如同一張白紙，具有分化成多種細胞的潛能。這意味著(zhù)它們可用來(lái)治愈大量的損傷、病變組織。 到目前為止，大多數研究都是在實(shí)驗室進(jìn)行，利用胚胎或成體組織來(lái)制造干細胞，同時(shí)，使用化學(xué)“生長(cháng)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源性干細胞，實(shí)現自然再生。 在這一方面，其他動(dòng)物已經(jīng)比人類(lèi)提早實(shí)現。例如兩棲類(lèi)動(dòng)物就可以利用身體機能，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地完成嗎？或是經(jīng)過(guò)一晚的熬夜苦戰，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)展和知識進(jìn)步。但同時(shí)我們也應該冷靜地思考一下，我們真的需要一個(gè)被藥物催生的“超級大腦”嗎？ 無(wú)氧地帶：氣候變化導致“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)的短期效應而擔憂(yōu)，但全球變暖已經(jīng)給海洋系統帶來(lái)了更加嚴重的威脅。幾個(gè)世紀以來(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遠低于冷水，因此，很多海洋魚(yú)類(lèi)和其他生物可能會(huì )因為缺氧而窒息死亡。 一些海洋已經(jīng)出現了這種無(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域。仿真模擬的結果表明，在未來(lái)2000年內，由溫室效應帶來(lái)的氣候變化將使這塊區域的總面積增加7倍。 |
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