什么想法會改變我們對于周遭世界以及我們與世界的關(guān)系的理解呢?英國《新科學(xué)家》雜志最近刊發(fā)文章,羅列了諸多能夠真正改變世界面貌的科學(xué)進展和科學(xué)想法,近距離向我們展示了哪些科學(xué)進步會真正讓科學(xué)研究領(lǐng)域煥然一新,同時刷新了人們對于世界的認知。 (服務(wù)器租用)

　　這些想法涵蓋生物學(xué)、生命和地球科學(xué)等10個領(lǐng)域,包括DNA(脫氧核糖核酸)折紙術(shù)、超級進化、大腦地圖、拓撲絕緣體等等。有些想法是天才的靈感一現(xiàn);有些想法還處于最基礎(chǔ)的萌芽階段,但卻可能會帶來巨大的突破;而還有些想法則糾正了人們以前對于世界的認知。不管怎樣,所有這些想法都將改變科學(xué)發(fā)展的面貌,其帶來的影響也不可估量。

　　地球科學(xué)

　　從徹底從世界消失到未來會變成死海一片,與地球有關(guān)的科學(xué)從來不乏各種有關(guān)“世界末日”即將到來的寓言。

　　(1)Hangenburg事件(泥盆紀(jì)與石炭紀(jì)的分界線):重返地球遠古的審判

　　生命發(fā)展的進程中充斥著各種大動蕩,繁榮多樣的一個紀(jì)元之后是大規(guī)模滅絕的另一個紀(jì)元。3.59億年前發(fā)生于泥盆紀(jì)晚期的大滅絕事件——Hangenburg事件,也是其中的插曲之一。

　　泥盆紀(jì)晚期是脊椎動物出現(xiàn)的關(guān)鍵時期。那時,很多原始生物滅絕;鯊魚和硬骨魚成為水域“霸主”;四足動物最終進化成恐龍和哺乳動物,統(tǒng)治了陸地。

　　這是一個漸進的變化,而變化的驅(qū)動力來自于泥盆紀(jì)2500萬年間此起彼伏的物種滅絕。不過,現(xiàn)在看來,與Hangenburg事件相比,這些滅絕都是“小菜一碟”,因為該事件幾乎清除了所有典型的泥盆紀(jì)物種,為新的世界秩序鋪平了道路(《美國國家科學(xué)院院刊》第107卷,第10131頁)。

　　這次災(zāi)難的“罪魁禍?zhǔn)住笔鞘裁茨壳安⒉磺宄?但科學(xué)家對其重要性進行了徹底的評估,結(jié)果表明,古生物化石可以成為新思維誕生的沃土。

　　(2)死海:氣候變化壓倒一切

　　雖然我們?yōu)闅夂蜃兓�給陸地生物(例如人類自身)帶來的短期效應(yīng)而煩惱不已,但全球變暖已經(jīng)給世界的海洋系統(tǒng)帶來了更加隱秘的威脅。在幾百年的歲月中,因氣候變化而發(fā)生改變的大氣所排放的熱量會慢慢滲入海洋,而溫水溶解氧的能力遠遠低于冷水,因此,很多海洋魚類和其他生物可能會因為缺氧而窒息死亡。

　　一些海洋里已經(jīng)出現(xiàn)了無氧的“死亡地帶”,包括位于墨西哥灣的一個上千平方公里的區(qū)域,計算機模擬結(jié)果表明,在未來的2000年內(nèi),氣候變化將使這塊區(qū)域的總面積增加7倍。(《自然·地理科學(xué)》,第二卷,第105頁)。

　　即使我們不關(guān)心魚類,那些魚因為缺氧而騰出來的空間也可能成為能夠排放氧化亞氮的細菌生存的“溫床”,氧化亞氮同樣是一種強大的溫室氣體。研究這種反饋過程可能發(fā)生的嚴(yán)重程度并制定出應(yīng)對策略將是氣候科學(xué)家們在未來幾年的當(dāng)務(wù)之急。

　　(3)海洋觀測:給海洋“通電”

　　地球上的海洋非常遼闊,未被開墾的地方充滿了謎團。海洋在氣候變化中到底扮演什么角色?地震如何在海底俯沖區(qū)內(nèi)發(fā)生?海底地震釋放出的能量為什么能夠占全球地震釋放能量的90%?海底和海底以下的生命是什么樣的?   (服務(wù)器租用)

　　缺乏數(shù)據(jù)是解決上述問題和其他問題的“攔路虎”,但一個新項目應(yīng)該可以改變這種狀況�？茖W(xué)家們的海洋觀測行動摒棄了以往基于船只遠征帶回數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)做法,而采用了給海洋“通電”的新方案,通過傳感器組成的網(wǎng)絡(luò),將美國沿海區(qū)域、遠至太平洋和大西洋的海洋表面和海底串聯(lián)起來,傳感器收集到的科學(xué)和視頻數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)不僅發(fā)送到實驗室,還發(fā)送給學(xué)校和家庭。

　　這項工作自從去年開始一直在有條不紊地進行。接下來,與海洋的實時互動將成為我們探索地球最后邊界的突破口。

　　(4)地球工程:更多干預(yù)是解決地球疾病的辦法?

　　根據(jù)英國皇家學(xué)會的定義,地球工程指的是“通過故意大規(guī)模地改變地球的環(huán)境,來應(yīng)對氣候變化”。它包括兩個方面:一是將進入大氣層的太陽光反射回太空;二是消除空氣中的二氧化碳并將二氧化碳儲存到地下。

　　關(guān)于第一個方面,將能夠反射太陽光的硫鹽酸氣溶膠注入上層大氣中是一個相對便宜、簡單、快捷的選擇,火山爆發(fā)事件已經(jīng)證明這種辦法很有效。但如果不同時大幅減少二氧化碳的排放,這樣的項目就必須無休止地進行下去,因為一旦項目暫停,地球的溫度就會急劇上升。它也會干擾給幾十億人亞洲人帶來雨水、給亞洲農(nóng)田帶來“甘露”的季風(fēng)。這些未知的因素使國際之間難以就這些措施達成協(xié)議。

　　相比較而言,二氧化碳捕獲和存儲技術(shù)(CSS)在政治上的分歧似乎微乎其微。但這些技術(shù)與注入氣溶膠技術(shù)相比還不成熟,而且也比較昂貴,其好處可能需要更長時間才能顯現(xiàn)。

　　牛津大學(xué)扎伊爾德商學(xué)院科學(xué)、創(chuàng)新和社會研究所主任史蒂夫·雷納表示,這種二分法是地球工程問題的核心。地球工程的可能性代表著科學(xué)與自然關(guān)系的一個全新領(lǐng)域,但我們也應(yīng)該謹(jǐn)慎行事,牢記之前忽視核能、忽視轉(zhuǎn)基因作物帶來的危害。

　　(5)地球掃描:地球下面是什么?

　　相比于地球內(nèi)部,我們對外太空的了解更多。但地質(zhì)學(xué)家現(xiàn)在可以聽到整個地球最微小的震動發(fā)出的隆隆聲。分析這些震動的速度和強度可以夯實我們對地底的了解。

　　例如在北美洲開展的USArray(臺陣)項目就是其中一個雄心勃勃的計劃,旨在探測北美大陸的結(jié)構(gòu)、變形及演化過程。滾動臺陣由400個寬頻帶地震臺站組成,以從西向東滾動的方式掃過整個北美大陸內(nèi)部,它揭示了黃石國家公園地下的超級火山如何從地底1000公里深處的熾熱地幔中獲取熱量。還有其他項目展示了印度大陸如何支撐起整個喜馬拉雅山脈。

　　2011年,科學(xué)家們將登上日本一艘名為“地球號”的深海鉆井船,他們希望通過鉆開一塊薄的大洋地殼到達地球的地幔。如果該計劃取得成功,我們將首次直接探測到巖石如何在地幔中循環(huán)并同地�；旌显谝黄�,以及地幔這口翻騰的大鍋如何讓板塊形成并最終形成地球表面的。所有這些都是與我們這個未知星球有關(guān)的重要問題。

生態(tài)學(xué)

　　如果你認為進化僅僅關(guān)注的是個人將其基因遺傳給后代以便為織起一個穩(wěn)固的生命之網(wǎng)和財富之網(wǎng)而做好準(zhǔn)備的話,那你就大錯特錯了。

　　(6)生物造成的氣候變化:地球的進化

　　在大約10億年前到5億年前時,地球歷史上經(jīng)歷過一段奇異旅程。在這段旅程的最開始,現(xiàn)代真核生物繁榮昌盛,但它們僅僅只作為單核細胞而繁衍生息;而在這段奇異之旅的終點,世界同現(xiàn)在的世界非常相像,到處都是巨大的植物、無脊椎動物和魚類。

　　生態(tài)記錄顯示,在這兩個節(jié)點之間,地球也在極端熱的時期和成為“雪球地球”(距今大約6.35億年前地球被冰雪所覆蓋)的冰川期之間瘋狂地來回擺蕩。傳統(tǒng)的觀點認為,諸如大陸架之間的碰撞等地質(zhì)過程造成了這種氣候的不穩(wěn)定狀態(tài)。然而,現(xiàn)在有越來越多的人意識到,生命進化過程中的反饋起著關(guān)鍵的作用。  (服務(wù)器租用)

　　例如,有人會問,雪球冰川可能是由多細胞海藻和海綿的進化引起的嗎?這兩種生物可能都依靠空氣中的溫室氣體為生,它們對溫室氣體的消耗減少了空氣存儲熱能的能力,但是,當(dāng)它們死亡時,碳也將隨之沉淀到海底。

　　雪球冰川會導(dǎo)致地球死亡,那么,地球最終會通過擁有直腸子的生物的進化產(chǎn)生的碳循環(huán)而生存下來嗎?有一點令科學(xué)家既好奇又疑惑,那就是,雪球冰川在這些發(fā)明了碳循環(huán)的動物進化之前就廣泛地存在,然而,當(dāng)這些動物進化完成之后,雪球冰川從未曾出現(xiàn)過。

　　英國牛津大學(xué)的微古生物學(xué)家馬汀·布拉西爾表示,這樣的問題不僅僅是科學(xué)家的奇思妙想。當(dāng)我們試圖探究我們自身對于地球氣候的影響時,這些問題給我們提供了一個新的思考維度,讓我們從新的角度來審視地球的歷史以及在地球上生活的生物的作用。

　　(7)生命之網(wǎng):不依賴發(fā)散的“樹思維”

　　我們逐漸開始意識到,細菌的基因組是一個大拼盤。基因可能擁有不同的來源,不僅僅來源于同一個祖先,即使同樣物種的兩個菌株之間,也將有一半不同的基因。

　　導(dǎo)致這種情況的主要“肇事者”是“側(cè)生的”基因轉(zhuǎn)移,在基因轉(zhuǎn)移的過程中,組成基因的成分從一種細菌轉(zhuǎn)移到另外一種細菌,轉(zhuǎn)移的方式很多,有的進入另外一種基因的生存環(huán)境,隨后被這種基因吸收;有的通過細菌或者病毒的作用。這種基因轉(zhuǎn)移會在物種之內(nèi)發(fā)生,也會在物種之間發(fā)生,甚至?xí)�出現(xiàn)在不同門類的細菌之間。由此造成的一個結(jié)果是,沒有一種簡單的模式可以定義細菌物種之間的關(guān)系。具有整齊的、縱橫交錯的分支的生命之樹已經(jīng)被連根

　　拔起。達爾文的《物種起源》中曾經(jīng)無數(shù)次提到這棵生命之樹,對它唯一的圖解是書中一個枝枝杈杈的結(jié)構(gòu),向人們展示一個物種如何能夠演化出更多物種。

　　加拿大達爾豪西大學(xué)的分子生物學(xué)家福特·杜里特爾說,我們現(xiàn)在承認,如果要想理解進化的過程,我們可以不依賴發(fā)散的“樹思維”。更重要的是,科學(xué)家提出宏基因組(對環(huán)境樣品中微生物群體基因組進行分析的一種方法,強調(diào)細菌群落以及在此層面上的功能性基因活動之間的差異)這一新概念,將使人們能夠更加清晰地洞悉縱橫交錯的生命之網(wǎng)中的各種關(guān)系。

　　(8)超進化:一切為了共同的利益而改變

　　在我們對于進化的研究中,過去的半個世紀(jì)是簡化論的天下,那時,科學(xué)家使用個體的自我利益和自私基因來解釋每件事情�，F(xiàn)在,我們正邁入整體論的時代,該理論承認人類社會以及多物種組成的生態(tài)系統(tǒng)在選擇性壓力面前可以作為一個單一的“超組織”來應(yīng)對。

　　轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代,生物學(xué)家林恩·馬古利斯提出,復(fù)雜的、有核的細胞是作為細菌細胞共生的結(jié)合體而產(chǎn)生的�，F(xiàn)在,科學(xué)家都知道,每個作為生物體的生命都是單個細胞高度集合的組織體,這使人們很難否認生物體組織自身能夠擁有類似生物體的特性,因此,它們能夠一起進化。

　　在利己主義盛行的時代,群體選擇過程似乎被武斷地拒絕。但是,達爾文正確地解釋了這一點:利他主義表現(xiàn)的是“為了整個組織的利益”,不管這種組織是一個物種還是一套生態(tài)系統(tǒng),這種組織或者生態(tài)系統(tǒng)都需要一個組間選擇過程來進化,組織內(nèi)的個體選擇會削弱這種組織或者生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

　　紐約州立大學(xué)的生物和人類學(xué)教授大衛(wèi)·斯隆·威爾森表示,對于我們來說,有一種想法很新鮮,那就是更高層次的選擇并非總是一成不變地被低層次的選擇戰(zhàn)勝,并且,確實有時候低層次的選擇會勝出。現(xiàn)在,我們必須認識到這種洞見的意義,因為其涵蓋范圍非常廣,從生命的起源到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)再到宗教以及人類的生物文化進化的本性等等。 (服務(wù)器租用)

　　(9)金融生態(tài):建立經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)

　　生態(tài)學(xué)是一門年輕的科學(xué),而且處于不斷地發(fā)展進化之中。隨著生態(tài)學(xué)從一種描述性的科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有更加堅實的概念支撐的科學(xué),“自然的平衡”這一富有浪漫主義色彩的觀念已經(jīng)讓位于我們對食品網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如何維持生態(tài)系統(tǒng)的富足這一問題更加詳細的理解。

　　經(jīng)濟學(xué)也可以從中受益,最近的銀行危機使得這一點變得非常清楚,那就是,越來越復(fù)雜的管理個人金融機構(gòu)中的風(fēng)險的策略仍然與人們對整個金融系統(tǒng)作為一個整體存在的風(fēng)險的關(guān)注不相匹配。并且,關(guān)于經(jīng)濟中存在的“自然平衡”,我們?nèi)匀豢梢詮脑S多紅包豐厚的銀行家嘴里聽到,這種自然平衡就是,如果從監(jiān)管機構(gòu)處那兒獲得充分的自由,不可見的手會有效地產(chǎn)生“一般均衡”。

　　牛津大學(xué)生態(tài)學(xué)家、動物系教授、2000年至2005年曾任英國首相科學(xué)顧問的羅伯特·梅表示,“銀行生態(tài)系統(tǒng)”簡單的數(shù)學(xué)模型就可以提供新鮮的思路。這些數(shù)學(xué)模型會捕捉相互作用的金融網(wǎng)絡(luò)中很多必需的動力,并且,這些數(shù)學(xué)模型也與人們早前在生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和復(fù)雜性方面所做的工作具有有趣的相似和明顯的不同。隨著我們嘗試開始建立解決系統(tǒng)性風(fēng)險的金融生態(tài)系統(tǒng),這樣的模型將變得越來越重要。但是,顛覆根深蒂固的思維方式并非易事。

　　遺傳學(xué)

　　討論完基因組之后,我們接下來開始討論下一個層次:互作組(interactome,基因和蛋白質(zhì)的相互作用)以及表型組(phenome,某一生物的全部性狀特征)。這兩個概念是現(xiàn)階段的科學(xué)研究重點,這兩個領(lǐng)域的突破將會讓很多生物技術(shù)的奇才和許多類似“侏羅紀(jì)公園”的標(biāo)題出現(xiàn)在報紙的頭版。

　　(10)1000人染色組分析項目:對人類種群進行分類

　　人類基因組圖譜早在10年前就已經(jīng)繪制完成,這是一項偉大的成就。但是,如果想讓基因組學(xué)充分發(fā)揮其潛能,例如對抗疾病,我們就需要知道個體之間有多少DNA序列存在差異。人類遺傳基因中的99%以上在全人類內(nèi)是同樣的,因此,理解剩余的一點點遺傳差異,就成為確認不同人對疾病的感受性、對藥物的響應(yīng)能力及對環(huán)境因子的反應(yīng)的差異的線索。

　　在接下來的5年內(nèi),我們應(yīng)該可以做到。于2008年啟動的千人染色體組分析項目(1000 Genomes Project)是一個公私合作的項目,旨在繪制出人類基因組差異的詳細圖譜。項目首期有885人參與,并已于今年6月份完成,研究人員找到了大約1600萬個DNA差異,其中的一半以前沒有被發(fā)現(xiàn)過。據(jù)估計,可能存在著大約6000萬個這樣的差異。

　　整個項目將分析2500個人的基因組,這些人來自于全球27個種群,這個項目目前正在如火如荼地進行中,而且,所獲得的數(shù)據(jù)供全世界免費享用。

　　(11)古遺傳學(xué):從過去獲得DNA的藍圖

　　我們一直認為,為已經(jīng)滅絕的物種繪制出基因藍圖是一個“不可能的任務(wù)”。然而,在今年5月份,一個國際科學(xué)家團隊完成了尼安德特人的基因組測序工作,并將研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。什么發(fā)生改變了呢?  (服務(wù)器租用)

　　基因組測序變得越來越快,也越來越便宜,一次能夠為成千上萬個基因組進行測序讓古遺傳學(xué)家可以將受損的DNA拼接在一起,并且拋棄壞掉的部分。他們也能夠從一個遠古物種的化石樣本抽取出5%的基因組,讓它同一個相關(guān)的現(xiàn)存物種的DNA相匹配。在過去的5年中,這種方法已經(jīng)讓科學(xué)家繪制出了幾個物種的基因組,包括一個4萬年前的洞熊、一頭猛犸象以及尼安德特人。

　　這些成果告訴了我們很多關(guān)于人類自身的信息,比如,對尼安德特人的基因組進行測序后的結(jié)果表明,現(xiàn)代人與尼安德特人非�？赡茉谛》秶鷥�(nèi)發(fā)生過交配,時間可能是現(xiàn)代人走出非洲,在中東遇到尼安德特人之時。遠古的DNA序列能夠被用來復(fù)活已經(jīng)滅絕很長時間的物種,正如電影《侏羅紀(jì)公園》中所描述的,這一想法非常有趣,但是,我們從來不能夠?qū)θ魏问虑檎f“從不”。

　　(12)蛋白質(zhì)之間交互作用組:繪制出分子的復(fù)雜性

　　蛋白質(zhì)和RNA(核糖核酸)都是一些基因編碼的分子,它們很少獨立作用。許多蛋白質(zhì)同其他蛋白質(zhì)之間相互聯(lián)系,或者調(diào)控它們,或者形成更大的分子機器;其他蛋白質(zhì)則通過依附于特定的蛋白質(zhì)序列或者將它們自身同RNA分子緊緊相連來執(zhí)行一些特定的任務(wù)。

　　我們將這些不可思議的緊密交互作用網(wǎng)絡(luò)取名為蛋白質(zhì)之間交互作用組,在整個20世紀(jì),我們都沒有參透過其中的奧秘。然而,在過去的10年內(nèi),全基因組測序獲得的信息和日益強大的生物信息學(xué)工具已經(jīng)使我們能夠產(chǎn)生和分析人類和其他生物的蛋白質(zhì)之間交互作用組的圖譜。

　　哈佛醫(yī)學(xué)院和癌癥系統(tǒng)生物學(xué)中心的教授馬克·維達爾表示,盡管我們?nèi)匀粵]有完全繪制出人類和其他生物的蛋白質(zhì)之間交互作用組的圖譜,但未來這些圖譜可以作為新的復(fù)雜的支架模型,讓我們研究細胞如何工作。既然很多人類疾病可以被分子同細胞之間交互作用的混亂來解釋,蛋白質(zhì)之間交互作用組將可以大大地改變我們對人類健康的看法,以及我們應(yīng)該怎樣研發(fā)藥物、采取預(yù)防措施來控制疾病。

　　(13)表型組:生命不僅僅指基因組

　　如果我們想要真正理解我們所生活的世界,那么,僅僅依靠基因組不可能做到這一點。我們需要更好地了解“表型組”——某一生物的全部性狀特征(從基因到行為)。

　　這聽起來很困難,一點沒錯。想想你自己的表型組吧,其中不僅包含有很多明顯的特征,比如眼睛的顏色、體重、面部特征等,也包含了很多不明顯的特征,比如新陳代謝的速度、個性、是否容易罹患老年癡呆癥以及其他無數(shù)的特征等。從你在媽媽的子宮里開始孕育起,所有這些特征產(chǎn)生于你的基因組與你周圍環(huán)境之間的相互作用。

　　鑒于這種復(fù)雜性,科學(xué)家于2003年首次提出了人類表型工程(human phenome project),而且,諸如“老鼠表型數(shù)據(jù)庫”等更小規(guī)模的項目也在緩慢進行中,從個性化醫(yī)療到我們?nèi)绾卫斫饣�因型和表型的關(guān)系,科學(xué)將從中受益良多。

　　(14)DNA折紙:將生命看作一個模板

　　生命的組成物質(zhì)非�！敖苹�”:將正確的DNA堿基對放在一起,它們就可以像維可牢(一種尼龍刺粘扣,兩面一碰即粘合,一扯即可分開)一樣互相依附。將DNA長長的單個片段取出,然后將其扔進一些更短的合成片段中,短片段上的鍵能夠?qū)㈤L片段拉成特定的形狀并且將它們緊緊地固定在一起。

　　“DNA折紙”技術(shù)是很多可以讓分子自我組裝成三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)中最有前景的技術(shù)之一�？茖W(xué)家使用該技術(shù)來制造很多令人眼花繚亂的物體,從齒輪到具有鎖和鑰匙機制的三維盒子。他們希望最終能夠使用這樣的盒子來遞送藥物,并探索生物分子的折疊和解開機制以用其來制造納米級的計算組件。

       (服務(wù)器租用  未完待續(xù))