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盘点可能改变科学面貌的50个想法

2018-11-30 18:22:05

盘点可能改变科学面貌的50个想法

什么想法会改变我们对于周遭世界以及我们与世界的关系的理解呢?英国《新科学家》杂志近刊发文章,罗列了诸多能够真正改变世界面貌的科学进展和科学想法,近距离向我们展示了那些科学进步会真正让科学研究领域焕然一新,同时刷新了人们对于世界的认知。

这些想法涵盖生物学、生命和地球科学等10个领域,包括DNA(脱氧核糖核酸)折纸术、超级进化、大脑地图、拓扑绝缘体等等。有些想法是天才的灵感一现;有些想法还处于基础的萌芽阶段,但却可能会带来巨大的突破;而还有些想法则纠正了人们以前对于世界的认知。不管怎样,所有这些想法都将改变科学发展的面貌,其带来的影响也不可估量。

地球科学

从彻底从世界消失到未来会变成死海一片,与地球有关的科学从来不乏各种有关“世界末日”即将到来的寓言。

(1)Hangenburg事件(泥盆纪与石炭纪的分界线):重返地球远古的审判

生命发展的进程中充斥着各种大动荡,繁荣多样的一个纪元之后是大规模灭绝的另一个纪元。3.59亿年前发生于泥盆纪晚期的大灭绝事件——Hangenburg事件,也是其中的插曲之一。

泥盆纪晚期是脊椎动物出现的关键时期。那时,很多原始生物灭绝;鲨鱼和硬骨鱼成为水域“霸主”;四足动物终进化成恐龙和哺乳动物,统治了陆地。

这是一个渐进的变化,而变化的驱动力来自于泥盆纪2500万年间此起彼伏的物种灭绝。不过,现在看来,与Hangenburg事件相比,这些灭绝都是“小菜一碟”,因为该事件几乎清除了所有典型的泥盆纪物种,为新的世界秩序铺平了道路(《美国国家科学院院刊》第107卷,第10131页)。

这次灾难的“罪魁祸首”是什么目前并不清楚,但科学家对其重要性进行了彻底的评估,结果表明,古生物化石可以成为新思维诞生的沃土。

(2)死海:气候变化压倒一切

虽然我们为气候变化给陆地生物(例如人类自身)带来的短期效应而烦恼不已,但全球变暖已经给世界的海洋系统带来了更加隐秘的威胁。在几百年的岁月中,因气候变化而发生改变的大气所排放的热量会慢慢渗入海洋,而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。

一些海洋里已经出现了无氧的“死亡地带”,包括位于墨西哥湾的一个上千平方公里的区域,计算机模拟结果表明,在未来的2000年内,气候变化将使这块区域的总面积增加7倍。(《自然·地理科学》,第二卷,第105页)。

即使我们不关心鱼类,那些鱼因为缺氧而腾出来的空间也可能成为能够排放氧化亚氮的细菌生存的“温床”,氧化亚氮同样是一种强大的温室气体。研究这种反馈过程可能发生的严重程度并制定出应对策略将是气候科学家们在未来几年的当务之急。

(3)海洋观测:给海洋“通电”

地球上的海洋非常辽阔,未被开垦的地方充满了谜团。海洋在气候变化中到底扮演什么角色?地震如何在海底俯冲区内发生?海底地震释放出的能量为什么能够占全球地震释放能量的90%?海底和海底以下的生命是什么样的?

缺乏数据是解决上述问题和其他问题的“拦路虎”,但一个新项目应该可以改变这种状况。科学家们的海洋观测行动摒弃了以往基于船只远征带回数据的传统做法,而采用了给海洋“通电”的新方案,通过传感器组成的络,将美国沿海区域、远至太平洋和大西洋的海洋表面和海底串联起来,传感器收集到的科学和视频数据通过互联不仅发送到实验室,还发送给学校和家庭。

这项工作自从去年开始一直在有条不紊地进行。接下来,与海洋的实时互动将成为我们探索地球边界的突破口。

(4)地球工程:更多干预是解决地球疾病的办法?

根据英国皇家学会的定义,地球工程指的是“通过故意大规模地改变地球的环境,来应对气候变化”。它包括两个方面:一是将进入大气层的太阳光反射回太空;二是消除空气中的二氧化碳并将二氧化碳储存到地下。

关于个方面,将能够反射太阳光的硫盐酸气溶胶注入上层大气中是一个相对便宜、简单、快捷的选择,火山爆发事件已经证明这种办法很有效。但如果不同时大幅减少二氧化碳的排放,这样的项目就必须无休止地进行下去,因为一旦项目暂停,地球的温度就会急剧上升。它也会干扰给几十亿人亚洲人带来雨水、给亚洲农田带来“甘露”的季风。这些未知的因素使国际之间难以就这些措施达成协议。

相比较而言,二氧化碳捕获和存储技术(CSS)在政治上的分歧似乎微乎其微。但这些技术与注入气溶胶技术相比还不成熟,而且也比较昂贵,其好处可能需要更长时间才能显现。

牛津大学扎伊尔德商学院科学、创新和社会研究所主任史蒂夫·雷纳表示,这种二分法是地球工程问题的核心。地球工程的可能性代表着科学与自然关系的一个全新领域,但我们也应该谨慎行事,牢记之前忽视核能、忽视转基因作物带来的危害。

(5)地球扫描:地球下面是什么?

相比于地球内部,我们对外太空的了解更多。但地质学家现在可以听到整个地球微小的震动发出的隆隆声。分析这些震动的速度和强度可以夯实我们对地底的了解。

例如在北美洲开展的USArray(台阵)项目就是其中一个雄心勃勃的计划,旨在探测北美大陆的结构、变形及演化过程。滚动台阵由400个宽频带地震台站组成,以从西向东滚动的方式扫过整个北美大陆内部,它揭示了黄石国家公园地下的超级火山如何从地底1000公里深处的炽热地幔中获取热量。还有其他项目展示了印度大陆如何支撑起整个喜马拉雅山脉。

2011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的大洋地壳到达地球的地幔。如果该计划取得成功,我们将首次直接探测到岩石如何在地幔中循环并同地幔混合在一起,以及地幔这口翻腾的大锅如何让板块形成并终形成地球表面的。所有这些都是与我们这个未知星球有关的重要问题。

生态学

如果你认为进化仅仅关注的是个人将其基因遗传给后代以便为织起一个稳固的生命之和财富之而做好准备的话,那你就大错特错了。

(6)生物造成的气候变化:地球的进化

在大约10亿年前到5亿年前时,地球历史上经历过一段奇异旅程。在这段旅程的开始,现代真核生物繁荣昌盛,但它们仅仅只作为单核细胞而繁衍生息;而在这段奇异之旅的终点,世界同现在的世界非常相像,到处都是巨大的植物、无脊椎动物和鱼类。

生态记录显示,在这两个节点之间,地球也在极端热的时期和成为“雪球地球”(距今大约6.35亿年前地球被冰雪所覆盖)的冰川期之间疯狂地来回摆荡。传统的观点认为,诸如大陆架之间的碰撞等地质过程造成了这种气候的不稳定状态。然而,现在有越来越多的人意识到,生命进化过程中的反馈起着关键的作用。

例如,有人会问,雪球冰川可能是由多细胞海藻和海绵的进化引起的吗?这两种生物可能都依靠空气中的温室气体为生,它们对温室气体的消耗减少了空气存储热能的能力,但是,当它们死亡时,碳也将随之沉淀到海底。

雪球冰川会导致地球死亡,那么,地球终会通过拥有直肠子的生物的进化产生的碳循环而生存下来吗?有一点令科学家既好奇又疑惑,那就是,雪球冰川在这些发明了碳循环的动物进化之前就广泛地存在,然而,当这些动物进化完成之后,雪球冰川从未曾出现过。

英国牛津大学的微古生物学家马汀·布拉西尔表示,这样的问题不仅仅是科学家的奇思妙想。当我们试图探究我们自身对于地球气候的影响时,这些问题给我们提供了一个新的思考维度,让我们从新的角度来审视地球的历史以及在地球上生活的生物的作用。

(7)生命之:不依赖发散的“树思维”

我们逐渐开始意识到,细菌的基因组是一个大拼盘。基因可能拥有不同的来源,不仅仅来源于同一个祖先,即使同样物种的两个菌株之间,也将有一半不同的基因。

导致这种情况的主要“肇事者”是“侧生的”基因转移,在基因转移的过程中,组成基因的成分从一种细菌转移到另外一种细菌,转移的方式很多,有的进入另外一种基因的生存环境,随后被这种基因吸收;有的通过细菌或者病毒的作用。这种基因转移会在物种之内发生,也会在物种之间发生,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细菌物种之间的关系。具有整齐的、纵横交错的分支的生命之树已经被连根

拔起。达尔文的《物种起源》中曾经无数次提到这棵生命之树,对它的图解是书中一个枝枝杈杈的结构,向人们展示一个物种如何能够演化出更多物种。

加拿大达尔豪西大学的分子生物学家福特·杜里特尔说,我们现在承认,如果要想理解进化的过程,我们可以不依赖发散的“树思维”。更重要的是,科学家提出宏基因组(对环境样品中微生物群体基因组进行分析的一种方法,强调细菌群落以及在此层面上的功能性基因活动之间的差异)这一新概念,将使人们能够更加清晰地洞悉纵横交错的生命之中的各种关系。

(8)超进化:一切为了共同的利益而改变

在我们对于进化的研究中,过去的半个世纪是简化论的天下,那时,科学家使用个体的自我利益和自私基因来解释每件事情。现在,我们正迈入整体论的时代,该理论承认人类社会以及多物种组成的生态系统在选择性压力面前可以作为一个单一的“超组织”来应对。

转折点出现在上世纪70年代,生物学家林恩·马古利斯提出,复杂的、有核的细胞是作为细菌细胞共生的结合体而产生的。现在,科学家都知道,每个作为生物体的生命都是单个细胞高度集合的组织体,这使人们很难否认生物体组织自身能够拥有类似生物体的特性,因此,它们能够一起进化。

在利己主义盛行的时代,群体选择过程似乎被武断地拒绝。但是,达尔文正确地解释了这一点:利他主义表现的是“为了整个组织的利益”,不管这种组织是一个物种还是一套生态系统,这种组织或者生态系统都需要一个组间选择过程来进化,组织内的个体选择会削弱这种组织或者生态系统的发展。

纽约州立大学的生物和人类学教授大卫·斯隆·威尔森表示,对于我们来说,有一种想法很新鲜,那就是更高层次的选择并非总是一成不变地被低层次的选择战胜,并且,确实有时候低层次的选择会胜出。现在,我们必须认识到这种洞见的意义,因为其涵盖范围非常广,从生命的起源到生态系统的结构再到宗教以及人类的生物文化进化的本性等等。

(9)金融生态:建立经济生态系统

生态学是一门年轻的科学,而且处于不断地发展进化之中。随着生态学从一种描述性的科学转变为一种具有更加坚实的概念支撑的科学,“自然的平衡”这一富有浪漫主义色彩的观念已经让位于我们对食品络的结构如何维持生态系统的富足这一问题更加详细的理解。

经济学也可以从中受益,近的银行危机使得这一点变得非常清楚,那就是,越来越复杂的管理个人金融机构中的风险的策略仍然与人们对整个金融系统作为一个整体存在的风险的关注不相匹配。并且,关于经济中存在的“自然平衡”,我们仍然可以从许多红包丰厚的银行家嘴里听到,这种自然平衡就是,如果从监管机构处那儿获得充分的自由,不可见的手会有效地产生“一般均衡”。

牛津大学生态学家、动物系教授、2000年至2005年曾任英国首相科学顾问的罗伯特·梅表示,“银行生态系统”简单的数学模型就可以提供新鲜的思路。这些数学模型会捕捉相互作用的金融络中很多必需的动力,并且,这些数学模型也与人们早前在生态系统的稳定性和复杂性方面所做的工作具有有趣的相似和明显的不同。随着我们尝试开始建立解决系统性风险的金融生态系统,这样的模型将变得越来越重要。但是,颠覆根深蒂固的思维方式并非易事。

遗传学

讨论完基因组之后,我们接下来开始讨论下一个层次:互作组(interactome,基因和蛋白质的相互作用)以及表型组(phenome,某一生物的全部性状特征)。这两个概念是现阶段的科学研究重点,这两个领域的突破将会让很多生物技术的奇才和许多类似“侏罗纪公园”的标题出现在报纸的头版。

(10)1000人染色组分析项目:对人类种群进行分类

人类基因组图谱早在10年前就已经绘制完成,这是一项伟大的成就。但是,如果想让基因组学充分发挥其潜能,例如对抗疾病,我们就需要知道个体之间有多少DNA序列存在差异。人类遗传基因中的99%以上在全人类内是同样的,因此,理解剩余的一点点遗传差异,就成为确认不同人对疾病的感受性、对药物的响应能力及对环境因子的反应的差异的线索。

在接下来的5年内,我们应该可以做到。于2008年启动的千人染色体组分析项目(1000GenomesProject)是一个公私合作的项目,旨在绘制出人类基因组差异的详细图谱。项目首期有885人参与,并已于今年6月份完成,研究人员找到了大约1600万个DNA差异,其中的一半以前没有被发现过。据估计,可能存在着大约6000万个这样的差异。

整个项目将分析2500个人的基因组,这些人来自于全球27个种群,这个项目目前正在如火如荼地进行中,而且,所获得的数据供全世界免费享用。

(11)古遗传学:从过去获得DNA的蓝图

我们一直认为,为已经灭绝的物种绘制出基因蓝图是一个“不可能的任务”。然而,在今年5月份,一个国际科学家团队完成了尼安德特人的基因组测序工作,并将研究结果发表在《科学》杂志上。什么发生改变了呢?

基因组测序变得越来越快,也越来越便宜,一次能够为成千上万个基因组进行测序让古遗传学家可以将受损的DNA拼接在一起,并且抛弃坏掉的部分。他们也能够从一个远古物种的化石样本抽取出5%的基因组,让它同一个相关的现存物种的DNA相匹配。在过去的5年中,这种方法已经让科学家绘制出了几个物种的基因组,包括一个4万年前的洞熊、一头猛犸象以及尼安德特人。

这些成果告诉了我们很多关于人类自身的信息,比如,对尼安德特人的基因组进行测序后的结果表明,现代人与尼安德特人非常可能在小范围内发生过交配,时间可能是现代人走出非洲,在中东遇到尼安德特人之时。远古的DNA序列能够被用来复活已经灭绝很长时间的物种,正如电影《侏罗纪公园》中所描述的,这一想法非常有趣,但是,我们从来不能够对任何事情说“从不”。

(12)蛋白质之间交互作用组:绘制出分子的复杂性

蛋白质和RNA(核糖核酸)都是一些基因编码的分子,它们很少独立作用。许多蛋白质同其他蛋白质之间相互联系,或者调控它们,或者形成更大的分子机器;其他蛋白质则通过依附于特定的蛋白质序列或者将它们自身同RNA分子紧紧相连来执行一些特定的任务。

我们将这些不可思议的紧密交互作用络取名为蛋白质之间交互作用组,在整个20世纪,我们都没有参透过其中的奥秘。然而,在过去的10年内,全基因组测序获得的信息和日益强大的生物信息学工具已经使我们能够产生和分析人类和其他生物的蛋白质之间交互作用组的图谱。

哈佛医学院和癌症系统生物学中心的教授马克·维达尔表示,尽管我们仍然没有完全绘制出人类和其他生物的蛋白质之间交互作用组的图谱,但未来这些图谱可以作为新的复杂的支架模型,让我们研究细胞如何工作。既然很多人类疾病可以被分子同细胞之间交互作用的混乱来解释,蛋白质之间交互作用组将可以大大地改变我们对人类健康的看法,以及我们应该怎样研发药物、采取预防措施来控制疾病。

(13)表型组:生命不仅仅指基因组

如果我们想要真正理解我们所生活的世界,那么,仅仅依靠基因组不可能做到这一点。我们需要更好地了解“表型组”——某一生物的全部性状特征(从基因到行为)。

这听起来很困难,一点没错。想想你自己的表型组吧,其中不仅包含有很多明显的特征,比如眼睛的颜色、体重、面部特征等,也包含了很多不明显的特征,比如新陈代谢的速度、个性、是否容易罹患老年痴呆症以及其他无数的特征等。从你在妈妈的子宫里开始孕育起,所有这些特征产生于你的基因组与你周围环境之间的相互作用。

鉴于这种复杂性,科学家于2003年首次提出了人类表型工程(humanphenomeproject),而且,诸如“老鼠表型数据库”等更小规模的项目也在缓慢进行中,从个性化医疗到我们如何理解基因型和表型的关系,科学将从中受益良多。

(14)DNA折纸:将生命看作一个模板

生命的组成物质非常“狡猾”:将正确的DNA碱基对放在一起,它们就可以像维可牢(一种尼龙刺粘扣,两面一碰即粘合,一扯即可分开)一样互相依附。将DNA长长的单个片段取出,然后将其扔进一些更短的合成片段中,短片段上的键能够将长片段拉成特定的形状并且将它们紧紧地固定在一起。

“DNA折纸”技术是很多可以让分子自我组装成三维结构的技术中有前景的技术之一。科学家使用该技术来制造很多令人眼花缭乱的物体,从齿轮到具有锁和钥匙机制的三维盒子。他们希望终能够使用这样的盒子来递送药物,并探索生物分子的折叠和解开机制以用其来制造纳米级的计算组件。

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