六大科學(xué)實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)前沿科技

據(jù)美國(guó)《探索》雜志報(bào)道，《探索》雜志日前評(píng)出了引領(lǐng)當(dāng)今科學(xué)發(fā)展的最重要的六大實(shí)驗(yàn)，它們均與現(xiàn)階段熱門(mén)科研話(huà)題密切相關(guān)，如暗物質(zhì)、環(huán)境保護(hù)、基因研究等。以下是這六大科學(xué)實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)情況。

暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)

宇宙中有無(wú)數(shù)等待人類(lèi)去探索的秘密，暗物質(zhì)就是其中一個(gè)。過(guò)去75年，科學(xué)家一直在努力尋找暗物質(zhì)的粒子，但迄今一無(wú)所獲。今年，他們也許能從深埋于意大利中部山洞的冰冷液體中找到答案。意大利格朗薩索小組正在準(zhǔn)備進(jìn)行XENONl00實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)雖簡(jiǎn)單卻擁有遠(yuǎn)大目標(biāo)：記錄下弱相互作用大質(zhì)量粒子撞向液態(tài)氙原子核，引發(fā)光閃和電荷的一刻。領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施這項(xiàng)研究的哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家埃琳娜·阿普莉萊顯得信心十足：“我們絕對(duì)能看到這些物理現(xiàn)象。”

根據(jù)最新的理論和發(fā)現(xiàn)，宇宙中暗物質(zhì)的數(shù)量是構(gòu)成我們普通世界的原子物質(zhì)數(shù)量的6倍。盡管每秒鐘都有無(wú)數(shù)暗物質(zhì)從我們身邊經(jīng)過(guò)，但它們無(wú)影無(wú)蹤，我們根本看不到它們的蹤影；它們不帶電荷，與原子物質(zhì)問(wèn)的相互作用并不頻繁，科學(xué)家能發(fā)現(xiàn)它們的唯一途徑就是布下一個(gè)“天羅地網(wǎng)”。目前，全球約有10個(gè)科學(xué)小組正在從事類(lèi)似研究，但XENONl00實(shí)驗(yàn)是迄今保密措施做得最好的。所有實(shí)驗(yàn)人員均在地表以下從事研究，避免探測(cè)器遭到輻射。

意大利格朗薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室位于一座山頂下4600英尺深處。XENONl00是阿普莉萊之前關(guān)于暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)XE—NONl∞的增強(qiáng)版，這次實(shí)驗(yàn)使用液態(tài)氙(室溫下存在的惰性氣體)捕捉弱相互作用大質(zhì)量粒子。XENONl00探測(cè)器是一種不銹鋼圓柱體，外面是由兩種鉛和一層聚乙烯打造的保護(hù)性“城堡”。330磅的液態(tài)氙在里面將被冷凍至零下140華氏度。氙擁有一個(gè)獨(dú)具魅力的特性：一旦wlMP粒子撞向其原子核，它會(huì)釋放出瞬間的閃光。圓柱體頂部的一套傳感器會(huì)記錄下這一信號(hào)，同時(shí)頂部的傳感器會(huì)探測(cè)WIMI’粒子釋放的電子。通過(guò)分析上述兩個(gè)信號(hào)及測(cè)量它們的時(shí)間間隔，研究人員便能以三維形式鎖定圓柱體內(nèi)撞擊點(diǎn)位置。

暗物質(zhì)并不見(jiàn)得就是由wlMP粒子構(gòu)成，但它們當(dāng)仁不讓是重要候選之一，因?yàn)閃IMP粒子的存在會(huì)填補(bǔ)粒子物理學(xué)理論固有的漏洞。為解決這一矛盾，科學(xué)家提出，所有粒子都有質(zhì)量超大的對(duì)應(yīng)物或“超級(jí)伙伴”。粒子即便質(zhì)量是質(zhì)子的50倍，但在“超級(jí)伙伴”之中也是最輕的。它是WlMP粒子的重要候選。如果XENONl00實(shí)驗(yàn)最終揭開(kāi)了粒子之謎，這將是人類(lèi)科學(xué)史上的重要一步。耶魯大學(xué)物理學(xué)家、XENONl 00小組成員丹尼爾·麥克金賽說(shuō)：“如果我們找到了暗物質(zhì)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，地球原來(lái)并不是由構(gòu)成大部分宇宙的物質(zhì)所形成的。”

“藍(lán)色大腦”計(jì)劃

科學(xué)家試圖憑借電腦模型來(lái)攻克科學(xué)中最難理解的幾個(gè)概念：宇宙起源、原子行為及地球未來(lái)氣候。如今，科學(xué)家又在設(shè)計(jì)一個(gè)用于顯示人腦活動(dòng)的電腦模型。瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院大腦認(rèn)知學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家亨利·馬克拉姆辛勤耕耘15年，成功繪制出老鼠大腦細(xì)胞圖，這樣，他就能制造出模擬人腦神經(jīng)元的系統(tǒng)。馬克拉姆希望，在lBM公司的幫助下，在2015年開(kāi)發(fā)出一個(gè)虛擬人腦，它擁有人腦所有的1000億個(gè)神經(jīng)元，他將該計(jì)劃命名為“藍(lán)色大腦”計(jì)劃。IBM公司的綽號(hào)是“藍(lán)色巨人”、顯然“藍(lán)色大腦”計(jì)劃中的“藍(lán)色”兩字就來(lái)自于這個(gè)綽號(hào)。

科學(xué)家目前依舊對(duì)人腦許多最基本的功能不了解，如記憶、大腦疾病基本原理及治療等等。馬克拉姆的模擬系統(tǒng)以電子形式反映真實(shí)大腦的生物行為，利用數(shù)學(xué)原理模擬神經(jīng)元之間的相互作用及神經(jīng)傳遞素對(duì)這些細(xì)胞的影響。另外，這個(gè)模型經(jīng)過(guò)調(diào)整，還能探究不同尋常的生理學(xué)變化(如大腦左半球亢奮或海馬狀突起功能遭削弱)和環(huán)境變化(如服藥的影響)。隨后，研究人員可通過(guò)電腦圖像對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀。

馬克拉姆說(shuō)：“我們正在打造一個(gè)萬(wàn)能模板，它能讓我們依據(jù)任何規(guī)格再造一個(gè)大腦。”lBM公司收集了海量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)完成一臺(tái)功能強(qiáng)大的超級(jí)電腦，一個(gè)在超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方面從根本上革新的系統(tǒng)。這臺(tái)電腦的運(yùn)算能力達(dá)到每秒22萬(wàn)億次，如此強(qiáng)大的運(yùn)算速度使其位居世界頂級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)之列。

然而，馬克拉姆的很多同事認(rèn)為，他的這種努力簡(jiǎn)直是癡心妄想，因?yàn)榇祟?lèi)模擬系統(tǒng)無(wú)論多么先進(jìn)，都不能揭開(kāi)真正大腦所有功能的謎底。馬克拉姆承認(rèn)：“人們認(rèn)為這是不可能的，他們認(rèn)為我們對(duì)大腦的了解不夠，不足以設(shè)計(jì)出這種模擬系統(tǒng)。”不過(guò)，他表示。隨著“藍(lán)色大腦”計(jì)劃在今后幾年的不斷完善，大腦“電路”之謎終將揭開(kāi)。如果“藍(lán)色大腦”計(jì)劃小組獲得成功，科學(xué)家將首次掌握頗具意義的人腦物理模型。

“地球時(shí)間”計(jì)劃

大約2. 5億年前，一場(chǎng)大災(zāi)難使地球上90％的生命滅亡，這一災(zāi)難被稱(chēng)為“二疊紀(jì)一一三疊紀(jì)之交生物滅絕事件”。與此同時(shí)，體積相當(dāng)于圣海倫斯火山100萬(wàn)倍的一系列火山噴發(fā)，空中彌漫著塵埃和氣體，火山熔巖覆蓋了方圓500萬(wàn)平方公里的地方。火山噴發(fā)是否是造成生物滅絕的罪魁禍?zhǔn)?答案取決于此類(lèi)地質(zhì)事件發(fā)生的最早時(shí)間及持續(xù)時(shí)間，目前科學(xué)家對(duì)此一無(wú)所知。

美國(guó)伯克利地球年代學(xué)研究中心主任保羅·雷涅說(shuō)，這是有關(guān)地球歷史的最大疑問(wèn)之一，“我們對(duì)因果關(guān)系的辯論往往取決于時(shí)間選擇。”這就是他和全球數(shù)百位科學(xué)家加入“地球時(shí)間”計(jì)劃的原因，這一近10年之久的努力通過(guò)重新定義科學(xué)家所用測(cè)算時(shí)間的方法，確定地球歷史上一系列重大事件的時(shí)間順序。這一計(jì)劃由美國(guó)麻省理工學(xué)院地質(zhì)專(zhuān)家薩姆-鮑爾林和美國(guó)國(guó)家自然歷史博物館古生物學(xué)家道格拉斯·歐文聯(lián)合發(fā)起。鮑爾林說(shuō)：“如果我們確實(shí)想要了解地球歷史，那么必須改善測(cè)定年代的工具。”

過(guò)去10年間，這種工具變得異常精確。上世紀(jì)70年代，科學(xué)家使用放射性同位素定年法，將一塊距今1億年的巖石年代精確到百萬(wàn)年。今天，鮑爾林及其同事們已將一些巖石的地質(zhì)年代的準(zhǔn)確率保持在10萬(wàn)年之內(nèi)。然而，由于一些小誤差，科學(xué)家的努力始終不能更進(jìn)一步。盡管采用相同的定年法，但由于各實(shí)驗(yàn)室使用不同的材料和方法，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同。如今，科學(xué)手段越來(lái)越精確，因?qū)嶒?yàn)失誤造成的小小偏差均會(huì)引發(fā)巨大分歧。雷涅說(shuō)：“工欲善其事，必先利其器，所以，我們一定要提高工具的精確度，力爭(zhēng)將失誤降低到最低程度”。

“地球時(shí)間”計(jì)劃的目標(biāo)是使研究時(shí)間的科學(xué)家所用的眾多“時(shí)鐘”保持同步，隨后利用它們?yōu)榈厍驓v史造出一部超精確的“年表”。為實(shí)現(xiàn)這一目的，鮑爾林及其同事們將一批被稱(chēng)為“標(biāo)準(zhǔn)”(已知年代的石塊樣本)的參考資料和“追蹤器”(少量成分已知的同

位素)分發(fā)下去，幫助不同實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果保持一致。直到目前，各實(shí)驗(yàn)室還在使用不同的“標(biāo)準(zhǔn)”和“追蹤器”，導(dǎo)致所得結(jié)果存在差異。鮑爾林希望，通過(guò)賦予每個(gè)科學(xué)家相同的“起跑點(diǎn)”，徹底消除這種問(wèn)題。

種檀森林計(jì)劃

在馬來(lái)西亞的島嶼婆羅洲，樵夫，環(huán)保學(xué)家和土著居民共同對(duì)土地使用的新模式展開(kāi)了一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，目的是使各方都能獲益。如果他們的計(jì)劃成功，世界上其他的熱帶雨林就能夠復(fù)制此方法，生物多樣性就能得到保護(hù)。與此同時(shí)，當(dāng)?shù)鼐用襁€可以享受到多產(chǎn)的土地帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)利益。

在這種大背景下，馬來(lái)西亞沙撈越州政府授權(quán)啟動(dòng)了種植森林計(jì)劃。該計(jì)劃的目的是為了既發(fā)展經(jīng)濟(jì)，又使野生動(dòng)物得到保護(hù)，同時(shí)還能使當(dāng)?shù)鼐用裼型恋乜捎谩ｑR來(lái)西亞政府為該計(jì)劃撥出約4800平方公里的土地。其中近一半專(zhuān)門(mén)用于采伐阿拉伯膠樹(shù)——種生長(zhǎng)迅速、可以用于造紙的樹(shù)木；另外有30％以上的土地將用于生態(tài)保護(hù)；剩下的土地留給當(dāng)?shù)赝林用穹毖苌ⅰ?/p>

馬來(lái)西亞生物學(xué)家羅伯特·斯特賓表示，這一計(jì)劃的靈感來(lái)自于政府規(guī)劃種植阿拉伯橡膠樹(shù)區(qū)域圖。其中一些地區(qū)用于采伐森林，剩余部分的森林則維持現(xiàn)狀。斯特賓意識(shí)到，這種分塊模式可用作本地動(dòng)植物的“避難所”。他解釋?zhuān)骸凹幢阏麄€(gè)棲息地得不到保護(hù)，只要你有足夠的林木和空地，而且這些都連成一片，生物多樣性也能夠得到合理利用。”

斯特賓與樵夫、沙撈越邦政府林業(yè)部門(mén)合作，將連接林業(yè)保護(hù)區(qū)的土地劃成多條走廊，以便野生動(dòng)物在其間活動(dòng)。其他一些保護(hù)和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目也在利用受保護(hù)的走廊通道，作為拯救本地物種之策。

研究人員現(xiàn)已統(tǒng)計(jì)出野豬、鹿、小型哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)、青蛙、魚(yú)類(lèi)和蜻蜓等動(dòng)物的數(shù)量，目前正在調(diào)查菌類(lèi)的數(shù)量。他們還詳細(xì)記錄下經(jīng)確認(rèn)的所有物種的情況，如發(fā)現(xiàn)的地點(diǎn)，是否屬本地物種，在當(dāng)?shù)鼗驀?guó)際上的受保護(hù)地位。盡管之前林區(qū)遭到采伐，但研究人員還是發(fā)現(xiàn)了400多種脊椎動(dòng)物的身影，如熊、麝貓、短尾猴、美洲豹、貓鼬、穿山甲等。甚至發(fā)現(xiàn)了18只以前未知的蝸牛。

海洋生物大普查

浩瀚的大海中都生活著哪些生物72000年，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題卻引來(lái)了一項(xiàng)耗資6. 5億美元的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目將對(duì)所有海洋生物進(jìn)行分類(lèi)記錄，如植物、動(dòng)物、細(xì)菌和真菌。美國(guó)羅格斯大學(xué)生物學(xué)家，海洋生物調(diào)查計(jì)劃科學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主席弗雷德·格拉斯勒說(shuō)：“我們對(duì)海洋生物多樣性根本一無(wú)所知。無(wú)論是珊瑚礁、深海海底，抑或是生活在沿海偏僻地區(qū)的生物，我們知之甚少。”通過(guò)幫助研究人員確認(rèn)遭受威脅的物種和棲息地，海洋生物大調(diào)查可以讓人類(lèi)更好地保護(hù)海洋資源。新發(fā)現(xiàn)的生物堪比一座天然“化合物金山”，可用于制藥或工業(yè)應(yīng)用。

詳細(xì)調(diào)查全世界的海洋生物肯定需要大量時(shí)間。于是，來(lái)自80多個(gè)國(guó)家的2000余名調(diào)查人員分成1 7個(gè)小組，對(duì)珊瑚礁、大陸架、海洋中心山脊等進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)地調(diào)查。另外，他們還實(shí)施了其他一系列的研究，如用拖網(wǎng)取出浮游生物；給大型海洋食肉動(dòng)物掛上標(biāo)牌以跟蹤它們的洄游；排列海水中微生物的DNA；用拖網(wǎng)搜尋海底生物。此次海洋生物大普查的規(guī)模超過(guò)了以往任何的生物調(diào)查，如今，這一調(diào)查已進(jìn)入了第七個(gè)年頭，格拉斯勒稱(chēng)調(diào)查工作正按計(jì)劃有條不紊地進(jìn)行。

目前，科學(xué)家已經(jīng)確定了大約5300種之前未知的生物體，每一種將詳細(xì)記錄在“海洋生物大普查”海洋生物地理信息系統(tǒng)中，我們可以免費(fèi)登錄查找相關(guān)信息。加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)海洋生態(tài)學(xué)家保羅·斯尼爾戈羅夫說(shuō)，科學(xué)家面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)將是，在這一計(jì)劃的主要調(diào)查工作于2010年結(jié)束之后，如何繼續(xù)調(diào)查新發(fā)現(xiàn)生物體的生態(tài)重要性。他說(shuō)：“調(diào)查工作的頭10年一直集中于發(fā)現(xiàn)海洋生物，下一步將是探究這些生物的活動(dòng)以及它們對(duì)地球運(yùn)轉(zhuǎn)的重要性。”

人造生命計(jì)劃

上世紀(jì)90年代中期，備受爭(zhēng)議的基因組研究先鋒克雷格·文特爾宣稱(chēng)，在政府科學(xué)家成功破譯人類(lèi)基因組前，他和同事也許早已完成這一科學(xué)創(chuàng)舉。當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為文特爾狂妄至極，是不折不扣的科學(xué)狂人。不過(guò)如今看來(lái)，他并非只是造聲勢(shì)，起碼眼下與政府科學(xué)家打了個(gè)平手：2000年以來(lái)，兩個(gè)科研小組都提供了越來(lái)越精確的基因組圖譜。文特爾剛剛公布了一個(gè)人(他本人)的基因組序列，其中包括他遺傳自父母的所有染色體。

盡管人類(lèi)基因組排序在當(dāng)今屬于科研熱門(mén)，但文特爾領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可能使之黯然失色。在克雷格·文特爾研究所和他的生物技術(shù)公司正從事“合成基因?qū)W”研究，科學(xué)家們正試圖從零開(kāi)始制造基因組。文特爾在其回憶錄《破譯一生》中稱(chēng)：“我打算通過(guò)人造生命來(lái)表明我們了解‘生命鑰匙’的態(tài)度。”文特爾在2002年首次對(duì)外宣布了這個(gè)計(jì)劃，此后便廢寢忘食，為實(shí)現(xiàn)這一宏偉的科學(xué)目標(biāo)而努力。

文特爾“人造生命計(jì)劃”的第一步是：確定微生物在實(shí)驗(yàn)室里生存所需的最少數(shù)量的基因。然后，科學(xué)家從原材料中合成這個(gè)最小的基因組，將其植入宿主細(xì)胞。此時(shí)，基因組可以自力更生，生成其所需蛋白質(zhì)，逐漸把細(xì)胞轉(zhuǎn)化為新生命。為合成最小的基因組，文特爾開(kāi)始著眼于他和同事研究多年來(lái)的一種微生物——種名為M，genitalium的病原體，這種病原體能引起尿道感染。他們過(guò)去已經(jīng)確定，這種寄生病菌擁有482個(gè)基因。接著，他們開(kāi)始測(cè)試這些基因，察看哪些是其生存所必需的。

2006年，文特爾的研究小組報(bào)告稱(chēng)，M genttal ium病原體即便沒(méi)有其中100個(gè)基因，也能存活。文特爾說(shuō)：“這是該科學(xué)領(lǐng)域重大的突破。”

責(zé)任編輯；鄧愛(ài)華