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2004十大科学突破

2005-02-08 23:39 作者:鲁伊 夏雨 2004年第52期
最新一期美国《科学》杂志公布了该刊评出的2004年十大科技突破,在火星表面找到水可能曾长时间存在的证据,获选本年度最重要的科学进展

最新一期美国《科学》杂志公布了该刊评出的2004年十大科技突破,在火星表面找到水可能曾长时间存在的证据,获选本年度最重要的科学进展。

欧美分别出现科学家和政府关系紧张的情况,这被《科学》杂志评为今年科研领域的最大失败。美国研究人员今年指责布什政府将意识形态置于科学之上,法国和意大利今年都有研究人员对政府削减预算等提出抗议

1火星与水:生命的第二次机会

今年,两个长得有点像“呆头鹅”的机器人完成了一项亘古以来人类的伟大梦想:在地球以外的星球上,寻找到生命可能存在的证据。在火星的子午线平面上,“机遇号”探测到了昔日沧海桑田留下的带有波纹的含盐沉积物,预示着这里一度曾是汪洋大海,一度又被风干,形成一片盐的沙漠。而在红色星球的另一端,“勇气号”发回的证据显示,清浅的地表水曾把方圆数千米的火山灰变为柔软的、富含铁的岩石,而流水也在这些岩石上蚀刻下岁月的痕迹。

30年前,当“海盗号”探测器传回火星表面照片后,科学界一直怀疑,那些显现为水蚀形成的沟渠山谷,都证明了几十亿年前,火星曾是一个被充足的水所覆盖、温暖湿润、足以令生命繁衍生息的星球。然而,直到今年,这个假说才得到科学上的证实。两台火星漫游车发回的图片和数据显示,火星上的海洋曾经如此浩瀚,在干涸后,仍然留下厚约300米的盐层。研究人员指出,在这个盐层下,很可能依然存在有待发现的生命。

在火星上生存,当然并不容易。如果火星上确有生命,它必须能应对恶劣的环境:又咸又酸,而且极度稀缺、经常干涸的水。但是,近年来在地球上各极端环境进行的研究已经表明,即使在一向认为最不可能有生命存在的地方,也生活着数目庞大、种类各异的微生物。凡事总有第一次。作为人类首次对另一颗行星进行的实地地质考察,“机遇号”和“勇气号”已经给出了相当鼓舞人心的答案。2005年8月,携带着“凤凰号”火星登陆车的“火星复兴号”轨道飞行器将启程前往火星,它的任务,是研究留存至今的火星冰层。此外,NASA的科学家已经在着手筹划2009年的“火星科学实验室”项目,届时,从火星上取回研究样本以及人类正式登陆火星,都将不再是遥远的梦想。

2印尼小矮人:霍比特族再世

2004年2月29日举行的第76届奥斯卡颁奖典礼上,《指环王3》席卷11项大奖,风头一时无两。也许是一种预示,在这一年即将结束的时候,一群生活在18000年前的“现实版霍比特人”,再度成为全世界科学媒体的头条。

由印度尼西亚和澳大利亚科学家组成的研究小组是在印度尼西亚的佛罗里斯岛上发现了这群小矮人的骨骼化石。他们的身高不足1米,大脑容量只有380立方厘米,仅相当于现代智人种的1/4。研究者指出,小矮人很可能由古老的直立人演化而来,大约在80万年前定居于岛上,为最大化利用岛上稀缺资源而逐渐进化为较小的身形。在其他哺乳动物中,这种“孤岛侏儒症”也常有所见。在发现小矮人的同一洞穴中,研究者还找到了“迷你大象”的骨骼化石。

有研究人员指出,佛罗里斯岛小矮人的发现,是半个世纪以来人类学研究领域最重要的成果。但是,也有人对它的真实性产生怀疑。不管这场争论的结果如何,至少有一点不容置疑:我们对进化论的了解,还相当的有限。

3干细胞克隆:14天的游戏

多年来,韩国人潜心于克隆技术,并希望以此为突破口跻身世界科学强国。作为其最直接回报,韩国科学家在16名女性志愿者帮助下,在世界上首次成功克隆出人类早期胚胎,并从中提取出胚胎干细胞。他们兴奋地宣告,新研究为器官移植等医学治疗开启了一扇希望之门。

相比之下,其他同行就没有这么好的运气:美国先进细胞技术公司曾称已经克隆出了人类早期胚胎,但一直拿不出可以证明其技术的学术论文;另外一些研究小组进行的人类胚胎克隆和猴子克隆实验也都未获成功。一些人因此悲观地认为现有克隆技术无法应用于灵长类动物。

克隆技术每向前推进一步,都会引发伦理学者与生物学家之间的唇枪舌剑。兴奋过后的韩国人,很快就强调“我们克隆人类胚胎只是为了治疗的目的”。一直处于科学发展领跑角色的美国人,在这方面造成遗憾,只能怪罪于其国内苛刻的政策:既反对生殖性克隆,也反对治疗性克隆。相比之下,一向保守的英国人对于克隆的态度却相当开放:早在三年前就以法律的形式确立“禁止生殖性克隆、批准治疗性克隆”的原则。

生殖性克隆是否会损害人类的基本尊严,是伦理学讨论的范畴,但治疗性克隆无疑能帮助人类实现美好的梦想。抛开人类自设的利益标准之外,“14天禁忌”则是衡量“天使或魔鬼”的技术标准:主张克隆态度开放者认为,在人类神经系统开始发育前的14天之内,任何毁灭与复制的游戏都是可以玩的。

4量子凝聚态:锦上添花

在科学哲学中,人们爱引用马太效应来说明科学发展的不均衡性。继几年前科学家成功实现气体量子凝聚态和液体量子凝聚态之后,今年科学家又锦上添花:造出了一个固体量子凝聚态。

在普通人眼里,量子凝聚态是一个晦涩难懂的概念,但在科学家看来,却是个令人激动的领域:如果能通过冷却原子的方法掌握两个原子进入单一量子状态后的行为变化,无疑具有重大的科学意义。美国两位科学家在多年工作基础上,在固体氦中发现了类似超流的证据,这一新发现显示,固体氦也能进入固态的玻色-爱因斯坦凝聚这种量子状态,而此前它只在气体和液体中以被观察到。处于这个类似超流状态的固体氦,进入了一个零黏度或没有摩擦力的状态,而且具有“非经典的转动惯量”。难怪有科学家欢呼:“超流固体”来了。

从过去的超导到今天的超流,科学的发展总能寻觅到一丝踪迹。1997年度的诺贝尔物理学奖授予了因在激光冷却气体原子研究方面做出贡献的三位科学家,消息公布后,我国科技界几位学者曾感慨地说,上海光机所的王育竹院士初期曾领跑于这一领域,后因各种原因落后了下来,成了中国科学家与诺贝尔奖擦肩而过的遗憾例证。我们要问,这种遗憾还会发生么?

5JUNK 片段:是宝藏不是垃圾

在英语中,junk是废物的意思。近几年,这个通俗的生活用语也因人类基因组研究的热销而悄然登上了科学殿堂:用于形容那些不起任何作用的DNA片段。今年的很多发现却都证实,这一垃圾场其实是一个并不为人类所认识的大宝藏。

生物体内的遗传物质是双螺旋状的DNA大分子,上面分布有揭示遗传奥秘的基因片段。近年来,这个被科学家寄于无限厚望的领域却得出令人遗憾的结果:从人类基因数量上讲,最新的研究数目是2万个左右,其余部分都是所谓的垃圾片段,而在2001年人们的估计数字是3~4万个,在10年前这个预测数字更是高达10万个。从差异性上更让人难以体会到人类的优越之处,因为人类蛋白质有61%与果蝇同源,43%与线虫同源,46%与酵母同源,人类基因的总体构成和老鼠有85%~95%的相似。对于种族的概念,在这里看来也是子虚乌有:来自不同人种的人比来自同一人种的人在基因上更为相似,如两个白人间的基因差异比黑人和白人之间的基因差异大。

今年,随着科学研究的深入,这些占据着DNA链条大部分区域的JUNK片段,被发现携带有丰富的生命信息,他们在生命进程中发挥着调控和管理的角色,就像信号灯对于交通畅通的意义一样。难怪一位多虑的北大教授说,一旦某一JUNK片段失灵了,万物之灵的人类就可能变得和小老鼠没有多大区别了。科学家还发现,在不同动物之间具有大致相同的基因组序列,其微小的差异正是代表着生物进化前进的方向,这之中,JUNK片段的功能同样不可小觑。

6脉冲星对:成双殉情

在以前的天文学观测中,人们看到的只是单个的脉冲星从发光到泯灭的凄美过程,今年科学家首次发现了成对的脉冲星。在科学家看来,脉冲星作为不断发射辐射流的旋转中子星,对其深入研究可为爱因斯坦的广义相对论提供最严格的检验。作为强调,期刊巨擘《科学》专门为其出了专辑。

与其他中子星一样,脉冲星是一种超高密度的星体爆炸残骸。据推算,一个地球可容纳下2.6亿颗脉冲星。尽管脉冲星只相当于地球体积的一小部分,但它的引力场却强过地球10亿倍。天文学家认为,这些中子星是坍缩星体(或称超新星)的残余部分。当将死的星球失去能量时,它就会开始坍缩。而在坍缩过程中,它所包含的所有物质都挤压在一起,密度变得越来越大。随着越来越多的物质向星体的中心移动,星体会越转越快。这与花样滑冰运动员在向内收紧胳膊时,也会越转越快的道理相同,这就是为什么某些脉冲星转速惊人的原因。

在年初发现这对脉冲星之后,天体物理学家很难解释它们之间的相互作用。来自加州大学伯克利分校的科学家提供的一种解释是,在高速自转的脉冲星表面有着比预计高出10万到100万倍的带电气体,“尽管在物理上这让人难以相信,但它们靠得实在太近了”。

7物种多样性告急:一个都不能少

在长达40年的时间里,研究者对英国本土的蝴蝶、植物和鸟类种群进行了跟踪调查。结果显示,在一个方圆10公里的调查区域内,蝴蝶已经在13%的地区消失,71%的蝴蝶种群丧失了自己的栖息地。鸟类的状况更为严重,它们的数目已经下降了一半以上。

今年,500名两栖、爬行动物专家还完成了第一次两栖与爬行动物全球普查。在全球已知的5700余种两栖与爬行类动物中,30%以上面临灭绝的危险,其中一些甚至极度濒危。研究者指出,如果这种趋势持续下去,到下个世纪,一半以上的两栖、爬行动物都将成为过度农牧与栖息地丧失的牺牲品,从地球上彻底消失。

对北美灰狼的研究揭示了物种多样性减少的另一种形式:尽管在大规模的猎杀后,狼群依然能够维持从生物学意义上讲健康的种群数目,但基因的多样性比一个世纪前已严重退化。

8水之秘语:你所不知道的世界

水的结构与化学性质对于科学家来说,依然是最令他们困扰的研究方向之一。不过,今年发表的几篇论文却为我们揭开了一部分水的秘密。

当一群来自美国、德国、瑞典和荷兰的研究者站出来宣称已有百年历史的液态水结构图可能有错的时候,整个物理学界掀起轩然大波。一直以来,教科书上告诉我们,水分子由两个氢原子和一个氧原子结合而成,每个水分子又与4个另外的水分子结合,形成一个四面体。但是,新的同步加速器X光照片却显示,许多水分子实际上仅与两个另外的水分子结合。到底哪个结论是正确的?应用长达一个世纪的经典教科书是否要被重写?2005年,正有热闹可瞧。

另一场激烈的争论是关于水离子的位置的。在一个大的水体中,它们到底位于表面,还是“宛在水中央”?计算机模拟结果再度对传统的理论提出挑战,而这很可能将引发大气科学领域的巨大动荡。

9被忽略的人与药:人人拥有健康权

今年,在八国首脑会议召开前夕,无国界医生组织发表新闻公报指出,在制药业已经如此发达、连脱发和抑郁这些传统意义上不属于疾病范畴的健康问题都有对症药物不断问世的情况下,容忍全球1/3人口无力购买必需药物、每年1100万人死于本可预防和治疗的疾病这样的情况存在,无异于犯罪。

近十年被称为全球制药业发展的黄金年代。然而,在呈几何级数增长的公司财富背后,是南撒哈拉非洲国家几乎被艾滋病和其他传染病夺走一半壮年劳动力的残酷现实。世界卫生组织公布的长达143页的全球卫生系统研究报告指出,全世界只有10%的卫生研究预算用于防治危害全球90%人口的严重疾病,而用于改善发达国家人口生活质量的卫生研究经费却占到90%。

不过,从今年起,情况正在发生变化。在莫桑比克开展的疟疾疫苗人体试验和抗艾滋病药物降价与本土化运动的背后,都有非政府组织、富裕国家、联合国各分支机构、制药公司、研究机构和慈善团体的相互协作。盖茨基金会推动成立的“全球对抗艾滋病、结核和疟疾基金”,从2002年起投资30亿美元用于帮助128个国家改善卫生设施、对抗传染病。这种努力使生活在非洲、亚洲和南美洲的贫困人群看到了希望。其实,像疟疾、肺结核这样肆虐于不发达国家的传染病,只要给予足够的重视和关注,完全有将危害降低到最小程度的可能。

10海洋基因组:大海捞金

引领基因组研究潮流的“坏小子”克雷格·文特尔,在神秘的百慕大群岛附近的马尾藻海中发现了1800多种新的海洋微生物,以及121万余种科学界从未见过的基因,真的是从大海中捞到了金子。

为其买单的美国能源部下的赌注是900万美元,其余则是由文特尔自己化缘解决。天才就是天才——他特意以效仿前人周游世界的传奇方式来开始他的海洋之旅,把自己的专用游艇“魔法师二号”改装成研究船,在每隔320公里的海域中采集水样。

通常,科学家是以实验室培养的方式来研究肉眼无法看到的微生物,而在文特尔看来则完全没有必要——海洋里多得是。他这次又是利用自己的拿手好戏——“基因组测序”作为工具,从这个“不毛之海”中找到了罕见的海洋微生物资源宝库。事后,文特尔慷慨表示,所有新发现的基因组序列都将成为公共领域资料,他更大的目标是“为地球所有微生物的基因组编写家谱”。

其实,不单是深海中存在着“金子”,凡是与常温常压环境显著不同的地方,都可能存在着珍奇的微生物资源,科学家将此称为极端环境的研究。目前,科学家感兴趣的地方还包括矿井、盐湖、高原无人区等。请相信,越是人迹罕至的地方,越有可能存在着好东西。(部分材料及图片由AAAS提供)

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