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2009科学展望

2009-03-16 15:01 作者:曹玲 2009年第2期
以下是《科学》杂志预测的2009年七大科研热点,待到今年岁末时,我们可以回过头来看看有多少项能够进入“2009年科学十大进展”。

海水表面酸性快速增长,对于珊瑚等海洋生物都是一场灾难

每到岁末,世界知名学术期刊《科学》杂志都会盘点一年来的科学进展,展望来年的科研热点。2007年末,他们预测七个项目或领域将成为2008年的研究热点,包括大型强子对撞机和古基因组学等等。结果2008年10月,大型强子对撞机开撞轰动了全世界;去年科学家制得了粗略的尼安德特人基因组图谱,揭示了已灭绝的穴熊的线粒体基因组,成功破译了猛犸80%的基因组序列,古基因组学上的突破性进展激发了科学家克隆穴熊、使其复活的想法。

以下是《科学》杂志预测的2009年七大科研热点,待到今年岁末时,我们可以回过头来看看有多少项能够进入“2009年科学十大进展”。

植物基因组测序

如果没有玉米,我们看电影时吃什么?

现在已有爆米花专用的爆裂玉米、香喷喷的甜玉米、糯软可口的黏玉米,比起以往口味繁多。但这远远不够,玉米还可以当做饲料,发酵成新能源乙醇和烧酒,压榨玉米油;玉米秆可以用于造纸和制墙板;玉米芯可以做燃料或者制成工业溶剂……总之,玉米浑身都是宝,种植面积仅次于小麦和水稻,是分布最广的粮食作物。

所以继水稻基因组测序成功之后,科学家又盯上了玉米。2008年2月,美国研究人员成功测序得到了玉米基因组的草图,这是人类成功测序的第二种农作物基因组。测序小组将玉米基因组草图信息存入互联网基因测序公共数据库“基因银行”,供各国科研人员通过网络免费获取使用。预计分析玉米基因组的论文将于2009年发表,科研人员今后将按图索骥,破解玉米的各种遗传信息,改良玉米品种。比如,他们能更加准确、高效地提高玉米产量,增强玉米的抗旱、抗病虫害能力,还可以借此寻找哪些基因能让玉米更有营养,哪些基因能使玉米更高效地被制取成乙醇。

2008年美国玉米价格已经超过5美元/蒲式耳,产量31亿吨。在玉米价格走高、出口量上升、乙醇需求激增已成为不争的国际形势下,以基因做工具来改造玉米必定“钱”途无量。

对玉米的重视使其他植物也纷纷沾光。美国政府开始支持破译植物DNA,包括模型植物拟南芥,大豆和谷子等农作物,可用做生物燃料的植物,多用于生态研究的沟酸浆属植物,以及一种原始的石松属植物。此外,对苹果、橘子、桃和瓜类等植物的基因组测序也在进行中,有望在2009年取得突破。

海洋病了

你能想象大海会变成一大锅“滋滋滋”冒着气泡的可乐吗?

早在50年前,科学家并不确定排气管和烟囱排出的二氧化碳是否真的会在大气中累积。当时有人相信,二氧化碳会全被海洋吸收,完全不造成任何危害;他们也相信,二氧化碳刚好可以被陆地上的植物吸收,帮助植物生长,并且维持一种平衡。  

但是50年后,研究人员揭露,人类正促使海洋的化学物质发生2000万年以来最巨大的变化,大气中不断增加的二氧化碳溶解于海洋形成碳酸,自从工业革命以来,海水表面的酸性增长了30%,这将破坏海洋的整个生命系统。

这对浮游植物球石藻、浮游动物有孔虫、珊瑚以及其他分泌碳酸钙的生物而言,都是一场灾难。酸化既会影响它们制造碳酸钙的能力,也会腐蚀海洋生物的外壳。如果你需要实验证明,可以把一小段粉笔(成分是碳酸钙)丢进醋(弱酸)里,粉笔会立刻开始溶解。

如果纵容这种情况持续下去,可能会重蹈5500万年前的覆辙。当时处于古新世—始新世的温暖时期,溶解到海水中的二氧化碳总量估计达到4.5万亿吨,大批海洋生物灭绝,此后海洋至少花了10万年时间才恢复正常。虽然科学家并不特别清楚现在海洋的“病情”如何,但是他们认为,与当时相比,目前的酸化事件进展更为迅速,海洋生物根本没有时间适应。

相比全球变暖在学界仍有争议,海洋酸化基本已是共识,但是这个严肃话题并没有得到公众应有的关注。或许科学家应该找到一个诸如在全球变暖形势下,北极熊无家可归的典型,才能让这个迫在眉睫的威胁引起世人关注。

神经科学出庭

今年6月,印度马哈拉什特拉邦法庭审理的一件案子惊动了科学界。法官借助脑电波测谎系统,对涉嫌用砒霜毒死未婚夫的24岁女子进行测谎实验,并据此判她终生监禁。

这是一个情杀故事,两人原本已经谈婚论嫁,但是男主角却移情别恋,与“第三者”私奔。不久,男主角又只身还乡,在与未婚妻相见后神秘地中毒身亡,女主角因涉嫌在快餐中下砒霜而被捕。但是她拒绝承认自己谋杀,警方也无法找到确凿证据。于是不可思议的一幕出现了:法庭使用一套由印度“国家心理卫生神经科学研究院”研发的新型“脑电波测谎系统”,对女主角进行测试。她的头上被贴了32个电极,接着测试者对她大声念出各种语句,开始时只是一些诸如“今天天空很蓝”之类的中性语句。将近一小时之内,女主角的脑电波“波澜不惊”。然而,当测试人员念到诸如“我买了砒霜”、“我与被害人在麦当劳相遇”等敏感语句时,女主角的脑电波开始出现明显的异样变化。测试人员最后得出结论:女主角对于其谋杀犯罪的经过具有“经验知识”,她曾经“从事过”,而不仅是“听说过”。去年6月12日,法官采信了脑部扫描测谎结果,认定女主角蓄意谋杀罪名成立,判处终生监禁。

由于这是世界第一例法庭以脑部扫描结果作为判决凭据的案例,国际科学界为之哗然。在脑波测谎技术全球领先的美国,科学家对这一案例褒贬不一,有人称赞“好极了”,也有人抨击“荒谬”、“可笑”、“令人心寒”。许多心理学家与神经科学家都认为不该贸然以脑波测谎结果作为定罪依据,毕竟其精确性未经独立科学研究支持,知名学术专刊也不曾刊载过相关论文,脑波测谎的可靠性无从评估。

长期以来,获得真相的方式都被质疑。讲真话的药丸会让嫌疑人胡言乱语而不是“真诚告白”;测谎仪在测量焦虑方面远胜过测量诡计,瞎话大王并不会对此感到不安。1998年美国最高法院也说,大多数人都不认为测谎仪的结果可靠。此前,虽然美国法官也曾采信脑部扫描结果,但一般是被告律师据此证明被告精神有问题,以便为其开脱或者减刑,还从未有检方将此当做说服陪审团判断嫌疑人有罪的证据。

但是不管美国科学家持什么态度,一些国家对此表示了极大的兴趣,包括以色列和新加坡。印度官方说这两国的相关人员已经参观了政府实验室,并用仪器进行审问。除此之外,现在还有三家公司提供基于功能性核磁共振成像仪的测谎服务。

不管是否有准备,神经科学正在走上法庭。

通往哥本哈根之路

每年的联合国气候变化大会,都会变成一场吵闹盛宴。1997年签署的《京都议定书》将于2012年到期,2009年11月为期12天的全球气候高峰会将在哥本哈根召开,那将是各国制订代替《京都议定书》的新协议的最后期限,届时会场上的吵闹水平估计会得到进一步提高,或许会达到白热化的程度。

各个国家都明白,在“后京都”时代围绕温室气体排放的较量将更加激烈。虽说当某个问题成为全球公共事件,并获得高度关注时,常常也意味着它将可能面临良性转机。但在气候问题上,这样的共识并不容易获得。即便美国承认大气中的二氧化碳与日益升高的温度之间有联系,但依然在2001年退出了《京都议定书》。作为一个与中国并列世界第一的温室气体排放大国,如果没有美国参与,任何一个全球性减排协议都是不可能实现的。

美国、中国、印度是三个排放大国,这三家能否就强硬有约束力的目标达成一致,以缓解全球变暖还是个未知数,新的协定是否会包括资助发展中国家采用西方能源技术以适应这个变暖的世界也无人可知。

目前整个国际社会都要求中国承担减排义务,中国必须想好对策。前不久,中国发布了《应对气候变化的政策与行动》白皮书,发出一个新的倡议:发达国家应拿出将近1%的GDP,帮助较贫穷国家减少温室气体排放。这意味着美国可能要拿出1300亿美元,欧盟则需掏腰包超过1600亿美元。遇到钱的问题,谁也不愿意当“冤大头”,所以未来谈判的复杂性和艰难程度可想而知。

新当选的美国总统奥巴马表现不错,保证美国将在谈判中发挥领导作用,并将努力争取建立一个强制性的体系。但是随着世界经济倒退、石油价格降低,奥巴马将要面对的是强硬的美国国会议员,他们当中来自煤炭和汽车制造业的立法者会阻止任何不能提供最大经济余地的协议。

所以,哥本哈根会议会热闹成什么样,我们拭目以待。

漆黑之夜

暗物质存在形式已发现?暗物质被称为“世纪之谜”,自上世纪30年代被首次发现之后,70多年过去了人们仍然不知其为何物。现在已经知道的是,我们所熟知的普通物质只占宇宙的4%~5%,而暗物质占了20%左右,其余75%左右是暗能量。科学家绞尽脑汁想找到它的存在形式,于是建造了各种仪器从各个方面进行“窥探”。

暗物质本身很难被探测到,它可以像幽灵一样穿过我们以及地球。但是它湮灭时会产生稳定的粒子如电子、正电子、反质子和伽玛射线,通过观测这些粒子和射线,能反证出暗物质。

意大利﹑俄罗斯﹑德国和瑞典等国家组成的国际空间合作组,正在进行一项名为PAMELA的实验。PAMELA是目前最先进的磁谱仪,于2006年6月15日被一颗俄罗斯卫星发射升空,从此就在距地球350~610公里处的高空运行。这台磁谱仪可以对高能宇宙线进行高精度探测,测量的能量区间在0.5亿到1000亿电子伏特,有可能反证出暗物质。

与此同时,还有一项始于1997年的项目也在观测暗物质。这项名为ATIC(先进薄电离量能器)的长周期气球实验是美国航空航天局在南极建立的,用来观测宇宙射线。

这两个独立研究公布的数据在不久前得到了很好的吻合,从ATIC测量结果看,像是发现了暗物质粒子湮灭。明年,PAMELA将检验其结果与ATIC是否一致。而美国航空航天局于2006年6月又发射了费米伽玛射线空间望远镜,期待从暗物质湮灭中寻找光子,预计今年12月得到结果。
如果人类真能发现暗物质的存在形式,2009年将成为物理学上值得纪念的一年。

定义物种

2009年是达尔文诞辰200周年及《物种起源》发表150周年。这么多年过去了,科学家仍未弄清物种形成的生物学基础是什么,也不明白不同种之间为什么无法顺利地繁殖后代。

“种”是生物分类最基本的单位,动物间如果能进行杂交,且后代仍具有生育能力,那么这群动物就可以定义为同一种物种。不同物种交配后所生的杂交动物,如雄驴和母马所生的骡子,一般不具备生育能力,事实上很多这种杂交动物是无法存活的。

早在80年前就有进化学者提出假说,可能是特定基因不兼容的关系,造成不同物种之间的个体即使交配,生出来的下一代也不具有繁殖能力。在杂交的子代中,原本两个需要互动的基因,却因分别来自不同种而无法互动,就好比种A的钥匙打不开种B的锁。那么这个特定基因是什么?多年来,全世界的科学家对此一筹莫展,迄今为止只有不到10种相关基因被确认。而2008年12月,捷克和美国遗传学家就找到了两种。他们分别在小鼠和果蝇身上各确定出一种基因,可抑制不同物种后代的繁衍能力。

这两项研究将为未来发现更多物种形成基因铺平道路,鉴别出更多的基因可让人类更好地理解物种形成。由于遗传学、基因测序和蛋白质测量取得了进步,预计未来几个月内,将发现更多的“物种形成基因”。接下来的研究要弄明白,是否只是某些特定类型的基因对物种起源很重要,还是存在许多类基因让物种“分道扬镳”。

Tevatron的胜利

2008年9月,欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)开撞在全世界引起了不小的轰动,它的确是粒子加速器进入新时代的代表,但这并不表示已有的加速器立刻就要关门大吉、停业歇菜。

位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室拥有一台名为Tevatron的1万亿电子伏加速器对撞机,将于2010年左右关闭,在此之前它还在探索微观世界的秘密,并且已经发现了一些新东西。Tevatron的科学家们并不愿意大肆宣扬该实验室的粒子探测器所获得的“新发现”,因为他们还不知道他们到底发现的是什么。Tevatron所进行的实验是让质子和反质子碰撞,检测底夸克和反底夸克衰变形成μ介子这个过程。他们发现了一些很奇怪的物理迹象:碰撞后产生的μ介子多于理论预测值,并且在离子束管道外也发现了许多μ介子。

虽然性能比LHC差不少,但是Tevatron仍是世界上最强大的加速器之一。它于1983年正式开始运行,在LHC之前是唯一可以将质子和反质子加速到Tev能标的加速器。而且,LHC事故频发,在去年10月运行仅9天时,就由于故障不得不关闭,最早也要到今年7月底才能再次开工。这也给Tevatron创造了机会,可以抢先一步得出结果。

研究人员预计,今年会分析完所有获得的数据,或许能获得足够的数据证明希格斯玻色子是否存在,以及其质量是否如间接证据所示那么小。届时如果是Tevatron找到了希格斯玻色子,而非LHC,请不要感到奇怪。

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