關(guān)于宇宙、關(guān)于地球、關(guān)于我們自身，有太多的謎題等待我們?nèi)ネ诰�。但哪些是最重要的未解之謎，我們距離找到答案還有多遠(yuǎn)？今年7月1日，在紀(jì)念美國《科學(xué)》雜志創(chuàng)刊125周年之際，科學(xué)家們總結(jié)出了125個迄今我們還不能很好回答的問題，重中之重有25個。 1 宇宙是由什么組成的一個脫口而出的答案是：由那些亮晶晶的星星組成的。但在最近幾十年中，科學(xué)家越來越發(fā)現(xiàn)這個答案是不正確的。天文學(xué)家認(rèn)為，組成恒星、行星、星系??當(dāng)然還有我們??的物質(zhì)，或者叫普通物質(zhì)，只占宇宙總質(zhì)量的不到5%。他們估計，另外25%，可能是由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成的暗物質(zhì)。剩下的70%呢？天文學(xué)家認(rèn)為那可能是暗能量??讓宇宙加速膨脹的力量。暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么？科學(xué)家正在用加速器和望遠(yuǎn)鏡尋找這些問題的答案，如果找到了，其意義肯定是宇宙級的。 2 我們在宇宙中是唯一的嗎 45年前，天文學(xué)家弗克?德雷克首次啟動了探尋地外文明的奧茲瑪計劃??用巨大的天線(射電望遠(yuǎn)鏡)接受外星文明發(fā)射的信號。45年過去了，天文學(xué)家的努力仍然在繼續(xù)著。然而，即使是迄今為止規(guī)模最大的“鳳凰”計劃，也還沒有找到任何來自外星文明的無線電信號。 3 地球內(nèi)部如何運作 40多年以前，一場地球科學(xué)的革命發(fā)生了。板塊構(gòu)造學(xué)說更新了關(guān)于地球自身的知識。但是關(guān)于地球內(nèi)部構(gòu)造的問題，仍然沿襲著革命之前的知識�？茖W(xué)家在這40年中所做的，就是把這個雞蛋模型??分為地殼、地幔和地核進一步細(xì)化。借助于越來越先進的地震波成像技術(shù)，科學(xué)家正在研究地球這個龐大機器的運作過程。但是要掀起另一場科學(xué)革命，可能還需要半個世紀(jì)。 4 地球溫室將變得多熱 盡管大氣的二氧化碳濃度肯定會在這個世紀(jì)繼續(xù)增加，盡管這種增加肯定會帶來全球變暖，但是變暖的程度仍然不太確定�？茖W(xué)家一般認(rèn)為，這個世紀(jì)二氧化碳濃度的加倍會帶來1.5℃～4.5℃的升溫。但是這不夠精確�？茖W(xué)家正在發(fā)展新的數(shù)學(xué)模型，試圖讓數(shù)字更令人信服。 5 物理學(xué)定律可以被統(tǒng)一起來嗎 蘋果落向地面、一道閃電劃過長空、核電站反應(yīng)堆里的鈾原子衰變同時放出能量，超級加速器擊碎質(zhì)子：這幾種現(xiàn)象代表著自然界中四種基本力的作用，也就是引力、電磁力、弱力和強力。宇宙間所有的物理現(xiàn)象都可以用這四種基本力進行解釋。但是科學(xué)家并不滿足。有沒有可能把這四種力統(tǒng)一成為一種？上個世紀(jì)60年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)弱力和電磁力是可以統(tǒng)一起來的，它們是一種事物的不同側(cè)面，統(tǒng)稱電弱力。但是其余兩種力是否可以和它統(tǒng)一起來？ 6 在量子不確定性和非定域性之下 還有更深層次的原理嗎 量子理論已經(jīng)誕生了100年有余，它產(chǎn)生了令人信服的應(yīng)用成果，但是它也帶來了反直覺：量子力學(xué)的不確定原理指出我們無法同時精確地獲得一個物體的動量和位置。而非定域性讓兩個處于量子糾纏態(tài)的粒子的糾纏態(tài)同時崩潰，而不管它們相距多遠(yuǎn)。愛因斯坦就說過，盡管量子力學(xué)給他留下了非常深刻的印象，但是“一個內(nèi)心的聲音告訴我，它還不是真實的東西�！� 7 我們能把化學(xué)自我裝配推進多遠(yuǎn) 在某種意義上，化學(xué)家是最喜歡發(fā)明的一群人，因為他們總是不斷制造出新型的分子。盡管今天的化學(xué)家已經(jīng)能制造出很復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，他們能讓這項工作變得既簡單又復(fù)雜嗎？也就是說，讓“原料”原子自己“裝配”成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，就像生命所表現(xiàn)出來的那種自我裝配的特性。已經(jīng)有一些化學(xué)自我裝配的實例，例如制造類似細(xì)胞膜的雙層膜結(jié)構(gòu)。但是更高級的自我裝配，例如自下而上地制造集成電路，仍然是一個夢想。 8 傳統(tǒng)計算的極限是什么 有些事看上去很簡單但是解決起來很復(fù)雜，例如一個推銷員要走遍相互連接的幾個城市，那么怎樣走才能實現(xiàn)總路程最近？城市數(shù)量的增加會讓最強大的電子計算機也感到畏懼。上個世紀(jì)40年代，信息論之父香農(nóng)提出了信息(以比特方式存在)儲存和傳遞所遵循的物理規(guī)律。任何傳統(tǒng)的計算機都不能超越這個規(guī)律。那么，在工程上，最終我們能造出多么強大的計算機？不過，非傳統(tǒng)的計算機可能并不受到這些限制，例如近年來興起的量子計算機。 9 意識的生物學(xué)基礎(chǔ)是什么 17世紀(jì)的法國哲學(xué)家有一句名言：“我思故我在”�？梢钥闯�，意識在很長時間里都是哲學(xué)討論的話題�，F(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，意識是從大腦中數(shù)以億計的神經(jīng)元的協(xié)作中涌現(xiàn)出來的。但是這仍然太籠統(tǒng)了，具體來說，神經(jīng)元是如何產(chǎn)生意識的？近年來，科學(xué)家已經(jīng)找到了一些可以對這個最主觀和最個人的事物進行客觀研究的方法和工具，并且借助大腦損傷的病人，科學(xué)家得以一窺意識的奧秘。除了要弄清意識的具體運作方式，科學(xué)家還想知道一個更深層次問題的答案：它為什么存在，它是如何起源的？ 10 什么控制著器官再生 有一些生物擁有非凡的修復(fù)本領(lǐng)：被切斷的蚯蚓可以重新長出一半身體，而蠑螈可以重建受損的四肢……相比而言，人類的再生本領(lǐng)似乎就差了一點。沒有人可以重新長出手指，骨頭的使用也是從一而終。稍可令人安慰的是肝臟。被部分切除的肝臟可以恢復(fù)到原來的狀態(tài)�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，那些可以讓器官再生的動物，在必要的時候重新啟動了胚胎發(fā)育時期的遺傳程序，從而長出了新的器官。那么人類是否可以利用類似的手法，在人工控制下自我更換零部件呢？ 11 一個皮膚細(xì)胞如何能變成神經(jīng)細(xì)胞 在上個世紀(jì)中期，生物學(xué)家把青蛙的體細(xì)胞核放入青蛙的去核卵細(xì)胞里，結(jié)果制造出了克隆蝌蚪。最近幾年，關(guān)于人類胚胎干細(xì)胞的研究正在熱火朝天地進行??把人的體細(xì)胞核放入卵細(xì)胞中，科學(xué)家期待著制造出各種各樣的人類體細(xì)胞，例如神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞、心肌細(xì)胞等等。盡管科學(xué)家已經(jīng)取得了一些成功，他們?nèi)匀粚τ谶@種體細(xì)胞核移植技術(shù)能夠成功的原因知之甚少。的確，去核的卵細(xì)胞在這個過程中扮演著至關(guān)重要的角色??可是具體機制是什么？12 一個體細(xì)胞是如何變成整株植物的 在某種意義上，植物似乎比動物有更大的靈活性。植物的體細(xì)胞不需要繁瑣的體細(xì)胞核移植技術(shù)，就能重新變成植物胚胎細(xì)胞�？茖W(xué)家很早就已經(jīng)開始利用植物的這種性質(zhì)。用一小塊植物組織，在實驗室里就能培養(yǎng)出可以供一片森林使用的幼苗。但是為什么植物細(xì)胞有這樣的靈活性？科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些線索，例如植物的生長素在這個過程中起到的作用。 13 生命是如何以及在哪里起源的 科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了34億年前的微生物的化石，在更古老的巖石上也能找到生物光合作用的痕跡。那么蛋白質(zhì)和DNA??生命的兩大支柱??哪一個先出現(xiàn)在地球上？或者一起出現(xiàn)？科學(xué)家認(rèn)為，更可能的情況是，RNA比前兩者更早出現(xiàn)。另一個問題是，生命在什么樣的環(huán)境下起源？一種假說認(rèn)為，生命最早起源于海底的熱水中。如今，科學(xué)家一方面在實驗室里探尋從簡單有機物到可以自我復(fù)制的有機物的發(fā)展過程，另一方面，研究彗星和火星，也將為這個問題帶來重要的啟示。 14 什么決定了物種多樣性 這是一個充滿生命的行星，但是并非每一個角落的生命都同樣繁榮。一些地區(qū)居住的物種的數(shù)量超過其他地區(qū)。熱帶比寒帶擁有更高的物種多樣性。為什么會出現(xiàn)這種情況？僅僅是因為熱帶比寒帶更熱？科學(xué)家認(rèn)為，生物和環(huán)境之間的相互作用對多樣性起著關(guān)鍵的作用。當(dāng)然，還有其他一些改變多樣性的力量，例如捕食和被捕食的關(guān)系。但是，科學(xué)家首先面臨的問題是如何獲取關(guān)于全球物種多樣性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)??到底有多少種生物在那兒。 15 合作的行為如何進化 你很容易在社會性動物身上看到利他的行為。例如蜜蜂把食物的信息傳遞給其他蜜蜂。人類和其他靈長類動物社會也充滿了合作的行為。進化論的創(chuàng)立者達(dá)爾文對合作現(xiàn)象提出過一些解釋，例如親屬之間的相互幫助，實際上會促進整個家族繁殖的可能性。如今，科學(xué)家正在尋找合作行為的遺傳基礎(chǔ)。而博弈論??一種關(guān)于競爭、合作和游戲規(guī)則的數(shù)學(xué)理論，也能夠幫助科學(xué)家理解合作行為如何運作。達(dá)爾文觀察到了合作的現(xiàn)象并做出了解釋，今天的科學(xué)家希望能夠讓這個解釋更加深入，并且希望能夠回答它是如何產(chǎn)生的。 16 如何從大量的生物學(xué)數(shù)據(jù)中得到全景 生命是如此的復(fù)雜，以至于幾乎每一位生物學(xué)家都只能在一個很小的領(lǐng)域進行探索。盡管在每一個領(lǐng)域都產(chǎn)生了大量的描述性的數(shù)據(jù)。但是科學(xué)家能夠從這些海量的數(shù)據(jù)中得出一個整體的概念，例如生物是如何運作的？系統(tǒng)生物學(xué)這門正在形成的學(xué)科為回答這些問題提供了一些希望。它試圖把生物學(xué)的各個分支聯(lián)系起來，利用數(shù)學(xué)、工程和計算機科學(xué)的方法讓生物學(xué)更加量化。不過，現(xiàn)在還沒有人知道這些方法是否能夠最終讓科學(xué)家理解生物運作的整體圖景。 17 為什么人類的基因這么少 2003年，當(dāng)人類基因組計劃接近完成的時候，生物學(xué)家在歡呼這一成就的同時，驚奇地發(fā)現(xiàn)人類的基因數(shù)量比原先估計的少，是的，人只有大約2.5萬個，而原來認(rèn)為應(yīng)該有10萬個。相比之下，一種非常簡單的生物??線蟲也有2萬個基因。擬南芥植物的基因數(shù)量比人類稍多，而水稻的基因數(shù)量則是人類的一倍�？茖W(xué)家認(rèn)為，基因組運作的方式應(yīng)該比以前認(rèn)為的更加靈活和復(fù)雜，他們正在探尋這些少用基因多辦事的分子機制。 18 遺傳差異和個體健康在多大程度上是相關(guān)聯(lián)的 很早以前科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)有些人對于某些藥物的反應(yīng)和其他病人不同。例如，某種麻醉用肌肉松弛劑會導(dǎo)致特定的人無法呼吸，最終，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于他們擁有特定的基因。這也就帶來了一個問題：研究不同的人之間的遺傳差異是否可以促進醫(yī)學(xué)發(fā)展出更高級的治療手段，也就是說，根據(jù)個人的DNA進行“量體裁藥”？科學(xué)家已經(jīng)辨認(rèn)出了一批與藥物相互作用的基因。但是要真正實現(xiàn)“量體裁藥”，恐怕還為時尚早。 19 人類壽命可以延長多少 盡管百歲老人仍然少見，人類的平均壽命(尤其是在發(fā)達(dá)國家)在過去的幾十年中一直在延長。但是這種趨勢能保持多久？科學(xué)家通過對實驗動物的研究，發(fā)現(xiàn)包括限制熱量攝入在內(nèi)的一些方法可以顯著地延長它們的壽命。但是這些方法是否可以成功地應(yīng)用到人類的身上，以及能延長多少壽命呢？一些科學(xué)家認(rèn)為，至少人類活到100歲可以成為家常便飯。不過，即使是這樣，長壽也會帶來其他的麻煩，比如社會保險。 20 什么遺傳差異導(dǎo)致我們成為獨特的人類 隨著基因測序技術(shù)的改進，越來越多物種的基因組全序列進入了科學(xué)家的數(shù)據(jù)庫中，包括我們自己和數(shù)種靈長類親戚，比如黑猩猩。我們很容易分辨出人和黑猩猩，然而在分子水平上，這種分辨卻不那么容易。我們和黑猩猩的DNA差異大約是1.2%。這是一個很小的數(shù)字，但是從絕對數(shù)量上來看，這種差異意味著3千多萬個堿基對的不同。到底是這3千多萬個差異中的哪些，讓我們在與黑猩猩“分家”之后，變得如此獨特？科學(xué)家正在尋找那些讓我們有別于其他靈長類物種的遺傳差異，當(dāng)然，還有文化、語言和技術(shù)等等超越基因的因素。 21 記憶是如何存取的 美好的記憶、悲傷的記憶，關(guān)于解方程技巧的記憶，英語單詞的記憶，毫無疑問它們都儲存在我們的大腦中。但是它們具體在什么部位？ 上個世紀(jì)50年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大腦中的“海馬區(qū)”在存儲信息的過程中扮演著至關(guān)重要的角色??如果切除掉海馬區(qū)，那么以前的記憶就會一同消失。但是海馬區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞如何把信息固定下來？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些分子參與到了記憶的形成。此外，神經(jīng)細(xì)胞突觸地形成也與記憶相關(guān)聯(lián)。但是，科學(xué)家目前對于記憶的運作機制的了解還不夠??而這一機制對于理解我們自身是非常重要的。 22 我們可以選擇性地關(guān)閉一些免疫應(yīng)答嗎 在今天，器官移植已經(jīng)成為了一種不那么罕見的手術(shù)，但是醫(yī)生和病人面對的一個 *** 煩在一定程度上仍然存在：免疫排斥反應(yīng)。病人的免疫系統(tǒng)有可能把移植的器官當(dāng)作“非我族類”進行攻擊，讓手術(shù)功虧一簣。為了防止這種情況發(fā)生，醫(yī)生要仔細(xì)挑選供體器官，而有的病人需要終身服用免疫抑制類藥物??這顯然不是個好主意。科學(xué)家已經(jīng)找到了幾種可能的方法，既讓免疫系統(tǒng)正常工作，又不會排斥移植的器官的方法，但是要實現(xiàn)臨床的應(yīng)用，還需要很長的時間。 23 是否存在行之有效的艾滋病疫苗 每年，僅僅美國國立衛(wèi)生院就投入5億美元用于艾滋病疫苗的研發(fā)工作。但是迄今為止還沒有一種疫苗表現(xiàn)出實用性。懷疑者認(rèn)為艾滋病疫苗永遠(yuǎn)都不會成功，因為人類免疫缺陷病毒(HIV)變化多端。而支持者認(rèn)為，在猿免疫缺陷病毒上，疫苗可以產(chǎn)生效果，因此HIV的疫苗也可能成功。 24 什么能替代廉價的石油??以及什么時候 沒有人否認(rèn)石油最終會用光。而且，石油產(chǎn)量可能不久就要開始下降。即便不考慮這些因素，全球變暖的危險也促使人類盡快找到替代石油的能源??太陽能？風(fēng)能？核能？每一種似乎都很有潛力，但是它們都還不太成熟 25 馬爾薩斯仍然錯了嗎 1798年，馬爾薩斯發(fā)表了他著名的《人口原理》一書，他提出人口增長總是跟不上食品供應(yīng)的增長(原文如此)，而只有災(zāi)難才能阻止增長。200年過去了，地球總?cè)丝谠鲩L到了60億(是馬爾薩斯時代的6倍)，但是馬爾薩斯所預(yù)言的大災(zāi)難并沒有發(fā)生。科學(xué)技術(shù)在很大程度上阻止了這種災(zāi)難。但是人類仍然面臨著一個問題，如何保證大災(zāi)難不會在未來發(fā)生？
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