2010年11月30日 来源： 科技日报 作者： 刘霞
细胞、酶、光合作用……人类很快就将按照自己的意志创造新生命。
■ 新视野
本报记者 刘霞 综合外电
人造生命
细胞、酶、光合作用……人类很快就将按照自己的意志创造新生命，更不用说制造出身体的“备用零件”、一劳永逸地驯服流感。
（15）人造细胞：生命是膜
现今世界上所有生命的鼻祖——最原始的那个细胞确切的本质依然是个谜。这是一个令人兴奋的谜团，但重现40亿年前发生的事情并非一个壮举。
幸运的是，我们可以从解决一个更“温和”的问题，即从细胞壁开始建造简单的人造细胞那儿学到很多。由脂肪酸构成的原始膜似乎拥有所有正确的属性，例如能够自发地生长、分裂、让营养物质渗透进入细胞等。这种简单的膜会转变成现代的、更复杂的、基于磷脂的膜，那么其背后的驱动因素是什么呢？一种原始的RNA可能催化了磷脂的合成，但是磷脂又赋予原生细胞什么优势呢？
2009年诺贝尔生理学和医学奖的获得者之一、美国哈佛大学医学院的遗传学教授杰克·怀·绍斯塔克说，这个问题的答案可能是第一个线索，它将引起一系列的事情，犹如一场雪崩一样，最终将我们带向现代生物学。如果我们能在人造细胞中找到这个答案，我们就能回到达尔文进化的开端——我们认为的生命起点。
（16）人造酶：无所不在的分子
不管是为了制造出新药物还是太阳能电池板，我们殚精竭虑，试图设计、建造出复杂的新分子。制造新分子是一回事，使得它们足够有效并能进行商业化生产则是另一回事。要是我们能够学学一片树叶，使用高度专业的酶作为催化剂，大量生产出生命所需要的分子就好了。
我们正在慢慢地做到这一点。我们能够从自然界中获取酶，并且随机地摆弄它的结构，直到得到我们盼望的分子。除了这种有时成功有时不成功的方法，我们还可以使用基于计算机的“理性设计”模式过程从零开始制造出人造酶。我们的最终目标是征服自然。和人造催化剂相比，酶的内核周围包裹的金属离子的种类十分有限。通过让自然界中最好的催化剂和最好的人造催化剂强强联手，我们或许可以制造出无所不能的酶。
（17）内源性干细胞：我的器官如何生长？
毫无疑问，干细胞现在是医学领域最激动人心的前沿。人体中的大部分细胞不可逆地分化为大约200种类型。然而，干细胞就像一张白板，能够分化为各种细胞。
这意味着它们可以用于治愈各种各样的损伤、疾病或患病组织。到目前为止，大部分研究都集中于在实验室环境中使用胚胎或成人组织来制造出干细胞，同时使用化学“生长因子”操纵它们的发育以及将它们移植到所需部位。但是，可能存在一种更聪明的做法，那就是唤醒身体自身的“内源性”干细胞来自然产生干细胞。其他动物可以做到这一点。比如两栖类动物在一瘸一拐间就可以再生完全失去的肢体。有科学家表示，或许某一天，只需要注射正确的化学物质，我们就可以长出新的肾脏、胰腺甚至腿。
（18）人工光合作用：无中生有的能量
树叶是非常美丽的事物，它也是化学工程学的奇观。在树叶内部，光合作用中心收集太阳能，驱使水和空气中的二氧化碳形成糖，糖滋润并造就了我们的星球。
要是我们也拥有这样的能力多好啊。太阳是已知最大的能量源，但是，太阳光并非随时随地可以获得。如果我们能找到一种廉价的方法，将太阳能转化为可存贮、可运输、随时可用的化学燃料，我们就迈向了人人可用清洁能源的“美好明天”。
我们已经取得了一些进展。科学家们将收集光线的细小粒子嵌入膜中，让其吸收太阳能，分解二氧化碳和水分子，不过，这种反应最终得到的产物不是糖，而是燃烧后不排放碳的新型燃料：氢气、甲醇以及在未来某一天可为飞行器等设备提供动力的高能量密度的燃料。
今年8月，美国能源部拨付1.22亿美元的专款，在加州建立人工光合作用联合中心，以加速人工光合作用这项“革命性”能源技术的研发进程，该计划的目标是在未来10年内完成科学理论和原型的衔接。加州人工光合作用联合中心主管、加州理工大学化学教授内特·刘易斯表示，全世界范围内的竞赛已经开始，世界各国都在努力，希望早日研发出新的吸收剂、催化剂和膜，这些产品将使我们可以大规模地实现人工光合作用这个能永久改变我们世界的想法。
（19）通用流感疫苗：驯服全球杀手
禽流感和猪流感可能暂时离开，但全球范围内传染病暴发的头号“选手”——新的流感菌株仍然在虎视眈眈地盯着人们。这是因为流感会变异，今年“中了流感的招”并不会让你明年不“中招”。这就是为什么我们年复一年研制新疫苗的原因；这也是为什么每隔几十年就会出现一种新的流感菌株的原因，新的流感菌株有足够的遗传技巧避开人们的免疫系统，在全球引发一场混乱。
我们该如何阻止这一切呢？我们可以研发出一种能有效对抗所有流感菌株的通用疫苗。科学家正在尝试各种可能性，试图激起针对病毒不变异部分的免疫反应。其中有一些疫苗已经进入人体试验阶段。如果能证明这些疫苗有效，那么，流感很快就将变成另一个几乎要被人们遗忘的疾病，我们只会在给儿童接种疫苗对付它时才会想起它。 神经科学
因为我们拥有了更好的大脑扫描技术和生物知识，我们正在研究意识的神经细胞以及我们精神机制的微妙之处。
（20）认知控制：朝着意识的座位出发
“什么是意识”这个问题是目前科学界最伟大的前沿领域之一。感谢科学家对人类和动物的研究，我们现在知道，意识是存在细微差别的状态，其性质和强度根据大脑固有的活跃程度、化学微气候以及大脑从外界接收信息的不同而不同。
通过探索清醒、睡觉以及做梦这三种状态天生变化无常的特性，我们现在正在开始探索意识如何被表达以及被控制。例如，哈佛大学医学院研究睡眠的精神病学家艾伦·霍布森表示，他一直专注于将快速眼动（REM）睡眠期间的大脑活动同“清醒梦境”中的大脑活动相比较，在“清醒梦境”中，我们大脑的执行力更强。科学家似乎确认，前脑某个特殊的区域——前额叶皮层背外侧区在调整注意力、做决定以及有意动作等与意识有关的方面非常重要。
霍布森指出，让成像技术、更明智的测量主观体验的方法、细胞以及分子层级的详细研究结合在一起，在未来几年将持续加深我们对于认知命令中心的理解。我们希望使用这些技术和方法来破解意识的谜团，并且，或许可以纠正我们称之为精神疾病的大脑失控状态。
（21）大脑联络图谱：精神图谱
理解大脑内无数的细胞分享信息的途径将是一个关键的步骤，借助它，我们可以理解我们的大脑如何“工作”。但是，尽管我们能够推断出大脑内单个的连接，我们还无法获得人类大脑基本的接线图。这一点好不令人惊讶。大脑内包含大约1000亿个神经元，并且，每个神经元都可能同其他1万个神经元相连接，然而，新兴技术意味着我们现在能够开始解决这个复杂的任务。
例如，借助电子显微镜，我们能够探测动物大脑内的神经元与神经元之间的关系，希望能够发现一些特别的、能够不断自我重复的回路。从更加宽泛的角度来说，大脑扫描技术能够标识出大脑的高速公路——由成千上万个大脑不同区域之间的连接组成的大“电缆”。
英国牛津大学心理学家提姆·贝伦斯表示，美国国家卫生研究院（NIH）已经开始投资来解决这个问题。NIH神经科学蓝图正在开展一项3000万美元的项目，试图使用最先进的脑成像技术来绘制健康成年人类大脑的联络图，通过系统地收集来自数百个个体的脑成像数据，人类大脑联络图工程（HCP）将深入了解大脑功能背后的大脑连接方式，并将开辟人类神经系统研究新途径。该项目的资金将达到每年600万美元，资助时间为5年。如果这个项目获得成功，我们将能够更好地理解大脑的区域之间如何相互作用来产生某种行为。
（22）镜像神经元：我们如何学习和思考的关键所在
镜像神经元是近年来神经科学的一大发现，对理解人的模仿学习，人与人之间的意图理解、情感交流、联系和社会关系的形成等都有重要意义。
谚语“上行下效”说得太有道理了。因为镜像神经元，不仅当我们执行一个行为，而且当我们看见其他人执行这个行为时，镜像神经元都会放电，我们的大脑会潜意识地模仿曾经看到过的每个行为。至少从理论上来讲这是正确的。上世纪九十年代初，意大利帕尔马大学神经科学中心的科学家在研究恒河猴运动前区中的单神经元放电活动时，在恒河猴腹侧运动皮层的F5区发现了一类运动神经元，研究人员将这些像镜子一样可以映射其他人动作的神经元定名为“镜像神经元”。
镜像神经元作为一种对外界活动产生的内在体验，给予了人类和灵长类动物直接理解其他人或动物的行为与意图的能力，也是模仿他人与学习的基础。自从镜像神经元发现以来，对这一系统的研究已构成了神经生物学与认知神经科学最丰富的领域之一。
不过，直到今年5月份，研究人员才通过向等待手术的癫痫病人大脑中植入电极，首次直接在人身上探测到了镜像神经元的放电活动。尽管镜像神经元功能的支持者宣称，镜像神经元可以解释每件事情：从移情作用到怜悯心理再到对某种事情的强烈爱好，但是，镜像神经元的准确意义还富有争议。接下来的几年内，我们就会知道镜像神经元在解释人类的认知方面具体有多大能耐了。
（23）自上而下的过程：我们的过去决定我们的现在
人类的眼睛就是一个照相机，会准确记录我们面前的每件事情，眼睛会通过大脑的视觉处理器传递信息，然后再将其突出作为一个有意识的体验。
这个自上而下的过程代表了教科书中的观点，实际上，我们正在慢慢意识到，我们的经验更接近于增强现实的形式，在这个过程中，我们的大脑重新绘制它所看到的事物来与我们的期望和记忆最匹配。我们其他的感官也遵循同样的过程，并且，现在有越来越多的人怀疑，这个“自上而下”的过程中出现的扭曲可能会导致神经系统出现紊乱，比如出现精神分裂症、自闭症、难语症等等。
（24）神经再循环：文化是一种寄生虫
我们大脑的构造远远早于文字、宗教和艺术的出现，那么，我们为什么能够如此轻而易举地获得这些文化特征和能力呢？
标准的答案是，我们大大的、可塑性强的大脑拥有独特的灵活性和通用的学习能力。但是，真相是什么呢？毕竟，人类的大脑并非均匀的，而是有组织地组成特定的区域。而且，大脑成像结果表明，诸如阅读和计算能力拥有独特的“神经生态”：它们也被局限于特定的大脑回路。
这是非常令人信服的证据，可以解释一个被称为神经再循环的观点，也就是我们的文化能力会侵入并寄生于大脑的回路中，这些大脑回路最初主要用于那些更早进化的、但是相关的功能。例如，阅读似乎占据了大脑中对于复杂的形状特别敏感的回路，并且同处理语言的大脑区域具有很好的联系。如果这一点正确，那就表明，我们的大脑塑造了我们的文化，而不是我们的文化塑造了我们的大脑，人类的天才并非是无限的。
（25）聪明药:用于思考的食物
聪明药是一类能促进学习记忆能力的药物，选择性作用于大脑皮层，保护、激活或促进神经细胞功能的恢复，对学习记忆能力的影响是一种持久的促进作用。
很快，聪明药将出现在大街小巷。科学家现在已经证明，诸如医生给一些患有注意缺陷多动障碍的病人开的利他灵和阿得拉（Adderall）、给阿尔茨海默氏症（早老性痴呆症）患者开的Aricept等精神兴奋药也可以让健康的人集中注意力并且改进回忆能力。目前，如果没有医生的处方，人们无法获得这样的药物，但是，许多研究人员表示，他们应该可以获得。研究人员称，这种药物对于全社会都有好处，人们将藉此更快地获得知识。但是，我们真正想要的是被药物增加了的超级大脑之间的知识竞赛吗？不管如何，应该为我们的思想补充一些食物了。
宇宙学
你准备好迎接由超对称性或者量子力学的进化所造成的大量深藏不露的现实了吗？如果黑洞出现在你的工具室将会发生什么情况？
（26）超对称性：通向新现实的窗口
粒子物理学的标准模型取得了巨大的成功，然而，它显然不完整。当我们考虑什么可能扩大和深化我们对自然最基本的运行规律的理解时，常常有一个简单的回答：超对称性。
超对称性就像一个神奇的药丸，它帮助我们将自然界存在的各种各样的交互作用统一起来。它在基于弦理论的量子引力理论方面起着重要的作用。它甚至能够解释填满整个宇宙的暗物质究竟是“何方神圣”。
超对称性的核心是一个简单的理念：所有已知的粒子都有自己的超对称伙伴。它们有与原来粒子完全相同的量子数（色、电荷、重子数、轻子数等)。粒子和超级粒子通过超空间产生数学上的联系，超空间的维度是我们所在空间的维度的平方根。欧洲粒子物理研究所（CERN）和英国伦敦国王学院的理论物理学家约翰·艾利斯表示，当爱因斯坦的相对论教我们将时间看做第四维度时，物理学、技术甚至哲学都被彻底地改变。时空维度有二次方根这种理念是一个革命性的理论吗？当CERN的大型强子对撞机（LHC）首次搜寻到超对称性的“芳踪”，我们将找到答案。
（27）AdS/CFT对偶：来自于黑洞的超导体
物理学的所有事情中，黑洞可能最有吸引力。让我们大吃一惊的是，它们遍布整个宇宙。实际上，可能在你的实验室中就有呢。
这就是我们说的“AdS/CFT对偶”，它是指“反德西特”时空背景下的超弦理论和共性场论的对偶，通常也泛称为弦理论和规范场论（或者引力理论和规范场论）的对偶，它和“全息原理”这一深刻的概念有着十分紧密的联系。
AdS/CFT对偶是弦理论产生的一个结果。弦理论表明，诸如黑洞等重力物质使用很多物理实验室探测到的奇异量子物质的属性，采用一种尽管间接但是非常精确的方式来编码。
为什么这种物质要这样做呢？因为尽管量子物质是一种非常神秘的物质，我们有很多工具来“对付”黑洞和类似的物质。使用AdS/CFT，我们可以使用其中的一个来解释另外一个。
例如，这可能使得我们破解高温超导体领域一个长达24年的谜团，高温超导体的量子运行方式使得它们能够在绝对零度之上毫无阻碍地导电。如果解开这个谜团，我们能够实现室温超导的梦想，到时，我们将重新书写高温超导这个术语。
荷兰莱顿大学的理论物理学家扬·扎宁表示，实现物理学家的这个最大梦想，取决于AdS/CFT对偶在另一个方向可给我们传递些什么信息，所谓的另一个方向就是：量子物质实验能够让我们加深对重力的理解，甚至产生一个统一所有物理学的量子重力理论吗？
（28）霍拉瓦引力：时空的终结
在相对论中，爱因斯坦认为时间是另一个维度，它与空间交织形成一个可扩展性的结构，并被物质所扭曲；然而量子力学却停留在牛顿的绝对时空中，时空互不干扰，物质的行为不受其存在的影响。两种理论几乎水火不容，科学家数十年来一直试图将相对论和量子力学结合成大一统理论。
去年12月份的《科学美国人》报道，加州大学伯克利分校的物理学家皮特·霍拉瓦提出了一套关于时空和引力的新理论。该理论认为，在高能量状态下，比如早期炙热无比的宇宙，此时时间和空间的纽带被剪开；在低能量状态下，比如现在的宇宙，广义相对论占主导地位，时空再次结合在一起。该理论一提出，便受到物理学界的广泛关注，一些物理学家还用实验去检验这一新理论模型，初步结果十分乐观。物理学家发现新理论能更好地预测行星运动；解释大爆炸奇点理论。一位物理学家根据该新理论计算出，我们的宇宙不是诞生于大爆炸，而是大反弹——整个宇宙的物质被压缩到一个极小但有限的体积，然后发生反弹，形成今日所观察到的膨胀宇宙。
爱因斯坦的相对论和牛顿的量子力学两种理论结合在一起将形成物理学最重大的突破“万物之理”，这个理论可以回答诸如宇宙大爆炸时发生了什么事情。诸如弦理论等更复杂的理论假设也试图获得同样的成功，弦理论同样也未被实验所证实。只有时间才能告诉我们哪个方法是正确的。
（29）量子达尔文主义：所有可能的世界中最适合的
自从量子理论提出伊始，就让最优秀的科学家困惑不已：量子物质可以在几个地方同时存在，或者同时沿着顺时针和逆时针方向自旋。但是，当我们对量子物质进行测量时，我们只能获得一个答案，这是为什么呢？
或许在量子领域也存在达尔文式的优胜劣汰吧，量子状态之间会相互竞争以吸引我们的注意，因此，我们仅仅看到“最适合”的状态，这种状态最能影响周围的环境。量子达尔文主义由美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的物理学家沃奇克·祖瑞克于去年提出。它的主要观点是声称能解释经典量子过渡：为什么宏观物体遵守经典力学；而量子世界遵守看似奇怪的量子力学？
祖瑞克进入这个问题的方法是考虑量子力学中的环境因素。对其他量子物理学家而言，环境只是滋扰因素，一个在隔绝环境中的量子物体所包含的量子信息能够永久存在，但是将之放入真实世界中，这些量子信息泄漏入环境中，从而摧毁了正在研究的系统。祖瑞克则持另外一种观点。他认为环境是信息通道，而这些通道的性质是了解量子达尔文主义的关键，所有宏观测量机器从这些通道获取信息。科学家今年进行的实验探测到了量子点上电子微小的组合物，这些实验似乎证实了“量子达尔文主义”的某些预测。如果这个想法最终获得证实，它将证实我们的怀疑，实验仅仅能够探测一个量子系统对其周围环境的影响，从来不会探测到它对于该系统本身的影响。
（30）随机矩阵理论：并非所有随机性都一样
随机性常常并非那么随机。一种新的随机性似乎突然出现在数学和科学领域的数据中，这种数学上的奇特性被称为随机矩阵理论。
一个矩阵就是一系列数字排列成矩形，科学家可使用矩阵来给空间变换编码。矩阵在一个空间主要方向上的延伸或者缩小被矩阵相应的特征值所决定。随机矩阵是充满了随机选择数字的矩阵，它是它们的特征值组成的矩阵——这些特征值被随机分布，我们现在随处可见这种矩阵。英国牛津大学数学教授、沃德翰学院研究员马库斯·杜·桑托伊表示，随机矩阵出现在诸如铀等重元素内核的能量水平的分布曲线上；出现在黎曼Zeta函数零值的分布曲线上。黎曼Zeta函数可以决定重要的数字将如何分布；甚至可以决定墨西哥一个小镇巴士到来的时间，在这个小镇上，巴士司机可自己决定工作时刻表。调查随机矩阵将是数学和科学领域一个全新的方向。（未完待续）
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