25大未解之謎 我們距離答案還有多遠(yuǎn)
2005/07/25 來源于:深圳熱線
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(gè)迄今我們還不能很好回答的問題，重中之重有25個(gè)。
-宇宙篇：
1、宇宙是由什么組成的？
一個(gè)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(gè)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(jì)，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(jí)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(dòng)了探尋地外文明的奧茲瑪計(jì)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(hào)。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(jì)劃，也還沒有找到任何來自外星文明的無線電信號(hào)。
-地球篇：
3、地球內(nèi)部如何運(yùn)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(shí)。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(shí)。科學(xué)家在這40年中所做的，就是把這個(gè)雞蛋模型——分為地殼、地幔和地核進(jìn)一步細(xì)化。借助于越來越先進(jìn)的地震波成像技術(shù)，科學(xué)家正在研究地球這個(gè)龐大機(jī)器的運(yùn)作過程。但是要掀起另一場科學(xué)革命，可能還需要半個(gè)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(huì)在這個(gè)世紀(jì)繼續(xù)增加，盡管這種增加肯定會(huì)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(gè)世紀(jì)二氧化碳濃度的加倍會(huì)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。
-數(shù)理化篇：
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(shí)放出能量，超級(jí)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(qiáng)力。宇宙間所有的物理現(xiàn)象都可以用這四種基本力進(jìn)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(gè)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(shí)精確地獲得一個(gè)物體的動(dòng)量和位置。而非定域性讓兩個(gè)處于量子糾纏態(tài)的粒子的糾纏態(tài)同時(shí)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(gè)內(nèi)心的聲音告訴我，它還不是真實(shí)的東西。”
7、我們能把化學(xué)自我裝配推進(jìn)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?yàn)樗麄兛偸遣粩嘀圃斐鲂滦偷姆肿?。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(xiàng)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(shí)例，例如制造類似細(xì)胞膜的雙層膜結(jié)構(gòu)。但是更高級(jí)的自我裝配，例如自下而上地制造集成電路，仍然是一個(gè)夢想。
8、傳統(tǒng)計(jì)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(gè)推銷員要走遍相互連接的幾個(gè)城市，那么怎樣走才能實(shí)現(xiàn)總路程最近？城市數(shù)量的增加會(huì)讓最強(qiáng)大的電子計(jì)算機(jī)也感到畏懼。上個(gè)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(chǔ)存和傳遞所遵循的物理規(guī)律。任何傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)都不能超越這個(gè)規(guī)律。那么，在工程上，最終我們能造出多么強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)？不過，非傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可能并不受到這些限制，例如近年來興起的量子計(jì)算機(jī)。
-生物篇：
9、意識(shí)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”?？梢钥闯觯庾R(shí)在很長時(shí)間里都是哲學(xué)討論的話題?，F(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，意識(shí)是從大腦中數(shù)以億計(jì)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(shí)的？近年來，科學(xué)家已經(jīng)找到了一些可以對(duì)這個(gè)最主觀和最個(gè)人的事物進(jìn)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(shí)的奧秘。除了要弄清意識(shí)的具體運(yùn)作方式，科學(xué)家還想知道一個(gè)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(diǎn)。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(dòng)物，在必要的時(shí)候重新啟動(dòng)了胚胎發(fā)育時(shí)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(gè)皮膚細(xì)胞如何能變成神經(jīng)細(xì)胞？
在上個(gè)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(jìn)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?duì)于這種體細(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(gè)過程中扮演著至關(guān)重要的角色——可是具體機(jī)制是什么？
12、一個(gè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)室里探尋從簡單有機(jī)物到可以自我復(fù)制的有機(jī)物的發(fā)展過程，另一方面，研究彗星和火星，也將為這個(gè)問題帶來重要的啟示。
14、什么決定了物種多樣性？
這是一個(gè)充滿生命的行星，但是并非每一個(gè)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(huì)出現(xiàn)這種情況？僅僅是因?yàn)闊釒П群畮Ц鼰?？科學(xué)家認(rèn)為，生物和環(huán)境之間的相互作用對(duì)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(jìn)化？
你很容易在社會(huì)性動(dòng)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(dòng)物社會(huì)也充滿了合作的行為。進(jìn)化論的創(chuàng)立者達(dá)爾文對(duì)合作現(xiàn)象提出過一些解釋，例如親屬之間的相互幫助，實(shí)際上會(huì)促進(jìn)整個(gè)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(yùn)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(gè)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(gè)很小的領(lǐng)域進(jìn)行探索。盡管在每一個(gè)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(gè)整體的概念，例如生物是如何運(yùn)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(gè)分支聯(lián)系起來，利用數(shù)學(xué)、工程和計(jì)算機(jī)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(yùn)作的整體圖景。
-人類篇：
17、為什么人類的基因這么少？
2003年，當(dāng)人類基因組計(jì)劃接近完成的時(shí)候，生物學(xué)家在歡呼這一成就的同時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)人類的基因數(shù)量比原先估計(jì)的少，是的，人只有大約2.5萬個(gè)，而原來認(rèn)為應(yīng)該有10萬個(gè)。相比之下，一種非常簡單的生物——線蟲也有2萬個(gè)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。科學(xué)家認(rèn)為，基因組運(yùn)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(jī)制。
18、遺傳差異和個(gè)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(duì)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(huì)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(gè)問題：研究不同的人之間的遺傳差異是否可以促進(jìn)醫(yī)學(xué)發(fā)展出更高級(jí)的治療手段，也就是說，根據(jù)個(gè)人的DNA進(jìn)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(shí)現(xiàn)“量體裁藥”，恐怕還為時(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(huì)帶來其他的麻煩，比如社會(huì)保險(xiǎn)。
20、什么遺傳差異導(dǎo)致我們成為獨(dú)特的人類？
隨著基因測序技術(shù)的改進(jìn)，越來越多物種的基因組全序列進(jìn)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(gè)很小的數(shù)字，但是從絕對(duì)數(shù)量上來看，這種差異意味著3千多萬個(gè)堿基對(duì)的不同。到底是這3千多萬個(gè)差異中的哪些，讓我們在與黑猩猩“分家”之后，變得如此獨(dú)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(chǔ)存在我們的大腦中。但是它們具體在什么部位？
上個(gè)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(chǔ)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(huì)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(duì)于記憶的運(yùn)作機(jī)制的了解還不夠——而這一機(jī)制對(duì)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(duì)的一個(gè)大麻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(jìn)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(gè)好主意?？茖W(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(huì)排斥移植的器官的方法，但是要實(shí)現(xiàn)臨床的應(yīng)用，還需要很長的時(shí)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(shí)用性。懷疑者認(rèn)為艾滋病疫苗永遠(yuǎn)都不會(huì)成功，因?yàn)槿祟惷庖呷毕莶《?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(jià)的石油——以及什么時(shí)候？
沒有人否認(rèn)石油最終會(huì)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(xiǎn)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(cuò)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，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(shí)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?？茖W(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(gè)問題，如何保證大災(zāi)難不會(huì)在未來發(fā)生？
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