著名科普杂志《发现》月刊不久前发布了该刊评选出的当今全球六大最重要的科学实验,这些实验都与现阶段最热门的科研选题密切相关,如人脑的工作原理、暗物质、环境和生态保护、人造生命等。这些实验希望揭示的都是基本的科学问题。同时,这六大实验也体现了当今依然是大科学和综合科学的时代,不同国家、不同学科的科学家正在为求解一些基本的科学之谜而不懈探索。不管最终结果如何,这种探索的精神值得我们心生敬意。———编者
蓝色大脑计划
科学家们相信,在成功绘制出老鼠大脑组织的细胞图后,可望建造出人脑神经之模拟系统。科学家们试图借助计算机模型来了解诸如宇宙的起源、原子行为和地球未来气候等科学界最难理解的几个概念。如今,他们正在设计一个计算机模型用来显示人脑的活动。瑞士洛桑理工学院大脑思维研究所的神经学家亨利·马克拉姆(Herry Markram)辛勤耕耘了15年,成功绘制出老鼠的大脑组织细胞图,继而可望建造出人脑神经元的模拟系统。马克拉姆希望,在IBM公司的帮助下,计划在2015年开发出一个拥有人脑全部1000亿个神经元的虚拟人脑———IBM公司有“蓝色巨人(Big Blue)”之称,显然,“蓝色大脑(Blue Brain)”计划也取自于这一称呼。
科学家们目前仍不了解人脑的许多最基本的功能,如记忆、大脑疾病的形成原理及其治疗等。通过电子形式反映真实大脑的生物学行为———马克拉姆的模型利用数学原理来模拟神经元之间的相互作用和神经递质对这些细胞的影响。同时,对该模型的调整,还能够探究非同寻常的生理变化(如大脑左半球亢奋或海马状突起功能削弱)和环境变化(如服用药物的影响)。之后,研究人员通过电脑图像来解读这些数据。马克拉姆说:“我们正在打造一款通用模型样板,便于能够根据任何规格重建一个大脑。”
通过收集海量数据,IBM公司研制了一台性能极其强大的超级计算机(运算能力超过每秒22万亿次),如此快速的运算速度使其位居世界顶级超级计算机之列。在这台计算机的帮助下,马克拉姆建立起一个大脑皮层单元初步“蓝色大脑”神经皮层束中的神经细胞电子传感器模型。该模型是一套由10000多个细胞协同工作的系统,相当于一只两岁老鼠的大脑皮层单元。马克拉姆说:“尽管目前它只是一个初级单位,但我们已经拥有了建造大脑微电路的能力,剩下的只是按比例增加的问题。”
“蓝色大脑”神经皮层束中的神经细胞电子传感器
马克拉姆的很多同事都认为他的努力是痴心妄想。因为无论哪个拥有亿万个神经元的模型有多么复杂,都不能揭露真实大脑的全部功能。马克拉姆坦承:“大家之所以认为这是不可能的,是因为他们认为我们对大脑的了解还不够,不足以设计出这样的模型。”不过他表示,随着“蓝脑计划”的不断完善,“大脑电路”之谜终将会被揭开。
如果马克拉姆取得成功,人类将首次掌握颇具意义的人类大脑物理模型。那么,一个具备人类全部大脑功能的虚拟大脑能否具备自我思考的能力?马克拉姆表示,他是等不到那一天了。不过他将密切关注蓝脑计划的进展,包括是否会在同样的输入条件下做出自己的决定,并提供出独特的结论等那些未曾在电脑上观测到的情况。“当我们建造了整个大脑后,”他说,“如果大脑模型有了意识,我们将能够系统地研究它,并精确地了解它是如何产生的。”
地球时间计划
“如果我们确实想要了解关于地球的历史,那么就必须改善现行的年代测定工具”。大约2.5亿年前,一场大灾难使地球上90%的生命灭亡,这一灾难被称为“二叠纪-三叠纪之交的生物灭绝事件(Permian-Triassicextinction)”。在这个时期,体积相当于圣海伦斯火山(Mount Saint Helens)100万倍的一系列火山喷发,空中弥漫着尘埃和气体,火山熔岩覆盖了方圆200万平方英里的区域。火山喷发是否是造成生物灭绝的罪魁祸首?答案取决于此类地质事件发生的最早时间和持续时间,目前科学家们对此仍一无所知。
诚如保罗·雷涅(Paul Renne)所言,这是有关地球历史的最大疑问之一。雷涅是美国伯克利地球年代学研究中心的主任,他提到:“我们对因果关系的争论往往取决于测量时间的选择。”这就是他和全球数百位科学家加入“地球时间(Earthtime)”计划的原因。这一长达10年之久的努力通过重新定义科学家测算时间的方法,来确定地球历史上发生的一系列重大事件的时间顺序。这一计划由美国麻省理工学院(MIT)的地质学家萨姆·鲍尔林(Sam Bowring)和美国国家自然历史博物馆的古生物学家道格拉斯·欧文(Douglas Erwin)联合发起的,最初的构想来源于两人10年前的一次跨国飞行旅程。鲍尔林说:“如果我们确实想要了解关于地球的历史,那么就必须改善现行的年代测定工具。”
在过去10年中,这种工具已经具备了惊人的精确度。通过放射性同位素测年法,科学家测量某些元素(如钾-40)的同位素丰度,然后根据已知的衰变率等因素来计算矿物的年龄。1970年代,科学家使用放射性同位素测年法,将一块年约1亿年的岩石精确到百万年的年代等级。今天,鲍尔林及其同事们已经能够将精确率提高到10万年等级。
然而,一些小误差使得科学家的研究成果始终不能更进一步。虽然采用了相同的测年法,但由于各实验室使用的材料和方法略有差别,导致试验的结果也不尽相同。随着科学手段越来越精确,源于失误造成的微小偏差均会造成实验结果产生很大差别。雷涅说:“工欲善其事,必先利其器。只有当我们提高了工具的精确度之后,才能将失误降低到最低程度。”
但是,实际问题要比所谓的微小偏差更严重。在测量数百万年前的古生物年代时,有两种放射性同位素测年法:一种使用的是铀同位素,另一种使用的是钾同位素。这两种测量方式在测量更远古年代时有很大差别,即一些科学家通过化石来确定年代,而另一些科学家则是通过天文周期来研究岩石中的物理和化学痕迹来确定年代。他们只关注自己采用的研究方式,并没有将他人的研究统一起来。
“地球时间”计划的目标是使科学家所用的众多“时钟”保持同步,随后为地球历史编出一部超精确的“年表”。为实现这一目的,鲍尔林及其同事将一批被称为“标准”(已知年代的岩石样本)的参考资料和“示踪剂”(少量成分已知的同位素)分发下去,促使不同实验室的研究结果保持一致,并希望通过赋予每个科学家相同的“起点”来彻底消除这个问题。到目前为止,一些实验室还在使用不同的“标准”和“示踪剂”,致使所得结果存在着差异。
鲍尔林及其后来者正在搜寻可以根据不同方式测量年代的岩床,包括寻求一种新的远古材料样本,以填补远古事件的细节内容。如2008年,“果敢”号深海钻探船将采集太平洋海底的岩石,这些岩石的年代距今5300万年～1800万年,刚好是气候大变迁的周期。
如果证明可行,“地球时间”计划能够研究关于地球过去的一些不为人知的情况。欧文将该计划与人类基因组计划(HumanGenome Project)相提并论。欧文说:“人类基因组计划的根本目标并不是研究基因本身,而是要弄清楚基因在做什么。而我们的目标是设计一个更好的时间表,由此我们可以走向宇宙,并开始提出一系列全新的问题。”
以伐求保计划
“以伐求保”计划,目的是实现“三赢”:既发展当地经济,又保护野生动植物,同时还使当地居民有地可种。
在东南亚岛屿婆罗洲,樵夫、土著人、生物学家和环保团体正在携手对土地使用的新模式展开了一场实验———“以伐求保”计划,目标是让每一个居住在此的人衣食无忧。如果该计划最终获得成功,这一模式可推广至全世界的热带雨林地区,生物多样性将由此得到保护,当地人因此还能享受到土地带来的经济效益。
在马来西亚沙捞越邦政府启动的“以伐求保”计划,目的是实现“三赢”:既发展当地经济,又保护野生动植物,同时还使当地居民有地可种。政府为此拨出近1900平方英里的土地,作为“以伐求保”项目的试验专用地,其中近一半用于采伐阿拉伯橡胶树(一种生长迅速的树种,可用于造纸)。30%的土地用作生态保护,70%给当地土著人继续繁衍生息。
马来西亚政府木材承包商Grand Perfect公司环保部门主任、生物学家罗伯特·斯特宾(Robert Stuebing)表示,这一计划的灵感来自于政府规划种植阿拉伯橡胶树的区域图。其中的一些地区用于森林采伐,剩余部分的森林则维持现状。斯特宾意识到,这种网状区域分块模式可作为本地动植物的“避难所”。他解释道:“即便是整个栖息地得不到保护,只要有足够的林木和空地,并且连成了一片,生物多样性就能够得到有效维持。”斯特宾与沙捞越邦林业部门合作,将连接林业保护区的土地划成多条保育区,便于野生动植物能够在其活动和生长,以此来挽救本地的物种。但问题是:保育区是否留出了足够的空间来保证野生动物的繁衍。
当务之急是给生长在保护林区的动物建立一个详细的清单。研究人员现已统计出野猪、鹿、小型哺乳动物、鸟类、青蛙、鱼类和蜻蜓等物种的数量,目前正在调查菌类。他们还详细记录了经确认的物种的细节,如发现的地点、是否属本地物种、在当地或国际上的受保护程度。尽管之前林区曾遭到采伐,但研究人员还是发现了400多种脊椎动物的身影,如熊、麝猫、短尾猴、美洲豹、猫鼬、穿山甲等,甚至还发现了地球上前所未见的18种蜗牛。斯特宾说:“这个项目的妙处在于,它揭示了动物群落的适应能力和生存能力。”
至于庞大的新建人工阿拉伯橡胶林是否会影响这种多样性,现在仍然不能确定。一些食肉性动物、青蛙、松树等似乎要比鸟类、蝙蝠、蛇等更快地占领了种植区。尽管此项计划耗资巨大,政府还是不愿放弃继续种植阿拉伯橡胶树,即便是观测结果显示这种做法损害了生物的多样性。但在人类依赖森林生存的地方,这个实验在整合野生动物保护资源方面正朝着正确的方向迈进。斯特宾说:“看上去它是可持续的,从生物学角度来说,我认为这种模式将会很好地发展。”如果斯特宾是对的,全球的可持续发展开发者们将拷贝这种模式,以平衡人类和野生动物之间的需求。
暗物质实验
如果我们找到了暗物质,我们就会发现,地原来并不是由构成大部分宇宙的物质所构成的。
在过去的75年中,科学家一直在努力寻找暗物质粒子,但迄今仍然一无所获。2008年,他们也许能从深埋于意大利中部山洞中的冰冷液体中找到答案(意大利格朗萨索国家实验室,位于该山顶4600英尺的地底深处)。一个国际物理学家小组正在进行氙100(XENON100)实验。这个实验看似简单,但目标却很远大:记录下暗物质(人们称之弱相互作用大质量粒子,WIMP)撞击液态氙原子核产生闪光和电荷的那一刻。实施这项研究的哥伦比亚大学物理学家埃琳娜·阿普莉莱(ElenaAprile)显得信心十足:“我们绝对能看到这些物理事件。”
暗物质探测器
根据最新的理论和发现,宇宙中暗物质的数量是构成我们普通世界的原子物质数量的6倍。尽管每秒钟都有无数暗物质从我们身边经过,但它们来无影去无踪我们根本看不到它们;它们不带电荷,与原子物质间的相互作用并不频繁,科学家能够发现它们的唯一途径就是布下一个“天罗地网”。目前,全球约有10个科学家小组正在从事类似的研究,但是氙100实验是迄今保密措施做得最好的———所有试验人员均在地表以下从事研究,以避免探测器受到背景辐射的影响。
氙100实验是阿普莉莱之前关于暗物质试验氙10的增强版,利用液态氙(室温下存在的惰性气体)来捕捉弱相互作用大质量粒子(WIMP)。氙100探测器是一个不锈钢圆柱体,外层包裹着由两种铅和一层聚乙烯打造的外壳;内部330磅的液态氙被冷冻至零下140华氏度。氙拥有一个独具魅力的特性:一旦WIMP粒子撞向其原子核,就会在瞬间发出闪光。圆柱体底部的一套传感器会记录下这一信号,同时顶部的传感器会探测WIMP粒子释放出的电子。通过分析上述两个信号及测量它们的时间间隔,研究人员便能确定圆柱体内撞击点的三维空间位置
暗物质并不见得就是由WIMP粒子构成的———理论学家们已经定义了大量其他可能的暗物质粒子———但它们是排在首位的,因为WIMP粒子的存在会填补粒子物理学理论的固有漏洞,即所谓的标准模式。为解决这一矛盾,科学家提出,所有粒子都有质量超大的对应物(像似“超级伙伴”)。即便是质量为质子质量50倍的中性子,在“超级伙伴”之中也是最轻的。但目前为止它却是WIMP粒子最佳的候选人。
如果氙100实验最终揭开了中性子之谜,这将是人类科学史上的重要一步。耶鲁大学物理学家兼氙100小组成员丹尼尔·麦克金赛(Daniel Mckinsey)说:“如果我们找到了暗物质,我们就会发现,地球原来并不是由构成大部分宇宙的物质所形成的。”
海洋生物大普查
海洋生物大普查可以让人类更好地保护和利用海洋资源,新发现的生物堪比一座“金山”,可用于制药或工业应用。
浩瀚的大海中都生活着哪些生物?公元2000年,这个看似简单的问题却引来了一项耗资6.5亿美元的研究项目,该项目将对所有海洋生物进行分类记录,如植物、动物、细菌和真菌。美国罗格斯大学的生物学家、海洋生物普查计划科学指导委员会主席弗雷德·格拉斯勒(Fred Grassle)说:“我们对海洋生物的多样性根本一无所知。无论是珊瑚礁、深海海底,还是生活在沿海偏僻地区的生物,我们都知之甚少。”通过帮助研究人员确认受到威胁的物种和栖息地,海洋生物大普查可以让人类更好地保护海洋资源。新发现的生物堪比一座“金山”,可用于制药或工业应用。
于是,来自80多个国家的2000多名科学家分成17个小组,对珊瑚礁、大陆架、海洋山脊等进行分门别类地调查。其时,他们还实施了其他一系列的研究,如给大型海洋食肉动物挂上标牌以跟踪它们的洄游、排列海水中微生物的DNA、用拖网搜寻海底生物和浮游生物。
如今,这一普查已进入了第8个年头,格拉斯勒称:普查工作正按计划有条不紊地进行。目前,科学家已经确定了大约5300种之前未知的生物体,每一种将详细记录在“海洋生物大普查”海洋生物地理信息系统中,我们可以登录www.iogis.org查找关于80000个物种的1300万条观测信息。
加拿大纽芬兰纪念大学海洋生态学家保罗·斯尼尔戈罗夫(Paul Snelgrove)说,科学家所面临的长期挑战将是:在2010年结束这一计划的主要调查工作之后,如何继续调查新发现生物体的生态意义。“调查工作的头10年一直集中于发现海洋生物;下一步将是探究这些生物的活动以及它们对地球运转的重要性。”
人造生命计划
除了文特尔,也许没有其他人可以做这个实验,因为这需要多年内容乏味且代价昂贵的工作,而且不一定会成功。
1990年代中期,备受争议的人类基因组研究先锋克雷格·文特尔(Craig Venter)宣称,在由政府组织的科学家成功破译人类基因组之前,他和同事也许早已完成了这一科学创举,当时很多人认为文特尔狂妄至极。不过如今看来,他并非只是造势,起码眼下与政府科学家打了个平手:从2000年以来,两个研究小组都提供了越来越精确的人类基因组图谱。不久前,文特尔公布了他本人的基因组序列,其中包括他遗传自父母的所有染色体。尽管人类基因组排序在当今属于热门,但文特尔领导实施的另一项实验可能使之黯然失色。
在克雷格·文特尔研究所和他的“合成基因学”生物技术公司里,科学家正试图从零开始制造基因组。文特尔在其回忆录《破译一生(A Life Decoded)》中称:“我打算通过人造生命来表明我们了解‘生命软体’的态度。”
文特尔在2002年首次对外宣布了这一计划,此后便废寝忘食。“人造生命”计划的第一步是:确定微生物在实验室里生存所需的最少数量的基因,然后,从原材料中合成这个最小的基因组,并将其植入宿主细胞。此时,基因组便可以生成其所需的蛋白质,逐渐把细胞转化成新生命。为合成最小的基因组,文特尔开始着眼于他和同事研究多年的一种微生物———一种名为生殖道支原体(Mycoplasma genitalium)的病原体,这种病原体会引起尿道感染。他们曾确定这种寄生病菌拥有482个基因(人类有18000个)。接着,开始逐个测试这些基因,察看哪些是其生存所必需的。2006年,文特尔的研究小组在报告中提到,即便是少了100个基因,生殖道支原体也能存活下来。文特尔说:“我们知道怎么做到一次消除一个基因,但我们还不知道怎么才能将其一并清除。”为分析剩余382个基因是否能满足其生命存在的最基本条件,文特尔的研究小组必须用它们制造出基因组,并将其植入细胞。
文特尔清楚,当时尚无有人成功地移植细菌基因组,因此对该项工作持怀疑的态度是可以理解的。他说:“通常,细胞确实排斥注入到它们体内的另一个细胞的DNA。”不过,2007年6月,文特尔和同事成功制造出生殖道支原体(mycoides)的整个基因组,并将其植入其近亲支原体亚种(capricolum)中。实验表明,新植入的基因组开始取代原基因组运作,并且使这一支原体亚种的运作功能与原支原体功能完全吻合。文特尔说:“这是该科学领域的重大突破。”
如今,文特尔的团队正在制造最小的基因组并把它移植到细胞中。直到最近,科学家已经能够组合简单的DNA片段了,但是在保证序列顺序方面仍遇到了困难。团队里的一些成员已经开始研究新的精确制造大块DNA片段的方法了。文特尔的团队便是其中之一,2003年,他们报告说已经合成了病毒DNA中5386个单元———当将此DNA插入到一个细菌体内时,细菌制造出了新的病毒。今天,科学家正在研究如何将5000个单元合成为一个大到足够拥有整个支原体基因组的DNA片段。
文特尔希望制造出能有效利用太阳能或抑制温室效应的微生物
文特尔希望在接下来几个月中制造出第一个人工合成物种,类似电影《科学怪人(Frankenstein)》中的景象,人造生物只是存在于实验室的玻璃瓶中。但是文特尔将他的人造生物视之为新基因工程学基础。今天,科学家们通过添加额外的遗传因子或调整已存在的基因来设计微生物;而文特尔视最小基因组作为从头开始创建生命(就像工程师组装新的科技产品一样)的机遇。
然而,文特尔并不打算从零开始,他和他的同事已经在捕获海洋中的微生物,并对其基因进行序列分析。2006年4月,他们宣布已经将已知基因的数量从400万个提高到1000万个。那时,他的同事仍游弋于海洋,不断发现新的基因。文特尔说:“到2008年4月,我希望我们得到的数量能够翻番。”
除了海洋,文特尔还在大气中和地底下寻找微生物。作为合作伙伴的英国石油公司(BP)文特尔的基因公司正携手对存活在矿山和油井中的微生物的基因组进行排序。通过大量的基因收集,文特尔希望制造出能够产生大量氢气或有效利用太阳能的微生物,或者是能够清洁危险污染物或有效抑制温室效应的微生物。为了完成测试所有可能的基因组合这一惊人的任务,文特尔和他的同事正在建立一支机器人团队,朝着一天制造100万个人造生物体的目标迈进。
除了文特尔,也许没有其他人可以做这个实验,因为它需要多年内容乏味且代价昂贵的工作,并且不一定能成功。很难想象,一个传统的研究人员能够找到这么一大笔基金来进行该项实验;也无法想象性情急躁的股东们会允许一个生物公司来进行该项实验。而文特尔却拥有同时运作他自己的研究所和公司的特权,还配有上百个助手———还不包括他的机器人员工。
正如我们从便携式电脑回忆到曾经占据了整个楼层的电脑一样,最终,人们会如此回首文特尔的人造生命的实验。华盛顿大学的生物技术专家罗布·卡尔森(Rob Carlson)指出,支撑文特尔工作的科技成本越来越便宜而技术效果却越来越强大。卡尔森说:“你不需要一所大学,也不需要国家科学基金,只要你愿意,就是在你的车库里也可以做这样的实验。”于是在数百万间车库里,或将涌现出数百万个新物种。