透视２００３重大科学进展

石头

透视２００３重大科学进展




南方周末　  　2003-12-25 15:50:49




　　
　　□本报驻京记者　徐彬

　　尽管科学上的重大进展其价值有时候并不能立即显现出来，科学共同体内部的一些成员也并不十分认真对待诸如此类的评选，但由美国《科学》杂志评选出的十大科学进展依然如期公布，并被广泛传播。2003年的科学奥斯卡奖于12月18日揭晓，有关宇宙婴儿期的精细图像摘走了今年科学进展之最的桂冠。由美国匹兹堡大学斯克兰顿领导的这一研究被认为是找到了暗能量存在的直接证据。它与今年涌现的其他观测结果一起，终止了关于宇宙本质长达几十年的争论。
　　“今年优秀的工作非常多，这使我们的选择更加困难。但我们最终把冠军授予天文学，是因为再没有比宇宙更大的东西了。”《科学》杂志总编辑唐纳德·肯尼迪说。他同时表示向另外9项屈居冠军之后的优胜者表示敬意。与往年一样，本报特别邀请几位科学家来解读其中几项关键进展。

　　暗能量：主宰宇宙的神秘力量
　　一颗孤独的卫星在人迹罕至的地方捕获到了宇宙的本质。2003年2月，“威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）”拍摄到了宇宙婴儿期的照片，那时的宇宙诞生还不到40万年。这幅色彩鲜明的图片象征着宇宙学中的一个重大转折，它证实了一幅神奇得让人无法置信的宇宙图景：用以构成恒星、树木以及人类的普通物质只占4％，另有23％是诡异的暗物质，余下的73％则是暗能量。另一项名为“斯隆数字巡天（SDSS）”的计划也得到了同样的结论。
　　WMAP的数据还解决了许多长期悬而未决的关于宇宙基本性质的问题。就在一年前，宇宙学家们还可能会说宇宙的年龄在120亿至150亿年之间，然而现在他们会说它的年龄是137亿年，误差只有几十万年。另外，研究结果表明，宇宙正在以71公里每秒每百万秒差距的速率膨胀，且它的“形状”是“平坦”的。今年的这些进展或许是科学家最终解开万物起源之谜的一个新起点。
　　●点评：里程碑式的成果（中科院高能物理所张新民研究员）
　　WMAP和SDSS以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了大爆炸宇宙学模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。这些精确测量推动了宇宙学的研究进入一个黄金时代，其发现冲击着旧的宇宙观，促使人们对宇宙奥秘进行新的思考。
　　暗物质是由什么构成呢？理论物理学家认为，可能的暗物质粒子有轴子（Axion）、中性伴随子（Neutralino）等。目前世界各国科学家正通过各种加速器和非加速器实验探索这一问题，例如由中国和意大利合作的DAMA实验，就试图找到这种暗物质粒子。
　　暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑式的成果。这种能量在日常生活和科学实验中是感觉不到的，但它却主宰着宇宙的演化和命运。暗能量的一种可能是真空的能量，但现有的理论计算值比WMAP和SDSS观测值大很多倍，这种理论与实验的冲突对当今物理学提出了严峻的挑战。
　　目前科学家们还提出了其他想法来解释这种神秘的暗能量，比如Quintessence，这是一种动力学场，而且由于它的存在可以导致电磁相互作用的精细结构常数的改变。这一现象一旦证实，也将是一个重大发现。值得强调的是，暗能量的本质决定着宇宙的命运。可以预言，对它的认识将会导致物理学的一场重大革命。

　　伽马暴：来自宇宙边缘的毁灭
　　今年的若干发现揭开了一直笼罩着宇宙间最猛烈的爆发现象（即被称作伽马射线暴巨大能量冲击波）的面纱。最引人注意的是，在3月份，天文学家在一个很亮的伽马暴的余辉中认出了明白无误的超新星的特征，他们证实了伽马暴与超新星（大质量恒星的灭亡）之间的联系。天体物理学家现在相信，当一个恒星的核心向内爆发并形成一个黑洞（个别科学家认为是形成一个带有压倒性磁场的快速旋转中子星）时，就会有特别猛烈的能量喷流出来。
　　●点评：这已是第三次上榜（中科院紫金山天文台陆聑院士）
　　伽马暴是来自宇宙深处短时间内（一般只有几秒或几十秒）伽马射线突然增强的一种现象。它的发现第一次发表于1973年，距今正好30周年。但在很长时间内，它都处于一种神秘状态，因为我们不知道它究竟离地球有多远。直到1997年，科学家发现伽马暴的余辉———它可以延续几个月甚至上年的时间，并发现它的距离非常遥远，甚至可以说是在宇宙的“边缘”。
　　毫无疑问，伽马暴是宇宙间最为猛烈的爆发现象，只有在伽马暴爆发时放出极大的能量，我们才能相隔这么远而能观察到它。1997年伽马暴的研究被《科学》杂志评为当年十大科学进展之一。1999年，伽马暴又被《科学》评为当年的十大进展之一。
　　事实上，在1998年4月25日，科学家就发现了一个伽马暴，几乎在它爆发的同时也观测到有一个超新星出现在其相同的位置上，科学家意识到这两者是有关系的，但当时还有一些不清楚的地方。今年3月29日又发现了一个很亮的伽马暴，这一次科学家特别清楚地证实了伽马暴确实是由一种超新星———大质量恒星的核心塌缩引起的。这项进展对伽马暴的起源、恒星演化和宇宙学的研究都有重要的帮助。

　　干细胞：可以培育出生殖细胞
　　至少有一位观察者把这一令人惊奇的发现称作“伦理学上的地震”：小鼠胚胎干细胞能够在培养皿中发展为精子和卵子。如果这种出色的工作能够在人类细胞中重复，那么它可以提供取之不尽的人类精子和卵子供科研使用。但是它也打开了装满各种论理学问题的“潘多拉魔盒”：我们能够允许一个亲生父母是体外培养的细胞而非活人的孩子出生吗？
　　●点评：人工制造生命又迈了一大步（中科院动物所韩春生研究员）
　　我不知道是不是会有一场“伦理学上的地震”，但我确信这些工作给学术界带来的影响绝不亚于几年前科学家们克隆多利时的情景，使得本来就已经很热的干细胞研究更加炙手可热！不管出于什么目的，许多人长期以来一直想人工制造生命，今年的工作又使其朝着这一目标迈进了一大步。
　　胚胎干细胞是指胚胎发育早期由受精卵经过多次分裂形成的一群细胞，由于个体长成后不同细胞都来源于这群细胞，因此我们说其具有多能性。胚胎干细胞早在上个世纪80年代就被用来产生基因以修复动物器官，人们更希望能够在体外将其诱导成各种组织器官用于医学治疗。大概许多科学家——至少我自己——根本没有想到它们能够在体外完成减数分裂而形成具有全能性的单倍体生殖细胞。这些工作将使我们能够在体外生产取之不尽的生殖细胞，也使得基因修复动物器官的研究更加简单。
　　更重要的是，这使人们觉得生命的产生完全可以像机器生产一样在体外完成。世界上许多国家都明确表示禁止克隆人，我国政府也禁止这方面的工作，然而科学的发展却似乎从不同方面为这一工作提供越来越多的便利条件。

　　Y染色体：原来可以自我修复
　　今年在破译出Y染色体的遗传密码后，我们获得了男性的DNA遗传信息。在Y染色体的5900万个碱基中，有一半是纠缠不清的甚至是无用的核苷酸序列，正是这些“垃圾”使Y染色体逐渐退化。但另一半核苷酸序列可以编码一些重要的功能基因，它们已经进化出一种异乎寻常的有效机制，来自我修复突变基因。
　　●点评：男性不必担心了（复旦大学遗传所杨金水教授）
　　进化分析表明，决定人类性别的X和Y染色体来源于同一个祖先。在男性中Y染色体只有一份拷贝，在女性中X染色体有两份拷贝。当Y染色体发生基因突变时，由于缺少同源基因，突变的基因不能通过重组交换而淘汰，因而在Y染色体上保留了大量的突变基因。这正是Y染色体之所以退化的原因。
　　但是最新的测序揭示出一个意想不到的结果：在现有人类的Y染色体上，有8个区段保留了两份重要功能基因的拷贝，当其中一份拷贝发生突变时，会被另一份正常的拷贝复制替换，从而阻止Y染色体的进一步退化。科学家曾经预言，500万年后Y染色体将消失，现在看来是杞人忧天了。

　　气候变化：证据汇成一股洪流
　　有关全球变暖对地球及其居住者影响的研究在2003年汇成一股洪流，表现为大量的关于冰山融化、干旱、植物生产力降低以及动植物行为改变的报道。今年的诸多发现之一，是气候模拟研究人员将一个持续多年但目前正在消退的全球环状分布的干旱现象与西太平洋和印度洋中的非寻常温暖水域联系起来。这种暖水似乎是温室气体造成的。在生物学领域，全球动植物的地理分布已经发生移动，生活习性发生了改变——例如开花或生蛋的时间，其改变的方式响应了全球变暖的现实。
　　●点评：期待更深层次的突破（中科院大气物理所王标副研究员）
　　全球变暖是上个世纪以来观测到的明显事实。学术界更加关心的一直是探寻这些变化的原因，而被《科学》杂志认可的气候研究进展却侧重于变化后的观察与适应。但要真正理解或证实这种关系，必须提出理论上的证据，即气候变化的物理机制。这一点国际学术界进展甚微。事实上，对气候变化后果的观测和讨论与气候变化机制研究是密不可分的。由不同原因造成的“气候变暖”对环境和生命带来的影响也不尽相同。即便这种变化的原因像当前主流研究认识的那样单纯——是由于温室气体造成的，研究者对于气候系统本身复杂性的认识也将影响到对于气候变化后果的预料。反过来，对当前人们适应气候变化措施的准确评价对于气候系统本身性质的研究也非常有价值。

　　新材料：使电磁波逆向传播
　　在自然物质中，光线总是向相对于入射角正的方向折射，然而今年的工作证实某些奇异的材料能够向相反的方向折射光线。1964年，苏联物理学家提出，某种材料可能使电磁辐射在通过它时逆向传播。两年前，科学家制造出了这种“左手”材料。他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，从而使微波以负角度偏转。去年这一结果遭到了其他研究小组的质疑，而今年大量的实验证实了这一结论。
　　●点评：电磁学的新天地（浙江大学章献民教授）
　　介电常数ε及磁导率μ是用于描述物质电磁性质的基本物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。迄今自然界中尚未发现ε与μ同时为负值的物质。1968年，苏联科学家维索拉古（V.G.Vesalago）首次指出，当ε与μ同时为负数时，电磁波将逆于波矢方向传播，并可表现出一些奇异的电磁特性。
　　2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的斯密斯（DavidSmith）等人构造出了ε与μ同时为负的人工媒质，并通过实验观察到了“负折射”现象。从此这类人工媒质研究成为一个引人注目的前沿领域。
　　2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。导向介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等等。随着纳米技术的进展，采用纳米导线有可能研制成光波波段的人工媒质，以制造新颖的光子器件。

　　其他进展及挫折
　　《科学》杂志评出的其他重大科学进展还包括：科学家们识别出一些会增加精神分裂症、抑郁症等遗传性疾病发病风险的基因，这些基因可能会使大脑信息处理过程产生异常，刺激人患精神病。该研究成果对于研制治疗这类疾病的新药意义重大。美国华盛顿大学医学院教授饶毅认为，今年这些神经精神方面的研究是多年工作的结果。“以《科学》引用的神经营养因子为例，我们可以看到一个优美的综合研究。这篇论文是2003年在《细胞》杂志发表的，用了包括遗传学、活体人脑成像、学习记忆心理测验、分子生物、细胞生物学等多学科手段。”
　　小核糖核酸分子研究继续升温。继发现长度较短的小核糖核酸能调控基因表达，科学家今年进一步研究小核糖核酸如何协调细胞习性。对小核糖核酸分子的研究，将有助于人类战胜诸如艾滋病和肝炎等疾病。
　　单分子研究工作取得进展。生物学家和物理学家通力合作，捕捉到细胞内部单个分子的多种活动情况，对运动中的分子马达以及正在消化DNA的单个酶等进行了观察。
　　“饿死肿瘤”研究获得新进展。临床试验结果显示，一种抑制肿瘤血管生长的药物与传统化疗药物结合，可延长结肠癌患者存活期。
　　《科学》还评选出了2003年最大的科学挫折：2月1日美国“哥伦比亚号”航天飞机在重返大气层时解体。此外，《科学》还特别制作了一个SARS专辑：2003年，SARS提醒我们一种新的传染性疾病可能会在任何时候出现，它不用伤及太多的人就能让国家经济窒息，而低技术的公共卫生措施如隔离患者就将这种病毒逼上绝境。
　　（王丹红对本文亦有贡献）

　　图：
　　WMAP关于宇宙婴儿期的第一张精确图像。该图以不同的颜色显示出130亿年前宇宙温度涨落的情况。

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WMAP关于宇宙婴儿期的第一张精确图像。该图以不同的颜色显示出130亿年前宇宙温度涨落的情况。