美杂志公布全球最重要六大科学实验(组图)

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美杂志公布全球最重要六大科学实验(组图)http://www.sina.com.cn 2007年12月03日 09:11 新浪科技
　　新浪科技讯 北京时间12月3日消息，据美国《探索》杂志报道，《探索》杂志日前评出了引领当今科学发展的最重要的六大实验，它们均与现阶段热门科研话题密切相关，如暗物质、环境保护、基因研究等。以下是这六大科学实验的详细情况。


“蓝脑”神经皮层束里的神经细胞电子传感器

　　“蓝色大脑”计划

　　科学家试图凭借电脑模型来攻克科学中最难理解的几个概念：宇宙起源，原子行为及地球未来气候。如今，科学家又在设计一个用于显示人脑活动的电脑模型。瑞士洛桑联邦工学院大脑认知学研究所的神经科学家亨利·马克拉姆辛勤耕耘15年，成功绘制出老鼠大脑细胞图，这样，他就能制造出模拟人脑神经元的系统。马克拉姆希望，在IBM公司的帮助下，在2015年开发出一个虚拟人脑，它拥有人脑所有的1000亿个神经元。IBM公司的绰号是“蓝色巨人”(Big Blue)，显然，“蓝色大脑”(Blue Brain)计划中的“蓝色”两字就来自于这个绰号。

　　科学家目前依旧对人脑许多最基本的功能不了解，如记忆、大脑疾病基本原理及治疗等等。马克拉姆的模拟系统以电子形式反映真实大脑的生物行为，利用数学原理模拟神经元之间的相互作用及神经传递素对这些细胞的影响。另外，这个模型经过调整，还能探究不同寻常的生理学变化(如大脑左半球亢奋或海马状突起功能遭削弱)和环境变化(如服药的影响)。随着，研究人员可通过电脑图像对数据进行解读。

　　马克拉姆说：“我们正在打造一个万能模板，它能让我们依据任何规格再造一个大脑。”IBM公司收集了海量数据，设计完成一台功能强大的超级电脑，一个在超级计算机设计方面从根本上革新的系统。这台电脑的运算能力达到每秒22万亿次计算，如此强大的运算速度使其位居世界顶级超级计算机之列。

　　然而，马克拉姆的很多同事认为，他的这种努力简直是痴心妄想，因为此类模拟系统无论多么先进，都不能揭开真正大脑所有功能的谜底。马克拉姆承认：“人们认为这是不可能的，他们认为我们对大脑的了解不够，不足以设计出这种模拟系统。”不过，他表示，随着“蓝色大脑”计划在今后几年的不断完善，大脑“电路”之谜终将揭开。如果“蓝色大脑”计划小组获得成功，科学家将首次掌握颇具意义的人脑物理模型。


“地球时间”计划

　　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-三叠纪之交生物灭绝事件”。与此同时，体积相当于圣海伦斯火山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200万平方英里的地方。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及持续时间，目前科学家对此一无所知。

　　伯克利地球年代学研究中心主任保罗·雷涅说，这是有关地球历史的最大疑问之一，“我们对因果关系的辩论往往取决于时间选择。”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，这一十年之久的努力通过重新定义科学家所用测算时间的方法，确定地球历史上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地质专家萨姆·鲍尔林和美国国家自然历史博物馆古生物学家道格拉斯·欧文联合发起。鲍尔林说：“如果我们确实想要了解地球历史，那么必须改善测定年代的工具。”

　　过去十年间，这种工具变得异常精确。上世纪70年代，科学家使用放射性同位素定年法，将一块距今1亿年的岩石年代精确到百万年。今天，鲍尔林及其同事们已将一些古物的地质年代的准确率保持在10万年之内。然而，由于一些小失误，科学家的努力始终不能更进一步。尽管采用相同的定年法，但由于各实验室使用不同的材料和方法，导致试验结果不同。如今，科学手段越来越精确，因试验失误造成的小小偏差均会引发巨大分歧。雷涅说：“工欲善其事，必先利其器，所以，我们一定要提高工具的精确度，力争将失误降低到最低程度。”

　　“地球时间”计划的目标是使研究时间的科学家所用的众多“时钟”保持同步，随后利用它们为地球历史造出一部超精确的“年表”。为实现这一目的，鲍尔林及其同事们将一批被称为“标准”(已知年代的石块样本)的参考资料和“追踪器”(少量成分已知的同位素)分发下去，帮助不同实验室的结果保持一致。直到目前，各实验室还在使用不同的“标准”和“追踪器”，导致所得结果存在差异。鲍尔林希望，通过赋予每个科学家相同的“起跑点”，彻底消除这种问题。



以伐求保计划


　　以“伐”求“保”计划

　　在东南亚岛屿婆罗洲，樵夫、环保学生物学家和土著团体携手对土地使用的新模式展开了一场实验，实验的终极目标是让每一个人都衣食无忧，不会饿肚子。如果他们的计划最终获得成功，这一模式可应用于全世界的热带雨林地区，生物多样性将由此得到妥善保护，而当地人还能享受到多产的土地带来的经济效益。

　　马来西亚沙捞越邦当地政府授权启动“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。政府为此特意拨出近1900平方英里的土地，归为以伐求保项目试验专用地。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%以上的土地将用作生态保护。剩下的20%留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·斯特宾表示，这一计划的灵感来自于政府规划种植阿拉伯橡胶树区域图。其中一些地区用于采伐森林，剩余部分的森林则维持现状。斯特宾意识到，这种分块模式可用作本地动植物的“避难所”。他解释：“即便整个栖息地得不到保护，只要你要足够的林木和空地，而且这些都连成一片，生物多样性也能够得到合理利用。”

　　斯特宾与樵夫、沙捞越邦政府林业部门合作，将连接林业保护区的土地划成多条走廊，以便野生动植物在其间活动。其他一些保护和开发项目也在利用受保护的走廊通道，作为拯救本地物种之策。

　　斯特宾的当务之急是给生长在保护林区的动物建立一个完整的清单。研究人员现已统计出野猪、鹿、小型哺乳动物、鸟类、青蛙、鱼类和蜻蜓等动物的数量，目前正在调查菌类。他们还详细记录下经确认的所有物种的情况，如发现的地点，是否属本地物种，在当地或国际上的受保护地位。尽管之前林区遭到采伐，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，甚至发现了地球上前所未见的18只蜗牛。斯特宾说：“这个项目的妙处在于，揭示了动物群落的这种弹性和生存能力。”



暗物质探测器

　　暗物质实验

　　宇宙中有无数等待人类去探索的秘密，暗物质就是其中一个。过去75年，科学家一直在奋力寻找暗物质的粒子，但迄今一无所获。明年，他们也许能从深埋于意大利中部山洞的冰冷液体中找到答案。一个国际物理学家小组正在准备进行XENON100实验，实验虽简单却拥有远大目标：记录下弱相互作用大质量粒子(WIMP)撞向液态氙原子核、引发光闪和电荷的一刻。领导实施这项研究的哥伦比亚大学物理学家埃琳娜·阿普莉莱显得信心十足：“我们绝对能看到这些物理事件。”

　　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，但它们无影无踪，我们根本看不到它们的踪影；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，全球约有十个科学小组正在从事类似研究，但XENON100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，避免探测器遭到背景辐射。

　　意大利格朗萨索(Gran Sasso)国家实验室位于一座山顶下4600英尺深处。XENON100是阿普莉莱之前关于暗物质试验XENON100的增强版，这次试验使用液态氙(室温下存在的惰性气体)捕捉弱相互作用大质量粒子。XENON100探测器是一种不锈钢圆柱体，外面是由两种铅和一层聚乙烯打造的保护性“城堡”。330磅的液态氙在里面将被冷冻至零下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，它会释放出瞬间的闪光。圆柱体顶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，研究人员便能以三维形式锁定圆柱体内撞击点位置。

　　暗物质并不见得就是由WIMP粒子构成，但它们当仁不让是重要候选之一，因为WIMP粒子的存在会填补粒子物理学理论固有的漏洞。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或“超级伙伴”。Neutralino即便质量是质子的50倍，但在“超级伙伴”之中也是最轻的。它是WIMP粒子的重要候选。如果XENON100实验最终揭开了Neutralino之谜，这将是人类科学史上的重要一步。耶鲁大学物理学家、XENON100小组成员丹尼尔·麦克金赛说：“如果我们找到了暗物质，我们会发现，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

　　浩瀚的大海中都生活着哪些生物？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。美国罗格斯大学生物学家、海洋生物调查计划科学指导委员会主席弗雷德·格拉斯勒说：“我们对海洋生物多样性根本一无所知。无论是珊瑚礁、深海海底，抑或是生活在沿海偏僻地区的生物，我们知之甚少。”通过帮助研究人员确认遭受威胁的物种和栖息地，海洋生物大调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天然 “化合物金山”，可用于制药或工业应用。

　　详细调查全世界的海洋生物肯定需要大量时间，于是，来自80多个国家的2000余名调查人员分成17个小组，对珊瑚礁、大陆架、海洋中心山脊等进行分门别类地调查。另外，他们还实施了其他一系列的研究，如用拖网取出浮游生物；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。此次海洋生物大普查的规模超过了以往任何的生物调查，如今，这一调查已进入了第七个年头，格拉斯勒称调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，我们可以免费登录查找相关信息。加拿大纽芬兰纪念大学海洋生态学家保罗·斯尼尔戈罗夫说，科学家面临的长期挑战将是，在这一计划的主要调查工作于2010年结束之后，如何继续调查新发现生物体的生态重要性。他说：“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。”



海洋生命调查发现的像虾一样的甲壳动物

　　人造生命计划

　　上世纪90年代中期，备受争议的基因组研究先锋克雷格·文特尔宣称，在政府科学家成功破译人类基因组前，他和同事也许早已完成这一科学创举。当时很多人认为文特尔狂妄至极，是不折不扣的科学狂人。不过如今看来，他并非只是造声势，起码眼下与政府科学家打了个平手：2000年以来，两个科研小组都提供了越来越精确的基因组图谱。文特尔刚刚公布了一个人(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科研热门，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生物技术公司“合成基因学”(Synthetic Genomics)，科学家们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‘生命钥匙’的态度。”文特尔在2002年首次对外宣布了这个计划，此后便废寝忘食，为实现这一宏伟的科学目标而努力。

　　文特尔“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，科学家从原材料中合成这个最小的基因组，将其植入宿主细胞。此时，基因组可以自力更生，生成其所需蛋白质，逐渐把细胞转化为新生命。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来的一种微生物——一种名为Mycoplasma genitalium的病原体，这种病原体能引起尿道感染。他们过去已经确定，这种寄生病菌拥有482个基因。接着，他们开始测试这些基因，察看哪些是其生存所必需的。

　　去年，文特尔的研究小组报告，M. genitalium病原体即便没有其中100个基因，也能存活。文特尔说：“我们知道如何将哪些基因一个个清除，但不清楚将哪些一并清除。”为分析剩余382个基因是否能满足生命存在的最基本条件，文特尔的研究小组必须用它们造出基因组，接着将其植入细胞。

　　文特尔清楚，当时尚无一人成功移植细菌的基因组。他说：“通常，细胞确实不喜欢注射到它们身上的另一个细胞的DNA。”不过今年6月，文特尔和同事成功造出Mycoplasma mycoides细菌的整个基因组，并将其植入Mycoplasma capricolum中。实验表明Mycoplasma capricolum丧失了其旧有的基因组，而Mycoplasma mycoides基因组开始取而代之。文特尔说：“这是该科学领域重大的突破。”(杨孝文)