科学改变世界：2004年最重要的十大科学突破

2004-12-28 9:14 文章来源:文汇报
  近年来，每临岁末，著名的美国《科学》杂志总要推出其选出的当年度最重要的“十大”科学突破，今年的“十大”已于上周五刊出。尽管是一家之言，但由于《科学》杂志的公信度和影响力，所以其评出的“十大”每次都引起人们的普遍关注，更多的人在回顾中再次感受科学的魅力，激起创造的欲望。为使读者及时了解今年十大科学突破的内容，我们特选摘了主要内容，并请有关专家加以评点，以方便读者理解。

   生命科学关键词——健康、环境

   岁尾年末，盘点业绩，十大“英”、“杰”，日见报端，此乃激励士气、引领潮流之举。政经社文，各界如是，自然科学也不例外。近日，美国《科学》杂志发布了“2004年最重大的十大科学突破”。

   何谓“最重大”，见仁见智，较难一致，但借助于《科学》杂志的公信度，它所选出的“十大”当可信其为十不离八九。且不论每项突破的细节及其意义，而就总体而言，“十大”中生命科学占其六。在自然科学领域中，生命科学虽不能说独领风骚，却已占有大半壁江山。这本身也可说是一个重大突破。

   突破不是研究过程的终点，而是进一步洞幽察微、穷本溯源的新的起点。此外，生命科学的每一进展，莫不与人们的衣、食、住、行，生、老、病、死息息相关，是人们关注和支持的热点。因此，今岁的丰硕成果，预示着来年的更大辉煌。人谓“21世纪是生命科学的世纪”，洵非虚言妄语。不知与生命科学有关的国内各界人士对此已否做好准备？

   有人把自然科学分成物质科学和生命科学二大类，前者囊括数、理、化、天、地，独缺一个“生”，后者则指生物学以及医、农、林、牧、渔。把生命科学视作物质科学的另类。这显然是欠妥的。

   生命体无非是由碳、氢、氧、硫、氮、磷等化学元素组成的物质，生命活动也就是生命物质运动的一种方式，同样遵循着物质世界的普遍规律。因此生命科学绝不是非物质科学或超物质科学，而是一种实实在在的物质科学。正因为如此，生命科学方有基础与数、理、化、天、地各学科之间形成交叉学科。

   从发布的“十大”突破中，有不少是得助于其他物质科学的介入，其中甚至还与伦理、法律、经济等社会人文科学密切相关。当然，生命物质、生命活动和生命世界蕴藏着大量的尚未揭示的自然奥秘，其复杂性需待物质科学各门学科间交叉渗透、协同探索来解开。因此，生命科学的进一步发展取决于其他学科的介入。为清除生命科学与其他物质科学之间在观念上的隔阂和障碍，似可把自然科学分为数理科学和生命科学，然否？

   ——赵寿元（遗传学家、复旦大学教授）

   以“小矮人”为首的生命新发现

   揭示生命的奥秘一直是科学家和普通老百姓关注的热点，生命科学的新成果在十大突破中居然占据了醒目的六项。新人种发现、胚胎克隆、基因研究、动植物研究和新药物研发都榜上有名。

   “小矮人”印证曲折进化史

   今年10月，印度尼西亚和澳大利亚研究人员在印尼弗洛勒斯岛的洞穴里发现了一个新人种——小矮人。这一惊人的发现旋即成为各地传媒的头条新闻，有人称之为半个世纪以来古人类学研究中一项最大的收获。

   弗洛勒斯人的化石表明：1.8万年以前，现代人是与其他人种一起共同栖居在地球上的。化石的头颅非常小，与智人约1400立方厘米相比，其脑袋只有380立方厘米。发现者据此假设：他们是从年代更久远的直立人进化而来的；这些直立人被围困在孤岛上，体型随之日渐减缩，以适应资源匮乏、务求物尽其用的生存需要。

   这些“岛屿小矮人”同其他哺乳动物打交道也是颇为出名的，其中包括在同一洞穴里挖掘到的、或许是小矮人用精致的石器工具捕猎的酷似大象的矮小牲畜。许多研究表明：在整个史前阶段，人类像任何其他生物一样依循着进化规律。但弗洛勒斯小人种的发现则首次印证：人类也许在孤岛遇到了巨大的生存压力，因而进化历程出现了病态性的曲折。

   人类早期胚胎克隆成功

   在不少读者看来，克隆之争似乎是一条过时的新闻。但韩国研究人员通过核移植克隆的人类早期胚胎证明：这项技术对人类细胞同样是适用的。他们的目的不在于克隆婴儿，而是试图提取胚胎干细胞，为医治疑难杂症，最终研制基因与病人匹配的替代器官提供新的视角。

   自从1997年“多利”羊问世以来，各地克隆的哺乳动物已达数百头。韩国科学家第一次提供了克隆灵长目动物是可能的证据，也突破了先前设置的研究禁区：一旦对灵长目动物的卵细胞分裂加以定位，就会使此类努力化为泡影。据悉，有16名年轻女性捐卵242个，为反复试验之需解除了后顾之忧。然而，这项研究仍不时蒙上政治干扰的阴影。也许是受这一成功点燃的乐观情绪的感染，美国加州选民于11月初投票批准设立一笔30亿美元的基金以支持干细胞研究。同时，联合国就世界范围内禁止生殖性克隆的辩论却陷入了僵局。一些持反对意见的国家坚称：所有的克隆研究都是不道德的，因为创造胚胎只是为了将它们摧毁。

   “垃圾”DNA中隐秘宝藏

   在人类基因组中，蛋白质编码序列所占比例不到10％，剩下的是一片基因“废墟”。今年有越来越多的研究成果表明：这片原先被视为垃圾的“废墟”对基因功能的影响非同寻常，“废墟”底下可能埋藏着丰富的基因珍宝。

   分子生物学家通过对DNA的解析，正在揭开巧妙地控制基因在恰当的时间和恰当的位置“开启”的奥秘。拿短序列的DNA来说，长度大约由500个基质构成，可通过同所谓转录因子的蛋白质结合以加速基因表达，故有激活剂之称。据许多研究报告透露：激活剂正是基因变化催生新物种的根源。垃圾DNA虽呈块状，却充满可换位的元素，除了减缓阻止转录，改变蛋白质编码，对RNA进行编码外，还有助于形成新的基因，包括对神经功能至关重要的基因。

   为了挖掘更多的宝藏，美国国立人类基因组研究所准备推出一部DNA元素百科全书，以期搜罗所有在这片“废墟”内起作用的DNA并按目录加以分类。全书将从3000万种蛋白质编码和非编码序列的基质写起。

   民间资本助推医药研究

   一场公共卫生领域的革命，正在改变为世界上最贫困人群开发和供应药物的方式。它把历来提供援助的基金会、富裕国家、联合国下属部门、学术机构、制药商和慈善团体的力量调动起来，通力合作，展开众多的公共卫生活动。今年有不少举世瞩目的重大活动，包括向莫桑比克推广疟疾疫苗试验，加紧为贫困地区提供抗艾滋病药物等，都是以这种“公共和私营组织结成的伙伴关系”形式实现的。

   这一运动可追溯到上世纪90年代中期设立的国际艾滋病疫苗机构（IVAI），它将学术结构与疫苗制造商联合起来，以开发面向贫困国家的药物。目前，类似的机构在世界各地共有91个。例如诺华制药公司和新加坡经济发展局设置了一个热带疾病研究所，目的是研制专治登革热和抗药物性肺结核的新药。为了改善药物供应渠道，全球规模最大的“抗艾滋病、肺结核和疟疾基金会”自2002年起替128个国家承担资金达30亿美元。

   物种生存状态令人忧

   为了调查从青蛙到蝴蝶的兴衰变迁，科学家在这一年里开展了多项大规模的研究。调查结果表明：物种多样性正面临着工业化蚕食带来的衰亡厄运。首次对两栖类动物完成的全球性评估显示：在5700种已知两栖类动物中有30％以上濒临灭绝，有的处境危急，由于过量捕猎、丧失栖息地和未知的原因，现有两栖类动物中约有一半将在本世纪末归于消亡。

   在英国跟踪研究植物、鸟类达40年之久的博物学家们提供了发人深思的统计数字：蝴蝶数量减少了13％，71％的蝴蝶种类已丧失原有的生态环境。鸟类数量也锐减了一半。本地植物有28％已消失殆尽。土壤营养不良，牧场难以再现昔日的丰美和滋润。40名海外生态学家历时20至50年收集的数据也表明：全球性气候变暖正在改写20多个地区的自然史。例如赤狐出没的圈子开始北移，频频闯入北极狐的世袭领地；植物的花期普遍提早；鸟类改变了惯有的迁徙习性，纷纷到食品供应最丰盛的地方安家落户。

   发现100多万种新基因

   无论在最偏远的地区还是最隐蔽的角落里，到处可找见基因的身影。为了探明无法在实验室里培养的物种的基因关系，今年有一支生物学家组成的考察队乘船穿越西印度群岛东北的马尾藻海，对1500升水中生命采样的基因组进行了破译，找到了100多万种新基因。也许是弥补马尾藻少磷缺憾的需要，这些“海洋居民”已衍化出很多适宜吸收矿物质的基因。不少物种还是用视紫红色素代替叶绿素来进行碳处理的。目前，研究人员正在步达尔文的后尘作环球之旅，以探索遍布世界各地的基因多样性。

   与此同时，由环境基因学家组成的考察队在废弃的矿井内寻找到一个狭小而不可思议的微生物世界。那里的有机体终年不见阳光，却照样一片兴旺，研究发现，这些有机体是通过对铁质化合物的处理来获取能量。研究人员采用分子技术通过测序发现：矿床水中的DNA形成的基因组正好是5个。

   物理学研究冷中有热

   物理学研究因为离人们生活较远而且比较深奥而受到冷落，不过，今年的十大突破中有两项属于物理学。

   凝聚态家族喜添“新丁”

   今年又是凝聚态，亦即表露出量子力学鲜明特征的超冷气体研究取得长足进展的一年。继早先获得液体凝聚态后，研究人员如今已成功地将物质的三种形态——气体、液体和固体全部转化为凝聚态。

   凝聚体最初出现在1995年。当时，美国研究人员将名叫玻色子的原子冷凝至单一量子态，使它显现出超原子的特性。这项成就被《科学》杂志评为当年重大突破之一。在过去的一年里，凝聚态家族又喜添“新丁”。美国和奥地利物理学家促使名叫费米子的原子进入了超原子王国。玻色子携带有一种用整数表示的内角动量或自旋，正是这个条件使它得以分享单一量子态。相比之下，费米子的自旋却表现为一个半整数，加上受“不相容原理”的制约而凝聚受阻，就像带负电荷的电子挨得太近会相互排斥一样。但研究人员设法让费米子成对地融入带整数自旋的分子，使费米子也能像玻色子那样转化为凝聚态。这项发现也许阐明了物理学中有关电子在复合物中特性的微妙问题，也为日后详细描述高温超导体迈出了关键的一步。

   世纪之谜：水的结构和化学性质

   经过一个世纪的科学探索，水依然含有许多让研究人员无从猜度的难解之谜。在这一年里，阐述这种常见物质的结构和化学性质的论文连篇累牍，那些结论如能成立，势必重塑化学和大气科学等众多领域的面貌。

   最早引起争议的是一个由美国、德国、瑞典和荷兰研究人员组成的工作小组。他们在报告中声称：100年来对液态水结构的描述也许是错误的。众所周知，每个水分子是呈四面体的图案与另外四个分子相结合的，氧和氢原子间的细微差异使液态水找到了广阔的用武之地。但这个工作小组用同步加速器X射线测得的结果却显示：许多水分子实际上只与两个“邻居”厮守在一起。

   另一场争论的焦点是离子在大量水中的去向：聚集在表面还是被吸收到内部？研究人员通过对洛杉矶空气中海盐颗粒的跟踪发现，那些颗粒中含有丰富的卤化物（氟的化学近亲），由此认定那些离子就悬浮在水面上。今年，计算机模拟试验证实了这一猜想，这可能使科学家不得不思索浮质颗粒表面以新的形式发生的化学反应。

   “费米凝聚”简评

   所谓“费米凝聚”，确是一项重大成果，此乃1995年已实现的原子气体的玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）这项被评为2001年诺贝尔奖项的研究成就的创造性延续。

   BEC是玻色－爱因斯坦量子统计理论的一个推论：大量玻色子在一定温度之下可能凝聚到最低能量的同一量子态。而解释超导现象的BCS理论（被评为1972年诺贝尔奖项）假设，在一定温度之下导体内的电子会两两结对——库珀对，并亦发生（动量）凝聚。“费米凝聚”可看作是玻色－爱因斯坦凝聚和库珀对这两个新颖物理概念相结合的产物。按照泡利不相容原理，两费米子不能处于同一量子态；但若使其两两结对，便会表现出玻色子一样的行为，那么也就可能实现凝聚。所以，“费米凝聚”研究，丰富了量子力学里量子凝聚以及宏观量子态的物理涵义；藉以了解实现了BEC的“费米型凝聚原子”之间的相互作用机制；并有助于进一步揭示超导、超流等现象的产生机理。研究者们期望，这项研究对下一代超导体的诞生有促成作用；若果真如此，则其技术应用价值必然无可估量。BEC态——人称“物质第五态”，在新世纪将有神奇的应用；而“费米凝聚”扩充了可实现BEC的原子气体的种类。此外还须说明一点：驱使并判定原子成对是这项研究的难能可贵之处。

   ——沈葹（同济大学物理系教授）

   热热闹闹的太空探测

   2004年最受媒体关注的该数太空探测领域了，火星探测不断有新鲜消息传来、探测水星的信使号发射升空、开发月球不断有新消息、各种新的天体不断发现、对宇宙起源的探索也在不断进行。在太空探测领域，火星探测和中子星研究这两项成果入选十大科学突破。

   在火星上找到生命迹象

   今年早些时候，“机遇号”和“勇气号”分别登上并探测了地球的近邻——火星。别看这两个匣状形机器人装着轮子，其貌不扬，靠一条手臂工作，却在另一颗行星上完成了人类迄今可望而不可及的使命，在宇宙万物中发现了另一个可能曾有过生命存在的地方。“机遇号”火星车找到了一个水面不深、涵盖广袤的大海含盐分的、如波浪般起伏的沉积物；“勇气号”探明了一度浑身湿透，被浸得腐烂的岩石。这些发现标志着人类在搜寻宇宙生命迹象的旅途中建树的一个里程碑。

   近30年来，科学家们始终无法肯定：他们通过轨道摄像机观察到的由水冲积而成的峡谷、河床和沟壑，是否意味着火星表面长期有水存在。如今，这两辆火星车提供了解答。数十亿年以前，火星曾经是如此温暖而潮湿，足以孕育出一片浮浅的盐海。也许，这个海是飘忽不定的，不时被大风吹散而衍变为盐滩。但是，积水覆盖的地域之广，相当于美国俄克拉何马州那么大。充足的水源从那里流淌而过，一路留下绵延约300米的盐迹。而掩埋在地表下的污秽盐分长期处于潮湿状态，最终形成了大理石般大小的铁矿物。

   在这颗行星的另一端，地下水同样盘桓良久，直至将数百米貌似火山灰的物质转化为松软的、富含铁的岩石。这些岩石经过水的冲洗，使滞留在洼地里的盐不时形成层次分明的沉积物，将随处可见的火山口填满。从这些迹象来看，早期的火星似乎是一个水源充沛、适于居住的星球。

   首次发现脉冲双星

   天体物理学家今年格外欣喜地发现了一对初次结识的脉冲星：向太空发出密集的辐射光束的自转中子星。这个双星系统的行踪令观察者和理论家惊诧不已，有人将此发现誉为36年中子星研究史上的一个“分水岭”。

   这个天文奇观是澳大利亚人用口径为64米的派克斯射电望远镜在观测一颗带能量的脉冲星时出现的，它绕着一个隐秘的物体——据信是不发射脉冲的中子星——的轨道运行，每秒钟旋转44次。更深入的细致观察表明：它的伴星还以每2.8秒一次的悠闲速度发射脉冲。更令人瞠目结舌的是，当它们一前一后沿轨道运行时，转速较慢的脉冲星会迎面朝转速较快的伴星猛扑过来，致使后者每飞经一次轨道就黯然失色近30秒钟。

   研究人员之所以振奋不已，是因为有机会第一次直接探测脉冲星这一神秘的宇宙灯塔在爆发时的等离子，从而揭示中子星的内部密度和物质分布。他们还期待着这一对双星为爱因斯坦的广义相对论提供迄今最严格的检验。

   “勇气”可嘉，“机遇”可贺

   “勇气”号火星车的最高行驶速度虽然仅为每秒5厘米，它义无反顾地稳健步履却象征着人类向未知世界挺进的决心和坚毅。“勇气”号的预定工作时间只有3个月，然而在超期服役半年多以后，它却令人惊异地发现了火星上存在着与水息息相关的针铁矿。这仿佛再一次印证了中国的古老格言：“有志者，事竟成。”虽说有水并不一定就有生命，但是如果没有水，那就不会出现人类迄今所知的任何生命。火星上存在赤铁矿，以及“勇气”号和“机遇”号的其他诸多发现，大大强化了火星上存在或曾经存在水的证据，并进而使“火星上存在生命”这一猜测显得更加言之成理了。

   从分子生物学的角度来看，地球上的所有生命其实都属于同一种类型，我们可称之为“地球型生命”。倘若以水为线索，最终在火星上找到了生命，那我们就破天荒有了一种可与地球型生命相对比的样品，这势必将对生命科学和整个人类产生极大的影响。诚然，太空探测消耗了大量的人力、物力和财力，但人类却由此获得了前所未有的知识。再过几天，就是“勇气”号踏上火星大地整整一周年，我相信它还一定会向地球送来更多的好消息。