六大科學實驗引領前沿科技

據美國《探索》雜志報道，《探索》雜志日前評出了引領當今科學發展的最重要的六大實驗，它們均與現階段熱門科研話題密切相關，如暗物質、環境保護、基因研究等。以下是這六大科學實驗的詳細情況。

暗物質實驗

宇宙中有無數等待人類去探索的秘密，暗物質就是其中一個。過去75年，科學家一直在努力尋找暗物質的粒子，但迄今一無所獲。今年，他們也許能從深埋于意大利中部山洞的冰冷液體中找到答案。意大利格朗薩索小組正在準備進行XENONl00實驗，實驗雖簡單卻擁有遠大目標：記錄下弱相互作用大質量粒子撞向液態氙原子核，引發光閃和電荷的一刻。領導實施這項研究的哥倫比亞大學物理學家埃琳娜·阿普莉萊顯得信心十足：“我們絕對能看到這些物理現象。”

根據最新的理論和發現，宇宙中暗物質的數量是構成我們普通世界的原子物質數量的6倍。盡管每秒鐘都有無數暗物質從我們身邊經過，但它們無影無蹤，我們根本看不到它們的蹤影；它們不帶電荷，與原子物質問的相互作用并不頻繁，科學家能發現它們的唯一途徑就是布下一個“天羅地網”。目前，全球約有10個科學小組正在從事類似研究，但XENONl00實驗是迄今保密措施做得最好的。所有實驗人員均在地表以下從事研究，避免探測器遭到輻射。

意大利格朗薩索國家實驗室位于一座山頂下4600英尺深處。XENONl00是阿普莉萊之前關于暗物質實驗XE—NONl∞的增強版，這次實驗使用液態氙(室溫下存在的惰性氣體)捕捉弱相互作用大質量粒子。XENONl00探測器是一種不銹鋼圓柱體，外面是由兩種鉛和一層聚乙烯打造的保護性“城堡”。330磅的液態氙在里面將被冷凍至零下140華氏度。氙擁有一個獨具魅力的特性：一旦wlMP粒子撞向其原子核，它會釋放出瞬間的閃光。圓柱體頂部的一套傳感器會記錄下這一信號，同時頂部的傳感器會探測WIMI’粒子釋放的電子。通過分析上述兩個信號及測量它們的時間間隔，研究人員便能以三維形式鎖定圓柱體內撞擊點位置。

暗物質并不見得就是由wlMP粒子構成，但它們當仁不讓是重要候選之一，因為WIMP粒子的存在會填補粒子物理學理論固有的漏洞。為解決這一矛盾，科學家提出，所有粒子都有質量超大的對應物或“超級伙伴”。粒子即便質量是質子的50倍，但在“超級伙伴”之中也是最輕的。它是WlMP粒子的重要候選。如果XENONl00實驗最終揭開了粒子之謎，這將是人類科學史上的重要一步。耶魯大學物理學家、XENONl 00小組成員丹尼爾·麥克金賽說：“如果我們找到了暗物質，我們會發現，地球原來并不是由構成大部分宇宙的物質所形成的。”

“藍色大腦”計劃

科學家試圖憑借電腦模型來攻克科學中最難理解的幾個概念：宇宙起源、原子行為及地球未來氣候。如今，科學家又在設計一個用于顯示人腦活動的電腦模型。瑞士洛桑聯邦工學院大腦認知學研究所的神經科學家亨利·馬克拉姆辛勤耕耘15年，成功繪制出老鼠大腦細胞圖，這樣，他就能制造出模擬人腦神經元的系統。馬克拉姆希望，在lBM公司的幫助下，在2015年開發出一個虛擬人腦，它擁有人腦所有的1000億個神經元，他將該計劃命名為“藍色大腦”計劃。IBM公司的綽號是“藍色巨人”、顯然“藍色大腦”計劃中的“藍色”兩字就來自于這個綽號。

科學家目前依舊對人腦許多最基本的功能不了解，如記憶、大腦疾病基本原理及治療等等。馬克拉姆的模擬系統以電子形式反映真實大腦的生物行為，利用數學原理模擬神經元之間的相互作用及神經傳遞素對這些細胞的影響。另外，這個模型經過調整，還能探究不同尋常的生理學變化(如大腦左半球亢奮或海馬狀突起功能遭削弱)和環境變化(如服藥的影響)。隨后，研究人員可通過電腦圖像對數據進行解讀。

馬克拉姆說：“我們正在打造一個萬能模板，它能讓我們依據任何規格再造一個大腦。”lBM公司收集了海量數據，設計完成一臺功能強大的超級電腦，一個在超級計算機設計方面從根本上革新的系統。這臺電腦的運算能力達到每秒22萬億次，如此強大的運算速度使其位居世界頂級超級計算機之列。

然而，馬克拉姆的很多同事認為，他的這種努力簡直是癡心妄想，因為此類模擬系統無論多么先進，都不能揭開真正大腦所有功能的謎底。馬克拉姆承認：“人們認為這是不可能的，他們認為我們對大腦的了解不夠，不足以設計出這種模擬系統。”不過，他表示。隨著“藍色大腦”計劃在今后幾年的不斷完善，大腦“電路”之謎終將揭開。如果“藍色大腦”計劃小組獲得成功，科學家將首次掌握頗具意義的人腦物理模型。

“地球時間”計劃

大約2. 5億年前，一場大災難使地球上90％的生命滅亡，這一災難被稱為“二疊紀一一三疊紀之交生物滅絕事件”。與此同時，體積相當于圣海倫斯火山100萬倍的一系列火山噴發，空中彌漫著塵埃和氣體，火山熔巖覆蓋了方圓500萬平方公里的地方。火山噴發是否是造成生物滅絕的罪魁禍首?答案取決于此類地質事件發生的最早時間及持續時間，目前科學家對此一無所知。

美國伯克利地球年代學研究中心主任保羅·雷涅說，這是有關地球歷史的最大疑問之一，“我們對因果關系的辯論往往取決于時間選擇。”這就是他和全球數百位科學家加入“地球時間”計劃的原因，這一近10年之久的努力通過重新定義科學家所用測算時間的方法，確定地球歷史上一系列重大事件的時間順序。這一計劃由美國麻省理工學院地質專家薩姆-鮑爾林和美國國家自然歷史博物館古生物學家道格拉斯·歐文聯合發起。鮑爾林說：“如果我們確實想要了解地球歷史，那么必須改善測定年代的工具。”

過去10年間，這種工具變得異常精確。上世紀70年代，科學家使用放射性同位素定年法，將一塊距今1億年的巖石年代精確到百萬年。今天，鮑爾林及其同事們已將一些巖石的地質年代的準確率保持在10萬年之內。然而，由于一些小誤差，科學家的努力始終不能更進一步。盡管采用相同的定年法，但由于各實驗室使用不同的材料和方法，導致實驗結果不同。如今，科學手段越來越精確，因實驗失誤造成的小小偏差均會引發巨大分歧。雷涅說：“工欲善其事，必先利其器，所以，我們一定要提高工具的精確度，力爭將失誤降低到最低程度”。

“地球時間”計劃的目標是使研究時間的科學家所用的眾多“時鐘”保持同步，隨后利用它們為地球歷史造出一部超精確的“年表”。為實現這一目的，鮑爾林及其同事們將一批被稱為“標準”(已知年代的石塊樣本)的參考資料和“追蹤器”(少量成分已知的同

位素)分發下去，幫助不同實驗室的結果保持一致。直到目前，各實驗室還在使用不同的“標準”和“追蹤器”，導致所得結果存在差異。鮑爾林希望，通過賦予每個科學家相同的“起跑點”，徹底消除這種問題。

種檀森林計劃

在馬來西亞的島嶼婆羅洲，樵夫，環保學家和土著居民共同對土地使用的新模式展開了一場實驗，目的是使各方都能獲益。如果他們的計劃成功，世界上其他的熱帶雨林就能夠復制此方法，生物多樣性就能得到保護。與此同時，當地居民還可以享受到多產的土地帶來的經濟利益。

在這種大背景下，馬來西亞沙撈越州政府授權啟動了種植森林計劃。該計劃的目的是為了既發展經濟，又使野生動物得到保護，同時還能使當地居民有土地可用。馬來西亞政府為該計劃撥出約4800平方公里的土地。其中近一半專門用于采伐阿拉伯膠樹——種生長迅速、可以用于造紙的樹木；另外有30％以上的土地將用于生態保護；剩下的土地留給當地土著居民繁衍生息。

馬來西亞生物學家羅伯特·斯特賓表示，這一計劃的靈感來自于政府規劃種植阿拉伯橡膠樹區域圖。其中一些地區用于采伐森林，剩余部分的森林則維持現狀。斯特賓意識到，這種分塊模式可用作本地動植物的“避難所”。他解釋：“即便整個棲息地得不到保護，只要你有足夠的林木和空地，而且這些都連成一片，生物多樣性也能夠得到合理利用。”

斯特賓與樵夫、沙撈越邦政府林業部門合作，將連接林業保護區的土地劃成多條走廊，以便野生動物在其間活動。其他一些保護和開發項目也在利用受保護的走廊通道，作為拯救本地物種之策。

研究人員現已統計出野豬、鹿、小型哺乳動物、鳥類、青蛙、魚類和蜻蜓等動物的數量，目前正在調查菌類的數量。他們還詳細記錄下經確認的所有物種的情況，如發現的地點，是否屬本地物種，在當地或國際上的受保護地位。盡管之前林區遭到采伐，但研究人員還是發現了400多種脊椎動物的身影，如熊、麝貓、短尾猴、美洲豹、貓鼬、穿山甲等。甚至發現了18只以前未知的蝸牛。

海洋生物大普查

浩瀚的大海中都生活著哪些生物72000年，這個看似簡單的問題卻引來了一項耗資6. 5億美元的研究項目，該項目將對所有海洋生物進行分類記錄，如植物、動物、細菌和真菌。美國羅格斯大學生物學家，海洋生物調查計劃科學指導委員會主席弗雷德·格拉斯勒說：“我們對海洋生物多樣性根本一無所知。無論是珊瑚礁、深海海底，抑或是生活在沿海偏僻地區的生物，我們知之甚少。”通過幫助研究人員確認遭受威脅的物種和棲息地，海洋生物大調查可以讓人類更好地保護海洋資源。新發現的生物堪比一座天然“化合物金山”，可用于制藥或工業應用。

詳細調查全世界的海洋生物肯定需要大量時間。于是，來自80多個國家的2000余名調查人員分成1 7個小組，對珊瑚礁、大陸架、海洋中心山脊等進行分門別類地調查。另外，他們還實施了其他一系列的研究，如用拖網取出浮游生物；給大型海洋食肉動物掛上標牌以跟蹤它們的洄游；排列海水中微生物的DNA；用拖網搜尋海底生物。此次海洋生物大普查的規模超過了以往任何的生物調查，如今，這一調查已進入了第七個年頭，格拉斯勒稱調查工作正按計劃有條不紊地進行。

目前，科學家已經確定了大約5300種之前未知的生物體，每一種將詳細記錄在“海洋生物大普查”海洋生物地理信息系統中，我們可以免費登錄查找相關信息。加拿大紐芬蘭紀念大學海洋生態學家保羅·斯尼爾戈羅夫說，科學家面臨的長期挑戰將是，在這一計劃的主要調查工作于2010年結束之后，如何繼續調查新發現生物體的生態重要性。他說：“調查工作的頭10年一直集中于發現海洋生物，下一步將是探究這些生物的活動以及它們對地球運轉的重要性。”

人造生命計劃

上世紀90年代中期，備受爭議的基因組研究先鋒克雷格·文特爾宣稱，在政府科學家成功破譯人類基因組前，他和同事也許早已完成這一科學創舉。當時很多人認為文特爾狂妄至極，是不折不扣的科學狂人。不過如今看來，他并非只是造聲勢，起碼眼下與政府科學家打了個平手：2000年以來，兩個科研小組都提供了越來越精確的基因組圖譜。文特爾剛剛公布了一個人(他本人)的基因組序列，其中包括他遺傳自父母的所有染色體。

盡管人類基因組排序在當今屬于科研熱門，但文特爾領導實施的另一項實驗可能使之黯然失色。在克雷格·文特爾研究所和他的生物技術公司正從事“合成基因學”研究，科學家們正試圖從零開始制造基因組。文特爾在其回憶錄《破譯一生》中稱：“我打算通過人造生命來表明我們了解‘生命鑰匙’的態度。”文特爾在2002年首次對外宣布了這個計劃，此后便廢寢忘食，為實現這一宏偉的科學目標而努力。

文特爾“人造生命計劃”的第一步是：確定微生物在實驗室里生存所需的最少數量的基因。然后，科學家從原材料中合成這個最小的基因組，將其植入宿主細胞。此時，基因組可以自力更生，生成其所需蛋白質，逐漸把細胞轉化為新生命。為合成最小的基因組，文特爾開始著眼于他和同事研究多年來的一種微生物——種名為M，genitalium的病原體，這種病原體能引起尿道感染。他們過去已經確定，這種寄生病菌擁有482個基因。接著，他們開始測試這些基因，察看哪些是其生存所必需的。

2006年，文特爾的研究小組報告稱，M genttal ium病原體即便沒有其中100個基因，也能存活。文特爾說：“這是該科學領域重大的突破。”

責任編輯；鄧愛華