科學，探索自然奧秘

夏汝函（本刊記者）

科研是我們探索自然奧秘、認識自然界的手段。最近，神舟八號飛船與天宮一號順利完成對接，這對中國探索太空，進行空間科學試驗意義非凡。通過科學研究，我們可以了解到地球內(nèi)核的結(jié)構(gòu)、成分以及形成歷史，解讀超冷水是如何形成冰的發(fā)現(xiàn)，大腦調(diào)控內(nèi)部分辨率的關鍵機制，解密宇宙中的大分子謎團，對二疊紀末生物大滅絕的時間重新卡定等等。好奇心是人類探索自然界的重要動力，正因為對自然界的種種現(xiàn)象充滿了好奇，科學研究才可以不斷深入，更多自然的奧秘才能被揭示出來。

順利完成交會對接，神舟八號飛船返回地球

2011年11月3日凌晨，距地球343 km的太空中，神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器處于一條直線上，相距5 km。1時35分58秒，神舟八號追上以7.8 km／s秒高速飛行的天宮一號，兩個飛行器開始攜手遨游太空。這是中國載人航天工程完成的首次空間交會對接試驗。在繞地球飛行了近兩周后，神舟八號與天宮一號在14日順利完成了第一次太空分離、第二次太空交會對接任務。17日圓滿完成對接任務的神舟八號飛船返回地球，天宮一號將留在太空繼續(xù)完成后續(xù)的任務。

中國首次空間交會對接任務圓滿完成，天宮一號和神舟八號對接機構(gòu)立下了汗馬功勞。中國從1994年開始啟動對接機構(gòu)的預研工作，從第一臺原理樣機的制造，到10項關鍵技術的攻關，再到基地靶場試驗成功，17年漫漫研發(fā)路，凝聚了航天人的心血和磨礪。中國自主研制的“導向板內(nèi)翻式的異體同構(gòu)周邊式”對接機構(gòu)和地面試驗系統(tǒng)，共向國家申請了45項專利。對接機構(gòu)的研制過程中，科研人員突破了對接動力學仿真、捕獲鎖、對接鎖等一批關鍵技術，創(chuàng)造性地建立了一套完整的、世界一流的對接機構(gòu)地面試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了零重力、高低溫、真空等空間環(huán)境條件下的捕獲、緩沖和分離試驗驗證，確保了空間交會對接任務的成功。我刊本期的特約專稿欄目刊登了由鄭永煌研究員撰寫的、介紹空間交會對接的文章。

首次交會對接任務完美收官，后續(xù)工作正緊張開展，飛船系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、飛行狀況等都在仔細評估。根據(jù)計劃，中國初定于2012年發(fā)射神舟九號和神舟十號飛船，具體發(fā)射時間將綜合考慮評估結(jié)果、整個工程的具體規(guī)劃而定，神舟九號飛船是否載人，也將依此確定。作為天宮一號的備份，天宮二號目前正在進行測試，以做好隨時啟用的準備。

地核研究

地球由于不同的化學成分與地震性質(zhì)被分為不同的巖層，地核處于地球的最深一層。地核的總質(zhì)量占整個地球質(zhì)量的31.5%，體積占整個地球的16.2%，地核的體積比太陽系中的火星還要大。由于地核深居地球內(nèi)部，即使在實驗室里也很難模擬，所以關于內(nèi)核的物質(zhì)構(gòu)成，地核物質(zhì)形態(tài)以及地核形成時間等，學術界有不少爭議。但有一點科學家是深信不疑的：地球內(nèi)部是一個極不平靜的世界，地球內(nèi)部的各種物質(zhì)始終處于不停息的運動之中。

地核是由什么構(gòu)成的？

最新的研究標明氧在地核中所占百分比并沒有之前科學家們認為的那么多，這一成果發(fā)表在2011年11月24日出版的Nature雜志上［1］。有關地核化學構(gòu)成的激烈爭論已經(jīng)持續(xù)了近60年，而弄清地核所含物質(zhì)有助于更好地了解地球在45億年前是如何凝聚而成的。

在追蹤地震波如何穿越地球內(nèi)部的實驗中，地球物理學家們發(fā)現(xiàn)，地核由兩層構(gòu)成：固態(tài)的內(nèi)核和液態(tài)的外核。兩者主要由鐵和少許的鎳構(gòu)成，但外核大約有10%是由其他物質(zhì)構(gòu)成，即硫、氧、硅、碳和氫等“輕”元素。一些研究人員認為，氧一定是這些輕元素中含量最多的，而另一些科學家傾向于硫。

為了解決這個問題，這項研究做了兩個主要成分為鐵的樣本。按重量計算，一個樣本含有8%的氧和2%的硫，另一個樣本含有2.2%的氧和5.3%的硫。隨后，研究人員利用高壓設備使沖擊波穿過樣本，令樣本瞬間處于地球深處那種高壓高溫環(huán)境下。按照樣本物質(zhì)的密度以及聲波穿越樣本的速度來衡量，含2.2%的氧的樣本與在地球深處觀察到的特性更為吻合。進一步計算表明，外核僅含0.5%的氧也許更加接近現(xiàn)實情況。這項研究認為，地核含有8%的硅、2%的硫和0.5%的氧。不過，8%的硅含量可能太高，無法解釋地核的其他特性，如內(nèi)核和外核的密度差異，因此還需要進一步研究。

地核物質(zhì)形態(tài)是怎樣的？

依據(jù)模擬實驗結(jié)果，日本東京工業(yè)大學和海洋研究開發(fā)機構(gòu)的科研人員提出地球內(nèi)部的外核部分并非均一構(gòu)造，而是兩種晶體構(gòu)造不同的液態(tài)鐵以地下約4000km為界分別進行對流。他們認為，這一假說有助于研究地核物質(zhì)和地球磁極移動等現(xiàn)象［2］。

地球由表及里分為地殼、地幔、外地核、內(nèi)地核等部分，外地核位于地下深2900～5100km處，它由液態(tài)鐵等物質(zhì)構(gòu)成，而現(xiàn)在普遍認為，液態(tài)鐵對流造就了地球磁場。研究人員在實驗裝置內(nèi)模擬外地核的高溫高壓狀態(tài)，并分析隨溫度和壓力變化的液態(tài)鐵晶體構(gòu)造。當壓力超過240萬個大氣壓，溫度超過3700℃時，鐵的晶體構(gòu)造會發(fā)生改變。這個壓力和溫度剛好相當于地下約4000km處的環(huán)境，這一深度正好位于外地核中心區(qū)域附近。

根據(jù)上述結(jié)果，研究者又用計算機模擬了液態(tài)鐵在外地核內(nèi)的運動。他們發(fā)現(xiàn)兩種晶體構(gòu)造不同的鐵，以外地核中心區(qū)域附近為界，分別對流。而此前很多研究者認為外地核內(nèi)部是均一構(gòu)造。這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于探索地核，而且能為研究地球磁極移動提供線索。

外地核中兩層結(jié)構(gòu)的對流可能會因為溫度和壓力差變得不穩(wěn)定，其構(gòu)造或許會周期性地失去平衡，甚至導致地球磁極發(fā)生重大移動。這種移動的時間間隔沒有明顯規(guī)律，也未發(fā)現(xiàn)會對動植物生存造成不良影響。

地球內(nèi)核是在什么時候形成的？

美國研究人員通過對地球上最古老的巖石進行研究后發(fā)現(xiàn)，地球的內(nèi)核實際上可能比以前認為的至少要老12億年以上，這一發(fā)現(xiàn)對整個地球科學界產(chǎn)生了重大影響。此項研究報告發(fā)表在最新一期的《地球和行星內(nèi)部物理學》（Physics of the Earth and Planetary Interiors）期刊上［3］。

斯米爾諾夫利用古地磁數(shù)據(jù)進行此項研究，測量地球上最古老的巖石的磁場。通過對世界各地的巖石的抽樣調(diào)查，能夠估算出地球內(nèi)核的年齡，其中還涉及到板塊構(gòu)造的開始：在板塊俯沖過程中，一個板塊俯沖到另一塊的下面，下沉到地球的核心，當這個“冷”俯沖板塊首次到達液體核邊界，于是開始形成固態(tài)的內(nèi)核。研究表明，這一地球動力學過程，也極大地改變了地球的磁場，發(fā)生這些變化的時間比以前認為的要長。

考慮到大陸隨著時間的推移發(fā)生了漂移活動，下一步研究人員將去印度收集更多的數(shù)據(jù)，通過研究古老巖石的形成，可以測量從1.95億年前到500萬年前的地球磁場的差異，以及22億年前至10億年前、30億年前至22億年前的磁場差異。

水是怎樣形成冰的？

水的各種異常性質(zhì)讓科學家困惑了幾十年，人們也提出很多假設來解釋它們的起源。其中的一個謎題是，是什么決定水在結(jié)冰之前可以被冷到的最低溫度這樣一個問題。2011年11月24日刊登在Nature雜志上的一篇題為“超冷水結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變控制冰的結(jié)晶率”的論文［4］，對這一謎題進行了解答。

水可以在遠低于零度的情況下以液體形式存在，尤其是在所謂的“超冷水”狀態(tài)下。原因是，如果讓液態(tài)水結(jié)冰，需要一個冰核，其他結(jié)晶圍繞冰核凝結(jié)。但是在非常純凈的水中，沒有可以圍繞形成冰晶的污染物或微粒，由于水獨特的熱力學，結(jié)晶難以實現(xiàn)。之前已知超冷水的可達到的最低溫度為－41℃，但這并非最終的結(jié)論。低溫時水結(jié)晶的速度太快了，無法準確測量沒有結(jié)晶的液體的特性，而模擬工作就在電腦上所花的計算時間來說通常成本又太高。美國猶他大學的化學家Emily Moore和Valeria Molinero利用一個允許進行嚴格計算的簡單水模型發(fā)現(xiàn)，超冷液態(tài)水中“四配位”分子所占比例控制冰的形成速度和機制。該結(jié)構(gòu)變化還導致結(jié)晶速度在225 K時出現(xiàn)一個峰值；在這個溫度以下，冰核的形成速度快于液態(tài)水的平衡速度。

水一定會結(jié)冰的溫度是－48℃。當水接近這一溫度時，它就變得密度不那么大，開始變得更容易壓縮，其結(jié)構(gòu)開始改變。結(jié)果，每1個水分子松散地與另外4個水分子相連，形成了金字塔形狀。研究人員稱之為“中間冰”，即快要結(jié)冰還沒有完全凝結(jié)成冰的狀態(tài)。

這一發(fā)現(xiàn)可解釋所觀察到的熱力學異常，也可解釋為什么均勻的冰成核速度取決于水的熱力學。超冷水凝結(jié)溫度是云形成的重要因素，這一成果對于預測全球氣候至關重要。

研究發(fā)現(xiàn)大腦調(diào)控內(nèi)部分辨率關鍵機制

2011年11月27日Cell雜志發(fā)表了挪威科技大學等單位的研究人員的論文：“網(wǎng)格細胞利用HCN1通道進行空間縮放”［5］。該成果報道了大腦中調(diào)控內(nèi)部分辨率的一個關鍵機制，這種機制就像是大腦中變焦按鈕，幫助我們處理空間分辨率，辨別方向。

之前的研究發(fā)現(xiàn)小鼠的腦中負責辨認方向的細胞位于海馬體中。這些細胞共有三種類型，分別為：方向辨識細胞（head direction cells）、空間辨識細胞（place cells）和定位細胞（grid cells）。這三類細胞有各自不同的任務——方向辨識細胞就像是指南針，它用于指揮行進方向，發(fā)育最早，因此在小鼠睜開眼睛時就可幫助它辨認方向；空間辨識細胞負責記憶某個地方的周圍環(huán)境，它發(fā)育得相對較晚；而定位細胞成熟最晚，它是一種相對復雜的空間協(xié)調(diào)系統(tǒng)，用于確定所處環(huán)境的具體位置及距離某個地點的遠近。因此，每當小鼠到達一個新的陌生環(huán)境中，以上3種細胞會協(xié)同發(fā)生作用，最終在腦中產(chǎn)生一個“心理地圖”。當下次再到這里時，便可使用這個“心理地圖”來判斷方位。

每個人都能完成空間上的放大或者縮小，但是其中的機制人們并不了解，研究人員發(fā)現(xiàn)HCN離子通道在這其中扮演了重要角色。HCN是對超極化激活環(huán)核苷酸門控的超極化陽離子通道（hyperpolarization－activated cyclic nucleotide gated cation－channel，HCN），在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，它們能介導細胞內(nèi)部和外部的信號。

在這篇文章中，研究人員報道了他們通過小鼠的基因敲除實驗，改變小鼠大腦中網(wǎng)格細胞中的HCN1離子通道，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，敲除了 HCN1離子通道，天然坐標系統(tǒng)的比例就會增大，這就像是失去了地圖上的緯度和經(jīng)度線一樣，小鼠就不能精確定位空間位置了。在正常大腦中，HCN1離子通道正常工作，大腦能產(chǎn)生所需的精確分辨率；但是如果離子通道不能正常工作了，那么地圖就無法獲得正確的分辨率了。這項研究對于進一步深入分析阿茲海默癥（即老年癡呆癥）及相關疾病具有重要意義。

解密宇宙中有機大分子謎團

在銀河系內(nèi)部和宇宙其他區(qū)域都探測到一些無法識別的紅外線輻射，天文學家們干脆稱它們?yōu)椤安幻骷t外輻射”（UIE）。這種紅外輻射必定來自分子的振動，即大分子內(nèi)部原子間的相對振動，它們會吸收特定波長的光波，隨后以紅外線的形式再次輻射出去。每種分子的振動都有著自己獨一無二的特征，這也使得科學家們可以通過光譜來識別出相應的分子。但是“不明紅外輻射”顯示的這種信號太過復雜，似乎是一大群信號混雜在一起。天文學家們便開始猜測產(chǎn)生這種復雜信號的分子究竟會是什么？最近他們開始懷疑這可能是由一種多環(huán)芳香族碳氫化合物（PAHs）產(chǎn)生的。這是碳原子構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)并和氫原子相結(jié)合形成的復雜構(gòu)造，在烤焦的肉類中就存在這種物質(zhì)，這是一種致癌物。

在年輕恒星的周圍可以形成相對簡單的分子，而稍復雜的分子也可以稍后在相對更加低溫的環(huán)境中形成。科學家曾經(jīng)在彗星和行星上探測到相對復雜的含碳分子，這些分子結(jié)構(gòu)應當是在太陽系內(nèi)其他區(qū)域形成的。但是根據(jù)最新一篇發(fā)表在Nature雜志上的論文，宇宙光譜中一部分“無法識別的紅外輻射”可能實際上來自年輕恒星周遭形成的大型分子。科學家們還認為這樣的分子有可能在地球形成早期曾經(jīng)被帶到地球上［6］。

香港大學的研究人員借助美國宇航局Spitzer空間望遠鏡對新生恒星發(fā)出的光進行了研究，并將其與兩顆新星的光進行比對，新星是白矮星爆炸產(chǎn)生的亮度驟增現(xiàn)象。隨后他們開始構(gòu)建一個假象的分子模型，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)不斷更改其結(jié)構(gòu)和組成，直到模擬顯示其振動特征和實測數(shù)據(jù)達到最佳吻合為止。模擬的結(jié)果顯示，這種信號的產(chǎn)生并非來自單純的多環(huán)芳香族碳氫化合物，而是一種和多環(huán)芳香族碳氫化合物非常類似的環(huán)狀芳香族結(jié)構(gòu)，并含有扭結(jié)的脂肪鏈成分。這一點暗示了太陽系中可能包含有恒星際有機物的殘余。

年輕恒星在“重新播種”這些有機分子過程中所起的作用非常復雜，但是可以肯定它們確實在星際介質(zhì)有機質(zhì)擴散過程中起到作用，這就意味著它們在生命形成方面可能起到了作用。

二疊紀末生物大滅絕研究取得重要進展

2011年11月17日，Science雜志在線發(fā)表了中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所沈樹忠研究員領銜、由中外科學家組成的研究團隊完成的關于二疊紀末生物大滅絕的論文：“卡定二疊紀末生物大滅絕的時間”。該成果確定二疊紀末生物大滅絕發(fā)生在距今2.52億年前，并在20萬年這樣極其短暫的地質(zhì)時間內(nèi)，快速地造成了地球海、陸生態(tài)系統(tǒng)的全面崩潰［7］。

自地球上出現(xiàn)生物以來，發(fā)生過多次重大生物滅絕事件，而發(fā)生在二疊紀末期的生物大滅絕，是其中最為嚴重的一次，造成了約95%海洋生物和75%陸地生物物種的滅絕，并使地球進入了一個長達500萬年以上的生命“蕭條”期。長期以來，這一滅絕事件的發(fā)生及持續(xù)時間難以精確卡定，其成因和模式也一直是迷。

研究者歷經(jīng)近10年對華南和西藏等地數(shù)十條二疊—三疊系界線剖面進行了精細研究，首次建立廣泛區(qū)域內(nèi)一致的突發(fā)式綜合生物大滅絕模式。研究通過建立古生物化石系列和對火山灰年齡的高精度測定等手段，最終確定二疊紀末這次地質(zhì)歷史時期最大生物滅絕事件發(fā)生在2.52億年前，歷經(jīng)時間不超過20萬年。這一滅絕速度遠遠快于前人已有報道。

當時位于赤道地區(qū)的以大羽羊齒為代表的熱帶雨林植物群，在二疊紀末與海洋生物同時遭到快速毀滅性打擊，為海、陸生態(tài)系統(tǒng)的同時崩潰提供了直接依據(jù)。這和之前普遍認為的海洋生物滅絕快于陸地生物的理論不同。

研究還表明，二疊紀末生物大滅絕是巖漿、火山、氣候共同作用。二疊紀末由于大規(guī)模地下巖漿活動造成地表甲烷釋放以及火山噴發(fā)等的共同作用，使得當時大氣CO2濃度快速增加，溫室效應加劇，海水缺氧，從而導致海洋生物大量滅絕。同時，全球氣候快速變暖并干旱化，造成全球范圍內(nèi)大規(guī)模森林野火事件頻繁發(fā)生，使得森林快速消亡。森林的破壞又造成地表風化加劇，地表土壤系統(tǒng)快速崩潰。

這是迄今為止有關二疊紀末生物大滅絕事件的研究中時間精度最高、研究手段最為綜合的原創(chuàng)性科研成果，使人類對這個地質(zhì)歷史時期最大的生物滅絕事件有了更為精確的認識。

高致病性禽流感病毒菌株的制造引發(fā)爭議

據(jù)英國Daily Mail網(wǎng)站在線報道，一個科研小組的研究論文日前引發(fā)了巨大爭議，據(jù)悉他們在實驗室中創(chuàng)造了一種人工合成的高致病性禽流感病毒，這是非常危險的，甚至能夠一次讓數(shù)百萬人死于非命［8］。

這種致命的病毒是在高致病性的H5N1禽流感病毒毒株基礎上通過基因工程技術制成的，其致病性大大增強，并且可以輕易在數(shù)以百萬計的人群之間快速傳播。有關這項研究的消息一經(jīng)泄露立即引發(fā)軒然大波，科學界分歧嚴重，很多科學家指出這是絕對不能被允許的。

目前人類中間發(fā)現(xiàn)的H5N1病毒傳染力不是很強，至今一共造成大約500人死亡，其致病性尚不足以引發(fā)全球范圍內(nèi)的疫情。但是這項新的研究中制造的高致病性毒株完全不同，人們很擔心一旦這些毒株落入惡人之手，將可能會被用于制造生物武器。

荷蘭伊拉茲馬斯醫(yī)學中心病毒學家榮·費奇（Ron Fouchier）領導的一個科研小組發(fā)現(xiàn)只要對現(xiàn)有禽流感毒株進行大約5處改造，便能讓其傳染力大大增強。這項研究本身是一項國際合作研究計劃的一部分，其目的是徹底弄清禽流感病毒H5N1的致病機制。費奇承認這種病毒是“你所能制造的最危險的病毒之一”，但是與此同時他也執(zhí)意要繼續(xù)研究并發(fā)表論文描述整個制造過程。

這項研究是兩項引發(fā)嚴重爭議的研究工作之一，這些研究讓人們對于科學研究自由，以及對于那些出于改善人類社會，但是同時也存在被生物恐怖主義利用風險的研究的監(jiān)管工作產(chǎn)生嚴重分歧。引發(fā)爭議的另一項研究也是有關H5N1禽流感病毒的，這項研究是一項國際研究項目，由美國威斯康星大學和日本東京大學共同進行。其研究結(jié)果和荷蘭的費奇小組幾乎同出一轍。目前這兩份論文報告都正在接受美國國家生物安全科學咨詢委員會（NSABB）的審查。

盡管NSABB本身并沒有權力阻止這些論文的發(fā)表，但是它可以要求各專業(yè)期刊拒絕其發(fā)表申請。一般情況下，所有的研究工作都會公開發(fā)表，這樣有利于進行科學交流，同行們會閱讀他人發(fā)表的論文并重復他們的工作以便從中學習。但是這一次的情況有些不同，許多科學家呼吁應當阻止這種有關禽流感的論文被公開發(fā)表。然而也有持保留意見的人士，認為這項研究對于醫(yī)學領域具有重要價值。

探索禽流感病毒的致病機制實屬科學研究的正常范疇，也有益于維護人類健康，但創(chuàng)造出致病性如此強的病毒實在讓人憂慮。數(shù)千年來，人類與致病微生物的戰(zhàn)爭從來就沒有停止過，人工制造出來一個“最危險的對手”，其負面效果恐怕會遠大于正面意義。作者發(fā)表論文詳細描述對病毒的整個改造過程更是會引發(fā)一些潛在的危險。科學探索固然重要，科學家的社會責任感更是需要謹記于心的。

（2011年11月30日收到）

［1］HUANG H J，F(xiàn)EI Y W，CAI L C，et al.Evidence for an oxygen－depleted liquid outer core of the Earth［J］.Nature，2011，479：513－516.doi：10.1038／nature10621.

［2］OZAWA H，TAKAHASHI F，HIROSE K，et al.Phase transition of FeO and stratification in Earth’s outer core［J］.Science，2011，334：792－794.doi：10.1126／science.1208265.

［3］SMIRNOV A V，Tarduno J A，Evans D A D.Evolving core conditions ca.2 billion years ago detected by paleosecular variation［J］.Physics of the Earth and Planetary Interiors，2011，187（3－4）：225－231.

［4］MOORE E B，MOLINERO V.Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice［J］.Nature，2011，479：506－508.doi：10.1038／nature10586.

［5］GIOCOMO L M，HUSSAINI S A，ZHENG F，et al.Grid cells use HCN1 channels for spatial scaling［J］.Cell，2011，147（5）：1159－1170.

［6］KWOK S，ZHANG Y.Mixed aromaticaliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features［J］.Nature，2011，479：80－83.doi：10.1038／nature10542.

［7］SHEN Shu－zhong，Crowley J L，WANG Yue，et al.Calibrating the end－Permian mass extinction［J］.Science，2011.doi：10.1126／science.1213454.

［8］WAUGH R.Scientists mutate bird flu to make it MORE contagious－but critics claim the“bioweapon”must be kept secret［EB／OL］.［2011－11－18］http：／／www.dailymail.co.uk／sciencetech／article－ 2063326／Scientists－mutate－bird－flu－make－MORE－contagious－critics－claim－bioweapon－kept－secret.html＃ixzz1f0CG6N6m.