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八大科学谜团研究情况 纳米科技或造"长生不老"

http://www.kexue.com 2011-02-09 09:19:51 科学网  发表评论

  据美国《大众机械》杂志网站报道,早在2000年,美国《大众机械》杂志网站曾经列举出科学领域最深奥难解的八大谜团,并且估计这些难题可能至少要到22世纪初才有可能得到答案。如今十年过去了,该网站近日再次对这八大科学谜团的研究情况进行了综述。

  1. 人类能否治愈癌症?

人类能否治愈癌症?
人类能否治愈癌症?

  2010年大约有150万美国人被诊断出癌症,其中三分之一最终被癌症夺去了生命。饮食习惯、吸烟以及其他环境因素和生活方式的选择是导致癌症多发的重要原因,甚至比遗传因素更重要。在过去十年中,尽管由各种恶性疾病引起的死亡率下降了几个百分点,但某些癌症,如恶性黑素瘤、白血病、胰腺癌以及肾癌等发病率却呈上升趋势。同时,化学治疗、放射性治疗以及手术治疗等手段治疗效果仍不乐观。

  目前,阻击癌症发病的最新策略是找到病毒感染的机制。美国路易斯维尔大学进化生物学家保罗-埃瓦尔德认为,到2050年有95%的癌症患者都将被证明是由感染引起的,而现在这一数字仅为15%到20%。科学家们已经知道,肝炎病毒与肝癌有关,人类乳头瘤病毒可能导致宫颈癌、直肠癌、阴茎癌、脑癌、颈椎癌等多种癌症,而幽门螺杆菌感染可能会引起胃癌。埃瓦尔德表示,鉴于病毒是癌症发病的主要诱因之一,如果能够绘制出完整的病原体图谱,则有助于人类最终克服癌症。由于病毒已经进化成为目标基因,参与到细胞分裂过程中并劫持这些细胞,最终这些病毒在宿主中站稳了脚跟。病毒本身也许并不是引起突变的必要因素,但是它们却能够使得细胞更加脆弱,从而更容易发生突变。

  根据这种说法,更多地使用疫苗,合理使用抗生素以及提高卫生标准,或可以降低癌症发病率。2006年获批生产的人类乳头瘤病毒疫苗Gardasil则是攻克癌症堡垒的重要一步。埃瓦尔德表示,“安全治愈和预防癌症最理想的方式就是识别和锁定它们的感染诱因。如果在医学上能够做到这一点,那就是控制感染。”

  2. 人类是否能长生不老?

人类是否能长生不老?
人类是否能长生不老?

  常识告诉我们,人类都无法逃避最终死亡的命运。但是,人们总是不愿意面对这一黑暗的真相,他们更愿意相信神话中长生不老的说法。普通人似乎更倾向于对所谓“青春之泉”的追求,在科学和医学领域都有人在不断探索。

  科学家们也在致力于研究许多化合物的特性以寻找延长生命的要素,如白藜芦醇(葡萄中发现的一种物质)、雷帕霉素(提取于复活节岛上一种细菌)和由p21基因组成的蛋白质。这些蛋白质能够在细胞中抑制其他蛋白质形成淀粉斑,而这种物质与阿茨海默症有关而且可能会促进癌症的发病。据报道,2000年塞内克斯生物科技公司正在研制某种药物,这种药物可以实现某种程度上的抑制作用。研究人员还继续对一种名为端粒酶的酶进行深入分析,这种酶可以减慢端粒的萎缩进程。端粒是一种DNA序列,会在细胞分裂过程中逐步变短直到细胞最终变异或死亡。2009年的诺贝尔医学奖授予了端粒和端粒酶工作原理的发现者。近期的研究发现也验证了端粒酶的功能。《自然》杂志于2010年11月公开的一项研究中,老鼠被抽取端粒酶后再被植入,这一过程发生了奇迹般的返老还童现象。从技术上讲,数年前人们就可以通过各种方式提高体内端粒酶的水平,但这种技术至今未得到临床评估。同时,两种在人类身上试验的化合物已于今年投入使用。这两种化合物分别是SIRT1和STACs,是两种合成催化剂,它们可以模拟热量限制效应。在多个物种身上进行的试验表明,这种效应可以放慢新陈代谢速度,缓解老化进程。据美国哈佛医学院病理学家大卫-辛克莱尔介绍,进行试验的物种包括酵母、灵长类动物等。

  不过,美国伊利诺斯大学公共卫生学院流行病学教授杰伊-奥尔沙恩斯基则认为,克服老化问题并不能仅仅通过一种药物实现。奥尔沙恩斯基表示,“白藜芦醇、端粒酶和p21基因,在很大程度上只是流于表面。在过去10年中,没有任何药物能够干涉并缓解人类衰老问题。”奥尔沙恩斯基坚持相信,百岁以上的老人的基因有一个特别的功能,那就是可以限制老化进程。“新英格兰百岁老人研究”是全球最大型的专门研究高龄老人的计划,该项目目前正在对大约1600名百岁老人及数百名他们的子女进行跟踪研究。奥尔沙恩斯基并没有参与到该项研究中,但他认为,“这项研究之所以如此令人兴奋,是因为我们还没有在许多物种上看到结果,我们期待能够看到人体也能够像老鼠那样出现缓解衰老现象,从而实现巨大的理论飞跃。关于长寿的秘密似乎正在向我们走来。”

  科学家们认为,最终“青春之泉”可能不是通过化学或生物方法实现的,而是通过技术手段实现的。未来主义者雷-库尔兹维尔曾经预言,纳米科技可能是实现生长不老的手段之一。基于纳米技术的微型机器人可以深入到我们人体内部修复受损的器官和组织,从而延长患者的生命。

  3. 人类能否创造生命?

人类能否创造生命?
人类能否创造生命?

  人类至今仍无法确切知道生命是如何起源于地球的,或者甚至不知道地球生命是否起源于其他星球,或许是彗星把它们带到了地球之上。但是,从目前情况看,人类已经很好地了解了生命的必要成份以及它们所形成的生物分子结构,也知道了这些结构是如何组成一个整体的。但是,如何创造生命,人类认识仍然很模糊。

  从零开始创造生命,这一领域的研究最大进展是由著名遗传学家克雷格-温特尔于2010年5月取得的。温特尔和他的研究团队创造了首个合成有机体。科学家们在实验室中利用化学物质制造了一整个基因组,然后将这个合成基因组植入到一个空细胞中。接下来,这个细胞根据植入的基因指令开始自我复制和修正。

  这个人造的生命形式,被称为“综合体”。由于它需要以一个自然的、先前存在的有机体提供的残留细胞机制为基础,因此,科学转了一圈又回到了原地踏步。美国宾夕法尼亚大学生物伦理学家亚瑟-卡普兰认为,“温特尔并没有真正创造出生命。但是,他的研究表明,一个人造基因组可以为细胞提供动力,从而向真正的人造生命迈进了关键的一步。”

  4. 是否存在灵魂?

是否存在灵魂?
是否存在灵魂?

  随着创造生命体的研究取得进展,将来能够定义一个个体的唯一性的方法或许就是该个体拥有的思维等精神方面的特征。这也引出了一个永恒的话题,即人类是否存在灵魂,如何定义灵魂?一项神经理论学调查计划正在致力于解决这一谜团。

  《神经理论学原理》的作者、神经学家安德鲁-纽博格和他的研究团队目前正在对中国西藏的僧侣、佛教的尼姑和基督教徒的大脑进行扫描研究,而这些人都是从事冥想等精神方面的事业。十年前,纽博格就已开始对130人的大脑进行研究,研究人员将继续对那些涉及宗教和精神状态的大脑结构网络进行更广泛的研究。纽博格认为,通过发现大脑是如何从事宗教方面的活动的,神经理论学或许可以解答大脑和身体功能与灵魂活动之间的联系。

  此外,还有一些科学家还试图从量子力学角度分析意识和灵魂的产生,而传统的意识结构是基于典型的物理学,即我们的思维形成于由数十亿个神经元组成的网络。美国亚利桑那大学意识研究中心主任斯图亚特-哈梅洛夫表示,“大多数人认为意识源自大脑神经元的连祷计算。”哈梅洛夫和合作者罗杰-朋罗斯提出了一种量子意识理论,即Orch OR理论。这种量子意识理论为微型的细胞结构增加了一个重要功能,即“微管”。这种所谓的“微管”组成了我们细胞内部的“骨架”。该理论认为,意识也依赖于大脑神经元内部微管的量子计算。

  5. 是否存在外星生命?

是否存在外星生命?
是否存在外星生命?

  许多天文学家都声称,地球之外肯定存在外星生命。但是,当被问起人类究竟何时能够发现外星生命时,他们又表示可能性很小。近期的一些发现似乎又让许多激进的人看到了寻找外星生命的希望。

  从概率的观点看,我们发现的恒星越多,行星也就越多,因此外星生命存在的可能性就越大。去年下半年,研究人员发现宇宙中的恒星数量比此前估计的要多得多。一些看起来很暗淡、低质量的红矮星尽管并不是孕育生命的理想场所,但它们适合成为宜居行星的主星。红矮星Gliese 581的发现令天文学家们兴奋不已。去年四月,天文学家声称在这颗近邻星球周围发现了第六颗系外行星。这颗系外行星被认为是第一颗位于宜居带的行星。Gliese 581g行星的质量可能是地球的3到4倍,半径大概相当于地球的1倍到1.5倍。如果能够证实该行星是岩质的,则很有可能成为一处宜居住所。不久前,美国宇航局发布了一项争议性的发现,即一种细菌可以用砷来代替磷作为自己的DNA组成物质,而砷则对于大多数生命都是有毒的。这一发现引起了广泛的争论,因为此前难以想象生命竟然如此多样化。“搜寻外星智能”计划资深天文学家塞斯-什斯塔克表示,“无论身处何地,生命总能找到东西吃。”

  数年来,天文学家们一直在致力于寻找类地行星。最近,天文学家声称他们发现了首颗岩质系外行星,这颗行星大小大约是地球的1.4倍。预计于2015年发射升空的“詹姆斯-韦伯”望远镜将为天文学家提供更清晰的外星世界视角。

  6. 光速是否已成为速度极限?

光速是否已成为速度极限?
光速是否已成为速度极限?

  如果真的存在外星生命,那么以目前的情形看,与他们的通信或者去拜访他们,将面临重重困难。最不乐观的就是速度问题。近年来,科学家们也一直在致力于超光速的研究。相对于理想中的“超光速”,现有的旅行速度太慢了。

  自20世纪初起,我们的理论一直受制于爱因斯坦验证的光速极限,即每秒186282英里(约合每秒30万公里)。即使我们把宇宙飞船加速到这一速度,到达距离我们最近的恒星系统半人马座阿尔法星(距离我们大约4.3光年)并返回,也需要近十年时间。此外,宇宙飞船本身还要考虑能量限制。因此,必须要实现突破光速极限才有可能实现这些目的。近年来科学家们实施了许多相关的实验,比如由美国普林斯顿大学科学家王利军(Lijun Wang)于2000年进行的实验和德国科学家于2007年进行的实验都取得了一定的进展。最初,科学家们坚信没有任何物质或信息能够突破光速,但光脉冲却能够做到。在真空状态下,在不同位置测到的光脉冲似乎以一种难以置信的速度在传播。不过,这一速度仍然无法对我们太空旅行提供太大的帮助。2007年的实验仍然存在争议。

  贝勒大学物理学教授杰拉德-克利弗尔认为,在“量子纠缠”现象中,信息的传播速度似乎比光速快。2007年和2008年的两次实验表明,“量子纠缠”的速度至少是光速的1万倍。未来实现超光速的方法可能是跳跃到多维空间中,不过这种方法目前我们还无法理解。美国宇航局突破推进物理学计划前负责人马克-米利斯现致力于研究星际旅行,他表示,“肯定还有我们没发现的物理学领域。”米利斯举例指出,暗物质和暗能量或许能够为我们带来曙光。

  7. 能否实现时光穿越旅行?

能否实现时光穿越旅行?
能否实现时光穿越旅行?

  由于突破光速极限至今未能得到真正实现,穿越时光旅行似乎更加难以想象。爱因斯坦告诉我们,时光流逝是相对的。距离巨大物体(如地球)中心越远,时间过得越快。太空中卫星上的时钟必须对这种误差进行校准,尽管误差很小,但却真实存在。此外,这种效应在不同的高度是可以察觉的。美国国家标准和技术局去年两次实验都证实了这种理论。因此,我们的大脑比心脏要老化得更快,虽然在人的一生中大脑的年龄仅比心脏年龄大900亿分之一秒。

  科学家研究发现,一个物体越接近光速,时间对它来说就会越慢。因此,一部时光机器就可以简化为一台巨大的离心机,这部离心机可以让一个人以接近光速旋转。不过,美国查普曼大学量子研究中心主任杰夫-托拉卡森认为,这种方式有可能让离心机内的那个人四分五裂。美国亚利桑那大学宇宙学家保罗-戴维斯表示,“要想实现时光旅行,这只是资金和工程学的问题。人类总有一天会迈出这一大步。”

  8. 能否发现另一个宇宙?

能否发现另一个宇宙?
能否发现另一个宇宙?

  即使我们最终解决了关于我们本身、地球以及宇宙的所有谜团,仍然还有一个更大的谜团等待我们,那就是在我们的宇宙之外是否还有其他的宇宙。

  有科学家根据物理学定律的特征,提出了对等宇宙的说法。这种多元宇宙的理论也是量子力学发展的一个必然结果。科学家们认为,这些其他并存的宇宙或我们之前的宇宙或许会在深空中留下证据。英国牛津大学科学家罗杰-朋罗斯和美国耶里万物理研究所科学家瓦赫-古尔扎戴安在宇宙微波背景辐射中发现了他们所说的巨型同心圆,这些同心圆可能就是宇宙多次大爆炸并重生留下的证据。不过这些中心圆区域的温度要低于平均温度。尽管也有其他研究团队证实了这种结构,但朋罗斯研究团队关于宇宙重生留下同心圆的说法仍然引起了广泛争议。在这十年中,还有一些科学家通过对宇宙微波背景的探测发现了相似的证据。因此他们认为,可能有其他的宇宙撞击过我们的宇宙,从而留下了这些“疤痕”。

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