万年科学实验大畅想:生命如何粉墨登场

2012-12-21 10:02:14 来源: 环球科学-科学美国人中文版
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核心提示:如果科学家能开展一些持续数百或数千年的研究,他们最想获得些什么样的信息?就这个问题,环球科学采访了多位顶级科学家。

万年科学实验大畅想
万年科学实验大畅想

两个原子组合成一个分子仅需数皮秒时间(1皮秒为10-12秒),与之相比,人的一生可谓漫长。然而,与许多自然现象(从山脉的隆起到星系的碰撞)相比,人的一生又短如惊鸿一瞥。有些科学迷题,科学家即使穷尽一生也无法解答,只能通过接力的方式一代传一代地让研究持续下去。例如,医学界的纵向调查就是在最初参与调查的研究人员辞世之后,由后继者继续跟踪观察那些调查对象。甚至某些早在20世纪20年代就启动的调研项目,至今仍在进行。而历史上持续时间最长的不间断收集数据的纪录,可能是由古巴比伦人《天文日记》(Astronomical Diaries)创下的。日记记录了公元前1000年-公元元年内至少6个世纪的天文观测资料,由此揭示了日食和月食之类天象出现的规律。

今天,大多数科学研究领域中,都有一些极有意思且意义重大的问题悬而未决,原因就在于科学家生命有限,没有足够的时间来研究这些问题。我们非常好奇,如果时间不在话下,情况又如何呢?最近,我采访了各个领域的顶级科学家,问他们,“如果你有1 000年、10 000年,甚至1 000 000年的时间来观测或实验,你会关注哪些问题?”(为了避免他们跑题,绕开科学大谈那些玄乎其玄的未来远景,我要求他们只能使用今天的技术。)

时间跨度:10 000年

问题:生命如何粉墨登场?

罗伯特•哈森(Robert Hazen),美国乔治•梅森大学地球科学家

众所周知,20世纪50年代初,芝加哥大学的斯坦利•米勒(Stanley Miller)和哈罗德•尤雷(Harold Urey)证明,当条件适当时,生命的某些基本结构单元(比如氨基酸)会自发形成。看来,只要有合适的原料,再等待足够长的时间,搞定生命起源之谜完全不成问题。其实事情没有那么简单。不过,花上10 000年左右的时间,现代版的尤雷-米勒实验说不定会打造出某些具有自我复制能力,可以通过自然选择不断进化的简单分子——简而言之,也就是打造出生命了。

模拟生命起源的实验,必须在一个地质化学条件足以乱真的环境中实施,而且必须从零开始。原始汤中可能曾含有数百万种小分子,这些分子可能以无数种方式彼此结合,发生反应。不过,在海洋中,由于这些分子被高度稀释,任意两个分子相遇的几率非常低,更不用说发生化学反应。因此,最合乎情理的解释应该是,具有自我复制能力的分子最初是产生于岩石表面上的。原始地球的表面潮湿多水,堪称一个巨大的天然实验室,在长达1亿~5亿年的时间内,同时进行着多达1030项微型实验。

一个持续万年的实验,也许能重现上述场景:同时开展大量微型实验。从外面来看,这些分子温床好像是塞满了一排排电脑服务器的机房,但一进去就会发现,它们其实是些含有成百上千个微型反应孔的化学“芯片实验室”。每个反应孔里化合物都有着不同的组合方式,分别在各种不同的矿物表面发生化学反应。芯片会持续监视这些反应,随时注意有无迹象证明,某种分子已进入了持续强化的自我复制状态。

通过筛选、关注那些最有可能得出有趣结果的反应物组合,或许能使实验所需的时间从数百万年缩短至数千年。运气好的话,我们解开生命之迷所需的时间,最终将进一步缩短至数十年。

时间跨度:10 000年

问题:自然界常数真是固定不变吗?

杰拉尔德•加布里埃尔斯(Gerald Gabrielse),哈佛大学物理学家

物理学的基本定律,似乎都是放之四海而皆准的永恒定理。比如,所有的质子均带等量的电荷,光永远以一个速度行进,等等。然而,一些新提出的现实模型却容许常数出现变动,有的天文学家甚至宣称,已经观测到常数的微小变化(不过这些研究尚存争议)。但与此同时,实验室中获得的结果却始终稳定不变,比如我的实验室测量出的电子磁性强度(就我所知,这是对基本粒子性质所进行的精度最高的测量)。不过,如果在数千年的时间里反复进行这个实验,说不定会探测到常数的变化。

为了测量电子的磁性,更确切地说是“磁矩”(磁矩是亚原子粒子的一种特性,相当于条形磁铁的磁场强度),我们用静电场将单个电子约束在一个平面内,并通过磁场迫使该电子作圆周运动。我们让实验装置的温度保持在0.1开(绝对零度以上0.1度)以下,从而使电子在最低能态上运动。然后,我们用射频波使电子的磁性翻转。由于电子的响应(特别是磁性翻转的速率)与它的磁矩有关,这样我们就能够以高达3/10-13的精度测定其磁矩。

如果在整个宇宙历史中,磁矩曾出现千分之一的变化,而且这一变化一直以固定的速率发生,那么我们的实验应该能够测出来。当然,科学永远也无法证明某个参数是绝对固定不变的,它所能证明的只是变动率极其小。而且,现今的变动率有可能远低于早期宇宙时的,因此在实验室中测到这种变化非常困难。不过,如果我们在10 000年内,反复进行实验而又没有观测到任何变化,那些预测常数变化的理论而言在这种稳定性面前可能就站不住脚了(比如,有人宣称,通过对遥远类星体发出的光进行观察,他们检测到,自宇宙早期以来,电磁相互作用的强度发生了微小变化)。

当然,随着科技不断进步,实验室的技术肯定会不断改进。我认为,未来有了更先进的方法相助,我们一定能在远短于10 000年的时间内取得更大的进展。

时间跨度:10 000年

问题:大地震发生的频率有多大?

索恩•雷伊(Thorne Lay),美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校地震学家

2011年3月,重创日本东北部地区的9.0级地震以及由此引发的海啸,令地震学界人士大跌眼镜:几乎无人预料到,引发这场地震的断层,会在一次活动中释放如此大的能量。我们可以通过考察地质状况,间接还原该地的地震活动历史,但这永远也不能替代直接预测。现代地震仪问世仅有一个世纪多一点,在这样短的时间里,我们无法搞清楚那些每隔几个世纪或更长时间才光顾某一地区的巨大地震的发生规律。不过,这些地震仪连续运行数千年后,我们就能更精准地绘制地震分布图——包括确定哪些地区有可能发生9.0级强震,即使这些地区有史以来从未出现过8.0级以上的地震。

数千年积累的资料也有助于搞清另一个问题:超级地震(指8.5级或以上的地震)在世界范围内是不是倾向于集中地爆发?从过去100年的资料来看,这些大地震似乎还真的喜欢扎堆出场,过去10年中就有6次超级地震亮相,而在之前的30年中却一次也没有。在更长的时期中获得的测量结果,将有助于我们了解,这种集中爆发的情况,究竟是与某种物理作用相关,还是仅仅是统计学上的偶然事件?

时间跨度:10 000年

问题:大质量恒星如何爆发?

科尔•米勒(Cole Miller),美国马里兰大学天文学家

超新星爆发相当罕见,在大的旋涡星系如银河系中大概每隔几十年才发生一次。人类最近一次见到银河系中的超新星爆发,是在公元1604年。据约翰尼斯•开普勒(Johannes Kepler)所述,当时这颗超新星的亮度超过了夜空中除金星外的其他所有星星。更近一些时期记载下来的所有超新星爆发全都发生在距地球数百万光年之遥——好在还不是数十亿光年——的其他星系中。如果我们最终可以近距离观察到一次超新星爆发,天文学家将不仅能通过常规的望远镜来观测它,还可以借助两个最新的天文观测平台——可以分别探测中微子和引力波——来弄清这颗爆发恒星内部发生的真实情况。如果你等上一万年,肯定可以看到100或200次超新星爆发,这足以让我们分辨出超新星之间的细微差异了。

银河系中随时可能出现恒星爆炸的事件。爆炸发生之初,全球各地的若干引力波观测台中的电脑屏幕将开始闪亮,意味着空间架构的波动正在经过观测台。引力波是爱因斯坦广义相对论作出的关键预测之一,但至今人们仍未能直接探测到。引力波的出现表明,恒星的内核在自身引力的作用下已经开始坍缩。恒星内的物质被压缩后转变为中子并释放出中微子,而中微子能够不受阻碍地穿越物质,从而透过恒星的外层逃逸到宇宙空间(并最终到达地球的观测台)。坍缩释放出的能量绝大部分由中微子携带,足以炸飞恒星的外层,并使它显得极其明亮。

不过,在有些情形下,恒星塌缩可能会像爆竹哑火那样未能爆炸,但仍会产生引力波,只是不会发光而已。对这一点,我们并不是很有把握,因为迄今为止,我们仅仅观察到了超新星爆发的最后阶段,即可以看得见的阶段(唯一的例外是1987年,科学家曾探测到来自一次超新星爆发的少量中微子)。如果有几千年的时间来观测,那一切都将大不相同。借助未来的新工具,我们或许还能搞定另一个悬而未决的问题——是什么决定了一颗垂死恒星是变成黑洞还是变成中子星。

时间跨度:100 000年

问题:材料是如何被腐蚀的?

克里斯汀•帕松(Kristin Persson),美国劳伦斯伯克利国家实验室理论物理学家兼材料科学家

我们无时无刻不在打造各种各样的东西,但如何知道这些东西能够用多久呢?如果我们要建造核废料容器,那就必须保证容器的寿命能够坚持到核物质不再有危险性的那一天。如果我们不想让地球成为到处都是垃圾的地方,就应该知道塑料及其他物质需要多长时间才能降解。

要想搞清楚上面这些问题,唯一的方法是让这些材料经受100 000年左右的应力测试,并看看结果如何。这样我们才能够打造出真正经久耐用的东西,或是以“绿色”环保的方式自已降解掉。

比如,我们可以对通常用作核废料容器的铜基合金、玻璃等材料进行测试(核废料库应该深埋在仔细挑选的储存点的地下,不过在数千年时间里,地质状况有可能发生预料不到的变化)。实验中,材料将经受加速磨损及化学侵蚀(比如pH值变化)。实验的温度也将忽高忽低地随时变化,以模拟昼夜变化和季节轮替。

那些在长时间尺度上似乎对最严苛的环境都显得很适应的材料,实际上很可能已经发生了难以察觉的退化。因为我们的鉴定手段还不够好,如果材料只是磨掉了几个原子,我们是探测不出来的。只有在经历了上万年后,坏掉的地方才可能逐渐显露出来,从而让我们知道哪种材料是最好的。

对材料进行长期测试的需求,也会促使其他技术极大地发展。例如,当前的实验室技术和模拟手段还无法准确地预测,15年后新型电动汽车的电池性能会怎样。但最终计算机模拟或许会发展到非常先进的水平,取代长期的实验。不过,在没有搞清楚之前,我们在建造需要经久耐用的东西时,应该格外谨慎一些。

时间跨度:100 000年

问题:物种是如何形成的?

杰瑞•科伊纳(Jerry Coyne),美国芝加哥大学进化生物学家

自然界中绝大多数新物种的产生,均是始于某一种群在地理上与其他种群隔绝开来之时。随后,这个种群会慢慢适应当地的环境,并且或迟或早将会获得一些新的特性,以使其要么无法与原先所属物种成功交配,要么交配后产生的后代无生殖能力(也可能两种情况同时出现)。进化生物学中一个尚未解决的重要问题就是:这两种繁殖障碍——也就是使杂交繁殖难以成功和导致后代无生殖能力——哪一种先出现?

“物种形成”往往需要跨越好几个地质年代。虽然我们可以在化石或DNA中看到物种形成的证据,但要想看到这一过程完成,却必须等待上百万年乃至更长的时间(一些文献资料证明,物种形成也存在捷径,这类捷径不要求种群在地理上隔绝,不过这种情况属于特例)。不过,如果有10万年的时间,我们就能够在实验室再现物种形成。

实现这一目标的诀窍就在于,我们需要物色一个能够快速繁殖的物种来进行研究,比如果蝇。研究人员将在实验室中把两个或两个以上的种群隔离开来,让它们接触不同的食物和其他条件。然后再定期检查每个种群是否发生了遗传变异,它们的解剖结构、生理特性和行为习性是否有变化,并且不时地安排不同种群的成员相遇,观察会发生什么情况。

在特定条件下,我和合作者通过考察许多有密切亲缘关系的物种,在进化趋异的各个不同阶段的表现,间接获得了对繁殖障碍的一些认识。对于地理上隔绝的果蝇,我们发现两种繁殖障碍——即交配困难和后代无生殖能力——以大致相同的速率进化出来。而对于共栖于同一地区的果蝇,交配困难似乎出现得更早。但尚不清楚这些结果是否适用于所有生物。

为了加速新物种的形成——比如在100年内——我们可以增强生物的选择压力,并远远超出自然界中通常的情形。20世纪80年代,在一项具有里程碑意义的实验中,研究人员仅通过25代,即培育出了能适应不同环境的果蝇种群,而且它们也喜欢与生存在类似环境的果蝇个体交配。但是,该实验中的条件是人为创造出来的,而且培育出来的两个种群可否被视为不同的“物种”也大成问题。也许,进行一次长时间的实验将会得出更确定的结果。

时间跨度:1 000 000

问题:宇宙是不均衡的吗?

格伦•斯塔克曼(Glenn Starkman),美国凯斯西储大学物理学家

大爆炸巨大热量产生的辐射,一直充塞着整个宇宙。空间探测器已经绘制出了这种宇宙微波背景辐射(CMB)在整个天空中的分布图,并发现除了一些小的随机涨落外,该辐射是极其均匀的,与大爆炸理论的预言完全吻合。这种平滑性意味着早期宇宙本身也是均匀的。但我和合作者通过分析却发现,天空的相对两侧之间存在着对称性过剩(excess of symmetry),另外,按理论推测本应在天空中延伸达60多度的最大涨落也不见踪影。

为了弄清这些异常是宇宙的真实特性还是统计学上的偶然现象,我们需要长期地观测下去。现今我们观测到的CMB辐射分布,是我们在时空所处的特定位置带来的偶然结果。137亿年来,CMB辐射一直不断地从四面八方涌向地球。因此,测绘CMB的分布,意味着要绘出一个环绕地球、半径达137亿光年(光在137亿年中行进的距离)的球面。如果我们有足够长的时间,球面将越来越大,并逐步穿过早期宇宙所在的新区域。这些异常结构尺度极大,CMB球面可能需要十亿年的时间才能穿越它们(到那时球面半径将扩张到147亿光年)。如果给我的时间只有区区1 000 000年,大多数异常现象应该仍然存在,但是可能有微小的变化。到那时,我们也许能够看出,异常现象是将朝着消失的方向发展,还是将持续存在下去。前者意味着异常现象是偶然事件;而后者则意味着可能存在更大的宇宙结构。

时间跨度:1 000 000年

问题:质子有金刚不坏之身吗?

西恩•M•卡罗尔(Sean M. Carroll),美国加州理工学院理论物理学家

宇宙中的通常物质主要由质子构成,这种粒子自大爆炸以来就一直存在。其他各种亚原子粒子,包括中子在内,都可以自发地衰变,但质子却似乎是格外的稳定。不过,某些“大统一理论”(GUT)试图把整个粒子物理学重新解读为某个单一的力的不同表现形式,并据此预测质子也会衰变,其平均寿命与具体的理论有关,最高可达1043年。如果我们等待足够长的时间,最终是否会看到这种衰变发生呢?

为了观察到质子的衰变,我们需要在一个庞大的地下水池中装满水,然后探测水的原子中所含质子发生衰变时发出的微弱闪光。监视的质子越多,探测到一次衰变的机会就越大。利用现有探测装置进行的研究表明,质子的寿命至少也有1034年,这个结果已经把众多大统一理论“扫地出门”了。要得到确定的结论,现有探测器需要持续运行一亿年。但是,如果我们能打造出规模为现在5倍的探测器(像一个足球场那么大,能容纳5 000 000吨水),那么只需1 000 000年就够了。为了实现粒子物理学的统一,等这么久,值得!

{精彩速览}

许多自然现象之所以难于观测,是因为它们跨越的时间幅度非常大,远远超出了人类的寿命。

作者向各个领域的顶级科学家提出了一个问题:如果他们能活上几千年,最可能会进行哪些实验。

当然这些实验只能依靠现有的技术,而且它们所针对的必须是某个无法在更短时间内解决,且极为重要性的问题。

它们能变得多聪明?

“如果我让黑猩猩或其他非人类灵长目动物,朝着认知能力越来越高的方向进化,那么它们能变得多聪明?”

布鲁斯•拉恩(Bruce Lahn),美国芝加哥大学遗传学家

我们能进化得不生大病吗?

“由于不适应饮食结构的变化,越来越多人患上了像糖尿病这样的一些新疾病。那么,数万年后,我们的机体是否已经进化得足够适应了?”

萨拉•蒂西科夫(Sarah Tishkof),美国宾夕法尼亚大学人类遗传学家

我们最终是否会陷入无休止的局部战争中?

“如果几个世纪后,人类耗尽了廉价的化石燃料,又未能找到新的替代能源,那么,我们将从全球型社会倒退回地方化社会。我们是否会走部族纷争的老路,并陷入无休止的小规模战争中呢?”

劳伦斯•史密斯(Laurence Smith),美国加利福尼亚大学洛杉矶分校地理学家

人的脑袋是否会变大?

“产道狭窄是制约人头部大小的主要瓶颈之一。如果在几十万年里持续推行剖腹产,我们的脑部是否会进化得更大?”

卡特琳娜•哈瓦蒂(Katerina Harvati),德国蒂宾根大学古人类学家

晚生晚育会使人的生物学特性出现怎样的变化?

“现代人要孩子的年龄都比以前晚,这将使精子的突变率更高,而且抚养孩子的方式也会有所不同。几万年后,这些文化传统上的转变,会影响我们的生物学特性吗?”

本文作者

马库斯•费尔德曼(Marcus Feldman),美国斯坦福大学数理生物学家

达维德•卡斯泰尔韦奇是《科学美国人》(Scientific American)的特约编辑。

陈雅娟 本文来源:环球科学-科学美国人中文版 作者:达维德•卡斯泰尔韦奇 责任编辑:王晓易_NE0011
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