新年的科学礼物

——10位科学家预测2011年科技发展
日期：2011-01-04 作者：方陵生;赵方宇 来源：文汇报

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   
    □方陵生  赵方宇  编译
    
    科学家一直在密切关注着各个领域内的科技发展趋势，虽然他们无法断定未来十年的科技发展，但他们还是敏感地预测了2011年新的研究方向，包括从基因组学、数学、地球科学等领域内可能取得的进展。这些预言在今年是否能够成为现实，让我们拭目以待，但以下十位科学家应《纽约时报》科学版之邀对未来科技发展的种种可能性的预测，展示了未来科技发展的无限潜力和充满希望的前景，无疑十分振奋人心。
    
近距离观测小行星
    
    海蒂·B·哈默尔
    
    众多因素让2011年成为行星科学界令人激动的一年。最让人期待的可能是“黎明号太空船”将要进入一颗被称为“灶神星”的巨大行星的运行轨道。小行星的形成最早始于46亿年前太阳系诞生之时。从小行星形成之初开始，互相之间就一直碰撞不断，从而分裂成为更小的天体。天文学家想知道，像灶神星这样与行星相似的小行星会变成什么样，例如，灶神星已经形成了一个巨大的地核，甚至有可能已经拥有了磁场。
    
    灶神星的演变历史很有趣，可以从地球上观察到这颗行星表面有许多坑穴。由此能推断出这颗行星内部的爆炸情况，和那些很久以前在这颗行星形成时所发生的一些事情。灶神星的体积曾经非常巨大，然后它融化了，表面产生了很多漂浮物。它的地下结构不仅有坚硬的岩石，还有原来内部融化的金属物质。我们认为，在一次严重的碰撞之后，其金属核心发生了爆炸，地壳部分表面被抛离，由此形成了巨大的坑穴。这些分化出来的大型漂浮物在行星带中运动，有些可能还变成陨石到了地球表面。
    
    在“黎明号太空船”近距离观察了灶神星之后，下一个目标是巨型小行星谷神星，这颗小行星上有含水矿物，甚至可能还有一个稀薄的大气层。通过对这两个小行星进行比较，天文学家希望能对早期地球的形成有更多的了解。
    
全面了解海洋生物多样性
    
    斯图亚特·L·皮姆
    
    2000年，2700名科学家组成了一个海洋生物普查国际网络，开始了科学史上最雄心勃勃的考察活动，对生活在世界各大洋的海洋生物进行一次全面普查。他们在十年的时间里，对海洋进行了拉网式的普查，这一普查项目已于2010年结束。研究人员公布了他们拍摄的6000种左右新发现物种的照片，这些照片展示的海洋生物令人眼花缭乱，叹为观止。这些照片和相关研究数据给我们提供了一个进行全面统计已知海洋物种多样性的机会。
    
    如今科学家正忙着整理分析有关数据资料，以估计海洋中有多少海洋生物和其他有机生物体，今年就可以开始提供一些粗略的估计，以及为何海洋中生物多样性分布不均匀的原因。
    
    我相信通过这次研究所取得的关于海洋生物多样性的数据，能帮助我们在2011年进一步完善那些已发现的新物种的信息。同时我认为，我们不仅仅要去发现更多的物种，而且要思考在海洋里还可能有多少未知物种。同时，我们也逐步建立起一个很重要的观念：多样性的海洋生物是非常脆弱的。我们已知许多大型海洋物种，例如鲸鱼、鲨鱼和大吞拿鱼在很大程度上都会受到人类活动的影响。我们还要认识到海洋里许多生物的分布范围都很小，仅有小部分物种例外。从陆生物种的例子来看，那些分布范围较小的物种更容易灭绝。
    
网游对现实世界的影响
    
    简·麦戈尼格尔
    
    2010年8月，《自然》杂志发表了一篇关于蛋白质折叠的论文，华盛顿大学的研究人员编制了一个可以利用人们电脑空闲时间运行的程序，以免费的电脑资源来搜索蛋白质的准确形状。他们最终发现，拥有电脑者本身也能有助于推动这一研究的发展，科学家们用游戏的形式来充分利用这一群体智慧资源，这款名为“在线蛋白质折叠（Foldit）”的游戏，是一个实验性的蛋白质折叠电子游戏，鼓励人们互相竞争，在游戏中脱颖而出，从而找出最理想的蛋白质折叠形式。网上的Foldit在线游戏玩家社区异常火爆，科学家希望通过游戏促进蛋白质折叠科学的发展。
    
    去年我们在宽带网上推出了一款针对南非年轻人的游戏，通过让他们参与这个在线游戏，帮助其学习、提高商务技能。这种将现实经验和游戏联系在一起的活动仍处于尝试阶段，但是可以看到我们玩的游戏和现实生活的组成其实有很大一部分是相同的。
    
    2011年最让我期待的游戏类似于现实生活中的农产种植。你可以与1900万人同时玩农业经营游戏，可能你被要求为你邻居的作物浇水和喂鸡，但是，想象一下如果你在现实生活中为别人的作物浇水会怎样？当你正巧路过郊区的农场时停下来为作物浇水又会怎样？你可以玩这样的电子游戏，互联网为你提供了一个平台，帮助你了解一些种植的知识，以便在你所居住的社区需要的时候提供帮助。我对那些能够改变我们思考方式和生活方式的新游戏非常感兴趣。所以我正在做一项关于游戏是怎样赋予我们“超能力”的研究。我认为游戏能引发我们思考，帮助我们解决问题，培养必要的乐观主义精神，也提高了在极端条件下的协调能力。
    
高效获得多能干细胞
    
    罗布·卡尔森
    
    胚胎细胞可以生成人体内的任何一种组织，但一旦成为了肌肉细胞、神经元或一些其它类型的细胞，就是不可逆转的。科学家进行了大量的研究，以寻找诱导成体细胞逆转为多能干细胞的途径。将来有一天，就可以利用这种方法通过人体自身细胞获得干细胞，从而让受损的人体器官得以重新生长。
    
    哈佛医学院的德里克·J·罗西和他的同事们创建了人工RNA分子，RNA分子是细胞用于构建蛋白质的模板，利用这些RNA分子制造出了能够将人体细胞重新编程为多能干细胞的蛋白质。然而，罗西的方法也有一个缺点，他和他的同事们使用了一种叫做纤维原细胞的人体细胞，为了收集这些细胞，不得不进行侵入性的活组织切片，然后加以培养，才能获得足够数量的纤维原细胞来进行他们的实验。
    
    2010年7月，哈佛医学院的乔治·Q·戴利博士和他的同事们通过另一种途径获得了成功，他们抽取了健康器官捐献者的血液，对血液细胞进行基因重编程，使之成为多能干细胞。我预测，2011年科学家们会将这些方法结合起来：他们将抽取一些血液，放入RNA调制成的“鸡尾酒”中，这种方法可以更经济、更快速并且更方便地产生干细胞。
    
    近1～2年内，我对于科学和基因组学最期待的莫过于在制造干细胞领域能取得的成果。通过将从成人组织中提取的多功能性干细胞运用到很多不同研究中，我们在2010年取得了许多有趣的成果。在接下来的一段时间里，我期望研究人员用RNA最终就能将成人血液细胞转化成干细胞。我想用不了多久，我们就能看到使用由血液制造出的干细胞对不同身体组织的治疗方法，这种疗法将彻底改变我们对传统治疗的观念。
    
气候变化研究
    
    肯·考尔代拉
    
    每隔几年，政府间气候变化小组都会发布一份气候科学现状及未来气候变化的报告，最近的一次是2007年的报告，其结论是，自20世纪中期以来全球平均气温上升最重要的原因，很可能是由于人类向大气中排放的数十亿吨温室气体造成的。
    
    IPCC还对未来进行了预测，基于不同的假设，预测了人类社会在下一个世纪的变化。IPCC预测，如果2050年左右世界人口达到高峰，世界经济向信息技术和服务行业的方向转移，到2100年全球平均气温将可能上升1.1～2.9摄氏度，另一方面，如果世界经济继续依赖于化石燃料，全球平均气温很可能上升2.4～6.4度。
    
    2007年使用的气候模型比以前的气候模型要复杂得多，但当时气候科学家认为还有很多改进的余地。目前，IPCC在世界很多地区都设置了模型小组来做相同的模拟试验，以便能相互比较，这些小组同时也收集气象站的观测数据及其他数据。大部分的科学研究都是慢慢进步的，但很少能突飞猛进，当然，很多被认为是伟大的飞跃都要经过时间的考验后才最终被认定为里程碑式的发现。
    
癌症基因组学的贡献
    
    大卫·豪斯勒
    
    科学家花了15年时间和30亿美元完成了第一个人类基因组的序列测定，今天这个成本已经下降到了2万美元，并有望在今后几年时间里继续下降。随着成本的下降，科学家可以更快的速度测序人类基因组。国际癌症基因组协会将于今年4月开始，对多种癌症约25000个基因组进行测序。2011年我们将看到这一研究的一些初步成果。
    
    基因组学在过去10年间是一个非常有趣的领域。自2000年我们成功排列出第一个人类基因组后，这个基因组现在被称为人类参考基因组，99.9%的人们都相信这组基因解开了很多关于人类的谜题，并告诉我们人类与这个星球上其他动物的关系和在进化历史中的地位。在接下来的一年内，我期望能看到更多一些关于古生物和人类移民基因组，以及对基因组学发展历程回顾的新闻。同时，我们要更深入研究不同种类细胞生物如何活动，这项研究能够运用于人类健康领域。如果我们可以为每个人排列出其从父母出继承来的独特DNA，那我们就能更准确地预测出其对于药物治疗的反应，或是能知道其对何种疾病缺乏抵抗力，再提出有效的保护方案。
    
    到目前为止，个人基因排列仍仅关注于微小的DNA排列变动。从明年开始，我相信你们就可以看到自己完整的基因组排列。另外也可以将你从父母那里继承来的基因组排列出来。如果你得了诸如癌症类的疾病，当基因突变引发的肿瘤在你体内生长时，只要提取出这个肿瘤的样本，排列出肿瘤细胞的基因组，就能知道此肿瘤发生了什么基因突变从而形成癌症。我期望在2011年里能看到此项技术的广泛应用，因为这项技术能给那些被告知自己要死于癌症的患者带来福音。
    
生命体介入工程设计
    
    查尔斯·M·维斯特
    
    在20世纪，工程师和生物学家从事的是不同的科技领域，生物学家研究细胞和组织，了解它们的工作机制，而工程学家则以他们的物理学和化学知识，设计桥梁、建筑物和工厂。
    
    近年来，工程师们开始对生命科学注入了更多的关注。在数十亿年的时间里，进化的过程不断地对生命体进行着微调，赋予了生命许多属性——效率、力量和灵活性等，这些属性也为工程师们所喜爱。现在，受到生物学进展启发的工程学正在工程学的多个领域内崭露头角，有时，工程师努力地模仿自然，有时，则直接将生命要素结合到他们的设计中去。
    
    例如，荷兰代尔夫特大学的研究人员正在开发一种加入细菌的混凝土。当混凝土产生裂缝时，休眠的细菌就会被唤醒，分泌出石灰岩成份，起到让裂缝愈合的效果。我预测，2011年将有更多这类有生命体介入的工程设计出现。
    
    有很长一段时间，生物学家和其他科学家们不能理解为什么从动力学角度来看吞拿鱼可以游得那么快。吞拿鱼是世界上游的最快的鱼类之一。几年前一组麻省理工大学的学生最终发现了原因，在漫长的进化过程中，吞拿鱼的头部变得尖锐，能将水流的阻力从头部转移。它们的身体摆动方式与鱼鳍的运动正好能形成一股气流，这股气流能像一般鱼类通过尾部运动产生的动力一样推动吞拿鱼前进，并帮助它们用一半的能量就能快速游动。
    
    10至15年之前就已经有很多大学开始将现代生物学列入必修课程。我认为现在的确有必要开始让工程师们思考一些全新的东西并开始关注自然。回顾过去几十年，我们可以发现有很多人一直在关注生物工程和设计，所以这并不是一个全新的领域，正是这些关注才使生物工程研究在过去十年间得以快速深入发展。现在，生物学正逐渐与物理、化学一样变成工程学的一项基础学科。
    
发现大脑记忆的物理组织
    
    安德烈·A·芬顿
    
    我的预测是，2011年我们将发现大脑记忆的物理组织。
    
    几十年来神经科学家一直在人类大脑中搜寻记忆的物理标记。他们发现的证据表明，记忆通过神经元的联系而形成，神经元不断长出新的分支，与其他神经元进行沟通，原来的神经元分支渐渐变强或变弱。最近几年里，芬顿博士和其他研究人员发现，在这些神经元分支里存在一种被称为PKMzeta的分子，就是这种分子让记忆保存下来，若是阻断了PKMzeta分子，记忆就会消失。
    
    这一发现开辟了神经科学领域内一个令人兴奋的前景。科学家们可以训练动物来执行一些简单的任务，然后对完成任务和没完成任务动物的大脑进行比较。PKMzeta分子在大脑里应该是以一种独特的分布方式来形成新的记忆，科学家们可将与动物记忆学习内容有关的所有神经元及其分支绘制出来，在科学发展史上，科学家将第一次能够看到某个特定的记忆。
    
    近年来遗传学研究取得了很大的进步，为研究在神经细胞中加入分子奠定了基础，当没有光照时，这些分子能激活神经细胞或是使之失活。通过这种方式我们就能够锁定大脑特定部位的指定细胞，激活或使其失活，并观察结果。目前，这类实验技术已经在一些知名实验室中被运用。通过研究，他们将能为我们解开许多不可思议的谜题：如何分辨出特定种类的细胞？细胞发挥着什么作用？它们在什么时候会发挥它们应该发挥的作用？另一项关于成人神经细胞工作状态的研究也很有趣，很多人都曾听说：到了一定的年龄，人的大脑将会停止生长。现在试验表明，这句话并不正确。人类一生中每一天都会长出新的神经细胞。对于那些不了解神经细胞的功能、作用，及不清楚神经细胞为大脑提供了什么的人，我希望很快能有明确的研究来告诉他们神经细胞到底是什么。
    
科学的未来在电脑
    
    史蒂芬·斯托加茨
    
    计算机已经越来越多地接管了以往由人类来做的一些事情，包括制定行车路线、安排地铁列车的营运等，甚至已经深入到了科研的核心之中。计算机所做的工作不仅仅是绘制漂亮的圆形分析图之类，计算机还可以做一些一直都是由科学家来做的事情：列出解释复杂数据现象的数学方程式。例如，Eureqa程序就是一个由康奈尔大学工程师霍德·利普森和他的学生创建的一位“电脑科学家”。2009年时他们在报告中称，仅仅通过观察一个钟摆，Eureqa就能够重新发现牛顿的一些物理学定律。
    
    “电脑科学家”可能加快科学发现的步伐，但在此过程中，可能会改变科学本身的性质。几个世纪以来，科学家们依靠灵感之瞬间一闪念解决了许多问题，但是，“电脑科学家”得出的公式对进行一些预测大有助益，但这些通常对于人类科学家来说却是不可思议的。
    
    科学的未来可能不在于人类，而是在于电脑。霍德·利普森和他的学生最近正在从事的研究有可能引起一场全新的革命。这个名为“Eureqa”的程序到底能做什么呢？它可以从计量法则、生物细胞或是机器测量等任何系统中获取数据，并由此通过人工智能得出这些神秘而复杂数据的规律。在科学中有些一直存在的问题，比如看到钟摆的时候，你会想它的运动频率是什么；想到星球围着太阳公转的时候，你会想知道太阳是不是确定一直在行星运行轨道上，这些都是自古以来已经被解决的著名的问题。对我来说最有趣的是，可能有些问题的答案并不是一定的，影响因素的千变万化，导致人类在有限的时间内根本不能用科学经验来解决这些问题，从另一方面来看，可能电脑可以代替人类解决这些难题。
    
印度洋将成为研究焦点
    
    迈克尔·J·麦克费登
    
    海洋覆盖了地球的百分之七十，但至今为止仍然是一个几乎未被探索的世界。在这个海洋世界里，印度洋一直是一个特别神秘的地方。
    
    印度洋的大洋环流及其变化温度可以引起大气层的重大变化，从而对整个地球产生影响。这些波动对印度的雨季、美国西北部的降雨，以及大西洋上空形成的飓风都会产生影响。这种被称为“马登-朱利安振荡（MJO）”的波动力量极其强大，其风力甚至可以引起地球自转加快或放慢。
    
    2011年10月，汇集在印度洋的科学家将对MJO的运动机制进行研究。他们将在海洋中部署多种传感器，尝试跟踪初始阶段的振荡，如果这一计划获得成功，将有助于科学家了解引发新的振荡的条件，并预测其长远影响。
    
    海蒂·B·哈默尔（Heidi B.Hammel）
    
    航天科学研究所高级研究员
    
    专业领域：空间科学
    
    “黎明号太空船”于2010年7月进入了一颗大型天体——小行星灶神星的运行轨道，近距离观察小行星，通过近距离观察，我们将可以了解到有关小行星形成历史的众多令人神往的奥秘。2011年，“黎明号太空船”将要进入这颗行星的轨道，并将对其表面和内部进行全面仔细的勘察。
    
    斯图尔特·L·皮姆（Stuart L.Pimm）
    
    杜克大学生态保护学教授
    
    专业领域：生态保护
    
    海洋中到底有多少海洋生物，我们一直不清楚。2011年我们将会对海洋生物的多样性有一个全面的了解，这是一个真正激动人心的好消息，因为一直以来，我们对海洋的了解都太少。
    
    简·麦戈尼格尔（Jane McGonigal）
    
    未来研究所游戏研究和开发总监
    
    专业领域：游戏设计
    
    2011年对现实世界产生影响的游戏将占据更加重要的地位。随着宽带互联网接入和电脑速度的提高，网络在线游戏是一个不可忽视的力量。全世界每周玩在线游戏的时间为30亿个小时，网络游戏的投资也将继续增长。2011年，我们将看到与气候变化有关的游戏，我们还将看到围绕医学创新展开的游戏。
    
    罗布·卡尔森（Rob Carlson）
    
    Biodesic公司创始人、总裁、工程与设计首席顾问专业领域：生物技术
    
    2011年科学家们会将已有的多能干细胞的培养方法结合起来：他们将抽取一些血液，放入RNA调制成的“鸡尾酒”中，瞧！多能干细胞就此获得。这种方法可以更经济、更快速并且更方便地产生干细胞。我预测，2011年人体细胞将有可能逆转为多能干细胞。
    
    肯·考尔代拉（Ken Caldeira）
    
    卡内基研究所气候科学家专业领域：气候变化
    
    自联合国政府间气候变化委员会（IPCC）上一次报告以来，对气候模型的大部分改进都很有限，在预测能力上估计不会有很大的飞跃。IPCC预测，到2100年全球平均气温将可能上升1.1至2.9摄氏度，另一方面，如果世界经济继续依赖于化石燃料，全球平均气温很可能上升2.4～6.4度。
    
    大卫·豪斯勒（David Haussler）
    
    生物分子科学与工程研究中心主任专业领域：基因组学
    
    如果你得了诸如癌症类的疾病，当基因突变引发的肿瘤在你体内生长时，只要提取出这个肿瘤的样本，排列出肿瘤细胞的基因组，就能知道此肿瘤发生了什么基因突变从而形成癌症。我期望在2011年中能看到此项技术的广泛应用，因为这项技术能给那些被告知自己要死于癌症的患者带来福音。
    
    查尔斯·M·维斯特（Charles M.Vest）
    
    美国国家工程院院长
    
    专业领域：工程学
    
    在一个令人惊讶的较短时期内，我们将看到生物灵感和生物工程将成为工程学系统的中心，并将因此进入工程学的一个新时代。我预测，2011年将出现更多有生命体介入的工程设计。
    
    安德烈·A·芬顿（AndréA.Fenton）
    
    纽约大学神经科学研究中心教授
    
    专业领域：神经科学
    
    很多人都曾听说：到了一定的年龄，人们的大脑将会停止生长。现在试验表明，这句话并不那么正确。人类一生中每一天都会长出新的神经细胞。我希望很快能有明确的研究来告诉人们神经细胞到底是什么。
    
    史蒂文·斯托加茨（Steven Strogatz）
    
    美国康奈尔大学应用数学教授
    
    专业领域：数学
    
    2011年，“电脑科学家”准备为科学事业作出更大贡献。科学的未来可能不在于人类，而是在于电脑。很多困扰科学家的问题答案并不确定，影响因素的千变万化，导致人类在有限的时间内根本不能用科学经验来解决这些问题，而电脑则可以代替人类解决这些难题。
    
    迈克尔·J·麦克费登（Michael J.McPhaden）
    
    太平洋海洋环境实验室资深科学家
    
    专业领域：海洋科学
    
    2011年10月，一个国际科学家小组将汇集在印度洋，科学家将在印度洋部署许多许多能够在那里工作几十年的各种仪器设备，并将触角伸展至全球范围，收集到的数据将彻底改变人们对海洋生态系统的认识。