什么想法會(huì )改變我們對于周遭世界以及我們與世界的關(guān)系的理解呢？英國《新科學(xué)家》雜志最近刊發(fā)文章，羅列了諸多能夠真正改變世界面貌的科學(xué)進(jìn)展和科學(xué)想法，近距離向我們展示了哪些科學(xué)進(jìn)步會(huì )真正讓科學(xué)研究領(lǐng)域煥然一新，同時(shí)刷新了人們對于世界的認知。

    這些想法涵蓋生物學(xué)、生命和地球科學(xué)等10個(gè)領(lǐng)域，包括DNA（脫氧核糖核酸）折紙術(shù)、超級進(jìn)化、大腦地圖、拓撲絕緣體等等。有些想法是天才的靈感一現；有些想法還處于最基礎的萌芽階段，但卻可能會(huì )帶來(lái)巨大的突破；而還有些想法則糾正了人們以前對于世界的認知。不管怎樣，所有這些想法都將改變科學(xué)發(fā)展的面貌，其帶來(lái)的影響也不可估量。

    地球科學(xué)

    從徹底從世界消失到未來(lái)會(huì )變成死海一片，與地球有關(guān)的科學(xué)從來(lái)不乏各種有關(guān)“世界末日”即將到來(lái)的寓言。

    （1）Hangenburg事件（泥盆紀與石炭紀的分界線(xiàn)）：重返地球遠古的審判

    生命發(fā)展的進(jìn)程中充斥著(zhù)各種大動(dòng)蕩，繁榮多樣的一個(gè)紀元之后是大規模滅絕的另一個(gè)紀元。3.59億年前發(fā)生于泥盆紀晚期的大滅絕事件——Hangenburg事件，也是其中的插曲之一。

    泥盆紀晚期是脊椎動(dòng)物出現的關(guān)鍵時(shí)期。那時(shí)，很多原始生物滅絕；鯊魚(yú)和硬骨魚(yú)成為水域“霸主”；四足動(dòng)物最終進(jìn)化成恐龍和哺乳動(dòng)物，統治了陸地。

    這是一個(gè)漸進(jìn)的變化，而變化的驅動(dòng)力來(lái)自于泥盆紀2500萬(wàn)年間此起彼伏的物種滅絕。不過(guò)，現在看來(lái)，與Hangenburg事件相比，這些滅絕都是“小菜一碟”，因為該事件幾乎清除了所有典型的泥盆紀物種，為新的世界秩序鋪平了道路（《美國國家科學(xué)院院刊》第107卷，第10131頁(yè)）。

    這次災難的“罪魁禍首”是什么目前并不清楚，但科學(xué)家對其重要性進(jìn)行了徹底的評估，結果表明，古生物化石可以成為新思維誕生的沃土。

    （2）死海：氣候變化壓倒一切

    雖然我們?yōu)闅夂蜃兓o陸地生物（例如人類(lèi)自身）帶來(lái)的短期效應而煩惱不已，但全球變暖已經(jīng)給世界的海洋系統帶來(lái)了更加隱秘的威脅。在幾百年的歲月中，因氣候變化而發(fā)生改變的大氣所排放的熱量會(huì )慢慢滲入海洋，而溫水溶解氧的能力遠遠低于冷水，因此，很多海洋魚(yú)類(lèi)和其他生物可能會(huì )因為缺氧而窒息死亡。

   一些海洋里已經(jīng)出現了無(wú)氧的“死亡地帶”，包括位于墨西哥灣的一個(gè)上千平方公里的區域，計算機模擬結果表明，在未來(lái)的2000年內，氣候變化將使這塊區域的總面積增加7倍。（《自然·地理科學(xué)》，第二卷，第105頁(yè)）。

    即使我們不關(guān)心魚(yú)類(lèi)，那些魚(yú)因為缺氧而騰出來(lái)的空間也可能成為能夠排放氧化亞氮的細菌生存的“溫床”，氧化亞氮同樣是一種強大的溫室氣體。研究這種反饋過(guò)程可能發(fā)生的嚴重程度并制定出應對策略將是氣候科學(xué)家們在未來(lái)幾年的當務(wù)之急。

    （3）海洋觀(guān)測：給海洋“通電”

    地球上的海洋非常遼闊，未被開(kāi)墾的地方充滿(mǎn)了謎團。海洋在氣候變化中到底扮演什么角色？地震如何在海底俯沖區內發(fā)生？海底地震釋放出的能量為什么能夠占全球地震釋放能量的90%？海底和海底以下的生命是什么樣的？

    缺乏數據是解決上述問(wèn)題和其他問(wèn)題的“攔路虎”，但一個(gè)新項目應該可以改變這種狀況?？茖W(xué)家們的海洋觀(guān)測行動(dòng)摒棄了以往基于船只遠征帶回數據的傳統做法，而采用了給海洋“通電”的新方案，通過(guò)傳感器組成的網(wǎng)絡(luò )，將美國沿海區域、遠至太平洋和大西洋的海洋表面和海底串聯(lián)起來(lái)，傳感器收集到的科學(xué)和視頻數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)不僅發(fā)送到實(shí)驗室，還發(fā)送給學(xué)校和家庭。

    這項工作自從去年開(kāi)始一直在有條不紊地進(jìn)行。接下來(lái)，與海洋的實(shí)時(shí)互動(dòng)將成為我們探索地球最后邊界的突破口。

    （4）地球工程：更多干預是解決地球疾病的辦法？

    根據英國皇家學(xué)會(huì )的定義，地球工程指的是“通過(guò)故意大規模地改變地球的環(huán)境，來(lái)應對氣候變化”。它包括兩個(gè)方面：一是將進(jìn)入大氣層的太陽(yáng)光反射回太空；二是消除空氣中的二氧化碳并將二氧化碳儲存到地下。

    關(guān)于第一個(gè)方面，將能夠反射太陽(yáng)光的硫鹽酸氣溶膠注入上層大氣中是一個(gè)相對便宜、簡(jiǎn)單、快捷的選擇，火山爆發(fā)事件已經(jīng)證明這種辦法很有效。但如果不同時(shí)大幅減少二氧化碳的排放，這樣的項目就必須無(wú)休止地進(jìn)行下去，因為一旦項目暫停，地球的溫度就會(huì )急劇上升。它也會(huì )干擾給幾十億人亞洲人帶來(lái)雨水、給亞洲農田帶來(lái)“甘露”的季風(fēng)。這些未知的因素使國際之間難以就這些措施達成協(xié)議。

    相比較而言，二氧化碳捕獲和存儲技術(shù)（CSS）在政治上的分歧似乎微乎其微。但這些技術(shù)與注入氣溶膠技術(shù)相比還不成熟，而且也比較昂貴，其好處可能需要更長(cháng)時(shí)間才能顯現。

    牛津大學(xué)扎伊爾德商學(xué)院科學(xué)、創(chuàng )新和社會(huì )研究所主任史蒂夫·雷納表示，這種二分法是地球工程問(wèn)題的核心。地球工程的可能性代表著(zhù)科學(xué)與自然關(guān)系的一個(gè)全新領(lǐng)域，但我們也應該謹慎行事，牢記之前忽視核能、忽視轉基因作物帶來(lái)的危害。

    （5）地球掃描：地球下面是什么？

    相比于地球內部，我們對外太空的了解更多。但地質(zhì)學(xué)家現在可以聽(tīng)到整個(gè)地球最微小的震動(dòng)發(fā)出的隆隆聲。分析這些震動(dòng)的速度和強度可以夯實(shí)我們對地底的了解。

    例如在北美洲開(kāi)展的USArray（臺陣）項目就是其中一個(gè)雄心勃勃的計劃，旨在探測北美大陸的結構、變形及演化過(guò)程。滾動(dòng)臺陣由400個(gè)寬頻帶地震臺站組成，以從西向東滾動(dòng)的方式掃過(guò)整個(gè)北美大陸內部，它揭示了黃石國家公園地下的超級火山如何從地底1000公里深處的熾熱地幔中獲取熱量。還有其他項目展示了印度大陸如何支撐起整個(gè)喜馬拉雅山脈。

    2011年，科學(xué)家們將登上日本一艘名為“地球號”的深海鉆井船，他們希望通過(guò)鉆開(kāi)一塊薄的大洋地殼到達地球的地幔。如果該計劃取得成功，我們將首次直接探測到巖石如何在地幔中循環(huán)并同地?；旌显谝黄?，以及地幔這口翻騰的大鍋如何讓板塊形成并最終形成地球表面的。所有這些都是與我們這個(gè)未知星球有關(guān)的重要問(wèn)題。

    生態(tài)學(xué)

    如果你認為進(jìn)化僅僅關(guān)注的是個(gè)人將其基因遺傳給后代以便為織起一個(gè)穩固的生命之網(wǎng)和財富之網(wǎng)而做好準備的話(huà)，那你就大錯特錯了。

    （6）生物造成的氣候變化：地球的進(jìn)化

    在大約10億年前到5億年前時(shí)，地球歷史上經(jīng)歷過(guò)一段奇異旅程。在這段旅程的最開(kāi)始，現代真核生物繁榮昌盛，但它們僅僅只作為單核細胞而繁衍生息；而在這段奇異之旅的終點(diǎn)，世界同現在的世界非常相像，到處都是巨大的植物、無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)。

    生態(tài)記錄顯示，在這兩個(gè)節點(diǎn)之間，地球也在極端熱的時(shí)期和成為“雪球地球”（距今大約6.35億年前地球被冰雪所覆蓋）的冰川期之間瘋狂地來(lái)回擺蕩。傳統的觀(guān)點(diǎn)認為，諸如大陸架之間的碰撞等地質(zhì)過(guò)程造成了這種氣候的不穩定狀態(tài)。然而，現在有越來(lái)越多的人意識到，生命進(jìn)化過(guò)程中的反饋起著(zhù)關(guān)鍵的作用。

    例如，有人會(huì )問(wèn)，雪球冰川可能是由多細胞海藻和海綿的進(jìn)化引起的嗎？這兩種生物可能都依靠空氣中的溫室氣體為生，它們對溫室氣體的消耗減少了空氣存儲熱能的能力，但是，當它們死亡時(shí)，碳也將隨之沉淀到海底。

    雪球冰川會(huì )導致地球死亡，那么，地球最終會(huì )通過(guò)擁有直腸子的生物的進(jìn)化產(chǎn)生的碳循環(huán)而生存下來(lái)嗎？有一點(diǎn)令科學(xué)家既好奇又疑惑，那就是，雪球冰川在這些發(fā)明了碳循環(huán)的動(dòng)物進(jìn)化之前就廣泛地存在，然而，當這些動(dòng)物進(jìn)化完成之后，雪球冰川從未曾出現過(guò)。

    英國牛津大學(xué)的微古生物學(xué)家馬汀·布拉西爾表示，這樣的問(wèn)題不僅僅是科學(xué)家的奇思妙想。當我們試圖探究我們自身對于地球氣候的影響時(shí)，這些問(wèn)題給我們提供了一個(gè)新的思考維度，讓我們從新的角度來(lái)審視地球的歷史以及在地球上生活的生物的作用。

    （7）生命之網(wǎng)：不依賴(lài)發(fā)散的“樹(shù)思維”

    我們逐漸開(kāi)始意識到，細菌的基因組是一個(gè)大拼盤(pán)?；蚩赡軗碛胁煌膩?lái)源，不僅僅來(lái)源于同一個(gè)祖先，即使同樣物種的兩個(gè)菌株之間，也將有一半不同的基因。

    導致這種情況的主要“肇事者”是“側生的”基因轉移，在基因轉移的過(guò)程中，組成基因的成分從一種細菌轉移到另外一種細菌，轉移的方式很多，有的進(jìn)入另外一種基因的生存環(huán)境，隨后被這種基因吸收；有的通過(guò)細菌或者病毒的作用。這種基因轉移會(huì )在物種之內發(fā)生，也會(huì )在物種之間發(fā)生，甚至會(huì )出現在不同門(mén)類(lèi)的細菌之間。由此造成的一個(gè)結果是，沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的模式可以定義細菌物種之間的關(guān)系。具有整齊的、縱橫交錯的分支的生命之樹(shù)已經(jīng)被連根

    拔起。達爾文的《物種起源》中曾經(jīng)無(wú)數次提到這棵生命之樹(shù)，對它唯一的圖解是書(shū)中一個(gè)枝枝杈杈的結構，向人們展示一個(gè)物種如何能夠演化出更多物種。

    加拿大達爾豪西大學(xué)的分子生物學(xué)家福特·杜里特爾說(shuō)，我們現在承認，如果要想理解進(jìn)化的過(guò)程，我們可以不依賴(lài)發(fā)散的“樹(shù)思維”。更重要的是，科學(xué)家提出宏基因組（對環(huán)境樣品中微生物群體基因組進(jìn)行分析的一種方法，強調細菌群落以及在此層面上的功能性基因活動(dòng)之間的差異）這一新概念，將使人們能夠更加清晰地洞悉縱橫交錯的生命之網(wǎng)中的各種關(guān)系。

    （8）超進(jìn)化：一切為了共同的利益而改變

    在我們對于進(jìn)化的研究中，過(guò)去的半個(gè)世紀是簡(jiǎn)化論的天下，那時(shí)，科學(xué)家使用個(gè)體的自我利益和自私基因來(lái)解釋每件事情?，F在，我們正邁入整體論的時(shí)代，該理論承認人類(lèi)社會(huì )以及多物種組成的生態(tài)系統在選擇性壓力面前可以作為一個(gè)單一的“超組織”來(lái)應對。

    轉折點(diǎn)出現在上世紀70年代，生物學(xué)家林恩·馬古利斯提出，復雜的、有核的細胞是作為細菌細胞共生的結合體而產(chǎn)生的?，F在，科學(xué)家都知道，每個(gè)作為生物體的生命都是單個(gè)細胞高度集合的組織體，這使人們很難否認生物體組織自身能夠擁有類(lèi)似生物體的特性，因此，它們能夠一起進(jìn)化。

    在利己主義盛行的時(shí)代，群體選擇過(guò)程似乎被武斷地拒絕。但是，達爾文正確地解釋了這一點(diǎn)：利他主義表現的是“為了整個(gè)組織的利益”，不管這種組織是一個(gè)物種還是一套生態(tài)系統，這種組織或者生態(tài)系統都需要一個(gè)組間選擇過(guò)程來(lái)進(jìn)化，組織內的個(gè)體選擇會(huì )削弱這種組織或者生態(tài)系統的發(fā)展。

    紐約州立大學(xué)的生物和人類(lèi)學(xué)教授大衛·斯隆·威爾森表示，對于我們來(lái)說(shuō)，有一種想法很新鮮，那就是更高層次的選擇并非總是一成不變地被低層次的選擇戰勝，并且，確實(shí)有時(shí)候低層次的選擇會(huì )勝出?，F在，我們必須認識到這種洞見(jiàn)的意義，因為其涵蓋范圍非常廣，從生命的起源到生態(tài)系統的結構再到宗教以及人類(lèi)的生物文化進(jìn)化的本性等等。

    （9）金融生態(tài)：建立經(jīng)濟生態(tài)系統

    生態(tài)學(xué)是一門(mén)年輕的科學(xué)，而且處于不斷地發(fā)展進(jìn)化之中。隨著(zhù)生態(tài)學(xué)從一種描述性的科學(xué)轉變?yōu)橐环N具有更加堅實(shí)的概念支撐的科學(xué)，“自然的平衡”這一富有浪漫主義色彩的觀(guān)念已經(jīng)讓位于我們對食品網(wǎng)絡(luò )的結構如何維持生態(tài)系統的富足這一問(wèn)題更加詳細的理解。

    經(jīng)濟學(xué)也可以從中受益，最近的銀行危機使得這一點(diǎn)變得非常清楚，那就是，越來(lái)越復雜的管理個(gè)人金融機構中的風(fēng)險的策略仍然與人們對整個(gè)金融系統作為一個(gè)整體存在的風(fēng)險的關(guān)注不相匹配。并且，關(guān)于經(jīng)濟中存在的“自然平衡”，我們仍然可以從許多紅包豐厚的銀行家嘴里聽(tīng)到，這種自然平衡就是，如果從監管機構處那兒獲得充分的自由，不可見(jiàn)的手會(huì )有效地產(chǎn)生“一般均衡”。

    牛津大學(xué)生態(tài)學(xué)家、動(dòng)物系教授、2000年至2005年曾任英國首相科學(xué)顧問(wèn)的羅伯特·梅表示，“銀行生態(tài)系統”簡(jiǎn)單的數學(xué)模型就可以提供新鮮的思路。這些數學(xué)模型會(huì )捕捉相互作用的金融網(wǎng)絡(luò )中很多必需的動(dòng)力，并且，這些數學(xué)模型也與人們早前在生態(tài)系統的穩定性和復雜性方面所做的工作具有有趣的相似和明顯的不同。隨著(zhù)我們嘗試開(kāi)始建立解決系統性風(fēng)險的金融生態(tài)系統，這樣的模型將變得越來(lái)越重要。但是，顛覆根深蒂固的思維方式并非易事。

    遺傳學(xué)

    討論完基因組之后，我們接下來(lái)開(kāi)始討論下一個(gè)層次：互作組（interactome，基因和蛋白質(zhì)的相互作用）以及表型組（phenome，某一生物的全部性狀特征）。這兩個(gè)概念是現階段的科學(xué)研究重點(diǎn)，這兩個(gè)領(lǐng)域的突破將會(huì )讓很多生物技術(shù)的奇才和許多類(lèi)似“侏羅紀公園”的標題出現在報紙的頭版。

    （10）1000人染色組分析項目：對人類(lèi)種群進(jìn)行分類(lèi)

    人類(lèi)基因組圖譜早在10年前就已經(jīng)繪制完成，這是一項偉大的成就。但是，如果想讓基因組學(xué)充分發(fā)揮其潛能，例如對抗疾病，我們就需要知道個(gè)體之間有多少DNA序列存在差異。人類(lèi)遺傳基因中的99％以上在全人類(lèi)內是同樣的，因此，理解剩余的一點(diǎn)點(diǎn)遺傳差異，就成為確認不同人對疾病的感受性、對藥物的響應能力及對環(huán)境因子的反應的差異的線(xiàn)索。

    在接下來(lái)的5年內，我們應該可以做到。于2008年啟動(dòng)的千人染色體組分析項目（1000 Genomes Project）是一個(gè)公私合作的項目，旨在繪制出人類(lèi)基因組差異的詳細圖譜。項目首期有885人參與，并已于今年6月份完成，研究人員找到了大約1600萬(wàn)個(gè)DNA差異，其中的一半以前沒(méi)有被發(fā)現過(guò)。據估計，可能存在著(zhù)大約6000萬(wàn)個(gè)這樣的差異。

    整個(gè)項目將分析2500個(gè)人的基因組，這些人來(lái)自于全球27個(gè)種群，這個(gè)項目目前正在如火如荼地進(jìn)行中，而且，所獲得的數據供全世界免費享用。

    (11)古遺傳學(xué)：從過(guò)去獲得DNA的藍圖

    我們一直認為，為已經(jīng)滅絕的物種繪制出基因藍圖是一個(gè)“不可能的任務(wù)”。然而，在今年5月份，一個(gè)國際科學(xué)家團隊完成了尼安德特人的基因組測序工作，并將研究結果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。什么發(fā)生改變了呢？

    基因組測序變得越來(lái)越快，也越來(lái)越便宜，一次能夠為成千上萬(wàn)個(gè)基因組進(jìn)行測序讓古遺傳學(xué)家可以將受損的DNA拼接在一起，并且拋棄壞掉的部分。他們也能夠從一個(gè)遠古物種的化石樣本抽取出5%的基因組，讓它同一個(gè)相關(guān)的現存物種的DNA相匹配。在過(guò)去的5年中，這種方法已經(jīng)讓科學(xué)家繪制出了幾個(gè)物種的基因組，包括一個(gè)4萬(wàn)年前的洞熊、一頭猛犸象以及尼安德特人。

    這些成果告訴了我們很多關(guān)于人類(lèi)自身的信息，比如，對尼安德特人的基因組進(jìn)行測序后的結果表明，現代人與尼安德特人非?？赡茉谛》秶鷥劝l(fā)生過(guò)交配，時(shí)間可能是現代人走出非洲，在中東遇到尼安德特人之時(shí)。遠古的DNA序列能夠被用來(lái)復活已經(jīng)滅絕很長(cháng)時(shí)間的物種，正如電影《侏羅紀公園》中所描述的，這一想法非常有趣，但是，我們從來(lái)不能夠對任何事情說(shuō)“從不”。

    (12)蛋白質(zhì)之間交互作用組：繪制出分子的復雜性

    蛋白質(zhì)和RNA（核糖核酸）都是一些基因編碼的分子，它們很少獨立作用。許多蛋白質(zhì)同其他蛋白質(zhì)之間相互聯(lián)系，或者調控它們，或者形成更大的分子機器；其他蛋白質(zhì)則通過(guò)依附于特定的蛋白質(zhì)序列或者將它們自身同RNA分子緊緊相連來(lái)執行一些特定的任務(wù)。

    我們將這些不可思議的緊密交互作用網(wǎng)絡(luò )取名為蛋白質(zhì)之間交互作用組，在整個(gè)20世紀，我們都沒(méi)有參透過(guò)其中的奧秘。然而，在過(guò)去的10年內，全基因組測序獲得的信息和日益強大的生物信息學(xué)工具已經(jīng)使我們能夠產(chǎn)生和分析人類(lèi)和其他生物的蛋白質(zhì)之間交互作用組的圖譜。

    哈佛醫學(xué)院和癌癥系統生物學(xué)中心的教授馬克·維達爾表示，盡管我們仍然沒(méi)有完全繪制出人類(lèi)和其他生物的蛋白質(zhì)之間交互作用組的圖譜，但未來(lái)這些圖譜可以作為新的復雜的支架模型，讓我們研究細胞如何工作。既然很多人類(lèi)疾病可以被分子同細胞之間交互作用的混亂來(lái)解釋?zhuān)鞍踪|(zhì)之間交互作用組將可以大大地改變我們對人類(lèi)健康的看法，以及我們應該怎樣研發(fā)藥物、采取預防措施來(lái)控制疾病。

    (13)表型組：生命不僅僅指基因組

    如果我們想要真正理解我們所生活的世界，那么，僅僅依靠基因組不可能做到這一點(diǎn)。我們需要更好地了解“表型組”——某一生物的全部性狀特征（從基因到行為）。

    這聽(tīng)起來(lái)很困難，一點(diǎn)沒(méi)錯。想想你自己的表型組吧，其中不僅包含有很多明顯的特征，比如眼睛的顏色、體重、面部特征等，也包含了很多不明顯的特征，比如新陳代謝的速度、個(gè)性、是否容易罹患老年癡呆癥以及其他無(wú)數的特征等。從你在媽媽的子宮里開(kāi)始孕育起，所有這些特征產(chǎn)生于你的基因組與你周?chē)h(huán)境之間的相互作用。

    鑒于這種復雜性，科學(xué)家于2003年首次提出了人類(lèi)表型工程（human phenome project），而且，諸如“老鼠表型數據庫”等更小規模的項目也在緩慢進(jìn)行中，從個(gè)性化醫療到我們如何理解基因型和表型的關(guān)系，科學(xué)將從中受益良多。

    (14)DNA折紙：將生命看作一個(gè)模板

    生命的組成物質(zhì)非常“狡猾”：將正確的DNA堿基對放在一起，它們就可以像維可牢（一種尼龍刺粘扣，兩面一碰即粘合，一扯即可分開(kāi)）一樣互相依附。將DNA長(cháng)長(cháng)的單個(gè)片段取出，然后將其扔進(jìn)一些更短的合成片段中，短片段上的鍵能夠將長(cháng)片段拉成特定的形狀并且將它們緊緊地固定在一起。

    “DNA折紙”技術(shù)是很多可以讓分子自我組裝成三維結構的技術(shù)中最有前景的技術(shù)之一?？茖W(xué)家使用該技術(shù)來(lái)制造很多令人眼花繚亂的物體，從齒輪到具有鎖和鑰匙機制的三維盒子。他們希望最終能夠使用這樣的盒子來(lái)遞送藥物，并探索生物分子的折疊和解開(kāi)機制以用其來(lái)制造納米級的計算組件。