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困扰科学界五大难题盘点

艾滋病疫苗

  当研究人员开始从事“STEP研究”——3000人参与的雄心勃勃的艾滋病病毒疫苗试验,他们认为这种疫苗会是阻止艾滋病病毒扩散的最佳方法。但是2007年,国际制药巨头默克公司的研究人员突然中止了这项研究。原来,艾滋病病毒疫苗非但不能保护参与者,反而令他们更有可能被这种病毒感染。这项研究利用功能受到削弱的感冒病毒(腺病毒5)去传递在实验室制造的艾滋病病毒片段。研究人员希望,人体免疫系统可以攻击这些艾滋病病毒片段,接着识别并消灭真正的病毒。

  虽然参与者就如何避免被艾滋病病毒感染接受了专门培训,但最后仍有一些人被感染。仅仅这一点就意味着,艾滋病病毒疫苗对这些参与者不灵验。令研究人员警觉的一件事是,那些以前曾暴露于感冒病毒的人,在接种过艾滋病病毒疫苗以后,似乎更有可能被艾滋病病毒感染。

  研究人员立即停止了利用感冒病毒进行的同类研究。研究人员至今未找到疫苗令有些人更易感染艾滋病病毒的原因,这次引人注目的研究失败被广泛视为疫苗研究领域的一次重大挫折。有些科学家提出放弃临床试验,重新回到基础研究。美国艾滋病疫苗倡导联盟则表示,在艾滋病疫苗研究领域,“STEP研究提出的问题多过解答的问题。”

“X女士”复原图

  这一切都始于在西伯利亚山洞发现的一块拥有4万年历史的指骨。虽然一根手指似乎并不能令研究继续下去,但研究人员从手指中提取了DNA,用以搞清楚手指的主人。他们原本以为手指可能来自尼安德特人,或早期人类的亲属,但分析结果却发现指骨属于一个非常特别的女士——研究人员称之为“X女士”。

  研究人员特别对提取自指骨的线粒体DNA做了细致研究。线粒体DNA一般只通过母系遗传,是探索人类进化的绝佳工具。两个现代人的线粒体DNA 可能只有数十处不同之处,但他们与尼安德特人的差异却有近200处。当研究人员将“X女士”的线粒体DNA与现代人做了比较后,竟然发现了大约400处不同。

  这一发现又给人类进化过程增添了新的疑团。如果“X女士”代表一个新人种(这个疑问至今仍在讨论之中),那表明一个我们一无所知的原始人种从非洲迁出,与尼安德特人及欧洲和亚洲的早期现代人生活在同一个地方。有关潜在新人种(如发现于印度尼西亚的“矮人族”弗洛勒斯人)的争议进一步证明了一个概念,即人类进化树有许多分支。由于智人是唯一生存至今的人种,所以,我们可能认为人类进化树是笔直的,呈流线型。

宇宙常数

  20世纪20年代,天文学家认为宇宙的大小是固定的。即便广义相对论预示事实并非如此的时候,爱因斯坦也没有转变思路,找出正确答案。相反,他在自己的理论中发明了一个术语去抵消几乎无处不在的引力,用以保持宇宙的恒定不变。爱因斯坦后来将这一术语(宇宙常数)称为他一生中“最大的错误”。

  美国科学家埃德温-哈勃的研究揭示了爱因斯坦的错误,让天文学家放弃对静态、稳定宇宙的原有认识,重新开始揭示一个奇异而令人困惑的宇宙。哈勃在自己的研究发现中采用了当时新发现的“宇宙卷尺”——称为“造父变星”(Cepheid variable)的一类特殊恒星。通过在威尔逊山天文台扫描天空,哈勃确定了天体——模糊星云(被认为是银河系中的气态云)的距离。

  在前人的基础上,哈勃的研究不仅表明,这些星云是它们自己的星系,而且还通过测量它们随时间而变化的速度,证实它们快速远离地球。哈勃的研究还表明,距离银河系越远,这些星云的速度越快。这种解释听上去很有道理,但其他星系为何加速离开地球的原因尚不得而知。今天,大多数物理学家认为是暗能量在作祟,但他们尚不能准确确定这一原因。

量子纠缠

  听一听爱因斯坦是怎么说的吧:任何事物的移动速度都没有光速快。狭义相对论宣称,如果可以,那么就能改变因果关系:例如,你可以在第一球投出以前,给朋友打电话,告诉他棒球比赛的胜负结果。1935年,爱因斯坦和另外两位物理学家鲍里斯-波多尔斯基和纳森-罗森利用这一事实说明,量子力学是不完整的理论。

  他们设计了一个实验,寻求两个粒子之间奇异的量子联系。量子纠缠则宣称,两个粒子,无论分离多远,它们之间都存在一种神秘的关联,相互影响。三位物理学家设计的实验假设使两个处于量子纠缠的粒子远离彼此。如果测量一个粒子会影响另一个粒子同时做出改变,那么两个粒子互动的速度应该超过光速。这显然是不可能的。

  20世纪80年代,研究人员实施了这个看似不可能的实验,而且成功了。想象一下,粒子穿过两个粒子间的物体或一个满载信息的粒子。在2008年的量子纠缠实验中,日内瓦城的研究人员发现,在他们的装置中,那个物体可能以至少一万倍于光速的速度运行。这似乎表明,两个粒子并没有相互之间传递任何真实的信息,相反,测量其中一个会立即影响另一个。不幸的是,这种解读让我们回想起爱因斯坦最早对量子纠缠的苦恼——这位伟大的物理学家称那是一种“鬼魅似的远距作用”。

人类基因组

  1909年,丹麦植物学家威廉-约翰森(Wilhelm Johanssen)造出了“基因”一词,将其描绘成一种可令子女遗传父母特质的机制。到20世纪60年代,这一定义因特定原因而发生变化:基因是用以制造蛋白的DNA编码。10年前,人类基因组计划成功绘制出第一个人类基因组序列图。但是,科学家却无法对完全揭开人类基因组之谜感到高兴,因为整个故事还有许多疑问。

  20世纪80年代和90年代,研究人员发现只有1.2%左右的人类DNA代码用于蛋白制造:有些人称这些代码为“垃圾”。莱斯利-奥格尔和弗朗西斯-克里克在1980年发表的论文将这种DNA称为“终极寄生虫”。然而,即便是在这个看似无用的DNA“垃圾堆”,研究人员仍在寻找有功能的片段。

  似乎,就在我们对人类基因组展开深入探究时,我们才意识到对它们的了解远远不够。例如,研究人员发现,部分人类DNA片段就好比基因“电话总机”。依附于这些片段的分子可以打开或关闭生成蛋白的基因,一旦出现故障,可能会诱发从抑郁到肥胖等众多疾病。

  此外,这些“开关”在诞生以后可以调换,依附于DNA片段的分子可以被环境因素添加或删减。例如,麦吉尔大学研究人员迈克尔-米尼最近发现,小老鼠母亲舔舐它们的频率改变了依附于小老鼠DNA上的分子,从而可能改变了它们的压力水平。正在实施的人类表观基因组计划希望对这些DNA片段及其影响进行研究。

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