Science杂志提出的125个天问

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1、Science杂志提出的125个重要 科学问题 2005年7月1日 美国科学周刊 309卷 第5731期 25个问题美国科学杂志编委会在将于7月1日出版的新一期杂志上提出125个“天问”，也就 是目前挑战全球科学界的重要基础性问题。科学杂志编委会说，其中25个问题最 为醒目，也有望不久得到解决。 这25个问题涉及的范围从宇宙构成、地球演化、生命兴起直到人类自身。物理领 域的问题包括：宇宙的构成究竟如何？描述世界的物理理论能否统一？量子不确定性 和非定域性背后，是否有更深刻的理论？地球内部的活动机理如何？而化学领域的问 题是：“自我组合”物质的化学能发展到什么程度？ 有几个问题涉及当前全人类面临

2、的挑战。比如：能否研制出有效的的艾滋病疫苗 ？温室效应会将地球加热到什么程度？什么能源、到什么时候能取代石油？地球能容 纳人口的上限是多少？还有问题涉及信息学和医学：传统计算机的极限在哪里？我们 能否选择性地“关闭”某些免疫反应？ 在125个问题中，关于生命科学领域的问题最多。比如：人类意识的生理基础是什 么？为什么人类的基因只有大约25万个，远少于早先的预期？基因变异和人类健康 的联系有多紧密？人类的寿命能延长到多久？什么在控制器官再生？皮肤细胞如何能 变成神经细胞？一个胚细胞如何变成整株植物？人类是否是宇宙中唯一的智慧生命？ 又比如：地球上的生命何时、何地开始兴起？什么在决定物种多样性？是

3、什么基 因变异使人类和其他灵长动物区分开来？记忆是如何存储和恢复的？人类的合作行为 是如何演化来的？如何将海量的生物信息数据综合成生命活动的图景？ 今年是科学杂志创刊125周年。这125年中，这份由大发明家爱迪生创办的杂 志成为世界最著名的科学刊物之一。因此，由各领域专家组成的杂志编委会特地挑选 了125个科学“大问题”作为纪念。 科学杂志总编唐纳德肯尼迪在一份声明中强调，这些“大问题”中有一些 可能永远得不到答案，但它们指明了科学家们前进的方向，而解决这些问题的努力也 将丰富人类的知识。 1-101. 宇宙是由什么构成？2. 意识的生物学基础是什么？3. 为什么人类基因会如此之少？4. 遗传

4、变异与人类健康的相关程度如何？5. 物理定律能否统一？6. 人类寿命到底可以延长多久？7. 是什么控制着器官再生？8. 皮肤细胞如何成为神经细胞？9. 单个体细胞怎样成为整株植物？10. 地球内部如何运行？11-20 11. 地球人类在宇宙中是否独一无二？12. 地球生命在何处产生、如何产生？13. 什么决定了物种的多样性？14. 什么基因的改变造就了独特的人类？15. 记忆如何存储和恢复？16. 人类合作行为如何发展？17. 怎样从海量生物数据中产生大的可视图片？18. 化学自组织的发展程度如何？19. 什么是传统计算的极限？20. 我们能否有选择地切断某些免疫反应？21-3021. 量子不

5、确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理？22. 能否研制出有效的HTV疫苗？23. 温室效应会使地球温度达到多高？24. 什么时间用什么能源可以替代石油？25. 地球到底能负担多少人口？26. 宇宙是否唯一？27. 是什么驱动宇宙膨胀？28. 第一颗恒星与星系何时产生、怎样产生？29. 超高能宇宙射线来自何处？30. 是什么给类星体提供动力？31-4031. 黑洞的本质是什么？32. 正物质为何多于反物质？33. 质子会衰减吗？34. 重力的本质是什么？35. 时间为何不同于其他维度？36. 是否存在比夸克更小的基本粒子？37. 中微子是其自己的反粒子吗？38. 是否有解释所有相关电子系统的统

6、一理论？39. 人类能够制造最强的激光吗？40. 能否制造完美的光学透镜？41-5041. 是否可能制造出室温下的磁性半导体？42. 什么是高温超导性之后的成对机制？43. 能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论？44. 是否存在稳定的高原子量元素？45. 固体中是否有超流动性？如果有，如何解释？46. 水的结构如何？47. 玻璃态物质的本质是什么？48. 是否存在合理化学合成的极限？49. 光电电池的最终效率如何？50. 核聚变将最终成为未来的能源吗？51-60 51. 驱动太阳磁周期的原因是什么？52. 行星怎样形成？53. 是什么引发了冰期？54. 使地球磁场逆转的原因是什么？

7、55. 是否存在有助于预报的地震先兆？56. 太阳系的其他星球上现在和过去是否存在生命？57. 自然界中手性原则的起源是什么？58. 能否预测蛋白质折叠？59. 人体中的蛋白质有多少存在方式？60. 蛋白质如何发现其作用对象？61-70 61. 细胞死亡有多少种形式？62. 是什么保持了细胞内的通行顺畅？63. 为什么细胞的成分可以独立于DNA而自行复制？64. 基因组中功能不同于RNA的角色是什么？65. 基因组中端粒和丝粒的作用是什么？66. 为什么一些基因组很大，另一些又相当紧凑？67. 基因组中的“垃圾”（“junk”）有何作用？68. 新技术能使RNA测序的成本降低多少？69. 器官

8、核整个有机体如何了解停止生长的时间？70. 除了继承突变，基因组如何改变？71-80 71. 在胚胎期，不对称现象是如何确定的？72. 翼、鳍核面孔如何发育进化？73. 是什么引发了青春期？74. 干细胞是否位于所有肿瘤的中心？75. 肿瘤更容易通过免疫进行控制吗？76. 肿瘤的控制比治愈是否更容易？77. 炎症是所有慢性疾病的主要原因吗？78. 疯牛病会怎样发展？79. 脊椎动物在多大程度上依赖先天免疫系统来抵抗传染病？80. 对抗原而言，免疫记忆需要延长暴露吗？81-90 81. 为什么孕妇的免疫系统不拒绝其胎儿？82. 什么与有机体的生物钟同步？83. 迁徙生物怎样发现其迁移路线？84.

9、 为什么要睡眠？85. 人类为什么会做梦？86. 语言学习为什么存在临界期？87. 信息素影响人类行为吗？88. 一般麻醉剂如何发挥作用？89. 导致精神分裂症的原因是什么？90. 引发孤独症的原因是什么？91-10091. 阿兹海默症患者的生命能够延续多久？92. 致瘾的生物学基础是什么？93. 大脑如何建立道德观念？94. 通过计算机进行学习的极限是什么？95. 有多少个性源于遗传？96. 性别倾向的生物学根源是什么？97. 生命树是生命之间系统关系最好的表达方式吗？98. 地球上有多少物种？99. 什么是物种？100. 横向转移为什么会发生在众多的物种中以及如何发生？101-110101

10、. 谁是世界的共同祖先？102. 植物的花朵如何进化？103. 植物怎样制造细胞壁？104. 如何控制植物生长？105. 为什么所有的植物不能免疫一切疾病？106. 外界压力环境下，植物的变异基础是什么？107. 是什么引起物质消失？108. 能否避免物种消亡？109. 一些恐龙为什么如此庞大？110. 生态系统对全球变暖的反应如何？111-120111. 至今共有多少人种，他们之间有何关联？112. 是什么提升了现代人类的行为？113. 什么是人类文化的根源？114. 语言和音乐演化的根源是什么？115. 什么是人种，人种如何进化？116. 为什么一些国家向前发展，而有些国家的发展停滞？11

11、7. 政府高额赤字对国家利益和经济增长速度有什么影响？118. 政治与经济自有密切相关吗？119. 为什么改变撒哈拉地区贫困状态的努力几乎全部失败？120. 有没有简单的方法确定椭圆曲线是否存在无穷多解？121-125121. 霍奇闭链是代数闭链的和吗？122. 数学家将会最终给出Navier-Stokes方程的解吗？123. 庞加莱实验能否确定4维空间的球？124. 黎曼zeta函数的零解都有a+bi形式吗？125. 对粒子物理标准模型的研究是否会停止在量子Yang- Mills理论上？ 人类的寿命有多长？ 千百年来，在所有的科学问题中，有一个永恒的话题，如黑夜中的 明珠一样熠熠发光：人到底

12、能够活多久或者人类的寿命极限是多少？ 据说，世界上最长寿的人是中国人彭祖。他自尧帝起，历夏、商两朝 ，在商代时为守藏史，官拜贤大夫，而到了周代时则担任柱下史。相 传彭祖一生娶妻四十九，生子五十四，共活了八百八十岁。然而据现 代科学考究，古时彭祖所在的大彭氏国实行“小花甲计岁法”，即以60 天一年，因此彭祖的实际寿命大约为146岁。而根据西方的记载，目 前人类寿命最长的记录为法国人Jeanne Calment，当她1997年去世 时已经是122岁高龄了。由此可见，作为万物之灵的人类，其寿命在 宇宙的时间长河中不过如一滴水珠，小得可怜。至于人类为何没有进 化出长寿或者抗衰老的机制，一种普遍的看法是

13、：在自然选择过程中 ，个体的长寿远不如迅速的产生后代对物种的整体生存更有利。关于 人类寿命极限的推算方法，目前比较流行的几种主要理论如下：本文来自我的新浪博客：http:/ （1）按细胞在体外分裂次数推算。美国佛 罗里达大学遗传学研究中心的海弗利克博 士在实验室条件下对人体细胞进行实验， 发现人体的成纤维细胞在体外分裂40-60次 左右中止，平均为50次。因此“50次”被视为 培养细胞的“传代次数”，也即“海弗利克限 度”。根据细胞的每次分裂周期约为2.4年推 算，人类的寿命极限可能为120岁左右。人类的寿命有多长？ （2）哺乳动物的寿命长短和他们的体重有着一定的比例 关系：身体越大，寿命越长

14、，反之亦然。其可能的机理是 ：为了维持生命，在同样的体温条件下形体小的动物每千 克体重所耗费的氧气要比形体大的动物多得多。高速的新 陈代谢过程带来的是相对多的“自由基”等引起衰老的副产 品，所以小个子动物寿命相对短也就不足为奇了。人类却 是一个例外。按照体重与寿命关系可以推算人的寿命应该 是1520年，但人类是地球上唯一的智慧生物，会制造和 利用衣服、住宅、空调、交通工具等东西，因而大大改变 了自然界中动物的单位能耗规则。所以用这种方法估计其 他动物的寿命可以，但估计人类的寿命则根本不可行。人类的寿命有多长？ （3）寿命和大脑容量也有着密切的关系。用进化论解释 就是：脑容量大的动物更聪明，显然

15、是一种生存优势。脑 科学研究也表明，人体的衰老主要是脑细胞的死亡。据研 究，人的一生中仅启用脑细胞总数的四分之一。因此若能 长期坚持勤于用脑，脑神经根还会萌发出更多的新生脑细 胞，而且这些脑细胞会变得更加粗壮、树突更丰满，使得 脑部血管会始终处于舒张状态，给大脑带来更多的营养和 氧气。强有力的大脑也能更准确、更协调地指挥全身各系 统、各器官的功能活动，人体也因而获得健康长寿。为了 发育出相应复杂的大脑，哺乳期、生长发育期也必然相应 的被拉长了。结合实际的寿命记录，人们得出了哺乳动物 的自然寿命相当于生长期的57倍的结论。人的生长期长 达2025年，因此，人的自然寿命应该是100175岁。人类的

16、寿命有多长？ （4）生命周期算法。俄罗斯莫斯科海洋生 物研究所所长穆尔斯基和莫斯科大学数学 系教授库兹明指出，人的生命周期时间是 15.15的倍数，例如人的第一个生命周期是 诞生时期，第二个时期是正常妊娠天数266 天的15.15倍，即约11年。神奇的是，统计 数字表明，大多数人在11岁时的体质最弱 。用11再乘以15.15，为167岁，他们认为 这个数字就是人类的寿命极限。人类的寿命有多长？ （5）按性成熟的时间推断。一般哺乳动物的寿 命是性成熟期的810倍，人类的性成熟期为14 15年，寿命因此可达110150年。 根据上面的几种理论可知，人的正常寿命的 极限值在120-175岁。在真实的世界里，目前人 类寿命最长的记录保持者为法国人Jeanne Calment，她总共活了122岁。2010年的世界人均 寿命统计显示，目前人均寿命最高的日本人也仅 有83岁。考试形式 考试时间：第18周（6月26日