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2008年国际十大科技新闻解读

来源:新浪时间:2008-12-31

  1.定制个器官换身上 器官移植研究取得重要成果

  多年来一直致力于以天然生物材料为平台,采取去除已死细胞,保留原有结构,注入鲜活细胞方式,再造人体器官的研究人员,今年着实火了两把。

  年初,美国科学家借助活细胞使大鼠的死心脏在4天后开始收缩,8天后恢复跳动,成功培养出全球首颗可在体外自我生长的活体心脏。

  年末,欧洲三国科学家联手成功实施世界首例定制器官移植手术,为一位气管受损的30岁女子移植了用自体干细胞培植而成的气管。

  这两项研究的共同之处是采用换细胞、留框架的全器官脱细胞化法,先将死鼠心脏或人体气管的现有细胞清除,只留下被漂白的,由细胞分泌蛋白质组成的细胞外基质基本支架,随后再向内注入所需活细胞,放入营养液中进行培养。美国科学家注入的是取自老鼠胚胎的心脏细胞,同时采用心脏供血方式泵入营养液,最终使原已停跳的心脏恢复跳动,强度相当于成年老鼠心脏的2%%。

  虽然在实验室内培植心脏活组织现已取得长足进展,但赋予生物性的人造心脏鲜活“生命”,这还是第一次,展现出修复受损心脏以及把这种技术推而广之到其他器官的可能,为全世界数百万心力衰竭患者恢复健康带来希望。只要把供体心脏的原有细胞去除,植入病患本人的干细胞,再把定制出的人造生物心植入患者体内,“新心”就会取代“旧心”,照常跳动。

  全球首例定制气管移植手术则是先从供体身上(一位因脑溢血死亡的51岁女患者)切除部分气管,进行脱细胞化处理,再从病患身上提取骨髓干细胞,培养出作为气管壁的软骨细胞,让其在胶原支架上长成气管,再用外科手术将这根量身定做的5厘米长气管嫁接到病患受损的左侧主支气管上。术后12天,患者安然出院,身体至今未出任何不适,过着正常生活,可以一气登上2楼,甚至还出门跳过一夜舞。

  这两个成功例子让科学家信心大增,将打开借助脱细胞化处理技术,人工量身定制任何器官的大门。按照这种换细胞、留框架的模式,完全可以培育出肾、肝、肺、心、胰腺等任何器官,帮助人类实现“定制器官”的梦想,解决移植器官的来源问题,更有望免除排斥反应。

  2.距造细胞只剩最后一步   首次人工构建完整基因组

  多年来,美国文特尔研究小组一直从事人造生命的研究,具体分为三个步骤:

  第一步,制造出搭建DNA所需的4种DNA碱基,并合成数百万DNA片段;

  第二步,将这些片断组装成DNA链,并形成完整的基因组;

  第三步,将合成的基因组注入剔除了遗传物质的细胞,激活人造细胞。

  2007年7月,他们完成了第一步,引起世界轰动。

  2008年1月,成功制造出生殖支原体细菌的所有基因,合成人体生殖支原体的完整染色体,完成了“三步走”中的第二步,使人类距离合成生物学的最终目标———合成能够独立成活并能自我复制的细胞,只有一步之遥。

  从无到有地制造新生命形式的能力,无疑将对社会产生深远影响。它将带来全新的科学视野,彻底解开生命起源之谜。还会带来巨大商机,利用人造细胞可以制造出人类目前无法制造的化学物质,用来修复身体创伤,清除污染,清扫血管,有效制造药物和生物燃料,精确输送药物等。人造生命如果获得成功,现代工程学遇到的许多问题也将迎刃而解。

  3.寻获下落不明的忆阻器   电路世界存在第四种基本元件

  基础研究成果在走向实用化,引起社会巨大变革之前,往往都是寂寞开无主,常年坐在冷板凳上独自咀嚼孤寂。

  曾经引起巨大技术变革,进而深刻影响社会的晶体管就是如此。虽然早在1925年晶体管就被发现,但直到20世纪50年代得到贝尔实验室的慧眼赏识,才大放异彩。

  现在,另外一种新型电子元件———忆阻器,极有可能步上晶体管的后尘,在电子行业引起深刻变革。

  早在37年前,非线性电路理论先驱,美国华裔科学家蔡少堂就在题为《忆阻器:下落不明的电路元件》的论文中给出了忆阻器的原始理论架构,预测存在第四种基本电子元件———忆阻器。

  这项长时间被忽略的突破性研究成果得到美国惠普实验室的重视,并对如何用纳米技术生产忆阻器进行了深入研究,终于在2008年4月成功研制出世界首个忆阻器,发表以《寻获下落不明的忆阻器》为题的论文,证实忆阻器确实存在,它通过电流的变化控制其阻值的变化,电阻是时间的函数,这将对计算及计算机科学产生深远影响。如果将忆阻器的高阻值和低阻值分别定义为1和0,就可以通过二进制的方式存储数据。

  忆阻器代表了电路理论的根本变革,是继电阻、电容、电感之后的第四种与磁通量和电荷相关的无源电路元件,使即开型PC以及模拟人脑式计算机成为可能,可用来构造新型的易失性随机存取存储器(RAM)。

  忆阻器诞生后,引起多方关注。11月底,加州大学,美国半导体行业协会和美国国家科学基金会共同举办了忆阻器及忆阻系统研讨会,惠普实验室在会上展示了忆阻器的最新进展———世界首个3D忆阻器混合芯片。这个构建了晶体管和忆阻器的集成混合电路,具有动摇整个硬件行业的潜力,有可能让摩尔定律跃进一大步,过去由多个晶体管完成的工作,现在只需一个忆阻器就能搞定。惠普同时还发布了将忆阻器作为神经元运算架构突触的设计,提出,忆阻器纵横闩比人类大脑皮层突触密集10倍,是能模拟人脑的最新技术,惠普已与美国国防高级研究计划局达成协议,共同构建世界首个基于忆阻器的人工神经网络。

  由于忆阻器将给计算机的制造和运行方式带来革命性变革,被美国《时代》周刊评为2008年50项最佳发明,并入选美国《连线》杂志2008年十大科技突破。

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  4.火星曾有个“水世界”  “凤凰”号确认火星有水

  火星上到底有没有水?这个谜底终于随着今年美国宇航局“凤凰”号探测火星任务的完满终结而盖棺定论。

  美国宇航局7月31日宣布,在“凤凰”号探测器加热火星土壤样本时发现有水蒸气产生,可以确认火星上确实有水。这对于多年来以找水为主要思路的火星探测来说,无疑是一个具有里程碑意义的成果。

  早在上世纪70年代,一些绕火星飞行的探测器就发现,火星地表有一些奇特的“地貌”,很像是曾被水冲刷过。而近些年,随着“勇气”号和“机遇”号火星车以及“火星勘测轨道飞行器”纷纷登陆或者近距离探测,“火星有水”的证据也越来越多:火星上曾经有过一个“水世界”,并可能存在过“咸海”,火星某处峡谷中可能曾有水流过,火星可能曾有发达的水系……

  “找水”成为了美国宇航局火星探测的主线,“凤凰”号就是按这一探测目的量身定做的:它着陆在可能含冰的区域;它的挖掘工具能向地下深挖以找到冰或者其他化合物;它还携带了各种经特殊设计的实验设备,以确定火星表面下的土壤成分。

  除发掘到水冰外,“凤凰”号在结束使命之前还给研究人员带来了一连串意外惊喜。它发现火星上有碱性土壤,记录了火星降雪过程,拍摄了火星尘埃颗粒的原子尺度图片。更重要的,它探测到了碳酸钙和某种黏土的层状颗粒,还发现了高氯酸盐。前两种矿物质的意义在于,它们只形成于支持生命存在的液态水中,而高氯酸盐可支持一些微生物存在。这些成果将帮助专家进一步推断火星现在或者以前是否有适宜生命存在的环境。

  目前各国深空探测大多按照“先月球、后火星”的步骤开展,因此研究火星环境是否可能存在或支持生命,无论对于人类了解地球生命和太阳系的演化,还是对于未来火星探测乃至载人登陆都具有十分重要的意义。

  5.给机器人安个活脑子   受活脑组织控制的机器人问世

  如何研究人—机界面?怎样实现人工智能?

  英国雷丁大学科学家利用老鼠大脑,给机器人安了个聪明脑袋。

  他们从老鼠胚胎中取出脑细胞,放入富含营养物的培养基,形成由30万个老鼠神经元细胞聚合而成的原始大脑灰质,覆盖在由60根电极组成的“多电极矩阵”(MEA)上,再借助蓝牙无线装置将活脑组织与机器人的躯体接通,制成世界首个完全由生物脑控制的智能生物化机器人米特·戈登。

  “多电极矩阵”是活脑组织和机器的接合面,大脑通过电子矩阵发出电子脉冲,指挥戈登行走,并接收感应器发出的脉冲,使戈登无需人为控制或电脑遥控。

  设计者凯文·沃里克教授是著名的人—机界面研究专家,重点研究如何实现人机相连,并试图制造出无需预设程序,会从挫折中学习,能自己适应环境的智能机器人。

  戈登不负众望,很快进入角色。实验开始24小时,戈登的“大脑”神经元开始伸出突触,彼此试探,建立连接。5天后,神经元会自发放电,进行交流。从一定程度上说,戈登能够自学成才,逐渐养成学习的习惯。为了帮助戈登完成这一过程,研究人员利用不同的化学物质增强或抑制那些在特殊活动中活跃的神经通路。

  这项开创性的项目致力于生物脑与机器人的融合,有助于揭开人脑奥秘,帮助了解大脑如何学习和记忆,具有深远的科研和医学意义。如,记忆如何形成,大脑如何保存复杂数据,包括研究大脑神经退化性疾病,探索生物组织如何能够与非生命物质结合,形成完整的工作系统等。

  6.它仅存在了一万亿分之一秒   发现新的三夸克粒子

  继去年科学家发现由4个夸克组成的新复合粒子之后,基本粒子物理学领域今年又获得引人注目的新进展。

  美国费米国家加速器实验室8月宣布,在对撞实验中发现一种新型粒子———欧米伽b重子,这是迄今为止物理学界发现的质量最大的重子。这一发现也证实夸克模型是成功的。

  重子是组成宇宙间各种物质的基石,最为人所知的重子是原子核中的质子与中子,这也是最轻的重子。虽然质子与中子构成了现今的大部分已知物质,但在天地之初,大爆炸之后不久的宇宙却充斥着由更重夸克所组成的重子,因此,研究重子相当重要。

  1961年,理论物理学家提出夸克模型,指出重子是由3个夸克组成的亚原子粒子。现代物理学认为,夸克共分6种3类:上夸克、下夸克;粲夸克、奇异夸克;顶夸克、底夸克。质子由两个上夸克加一个下夸克组成,而中子的构成是两个下夸克加一个上夸克,因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的。含有其他夸克的物质虽然在开创宇宙“大爆炸”后的一瞬间十分丰富,但现在只能通过高能物理实验装置才能获得。费米国家加速器实验室在2006年的对撞实验中,就曾成功地发现了两种罕见的粒子,一种是由两个上夸克加一个底夸克组成,而另一种则是由两个下夸克加一个底夸克组成,此次对撞实验发现的新型粒子则是由2个奇异夸克和1个底夸克组成。这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子。

  在实验过程中,质子和反质子以接近光速迎面碰撞,偶尔会撞出欧米伽b重子这样的重粒子。研究人员共分析了约100万亿次的粒子碰撞,才在其中发现18次欧米伽b重子衰变产生的“踪迹”。这种粒子撞击产生后,仅能存在一万亿分之一秒,随即就衰变为其他粒子。

  通过对该粒子的质量、产生和衰减特性的测量,科学家将能更好地理解将夸克紧密相连的强力。而新粒子的不断被发现,对于逐步认识夸克组成物质的全貌,了解凝聚和分离夸克的亚原子力,以及完善重子周期表来说也具有重大意义。

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  7.期待微缩版“宇宙大爆炸” 欧洲大型强子对撞机启用

  2008年在物理学界掀起最大波澜的事件,无疑是欧洲核子研究中心大型强子对撞机的启用。

  一方面,它所涉及的人力、物力、财力和规模堪称人类历史上最大的物理实验计划。该项目耗资80亿美元,筹备历时近20年,来自80多个国家和地区的7000多名科学家参与了相关实验项目,实验将通过把高度活跃的质子以超快速度撞击到一起,上演微缩版的“宇宙大爆炸”,目的是揭示宇宙起源,寻找希格斯玻色子,从而可能将物理学带入一个全新时代。

  另一方面,研究招致的批评和质疑声也不绝于耳。部分欧美科学界人士认为,实验产生的黑洞可以吞噬地球,或者强子对撞机会产生一类名为“奇异微子”的粒子,将地球变成一团沉寂、收缩的“奇异物质”。他们甚至到法院起诉资助该项目的20个欧洲国家,要求停止或推迟这个项目。

  在阵阵反对声浪中,大型强子对撞机按部就班地完成了启动前的准备工作。9月10日,第一束质子束流注入长达27公里的对撞机隧道,并贯穿了整个对撞机。但随后的试验进程一波三折。先是项目所用的计算机系统遭黑客入侵,17日和19日,试运行的对撞机又先后出现电力故障和严重的氦泄漏事故,运作被迫停滞。欧洲核子研究中心经过反复核查后宣布,原本预计进行的质子束第一次对撞最终推延到明年6月进行。

  大型强子对撞机正式启动质子束流碰撞后每秒将发生约6亿次的粒子碰撞。尽管目前尚无法预知将会造就什么新发现,但其数据分析结果无疑将有助于回答一些涉及自然和物质本质的基本问题,包括各种基本粒子的特性、物质质量的来源、各种作用力的统一、暗物质的本性、是否存在其他维度等。由此带来的任何一项科学新发现,都弥足珍贵。

  8.飞天梦掀开新篇章  中国航天员实现太空漫步

  鲜红的旗帜、雪白的“飞天”服、银色的飞船、深黑的苍穹。当中国航天员翟志刚探身出舱,将自己的脚步“印”在太空的那一刻,全世界为之瞩目,中华民族的飞天梦又掀开了新的篇章。

  9月25日,中国通过第三次载人太空飞行任务———神舟七号,把3名航天员送入太空。

  这次飞行任务的主要目的是,实施中国航天员首次空间出舱活动,突破和掌握出舱活动相关技术,开展卫星伴飞、卫星数据中继等空间科学和技术试验,为以后进一步掌握交会对接、长期自主飞行、短期有人照料的空间实验室、永久性空间站等更先进技术打下了坚实的基础。

  9月27日16时41分,接到地面出舱指令的翟志刚缓缓开启轨道舱舱门,首度实施空间出舱活动,他身上所穿的中国自行研制的第一套“飞天”舱外航天服,也首次在茫茫太空中“亮相”。太空中的翟志刚挥动鲜艳的五星红旗,同地面控制中心通话。随后,他取下飞船轨道舱外事先安装好的固体润滑材料试验样品,交给轨道舱内的航天员,接着在浩瀚的太空里缓缓完成了历时20分钟的行走。

  从2003年首次载人航天成功,中国成为继俄罗斯和美国之后第三个独立将人送入太空的国家,到去年10月“嫦娥一号”探月卫星的发射,再到今年3名航天员进入太空,并且进行了太空漫步,在短短5年时间里,中国在太空领域所取得的突破以及在空间较量中所体现出来的实力令人震惊。美国《时代》周刊和《纽约时报》不约而同地将中国实现太空行走评选为2008年度十大科学发现之一。

  9.原子的空间分布尽收眼底  物质第五态研究获突破性进展

  “玻色-爱因斯坦凝聚”概念最早由印度物理学家玻色于1924年提出,后经爱因斯坦完善,将玻色对光子的统计方法推广到原子,预言当温度足够低时,这类原子会出现相变,导致新的物质状态产生,即“玻色-爱因斯坦凝聚”。

  由于找不到合适的实验体系以及受实验技术所限,其早期研究进展缓慢。直到20世纪90年代,激光冷却与囚禁中性原子技术得到极大发展,才为“玻色-爱因斯坦凝聚”的实现提供了条件。1995年,美国和德国的三位科学家使用气态铷原子首次获得“玻色-爱因斯坦凝聚”,并因此获得2001年的诺贝尔物理学奖。由此,物质第五态研究迈出关键性一步,成为国际物理学界的研究热点之一,目前全球己有近30个研究组在8种元素的稀薄原子气中实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。

  2008年,德国物理学家在这个热点研究领域又获重大突破,开发出高分辨率扫描电子显微镜,其空间分辨率远远超过以往使用的任何方法,能以极细电子束扫描超冷原子云,使得最微小的结构都清晰可见,因此可用于绘制玻色-爱因斯坦冷凝物中的单个原子,深入研究物质第五态,同时,还成功地使光晶格的结构变得可见,只要将冷原子置于其中,就可藉着调控光晶格来操控原子间的位置,并利用这项技术,首次观察到了玻色—爱因斯坦冷凝物中单个原子的空间分布。

  玻色-爱因斯坦凝聚体具有奇特性质,通过对它的研究,可以研究原子间的相互作用力、外场等对物质凝聚过程及动力学的影响。这不仅对基础研究有重要意义,而且在原子激光、原子钟、原子芯片技术、精密测量、量子计算机和纳米技术等领域都有极好的应用前景,还能促进天体物理学的发展。

  10.这张照片具有里程碑意义  看到系外行星“真面目”

  茫茫宇宙,是否不止一个地球?

  长期以来,天文学家一直不懈追寻,希图找到地球的太阳系外近亲。

  截至2008年12月12日,已发现系外行星333颗,但基本都是通过间接手段,利用引力波现象等进行推断。

  今年年底,美国科学家给世人带来了意外的惊喜:他们凭借哈勃太空望远镜的超强视力,通过其高级测量摄像机上的日冕观测仪,首次直接拍摄到一颗系外行星环绕“北落师门”恒星运转,从而发现了这颗系外行星新成员———“北落师门b”。这是人类首次直接拍到系外行星的运动踪迹,也是人类首次用照片证实太阳系外行星绕恒星运行,堪称天文观测史上里程碑式的重大进展。

  今年还有一件令全球瞩目的重大天文事件值得一提:人类首次准确预测小行星撞地球。

  10月6日,美国哈佛史密松天体物理中心宣布,格林尼治时间10月7日2时46分,一颗编号为2008TC3的小行星将由苏丹北部上空进入地球大气层并发生燃烧。

  事后观测表明,2008TC3如期而至,误差时间只有15秒。能对直径不足3米的小行星进行如此精确预测,并在临撞阶段进行观测,这在人类历史上还是第一次,2008TC3也因此成为人类历史上第一颗被事先观测到的撞地小行星。该成就将对今后小天体撞地的预报和预防工作起积极推动作用。一批顶尖天文学家已向联合国提出拨款申请,以建立“太空卫士网”,监视、防范甚至摧毁在“碰撞路线”上的小行星。