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ag亚洲集团《科学美国人》2007年全球科技领袖

发布时间 2020-08-28 08:26

  2008年1月份的《环球科学》杂志(著名科普杂志《科学美国人》中文版)公布了2007年全球科技领袖名单,这些研究人员和机构有能力在卫生保健、消费电子等众多领域,为人类做出非凡贡献。

  从人工智能到飞行汽车,众多事例表明,对技术发展过分乐观,始终是职业观察家和业余爱好者都容易犯的一个错误。然而,有时候,新的技术成就却又不负众望,甚至超出了人们对它最疯狂的想象。

  另一位创新者设计了一种方法,无须插上电源,即可给手机充电。你只须坐在餐桌旁,几尺之外便有一只充电线圈藏在天花板内,不声不响地给你放在口袋里的手机充电。还有一位富于想象的创新者,为治疗神秘的致死性朊病毒疾病(priondiseases,如疯牛病和库鲁病)铺平了道路。

  如果只是做一些枝节性工作,比如又推出一种可以调节5-羟色胺水平的抗抑郁药,或者让微处理器的处理速度又有些许提升,那就远远没有发挥《科学美国人》2007年全球科技领袖的潜力——他们有能力在卫生保健、消费电子等众多领域,为人类做出非凡贡献。他们所做的,是完完全全的创新。(译/郭凯声校/罗绮、虞骏)

  全基因组扫描(Genome-widescan)可让我们观察到与疾病相关的基因变异,图中染色体上绿色标注部分,即为与1型糖尿病相关的基因变异

  遗传学研究不断进步,几乎每天都有新发现,科学家揭示人类所有疾病背后的基因缺陷似乎指日可待。然而,事实并非我们想的那么简单。许多常见疾病的遗传学基础错综复杂,使得疾病的预测、诊断和治疗更加繁琐。

  (Wellcome Trust CaseControlConsortium,简称WTCCC)是一个由50余家英国科研机构组成的团体。面对巨大的挑战,他们最终揭开了那些受到多种基因影响的疾病的神秘面纱。研究者对17,000名英国人体内的某些特定基因变异进行了扫描,并于2007年6月公布了研究结果。

  受试者被分为双向障碍组(bipolardisorder)、冠心病组、克罗恩氏病组(Crohnsdisease,又称节段性回肠炎)、类风湿性关节炎组、高血压组以及1型糖尿病组和2型糖尿病组,每个疾病组的受试者多达2,000人,此外还有由3,000名健康者组成的对照组。通过这项规模空前的大型实验,研究人员在人体基因组中找到24处位点,这些位点与上述7种疾病中的6种有关。

  WTCCC的研究者将每一个疾病组中患者的基因与健康组的基因进行对照,并锁定了两组人群间DNA碱基有差异的位点。如此大规模的研究,可以让研究者辨识出罕见的基因异常。研究发现:有的位点存在于基因的编码区;有的位于非编码区,这些区域可能具有调控其他基因功能的作用;还有一些位点则落在了“基因荒漠”之中,也就是非编码区内功能尚不明确的地方。上述基因变异本身可能并非这些疾病的诱因,但它们如同一个个路标,可以指引其他研究者在更精细的尺度上对DNA进行研究。

  人类基因组共有60亿个核苷酸,两套染色体各贡献30亿个,而每个人都有自己独特的版本,这就是基因组的多态性(polymorphism)。在这一领域内的研究,如WTCCC开展的相关研究,可为内科医师提供基因变异情况的统计模式谱,帮助他们估测患者遗传性疾病的发病几率。这一工作的最终目标是实现个性化医疗(personalizedmedicine)——只要提供一份血样,让医生分析整套基因,就能确定他容易患哪些慢性疾病,并制订出最有利于健康的食谱及锻炼计划。一旦患病,医生也能知道,哪种药物、多大剂量对他最为有效。

  乙醇并非蕴能最丰富的燃料,而且价格不菲。位于美国加利福尼亚州埃默里维尔市的阿米瑞斯生物技术公司(AmyrisBiotechnologies)提出了一个也许更好的解决方案。阿米瑞斯公司先列出一长串有机化合物作为候选,这些化合物具有替代汽油、柴油和航空燃油的潜力,可以在现代发动机中燃烧,并与现有的石油基础设施兼容;而后,公司设计改造了一些微生物,它们可以使制造乙醇的常规原料发酵,从而得到新型燃料。

  构建新的酵母菌株是基因科学的一个壮举。要实现这一目标,就得对酵母菌基因组进行实质性改造。研究者把来自一种原始植物和另外两种生物的基因植入到酵母中,并对此前已存在的一条生化途径(biochemicalpathway)进行精细调整。由此得到的基因工程酵母燃料产量提高了100万倍。

  作为新兴的合成生物学的领导者,阿米瑞斯公司因培育出了一株酵母菌而声名鹊起,该酵母菌可大规模生产抗疟药物青蒿素(artemisinin)的前体物质。在此之前,青蒿素的生产依赖于一种供应紧缺的亚洲植物。阿米瑞斯公司被世界经济论坛(WorldEconomicForum)评选为2006年度技术先锋。向发展中国家提供价格低廉、实现工业化生产的青蒿素,是该公司的目标之一。目前,这一目标即将实现。

  阿米瑞斯公司坚信,凭借他们的专长,在生物燃料领域也能够获取同样的利润。他们开始寻求一种燃料,可以在实验室中生产,并能达到能值、挥发性及水溶性的标准。

  药物和生物燃料都可以用经过基因工程改造的细菌来生产,但二者又有区别,药物可以很昂贵,但生物燃料要用于现实生活就必须足够便宜。所以,阿米瑞斯公司需要对每一菌株进行优化,使产生的燃料对微生物自身无毒无害,而且产量必须足够高,使燃料经济实用。在大规模化工生产的历史上,这一计划涉及的精深专业技术是史无前例的。2007年6月,阿米瑞斯公司邀请了几位石油工业领域的专家加盟管理团队。这项技术从实验室向商业化的跨越已隐约可见。

  重赏之下,必有勇夫。数百万美元高额奖金的诱惑,使发明家们争先恐后地投身到太空旅行、DNA测序、汽车节油及机器人技术等领域的突破性研发热潮之中。

  1927年,查尔斯·A·林白(CharlesA.Lindbergh)从纽约起飞,不着陆直抵巴黎的壮举,令当时的航空业界惊叹不已。林白冒此大险不光是为了寻求刺激,他还看中了奖金达25,000美元的奥泰格大奖(OrteigPrize)。今天,类似情节再度上演:已有12年历史的非营利机构艾克斯大奖基金会策划并组织了形形色色的科技擂台赛,吸引众多创新好手们积极参与。

  该基金会设计的游戏方案是,确定一个造福全人类、激动人心的目标,以一笔丰厚的奖金为诱饵,从参赛的民间团队中选拔出拥有最佳设计和发明的优胜者。按照他们的设想,冲着艾克斯大奖的声望,参赛者们必将全力以赴,投入甚至会远远超过该基金会在授奖仪式上颁发的奖金。

  事实验证了这一预见。基金会在1995年定下了一个目标:“开创个人航空业,让太空旅行成为人人都能享受的时尚消遣——不但安全可靠,而且花费低廉。”2004年,莫哈维航空航天冒险公司(MojaveAerospaceVentures)率先制造出一架能够抵达低地轨道、返回地球,并在两周内再次飞入太空的太空飞机,勇夺安萨里艾克斯大奖(AnsariXPrize)。参与此项竞争的团队多达26个,花在研究开发上的费用总计超过一亿美元。

  基金会在2006年底设立了第二项大奖,名为阿康艾克斯大奖(ArchonXPrize),奖金高达1,000万美元。这项大奖将颁给第一个能在10天以内,用不到100万美元的费用,完成100个人类基因组序列分析的民间团队。至少4个团队报名参加了这场角逐,他们面临的艰巨任务是,发明一种能够正确测出每条基因组上98%的基因序列,且错误数不超过6万处的仪器。

  获奖的技术可望大大加快某些新发现的推广应用,比如全基因组关联研究(Genome-WideAssociationStudy),这类研究通过分析大型患者群体,鉴别可能导致复杂遗传疾病的基因。阿康艾克斯大奖有一位声名显赫的支持者——著名理论物理学家霍金,他正在遭受肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophiclateralsclerosis)的折磨。

  2007年4月,艾克斯大奖基金会还设立了汽车艾克斯大奖(AutomotiveXPrize),征求第一种能够只花1加仑(约4.55升)汽油跑满100英里(约160千米)的量产型汽车。2007年9月,基金会又宣布推出奖金为3,000万美元的谷歌月球艾克斯大奖(GoogleLunarXPrize),准备奖给第一个发射飞船降落月球的民间团队。可能有些人的确是冲着钱来的,但毫无疑问,艾克斯大奖基金会摆下的众多擂台,已经让全球无数创新者跃跃欲试。

  虽然笔记本电脑、手机以及其他便携设备给了我们极大的行动自由,但也只有在这些设备的电池电量还撑得下去的时候,我们才能逍遥自在地到处走动。美国麻省理工学院的光子学研究员马林·索尔亚契奇(MarinSoljacic)突发奇想,打算通过无线方式传送电力,利用这种“无线电力”(WiTricity)技术,帮助我们摆脱限制自由的最后一道枷锁。

  索尔亚契奇把一个直径0.6米的铜制线圈吊在天花板上,又把另一个线米的地方,并在上面接了一只60瓦的灯泡。他把第一个线圈插上电源之后,第二个线圈上的灯就亮了起来。这是因为第一个线圈中的电流产生了磁场,从而在第二个线圈中产生了感应电流。

  许多发动机都利用了这种效应,但这种效应通常只能跨越几毫米的间隙发挥作用。随着距离的增大,电磁感应的效果便迅速减弱。索尔亚契奇把两个线圈调节到谐振状态,就能在较远的距离上实现有效的能量交换。这套系统在将来得到应用以后,笔记本电脑和手机的充电或许就会方便许多:只要把它们放在安装了谐振发射器的房间里,便可对它们进行无线充电。

  人们想摆脱各种束缚的冲动由来已久。苹果公司推出了号称“终极无线界面”的iPhone,售价高达600美元,但排队抢购者仍大有人在。这是一种集高档手机与最新版iPod的所有功能于一身的便携设备。有了iPhone,人们就可以一边轻松自如地四处闲逛,一边享受打电话、查网页、发短信、写电邮、拍照片、听音乐、看视频等种种便利。虽然以前也有一些手机具备其中多项功能,但iPhone的全尺寸“多重触控”(multi-touch)屏幕为用户的操作提供了更大的灵活性。用户可以通过一个标准键盘发短信,可以通过流媒体传输下载观看视频,可以查看直观的语音邮件列表,更不用说可以登录红极一时的网上音乐库欣赏音乐了。

  传感器的无线化也使它们变得更加机动灵活。现在,传感器已经缩小到米粒或尘粒般大小,可以持续监测生化武器,也可检查土壤含水量。随处可见的传感器正在改变人们监测世界的方式。然而,随机部署的传感器网络覆盖范围可能存在空白,也可能互有重叠(这对传感器的宝贵功能来说是一种浪费),如何查明这类情况是否存在,始终是个大难题。

  美国伊利诺伊大学香槟分校的数学家罗伯特·克里斯特(RobertGhrist)和美国波莫纳学院(PomonaCollege)的数学教授维恩·德席尔瓦(Vin deSilva),利用数学同调性(mathematicalhomology),同时解决了空白与重叠问题。同调性可以分析图形内的点、线以及各种几何格局。克里斯特和德席尔瓦把单个传感器当作点,把成对的传感器当作边,而若干条边的集合则当作图形,据此设计出一些算法,可以确定某个随意配置的传感器网络的覆盖范围是否存在重叠或者空白。

  克里斯特和德席尔瓦算法的优势在于,这类算法只需要知道哪些传感器在另一个传感器的覆盖范围内,而无须知道每个传感器的实际位置;使用这些算法,就可以省掉昂贵的全球定位线路,也不需要手工绘出线路。一旦掌握了空白区和重叠区的位置,网络管理人员就可以加大某些传感器的功率,或在关键地点增设新的传感器以填补空白区。

  对科学家而言,将药物释放至所需部位的难度有时候并不亚于新药研发。最典型的例子就是大脑,大脑血管壁坚实紧密,确保了绝大多数大分子不会从血液渗漏进大脑组织。因此,对于神经性疾病的治疗,在某些类型的药物给药时,血脑屏障是难以逾越的(参见《环球科学》2006年第11期《给大脑喂药》一文)。但是美国哈佛大学医学院免疫疾病研究所的曼朱纳特·N·斯瓦米(ManjunathN.Swamy)和他的研究小组独辟蹊径,设计出了巧妙的方法,能让药物穿过血脑屏障(blood-brainbarrier),直接作用于脑细胞。

  一些专门感染神经系统的病毒,如狂犬病毒(rabies)和疱疹病毒(herpes),可以轻而易举地穿越血脑屏障。为了借用这种能力,斯瓦米的小组选择了一个狂犬病毒表面中常见的小蛋白来伪装药物。科学家相信,该蛋白可打开穿越血管壁的通道,固定在蛋白上的药物即可趁势穿过血脑屏障。一旦进入大脑,这个蛋白还会携带药物进入单个神经细胞,这一过程与狂犬病毒感染极其相似。在斯瓦米的试验中,起治疗作用的分子是一段短核苷酸链,名为短链干扰RNA(short-interferingRNA,简称siRNA)。经过特别设计后,siRNA可靶向作用于特定基因,并抑制它们的功能——这就使得直达大脑的siRNA成为了一种用途广泛的“万能”工具。

  荷兰应用科学研究组织(Netherlands Organization forAppliedResearch)的汉斯·博曼斯(HansBoumans)及其同事开发出另一种微型“特洛伊木马”,这一发明的思路和上述例子类似。研究小组称它为“生物开关(BioSwitch)”,主要部分就是一个生物聚合物外壳,用以保护或隐藏一些物质,然后根据需要释放出它们。外壳的材料以及释放内容物的触发装置均可根据具体情况定制。

  博曼斯的研究小组发明了一种用于肉类保鲜的杀菌塑料包装。他们先将“杀菌酶”封入由淀粉分子交联而成的外壳内,然后在外面裹上塑料。外壳会处于不活动状态,直到细菌出现并开始以淀粉为食。当淀粉外壳被细菌降解时,“杀菌酶”便出其不意地被释放出来,发挥作用。还有一个类似的系统,可将不稳定的食物调味分子封存于外壳中,一旦接触到舌头上的酶,便释放出这些分子;还可以将食物中味道不好的营养素密封起来,等它遇到胃肠道中的消化酶时再行释放。

  尽管人们试图用乙醇替代汽油,但在为机动车持续供给能量方面,这种源自植物的乙醇燃料存在一定的缺点。缺点之一就是乙醇的燃烧热值低:燃烧等体积的乙醇和汽油,前者释放的能量大约比后者少1/3。

  因此,当美国威斯康星大学麦迪逊分校的詹姆斯·A·迪梅希奇(JamesA.Dumesic)及其同事,发现了一种以糖为原料人工合成新燃料的简单方法时,科学界给予了极大关注。这种新燃料被称为2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran,简称为DMF),多方面的性能超过了乙醇。DMF拥有与汽油相当的能量密度,不溶于水,而且化学性质稳定,适于储存。尽管化学家很久以前就了解这种化合物,然而批量生产这种化合物依旧十分困难。新的两步式生产工艺改进了一个中间制造环节,消除了障碍,为量产DMF铺平了道路。

  除了寻找用于内燃机的新型替代燃料之外,科学家还在研究燃料电池,这为实现环保型能源提供了一条新的出路。质子交换膜(proton-exchangemembrane,PEM)燃料电池是一种高效的氢燃料电池,它的关键核心是正电极表面覆盖着的一层致密如薄膜的铂微粒,氧分子在这里被分解为独立的带电原子。

  美国布鲁克海文国家实验室的化学家拉多斯拉夫·R·阿季奇(RadoslavR.Adzic)带领他的研究小组,发现了一种防止电极表面铂微粒氧化的方法。电极的氧化不仅会减缓化学反应速度,降低输出功率,还会造成质子交换膜的降解,使燃料电池完全失效。阿季奇的研究小组在电极上喷涂一层金纳米微粒,让铂微粒层保留了绝大部分原有的催化能力,同时还具备了抗氧化能力。

  为了持续产生电能,大多数质子交换膜燃料电池需要持续供给氢气,或者供给能够被催化裂解为氢气的碳氢化合物。不过,一些燃料电池的原型很像生物细胞,因为它们能用化学合成的酶分解糖类(一类特殊的碳氢化合物分子)产生电子,进而输出电能。但与真正的活细胞不同,维持反应所必需的酶在这种电池里通常很快就会消耗殆尽。

  美国圣路易斯大学的电化学家谢利·D·明特尔(Shelley D.Minteer)和她的同事塔玛拉·克洛茨巴赫(TamaraKlotzbach)开发出一种新的方法,能够补充这种糖燃料电池因反应而消耗的酶。她们已经发明了一种聚合物,用它把酶包裹起来,就能把后者的催化活性从数天延长到数月。

  不断有新证据表明,厨房、浴室和玩具箱中十分常见的一些物品,也会让人生病。双酚A(bisphenolA)就是一种潜伏的危险物质,它是婴儿奶瓶和其他消费品中经常使用的轻型塑料的成分之一。近几年来,科学家已经报告,低浓度的双酚A能够干扰细胞分裂、导致孕妇流产、使新生儿出现唐氏综合征等先天缺陷。

  2007年初,美国华盛顿州立大学的帕特里夏·A·亨特(PatriciaA.Hunt)带领的一个研究小组发现,在雌性小鼠胚胎的形成过程中,少量双酚A就可以阻碍卵细胞的生长。接触双酚A之后,胚胎中40%左右的卵细胞染色体数目出现异常。这项令人震惊的发现说明,这种化学物质可以影响三代人:怀孕的准妈妈接触双酚A会损害女儿的生殖细胞,进而继续破坏第三代的发育。

  美国国立卫生研究院(NIH)下属的美国国家毒理学规划处(NationalToxicologyProgram),最近在审查双酚A的安全性。一些医师也建议孕妇不要饮用装在塑料瓶里的水,尤其是塑料瓶出现明显的刮伤或磨损时,因为这也许表明这种有害化学物质正在溶解。

  有毒的居家常用物品还可能对环境造成危害,其中未使用过的药物威胁最大。消费者经常会将这些药物冲入下水道,将药物中包含的强效分子带入江河湖海。被丢弃的避孕药会引起鱼类的生殖问题,过量的抗生素则会助长耐药细菌的扩散。2007年,为了应对这些问题,美国药剂师协会(AmericanPharmacistsAssociation)和美国鱼类及野生动物保护委员会(U.S. Fish andWildlifeService)联合签署一项协议,启动了一项面对公众的、旨在改变公众消费习惯的运动。当病人得到处方的时候,会被告知,要通过危险废物回收程序来处理未使用的药物。如果当地没有启动这套程序,应将药物压碎并稀释,然后封入塑料袋中,丢到垃圾箱之中(一些麻醉品不建议如此处理,因为存在药物被吸毒者从垃圾箱中取回的风险)。

  一种更好的解决方法是,鼓励消费者将未使用的药物退回药房。这种方法目前已经在美国的加利福尼亚州、华盛顿州和缅因州进行试点。

  科学家们使用吸管来量取和配制精确体积的液体。现有吸管能够量取的液体最小体积可达1阿升(attoliter,10-18升),也就是一百亿亿分之一升。

  美国布鲁克海文国家实验室的物理学家彼得·W·萨特(Peter W. Sutter)和伊莱·A·萨特(EliA.Sutter)已经打破了这一下限:他们制造出一种吸管,可以量取体积仅有1阿升的千分之一,即1仄升的微小液滴。如此微小的体积,只能容纳1万到100万个金属原子。

  这些研究人员使用一条锗纳米线,一端连有一小团固态金锗合金。他们把这条两微米长的微小部件装进一个碳壳中,就构成了一个吸量管。在真空室里,他们加热并熔化合金,再用一束电子束照射碳壳的末端。电子束为熔化的金属打开一个出口,涌出的金属就形成了一个微小的液滴,直径仅40纳米,体积35仄升。

  在仄升量级下量取液体就已如此困难,那么,在经典物理学理论不再适用的更小尺度下进行测量,又会如何呢?利用量子力学进行高精度测量的量子测量法(Quantummetrology)就是这样一种技术。利用这种技术,日本北海道大学(HokkaidoUniversity)和英国布里斯托尔大学(UniversityofBristol)的物理学家把光子对距离的测量精度几乎提高了一倍。

  在以前的研究中,科学家曾用纠缠于同一量子叠加态上的光子进行距离测量,这次取得的进展也建立在这一基础之上。研究小组将两个光子对导入一台干涉仪,这台设备会用反射镜产生一个环形光路,让光波彼此干涉。每一个光子都会一分为二,同时沿两条路径运动。一组4个处于某一纠缠态的光子沿某一个方向在干涉仪的环形光路中前进,而另一组4个光子则沿相反方向前进。反向运动的光子发生的干涉,可以揭示两组光子运行距离上的细微差异。

  精密测量在许多领域都大有用途,比如在使用激光刻蚀计算机芯片中的超薄电路时,精密测量技术就可以大显身手。

  疟疾(malaria)每年仍然会夺走上百万人的生命。虽然喷洒杀虫剂和派发特制蚊帐这类技术含量不高的方法,都可以降低感染率,但贫穷国家还是无力承担这笔开销——那里正是疟疾致死病例最多的地方。

  多年来,研究人员一直在寻找另一种防治策略:对蚊子进行基因改造,让它们失去传播疾病的能力。疟疾由疟原虫导致,这些寄生虫在人类肝脏细胞及红血细胞中繁殖,通过雌性按蚊(Anopheles)在人与人之间传播。尽管几个研究小组已经将一些基因转入实验室培养的蚊子体内,成功培育出了不易携带寄生虫的转基因蚊子,但这些蚊子的生育及生存能力却不及野生蚊子。

  2007年3月,美国约翰·霍普金斯大学的微生物学家马塞洛·雅各布斯-洛雷纳(MarceloJacobs-Lorena)宣布攻破了这一难关。雅各布斯-洛雷纳在按蚊的基因组中插入一个基因,用来指导一种叫做SM1的肽的产生。这种肽会分布在蚊子的肠道,能够阻止啮齿动物体内疟原虫的增殖。约翰·霍普金斯大学的研究小组把转基因蚊子、野生蚊子与感染了疟疾的小鼠关在同一个笼子里,让蚊子以这些小鼠的血液为食。随着蚊子的繁衍,9代之后,转基因蚊子占整个种群的70%。抗病蚊子不仅战胜了野生蚊子,而且活得更好。

  这项实验还不足以说明抗感染基因可以在野外环境中广泛散播,但至少给人带来了希望:转基因蚊子有可能存活。然而,不到一个月之后,美国加州理工大学的生物学家布鲁斯·A·海(BruceA.Hay)又找到了证据,证明突变基因确实能在昆虫种群中传播开来。布鲁斯的小组以果蝇为实验物种。他们将一段非编码RNA(即小分子RNA),与果蝇胚胎发育的关键基因连接在一起,又对这一基因进行改造,使它不受这段RNA的影响。接着,研究人员把这些经过改造的果蝇放入笼中,同时还放入了3倍数量的野生果蝇。随着种群的杂交融合,整合了小分子RNA的野生果蝇逐渐死去,因为小分子RNA会破坏它们未受保护的关键发育基因,而携带改造基因的果蝇却可以存活下来。9到11代后,笼子里的果蝇后代无一例外,全都携带了科学家改造过的基因。

  不小心切破了手指,在我们去找创可贴之前,人体就开始修补伤口了。合成材料也可以拥有类似的自我修复能力,这多亏了美国伊利诺伊大学香槟分校的南希·R·索托斯(NancyR.Sottos)、斯科特·R·怀特(ScottR.White)和他们的同事所作的努力。他们研制出一种自修复塑料,含有一个三维毛细管网络,管中充满有修复作用的化学药剂。当材料破损时,药剂就渗漏出来,在同时漏出的一种催化剂颗粒的作用下凝固。这个小组以前研制的自修复材料中,药剂被分开存储在一个个小隔间里,每个部位只能自行修复一次。改进后研制成功的新材料能对同一部位的小破损自行修复多达7次。

  科学家们还试图模仿天然器官的另一个特点——自装配性。法国巴黎高等理工化工大学(City of ParisIndustrialPhysics and Chemistry Higher EducationInstitution)的伯努瓦·罗曼(BenotRoman)和若泽·比科(JoséBico),利用蒸发时水滴的表面张力,折叠出超小型的六面体、棱锥体和其他结构。他们用来折叠的“纸张”是从一种弹性聚合物上裁剪下来的,长宽约1毫米,厚仅为40微米到80微米。由于表面张力与尺寸成正比,在用更薄的聚合物自装配成微米或纳米尺度的物体这一方面,这种技术也许会非常有效。

  近来,塑料和有机材料电子元器件越来越常见,但磁性材料并不多见。现在,加拿大英属哥伦比亚省维多利亚大学的罗宾·G·希克斯(RobinG.Hicks)和加拿大安大略省温莎大学(University ofWindsor)的拉伊沙潘·然(RajsapanJain)及其合作者,制造出了一类新的磁体,由镍与多种有机化合物混合而成。这种黑色粉状物质在200℃时仍能保持磁性。研究人员的最终目标是制造出磁性有机化合物。这种材料能够轻而易举地制成薄膜,或者其他对电子工业有用的形状。

  人们曾经认为,只有在接近绝对零度的超低温下,才能观察到物质的一种奇异状态——玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einsteincondensate)。处于这种状态时,大量粒子凝聚在一起,表现得像一个超级粒子。德国明斯特大学的谢尔盖·德莫克里托夫(SergejDemokritov)及其同事,率先在室温下实现了这种凝聚态。得莫克里托夫在研究中使用的是体积很小、寿命很短的磁能量包,这些磁振子(magnon)是钇铁石榴石薄膜受到微波照射时产生的。磁振子的质量比原子小得多,因此可以在高得多的温度下形成玻色-爱因斯坦凝聚态。

  记忆是如何形成的?为了演示记忆过程如何在生物学基本层面上发生,以色列特拉维夫大学的生物物理学家利用附着在计算机芯片上的神经元细胞,模拟了记忆的形成过程。伊泰·巴鲁齐(ItayBaruchi)和埃谢尔·本-雅各布(EshelBen-Jacob)将取自大鼠胚胎的神经元细胞置于一块芯片表面,并用64个电极与它相连,记录细胞活动。当化学刺激物重复滴落在芯片的同一位置,研究人员可以检测到完全相同的神经冲动。反复多次后,即使没有化学刺激,神经元仍然会发出相同的冲动。他们声称,这就表明一个记忆已经形成了。

  正常及病变脑组织中蛋白构成的差异,可能为脑疾诊断提供了一种新方法。美国西北太平洋国家实验室的理查德·D·史密斯(RichardD.Smith)和加利福尼亚大学洛杉矶分校的德斯蒙德·J·史密斯(DesmondJ.Smith),共同构建了一套复杂的蛋白分析系统。这套系统将复杂的图像处理功能与一系列高科技设备结合在一起。通过分析两只正常小鼠脑中一毫米见方的组织块,研究人员最终确定了正常大脑组织中1,028种蛋白的含量。科学家将在未来的实验里,利用这种方法比较正常大脑组织与患神经退行性疾病的大脑有哪些不同。

  更好的诊断方法是必需的,对阿尔茨海默病来说尤其如此。美国约翰·霍普金斯大学医学院的斯蒂娜·M·塔克(StinaM.Tucker)、埃斯特·奥(Esther Oh)和胡安·C·特龙科索(JuanC.Troncoso),利用绑定了淀粉样β蛋白(amyloid-betaprotein)的抗体进行了一项实验。在阿尔茨海默病患者脑中,淀粉样β蛋白会形成损伤性斑块。研究人员利用遗传工程使实验室小鼠患上一种类似于阿尔茨海默病的疾病。上述抗体在发病早期便与病鼠脑中的异常蛋白结合。这项发现也许会被逐步应用于人类试验,并有朝一日与目前正在开发的药物一起,被用于阿尔茨海默病的预防性治疗。

  可以想象,这种诊断方法可能会与一种利用噬菌体(phage,能够感染细菌的病毒)破坏有害斑块的新疗法结合使用。以色列特拉维夫大学的贝卡·所罗门(BekaSolomon)展示了这种新疗法的初步实验结果。噬菌体通过鼻喷剂,被注入到100只经遗传改造、发展出类似阿尔茨海默病斑块的小鼠体内。经过一年的治疗,这些小鼠脑中的斑块比未经治疗的小鼠少了80%。

  电脑芯片的数据处理能力达到了前所未有的程度,如何在芯片内部传输流量越来越大的信息,就成了一项艰巨的挑战。光子元件的出现或许能解决这一难题,它使用的是光脉冲,而不是慢得多的电荷包。多年来,研究人员一直在研制所谓的硅光波导(siliconopticalwaveguide)。在这种器件中,光线沿着两条通路之间波导脊传播,就像沿光纤传播一样。

  但是,这种光学互连设备必须在精确的时刻发送数据,所以需要对光脉冲进行可控延迟。一种方法是将光脉冲引入用波导制成的微小环路,光脉冲在其中回旋多次后,再继续它们的旅程。美国纽约州约克镇高地IBM托马斯·J·沃森研究中心(ThomasJ.Watson Research Center)的尤里·A·弗拉索夫(YurriA.Vlasov)及其同事,将光脉冲导入环路,运行了100圈之后,没有任何明显的数据损失。

  利用微元件延迟光波的另一种方法,是使用光子晶体元件,它们拥有经过仔细设计的孔洞阵列,孔洞的大小和间距可以阻挡特定波段的光线(称为光子带隙)。在一个拥有这种孔洞阵列的硅薄片上,制作一条没有孔洞的通路,就构成了一个光子晶体波导。通路两侧的孔洞产生的带隙限制了光线的传播路径。日本NTT物性科学基础实验所的田边孝纯(TakasumiTanabe)及其同事在此项研究中取得了一些进展:他们成功地将光子暂时贮存在了光子晶体纳米空腔之中——这里的空腔,指的是波导稍宽的一个小小区域。

  一些研究人员想方设法延迟光线,但在美国伦斯勒理工学院(RensselaerPolytechnicInstitute),E·佛瑞德·舒伯特(E.FredSchubert)领导的另一些研究人员却发明了一种几乎不反射光线纳米,由五层纳米棒层叠而成。这些纳米棒由二氧化钛和二氧化硅构成,直径约25纳米,长度可达300纳米。这些纳米棒层叠在一个透明半导体薄片上,每一层的折射率都比下面一层更低。无涂层半导体的光反射率约为12%;如果加上涂层,反射率可以小到0.1%。这种涂层可以应用于光子元件、发光二极管和太阳能电池上。

  还有一些研究人员正在追求一个更加远大的目标,那就是制造量子计算机。这种计算机可以利用量子力学的奇特效应,实现空前的运算处理能力。一种实现方案需要把量子数据存储在原子的长寿命量子态中,还要用光波传输这些量子数据。但是,要把存储和传输结合起来,就必须要让脆弱的量子态能够在物质与光之间传递。2006年,在丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的实验物理学家尤金·S·波尔齐克(EugeneS.Polzik),以及德国加兴马普量子光学研究所的理论物理学家伊格纳西奥·西拉克(IgnacioCirac)的共同领导下,一个研究小组成功将一组量子信息从一个光脉冲传递给一团原子云。

  自20世纪90年代以来,全世界已出现了200多例人类“疯牛病”——新型克雅氏病(variantCreutzfeldt-Jakobdisease)。对于这种破坏性的致命疾病,以及其他由畸形恶性蛋白颗粒朊病毒(prion)感染所致的疾病,至今还没有有效的治疗方案。英国伦敦神经学研究所的乔凡娜·R·马卢奇(GiovannaR.Mallucci)及其合作者,进行了一项小鼠试验,使人们看到了根治此类疾病的曙光。研究人员利用遗传工程技术,使小鼠只在出生后的前9周内产生PrP蛋白,而正常小鼠会持续表达该蛋白。如果小鼠体内存在阮病毒,PrP蛋白就会错误折叠,产生更多的朊病毒。

  一种可以导致羊痒病(scrapie)的朊病毒,被注射入基因改造小鼠与正常小鼠体内,两组小鼠最初均出现认知功能减退。正常小鼠病症持续恶化。而基因改造小鼠在12周后,由于不再产生PrP蛋白,记忆功能以及一系列正常的行为特征逐渐恢复。失去这种蛋白的小鼠,在康复过程中并没有表现出任何异常。如果该方法可以经受更多考验,人们将着手开发从人体内去除PrP蛋白的药物和基因疗法。

  然而,在这些疗法出现之前,朊病毒通过输血进行传染的可能性仍然存在。美国巴尔的摩退役老兵体检中心的罗伯特·罗韦尔(RobertRohwer)及其同事,发明了一种能从红血细胞中去除朊病毒的过滤器。研究人员对上百万种化学物质进行了检测,最终发现了一种易于结合朊病毒的化合物——L13。他们把L13胶连到微珠表面,并用这些微珠填充过滤器。含有羊痒病病毒的血液通过过滤器净化后,再注入仓鼠体内,便不会再致病了。

  用太阳能发电不会向大气排放温室气体,但是太阳能发电的成本比使用煤和天然气的火电站要高得多。为了提高太阳能发电的竞争力,研究人员一直在寻求各种改进方案,使太阳能电池更加有效地把阳光转换为电能。

  最基础的科学研究或许可以为我们提供一些启示。光合作用(photosynthesis)把阳光转化为化学能的效率,几乎达到百分之百,这种神奇的本领促使研究人员开始深入发掘光合作用的复杂机理。美国芝加哥大学的格雷戈里·S·恩格尔(GregoryS.Engel)曾在加利福尼亚大学伯克利分校任职,他领导的一个研究团队将一种绿硫细菌冷却到77K(-196.15℃),然后用超短脉冲激光照射细菌,这样就能够跟踪能量在细菌光合作用器官中的流动情况。

  研究人员发现,使用这种光谱分析技术,他们可以解释植物如何高效地把太阳能传送到分子反应中心,将它转换为化学能。对光合作用的传统观点是,负责捕获光的分子,即发色团(chromophore),吸收来自太阳的能量,然后沿着任意一条可能的路径,把太阳能从一个发色团传递到下一个发色团,最终抵达某个反应中心。

  但这项研究却揭示了一个与传统见解大相径庭的结果:在光合作用系统中,能量以波动方式同时沿着所有的路径移动。这种量子效应保证能量将通过效率最高的路径传送,可以瞬时抵达目的地。对光合作用的新认识,最终有可能成为一种人造光合作用过程的基础。把这一过程纳入太阳能电池的设计中,就可大大提高太阳能电池的转换效率。

  其他一些科学家则在寻找更好的办法,利用阳光来解决建筑物的冷暖调节问题。美国伦斯勒理工学院(RensselaerPolytechnicInstitute)的史蒂文·范德塞尔(StevenVanDessel)及其同事,研制了一套把太阳能电池板与热电式热泵结合起来的原型系统——“活性建筑物外包层”(ActiveBuildingEnvelope,缩写为ABE)。在这套系统中,太阳能电池板产生的电力驱动热泵向建筑物内部供应暖气或冷气,具体取决于电流流动的方向。该研究小组还打算用薄膜型太阳能电池和热电材料取代目前使用的厚重元件,他们正在考察这种想法的可行性。这类透明薄膜可以像釉料那样,覆盖在建筑物的窗户以及汽车的挡风玻璃和天窗上。

  干细胞可以分化为任何一种细胞,这使人们在探索如何恢复病变或创伤组织的过程中,对它们寄予厚望,但也正是这一特性使它们难以驾驭。近来,科学家的一系列突破性进展使干细胞的许多固有特性被一一揭开,这将帮助人们进一步实现对干细胞的控制。

  日本京都大学的山中伸弥(ShinyaYamanaka)曾经活化了普通小鼠表皮细胞中的4个基因,从而让这些细胞具备了胚胎干细胞(Embryonicstemcell,缩写为ESC)的大多数特性。最近,他又演示了一种更精准的方法,能够把改造后类似ESC的细胞分离出来。这种方法的有效性已被其他几个实验室证实。

  反过来,诱导人工培养的胚胎干细胞分化为表皮细胞或其他组织细胞也非易事。这需要某些特定基因的活化,再加上周围环境发出特殊信号。美国加利福尼亚大学伯克利分校的杨培东(PeidongYang)和旧金山市格拉德斯通心血管病研究所(GladstoneInstitute of CardiovascularDisease)的布鲁斯·R·康克林klin)展示了一种新方法:将胚胎干细胞培养在纳米硅丝丛中,就能向细胞传递那些外部信号。杨培东和康克林预测,未来的研究人员可以借助纳米丝向细胞传递电脉冲或化学物质,诱导干细胞分化成特定的组织细胞。

  一部分科学家致力于操纵胚胎干细胞进行分化,另一些研究者却在探索,如何让成年人体内的干细胞保持未分化状态。2007年,美国哈佛大学医学院的弗兰克·D·麦基翁(FrankD.McKeon)发现,一个叫做p63的基因的活性,是细胞维持干细胞状态的关键,至少在上皮细胞中确实如此。(上皮细胞包括皮肤、前列腺、乳腺及胸腺组织的细胞。)

  对于研究成体干细胞与健康和疾病关系的工作者来说,获得实验材料不算难事。然而胚胎干细胞的来源却严重不足,研究者需要千方百计搞到卵细胞并培养胚胎。一种新的回收方法将使异常并作废的胚胎成为胚胎干细胞研究的材料来源。体外受精过程中,如果两个精子进入同一个卵细胞,ag亚洲集团就会产生具有多倍染色体的异常胚胎。美国哈佛干细胞研究所的凯文·埃根(KevinEggan)和他的小组,在实验中用这种胚胎取代了珍贵的卵细胞。他们发现,如果取走异常细胞中的染色体,并换上新的遗传物质,这些胚胎仍然能够发育,成功率和卵细胞培育的胚胎相同,而且能够产生外观正常的干细胞。

  现在回过头来看看老式打印机,那冰冷的“吱吱”声和讨厌的边缘穿孔打印纸,是否让你觉得很落伍?然而10年之后,当你再次回首端详今天被我们称为“打印机”的设备时,肯定也会觉得落伍——到那时,能够打出整件物品的三维立体打印机,售价已经在逐步下降,新型打印机甚至能够打印出电子电路板乃至功能完整的电路。研究人员现在已经发明了一种能打印出硅芯片的打印机。

  这种设备是日本精工爱普生公司的材料科学家古泽昌宏(MasahiroFurusawa,音译)及其同事设计研制的,能够喷出聚硅烷(polysilane),也就是一种由氢和硅构成的聚合物。一旦聚硅烷沉积下来,把它放进厨房烤箱,设定在清洗模式的温度下烘烤,便可把它所含的氢除掉,剩下来的就是晶体硅了。这种技术可以代替传统的微芯片生产工艺。传统工艺要求将硅提纯,并在硅基片上进行制版和蚀刻,不仅过程复杂,而且十分浪费:99%的硅都在制作过程中被浪费掉了。虽然硅打印机依然是一种很难伺候的设备,打印出来的芯片在精细程度上也赶不上传统技术。不过,它或许可以降低低精度硅器件的成本,比如显示器电路和太阳能电池等。

  未来的电子设备玩家在回忆如今电路中的电流时,也会觉得非常落伍。今天的电路在传送信号时,是用电子的存在与否来表示数据的,完全没有考虑电子的自旋(spin,与经典物理学中的“旋转”相对应的一个量子力学性质)。目前正在崛起的自旋电子学(spintronics),就是要充分利用这种以前无人问津的信息资源。目前,自旋电子学只在硬盘上实现了应用。研究人员正在努力探索如何把这项技术应用到执行计算任务的逻辑门上,主要原因在于,改变电子自旋所需的能量,比改变电流方向所需的能量要少。然而这项技术的难点在于,探测并操作自旋需要借助磁铁,把磁铁集成到硅电路中是件相当棘手的事情。(参见《环球科学》2007年第11期《钻石量子计算机的心脏》一文。)

  美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的物理学家阿南·德里(HananDery)及其同事,提出了一项可行的逻辑门设计方案。这个方案把固定的磁铁与不同的电压结合起来,根据电子的自旋以及我们所需的门功能来操纵电子。研究小组还提出了一个粗略的构想,要用这种逻辑门制造自旋电子计算机,不过是否可行还须拭目以待。

  人体修复术的研究,往往在战争期间或战争刚结束时取得突飞猛进。令人遗憾的是,过去几年也不例外。美国芝加哥康复中心的托德·A·库伊肯(ToddA.Kuiken)和他领导的团队,在“神经定向再分布”(targetedreinnervation)技术上取得了开创性的进展。这项技术专门探索如何把人造手臂接在神经系统上。他们从伤者失去手臂的那一侧肩膀上取出神经,移植到胸部。装了假肢的人想移动假肢时,只要用力使胸部肌肉收缩,电极就会探测到这一活动,并将信息传递给假肢,使它做出相应动作。研究人员已经开始试验双向连接,试图把假肢传感器发来的信号转发给感觉神经。

  这种假肢是赛格威(Segway)的发明人、DEKA研发公司的迪安·卡门(DeanKamen)研制的。它的详细情况目前只在一段网络视频中有所披露,但效果着实令人眼界大开。在某场演示中,一位装着这种假肢原型产品的工程师用假手抓住了一个水瓶,捡起了一支笔,还刮了刮自己的鼻子,看起来酷似美国科幻电视剧集《无敌女金刚》(BionicWoman)中的场景。我们只能期望,这种假肢的售价不要像赛格威那样贵得离谱,而是让大多数人都能够负担得起。

  在美国,每年有20多万人遭遇膝部韧带撕裂伤,这种损伤会造成极大痛苦,而且很难治愈。美国弗吉尼亚大学的加图·T·洛朗森rencin)领导的团队,开发出一类新型聚合物,可以充当组织支架,促进新韧带的生长。在对家兔膝盖进行的试验中,再生的韧带可以承受相当于正常韧带1/3的张力。不可否认,大约有一半的兔子会再次发生韧带撕裂,不过洛朗森认为,这是因为他们很难说服兔子乖乖接受物理治疗。

  以前,为了给上网求助的问路者提供即时帮助,MapQuest和谷歌地图(GoogleMaps)之类的导航地图程序不得不对问题进行简化,换句话说,它们无法完整地考虑每一条通往目的地的可能路线。不过,现在情况已经不同了。德国卡尔斯鲁厄大学的科学家设计了一种计算机程序,可以迅速计算出所有可能的行驶路线中最快捷的一条,所需计算量也不算太大。

  项目科学家多米尼克·舒尔斯特(DominikSchultes)设计了这套程序,他的出发点非常简单:驱车前往某处时,通常需要经过若干个十字路口,这些十字路口之间没有多少连接路线。预先计算出发地(或目的地)与最近十字路口之间的连接路径,再计算各条干线彼此交叉的所有地方,也就是所谓的交通节点(transitnode)之间的连接状况,便可以找出最佳路线。在道路纵横密布的西欧和美国地图上,研究人员测试了这种高度节省计算量的算法,发现计算效率提升了足足100倍。

  为了真正确保司机们开车时不会迷失方向,谷歌公司已经在谷歌地图中加入了一项名为“谷歌街景”(GoogleStreetView)的功能,为司机提供精确到街道的实景导航图。“谷歌街景”会把行驶路线上的街道全景抓拍图片,按照行驶顺序一张张显示出来,让司机从驾驶座上便能参照图片核对自己路过的道路标志了。

  即使有了最可靠的路线指南,无法预料的交通状况也会造成出行不利。IntelliOne公司致力于把交通网与通信网结合起来,它们不久前推出TrafficAid系统,可以把匿名的手机信号转换为一张精确的实时交通路况图。

  利用无处不在的手机网络,这套系统无须沿着交通路线安装独立的传感器。相反,一些特殊的服务器可以探测某一部手机的确切位置和速度。IntelliOne公司将这些信号数据传送到数据库中,将探测到的手机与具体的道路联系起来,ag亚洲集团,生成准确而及时的路况信息。

  由于不再依靠摄像机、路边雷达和路面监视器传来的交通信息,TrafficAid系统能够更迅速地刷新手机信号分布图,计算出汽车实际速度,误差在5~8千米/小时以内。

  从理论上来说,太赫兹射线(terahertzradiation)可以透过人体、塑料、纤维和陶瓷,在不损伤材料的前提下,安全检测内部是否存在异物。这种射线的频率约为百亿赫兹,介于微波和红外线之间,可以在医疗领域帮助检测肿瘤,在安全领域协助发现炸弹。几十年过去了,所谓的T射线设备仍然易碎而笨重(至少45千克),很难走出实验室,得到广泛应用。然而,经过了短短几个月的努力,美国伦斯勒理工学院的布赖恩·舒尔金(BrianSchulkin)就制造出一种简易T射线成像仪。这个被称为“迷你Z”的设备仅重2.3千克,一只公文包就能装下。科学家用样机检测出了用来制造航天飞机隔热层的泡沫材料样品中的人工瑕疵。舒尔金接下来计划开发掌上型T射线设备。

  学生书包里几本又厚又重的课本足以造成肌肉劳损。美国宾夕法尼亚大学和马萨诸塞州伍兹霍尔市海洋生物学实验室的劳伦斯·C·罗梅(LawrenceC.Rome)及其同事,发明了一种可以最大程度减小背包压力的悬吊系统。在行走过程中,人的身体通常以几厘米的幅度上下起伏,书包也随之一上一下。一个2.3千克重的笔记本电脑,行走过程中会对背部产生相当于3.7千克的冲击力,跑动过程中冲击力将增大到6.9千克。利用滑轮和弹力绳,研究人员使这种由运动产生的上下起伏减少了一半以上,从而使背包在感觉上轻了1/5。

  其中一种背包设计甚至可以发电,输出功率超过7瓦特,足以给手机充电。罗梅已经成立了一家名为“轻盈背包”(LightningPacks)的公司,想把这些设想变成现实。

  9年前,科学家发现,嗜睡症(narcolepsy,一种突然产生睡意的病症)是大脑缺乏食欲肽(orexin)引发的。瑞士Actelion制药公司根据这一知识,开发出一种新型安眠药,通过抑制两个食欲肽受体达到催眠效果。实验显示,该药有效成分——一种被称为ACT-078573的化合物,可以有效使动物或人类进入睡眠。

  血吸虫病(schistosomiasis)是一种寄生虫病,会让人虚弱无力。全球每年约有两亿人感染此病,使它成为仅次于疟疾的世界卫生难题。目前,这种慢性病的常用治疗药物只有一种——吡喹酮(praziquantel),这不禁令人担心:有朝一日,血吸虫产生抗性后,我们该如何应对?美国加利福尼亚大学旧金山分校的康纳·R·卡弗里(ConorR.Caffrey)及其同事,研制出了一种可以杀灭血吸虫的新药。通过深入研究,他们发现K11777药物会干扰血吸虫消化酶的功能,从而将它们从实验室小鼠体内清除干净。

  如果这种药物对人类同样有效,人们将考虑在发病前期用吡喹酮,后期用K11777的复合疗法。

  直到不久以前,各个从事禽流感研究的实验室,仍旧对自己的研究结果严格保密,以致全世界只有15个研究机构可以获得禽流感病毒相关基因的序列,这实际上阻碍了对禽流感的研究进展。然而,意大利帕多瓦市维亚勒大学(VialleUniversity)的伊拉里亚·卡普阿(IlariaCapua)没有将她的研究结果输入自己实验室的数据库,而是公布在了面向大众公开的基因银行(GenBank)上。她还勇敢地号召其他实验室效仿她的作法。

  她的努力为“全球共享禽流感数据倡议”(Global Initiative on Sharing AvianInfluenzaData)铺平了道路。通过这项倡议,研究人员可以保有研究成果的知识产权,科学发现又可以自由共享。

  2008年1月份的《环球科学》杂志(著名科普杂志《科学美国人》中文版)公布了2007年全球科技领袖名单,这些研究人员和机构有能力在卫生保健、消费电子等众多领域,为人类做出非凡贡献。

  18.南希·R·索托斯、斯科特·R·怀特,美国伊利诺伊大学香槟分校(研究)

  24.斯蒂娜·M·塔克、埃斯特·奥、胡安·C·特龙科索,美国约翰·霍普金斯大学医学院(研究)

  41.迪安·卡门,DEKA研发公司(研究)42.加图·T·洛朗森,美国弗吉尼亚大学(研究)

  47.劳伦斯·C·罗梅,美国宾夕法尼亚大学、马萨诸塞州伍兹霍尔市海洋生物学实验室(研究)48.Actelion制药公司,瑞士(商业)

  50.伊拉里亚·卡普阿,意大利维亚勒大学(政策) (来源:《环球科学》杂志)

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