Science雜志提出的125個天問課件

1、Science雜志提出的125個天問Science雜志提出的雜志提出的125個重要個重要科學問題科學問題 2005年7月1日 美國科學周刊309卷 第5731期 Science雜志提出的125個天問Science雜志提出的125個天問25個問題美國美國科學科學雜志編委會在將于雜志編委會在將于7 7月月1 1日出版的新一期雜志上提出日出版的新一期雜志上提出125125個個“天問天問”，也就，也就是目前挑戰(zhàn)全球科學界的重要基礎性問題。是目前挑戰(zhàn)全球科學界的重要基礎性問題?？茖W科學雜志編委會說，其中雜志編委會說，其中2525個問題最個問題最為醒目，也有望不久得到解決。為醒目，也有望不久得到解決。 這

2、這2525個問題涉及的范圍從宇宙構成、地球演化、生命興起直到人類自身。物理領個問題涉及的范圍從宇宙構成、地球演化、生命興起直到人類自身。物理領域的問題包括：宇宙的構成究竟如何？描述世界的物理理論能否統(tǒng)一？量子不確定性域的問題包括：宇宙的構成究竟如何？描述世界的物理理論能否統(tǒng)一？量子不確定性和非定域性背后，是否有更深刻的理論？地球內(nèi)部的活動機理如何？而化學領域的問和非定域性背后，是否有更深刻的理論？地球內(nèi)部的活動機理如何？而化學領域的問題是：題是：“自我組合自我組合”物質(zhì)的化學能發(fā)展到什么程度？物質(zhì)的化學能發(fā)展到什么程度？ 有幾個問題涉及當前全人類面臨的挑戰(zhàn)。比如：能否研制出有效的的艾滋病疫苗？

3、有幾個問題涉及當前全人類面臨的挑戰(zhàn)。比如：能否研制出有效的的艾滋病疫苗？溫室效應會將地球加熱到什么程度？什么能源、到什么時候能取代石油？地球能容納溫室效應會將地球加熱到什么程度？什么能源、到什么時候能取代石油？地球能容納人口的上限是多少？還有問題涉及信息學和醫(yī)學：傳統(tǒng)計算機的極限在哪里？我們能人口的上限是多少？還有問題涉及信息學和醫(yī)學：傳統(tǒng)計算機的極限在哪里？我們能否選擇性地否選擇性地“關閉關閉”某些免疫反應？某些免疫反應？ 在125個問題中，關于生命科學領域的問題最多。比如：人類意識的生理基礎是什么？為什么人類的基因只有大約25萬個，遠少于早先的預期？基因變異和人類健康的聯(lián)系有多緊密？人類的

4、壽命能延長到多久？什么在控制器官再生？皮膚細胞如何能變成神經(jīng)細胞？一個胚細胞如何變成整株植物？人類是否是宇宙中唯一的智慧生命？ 又比如：地球上的生命何時、何地開始興起？什么在決定物種多樣性？是什么基又比如：地球上的生命何時、何地開始興起？什么在決定物種多樣性？是什么基因變異使人類和其他靈長動物區(qū)分開來？記憶是如何存儲和恢復的？人類的合作行為因變異使人類和其他靈長動物區(qū)分開來？記憶是如何存儲和恢復的？人類的合作行為是如何演化來的？如何將海量的生物信息數(shù)據(jù)綜合成生命活動的圖景？是如何演化來的？如何將海量的生物信息數(shù)據(jù)綜合成生命活動的圖景？ 今年是今年是科學科學雜志創(chuàng)刊雜志創(chuàng)刊125125周年。這周

5、年。這125125年中，這份由大發(fā)明家愛迪生創(chuàng)辦的雜年中，這份由大發(fā)明家愛迪生創(chuàng)辦的雜志成為世界最著名的科學刊物之一。因此，由各領域?qū)＜医M成的雜志編委會特地挑選志成為世界最著名的科學刊物之一。因此，由各領域?qū)＜医M成的雜志編委會特地挑選了了125125個科學個科學“大問題大問題”作為紀念。作為紀念。 科學科學雜志總編唐納德雜志總編唐納德肯尼迪在一份聲明中強調(diào)，這些肯尼迪在一份聲明中強調(diào)，這些“大問題大問題”中有一些中有一些可能永遠得不到答案，但它們指明了科學家們前進的方向，而解決這些問題的努力也可能永遠得不到答案，但它們指明了科學家們前進的方向，而解決這些問題的努力也將豐富人類的知識。將豐富人類

6、的知識。 Science雜志提出的125個天問1-101. 宇宙是由什么構成？2. 意識的生物學基礎是什么？3. 為什么人類基因會如此之少？4. 遺傳變異與人類健康的相關程度如何？5. 物理定律能否統(tǒng)一？6. 人類壽命到底可以延長多久？7. 是什么控制著器官再生？8. 皮膚細胞如何成為神經(jīng)細胞？9. 單個體細胞怎樣成為整株植物？10. 地球內(nèi)部如何運行？Science雜志提出的125個天問11-2011. 地球人類在宇宙中是否獨一無二？12. 地球生命在何處產(chǎn)生、如何產(chǎn)生？13. 什么決定了物種的多樣性？14. 什么基因的改變造就了獨特的人類？15. 記憶如何存儲和恢復？16. 人類合作行為如

7、何發(fā)展？17. 怎樣從海量生物數(shù)據(jù)中產(chǎn)生大的可視圖片？18. 化學自組織的發(fā)展程度如何？19. 什么是傳統(tǒng)計算的極限？20. 我們能否有選擇地切斷某些免疫反應？Science雜志提出的125個天問21-3021. 量子不確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. 溫室效應會使地球溫度達到多高？24. 什么時間用什么能源可以替代石油？25. 地球到底能負擔多少人口？26. 宇宙是否唯一？27. 是什么驅(qū)動宇宙膨脹？28. 第一顆恒星與星系何時產(chǎn)生、怎樣產(chǎn)生？29. 超高能宇宙射線來自何處？30. 是什么給類星體提供動力？Science雜志提出的125個天問

8、31-4031. 黑洞的本質(zhì)是什么？32. 正物質(zhì)為何多于反物質(zhì)？33. 質(zhì)子會衰減嗎？34. 重力的本質(zhì)是什么？35. 時間為何不同于其他維度？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嗎？38. 是否有解釋所有相關電子系統(tǒng)的統(tǒng)一理論？39. 人類能夠制造最強的激光嗎？40. 能否制造完美的光學透鏡？Science雜志提出的125個天問41-5041. 是否可能制造出室溫下的磁性半導體？42. 什么是高溫超導性之后的成對機制？43. 能否發(fā)展關于湍流動力學和顆粒材料運動學的綜合理論？44. 是否存在穩(wěn)定的高原子量元素？45. 固體中是否有超流動性？如果有，如何解釋？

9、46. 水的結構如何？47. 玻璃態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)是什么？48. 是否存在合理化學合成的極限？49. 光電電池的最終效率如何？50. 核聚變將最終成為未來的能源嗎？Science雜志提出的125個天問51-6051. 驅(qū)動太陽磁周期的原因是什么？52. 行星怎樣形成？53. 是什么引發(fā)了冰期？54. 使地球磁場逆轉(zhuǎn)的原因是什么？55. 是否存在有助于預報的地震先兆？56. 太陽系的其他星球上現(xiàn)在和過去是否存在生命？57. 自然界中手性原則的起源是什么？58. 能否預測蛋白質(zhì)折疊？59. 人體中的蛋白質(zhì)有多少存在方式？60. 蛋白質(zhì)如何發(fā)現(xiàn)其作用對象？Science雜志提出的125個天問61-706

10、1. 細胞死亡有多少種形式？62. 是什么保持了細胞內(nèi)的通行順暢？63. 為什么細胞的成分可以獨立于DNA而自行復制？64. 基因組中功能不同于RNA的角色是什么？65. 基因組中端粒和絲粒的作用是什么？66. 為什么一些基因組很大，另一些又相當緊湊？67. 基因組中的“垃圾”（“junk”）有何作用？68. 新技術能使RNA測序的成本降低多少？69. 器官核整個有機體如何了解停止生長的時間？70. 除了繼承突變，基因組如何改變？Science雜志提出的125個天問71-8071. 在胚胎期，不對稱現(xiàn)象是如何確定的？72. 翼、鰭核面孔如何發(fā)育進化？73. 是什么引發(fā)了青春期？74. 干細胞是

11、否位于所有腫瘤的中心？75. 腫瘤更容易通過免疫進行控制嗎？76. 腫瘤的控制比治愈是否更容易？77. 炎癥是所有慢性疾病的主要原因嗎？78. 瘋牛病會怎樣發(fā)展？79. 脊椎動物在多大程度上依賴先天免疫系統(tǒng)來抵抗傳染病？80. 對抗原而言，免疫記憶需要延長暴露嗎？Science雜志提出的125個天問81-9081. 為什么孕婦的免疫系統(tǒng)不拒絕其胎兒？82. 什么與有機體的生物鐘同步？83. 遷徙生物怎樣發(fā)現(xiàn)其遷移路線？84. 為什么要睡眠？85. 人類為什么會做夢？86. 語言學習為什么存在臨界期？87. 信息素影響人類行為嗎？88. 一般麻醉劑如何發(fā)揮作用？89. 導致精神分裂癥的原因是什么

12、？90. 引發(fā)孤獨癥的原因是什么？Science雜志提出的125個天問91-10091. 阿茲海默癥患者的生命能夠延續(xù)多久？92. 致癮的生物學基礎是什么？93. 大腦如何建立道德觀念？94. 通過計算機進行學習的極限是什么？95. 有多少個性源于遺傳？96. 性別傾向的生物學根源是什么？97. 生命樹是生命之間系統(tǒng)關系最好的表達方式嗎？98. 地球上有多少物種？99. 什么是物種？100. 橫向轉(zhuǎn)移為什么會發(fā)生在眾多的物種中以及如何發(fā)生？Science雜志提出的125個天問101-110101. 誰是世界的共同祖先？102. 植物的花朵如何進化？103. 植物怎樣制造細胞壁？104. 如何控

13、制植物生長？105. 為什么所有的植物不能免疫一切疾?。?06. 外界壓力環(huán)境下，植物的變異基礎是什么？107. 是什么引起物質(zhì)消失？108. 能否避免物種消亡？109. 一些恐龍為什么如此龐大？110. 生態(tài)系統(tǒng)對全球變暖的反應如何？Science雜志提出的125個天問111-120111. 至今共有多少人種，他們之間有何關聯(lián)？112. 是什么提升了現(xiàn)代人類的行為？113. 什么是人類文化的根源？114. 語言和音樂演化的根源是什么？115. 什么是人種，人種如何進化？116. 為什么一些國家向前發(fā)展，而有些國家的發(fā)展停滯？117. 政府高額赤字對國家利益和經(jīng)濟增長速度有什么影響？118.

14、政治與經(jīng)濟自有密切相關嗎？119. 為什么改變?nèi)龉貐^(qū)貧困狀態(tài)的努力幾乎全部失??？120. 有沒有簡單的方法確定橢圓曲線是否存在無窮多解？Science雜志提出的125個天問121-125121. 霍奇閉鏈是代數(shù)閉鏈的和嗎？122. 數(shù)學家將會最終給出Navier-Stokes方程的解嗎？123. 龐加萊實驗能否確定4維空間的球？124. 黎曼zeta函數(shù)的零解都有a+bi形式嗎？125. 對粒子物理標準模型的研究是否會停止在量子Yang-Mills理論上？ Science雜志提出的125個天問人類的壽命有多長？ 千百年來，在所有的科學問題中，有一個永恒的話題，如黑夜中的明珠一樣熠熠發(fā)光：人

15、到底能夠活多久或者人類的壽命極限是多少？據(jù)說，世界上最長壽的人是中國人彭祖。世界上最長壽的人是中國人彭祖。他自堯帝起，歷夏、商兩朝，在商代時為守藏史，官拜賢大夫，而到了周代時則擔任柱下史。相傳彭祖一生娶妻四十九，生子五十四，共活了八百八十歲。共活了八百八十歲。然而據(jù)現(xiàn)代科學考究，古時彭祖所在的大彭氏國實行“小花甲計歲法”，即以60天一年，因此彭祖的實際壽命大約為因此彭祖的實際壽命大約為146歲。歲。而根據(jù)西方的記載，目前人類壽命最長的記錄為法國人法國人Jeanne Calment，當她，當她1997年去世年去世時已經(jīng)是時已經(jīng)是122歲高齡了。歲高齡了。由此可見，作為萬物之靈的人類，其壽命在宇宙

16、的時間長河中不過如一滴水珠，小得可憐。至于人類為何沒有進至于人類為何沒有進化出長壽或者抗衰老的機制，一種普遍的看法是：在自然選擇過程中，化出長壽或者抗衰老的機制，一種普遍的看法是：在自然選擇過程中，個體的長壽遠不如迅速的產(chǎn)生后代對物種的整體生存更有利。個體的長壽遠不如迅速的產(chǎn)生后代對物種的整體生存更有利。關于人類壽命極限的推算方法，目前比較流行的幾種主要理論如下：本文來自我的新浪博客：Science雜志提出的125個天問人類的壽命有多長？ （1）按細胞在體外分裂次數(shù)推算。美國佛羅里達大學遺傳學研究中心的海弗利克博士在實驗室條件下對人體細胞進行實驗，發(fā)現(xiàn)人體的成纖維細胞在體外分裂發(fā)現(xiàn)人體的成纖維

17、細胞在體外分裂40-60次次左右中止，平均為左右中止，平均為50次。次。因此“50次”被視為培養(yǎng)細胞的“傳代次數(shù)”，也即“海弗利克限度”。根據(jù)細胞的每次分裂周期根據(jù)細胞的每次分裂周期約為約為2.4年推算，人類的壽命極限可能為年推算，人類的壽命極限可能為120歲左右。歲左右。Science雜志提出的125個天問人類的壽命有多長？ （2）哺乳動物的壽命長短和他們的體重有著一定的比例關系：身體越大，壽命越長，反之亦然。其可能的機理是：身體越大，壽命越長，反之亦然。其可能的機理是：為了維持生命，在同樣的體溫條件下形體小的動物每千克為了維持生命，在同樣的體溫條件下形體小的動物每千克體重所耗費的氧氣要比形

18、體大的動物多得多。高速的新陳體重所耗費的氧氣要比形體大的動物多得多。高速的新陳代謝過程帶來的是相對多的代謝過程帶來的是相對多的“自由基自由基”等引起衰老的副產(chǎn)等引起衰老的副產(chǎn)品品，所以小個子動物壽命相對短也就不足為奇了。人類卻是一個例外。按照體重與壽命關系可以推算人的壽命應該是1520年，但人類是地球上唯一的智慧生物，會制造和利用衣服、住宅、空調(diào)、交通工具等東西，因而大大改變了自然界中動物的單位能耗規(guī)則。所以用這種方法估計其他動物的壽命可以，但估計人類的壽命則根本不可行。Science雜志提出的125個天問人類的壽命有多長？ （3）壽命和大腦容量也有著密切的關系。用進化論解釋就是：腦容量大的動

19、物更聰明，顯然是一種生存優(yōu)勢。腦科學研究也表明，人體的衰老主要是腦細胞的死亡。據(jù)研究，人的一生中僅啟用腦細胞總數(shù)的四分之一。因此若能長期堅持勤于用腦，腦神經(jīng)根還會萌發(fā)出更多的新生腦細胞，而且這些腦細胞會變得更加粗壯、樹突更豐滿，使得腦部血管會始終處于舒張狀態(tài)，給大腦帶來更多的營養(yǎng)和氧氣。強有力的大腦也能更準確、更協(xié)調(diào)地指揮全身各系統(tǒng)、各器官的功能活動，人體也因而獲得健康長壽。為了發(fā)育出相應復雜的大腦，哺乳期、生長發(fā)育期也必然相應的被拉長了。結合實際的壽命記錄，人們得出了哺乳動物哺乳動物的自然壽命相當于生長期的的自然壽命相當于生長期的57倍的結論。人的生長期長倍的結論。人的生長期長達達2025年，因此，人的自然壽命應該是年，因此，人的自然壽命應該是100175歲。歲。Science雜志提出的125個天問人類的壽命有多長？ （4）生命周期算法。俄羅斯莫斯科海洋生物研