世界上最重要的六大实验

蓝脑计划

科学家们依靠计算机模型来理解科学中最棘手的概念：宇宙的起源、原子的行为以及地球未来的气候。现在，一个计算机模型正在被设计来处理人脑。瑞士洛桑联邦理工学院大脑与心智研究所的神经科学家亨利·马克拉姆在过去15年里，一丝不苟地绘制了活体大鼠大脑的细胞图谱，以便他能创建一个逐个神经元的脑部模拟。在IBM的帮助下（IBM的昵称“大蓝”为该项目命名），马克拉姆希望能在2015年之前拥有一个包含其全部1000亿个神经元的虚拟人脑。

科学家们仍然不理解大脑的许多基本功能，比如记忆或脑部疾病及其治疗的基本原理。马克拉姆的模型将通过电子方式反映真实大脑的生物行为，以数学方式模拟单个神经元之间的相互作用以及神经递质对这些细胞的影响。该模型还将是可调节的，以便它可以探索异常生理（例如，功能更强的左半球，或弱化的海马体）和环境变化（例如，服用药物的效果）。然后可以通过计算机图像解释数据。“我们正在构建一个通用模板，”马克拉姆说，“它将允许我们根据任何规格重建一个大脑。”

为了处理海量数据，IBM量身定制了其最强大的超级计算机之一，每秒能够处理超过22万亿次操作。利用这台计算机，马克拉姆已经创建了一个新皮质柱的初步模型——这是一组约10,000个协同工作的细胞——相当于一只2周大的大鼠大脑中的一个。“我们已经实现了构建一个大脑微电路，一个基本单元的能力，现在只是一个扩大规模的问题，”他说。

马克拉姆的许多同事认为他过于雄心勃勃，一个数十亿个神经元的模型，无论多么复杂，都无法揭示真实大脑的功能。“人们认为这是不可能的，”他承认。“他们相信我们对大脑的了解不足以构建它。”他反驳说，随着项目的推进，大脑回路的奥秘将在未来几年得到解决。

如果蓝脑团队成功了，科学家们将首次拥有一个有意义的人脑物理模型。那么，一个功能齐全的虚拟大脑是否能够产生自己的思想呢？马克拉姆对此不抱期望，但如果蓝脑开始做出自己的决定，以超越偶然或混沌理论的方式对相同的输入提供独特的输出，并实现计算机中从未观察到的东西：意识，他将密切关注。“一旦我们构建了整个大脑，”他说，“如果意识出现，我们将能够系统地研究它，并确切地理解它是如何出现的。” —苏珊·克鲁格林斯基

地球时间项目

大约2.5亿年前，一场灾难导致地球上90%的生命灭绝，这场大灾难被称为二叠纪-三叠纪灭绝事件。大约在同一时间，比圣海伦斯火山大一百万倍的火山爆发，向天空喷出巨大的尘埃和气体云，地面覆盖了200万平方英里的熔岩。火山爆发是否导致了灭绝？答案取决于哪个事件先发生以及每个事件持续了多长时间——而现在，科学家们还不知道。

伯克利地质年代学中心主任保罗·雷恩说，地球历史上的大多数重大问题都是如此：“通常，我们关于因果关系的论证取决于时间顺序。”这就是为什么他和世界各地数百名其他科学家加入了“地球时间”项目，这是一个为期10年的努力，旨在通过改进科学家测量深层时间的技术来确定地球过去事件的顺序。该项目由麻省理工学院地质时间专家萨姆·鲍林和国家自然历史博物馆古生物学家道格拉斯·欧文发起，他们十年前在一次跨大陆飞行中构思了“地球时间”。“如果我们真的想了解地球的历史，我们必须将我们的测年工具推向极限，”鲍林说。

在过去的10年里，这些工具已经变得惊人地精确。以放射性同位素测年为例，科学家通过测量某些形式元素（如钾-40）的相对丰度（称为同位素），然后利用这些元素的已知衰变率来计算它们所含矿物的年龄。在20世纪70年代，使用放射性同位素测年的科学家可以将一块1亿年前岩石的年龄精确到几百万年以内。今天，鲍林和其他人已将不确定性缩小到不到10万年。

但是一些小故障正在阻止科学家们充分利用这些改进。首先，使用相同测年技术的不同实验室采用了略微不同的材料和方法，导致结果不同。当深层时间的测量粗糙时，这无关紧要。然而，现在科学变得更加精确，由于实验误差导致的小不一致可能会引发巨大的分歧。“当我们磨砺工具时，这些差异就会更加明显地显现出来，”雷恩说。

然而，问题远不止于此。对于古代生命（几百万年前，而非仅仅几千年前的生命）的测年，放射性同位素领域分为两派：一派用铀来计时，另一派用钾。还有完全不同的方法来计算深层时间。一些科学家阅读化石记录。另一些科学家研究规律的天文周期，这些周期在岩石的物理和化学性质中留下痕迹。这些周期发生是因为地球的轨道和相对于太阳的方向缓慢但稳定地变化，导致阳光和气候模式的周期性变化。然而，很少有人检查这些不同技术得出的日期是否一致。这就像每个科学家都在看自己的手表，但没有人的手表与别人的同步。

“地球时间”项目的目标是同步研究深层时间的科学家们佩戴的众多“手表”，然后利用它们创建一份超精确的地球过去年代史。为此，鲍林和他的同事们分发了一套名为“标准”（已知年代的岩石样本）和“示踪剂”（已知成分的少量同位素）的参考材料，以帮助使不同实验室的结果保持一致。在此之前，实验室一直使用不同的标准和示踪剂，这导致了不同的结果。鲍林希望通过给每个人相同的起点来消除这些问题。

鲍林和他的深层时间守护者们还在寻找岩床，科学家们可以在那里测试不同方法得出的日期是否一致。他们还在寻找新的古代材料样本，以补充古代事件的细节。例如，明年“乔伊德斯决心号”科考船计划钻探太平洋海底，提取岩心，这些岩心将涵盖大约5300万年前到1800万年前的时期，那是一个气候发生巨大变化的时期。

如果成功，“地球时间”项目将使科学家能够研究地球过去新的、以前未被重视的方面。欧文将这项努力与人类基因组计划相提并论，科学家们在该计划中绘制了我们基因的序列。“人类基因组计划的根本目标不是基因组本身——而是弄清楚我们的基因是做什么的，”欧文说。“我们的目标是提供一个更好的时间尺度，这样我们就可以出去开始提出一系列全新的问题。” —埃丽卡·切克·海登

人工林项目

在东南亚的婆罗洲岛上，伐木工人、保护生物学家和土著群体正在共同测试一种新的土地利用模式，这种模式让每个人都能分得一杯羹。如果他们的计划成功，它就可以在全球热带地区复制，在保护生物多样性的同时，让当地人民享受肥沃土地带来的经济利益。

马来西亚沙捞越州政府委托启动了人工林项目，试图实现经济发展、野生动物保护和当地人民土地利用的全面目标。近1900平方英里的土地已被划拨为人工林区。略低于一半的土地被指定用于砍伐金合欢树——一种快速生长的树种，可用于造纸。超过30%的土地将用于保护。土著人民将继续居住在剩余的土地上。

生物学家罗伯特·斯图宾是Grand Perfect（政府的木材承包商）保护部门的创始人，他说这个项目的灵感来自于一张该地区地图，上面显示了政府计划种植金合欢树的区域。一些区域将用于伐木种植园，而另一些则保持原样。斯图宾意识到，这些未受干扰的斑块网络可以作为本地动植物的避风港。“即使不是整个栖息地都受到保护，”他解释说，“只要你有足够的零星区域并且这些区域相互连接，你可能就能维持一个良好的生物多样性样本。”他与伐木工人和州森林部门合作，创建了连接森林保护区的土地走廊，以便野生动物可以在其中穿行。其他保护和发展项目也正在使用受保护的通道作为保护本地物种的一种方式。所有这些倡议的问题在于，这些走廊是否真的能允许足够的移动来保护野生动物种群。

斯图宾的首要任务是开始对森林区内生存的生物进行调查。研究人员已经清点了胡须猪、鹿、小型哺乳动物、鸟类、青蛙、鱼类和蜻蜓，现在正在调查真菌。该部门记录了每一个被识别的物种、其目击地点、是否是地方性的（该地区特有的），以及其国际和地方保护状况。尽管人工林区曾进行过伐木和耕作，但仍在此地发现了400多种脊椎动物，包括熊、灵猫、猕猴、豹猫、猫鼬、穿山甲和豪猪。研究人员甚至发现了18种在地球上其他任何地方都未曾见过的蜗牛。“这个项目的美妙之处在于，看到了动物群如此强大的恢复力和生存能力，”斯图宾说。

巨大的新金合欢种植园将如何影响这种多样性仍不确定。一些食肉动物、青蛙和松鼠似乎比鸟类、蝙蝠和蛇更快地适应了种植区。由于对伐木项目有相当大的经济利益，即使监测显示金合欢林对生物多样性造成损害，政府也不太可能放弃。但斯图宾说，在世界上人类生计依赖森林的地区，将野生动物保护融入其中的这项实验是朝着正确方向迈出的一大步：“它看起来是可持续的，从生物学上讲，我真的认为这个模式会很好地运作。”

如果他是对的，世界各地的可持续发展商可能会效仿他的策略，因为他们都在努力平衡人类和野生动物的需求。——詹妮弗·巴龙

暗物质实验

75年来，科学家们一直在徒劳地寻找暗物质粒子，这种看不见的物质被认为弥漫在深邃的宇宙中并将星系连接在一起。明年，在意大利中部一处深埋地下的洞穴中，一个充满冷却液的容器里，宇宙可能终于准备好揭示这个巨大的秘密。一个国际物理学家团队正在准备XENON100实验，这是一个简单的实验，却怀有巨大的抱负：记录下一颗暗物质粒子——被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）——撞击液态氙原子核的瞬间，从而引发一道闪光和电荷。“我们绝对有机会看到这些事件，”哥伦比亚大学物理学家兼XENON团队负责人埃琳娜·阿普里莱说。

根据最新的理论和观测，宇宙中暗物质的数量大约是我们日常世界中原子物质的六倍。但是，尽管每秒钟有数不清的数十亿暗物质粒子穿过地球（事实上也穿过你），它们却看不见；它们没有电荷，与原子物质的相互作用极其罕见，以至于我们唯一能找到它们的方法就是设置一个巧妙的陷阱。

目前，大约有10个科学家团队正在设计实验，以辨别当一个游荡的WIMP轻推一个普通物质原子时的那个难以捉摸的瞬间，但XENON的最新版本将是迄今为止最灵敏的。所有实验都深埋在地球表面以下，以屏蔽探测器免受背景辐射的影响。意大利格兰萨索国家实验室位于一座山顶下近4600英尺处，在一个高速公路隧道旁的洞穴中。

XENON100是XENON10（Aprile早期的一个暗物质实验）的放大版。它使用液态氙（室温下的惰性气体）来捕捉WIMP。探测器是一个不锈钢圆柱体，周围环绕着一个由两种铅和一层聚乙烯组成的保护性“城堡”，以屏蔽残留的背景干扰。内部，330磅的氙气将被冷却到零下140华氏度。氙气的一个吸引人的特性是，如果一个WIMP撞击其原子核，它会发出短暂的闪光。圆柱体底部的一组传感器记录这个信号，而顶部传感器则检测WIMP释放的微小电子。通过读取这两个信号并测量它们之间的时间间隔，研究人员可以在三维空间中确定圆柱体内的撞击点。

暗物质不一定由WIMPs组成——理论家已经确定了许多其他可能的暗物质粒子——但它们是主要的候选者，因为它们的存在将弥补粒子物理学主流理论（称为标准模型）中的一个漏洞。为了解决这一差异，科学家们提出所有粒子都有大质量对应物，即超伙伴。中性微子，即使其质量至少是质子的50倍，也将是其中最轻的。它是一个主要的WIMP候选者。

如果XENON100揭示了长期以来传闻的中性微子，这将标志着科学在人类伟大谦卑之路上迈出了又一大步。“哥白尼发现我们不是宇宙的中心，”XENON10团队成员、耶鲁大学物理学家丹尼尔·麦金西说。“如果我们发现暗物质，我们就会发现我们甚至不是构成宇宙大部分物质的组成部分。” —盖伊·古列塔

海洋生物普查

海洋里有什么？2000年，这个看似简单的问题催生了一项耗资6.5亿美元的研究，旨在编目所有海洋生物：植物、动物、细菌和真菌。“我们根本没有海洋生物多样性的概念，”罗格斯大学生物学家弗雷德·格拉斯尔说，他担任海洋生物普查科学指导委员会主席。“无论是珊瑚礁、深海海底，甚至生活在人们后院沿岸的生物——知之甚少。”通过帮助研究人员识别受威胁物种和栖息地，普查将更好地保护海洋资源。新发现的生物也可能提供一个天然化合物的金矿，可用于制药或工业应用。

覆盖全球海洋这样一个庞大的区域需要时间，因此来自80多个国家的2000多名普查员将他们的任务分解为17个更易管理的小组——例如珊瑚礁、大陆架和洋中脊——这些小组应该能很好地概述那里存在着什么。海洋科学家团队正在拖曳渔网收集浮游生物，标记大型捕食者以追踪它们的迁徙，对海水中的DNA进行测序以寻找微生物，并拖网探测海底以寻找底栖生物。

海洋生物普查的规模和范围超越了以往任何生物调查，但在这项为期10年的倡议进入第7个年头时，格拉斯尔报告称工作正在按计划进行。大约5300种以前未知的生物已被识别，每个新的发现都被记录到普查的免费可访问的海洋生物地理信息系统（www.iobis.org）中，该系统拥有超过1300万条80000个物种的观测数据。科学家们对意想不到的地方出现的生物多样性感到震惊，从深海海底的甲壳类动物和蠕虫到南极洋的食肉海绵。

纽芬兰纪念大学的海洋生态学家保罗·斯内尔格罗夫说，长期的挑战将是在2010年主要普查完成后，继续调查新发现生物的生态意义。“最初的10年主要集中在发现上，”他说。“下一步是问，这些物种做什么，它们对地球的运作有多重要？” —詹妮弗·巴龙

人造生命

在20世纪90年代中期，克雷格·文特尔声名鹊起，他声称他和他的同事们将在庞大的政府科学家团队之前很久就破解人类基因组。他至少做到了平局：自2000年以来，两个团队都提供了越来越准确的基因组版本，而文特尔刚刚发表了第一个包含其父母遗传的所有染色体的个人（他自己）基因组序列。然而，尽管人类基因组测序如此重要，文特尔正在监督的另一个实验可能有一天会超越它。J.克雷格·文特尔研究所和文特尔的生物技术公司合成基因组的科学家们正试图从零开始制造一个基因组。“我计划通过创造人造生命来证明我们理解生命软件，”文特尔在他的新回忆录《解码人生》中宣称。

文特尔于2002年首次宣布这一计划，并自此孜孜不倦地追求。该计划的第一步：确定微生物在实验室中生存所需的最少基因数量。然后，科学家们将从原材料中合成这个最小基因组，并将其插入宿主细胞。基因组将制造自己的蛋白质，并逐渐将细胞转化为一种新生物。

为了构建最小基因组，文特尔转向了他和同事们已经研究了几年的一种微生物，一种名为生殖支原体的病原体，它会导致泌尿道感染。他和同事们已经确定，这种寄生微生物只有482个基因（人类有18,000个）。然后他们开始测试这些基因中的每一个，看看哪些是微生物生存所必需的。去年，他们报告说，生殖支原体可以没有100个基因而存活。“我们知道可以一次性消除哪些基因，但我们不知道可以一起消除哪些基因，”文特尔说。要看看剩余的382个基因是否满足生命的最低要求，文特尔的团队将不得不利用它们构建一个基因组并将其放入一个细胞中。

文特尔知道，以前从未有人成功移植过细菌基因组，而且有很多理由怀疑它可能不会成功。“细胞通常不喜欢将其他细胞的DNA注入其中，”他说。但今年6月，他和他的同事们小心翼翼地提取了山羊支原体（感染山羊）的整个基因组，并将其植入山羊支原体（一种相关但截然不同的物种）中。测试显示，受体细菌失去了旧基因组，而供体基因组开始接管。“这是这个领域的关键突破，”文特尔说。

现在，文特尔的团队正在自行创建一个最小基因组并将其移植到细胞中。直到最近，科学家们还只能合成相对较小的DNA片段，并且很难确保实际分子最终具有其应有的序列。许多科学家团队正在开发新方法来创建精确的DNA片段。文特尔的团队就是其中之一。他们正在借用一种病毒产生的一种DNA构建酶，这种酶在将遗传构建块粘合在一起方面做得很好。2003年，他们报告说，他们已经合成了感染细菌的病毒DNA中的5386个“字母”。当他们将DNA插入微生物中时，它产生了新的病毒。今天，科学家们正在研究如何将数十个5000个字母大小的片段粘合在一起，形成一个足够大的DNA片段，以容纳一个完整的支原体基因组。

文特尔希望在接下来的几个月内拥有第一个合成物种。与弗兰肯斯坦电影中的形象相反，这个人造生物将勉强在实验室烧瓶的优渥环境中生存。但文特尔将其创造视为一种新型基因工程的基础。今天，科学家们通过添加少量额外基因或微调它们已有的基因来改造微生物，在自然模板的基础上修修补补。文特尔认为最小基因组是像工程师组装新技术一样，从头开始构建生命的机会。

然而，文特尔不打算从零开始设计这些基因。他和他的同事们一直在搜寻世界海洋中的微生物并对其基因进行测序。去年四月，他们宣布已将已知基因总数从400万增加到1000万。他的同事们仍在海上，仍在寻找新基因。“到明年四月，我们希望再次将这个数字翻倍，”文特尔说。

除了海洋，文特尔还在空气中和地下深处寻找微生物。英国石油公司已与合成基因组学公司合作，对煤矿和油井中生存的微生物基因组进行测序。文特尔希望从这个庞大的基因集合中构建能够产生氢气或成为高效太阳能来源的微生物。一些微生物可以清除危险污染或对抗全球变暖。为了处理测试所有潜在基因组合的艰巨任务，文特尔和他的同事们将部署一支机器人大军，每天构建一百万个合成生物。

其他科学家（包括去年的DISCOVER年度科学家杰伊·凯斯林）在向大肠杆菌和其他微生物中添加少量基因以制造各种有价值的产品（包括药物和喷气燃料）方面取得了巨大成功。但没有人进行文特尔那样的实验。没有其他人能做到。这需要多年的昂贵苦差事，并且不能保证成功。很难想象一个传统的学术研究人员能找到足够的长期资金来开展这样的实验。更不可能想象急躁的股东会允许一家生物技术公司这样做。文特尔拥有运营自己研究所和公司的难得特权，拥有一支数百人的团队（这还不包括他所有的机器人）。

人们最终可能会回顾文特尔的人造生命实验，就像我们从笔记本电脑回望计算机曾占据整层楼的日子一样。华盛顿大学的生物技术专家罗布·卡尔森指出，文特尔工作背后的科学技术每年都在变得更便宜、更强大。“你不需要大学；你不需要国家科学基金会，”卡尔森说。“如果你愿意，你可以在你的车库里完成。”从一百万个车库里，一百万个新物种可能会绽放。——卡尔·齐默