2020年,解答科学之谜,我们离真相更近一步

作者:未知

   虽然科学的脚步每天都在飞速前行,为我们揭开一个又一个真相,但在我们生活的这个大千世界里,依然有太多的“黑暗”需要科学之光来照亮。
   2019年,我们探究了意识的产生和大脑遗忘的奥秘,解释了地球磁极逆转和青藏高原“人骨湖”形成的种种可能,“彻查”了5亿年前地球氧气猛增和先有鸡还是先有蛋的科学真相……进入2020年,虽然仍有许多谜团未能最终解开,但科学家们的探寻从未止步。
   01水到底是一种液体还是两种液体
   水很寻常,我们洗衣、做饭、饮用都离不开它。我们似乎对水最了解不过了,但是,这看似普通的水却仍然有很多待解的谜题,科学家甚至都还在争论它是一种液体还是两种液体。
   如果压强或温度改变,水的状态就可能发生变化。水在两种形态间转化的过程中,总有一个过渡点,比如在液态和气态相互转化的过渡点上,水既会表现出液态水的性质,又会表现出气态水的性质。这个点被称为“临界点”。
   通常情况下,水温越低,分子越不活跃,密度起伏应该越小。然而,研究人员却发现了一个反常的现象:低温下水的密度会发生起伏,温度越低,密度起伏越大。对于这种密度的变化,他们给出的解释是水有第二临界点。在第二临界点上,水会在两种状态之间快速转变,它在这个点上由两种密度不同的“水”组成。这意味着水不是一种液体,而是两种液体。
   然而,对于水是两种液体,也有不少人持怀疑态度,甚至有科学家批评这个结果是伪造的。大多数研究者认为,水的性质可以用常规的理论来解释。其中一种观点认为,在非常低的温度下,过冷的水会转变成一种无序的固体,或者说,这是水在凝固时的一种特殊现象。
   在中国科学院物理研究所的研究员孟胜看来,虽然一直都有人认为水是两种不同性质的液体的混合,但现在还没有确凿的证据可以完全证实,这种观点还处在假说阶段。
   02究竟是先有鸡还是先有蛋
   究竟是先有鸡还是先有蛋,始终是一个充满争议和趣味的话题。2019年12月,来自中国科学院南京地质古生物研究所等单位的研究人员,在我国贵州瓮安生物群——一个距今6.1亿年的特异埋藏化石库一中找到了一类名叫“笼脊球”的化石。
   通过对这种生物形态化石的观察研究,科研工作者还原了原始“胚胎发育"的过程。如果把动物比作一只鸡,那么这类化石就相当于记录了“蛋生鸡”的过程。笼脊球化石为回答先有鸡还是先有蛋的问题提供了重要线索。
   通过10多年的收集和研究,南京地质古生物研究所副研究员殷宗军所在团队,在贵州瓮安生物群陆续发现了233块笼脊球化石。
   它们呈现了单细胞动物向多细胞动物过渡的各个时期的不同形态,根据大数据集的分析,科学家找到了这其中的演变规律。从扫描效果图上可以看到,这类化石从空心“体演变为“实心球”的“胚胎发育”过程。
   殷宗军认为,如果将动物比喻成一只鸡的话,复杂的胚胎发育过程就是孵化出小鸡的蛋,它桥接了动物的单细胞祖先和多细胞祖先之间的鸿沟。而笼脊球化石的发现恰恰表明,孵化出多细胞动物这只“小鸡”的“蛋”在6.1亿年前就已经出现了。
   03几十吨的恐龙如何飞上天
   在学界,关于鸟类起源于恐龙有多种假说,其中,由英国学者托马斯·赫胥黎于1868年正式提出的“鸟类兽脚类恐龙起源说”自20世纪70年代起,逐渐成为学界的主流假说。
   从体型庞大的陆地动物到体型小巧的天之骄子,这需要在形态和生理上产生许多巨大变化,这样一个过程确实让人难以想象。然而,许多化石证据显示,这一过程确实发生了。
   2014年,澳大利亚等国的研究人员根据120种恐龙的1500多个解剖特征,构建复杂数学模型并据此分析了恐龙在进化过程中的体型变化。分析结果显示,兽脚类恐龙当中的一支,它们的体型一代一代地缩小,在持续“瘦身”5000万年后终于进化成了鸟类。2.1亿年前其平均体重为163千克,当进化到始祖鸟时体重已经降至0.8千克。
   恐龙想变成鸟除了要变小之外,还要会飞,鸟类飞翔靠的是翅膀。此前,古生物学家在我国辽宁建昌发现了约1.6亿年前的近鸟龙化石。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员徐星介绍,近鸟龙长而粗壮的前肢上长着飞羽,其排列方式类似鸟类飞羽,这说明翅膀的雏形在至少1.6亿年前就在恐龙身上出现了。除了近鸟龙,还有其他几种兽脚类恐龙,像小盗龙和似尾羽龙,都有着类似羽毛翅膀的结构。
   综合这些化石证据,恐龙变成鸟类可能经历了这样一个阶段:些恐龙的身体逐渐变小,长得也越来越像鸟类一骨骼中空,身体轻盈;脑颅膨大,行动敏捷;前肢越来越长,能像鸟翼一样拍打;它们的体表长出了美丽的羽毛,不再披着鳞片或鳞甲。
   虽然恐龙是如何演化成鸟的,目前还没有一个特别确切的答案,但不管怎样,原本不会飞的恐龙最终变成了天之骄子,它们飞向蓝天,从此开辟了一个崭新的生活天地。
   近鸟龙复原图
   近鸟龙是目前已知最早的有羽毛兽脚亚目恐龙,生存年代在侏罗纪中期或晚期。它是一种小型、带有羽毛、類似鸟类的恐龙,体形和鸡类似,嘴似啄木鸟,头顶有红褐色羽毛,翅膀黑白相间,腿上也长满同样颜色的长羽毛。研究表明,近鸟龙的羽毛并非用来飞行,而是用以吸引异性,恐吓敌人,甚至驱赶猎物,当然也能帮助它们在树枝间跳跃滑行。本图使用激光诱导荧光成像技术制作。
   04是什么让地球氧气在5亿年前猛增
   氧气是地球上的生命赖以生存的基础。但是,远古时期的地球曾极度缺氧,是一片不折不扣的生命禁区。到了距今5.8亿~5.2亿年,地球大气与海洋中的氧气含量却突然增加了。
   似乎有一种神秘的力量在左右着地球氧气含量的平衡点。多年来,科学家一直在寻找那股神秘力量。它究竟是什么?又是如何发挥作用的?
   此前,流行的假说是“生物与环境协同演化模型”。这个模型提出:地球上氧气含量的增加是呈线性加速变化的,这与距今5.8亿~5.2亿年,大气和海洋氧气含量多次大规模波动、生物发生阶段性辐射演化的实际情况不一致。    中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎带领的中英合作团队耗时数年,提出了一个新的地球系统模型,对这一时期地球氧气迅速增加的原因给出了新的见解。
   他们认为,距今5.7亿年前后,地球上的主要大陆通过拼合形成了一个冈瓦纳超大陆和位于超大陆内部的超级中央造山带,声势浩大的地球造山运动将大量沉积在地表的蒸发岩矿物风化剥蚀,输入海洋。富含硫酸盐的蒸发岩作为一种氧化剂,氧化了海水中的有机质,这一过程向大气中排放大量二氧化碳,使大气升温,进一步加强了海洋中有机质的氧化,最终使大气和海洋中的氧含量迅速增加,为大型、复杂多细胞生物的快速演化提供了基础。
   05地球磁极逆转原因还无定论2019年1月,《自然》网站报道,受到地核内液态铁运动的影响,地磁北极正不断从加拿大向西伯利亚偏移,而且移动速度非常快。地磁北极的快速移动迫使科学家不得不紧急更新了世界地磁场模型。
   有,人说,地球核心磁场似乎在减弱,这可能是地球磁极即将逆转的一个信号。也有国际研究小组表示,地磁场的变化现象被夸大了太多,现在说磁极逆转为时尚早。
   20世纪40年代发展起來的“发电机理论”认为,地磁北极快速迁移的原因,是“位于加拿大地区下面的高速液铁射流”。这股从地球液体外核喷射出来的液态铁流体,让加拿大附近的磁场变弱,从而使地磁北极向着磁场更强的俄罗斯西伯利亚地区移动。科学家认为,地磁北极的位置可能是由北极附近两块大磁场的强弱作用决定的。
   在地球漫长的历史中,曾出现过多次磁极逆转的现象。关于磁极逆转的原因,科学界到现在也还没有定论,占主流的有以下三种假说:第一种,认为磁极倒转是因为地球处在银河系这个大磁场中,地球磁极的逆转是根据银河系的磁极逆转转变的;第二种,认为地球内部的物质不断发生碰撞,碰撞的结果使地球内部的磁场不断地调整、变化;第三种,认为陨石撞击地球致使地球磁场发生了转变。
   不过,无论什么说法现在都还只是猜想,人类对地球和宇宙的探索还将继续。
   06谁来揭开丹尼索瓦人的面纱
   2019年10月,以色列和西班牙科学家在《细胞》杂志上报告说,他们根据丹尼索瓦人的表观遗传信息重建了其容貌,这是对丹尼索瓦人骨骼解剖学特征的首次复原。
   丹尼索瓦人是生活在上一个冰河时代的人类种群,因发现于西伯利亚的丹尼索瓦洞而得名。由于迄今发现的丹尼索瓦人化石少之又少,这支古人类一直带着神秘色彩。
   中国科学院青藏高原研究所所长陈发虎院士表示,目前丹尼索瓦人的化石证据和相关研究还非常有限,还不足以讨论其起源地问题。从已知的丹尼索瓦人化石形成时间来看,夏河丹尼索瓦人化石最小年龄是距今16万年,丹尼索瓦洞最老的丹尼索瓦人化石年龄可能距今19.5万年,两个地点的化石年代上差别不大,很难说哪个一定出现得更早。
   而就目前发现丹尼索瓦人化石的两处地点,还不能推测出他们的具体迁徙路径。根据两个地点的自然环境、丹尼索瓦人和现代藏族人群的遗传学研究结果,以及高寒缺氧环境基因EPAS1的携带情况推测,丹尼索瓦人群体有可能存在一个大致的由南向北的扩散路线,但目前并没有直接的证据可以证明这一点。
   在陈发虎院士看来,目前丹尼索瓦洞的丹尼索瓦人基因组研究可以反映出他们可能曾在东亚广泛分布,未来东亚地区的一些新发现应该会推动我们对这一古老人群的认识,包括他们的起源、迁徙路径等。
   07确定“人骨湖”成因还需更多证据
   2019年9月,《美国科学家》发表了一项关于喜马拉雅山脉“人骨湖”的研究成果。“人骨湖”本名叫“卢普康”,位于喜马拉雅山脉西南侧,因二战期间被发现时的恐怖画面而更名:成百上千根人类的大腿骨、肋骨、手指节漂浮在湖水中,还有许多碎骨散落在湖畔的石滩上。
   这一发现很快吸引了全世界的目光。几十年来,众多历史学家、科学家和考古学家纷纷试图解答关于这些遗骸背后的几百人,他们的身份和死因之谜。
   美国哈佛医学院的研究人员对来自“人骨湖”的38具骸骨做了DNA分析和放射性碳测年。测年结果显示,这些骸骨来自800-1800年,男女比例基本对半,其中14名个体的年代可追溯至公元1800年前后。时间相隔约1000年,说明这些骸骨是因多次事件而堆积在此,并不是在同一时间内集体死亡的结果。这就推翻了之前的“战争说”和“瘟疫说”。
   目前比较靠谱的是“宗教说”。“人骨湖”不远处就是全印度第二高峰楠达德维峰,著名的冈仁波齐就在楠达德维山再往北一点儿。楠达德维也是当地宗教文化中的“圣山”,“人骨湖”正好位于朝拜“圣山”的路线上。很有可能是那些在朝拜过程中不幸遇难的信徒,他们的尸骨最终汇集到了这片地势低洼的湖区地带。研究团队认为,“宗教说”至少可以解释部分尸体的来源,但有待更多证据来证明。
   08人类意识从何而生
   人为什么会有意识?这至今是个谜。
   科学家发现,人们在觉醒并专注于某件事时,大脑中常见一种频率更高的Y波,其频率为30-80赫兹,波幅范围不定。有假说认为,Y波也许与建立统一的清晰认知有关——源自丘脑、大脑的神经元电路,以每秒40次的频率扫描,吸引不同的神经元电路进行同步,进而增强意识、产生注意力。这一假说受丘脑受损现象的支持——丘脑受损后,40赫兹脑电波难以形成,意识则无法被唤醒,病人也陷入深度昏迷。因此,Y波被视为人脑意识活动的标志,但两者之间的关系仍没有定论。
   2014年,有报道表明,研究人员首次通过高频电脉冲刺激大脑屏状核区域关闭了人的意识,这一发现暗示屏状核可能是将不同的大脑活动汇集成思维、感觉和情绪的组织。但其他科学家对此谨慎地指出,目前只在一个人身上测试了意识关闭,而且实验对象是一名海马区受损的癫痫症患者,不能代表普通人。
   这个研究随着影像科学的发展似乎有了转机。2017年3月,《自然》杂志报道了一项新的数字重建技术和使用该技术带来的新发现——在小鼠脑内发现了3个伸展至全脑的巨大神经元。它之所以引起轰动,是因为人类此前从未见过在脑内伸展范围如此之广的神经元,这些神经元来自屏状核。    对此,复旦大学医学神经生物学国家重点实验室研究员黄志力说,目前的发现也并不能证明这是意识出现的唯一路径,意识很可能来自多系统的共同作用。
   09我们的大脑是怎样遗忘的
   遗忘一直被看作是记忆的一个小故障。然而在过去10年里,越来越多的证据表明,记忆的丧失并不是被动的过程,而更像是种主动的过程,我们的大脑在不停地主动遗忘。
   那么,如果遗忘机制是主动发生的,它会在什么情况下启动,又为何会出问题呢?这些目前还都有待科学研究给出答案。
   通過对,人类睡眠的监测证实,人在睡眠中会“主动遗忘”。目前,关于在睡眠中遗忘机制的启动主要有两种观点:
  一种观点认为,遗忘可能与下丘脑黑色素聚集激素神经元有关。日本学者发现一种仅在快速眼动期激活的神经元,它可以分泌一种名叫“黑色素聚集激素”的物质,黑色素聚集激素神经元的激活在促进快速眼动期睡眠的同时,还能显著抑制海马神经元活性,导致遗忘。动物实验也证实了该说法的可信性。
   另一种观点认为,遗忘可能与突触重整来达到突触稳态有关。研究发现,觉醒持续一定时间后,与学习记忆有关的通路会出现突触数量增多、体积增大、膜上受体过多等表现,这些变化会占据有限空间,消耗能量,使突触传递效率下降。睡眠可移除觉醒期细胞膜上增加的受体,减少一部分并不重要的新突触,与此同时,它还会巧妙地加强和保存一小部分比较重要的突触,恢复突触权重,保证突触稳态,从而提高突触的传递效率。
   010中子短暂的一生仍令人迷惑
   自由的中子能活多久?不到15分钟。它短暂的一生令人迷惑。用不同方法测量,显示的中子寿命有明显差别,这事我们还解释不了。科学家们相信,搞明白中子寿命的差异之谜,将使我们的认识通向新的理论,甚至突破粒子物理的标准模型。
   中子本来可以长生不老一跟质子结合,组成原子核的中子非常稳定,但当它不幸被甩出原子核,生命的倒计时就开始了。它很容易衰变成其他粒子。科学界测量中子寿命的尝试已经持续了70年,但科学家们的测量结果和解释仍无法达成一致。
   由于中子衰变成的质子是带电荷的,就不难用一个电磁陷阱来诱导和围捕质子流,然后数数它们的数量有多少。很长一段时间里,物理学家一直用这种方法逼近中子寿命的精确答案。美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的团队已经为此奋斗了30年。2013年,他们报道了最高精度结果:887.7秒土3.1秒。
   与此同时,一群科学家另辟蹊径:用保温瓶储存超冷中子,过一段时间后统计中子数量。2008年,法国和俄国科学家的联合实验结果是:878.5秒士1秒。
   到目前为止,用“数质子”的方法测到的中子寿命平均在885.4秒左右,而“数中子”的方法得到的结果是878.5秒左右。这时难题来了:近8秒的差距,无法仅用测量误差来解释。
   而2019年,《自然》网站发表的文章聚焦位于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的超冷中:子实验,它或许能更准确地测量中子的寿命。
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