無論在最偏遠的地區(qū)還是最隱蔽的角落里,，到處可找見基因的身影,。為了探明無法在實驗室里培養(yǎng)的物種的基因關(guān)系，今年有一支生物學家組成的考察隊乘船穿越西印度群島東 北的馬尾藻海,，對1500升水中生命采樣的基因組進行了破譯,，找到了100多萬種新基因。也許是彌補馬尾藻少磷缺憾的需要,，這些“海洋居民”已衍化出很多適宜吸收礦物質(zhì)的基因,。不少物種還是用視紫紅色素代替葉綠素來進行碳處理的。目前,，研究人員正在步達爾文的后塵作環(huán)球之旅,，以探索遍布世界各地的基因多樣性。
與此同時,，由環(huán)境基因?qū)W家組成的考察隊在廢棄的礦井內(nèi)尋找到一個狹小而不可思議的微生物世界,。那里的有機體終年不見陽光，卻照樣一片興旺,，研究發(fā)現(xiàn),，這些有機體是通過對鐵質(zhì)化合物的處理來獲取能量。研究人員采用分子技術(shù)通過測序發(fā)現(xiàn)：礦床水中的DNA形成的基因組正好是5個,。
物理學研究冷中有熱
物理學研究因為離人們生活較遠而且比較深奧而受到冷落,，不過，今年的十大突破中有兩項屬于物理學,。
凝聚態(tài)家族喜添“新丁”
今年又是凝聚態(tài),，亦即表露出量子力學鮮明特征的超冷氣體研究取得長足進展的一年。繼早先獲得液體凝聚態(tài)后,，研究人員如今已成功地將物質(zhì)的三種形態(tài)——氣體,、液體和固體全部轉(zhuǎn)化為凝聚態(tài)。
凝聚體最初出現(xiàn)在1995年,。當時,，美國研究人員將名叫玻色子的原子冷凝至單一量子態(tài),，使它顯現(xiàn)出超原子的特性。這項成就被《科學》雜志評為當年重大突破之一,。在過去的一年里,，凝聚態(tài)家族又喜添“新丁”。美國和奧地利物理學家促使名叫費米子的原子進入了超原子王國,。玻色子攜帶有一種用整數(shù)表示的內(nèi)角動量或自旋,，正是這個條件使它得以分享單一量子態(tài)。相比之下,，費米子的自旋卻表現(xiàn)為一個半整數(shù),，加上受“不相容原理”的制約而凝聚受阻，就像帶負電荷的電子挨得太近會相互排斥一樣,。但研究人員設(shè)法讓費米子成對地融入帶整數(shù)自旋的分子,，使費米子也能像玻色子那樣轉(zhuǎn)化為凝聚態(tài)。這項發(fā)現(xiàn)也許闡明了物理學中有關(guān)電子在復合物中特性的微妙問題,，也為日后詳細描述高溫超導體邁出了關(guān)鍵的一步,。
世紀之謎：水的結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)
經(jīng)過一個世紀的科學探索，水依然含有許多讓研究人員無從猜度的難解之謎,。在這一年里,，闡述這種常見物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)的論文連篇累牘，那些結(jié)論如能成立,，勢必重塑化學和大氣科學等眾多領(lǐng)域的面貌,。
最早引起爭議的是一個由美國、德國,、瑞典和荷蘭研究人員組成的工作小組,。他們在報告中聲稱：100年來對液態(tài)水結(jié)構(gòu)的描述也許是錯誤的。眾所周知,，每個水分子是呈四面體的圖案與另外四個分子相結(jié)合的,，氧和氫原子間的細微差異使液態(tài)水找到了廣闊的用武之地。但這個工作小組用同步加速器X射線測得的結(jié)果卻顯示：許多水分子實際上只與兩個“鄰居”廝守在一起,。
另一場爭論的焦點是離子在大量水中的去向：聚集在表面還是被吸收到內(nèi)部,？研究人員通過對洛杉磯空氣中海鹽顆粒的跟蹤發(fā)現(xiàn)，那些顆粒中含有豐富的鹵化物(氟的化學近親),，由此認定那些離子就懸浮在水面上,。今年，計算機模擬試驗證實了這一猜想,，這可能使科學家不得不思索浮質(zhì)顆粒表面以新的形式發(fā)生的化學反應(yīng),。
“費米凝聚”簡評
所謂“費米凝聚”，確是一項重大成果,，此乃1995年已實現(xiàn)的原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)這項被評為2001年諾貝爾獎項的研究成就的創(chuàng)造性延續(xù),。
BEC是玻色-愛因斯坦量子統(tǒng)計理論的一個推論：大量玻色子在一定溫度之下可能凝聚到最低能量的同一量子態(tài),。而解釋超導現(xiàn)象的BCS理論(被評為1972年諾貝爾獎項)假設(shè)，在一定溫度之下導體內(nèi)的電子會兩兩結(jié)對——庫珀對,，并亦發(fā)生(動量)凝聚,。“費米凝聚”可看作是玻色-愛因斯坦凝聚和庫珀對這兩個新穎物理概念相結(jié)合的產(chǎn)物。按照泡利不相容原理,，兩費米子不能處于同一量子態(tài),；但若使其兩兩結(jié)對，便會表現(xiàn)出玻色子一樣的行為,，那么也就可能實現(xiàn)凝聚,。所以，“費米凝聚”研究,，豐富了量子力學里量子凝聚以及宏觀量子態(tài)的物理涵義,；藉以了解實現(xiàn)了BEC的“費米型凝聚原子”之間的相互作用機制；并有助于進一步揭示超導,、超流等現(xiàn)象的產(chǎn)生機理。研究者們期望,，這項研究對下一代超導體的誕生有促成作用,；若果真如此，則其技術(shù)應(yīng)用價值必然無可估量,。BEC態(tài)——人稱“物質(zhì)第五態(tài)”,，在新世紀將有神奇的應(yīng)用；而“費米凝聚”擴充了可實現(xiàn)BEC的原子氣體的種類,。此外還須說明一點：驅(qū)使并判定原子成對是這項研究的難能可貴之處,。
——沈葹(同濟大學物理系教授)
熱熱鬧鬧的太空探測
2004年最受媒體關(guān)注的該數(shù)太空探測領(lǐng)域了，火星探測不斷有新鮮消息傳來,、探測水星的信使號發(fā)射升空,、開發(fā)月球不斷有新消息、各種新的天體不斷發(fā)現(xiàn),、對宇宙起源的探索也在不斷進行,。在太空探測領(lǐng)域，火星探測和中子星研究這兩項成果入選十大科學突破,。
在火星上找到生命跡象
今年早些時候,，“機遇號”和“勇氣號”分別登上并探測了地球的近鄰——火星。別看這兩個匣狀形機器人裝著輪子,，其貌不揚,，靠一條手臂工作，卻在另一顆行星上完成了人類迄今可望而不可及的使命,，在宇宙萬物中發(fā)現(xiàn)了另一個可能曾有過生命存在的地方,。“機遇號”火星車找到了一個水面不深,、涵蓋廣袤的大海含鹽分的、如波浪般起伏的沉積物,；“勇氣號”探明了一度渾身濕透,，被浸得腐爛的巖石。這些發(fā)現(xiàn)標志著人類在搜尋宇宙生命跡象的旅途中建樹的一個里程碑,。
近30年來,，科學家們始終無法肯定：他們通過軌道攝像機觀察到的由水沖積而成的峽谷、河床和溝壑,，是否意味著火星表面長期有水存在,。如今，這兩輛火星車提供了解答,。數(shù)十億年以前,，火星曾經(jīng)是如此溫暖而潮濕，足以孕育出一片浮淺的鹽海,。也許,，這個海是飄忽不定的，不時被大風吹散而衍變?yōu)辂}灘,。但是,，積水覆蓋的地域之廣，相當于美國俄克拉何馬州那么大,。充足的水源從那里流淌而過,，一路留下綿延約300米的鹽跡。而掩埋在地表下的污穢鹽分長期處于潮濕狀態(tài),，最終形成了大理石般大小的鐵礦物,。
在這顆行星的另一端，地下水同樣盤桓良久,，直至將數(shù)百米貌似火山灰的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為松軟的,、富含鐵的巖石。這些巖石經(jīng)過水的沖洗,，使滯留在洼地里的鹽不時形成層次分明的沉積物,，將隨處可見的火山口填滿。從這些跡象來看,，早期的火星似乎是一個水源充沛,、適于居住的星球。
首次發(fā)現(xiàn)脈沖雙星
天體物理學家今年格外欣喜地發(fā)現(xiàn)了一對初次結(jié)識的脈沖星：向太空發(fā)出密集的輻射光束的自轉(zhuǎn)中子星,。這個雙星系統(tǒng)的行蹤令觀察者和理論家驚詫不已,，有人將此發(fā)現(xiàn)譽為36年中子星研究史上的一個“分水嶺”。
這個天文奇觀是澳大利亞人用口徑為64米的派克斯射電望遠鏡在觀測一顆帶能量的脈沖星時出現(xiàn)的,，它繞著一個隱秘的物體——據(jù)信是不發(fā)射脈沖的中子星——的軌道運行,，每秒鐘旋轉(zhuǎn)44次,。更深入的細致觀察表明：它的伴星還以每2.8秒一次的悠閑速度發(fā)射脈沖。更令人瞠目結(jié)舌的是,，當它們一前一后沿軌道運行時,，轉(zhuǎn)速較慢的脈沖星會迎面朝轉(zhuǎn)速較快的伴星猛撲過來，致使后者每飛經(jīng)一次軌道就黯然失色近30秒鐘,。
研究人員之所以振奮不已,，是因為有機會第一次直接探測脈沖星這一神秘的宇宙燈塔在爆發(fā)時的等離子，從而揭示中子星的內(nèi)部密度和物質(zhì)分布,。他們還期待著這一對雙星為愛因斯坦的廣義相對論提供迄今最嚴格的檢驗,。
“勇氣”可嘉，“機遇”可賀
“勇氣”號火星車的最高行駛速度雖然僅為每秒5厘米,，它義無反顧地穩(wěn)健步履卻象征著人類向未知世界挺進的決心和堅毅,。“勇氣”號的預定工作時間只有3個月，然而在超期服役半年多以后,，它卻令人驚異地發(fā)現(xiàn)了火星上存在著與水息息相關(guān)的針鐵礦,。這仿佛再一次印證了中國的古老格言：“有志者，事竟成,。”雖說有水并不一定就有生命,，但是如果沒有水，那就不會出現(xiàn)人類迄今所知的任何生命,?；鹦巧洗嬖诔噼F礦,，以及“勇氣”號和“機遇”號的其他諸多發(fā)現(xiàn),，大大強化了火星上存在或曾經(jīng)存在水的證據(jù)，并進而使“火星上存在生命”這一猜測顯得更加言之成理了,。
從分子生物學的角度來看,，地球上的所有生命其實都屬于同一種類型，我們可稱之為“地球型生命”,。倘若以水為線索,，最終在火星上找到了生命，那我們就破天荒有了一種可與地球型生命相對比的樣品,，這勢必將對生命科學和整個人類產(chǎn)生極大的影響,。誠然，太空探測消耗了大量的人力,、物力和財力,，但人類卻由此獲得了前所未有的知識。再過幾天,，就是“勇氣”號踏上火星大地整整一周年,，我相信它還一定會向地球送來更多的好消息,。
——卞毓麟(上海天文學會副理事長、上?？萍冀逃霭嫔缇帉?
兩棲類動物的生存環(huán)境遭受嚴重破壞
“機遇”號火星車
天文望遠鏡中的雙脈沖星系
