無論在最偏遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)的物種的基因關(guān)系,，今年有一支生物學(xué)家組成的考察隊(duì)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(jìn)行了破譯,，找到了100多萬種新基因,。也許是彌補(bǔ)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(jìn)行碳處理的,。目前，研究人員正在步達(dá)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(shí)，由環(huán)境基因?qū)W家組成的考察隊(duì)在廢棄的礦井內(nèi)尋找到一個(gè)狹小而不可思議的微生物世界,。那里的有機(jī)體終年不見陽光,，卻照樣一片興旺，研究發(fā)現(xiàn),，這些有機(jī)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(gè)。
物理學(xué)研究冷中有熱
物理學(xué)研究因?yàn)殡x人們生活較遠(yuǎn)而且比較深奧而受到冷落,，不過,，今年的十大突破中有兩項(xiàng)屬于物理學(xué),。
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(xué)鮮明特征的超冷氣體研究取得長足進(jìn)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(dāng)時(shí),，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(xiàng)成就被《科學(xué)》雜志評為當(dāng)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(xué)家促使名叫費(fèi)米子的原子進(jìn)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(gè)條件使它得以分享單一量子態(tài),。相比之下,，費(fèi)米子的自旋卻表現(xiàn)為一個(gè)半整數(shù)，加上受“不相容原理”的制約而凝聚受阻,，就像帶負(fù)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(fèi)米子成對地融入帶整數(shù)自旋的分子,，使費(fèi)米子也能像玻色子那樣轉(zhuǎn)化為凝聚態(tài)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也許闡明了物理學(xué)中有關(guān)電子在復(fù)合物中特性的微妙問題,，也為日后詳細(xì)描述高溫超導(dǎo)體邁出了關(guān)鍵的一步,。
世紀(jì)之謎：水的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)
經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的科學(xué)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(xué)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(xué)和大氣科學(xué)等眾多領(lǐng)域的面貌,。
最早引起爭議的是一個(gè)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(bào)告中聲稱：100年來對液態(tài)水結(jié)構(gòu)的描述也許是錯(cuò)誤的。眾所周知,，每個(gè)水分子是呈四面體的圖案與另外四個(gè)分子相結(jié)合的,，氧和氫原子間的細(xì)微差異使液態(tài)水找到了廣闊的用武之地。但這個(gè)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(shí)際上只與兩個(gè)“鄰居”廝守在一起,。
另一場爭論的焦點(diǎn)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(xué)近親),，由此認(rèn)定那些離子就懸浮在水面上,。今年，計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)證實(shí)了這一猜想,，這可能使科學(xué)家不得不思索浮質(zhì)顆粒表面以新的形式發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),。
“費(fèi)米凝聚”簡評
所謂“費(fèi)米凝聚”，確是一項(xiàng)重大成果,，此乃1995年已實(shí)現(xiàn)的原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)這項(xiàng)被評為2001年諾貝爾獎項(xiàng)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(jì)理論的一個(gè)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(dǎo)現(xiàn)象的BCS理論(被評為1972年諾貝爾獎項(xiàng))假設(shè),，在一定溫度之下導(dǎo)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(fèi)米凝聚”可看作是玻色-愛因斯坦凝聚和庫珀對這兩個(gè)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(fèi)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(shí)現(xiàn)凝聚。所以,，“費(fèi)米凝聚”研究,，豐富了量子力學(xué)里量子凝聚以及宏觀量子態(tài)的物理涵義,；藉以了解實(shí)現(xiàn)了BEC的“費(fèi)米型凝聚原子”之間的相互作用機(jī)制；并有助于進(jìn)一步揭示超導(dǎo),、超流等現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理,。研究者們期望，這項(xiàng)研究對下一代超導(dǎo)體的誕生有促成作用,；若果真如此,，則其技術(shù)應(yīng)用價(jià)值必然無可估量。BEC態(tài)——人稱“物質(zhì)第五態(tài)”,，在新世紀(jì)將有神奇的應(yīng)用,；而“費(fèi)米凝聚”擴(kuò)充了可實(shí)現(xiàn)BEC的原子氣體的種類。此外還須說明一點(diǎn)：驅(qū)使并判定原子成對是這項(xiàng)研究的難能可貴之處,。
——沈葹(同濟(jì)大學(xué)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(jìn)行,。在太空探測領(lǐng)域,，火星探測和中子星研究這兩項(xiàng)成果入選十大科學(xué)突破。
在火星上找到生命跡象
今年早些時(shí)候,，“機(jī)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(gè)匣狀形機(jī)器人裝著輪子，其貌不揚(yáng),，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(gè)可能曾有過生命存在的地方,。“機(jī)遇號”火星車找到了一個(gè)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(biāo)志著人類在搜尋宇宙生命跡象的旅途中建樹的一個(gè)里程碑,。
近30年來，科學(xué)家們始終無法肯定：他們通過軌道攝像機(jī)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(gè)海是飄忽不定的，不時(shí)被大風(fēng)吹散而衍變?yōu)辂}灘,。但是,，積水覆蓋的地域之廣，相當(dāng)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(shí)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(gè)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(xué)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(gè)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(yù)為36年中子星研究史上的一個(gè)“分水嶺”。
這個(gè)天文奇觀是澳大利亞人用口徑為64米的派克斯射電望遠(yuǎn)鏡在觀測一顆帶能量的脈沖星時(shí)出現(xiàn)的,，它繞著一個(gè)隱秘的物體——據(jù)信是不發(fā)射脈沖的中子星——的軌道運(yùn)行,，每秒鐘旋轉(zhuǎn)44次。更深入的細(xì)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(dāng)它們一前一后沿軌道運(yùn)行時(shí)，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?yàn)橛袡C(jī)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(shí)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(yán)格的檢驗(yàn)。
“勇氣”可嘉,，“機(jī)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(jìn)的決心和堅(jiān)毅,。“勇氣”號的預(yù)定工作時(shí)間只有3個(gè)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(jī)遇”號的其他諸多發(fā)現(xiàn),，大大強(qiáng)化了火星上存在或曾經(jīng)存在水的證據(jù),，并進(jìn)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(xué)的角度來看,，地球上的所有生命其實(shí)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(xué)和整個(gè)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(cái)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(xué)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(yán)重破壞
“機(jī)遇”號火星車
天文望遠(yuǎn)鏡中的雙脈沖星系
