2020年，解答科學(xué)之謎，我們離真相更近一步

陸成寬

雖然科學(xué)的腳步每天都在飛速前行，為我們揭開一個又一個真相，但在我們生活的這個大千世界里，依然有太多的“黑暗”需要科學(xué)之光來照亮。

2019年，我們探究了意識的產(chǎn)生和大腦遺忘的奧秘，解釋了地球磁極逆轉(zhuǎn)和青藏高原“人骨湖”形成的種種可能，“徹查”了5億年前地球氧氣猛增和先有雞還是先有蛋的科學(xué)真相……進(jìn)入2020年，雖然仍有許多謎團(tuán)未能最終解開，但科學(xué)家們的探尋從未止步。

01水到底是一種液體還是兩種液體

水很尋常，我們洗衣、做飯、飲用都離不開它。我們似乎對水最了解不過了，但是，這看似普通的水卻仍然有很多待解的謎題，科學(xué)家甚至都還在爭論它是一種液體還是兩種液體。

如果壓強(qiáng)或溫度改變，水的狀態(tài)就可能發(fā)生變化。水在兩種形態(tài)間轉(zhuǎn)化的過程中，總有一個過渡點，比如在液態(tài)和氣態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過渡點上，水既會表現(xiàn)出液態(tài)水的性質(zhì)，又會表現(xiàn)出氣態(tài)水的性質(zhì)。這個點被稱為“臨界點”。

通常情況下，水溫越低，分子越不活躍，密度起伏應(yīng)該越小。然而，研究人員卻發(fā)現(xiàn)了一個反常的現(xiàn)象：低溫下水的密度會發(fā)生起伏，溫度越低，密度起伏越大。對于這種密度的變化，他們給出的解釋是水有第二臨界點。在第二臨界點上，水會在兩種狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)變，它在這個點上由兩種密度不同的“水”組成。這意味著水不是一種液體，而是兩種液體。

然而，對于水是兩種液體，也有不少人持懷疑態(tài)度，甚至有科學(xué)家批評這個結(jié)果是偽造的。大多數(shù)研究者認(rèn)為，水的性質(zhì)可以用常規(guī)的理論來解釋。其中一種觀點認(rèn)為，在非常低的溫度下，過冷的水會轉(zhuǎn)變成一種無序的固體，或者說，這是水在凝固時的一種特殊現(xiàn)象。

在中國科學(xué)院物理研究所的研究員孟勝看來，雖然一直都有人認(rèn)為水是兩種不同性質(zhì)的液體的混合，但現(xiàn)在還沒有確鑿的證據(jù)可以完全證實，這種觀點還處在假說階段。

02究竟是先有雞還是先有蛋

究竟是先有雞還是先有蛋，始終是一個充滿爭議和趣味的話題。2019年12月，來自中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所等單位的研究人員，在我國貴州甕安生物群——一個距今6.1億年的特異埋藏化石庫一中找到了一類名叫“籠脊球”的化石。

通過對這種生物形態(tài)化石的觀察研究，科研工作者還原了原始“胚胎發(fā)育"的過程。如果把動物比作一只雞，那么這類化石就相當(dāng)于記錄了“蛋生雞”的過程。籠脊球化石為回答先有雞還是先有蛋的問題提供了重要線索。

通過10多年的收集和研究，南京地質(zhì)古生物研究所副研究員殷宗軍所在團(tuán)隊，在貴州甕安生物群陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了233塊籠脊球化石。

它們呈現(xiàn)了單細(xì)胞動物向多細(xì)胞動物過渡的各個時期的不同形態(tài)，根據(jù)大數(shù)據(jù)集的分析，科學(xué)家找到了這其中的演變規(guī)律。從掃描效果圖上可以看到，這類化石從空心“體演變?yōu)椤皩嵭那颉钡摹芭咛グl(fā)育”過程。

殷宗軍認(rèn)為，如果將動物比喻成一只雞的話，復(fù)雜的胚胎發(fā)育過程就是孵化出小雞的蛋，它橋接了動物的單細(xì)胞祖先和多細(xì)胞祖先之間的鴻溝。而籠脊球化石的發(fā)現(xiàn)恰恰表明，孵化出多細(xì)胞動物這只“小雞”的“蛋”在6.1億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。

03幾十噸的恐龍如何飛上天

在學(xué)界，關(guān)于鳥類起源于恐龍有多種假說，其中，由英國學(xué)者托馬斯·赫胥黎于1868年正式提出的“鳥類獸腳類恐龍起源說”自20世紀(jì)70年代起，逐漸成為學(xué)界的主流假說。

從體型龐大的陸地動物到體型小巧的天之驕子，這需要在形態(tài)和生理上產(chǎn)生許多巨大變化，這樣一個過程確實讓人難以想象。然而，許多化石證據(jù)顯示，這一過程確實發(fā)生了。

2014年，澳大利亞等國的研究人員根據(jù)120種恐龍的1500多個解剖特征，構(gòu)建復(fù)雜數(shù)學(xué)模型并據(jù)此分析了恐龍在進(jìn)化過程中的體型變化。分析結(jié)果顯示，獸腳類恐龍當(dāng)中的一支，它們的體型一代一代地縮小，在持續(xù)“瘦身”5000萬年后終于進(jìn)化成了鳥類。2.1億年前其平均體重為163千克，當(dāng)進(jìn)化到始祖鳥時體重已經(jīng)降至0.8千克。

恐龍想變成鳥除了要變小之外，還要會飛，鳥類飛翔靠的是翅膀。此前，古生物學(xué)家在我國遼寧建昌發(fā)現(xiàn)了約1.6億年前的近鳥龍化石。中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所研究員徐星介紹，近鳥龍長而粗壯的前肢上長著飛羽，其排列方式類似鳥類飛羽，這說明翅膀的雛形在至少1.6億年前就在恐龍身上出現(xiàn)了。除了近鳥龍，還有其他幾種獸腳類恐龍，像小盜龍和似尾羽龍，都有著類似羽毛翅膀的結(jié)構(gòu)。

綜合這些化石證據(jù)，恐龍變成鳥類可能經(jīng)歷了這樣一個階段：些恐龍的身體逐漸變小，長得也越來越像鳥類一骨骼中空，身體輕盈;腦顱膨大，行動敏捷;前肢越來越長，能像鳥翼一樣拍打;它們的體表長出了美麗的羽毛，不再披著鱗片或鱗甲。

雖然恐龍是如何演化成鳥的，目前還沒有一個特別確切的答案，但不管怎樣，原本不會飛的恐龍最終變成了天之驕子，它們飛向藍(lán)天，從此開辟了一個嶄新的生活天地。

近鳥龍復(fù)原圖

近鳥龍是目前已知最早的有羽毛獸腳亞目恐龍，生存年代在侏羅紀(jì)中期或晚期。它是一種小型、帶有羽毛、類似鳥類的恐龍，體形和雞類似，嘴似啄木鳥，頭頂有紅褐色羽毛，翅膀黑白相間，腿上也長滿同樣顏色的長羽毛。研究表明，近鳥龍的羽毛并非用來飛行，而是用以吸引異性，恐嚇敵人，甚至驅(qū)趕獵物，當(dāng)然也能幫助它們在樹枝間跳躍滑行。本圖使用激光誘導(dǎo)熒光成像技術(shù)制作。

04是什么讓地球氧氣在5億年前猛增

氧氣是地球上的生命賴以生存的基礎(chǔ)。但是，遠(yuǎn)古時期的地球曾極度缺氧，是一片不折不扣的生命禁區(qū)。到了距今5.8億～5.2億年，地球大氣與海洋中的氧氣含量卻突然增加了。

似乎有一種神秘的力量在左右著地球氧氣含量的平衡點。多年來，科學(xué)家一直在尋找那股神秘力量。它究竟是什么？又是如何發(fā)揮作用的？

此前，流行的假說是“生物與環(huán)境協(xié)同演化模型”。這個模型提出：地球上氧氣含量的增加是呈線性加速變化的，這與距今5.8億～5.2億年，大氣和海洋氧氣含量多次大規(guī)模波動、生物發(fā)生階段性輻射演化的實際情況不一致。

中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎帶領(lǐng)的中英合作團(tuán)隊耗時數(shù)年，提出了一個新的地球系統(tǒng)模型，對這一時期地球氧氣迅速增加的原因給出了新的見解。

他們認(rèn)為，距今5.7億年前后，地球上的主要大陸通過拼合形成了一個岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超級中央造山帶，聲勢浩大的地球造山運(yùn)動將大量沉積在地表的蒸發(fā)巖礦物風(fēng)化剝蝕，輸入海洋。富含硫酸鹽的蒸發(fā)巖作為一種氧化劑，氧化了海水中的有機(jī)質(zhì)，這一過程向大氣中排放大量二氧化碳，使大氣升溫，進(jìn)一步加強(qiáng)了海洋中有機(jī)質(zhì)的氧化，最終使大氣和海洋中的氧含量迅速增加，為大型、復(fù)雜多細(xì)胞生物的快速演化提供了基礎(chǔ)。

05地球磁極逆轉(zhuǎn)原因還無定論2019年1月，《自然》網(wǎng)站報道，受到地核內(nèi)液態(tài)鐵運(yùn)動的影響，地磁北極正不斷從加拿大向西伯利亞偏移，而且移動速度非常快。地磁北極的快速移動迫使科學(xué)家不得不緊急更新了世界地磁場模型。

有，人說，地球核心磁場似乎在減弱，這可能是地球磁極即將逆轉(zhuǎn)的一個信號。也有國際研究小組表示，地磁場的變化現(xiàn)象被夸大了太多，現(xiàn)在說磁極逆轉(zhuǎn)為時尚早。

20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的“發(fā)電機(jī)理論”認(rèn)為，地磁北極快速遷移的原因，是“位于加拿大地區(qū)下面的高速液鐵射流”。這股從地球液體外核噴射出來的液態(tài)鐵流體，讓加拿大附近的磁場變?nèi)?，從而使地磁北極向著磁場更強(qiáng)的俄羅斯西伯利亞地區(qū)移動?？茖W(xué)家認(rèn)為，地磁北極的位置可能是由北極附近兩塊大磁場的強(qiáng)弱作用決定的。

在地球漫長的歷史中，曾出現(xiàn)過多次磁極逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。關(guān)于磁極逆轉(zhuǎn)的原因，科學(xué)界到現(xiàn)在也還沒有定論，占主流的有以下三種假說：第一種，認(rèn)為磁極倒轉(zhuǎn)是因為地球處在銀河系這個大磁場中，地球磁極的逆轉(zhuǎn)是根據(jù)銀河系的磁極逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變的;第二種，認(rèn)為地球內(nèi)部的物質(zhì)不斷發(fā)生碰撞，碰撞的結(jié)果使地球內(nèi)部的磁場不斷地調(diào)整、變化;第三種，認(rèn)為隕石撞擊地球致使地球磁場發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

不過，無論什么說法現(xiàn)在都還只是猜想，人類對地球和宇宙的探索還將繼續(xù)。

06誰來揭開丹尼索瓦人的面紗

2019年10月，以色列和西班牙科學(xué)家在《細(xì)胞》雜志上報告說，他們根據(jù)丹尼索瓦人的表觀遺傳信息重建了其容貌，這是對丹尼索瓦人骨骼解剖學(xué)特征的首次復(fù)原。

丹尼索瓦人是生活在上一個冰河時代的人類種群，因發(fā)現(xiàn)于西伯利亞的丹尼索瓦洞而得名。由于迄今發(fā)現(xiàn)的丹尼索瓦人化石少之又少，這支古人類一直帶著神秘色彩。

中國科學(xué)院青藏高原研究所所長陳發(fā)虎院士表示，目前丹尼索瓦人的化石證據(jù)和相關(guān)研究還非常有限，還不足以討論其起源地問題。從已知的丹尼索瓦人化石形成時間來看，夏河丹尼索瓦人化石最小年齡是距今16萬年，丹尼索瓦洞最老的丹尼索瓦人化石年齡可能距今19.5萬年，兩個地點的化石年代上差別不大，很難說哪個一定出現(xiàn)得更早。

而就目前發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人化石的兩處地點，還不能推測出他們的具體遷徙路徑。根據(jù)兩個地點的自然環(huán)境、丹尼索瓦人和現(xiàn)代藏族人群的遺傳學(xué)研究結(jié)果，以及高寒缺氧環(huán)境基因EPAS1的攜帶情況推測，丹尼索瓦人群體有可能存在一個大致的由南向北的擴(kuò)散路線，但目前并沒有直接的證據(jù)可以證明這一點。

在陳發(fā)虎院士看來，目前丹尼索瓦洞的丹尼索瓦人基因組研究可以反映出他們可能曾在東亞廣泛分布，未來東亞地區(qū)的一些新發(fā)現(xiàn)應(yīng)該會推動我們對這一古老人群的認(rèn)識，包括他們的起源、遷徙路徑等。

07確定“人骨湖”成因還需更多證據(jù)

2019年9月，《美國科學(xué)家》發(fā)表了一項關(guān)于喜馬拉雅山脈“人骨湖”的研究成果。“人骨湖”本名叫“盧普康”，位于喜馬拉雅山脈西南側(cè)，因二戰(zhàn)期間被發(fā)現(xiàn)時的恐怖畫面而更名：成百上千根人類的大腿骨、肋骨、手指節(jié)漂浮在湖水中，還有許多碎骨散落在湖畔的石灘上。

這一發(fā)現(xiàn)很快吸引了全世界的目光。幾十年來，眾多歷史學(xué)家、科學(xué)家和考古學(xué)家紛紛試圖解答關(guān)于這些遺骸背后的幾百人，他們的身份和死因之謎。

美國哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員對來自“人骨湖”的38具骸骨做了DNA分析和放射性碳測年。測年結(jié)果顯示，這些骸骨來自800-1800年，男女比例基本對半，其中14名個體的年代可追溯至公元1800年前后。時間相隔約1000年，說明這些骸骨是因多次事件而堆積在此，并不是在同一時間內(nèi)集體死亡的結(jié)果。這就推翻了之前的“戰(zhàn)爭說”和“瘟疫說”。

目前比較靠譜的是“宗教說”?！叭斯呛辈贿h(yuǎn)處就是全印度第二高峰楠達(dá)德維峰，著名的岡仁波齊就在楠達(dá)德維山再往北一點兒。楠達(dá)德維也是當(dāng)?shù)刈诮涛幕械摹笆ド健?，“人骨湖”正好位于朝拜“圣山”的路線上。很有可能是那些在朝拜過程中不幸遇難的信徒，他們的尸骨最終匯集到了這片地勢低洼的湖區(qū)地帶。研究團(tuán)隊認(rèn)為，“宗教說”至少可以解釋部分尸體的來源，但有待更多證據(jù)來證明。

08人類意識從何而生

人為什么會有意識？這至今是個謎。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人們在覺醒并專注于某件事時，大腦中常見一種頻率更高的Y波，其頻率為30-80赫茲，波幅范圍不定。有假說認(rèn)為，Y波也許與建立統(tǒng)一的清晰認(rèn)知有關(guān)——源自丘腦、大腦的神經(jīng)元電路，以每秒40次的頻率掃描，吸引不同的神經(jīng)元電路進(jìn)行同步，進(jìn)而增強(qiáng)意識、產(chǎn)生注意力。這一假說受丘腦受損現(xiàn)象的支持——丘腦受損后，40赫茲腦電波難以形成，意識則無法被喚醒，病人也陷入深度昏迷。因此，Y波被視為人腦意識活動的標(biāo)志，但兩者之間的關(guān)系仍沒有定論。

2014年，有報道表明，研究人員首次通過高頻電脈沖刺激大腦屏狀核區(qū)域關(guān)閉了人的意識，這一發(fā)現(xiàn)暗示屏狀核可能是將不同的大腦活動匯集成思維、感覺和情緒的組織。但其他科學(xué)家對此謹(jǐn)慎地指出，目前只在一個人身上測試了意識關(guān)閉，而且實驗對象是一名海馬區(qū)受損的癲癇癥患者，不能代表普通人。

這個研究隨著影像科學(xué)的發(fā)展似乎有了轉(zhuǎn)機(jī)。2017年3月，《自然》雜志報道了一項新的數(shù)字重建技術(shù)和使用該技術(shù)帶來的新發(fā)現(xiàn)——在小鼠腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)了3個伸展至全腦的巨大神經(jīng)元。它之所以引起轟動，是因為人類此前從未見過在腦內(nèi)伸展范圍如此之廣的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元來自屏狀核。

對此，復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國家重點實驗室研究員黃志力說，目前的發(fā)現(xiàn)也并不能證明這是意識出現(xiàn)的唯一路徑，意識很可能來自多系統(tǒng)的共同作用。

09我們的大腦是怎樣遺忘的

遺忘一直被看作是記憶的一個小故障。然而在過去10年里，越來越多的證據(jù)表明，記憶的喪失并不是被動的過程，而更像是種主動的過程，我們的大腦在不停地主動遺忘。

那么，如果遺忘機(jī)制是主動發(fā)生的，它會在什么情況下啟動，又為何會出問題呢？這些目前還都有待科學(xué)研究給出答案。

通過對，人類睡眠的監(jiān)測證實，人在睡眠中會“主動遺忘”。目前，關(guān)于在睡眠中遺忘機(jī)制的啟動主要有兩種觀點：

一種觀點認(rèn)為，遺忘可能與下丘腦黑色素聚集激素神經(jīng)元有關(guān)。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)一種僅在快速眼動期激活的神經(jīng)元，它可以分泌一種名叫“黑色素聚集激素”的物質(zhì)，黑色素聚集激素神經(jīng)元的激活在促進(jìn)快速眼動期睡眠的同時，還能顯著抑制海馬神經(jīng)元活性，導(dǎo)致遺忘。動物實驗也證實了該說法的可信性。

另一種觀點認(rèn)為，遺忘可能與突觸重整來達(dá)到突觸穩(wěn)態(tài)有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，覺醒持續(xù)一定時間后，與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的通路會出現(xiàn)突觸數(shù)量增多、體積增大、膜上受體過多等表現(xiàn)，這些變化會占據(jù)有限空間，消耗能量，使突觸傳遞效率下降。睡眠可移除覺醒期細(xì)胞膜上增加的受體，減少一部分并不重要的新突觸，與此同時，它還會巧妙地加強(qiáng)和保存一小部分比較重要的突觸，恢復(fù)突觸權(quán)重，保證突觸穩(wěn)態(tài)，從而提高突觸的傳遞效率。

010中子短暫的一生仍令人迷惑

自由的中子能活多久？不到15分鐘。它短暫的一生令人迷惑。用不同方法測量，顯示的中子壽命有明顯差別，這事我們還解釋不了?？茖W(xué)家們相信，搞明白中子壽命的差異之謎，將使我們的認(rèn)識通向新的理論，甚至突破粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。

中子本來可以長生不老一跟質(zhì)子結(jié)合，組成原子核的中子非常穩(wěn)定，但當(dāng)它不幸被甩出原子核，生命的倒計時就開始了。它很容易衰變成其他粒子?？茖W(xué)界測量中子壽命的嘗試已經(jīng)持續(xù)了70年，但科學(xué)家們的測量結(jié)果和解釋仍無法達(dá)成一致。

由于中子衰變成的質(zhì)子是帶電荷的，就不難用一個電磁陷阱來誘導(dǎo)和圍捕質(zhì)子流，然后數(shù)數(shù)它們的數(shù)量有多少。很長一段時間里，物理學(xué)家一直用這種方法逼近中子壽命的精確答案。美國馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的團(tuán)隊已經(jīng)為此奮斗了30年。2013年，他們報道了最高精度結(jié)果：887.7秒土3.1秒。

與此同時，一群科學(xué)家另辟蹊徑：用保溫瓶儲存超冷中子，過一段時間后統(tǒng)計中子數(shù)量。2008年，法國和俄國科學(xué)家的聯(lián)合實驗結(jié)果是：878.5秒士1秒。

到目前為止，用“數(shù)質(zhì)子”的方法測到的中子壽命平均在885.4秒左右，而“數(shù)中子”的方法得到的結(jié)果是878.5秒左右。這時難題來了：近8秒的差距，無法僅用測量誤差來解釋。

而2019年，《自然》網(wǎng)站發(fā)表的文章聚焦位于美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的超冷中：子實驗，它或許能更準(zhǔn)確地測量中子的壽命。