科學十年回望（1）

科學十年回望（1）
知識通訊評論第100期

在二十一世紀第一個十年行將結束之際，《科學》雜誌回顧了過去十年裏的一些偉大的想法以及使這些想法變為現實的技術。

照亮基因組的“暗物質”

這個“暗基因組”的範圍在二○○一年首次發表人類基因組時變得明瞭。科學家原來期待在人類DNA的三十億個堿基裡找到十萬個基因，結果他們吃驚地發現只有三五○○○個（當前的數目是二一○○○個）。

從去氧核糖核酸到蛋白質的過程曾經看起來是那麼簡單。DNA告訴身體如何製造蛋白質，DNA的化學表親核糖核酸（RNA）鏈充當分子信使，把指令帶到細胞的蛋白質工廠並將其轉譯為行動。

基因序列承載著DNA的指令，基因之間是不連貫的、無用的、惰性的大段“破爛兒DNA”。

事實上，基因調控已被證明是一個由多種調控DNA管轄的、令人驚訝的複雜過程，而這些調控DNA也許就深藏在被認為是“破爛兒”的荒區。

這個“暗基因組”的範圍在二○○一年首次發表人類基因組時變得明瞭。科學家原來期待在人類DNA的三十億個堿基裡找到十萬個基因，結果他們吃驚地發現只有三五○○○個（當前的數目是二一○○○個）。編碼蛋白質的區域只占基因組的百分之一點五。

科學研究逐步表明，非編碼DNA很可能對生物體的存活起至關重要的作用。一些保守DNA幫助調控基因，有時從遠處調控，而且分佈於非編碼區的調控DNA比人們預期的多得多。

 

儘管在過去的十年中，科學家發現了暗基因組越來越多的秘密，但許多奧秘仍有待探索。好在大體的情況是清楚的：十年前，基因吸引了所有的注意力，現在它們必須和一個不斷擴大的演員陣容共用聚光燈。

——潘尼斯（Elizabeth Pennisi）

中科院生物物理研究所研究員、中國科學院院士陳潤生評論：

發現基因組中的“暗物質(Dark Matter)”對科學家認識生命的本質起了非常重要的作用。這個發現不僅影響了分子生物學、遺傳學的研究，而且它與現在的很多熱點領域,如: 幹細胞、表觀遺傳學，甚至合成生物學都有密切關係。這些“暗物質”也表明人類的基因組是高度複雜的，為科學家研究遺傳密碼的複雜性展現了光芒，將來也必然對人類健康有明顯的指導作用。

基因組的“暗物質”突破了中心法則的局限，它們也能像編碼DNA那樣發放信號——產生非編碼RNA，進而發揮生物學功能，在占人類基因組分之九十八的“暗物質”中將不斷發現更多的寶藏和重大的生命活動的新規律。中國一些科學家對這方面的關注其實從上個世紀八九十年代就已經開始。本世紀初，“九七三”計畫，基金委都設立了相應的專案。但總體來說，國內該領域的研究人數還比較少，研究面還不夠寬，有很大的發展空間。

宇宙“配方”

億萬年來，人類不時仰望星空琢磨這樣一個問題：“這一切都是從哪兒來的？”儘管宇宙學家們還沒有一個明確的答案，但在過去十年中，他們已經推導出一份有關宇宙成分的非常精確的“配方”，以及將其組合起來的說明書。

如果你想在家裡按照這個配方製作，你需要三種原料：構成恒星和行星的普通物質、神秘的“暗物質”（其引力把星系結合起來）、以及更離奇的“暗能量”（它正在撐大太空並在加速宇宙的擴展）。根據最新估算，普通物質所占比例為百分之四點五六，暗物質占百分之二二點七，暗能量占百分之七二點八。

令人驚奇的是，關於宇宙微波背景輻射測量的資料居然能擬合到宇宙學家的模型中——雖然模型只有幾個可調參數。

它們是這樣組合的：在“大爆炸”的瞬間宇宙產生了。它的溫度、密度都超高。在極短時間內，宇宙以超光速的速度擴展。在被稱為宇宙“膨脹”的快速增長過程中，一些“過密”區域的引力抓住了暗物質，暗物質把起初只是亞原子粒子的普通物質也一起拉了進來。慢慢地，一個由暗物質絲和暗物質塊組成的巨大“宇宙網”形成了，星系就在其中。

令人驚奇的是，關於宇宙微波背景輻射測量的資料居然能擬合到宇宙學家的模型中——雖然模型只有幾個可調參數。而且並不只是一些邊際逼近，理論與資料的吻合就像香腸的腸衣那樣緊湊。這使認為暗物質和暗能量不真實的論點難以成立，也難以通過比如修改愛因斯坦的引力理論來解釋它們。其他宇宙學資料，如星系分佈的測量資料，也都完美地符合這個模型。

所有這一切都讓宇宙學家陷入一個奇怪的境地：他們知道宇宙三種成分的精確比例，但仍然不知道其中暗物質和暗能量這兩種成分到底是什麼。這就好比他們得到一個做巧克力蛋糕的配方，其中需要一個“甜的顆粒狀物質”和“用來做糊的與水混合的白色粉末”，而不明確指出是糖和麵粉。

 

下一個十年結束時，宇宙學家們也許會對所討論的問題有更清楚的答案。

——周（Adrian Cho）

中國科學院國家天文臺研究員 張承民評論：

自古以來，人類就表現出對於我們所在宇宙的極大好奇心, 對宇宙的探究是人類文明的永久話題。 從托勒密的地心說，到哥白尼的日心說，再到當今最前沿的宇宙學說，人類對於宇宙的視野和知識不斷增長。

值得注意的是，科學家對於太陽系行星運動的規律是建立在牛頓經典力學的基礎之上的。現在的精密宇宙學則是建立在愛因斯坦廣義相對論基礎上的理論模型，稱為“標準宇宙學模型”。 這個模型能夠解釋許多天文學的觀測結果，非常精確地推測出宇宙物質的成分， 包括普通物質、暗物質和暗能量。 但這還並不意味這種理論模型是與“地球圍繞著太陽運動”一樣確定的規律， 因為宇宙的運動遠比太陽系的運動複雜。

科學家仍然在努力尋找證據來支援這個宇宙模型，歐美在尋找暗物質和暗能量方面也投入了大量的資金和人力，中國科學家更多地是進行理論計算方面的工作， 但目前也試圖開展實驗和觀測。

(本文原刊《科學新聞》雙周刊）