难以置信的科学(精)

作者简介

科林·巴勒斯（Colin Barras）拥有地质学、化石古生物学和科学传播学位，并在古生物学领域取得博士学位。他为《新科学家》（New Scientist）、英国广播公司（BBC）和《每日电讯》（Daily Telegraph）撰稿，并受欧洲核子研究组织（CERN）之邀参与了《追寻上帝粒子》（Hunting the Higgs）这本介绍大型强子对撞机的科普书籍的写作。

内容简介

引言 你听说过43万岁的杀人犯吗？你听说过死亡数天后才开始工作的基因吗？再或者，你听说过在世界上曾发生过最严重的核灾难的地方，还有动物活得生龙活虎吗？ 科学家的很多突破和发现绝对令人震惊。有意想不到的故事：天文学家竟然会漏掉潜伏在我们太阳系内的第九颗大行星。有令人震惊的故事：有人缺失了大部分大脑，却还能基本正常地生活。也有伟大的故事：人类祖辈流传下来的故事，千年之后仍能保持内容的准确性。但实际上，所有这些发现都得到了最新科学证据的支持。 每个科学新发现本身都很迷人。不过，更令人吃惊的是，这些发现在整体的科学图景中都占有一席之地。本质上，科学家的所有发现组成了一个巨大的、相互交织的故事。 有时候，科学发现之间的联系显而易见：爱因斯坦对科学的贡献如此之大，他的理论为卫星导航技术和宇宙间引力波的成功测量打下了坚实的基础。 有时候，这些联系更为隐晦：科学家在实验室研究人工肉制品，表面上看起来和工程师计划到太空中的小行星上采矿毫无关联，但是这些工作都是保障水源供应的一部分。 20世纪20年代有这样一个著名观点：世界上任意两个人，至多只要通过五个人就能建立联系。本书想表明，这样的“六度分离”理论也适用于科学研究。本书中的80个故事，任意挑选一个，跟随故事末尾的指引，只需要不超过六步，就能抵达其他的故事。 这80个故事来自所有科学领域。这些故事基本是从每年科学界的几十个头条新闻中随机挑选的，不过它们的确有共同之处：这80个故事介绍的都是最近几年内的研究，而且，所有故事都以出人意料的方式讲述了难以置信的科学。 科林·巴勒斯，2017年 如何在太空中发家致富 这宏伟的计划是太空探索的革命：追逐飞掠地球的小行星，并从中攫取自然资源。那么，在太空采矿的全新领域中，哪种资源最宝贵呢？不是金银，也不是钻石。 最珍贵的资源其实是地球上俯拾即是的水。 最近几十年，小行星已被认为是会威胁到地球生命的存在。小行星的威胁在20世纪90年代受到最集中的关注。当时，许多证据都表明，大约6 600万年前，一颗直径至少10千米的小行星一头扎进了墨西哥湾。几乎可以肯定，这颗“希克苏鲁伯（Chicxulub）小行星”在生物大灭绝中起了关键作用。所有大型恐龙都在这场灾难中惨遭灭绝。大块的星际碎片要是击中地球，就可以轻易地消灭当今的生物。 不过，最近人们的态度有所转变。比如，2013年2月，一颗叫作2012 DA14的直径30米的小行星，近距离掠过地球——实际上，它与地球的距离比一些绕地飞行的通讯卫星还要近。在确认这块石头不会击中地球之前，观察者曾担心它可能带来的威胁。 采矿业则有不同的看法。他们一直在探索现代技术在采矿活动中的应用。他们从中看到了机会，而不是危机。一家叫作深度空间工业（Deep Space Industries）的公司宣称2012 DA14携带的自然资源估值为1950亿美元。这家太空矿业公司的实力，离实际开发小行星还遥遥无期，只能眼睁睁地看着这颗价值连城的岩石从地球边呼啸而过，再次消失在茫茫宇宙中。 2012 DA14携带的资源包括对科技工业至关重要但地球上不易开采的金属。比如，智能手机触摸屏中用到的铟，或者智能手机耳机和风力发电机中用到的钕。有人估计，这些金属的市场供应可能在数年之后枯竭。 然而，2012 DA14携带资源的估价单中也包括了价值650亿美元的水。 为什么地球上如此丰富的资源，在太空中却会价值连城？有几个很简单的原因，而其中最重要的是，要把水运离地球的成本非常高，这也就让太空中的自然资源身价飙升。 此外，水对于太空工业来说也非常有用。把水分解为元素（氢和氧），就变成了强大的火箭燃料。自然状态下，水是很好的辐射盾，无论在太空，还是在火星或者其他行星基地中，都可以起到保护宇航员的作用。另外，这些宇航员如果没有充足的水源供给，生命也将难以维系。 所有这些原因都让太空采矿变得有利可图。 几年前，太空采矿看起来还不太能实现。但是2014年，欧洲航天局的罗塞塔计划成功在67P/丘留莫夫–格拉西缅科彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko comet）上着陆了探测器。这颗彗星有4千米宽。这说明我们现在已经可以抵达在太阳系内飞行的小行星和彗星，并且着陆。 2015年，工程师公布了从小行星上开采水的可行方案。他们认为利用光学开采技术可以从小行星上挖出10万千克水，装进巨大的充气袋中，然后拖到太空站之类的地方。最厉害的是，这种方法只需要用商业公司SpaceX的猎鹰九号进行一次火箭发射就行。因此在太空开采水的过程中，这种方式相对比较便宜。 人类的太空探索仰仗于这些商业投资的成功。在干燥荒凉的太空，没有什么比水更重要。 原子弹如何拯救大象 战争的形式在1945年被永久地改变了。广岛和长崎原子弹爆炸后，世界上最强的几个国家争先发展自己的核武器，并且改进了它们背后的技术。 1963年签署的部分禁止核试验条约禁止了所有地下核武器试验。但是那时候，地面上的核爆炸已经留下了持久的痕迹。20世纪50年代和60年代，地球大气中的放射性碳–14含量激增。 大气中放射性物质的激增出人意料地对科学研究非常有价值。它帮助人们揭开了人脑的秘密，破解了悬案，甚至震慑了猎杀濒危大象获取象牙的偷猎者。 原子弹试验对大气产生的变化非常显著，而且是全球性的。这两个特点促使地质学家开始利用大气中激增的放射性物质来标记人类进入新时期的时间点。地质学家提出了一个新地质年代，叫作“人类世”。它的特征是人类活动对自然世界的改变——包括沙漠化、污染、物种灭绝和气候变化。 显然，这些变化没有一个对大自然有好处。同样，很难想象，大气中到处漂浮着放射性物质，这和上述坏事儿有什么不同。 但是，科学研究实际上从原子弹试验释放的放射性物质中获益良多。 这都和碳–14有关，它具有放射性。植物在光合作用时吸收它们，然后通过食物链进入动物（包括人类）体内。它会进入我们的DNA。 这就是关键。一段DNA中的碳–14含量，反映了这段DNA分子被合成时，当时大气中的碳–14含量。在部分禁止核试验条约签署后，大气中的碳–14含量稳步下降。所以，20世纪50年代以后，大气中每年的碳–14含量都是独一无二的确定值。 科学家要做的，就是检测DNA样本中的碳–14含量，然后和大气中的含量做比对，找到匹配的年份。这样，科学家就能准确判断，从20世纪50年代至今，合成被测DNA的时刻。 这样的DNA测年法有很多应用。法医可以以此来判断尚未确认身份的尸体的年龄。这样可以加快确认尸体的姓名，从而有助于调查死亡原因。 在和象牙偷猎行为的斗争中，DNA测年法也非常有用。1990年代初，象牙的国际贸易被禁止。但从技术上来说，在此之前已经流入市场的象牙还是合法的。依赖放射性碳的DNA测年技术，可以帮助人们判断象牙制品是否来自贸易禁令生效后仍活着的动物。 而在人脑研究中，核弹产生的碳–14再一次证明了自己的价值。通过它，人们发现人的一生中，大脑的部分细胞会不断更新。这说明，成人的大脑比神经科学家过去认为的更加活跃和具有适应性。 不过，故事末尾还有转折。年复一年，碳–14水平离峰值越来越远了，它将很快回落到原子弹试验之前的水平，然后稳定下来。到那时，每年的碳–14水平将不再独特。而科学家则会失去一个确定生物体样品年龄的工具。 有人希望，届时新的DNA测年技术会涌现出来，替代放射性碳–14时钟。但是至少到2016年底，还未出现这样的新技术。 这让一切开始变得复杂。若干年后，由20世纪中叶的原子弹试验带来的放射性阴影终于可以被一扫而光了。自然，全世界应该普天同庆。然而，对全球的科学家来说，这一刻的到来会让他们的工作更加困难。 帮你减肥的脂肪 有一个健康问题正在席卷全球。它不分年龄、财富和性别，还有证据表明它会传染。肥胖流行是医学界面临的最严峻的挑战之一。在对抗肥胖的战斗中，2009年出现了一种出人意料的新武器。人体的脂肪可能本身就能用来有效抵御肥胖。 随处可得的平价加工类食品也许最能解释，为何几乎所有国家的肥胖率都在上升。不过，其他因素可能也在起作用。比如，有小道消息说，有些人因为进行所谓的粪便移植疗法，被超重的粪便捐赠者传染了肥胖。 殊途同归。肥胖导致人体堆积过量的白色脂肪组织，或者简称“白色脂肪”。身体用这种白色脂肪来储存暂时无需使用的多余能量。 但还有一种脂肪叫作“棕色脂肪”，数量较少。它的功能不一样。棕色脂肪中包含可以燃烧能量的结构。简单来说，多余的能量在这儿不但没有被储存，反而被燃烧，以热量的形式被释放掉。 生物学家早就知道棕色脂肪的存在。它的产热功能，对那些在寒冷冬季要冬眠的哺乳动物来说至关重要。科学家也早就知道到人类同样拥有棕色脂肪。婴儿依靠它们产生体热。这是因为婴儿和成人不同，他们无法通过颤抖在寒冷的温度下保持温暖。 但就在几年前，科学家的共识还是，人类成年后会损失几乎所有的棕色脂肪。2009年的一系列研究挑战了这种共识。科学家意外发现，成年人确实仍有棕色脂肪，它们通常堆积在胸部和颈部。 从此，科学家忙着研究棕色脂肪是否能够帮助成人燃烧卡路里，并在理论上预防发胖。 好消息是，它确实可以。比如，在2012年，研究团队发现，成年男性志愿者即使在安静状态，棕色脂肪仍在燃烧卡路里。而且，有初步迹象表明，棕色脂肪在缺少燃料时，甚至会开始“进食”白色脂肪。从原理上说，这可以帮助人们无需通过锻炼，就逐渐消耗掉机体多余的脂肪。这个研究团队由加拿大魁北克的舍布鲁克大学的安德烈·卡尔庞捷（André Carpentier）领导。 但棕色脂肪也存在缺点。卡尔庞捷发现，燃脂效应只有在男性志愿者穿上特殊服装时才会出现。服装中充满了18℃的冷水，包裹住志愿者的身体。棕色脂肪在相对低温下才会活跃起来——这对某些人来说就是无法忍受的寒冷。 还有另一个问题。大多数成年人并没有足够的棕色脂肪组织来消耗掉大量多余的白色脂肪——尽管北极圈的土著居民似乎比其他地区的成年人携带有更多的棕色脂肪。 理想情况下，科学家将会找到促进棕色脂肪在成年人体内生长的方法——或者更好的办法是，找到方法把白色脂肪变为“棕色”。 可喜的是，有迹象表明这种设想有实现的可能性。2012年，哈佛医学院的布鲁斯·施皮格尔曼（Bruce Spiegelman）和他的同事确认，哺乳动物还携带有第三种脂肪，叫作“米色脂肪”。它也和棕色脂肪一样，拥有一些燃烧能量的能力。 有证据表明，白色脂肪可以被诱变为燃烧能量的米色脂肪。一种诱变方法也需要人体暴露在寒冷环境下。另一种方法则是选择极低卡路里的饮食——这种饮食方式也和延长哺乳动物的寿命有关。当然，很明显的是，如果肥胖者有意愿选择任何一种“限制卡路里摄取”的饮食方式，他们无论如何都不可能一直胖下去了。 如果生物学家能够发现一种方法，无需寒冷的环境或者限制卡路里摄取，就能促进白色脂肪转化成棕色脂肪，那结果就能离肥胖治疗的终极目标更近一步：不需要锻炼、寒冷或做任何不舒服的事情，吃吃药片就能让体内的脂肪自己燃烧殆尽。有些团队已经开始着手进行研究了。 1.一本正着、倒着都能读的科普书 《难以置信的科学》作者相信“每个新的科研突破，都能在短短几步之内，与另一个突破相遇”。所以，这本书的组织形式上，他大胆采用了相互连接的方式，传统的板块（例如环境、物理学等等）只是导向标，读者可以随机翻开一篇，并顺着篇末留下的“更多发现”来到另一篇，领略科学发现的奇妙联系。 2.《新科学家》撰稿人，又新又潮的科研成果 作者拥有深厚的科普功力，为《新科学家》、BBC等撰稿，并且参与了欧洲核子研究组织的全新成果的科普创作。不仅有相当的可读性、易读性，还能与时代接轨，其中引力波、青蒿素、换头手术、基因编辑都是近几年才出现的科学全新突破。 3.超过300幅全彩精美插图，直观感受科研突破的成果 电子显微镜下的癌细胞、海底世界的真实照片……让全新的科研结果不再是论文上的数据，或是费解的逻辑推演，而是真真实实可感可触的普及性文章。