2010年1月22日星期五

科学松鼠会

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第五期征文作品赏析(二):给我一瓶"记忆"

Fri, 22 Jan 2010 20:00:35 +0800

think作者: Function      三等奖作品  评分并列第八名

在《哈利波特与混血王子》里,邓不利多教授将收集到的记忆仔细的标上记号封存在小玻璃瓶里,需要用时,滴上几滴,过往的记忆就如小电影般在冥想盆中播放起来。这一幕在很多神话童话电影中似曾相识,只不过播放这记忆小电影的荧幕变了,可以是法海的金钵,也可以是女巫的魔镜和水晶球。层出不穷的"记忆再现"镜头反映的是大家对于记忆的一个美好梦想。还记得刚读神经生物研究生时,老爸语重心长的拍着我的肩膀说;儿子,你的任务就是要研究怎么样将我们的记忆像放电影一样的播出来。

可是,记忆是什么呢?记忆真的可以再现吗?

童话里的冥想盆或是水晶球看起来都太玄乎,施瓦辛格的科幻电影《第六日》给记忆的提取和再现增添了一点科学的色彩。我们的壮汉施大哥看着一个显微镜样的设备,� �见过往一幕幕的画面从他眼睛经过镜筒传到了存储盘里,就这样,记忆的提取就完成了。这些存储的记忆还能再复制回新的生物体中,从而间接实现了人类的永生。科幻就是科学加幻想,我们不能以严谨的科学态度来推敲其中的科学道理。但是,它为我们开启了一扇思考的窗,记忆是怎么形成、怎么存储的呢?

古希腊哲学家亚里士多德在公元前4世纪提出,记忆在我们的心里,以血液的流动为基础,而在今天,恐怕已经不会再有人怀疑记忆是在我们的脑中。那大脑如何存储记忆,是否也有着一张一张的存储盘呢?牛人爱因斯坦留给了我们一系列深奥的理论,逝去后也留下了他的大脑,恐怕也在期待我们有朝一日可以解读他的记忆。为了看看爱因斯坦的大脑里到底有什么,科学家们将他的大脑切成了一张一张的薄片。我们当然看不到所谓的存� �盘,能看到的只是一个一个的神经细胞,我们称之为神经元。神经元就像计算机里的二极管,是大脑活动的基本单位。然而,神经元比只知道0和1的二极管要活泼的多,它伸展出无数的树突接受外界的输入,同时又把这些接收到的信息整合后通过轴突传递出去。这些信息通过轴突树突间形成的突触以电信号的方式传递。我们的大脑中有上百亿个神经元和上万亿个突触,互相交错形成了一个难以想象的复杂网络。神经生物学家发现生物体学习记忆的过程中突触之间传递的电信号会增强、突触会不断的新生和消亡、突触的大小也会发生变化,这一系列的改变被认为是记忆的基础,然而,目前的实验证据仍然只能表明突触活动和记忆之间具有相关性,却不能将突触活动和特定的记忆直接联系起来。也许,我们可以通过爱因斯坦的大脑了解他有什么异于� �人的地方,却仍然没有办法通过那一张一张的脑片再现他那了不起的记忆。

电影中的记忆不只是出现在科幻和童话故事中,《记忆碎片》给我们展示了另一个有关记忆的故事。一对年轻夫妇收到歹徒的袭击,妻子当场身亡,丈夫脑部受到重创,出现了一种很奇怪的"短期记忆丧失症",他对于受伤前的记忆都是完好的,可是新记忆却只能维持几分钟。为了给妻子报仇,小伙子开始调查,每当有新的发现,他就会立即将线索记录在纸片上,因为他怕很快会忘记。这不再是科学的幻想,在现实生活中就有这样一位著名的病人Henry Molaison。H.M.在9岁时脑部意外受伤,导致了非常严重的癫痫症状,在27岁时经其父母同意进行了脑部手术,切除了部分海马组织,希望能控制癫痫。然而,手术后,H.M.可以记住过去的事情,却对于眼前的事情只能记住20到30秒。作为神经生物学研究中最重要的病人,H.M.得到和爱因斯坦一样的待遇,他去世后大脑保留了下来,并于去年通过网路直播了大脑的切片过程。这个例子告诉我们大脑中记忆的形成和储存是两个独立的过程,在不同的脑区完成,现在一般认为记忆在海马形成,在大脑皮层储存。

和H.M.不同,电影《雨人》给我们讲述了一个记忆天才,准确的说是一个"白痴天才"。片中的主人公"雨人"雷蒙是一个孤独症患者,却有着惊人的记忆力。"雨人"的原型,现实版"雨人"吉姆·皮克于2009年去世,医生发现他的大脑异常,左右脑� 球间缺乏胼胝体,没有正常分开,形成了一个超大的大脑。皮克因此表现出了很多生理缺陷,但却拥有了惊人的记忆力。这是因为我们的大脑是一个高度可塑的结构,负责某些功能的神经元被削弱,往往伴随着会有负责另一功能的神经元活动的增强。一个简单的例子是盲人虽然视觉功能丧失,但是其听觉和触觉却远远高于常人,在大脑结构中的体现就是其相对于正常人视皮层的严重萎缩和听皮层感觉皮层的增强。大脑的这种高度的可塑性是我们学习和记忆的基础,但也使得大脑结构具有极大的不确定性,想再现记忆也就更像是天方夜谭了。

虽然科学家对记忆进行了大量的研究,但至今为止,人们对记忆的机理了解仍然十分有限,记忆的再现仍然是一件遥不可及的事情。但是,越来越多的证据表明,记忆是可以进行干预的。科学家们发现的大 ��和学习记忆有关的基因为干预记忆提供了潜在的靶点。华人科学家钱卓利用转基因的手段培育出了"聪明鼠",也许不久的将来我们也能养一只《精灵鼠小弟》。科学家还发现干预某些靶点可以只影响某段时间内的记忆,却不影响新记忆的产生,而另一些药物则具有干预某些特定记忆的潜力,比如心理创伤病人的部分记忆。可以期待《哈利波特》里的失忆药水也许有一天就会出现在我们这些"麻瓜"的世界里,又或者影视剧里已经陈芝麻烂谷子的"忘情水"真的成为现实。

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第五期征文作品赏析(一):到土星去旅行

Fri, 22 Jan 2010 14:43:13 +0800

Saturn作者: 童亚文      三等奖作品  评分并列第八名

土星是太阳系中距离太阳第六近的行星,是太阳系中最美妙的行星之一。最令人叹服的是它那美丽而又神奇的光环。每一个看过土星照片的人,都会为宇宙中存在着这样壮观的景色而动容。然而我们却从来没有真正了解和近距离观赏过这些美妙的土星环。据推测,这些土星环有可能含有大量的水份,可能由冰球构成,也可能在某些情况下带有静电,这些物质存在,在阳光的照耀下会显得更加的神奇。

没有人不想去看看它吧?可是,土星距离地球可有12到16亿公里的距离,怎么才能过去呢?也许该咨询一下好莱坞的那些导演们,他们为人类的未来发明了诸多的旅行工具和方式。

《星际迷航》中出现的革命性的转移方式——瞬间转移,只需要一个按钮就能把人传输到遥远的地方。很神奇吧。如此从地球到土星只需要短短 ��一瞬间而已。不过它有很多基本的东西我们尚未了解。这套传输系统既没有传输机构,也没有重组系统。没有经过一个系统,爆炸般的出现在另一个空间中,这项科技好像缺乏一个有利的理论体系。我们假设,可以通过某样系统把物体分解,然后重组,并保证重组之后的结构体系于原始结构相一致,那么即使距离再短,我们也需要一个传输机构。简单的想想吧,用电话把声音转化为声波,形成电流,然后通过线路传输,然后再重新转化,即使是其他的东西,对于空间的转移都需要一个通道或者是载体,然而在电影中,显然忽略了这个载体。另外它还没有考虑到有机物的分解和重组对其本身造成的伤害。而且倘若它真如电话机那么工作的话,那么还得在土星上面安装一个接收系统,这样的话,我们还是得提前到土星去,那么这项技术对初次土星� 旅就毫无价值了。

宇宙中速度最快的物质——光,可以达到每秒30万公里的速度,它从地球到土星只需要短短的84分钟。好莱坞的剧作家们从来就没有忘记过制造一个飞行器来和它比速度。那么超光速飞行器对于到达土星来说可谓是最快速的飞行工具了。当然,我们得先了解它才能创造它。不管是什么飞行器,它都需要一个功率强劲的引擎,而在超光速飞行器上面,这个引擎就得更不一般,量子滑流引擎又或者是曲数引擎。这些东西连名字都显得那么专业复杂以现有的科技和认识水平来说,想要实现还是很成问题的。按照这些飞行器的最高速度,飞出太阳系仅需数秒而已,更何况距离仅16亿公里的土星而已。然而很有可能我辈是没福享受这样发达的科研成果的。

好莱坞大师为我们传造了一系列让人折服的技术,却又制造了一大批问题来� 我们去疑惑。大多数超光速飞行器只需要一个10秒的倒计时就到达了超过光速的速度,然而对人体却没有伤害,似乎人体的结构强度大大提升。然而普通人体能够承受的过载只有3G而已,航天员在短时间内也只能够承受9~10G的过载,这已经是人体能够承受的极限了。大家都有过这样的经历,当汽车开始加速时会被向后压到座椅上,加速度越快,这个过载就越大。相比之下,航母弹射器在2秒的时间内,将20吨重的飞机加速到300KM的时速,此时飞行员将承受约3G的过载,而在极短的时间内加速到光速,显然远远超过了这个值,恐怕到时人体都成了肉浆了吧。同样,从光速减至普通巡航速度的负过载也是巨大的。另外诸如超光速飞行中的雷达导航问题,航线设定问题,以及可能引发的其他物理变化都是目前难以预料的。

事实上,很多经典的科幻大片 ��选择直接使用外来高等智能生物制造的科技系统来完成他们的超远距离旅行。在《超时空接触》中就看到了人类利用来自遥远的织女星系传来的设计蓝图,制作了一台能连接并利用虫洞,来实现星际传送的机器。或许我们也可以向外来智慧生物要一套设计图。得了吧,也许还该花上26光年向织女星打个电话,然后在等待26光年听这个电话,同时希望他们不要把这个机器的设计蓝图忘记附在了附件里面。当然,或许我们思考的方法有些错误,重要的不是去寻找一个拥有高技术科技的文明,而是要考虑一下是否有能力创造出一个能够连接其他空间的虫洞。当然,这个虫洞理想的出口最好在土星,不过要是能够去欣赏织女星的奇妙也未尝不可?虫洞——这个传奇的理论源于伟大的物理大师爱因斯坦,简单而言,它是连接2点之间的一个"管子",这个" ��子"可以提过超过已知空间中三维体系中的最短距离的途径到达目的地。早期研究认为,虫洞引力过大,会毁灭进入其中的一切东西,但是随着研究的深入,对"负质量"的认识,认为我们可以通过"负质量"来中和虫洞的强力场,从而使我们能够比较安全的进入虫洞。

那么怎么去建立或打开一条虫洞呢?有说法认为应该制造一个黑洞。黑洞是一个具有强大力场的时空,它的引力场使得光线都无法逃走,以致于形成了黑暗的空间,从而得名。黑洞本身的形成是由于大型恒星的引力坍塌造成的。根据史瓦西半径,制造一个直径1厘米的黑洞,就需要地球这样质量的星体的引力坍塌。显而易见,我们无法轰掉自己的星球去到别的星球旅行,也无法证实即使成功制造了一个黑洞,它是否牵连着虫洞,接下来就会产生更多的疑问需要解决。

不� 是史瓦西、爱因斯坦还是霍金,还是广大的天体物理学家,他们对虫洞、黑洞以及相关宇宙学科的认识都还非常的有限,但是他们目前提供的假说和推断,都大大丰富了这些宇宙现象带给我们能够进行星际航行的遐想。当然,想要真正利用这些宇宙力量,我们还需要走很长的路。然而,认识和学习是永远是无尽的。我们无法预计未来的科学发展的深度、广度与速度。有些不可能的也许会变成可能的,只是这些都离我们的时代还太遥远了。

如此多的科幻大师给带来了丰富的星际旅行工具,可是我们都无法享用,看来"土星计划"就要失败了。也许我们太好高骛远了。给织女星打个电话需要26光年(2.46 × 10<14>公里),而到土星只需要16亿公里。相比之下, 16亿公里却是个如此近的距离。也许当前的科技就可以完成这段旅程。

人类有史以来亲历的最远地方,是距离地球大约38万公里的月球,1969年7月20日,阿波罗11号完成了人类的首次登月。实际上,目前的科技条件下,我们有能力将宇航员送往距离比较近的星球,当然土星也应该不在话下。虽然目前尚没有人类在土星登陆,但是在1997年10月15日发射的"卡西尼"号探测器已于2004年7月1日顺利进入土星轨道,开始了土星之旅。其实我们也可以沿着"卡西尼"号的旅程到达土星。

"卡西尼"号探测器经过了约6年8个月的旅程才到达了土星。飞行了约35亿公里的路程。而根据了解,实际的直线距离约为16亿公里,而"卡西尼"号飞行了多于一倍的路程才到达,为什么呢?其实这是目前所有探测器都会遇到的一个问题——燃料。倘若笔直的飞向土星� 我们需要携带大量的燃料,携带大量的燃料又会对飞船、探测器的结构布局造成影响,同时载重火箭的发射吨位也得巨增,从而引发更多的技术问题。当然,"卡西尼"号是无人探测器,它的技术设计,不需要考虑人类的生理心理问题。即便时间长一些,在技术条件有限的情况下也是可以接受的。但是我们的"土星特快"如果在旅程上花上太多的时间,乘客可是会投诉的。也就是说,我们目前需要介绍一个选择,等待技术成熟,发射直接飞往土星的飞船,还是发射飞船,让我们在微重力下,忍受6年8个月的旅程。那么我们有没有一些折中方案呢。

长期呆在太空中,宇航员很容易因为骨质疏松形成骨质脆弱。肌肉组织的密度也会发生变化。引起这些变化的主要原因是太空的微重力环境。因此,要根本的改善这些问题的发生,就必须要在我们的� �船中制造与地球同样的引力。事实上,在我们观看过的绝大多数星际航行的电影中,基本上所有的太空飞船中都产生了重力,遗憾的是,好莱坞的大师们认为在那样的科技体系中制造重力太小儿科了,从来都没有说清楚过怎样去制造重力,哪怕是制造重力的机器我们都没有见过。恒定产生重力,也有一定的负面影响。太空飞船中有数量众多的开关控制器,由于恒定重力,我们无法踩在开关上,也不方面把开卡布置在头顶上。而微重力的条件下,人们随意的转身,操作360*360度空间范围内的控制器。好在有些大师们也遇到了跟我们同样的问题。在《火星任务》中,飞往火星的飞船上,安装了一套旋转系统,以产生离心力。航天员就可以在这种人造重力的环境中生活工作,以便大大减轻了微重力环境的影响。其实,在目前的航天领域早有专家提出了� 装大型离心机的设想,并形成了一定的理论基础,只是目前我们还不能实现它的科技转化。但是未来的发展确实非常有价值的。

考虑到6年8个月的远航时间上实在太长了,这会大大减少飞行的体验和乐趣,有什么办法可以解决呢?那些无法进行超光速的飞船解答了这一问题。《异形》系列中,飞船从一个星球到达另一个星球要经过长时间的飞行,而这种飞行过程对船员来说毫无意义,在此过程中,成员们会进入冷冻舱,进入深度睡眠状态。这个冷冻舱相当于一个使人类冬眠的器皿,不同的是,动物们冬眠是靠减缓机体内的新陈代谢,控制体温,已达到长时间生存,用来度过严寒的冬天。解决人类长时间深度睡眠状态或者说是人类的冬眠却是个很复杂的问题,人类在长时间冬眠状态下会出现肌肉组织会萎缩,患骨质疏松等问题,也会因为尿液� �法排除而中毒。然而我们也许可以在短时间内实现这种状态。植物人长时间沉睡,生活无法自理,但通过外界的护理,他就能一直维持生命。而如果冷冻舱能提供对身体的护理,譬如提供生存必须的营养素,尿管排泄尿液,甚至是自主按摩肌肉,那么我们在一段时间内是可以保持这种深度睡眠状态的。这样就大大减少了航行时间上的不适感觉。实际上飞船进入太空中的大部分时间都是由计算机导航的,并不需要人为控制。当然一定时间的深度睡眠也会对人体生理和心理造成影响,这就得靠更多的研究实验来发现和解决了。

探讨了这么多,可以发现,土星之旅是有可能的。目前的环境下,我们可以发射一艘太空飞船,携带姿态控制和变轨所需要的一定的燃料,携带足够的补给和食物,定期锻炼以克服在制造出大型离心机之前的微重力环境对� 体的影响,用大量的工作学习娱乐用来消磨长时间航程的疲惫或者是多次的短时间休眠状态。然后沿着"卡西尼"号的航程,先飞向金星,利用金星引力飞向太阳,绕太阳一圈之后再次利用金星引力加速,然后依次利用地球、木星的引力加速飞向土星。然后到达目的地,也许那时我们会向瓦利一样轻抚土星环中的奇妙物质,感受这个宇宙的奇妙和伟大。

(为保证读者在阅读上的畅快感,本文发帖时稍有语句上的些许调整,但尽量保持了原风貌。)

文字编辑:小庄

图片出处:edhiker

童亚文

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我所知道的最重要的事 – 肉食

Fri, 22 Jan 2010 10:20:19 +0800

stone meet几天前旅居英国的某姑娘发群组信,说有环保主义团体正试图在她的大学推行饭堂不提供荤菜的"无肉星期一",作为无肉不欢的亚非拉劳动人民,姑娘急切地向我们"冰天雪地裸体跪求"吃肉的好处以便提出异议(依我看这个跪求方式就足够自证了)。大伙看了看附件中人家提出的素食比荤食好的理由,比如能消耗较少的水资源,减少畜牧业的土地占用以及二氧化碳排放量,降低人体对反式脂肪酸的摄入等等,还真找不到可以入手的反驳点,最后只好让那姑娘届时以"个人自由"为名义,螳臂挡车地坐在饭堂门口去啃红烧猪蹄,只求荤香飘四邻,佛闻跳墙来。

但科技的进展有时候就是那么体贴:09年11月《食品科学技术趋势》上的一篇综述"来见识新肉(Meet the new meat, Langelaan et al.)"全面总结了在实验室中通过组织工程学制造人工肉类的技术。文中所指的新肉不是素鸡鸭那种油炸大豆渣或者火腿肠那种死不要脸的染色淀粉块,而是实实在在由肌肉纤维组成的肉。该综述指出,研究者使用家畜的肌卫星细胞作为分裂增殖的"种子",目前已经在实验室里培育出了1.5×0.5厘米大小的小肉片儿——这个面积足以在大学饭堂里将素炒青椒提升到十人份青椒炒肉丝的层次,不容小觑。这种技术若成熟后应用于食品业,制造肉食将不再需要牧场;能大量减排温室气体(你知道专家说全球气候变化有很大部分是因为牛放屁造成的吗?);消除了家畜同类相食的环节,因此将疯牛病的传播降到最低;还能想要什么肉就造出什么肉,只需通过调整数据改变脂肪和肌肉的比例分布和质地,一块安格斯里脊可以渐变成大理石花纹的神户牛� �而且反式脂肪酸都被置换成保护心血管的 Omega 3……这些特点正好让那些素食的理由不再舍我其谁地占有制高点,因此也让肉食爱好者们不必为了爱护地球而只能吃生菜沙拉,到下午三四点就心理饥饿得恨不得反刍一下。

其实组织工程学并不是为广大吃货谋口福的技术,它的概念最初是在1987年被提出来的,根据领域大牛罗伯特兰杰等人的定义,此学科的目的是"融合工程学和生命科学的技术,开发具有生物活性的替代性材料,用于修复、维持或改善组织或器官功能",因此也被称为"再生医学",经过二十多年的发展,目前已经能在体外再造骨骼、骨髓、软骨、皮肤、肌肉和角膜等组织和器官。跟自体移植相比,它不需要剜肉补疮;和外来器官移植相比,它又少有免疫排斥的问题。因此有人乐观地估计,要不了几十年人类就可以像汽车换零件一样,心梗了换个心,肾衰了换个肾,脑残� �……那还是会被自然选择淘汰掉。

将这项技术从医用转到食品业的幕后推手之一是NASA,考虑到太空旅行时食品舱的寸土寸金,他们比肯德基还更渴望6个翅膀的肯德鸡,所以可以理解NASA对这项技术进行支持的热情何来——这人造肉多适合长成牙膏状啊。但离开特殊环境后,人造肉能不能被大众接受?目前的回答是,难说。转基因食物出现这么多年尚未有报道说谁吃成了半人半鸟的雷震子,但不明真相的围观群众依然在纷纷表示对其安全性的犹豫;又或者像去年美国食品与药物管理局(FDA)批准了在市场上出售克隆动物及其后代生产的肉与奶制品,FDA在长达678页的风险评估研究报告中表明没有发现克隆动物食品存在任何风险和害处,但调查显示还是有64%的美国人对于克隆动物感到不舒服,43%的人认为来自克隆动物的食物制品不安全。这种对� 物的谨慎让人类这个物种延续至今,但也让人类险些错失品味螃蟹美味的机会。这种由组织工程学制作出的人造肉食品,就算做得脂肪混杂率、颜色、质地细腻度都可乱真,先天就已经输在纯"不"天然这点上。既然每一步都要人工干预,倘若进行干预的"人"不能使群众信任,那么也不能怪群众去选择不会自身合成三聚氰胺和苏丹红的牛羊。而这些社会问题的解决和群众观念的转变,则不是在实验室里种瓜得豆的科学家们可以凭一已之力操控的了。同时,爱吃肉的也得把握好时光,今年早些时候已经有可以全面模拟五感的虚拟现实原型机面世,这样下去汉堡店卖的该是Matrix里那种描述牛排的字节了吧?

图片出处:百度图片

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