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Science公布:全世界最前沿的125个科学问题

作者:金沙国际官网    发布时间:2019-11-09 10:25     浏览次数 :200

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背景

庆祝SCIENCE创刊125周年之际,该刊杂志社公布了125个最具挑战性的科学问题,发表在7月1日出版的专辑上。在今后1/4个世纪的时间里,人们将致力于研究解决这些问题。这125个问题如下:

人类能“合成生命”吗?人类生命史上是否存在“基因大转移”?合成生命技术已达到什么水平?在深圳举行的第19届国际植物学大会上,德国植物分子生物学家拉尔夫·博克、国家基因库执行主任徐讯、中国科学院上海植物逆境生物学研究中心主任朱健康就这些疑问接受了新华社记者的专访。

在庆祝Science创刊125周年之际,Science公布了125个最具挑战性的科学问题。了解前沿科学研究方向,对你的成长或许有所帮助。简单归纳统计这125个问题,其中涉及生命科学的问题占46%,关系宇宙和地球的问题占16%,与物质科学相关的问题占14%以上,认知科学问题占9%。其余问题分别涉及数学与计算机科学、政治与经济、能源、环境和人口等。在今后1/4个世纪的时间里,人们将致力于研究解决这些问题。其中,前25个被认为是最重要的问题。

2意识的生物学基础是什么?

生命史上存在“基因水平转移”吗?

这125个问题如下:

3为什么人类基因会如此之少?

生物将遗传物质传递给其他生物而非子代,叫作基因水平转移。有研究认为,距今20亿年至10亿年之间,生物之间发生了大量的基因水平转移。

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4遗传变异与人类健康的相关程度如何?

记者:“基因水平转移”有没有发生过?

1、宇宙由什么构成?

6人类寿命到底可以延长多久?

拉尔夫·博克:我认为在进化早期发生过是有可能的。首先,当时绝大多数存在的生物体都由单细胞组成,这些单细胞生物体比多细胞生物体更频繁地参与基因水平转移。第二,那时的细胞有着更原始的结构,其周围的细胞膜和细胞壁很可能没那么坚硬,因此更具渗透性。这意味着来自环境和其他生物体的DNA可以容易被吸收。

2、意识的生物学基础是什么?

7是什么控制着器官再生?

徐讯:随着测序技术的广泛应用及基因组数据的积累,发现不同物种之间,甚至亲缘关系很远的生物之间基因组上有大量同源基因存在。

3、为什么人类基因会如此之少?

8皮肤细胞如何成为神经细胞?

记者:如果“基因水平转移”存在,我们对进化论的理解将产生什么变化?

4、遗传变异与人类健康的相关程度如何?

9单个体细胞怎样成为整株植物?

拉尔夫·博克:这表明基因水平转移和基因组水平转移极大地促进了地球上的早期生命进化,以及更复杂的生命形式的进化。生物的进化可能被大大加速。

5、物理定律能否统一?

10地球内部如何运行?

徐讯:新基因对物种的起源、演化及对环境的适应性有重要作用,而基因水平转移作为物种引入新基因的一条重要途径,打破了亲缘关系的界限,使基因流动变得更为复杂,这也是生物进化的重要机制之一。

6、人类寿命到底可以延长多久?

11地球人类在宇宙中是否独一无二?

朱健康:如果这个转移存在的话,说明生物可以不需要通过自然界的变异循序渐进地进化,在进化过程中可以飞跃。

7、是什么控制着器官再生?

12地球生命在何处产生、如何产生?

记者:基因水平转移能否发生在高等动物之间?

8、皮肤细胞如何成为神经细胞?

13什么决定了物种的多样性?

拉尔夫·博克:高等动物之间的基因水平转移是极为罕见的。原因在于高等动物有生殖细胞,即所谓的生殖系,它们在体内受到很好的保护,因此外源DNA是很难遇到它们的。

9、单个体细胞怎样成为整株植物?

14什么基因的改变造就了独特的人类?

合成生命技术已达到什么水平?

10、地球内部如何运行?

15记忆如何存储和恢复?

记者:合成生命的关键技术是什么?

11、地球人类在宇宙中是否独一无二?

16人类合作行为如何发展?

拉尔夫·博克:合成生命有两个关键的要求:一是对维持生命所需的最低限度的基因和蛋白质有进一步了解;二是拥有能合成大片段DNA并将其组装合成基因组的技术。这就是我们在细菌中合成生命所需的一切。

12、地球生命在何处产生、如何产生?

17怎样从海量生物数据中产生大的可视图片?

徐讯:美国《科学》杂志有研究称,有研究团队使用电脑程序设计和编写了遗传信息,然后通过化学合成的方式将这些遗传信息合成出来,之后放入细胞中替代原来的DNA,并且保证其能继续保持活性。如果这项研究可靠的话,说明合成生命依旧需要基于蓝图,也就是我们对现有生命形式的理解、对基因组的解读,需要测序技术以及大数据分析工具作为支撑。我们目前合成的酵母染色体连人最小染色体的五十分之一都不到,所以如何构建超大DNA并高效地导入受体细胞,是另一个技术关键。

13、什么决定了物种的多样性?

18化学自组织的发展程度如何?

记者:人类现在能对生物体进行多大程度的改造?

14、什么基因的改变造就了独特的人类?

19什么是传统计算的极限?

拉尔夫·博克:我们可以利用基因和基因组水平转移作为工具,来促进植物生物技术和合成生物学的全新应用。我们不仅可以通过横向转移基因,还可以将基因和基因组进行组合,创造新的植物物种。例如,将两个现存物种的基因组合并成一个新的物种。我们希望能在可预见的未来,通过这种方式将这些技术应用到农作物上,产生新一代农作物。

15、记忆如何存储和恢复?

20我们能否有选择地切断某些免疫反应?

朱健康:基因水平转移能不能作为通用工具,现在还只是猜测,但有些东西已经成为重要工具了,如农杆菌侵染植物形成植物瘤,人们通过对其研究发展了植物转基因技术。

16、人类合作行为如何发展?

21量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?

人类能大规模合成生命吗?

17、怎样从海量生物数据中产生大的可视图片?

22能否研制出有效的HIV疫苗?

尽管合成生命仅在萌芽状态,但社会舆论已经开始关注它了。因为它是一柄双刃剑,既可以造福人类,又有可能因失控而打开“潘多拉魔盒”。

18、化学自组织的发展程度如何?

23温室效应会使地球温度达到多高?

记者:人类能大规模合成生命吗?

19、什么是传统计算的极限?

24什么时间用什么能源可以替代石油?

拉尔夫·博克:我认为,未来几年会有大量合成细菌基因组的制造,以及它们在细胞中的功能测试,相关技术将很快在许多实验室中成为常态,但由于基因和基因表达的复杂性,完全合成的植物或动物将十分困难。

20、我们能否有选择地切断某些免疫反应?

25地球到底能负担多少人口?

朱健康:从严格意义上来说,现在所谓的生命合成并没有真正合成一个细胞。人类对于生命体的理解还不够,现在只能合成最简单的细菌基因组,甚至真菌的部分染色体。对于工业用的细菌、酵母,比如生产抗生素的菌株,有可能大量合成。要合成一个高等生物,我认为100年内很难实现。

21、量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?

27是什么驱动宇宙膨胀?

徐讯:对于整个学术界而言,基因组设计合成研究必将颠覆生命科学的研究模式,并提升人类对生命过程的理解,加深人类对生命本质的认识,尤其是通过基因组合成研究检验我们当前对基因组的所有认识,并将进一步加强我们对生命过程的调节和控制能力。

22、能否研制出有效的HIV疫苗?

28第一颗恒星与星系何时产生、怎样产生?

23、温室效应会使地球温度达到多高?

29超高能宇宙射线来自何处?

24、什么时间用什么能源可以替代石油?

30是什么给类星体提供动力?

25、地球到底能负担多少人口?

31黑洞的本质是什么?

26、宇宙是否唯一?

32正物质为何多于反物质?

27、是什么驱动宇宙膨胀?

34重力的本质是什么?

28、第一颗恒星与星系何时产生、怎样产生?

35时间为何不同于其他维度?

29、超高能宇宙射线来自何处?

36是否存在比夸克更小的基本粒子?

30、是什么给类星体提供动力?

37中微子是其自己的反粒子吗?

31、黑洞的本质是什么?

38是否有解释所有相关电子系统的统一理论?

32、正物质为何多于反物质?

39人类能够制造最强的激光吗?

33、质子会衰变吗?

40能否制造完美的光学透镜?

34、重力的本质是什么?

41是否可能制造出室温下的磁性半导体?

35、时间为何不同于其他维度?

42什么是高温超导性之后的成对机制?

36、是否存在比夸克更小的基本粒子?

43能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?

37、中微子是其自己的反粒子吗?

44是否存在稳定的高原子量元素?

38、是否有解释所有相关电子系统的统一理论?

45固体中是否有超流动性?如果有,如何解释?

39、人类能够制造最强的激光吗?

47玻璃态物质的本质是什么?

40、能否制造完美的光学透镜?

48是否存在合理化学合成的极限?

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