科学，探索自然奥秘

夏汝函（本刊记者）

科研是我们探索自然奥秘、认识自然界的手段。最近，神舟八号飞船与天宫一号顺利完成对接，这对中国探索太空，进行空间科学试验意义非凡。通过科学研究，我们可以了解到地球内核的结构、成分以及形成历史，解读超冷水是如何形成冰的发现，大脑调控内部分辨率的关键机制，解密宇宙中的大分子谜团，对二叠纪末生物大灭绝的时间重新卡定等等。好奇心是人类探索自然界的重要动力，正因为对自然界的种种现象充满了好奇，科学研究才可以不断深入，更多自然的奥秘才能被揭示出来。

顺利完成交会对接，神舟八号飞船返回地球

2011年11月3日凌晨，距地球343 km的太空中，神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器处于一条直线上，相距5 km。1时35分58秒，神舟八号追上以7.8 km／s秒高速飞行的天宫一号，两个飞行器开始携手遨游太空。这是中国载人航天工程完成的首次空间交会对接试验。在绕地球飞行了近两周后，神舟八号与天宫一号在14日顺利完成了第一次太空分离、第二次太空交会对接任务。17日圆满完成对接任务的神舟八号飞船返回地球，天宫一号将留在太空继续完成后续的任务。

中国首次空间交会对接任务圆满完成，天宫一号和神舟八号对接机构立下了汗马功劳。中国从1994年开始启动对接机构的预研工作，从第一台原理样机的制造，到10项关键技术的攻关，再到基地靶场试验成功，17年漫漫研发路，凝聚了航天人的心血和磨砺。中国自主研制的“导向板内翻式的异体同构周边式”对接机构和地面试验系统，共向国家申请了45项专利。对接机构的研制过程中，科研人员突破了对接动力学仿真、捕获锁、对接锁等一批关键技术，创造性地建立了一套完整的、世界一流的对接机构地面试验系统，实现了零重力、高低温、真空等空间环境条件下的捕获、缓冲和分离试验验证，确保了空间交会对接任务的成功。我刊本期的特约专稿栏目刊登了由郑永煌研究员撰写的、介绍空间交会对接的文章。

首次交会对接任务完美收官，后续工作正紧张开展，飞船系统、运载火箭系统的数据、飞行状况等都在仔细评估。根据计划，中国初定于2012年发射神舟九号和神舟十号飞船，具体发射时间将综合考虑评估结果、整个工程的具体规划而定，神舟九号飞船是否载人，也将依此确定。作为天宫一号的备份，天宫二号目前正在进行测试，以做好随时启用的准备。

地核研究

地球由于不同的化学成分与地震性质被分为不同的岩层，地核处于地球的最深一层。地核的总质量占整个地球质量的31.5%，体积占整个地球的16.2%，地核的体积比太阳系中的火星还要大。由于地核深居地球内部，即使在实验室里也很难模拟，所以关于内核的物质构成，地核物质形态以及地核形成时间等，学术界有不少争议。但有一点科学家是深信不疑的：地球内部是一个极不平静的世界，地球内部的各种物质始终处于不停息的运动之中。

地核是由什么构成的？

最新的研究标明氧在地核中所占百分比并没有之前科学家们认为的那么多，这一成果发表在2011年11月24日出版的Nature杂志上［1］。有关地核化学构成的激烈争论已经持续了近60年，而弄清地核所含物质有助于更好地了解地球在45亿年前是如何凝聚而成的。

在追踪地震波如何穿越地球内部的实验中，地球物理学家们发现，地核由两层构成：固态的内核和液态的外核。两者主要由铁和少许的镍构成，但外核大约有10%是由其他物质构成，即硫、氧、硅、碳和氢等“轻”元素。一些研究人员认为，氧一定是这些轻元素中含量最多的，而另一些科学家倾向于硫。

为了解决这个问题，这项研究做了两个主要成分为铁的样本。按重量计算，一个样本含有8%的氧和2%的硫，另一个样本含有2.2%的氧和5.3%的硫。随后，研究人员利用高压设备使冲击波穿过样本，令样本瞬间处于地球深处那种高压高温环境下。按照样本物质的密度以及声波穿越样本的速度来衡量，含2.2%的氧的样本与在地球深处观察到的特性更为吻合。进一步计算表明，外核仅含0.5%的氧也许更加接近现实情况。这项研究认为，地核含有8%的硅、2%的硫和0.5%的氧。不过，8%的硅含量可能太高，无法解释地核的其他特性，如内核和外核的密度差异，因此还需要进一步研究。

地核物质形态是怎样的？

依据模拟实验结果，日本东京工业大学和海洋研究开发机构的科研人员提出地球内部的外核部分并非均一构造，而是两种晶体构造不同的液态铁以地下约4000km为界分别进行对流。他们认为，这一假说有助于研究地核物质和地球磁极移动等现象［2］。

地球由表及里分为地壳、地幔、外地核、内地核等部分，外地核位于地下深2900～5100km处，它由液态铁等物质构成，而现在普遍认为，液态铁对流造就了地球磁场。研究人员在实验装置内模拟外地核的高温高压状态，并分析随温度和压力变化的液态铁晶体构造。当压力超过240万个大气压，温度超过3700℃时，铁的晶体构造会发生改变。这个压力和温度刚好相当于地下约4000km处的环境，这一深度正好位于外地核中心区域附近。

根据上述结果，研究者又用计算机模拟了液态铁在外地核内的运动。他们发现两种晶体构造不同的铁，以外地核中心区域附近为界，分别对流。而此前很多研究者认为外地核内部是均一构造。这一发现不仅有助于探索地核，而且能为研究地球磁极移动提供线索。

外地核中两层结构的对流可能会因为温度和压力差变得不稳定，其构造或许会周期性地失去平衡，甚至导致地球磁极发生重大移动。这种移动的时间间隔没有明显规律，也未发现会对动植物生存造成不良影响。

地球内核是在什么时候形成的？

美国研究人员通过对地球上最古老的岩石进行研究后发现，地球的内核实际上可能比以前认为的至少要老12亿年以上，这一发现对整个地球科学界产生了重大影响。此项研究报告发表在最新一期的《地球和行星内部物理学》（Physics of the Earth and Planetary Interiors）期刊上［3］。

斯米尔诺夫利用古地磁数据进行此项研究，测量地球上最古老的岩石的磁场。通过对世界各地的岩石的抽样调查，能够估算出地球内核的年龄，其中还涉及到板块构造的开始：在板块俯冲过程中，一个板块俯冲到另一块的下面，下沉到地球的核心，当这个“冷”俯冲板块首次到达液体核边界，于是开始形成固态的内核。研究表明，这一地球动力学过程，也极大地改变了地球的磁场，发生这些变化的时间比以前认为的要长。

考虑到大陆随着时间的推移发生了漂移活动，下一步研究人员将去印度收集更多的数据，通过研究古老岩石的形成，可以测量从1.95亿年前到500万年前的地球磁场的差异，以及22亿年前至10亿年前、30亿年前至22亿年前的磁场差异。

水是怎样形成冰的？

水的各种异常性质让科学家困惑了几十年，人们也提出很多假设来解释它们的起源。其中的一个谜题是，是什么决定水在结冰之前可以被冷到的最低温度这样一个问题。2011年11月24日刊登在Nature杂志上的一篇题为“超冷水结构转变控制冰的结晶率”的论文［4］，对这一谜题进行了解答。

水可以在远低于零度的情况下以液体形式存在，尤其是在所谓的“超冷水”状态下。原因是，如果让液态水结冰，需要一个冰核，其他结晶围绕冰核凝结。但是在非常纯净的水中，没有可以围绕形成冰晶的污染物或微粒，由于水独特的热力学，结晶难以实现。之前已知超冷水的可达到的最低温度为－41℃，但这并非最终的结论。低温时水结晶的速度太快了，无法准确测量没有结晶的液体的特性，而模拟工作就在电脑上所花的计算时间来说通常成本又太高。美国犹他大学的化学家Emily Moore和Valeria Molinero利用一个允许进行严格计算的简单水模型发现，超冷液态水中“四配位”分子所占比例控制冰的形成速度和机制。该结构变化还导致结晶速度在225 K时出现一个峰值；在这个温度以下，冰核的形成速度快于液态水的平衡速度。

水一定会结冰的温度是－48℃。当水接近这一温度时，它就变得密度不那么大，开始变得更容易压缩，其结构开始改变。结果，每1个水分子松散地与另外4个水分子相连，形成了金字塔形状。研究人员称之为“中间冰”，即快要结冰还没有完全凝结成冰的状态。

这一发现可解释所观察到的热力学异常，也可解释为什么均匀的冰成核速度取决于水的热力学。超冷水凝结温度是云形成的重要因素，这一成果对于预测全球气候至关重要。

研究发现大脑调控内部分辨率关键机制

2011年11月27日Cell杂志发表了挪威科技大学等单位的研究人员的论文：“网格细胞利用HCN1通道进行空间缩放”［5］。该成果报道了大脑中调控内部分辨率的一个关键机制，这种机制就像是大脑中变焦按钮，帮助我们处理空间分辨率，辨别方向。

之前的研究发现小鼠的脑中负责辨认方向的细胞位于海马体中。这些细胞共有三种类型，分别为：方向辨识细胞（head direction cells）、空间辨识细胞（place cells）和定位细胞（grid cells）。这三类细胞有各自不同的任务——方向辨识细胞就像是指南针，它用于指挥行进方向，发育最早，因此在小鼠睁开眼睛时就可帮助它辨认方向；空间辨识细胞负责记忆某个地方的周围环境，它发育得相对较晚；而定位细胞成熟最晚，它是一种相对复杂的空间协调系统，用于确定所处环境的具体位置及距离某个地点的远近。因此，每当小鼠到达一个新的陌生环境中，以上3种细胞会协同发生作用，最终在脑中产生一个“心理地图”。当下次再到这里时，便可使用这个“心理地图”来判断方位。

每个人都能完成空间上的放大或者缩小，但是其中的机制人们并不了解，研究人员发现HCN离子通道在这其中扮演了重要角色。HCN是对超极化激活环核苷酸门控的超极化阳离子通道（hyperpolarization－activated cyclic nucleotide gated cation－channel，HCN），在中枢神经系统中发挥着重要作用，它们能介导细胞内部和外部的信号。

在这篇文章中，研究人员报道了他们通过小鼠的基因敲除实验，改变小鼠大脑中网格细胞中的HCN1离子通道，结果发现，敲除了 HCN1离子通道，天然坐标系统的比例就会增大，这就像是失去了地图上的纬度和经度线一样，小鼠就不能精确定位空间位置了。在正常大脑中，HCN1离子通道正常工作，大脑能产生所需的精确分辨率；但是如果离子通道不能正常工作了，那么地图就无法获得正确的分辨率了。这项研究对于进一步深入分析阿兹海默症（即老年痴呆症）及相关疾病具有重要意义。

解密宇宙中有机大分子谜团

在银河系内部和宇宙其他区域都探测到一些无法识别的红外线辐射，天文学家们干脆称它们为“不明红外辐射”（UIE）。这种红外辐射必定来自分子的振动，即大分子内部原子间的相对振动，它们会吸收特定波长的光波，随后以红外线的形式再次辐射出去。每种分子的振动都有着自己独一无二的特征，这也使得科学家们可以通过光谱来识别出相应的分子。但是“不明红外辐射”显示的这种信号太过复杂，似乎是一大群信号混杂在一起。天文学家们便开始猜测产生这种复杂信号的分子究竟会是什么？最近他们开始怀疑这可能是由一种多环芳香族碳氢化合物（PAHs）产生的。这是碳原子构成的环状结构并和氢原子相结合形成的复杂构造，在烤焦的肉类中就存在这种物质，这是一种致癌物。

在年轻恒星的周围可以形成相对简单的分子，而稍复杂的分子也可以稍后在相对更加低温的环境中形成。科学家曾经在彗星和行星上探测到相对复杂的含碳分子，这些分子结构应当是在太阳系内其他区域形成的。但是根据最新一篇发表在Nature杂志上的论文，宇宙光谱中一部分“无法识别的红外辐射”可能实际上来自年轻恒星周遭形成的大型分子。科学家们还认为这样的分子有可能在地球形成早期曾经被带到地球上［6］。

香港大学的研究人员借助美国宇航局Spitzer空间望远镜对新生恒星发出的光进行了研究，并将其与两颗新星的光进行比对，新星是白矮星爆炸产生的亮度骤增现象。随后他们开始构建一个假象的分子模型，并结合实测数据不断更改其结构和组成，直到模拟显示其振动特征和实测数据达到最佳吻合为止。模拟的结果显示，这种信号的产生并非来自单纯的多环芳香族碳氢化合物，而是一种和多环芳香族碳氢化合物非常类似的环状芳香族结构，并含有扭结的脂肪链成分。这一点暗示了太阳系中可能包含有恒星际有机物的残余。

年轻恒星在“重新播种”这些有机分子过程中所起的作用非常复杂，但是可以肯定它们确实在星际介质有机质扩散过程中起到作用，这就意味着它们在生命形成方面可能起到了作用。

二叠纪末生物大灭绝研究取得重要进展

2011年11月17日，Science杂志在线发表了中国科学院南京地质古生物研究所沈树忠研究员领衔、由中外科学家组成的研究团队完成的关于二叠纪末生物大灭绝的论文：“卡定二叠纪末生物大灭绝的时间”。该成果确定二叠纪末生物大灭绝发生在距今2.52亿年前，并在20万年这样极其短暂的地质时间内，快速地造成了地球海、陆生态系统的全面崩溃［7］。

自地球上出现生物以来，发生过多次重大生物灭绝事件，而发生在二叠纪末期的生物大灭绝，是其中最为严重的一次，造成了约95%海洋生物和75%陆地生物物种的灭绝，并使地球进入了一个长达500万年以上的生命“萧条”期。长期以来，这一灭绝事件的发生及持续时间难以精确卡定，其成因和模式也一直是迷。

研究者历经近10年对华南和西藏等地数十条二叠—三叠系界线剖面进行了精细研究，首次建立广泛区域内一致的突发式综合生物大灭绝模式。研究通过建立古生物化石系列和对火山灰年龄的高精度测定等手段，最终确定二叠纪末这次地质历史时期最大生物灭绝事件发生在2.52亿年前，历经时间不超过20万年。这一灭绝速度远远快于前人已有报道。

当时位于赤道地区的以大羽羊齿为代表的热带雨林植物群，在二叠纪末与海洋生物同时遭到快速毁灭性打击，为海、陆生态系统的同时崩溃提供了直接依据。这和之前普遍认为的海洋生物灭绝快于陆地生物的理论不同。

研究还表明，二叠纪末生物大灭绝是岩浆、火山、气候共同作用。二叠纪末由于大规模地下岩浆活动造成地表甲烷释放以及火山喷发等的共同作用，使得当时大气CO2浓度快速增加，温室效应加剧，海水缺氧，从而导致海洋生物大量灭绝。同时，全球气候快速变暖并干旱化，造成全球范围内大规模森林野火事件频繁发生，使得森林快速消亡。森林的破坏又造成地表风化加剧，地表土壤系统快速崩溃。

这是迄今为止有关二叠纪末生物大灭绝事件的研究中时间精度最高、研究手段最为综合的原创性科研成果，使人类对这个地质历史时期最大的生物灭绝事件有了更为精确的认识。

高致病性禽流感病毒菌株的制造引发争议

据英国Daily Mail网站在线报道，一个科研小组的研究论文日前引发了巨大争议，据悉他们在实验室中创造了一种人工合成的高致病性禽流感病毒，这是非常危险的，甚至能够一次让数百万人死于非命［8］。

这种致命的病毒是在高致病性的H5N1禽流感病毒毒株基础上通过基因工程技术制成的，其致病性大大增强，并且可以轻易在数以百万计的人群之间快速传播。有关这项研究的消息一经泄露立即引发轩然大波，科学界分歧严重，很多科学家指出这是绝对不能被允许的。

目前人类中间发现的H5N1病毒传染力不是很强，至今一共造成大约500人死亡，其致病性尚不足以引发全球范围内的疫情。但是这项新的研究中制造的高致病性毒株完全不同，人们很担心一旦这些毒株落入恶人之手，将可能会被用于制造生物武器。

荷兰伊拉兹马斯医学中心病毒学家荣·费奇（Ron Fouchier）领导的一个科研小组发现只要对现有禽流感毒株进行大约5处改造，便能让其传染力大大增强。这项研究本身是一项国际合作研究计划的一部分，其目的是彻底弄清禽流感病毒H5N1的致病机制。费奇承认这种病毒是“你所能制造的最危险的病毒之一”，但是与此同时他也执意要继续研究并发表论文描述整个制造过程。

这项研究是两项引发严重争议的研究工作之一，这些研究让人们对于科学研究自由，以及对于那些出于改善人类社会，但是同时也存在被生物恐怖主义利用风险的研究的监管工作产生严重分歧。引发争议的另一项研究也是有关H5N1禽流感病毒的，这项研究是一项国际研究项目，由美国威斯康星大学和日本东京大学共同进行。其研究结果和荷兰的费奇小组几乎同出一辙。目前这两份论文报告都正在接受美国国家生物安全科学咨询委员会（NSABB）的审查。

尽管NSABB本身并没有权力阻止这些论文的发表，但是它可以要求各专业期刊拒绝其发表申请。一般情况下，所有的研究工作都会公开发表，这样有利于进行科学交流，同行们会阅读他人发表的论文并重复他们的工作以便从中学习。但是这一次的情况有些不同，许多科学家呼吁应当阻止这种有关禽流感的论文被公开发表。然而也有持保留意见的人士，认为这项研究对于医学领域具有重要价值。

探索禽流感病毒的致病机制实属科学研究的正常范畴，也有益于维护人类健康，但创造出致病性如此强的病毒实在让人忧虑。数千年来，人类与致病微生物的战争从来就没有停止过，人工制造出来一个“最危险的对手”，其负面效果恐怕会远大于正面意义。作者发表论文详细描述对病毒的整个改造过程更是会引发一些潜在的危险。科学探索固然重要，科学家的社会责任感更是需要谨记于心的。

（2011年11月30日收到）

［1］HUANG H J，FEI Y W，CAI L C，et al.Evidence for an oxygen－depleted liquid outer core of the Earth［J］.Nature，2011，479：513－516.doi：10.1038／nature10621.

［2］OZAWA H，TAKAHASHI F，HIROSE K，et al.Phase transition of FeO and stratification in Earth’s outer core［J］.Science，2011，334：792－794.doi：10.1126／science.1208265.

［3］SMIRNOV A V，Tarduno J A，Evans D A D.Evolving core conditions ca.2 billion years ago detected by paleosecular variation［J］.Physics of the Earth and Planetary Interiors，2011，187（3－4）：225－231.

［4］MOORE E B，MOLINERO V.Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice［J］.Nature，2011，479：506－508.doi：10.1038／nature10586.

［5］GIOCOMO L M，HUSSAINI S A，ZHENG F，et al.Grid cells use HCN1 channels for spatial scaling［J］.Cell，2011，147（5）：1159－1170.

［6］KWOK S，ZHANG Y.Mixed aromaticaliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features［J］.Nature，2011，479：80－83.doi：10.1038／nature10542.

［7］SHEN Shu－zhong，Crowley J L，WANG Yue，et al.Calibrating the end－Permian mass extinction［J］.Science，2011.doi：10.1126／science.1213454.

［8］WAUGH R.Scientists mutate bird flu to make it MORE contagious－but critics claim the“bioweapon”must be kept secret［EB／OL］.［2011－11－18］http：／／www.dailymail.co.uk／sciencetech／article－ 2063326／Scientists－mutate－bird－flu－make－MORE－contagious－critics－claim－bioweapon－kept－secret.html＃ixzz1f0CG6N6m.