有望改变世界的十大科研项目
今天科学家们的想法和实验室将塑造明天的世界。英国《焦点》杂志夏季号刊登保罗•帕森斯博士的一篇文章，题为《十个改变世界的实验将决定未来》。文章梳理了最新的研究，找出10个可能对人类将来几十年的生活产生最大影响的研究项目。这些实验有些已经启动且在进行之中。有的尚在筹备阶段，但很有可能付诸实施。
10.将智能药物植入人体
研究单位：美国加州美航天局艾姆斯研究中心太空生物科学部 状态：正在进行 费用：未透露
设想有一种智能胶囊，可以植入你的体内，一旦发现身体出现问题，就会马上释放治疗药物。针对需要不间断但无需定时用药的疾病，比如糖尿病，这种胶囊可以挽救无数患者的生命。加州美国航天局艾姆斯研究中心的研究人员已经研制出这样一种胶囊。他们利用碳纳米管制造出一种可以植入航天员皮肤下的微型胶囊。
其设想是，这种胶囊含有生物细胞，能够对各种威胁，比如辐射量增大（或许是太阳耀斑造成的），作出反应，释放出有助于身体抵抗能力的药物。这种细胞将是人为设计的，很可能是转基因的，对于某种刺激素，会释放药物。
至于辐射防护，可以让这种细胞分泌“粒细胞集落刺激因子”——这种药物已用于接受放射治疗的癌症患者。用碳纳米管制造这种胶囊使之变成一个多孔结构，让里面的细胞健康生长，同时让它们分泌的化学物质能够释放出去。艾姆斯研究中心生物胶囊的设计者戴维•洛夫特斯博士说：“胶囊内的细胞分泌治疗分子，这些药剂穿过胶囊壁扩散，脱离胶囊。”不久这种胶囊将开始动物试验，之后不久将进行人体试验。如获得成功，生物胶囊在这个十年内将用于国际空间站。
随后可能在地球上应用。比如，在胶囊中装入胰岛细胞使之能够分泌胰岛素来应对血糖升高，为糖尿病人提供自动治疗系统。
9.制造从地球大气层抽吸二氧化碳的机器
研究单位：加拿大卡尔加里碳工程公司 状态：2011年11月完成初步试验。正在研究中。 费用：目前承诺投入大约600万美元
全球变暖主要是二氧化碳气体造成的，工业和交通运输系统排放出二氧化碳气体，使来自太阳的热量无法散发出去。加拿大的碳工程公司希望通过化学方法从大气层抽吸有害的二氧化碳来改变气候。它正在制造一种设备，能够吸入空气，然后使之通过氢氧化物溶液，将二氧化碳淀析为固体碳酸盐余渣。最后将这种余渣埋入地下（这是一种所谓的隔离过程）或用于其他工业用途。该公司的资金来自比尔•盖茨和加拿大商人默里•爱德华兹提供的投资资本。去年，碳工程公司完成了初步试验，一个实验系统经过500个小时成功提取了碳。今年夏天公司计划用这套系统进行另一个试验，目标是运行数千小时。工程师们希望第二次试验会提供更多的信息，比如这种系统对不同天气状况会有何反应。
该公司希望2013年能够上一个商业试验计划。每一套成品设备——预计就像核电站庞大的冷却塔——可望每年从大气层提取100万吨二氧化碳。人类每年排放大约300亿二氧化碳，因此需要3万个这种设备才能全部抵消人类的影响。
8.开发实用超导体
研究单位：澳大利亚悉尼大学和设在美国科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究所 状态：初步结果发表在2012年4月的《自然》杂志上。研究在进行中。费用：未透露
超导体可能决定着电力配送和存储的未来。这种材料的电阻为零——超导线圈中的电流将永远循环往复下去。超导体可用来制造无损耗电缆和电池供电力网使用，并可广泛应用于节能用途。不过有一个问题。人们今天知道的所有超导体只在非常低的温度（低于零下163摄氏度）下才工作。因此必须对其进行有效冷却，这样一来又抹杀了潜在的节约。
寻找较高温度下发挥超导作用的材料的竞赛正在进行中。不过，这是一个困在量子物理学中的问题，而量子物理学是描述亚原子粒子状态的复杂规律的。用普通计算机解决这个问题太难了。不过，悉尼大学和美国国家标准与技术研究所的研究人员们已经取得了重大突破，他们开发出了一种“量子模拟器”——借助这种计算设备，研究人员可以设计和进行模拟量子之间的相互作用，从而轻而易举得到其相互作用的结果。如果那些相互作用是精心选择的，使之能够代表超导体内发生的相互作用，那么这个设备就变成了能够解决这一问题的计算机。
悉尼大学从事这项研究的迈克尔•比尔库克说：“在我们的实验中，我们研制出一种容易控制的系统，其动力学符合量子物理学规律。因此，我们能够模拟自然发生的量子系统的状态。”
在今年4月份的《自然》杂志上发表的研究报告中，这个研究小组介绍了他们的设备，包括在晶体点阵中放置金属铍离子。他们现在正在研究如何配置离子进行实验，模拟各种材料内部，包括超导体内部的变化过程。
7.创建粒子物理学模型
研究单位：国际直线对撞机，地点待定 状态：正在进行项目方案提交前的研究与设计工作 费用：100亿美元
粒子物理学的标准模型是当前理解物质亚原子粒子行为的最好理论框架，它将所有主要的粒子家族及其相互作用都放在一个纯粹的体系内。然而，实验证明，标准模型无法解释极端高能现象，比如引力以及宇宙在加速膨胀这样一个事实。
创建一个可用物理学来解释、适用于所有现象的模型是一个重大突破——可与相对论或量子理论的提出相提并论。这一模型必然会在现实世界有重要应有，不过在知道细节前，很难猜测到底有什么实用价值。比如，量子理论对于激光、微电子技术、超精密钟表和无法破解的密码等至关重要——但在这种理论提出前，这些几乎都是无法想象的。
因此，现实与标准模型的预测到底偏离多少呢？人们可能期待用大型强子对撞机——位于瑞士和法国边境、受到大肆吹捧的庞大粒子对撞机——进行的实验能够给出答案。毕竟，它是高能运转的。不过大型强子对撞机撞击的粒子类型比较好的一个选择是撞击电子和正电子，因为这种撞击要纯粹得多，更容易对这种基础物理学吹毛求疵。
加州理工学院的巴里•巴里什教授解释说：“电子—正电子的湮灭使我们能够在受到一种受到更大控制的环境下提出问题。我们在每次撞击时确定和改变能量，研究更简单的末态。”
问题是无法通过大型强子对撞机发送电子和正电子，因为它们会沿着其环形轨道发射掉全部能源———即所谓的同步加速辐射。解决办法是利用所谓的“直线加速器”，使之在直线上加速。这是巴里什教授参与国际直线对撞机项目的原因，该项目就是要制造世界上最强大的直线加速器。
国际未来加速器委员会仍在起草建造这种长达50公里加速器的初步计划，定于今年底完成设计。项目的地点尚未决定，不过研究小组正考虑在日本、美国、瑞士和俄罗斯选址。假使必要的资金就绪，国际直线对撞机可能在10年内投入运行。
6.在培养皿中培育早老性痴呆病
研究单位：加州大学圣迭戈分校医学院和英国剑桥大学 状态：正在进行中 费用：英国的研究经费为100万英镑，美国的研究经费没有透露
全世界有超过2600万人罹患早老性痴呆病——超过澳大利亚的总人口。仅英国，就有80万患者。而且这些数字到2050年估计将增加一倍多。这种疾病的特点是丧失记忆力和认知功能，其根源仍然不得而知。现在没有治愈办法，姑息疗法也很少。
问题是，不能对活着的患者进行感染脑细胞取样用于研究。与此同时，动物样本的用途有限，因为人类是已知罹患这种疾病的唯一物种。这就是英国剑桥和美国加州两所大学的研究人员分别进行的工作可能非常重要的原因所在。
他们在实验室培养脑细胞已经获得成功，然后观察到这些细胞染上早老性痴呆病。对于该病是如何形成的，这提供了一些有意义的线索——小的细胞反常现象逐渐累积的结果。
研究小组首先从已知易得这种疾病的患者身上取皮肤细胞。他们从中获得干细胞——可以长成其他类型细胞的细胞。然后诱使其长成脑细胞。剑桥研究小组的里克•利夫西博士说：“通过在实验室培养这种疾病，我们可以实时研究它是如何产生和演变的。这可以让我们搞清楚如何开发新药来对付它。”
在实验室的细胞集落上试用候选药物是当前的首要任务。利夫西说：“我们乐观地认为，在三五年内，我们将会开发出在患者身上进行试验的药物。”
5.发现地外生命
研究单位：美国航天局领导的新世界任务 状态：已提出方案。可能在21世纪二三十年代做好飞行准备 费用：7.5亿到30亿美元，视具体的设计而定。
自1995年发现围绕一颗类似太阳的恒星运转的第一颗行星以来，已经发现了760颗这样的外行星。随着已知行星数量的增加，人们认识到，如果有可能发现一颗与地球十分相似的行星，那将是一个很有希望找到生命的世界。不过有一个问题——除了最近的恒星，以地球与太阳这样的距离环绕恒星运转的行星可能被埋没在母星的光辉中。
科罗拉多大学的天体物理学教授韦伯斯特•卡什提出了一个“遮星伞”方案，这种航天器可以盘旋在太空望远镜的前面，挡住那颗恒星的光芒，使望远镜敏感的装置能够观测到可能存在的任何行星。重要的是，这将提供可能，对来自这些行星的光线进行光谱学研究，从而让天文学家推断出其化学组成。
卡什说：“这将告诉我们（那些行星）是否存在大气层及其成分是什么。还可能查明大气层中有没有水汽，而有水汽可能表明存在海洋。关键的生物标记是氧气——在地球上，这只存在大气层中，来自植物持续不断的补充。”
发现地外生命将表明生命是较为常见的，这对于关于生物如何第一次出现在地球上的理论是一个重要信息。更不用说会让我们的视野发生彻底转变。卡什说：“可以确切知道，即使简单的微生物在宇宙中常见，都会改变我们观察夜空的方式。”
遮星伞可以置于现有的太空望远镜前，或作为独立飞行的一部分。前一种方案预计将耗资7.5亿美元，而后一种方案的耗资将多出很多。
4.开发单级入轨太空飞机
研究单位：英国牛津喷气发动机公司的“云霄塔”项目/“佩刀”发动机 状态：论证关键技术的计划接近完成。即将开始制造第一台飞行发动机，它将给示范样机提供动力。费用：30亿英镑
从地球的表面到达环地轨道是一个巨大的挑战。这意味着速度要达到音速的25倍。过去，需要庞大的多级火箭，而这种一次性发射的庞然大物必须携带大量燃料，一旦爆炸，其威力堪比一枚核武器。除了危险大，耗资也大——被推入轨道的有效载荷每公斤耗资数万美元。
这种情况可能会发生变化，因为在风景如画的英国牛津郡乡间，有一个科技园正在进行一项研究。一家喷气发动机公司正在开发可完全重复使用的航天器，能够从跑道上起飞，然后飞向轨道，不需要额外的发动机或外挂油箱——一种单级入轨太空飞机。这可能使进入近地轨道的费用大降50%。“云霄塔”的核心是全新的“佩刀”——协和吸气式火箭发动机。燃烧需要氧气。传统火箭的液态氢燃烧很快，因此需要携带沉重的液态氧。然而，“佩刀”发动机从空气中提取它所需要的氧气。它利用一种全新的冷却系统，将吸入的温度高达1000摄氏度的空气降到零下140摄氏度，加以压缩，大大提高氧气的密度。这样直到到达28千米的高空，由液态氧接替。
设计者们希望发射质量降低能够让“云霄塔”将最多15吨的有效载荷单级送入轨道。该公司预期这种无人航天器在21世纪20年代初可投入使用。
3.给小麦增压提高产量
研究单位：小麦研究中心，隶属墨西哥国际玉米和小麦改良中心 状态：部分资金到位 费用：十年内每年耗资估计1000万美元，第二阶段耗资近似或少些，取决于进展情况。
养活世界70亿人口需要面积相当于南美洲那么大的农田。鉴于到2050年世界人口可望再增加26亿人，科学家们迫切想要找到粮食高产的办法。
小麦研究中心的专家们认为，防范这一潜在危机的一个办法是给小麦“增压”——对这种作物的生化机能进行微调，以大幅度提高其产量。他们的目标是在今后25年内，将小麦产量提高50%。可怎么做呢？
对他们计划最为关键的是，提高光合作用的效率，目前光合作用是薄弱环节，光合作用是植物从大气层中吸收水分、阳光和二氧化碳，利用它们制造出糖类食品和氧气。
小麦研究中心的小麦生理学家马修•雷诺兹说：“我们主要致力于提高光合作用的主酶Rubisco（二磷酸核酮糖羧化酶），这种酶效率很低——或许因为它是在地球大气层中二氧化碳和氧气含量相差很大的时候释放出来的。”
该计划旨在提高光合作用产生能量的能力，利用基因修改与传统的异花传粉相结合——以及开发生物机制，将大气层中的二氧化碳进行浓缩，使这个过程有额外的原料可以利用。
这个研究项目正在寻求充足的资金支持，不过在小麦研究中心位于墨西哥索诺拉沙漠中的野外研究基地，已经开始进行一些试验。
2.开发安全、充足的核能源
研究单位：法国国际热核实验反应堆 状态：正在建设中——拟于2020年启用 费用：130亿欧元
1956年，英国启用位于坎布里亚郡考尔德豪尔的世界第一座核电站。核能被誉为未来的充裕能源。然而，此后，三英里岛、切尔诺贝利和福山核电站发生的事故表明，利用这种能源是有代价的。
拟于今后十年内开始的一项实验可能改变这种状况，使人们拥有一种安全而且可以使用数千年的核能源。这个研究项目称为国际热核实验反应堆。
今天所有的商用反应堆都是利用核裂变，在这个过程中，铀原子核受到中子撞击，致其分裂，释放出能量——以及更多的中子，然后重复这一过程，引发连锁反应。这个过程不是最理想的：必须开采和处理铀燃料，连锁反应必须持续保持不失控，而且裂变碎片的放射性会持续存在几十万年，造成了废料处理问题。
国际热核实验反应堆则不然，它将是核聚变反应堆。其过程就是将氘和氚（即含有额外中子的氢原子）结合在一起。
国际热核实验反应堆研究团队成员米歇尔•克莱森斯说：“聚变是安全的，没有连锁反应。聚变反应堆不会产生长效放射性废料，而且可利用的燃料很充足——海水中有大量的氘，而且用锂制造氚很容易。”
聚变是让太阳发光的能源。在利用这种能源之前，研究人员必须克服的问题是盛放这种超热燃料——其温度高达1.5亿摄氏度。国际热核实验反应堆试图利用磁场来解决这个问题，即用磁场将这种燃料限制在所谓的托卡马克环形安全壳内。
1.制造可以编辑人类DNA的机器
研究单位：美国马萨诸塞州的麻省理工学院和哈佛大学 状态：正在进行中 费用：未透露
马萨诸塞州一个研究小组已经制造了一台能够编辑DNA的机器——很像电脑文字处理软件中的“剪切和粘贴”功能。这可能意味着不久医生们就能够对人类基因组进行编辑，在编辑过程中将遗传疾病的DNA字母编码删除，以及使人体对艾滋病毒和流感病毒等有害病毒产生免疫能力。好处不止这些。如果将编辑过的DNA植入一种细菌中，它可能将这种微生物变成一个能够生产药物甚至新燃料的微型工厂。
21世纪的基因组信息科学将像20世纪的硅信息科学一样具有变革性意义。它将产生全新产业并将使治病方式发生根本性变革。
马萨诸塞州制造的这台机器有一个相当朴实的名字——MAGE（多元自动化基因组工程），它是这个新生的科学分支取得的显著进展。这台机器基本上是由烧瓶、软管、泵和控制仪表组成的网络，通过控制DNA复制过程进行工作。当生物细胞自然而然地复制自己时，DNA复制过程就出现了。这台机器不让细胞进行完全复制，而是进行干预，用合成的DNA中的新密码子来置换小写字母序列，即“密码子”。
一个密码子由3个遗传字母组成。每个字母代表一个特定的化学“基”（标为A、G、T或C），而每个密码子都会对一种特定的氨基酸进行编码。当紧密结合在一起时，氨基酸的序列就会产生一种蛋白分子，在细胞中承担某种功能。
然而，DNA语言很多是多余的——好几种不同的密码子可能代表同一种氨基酸。在最近验证这项技术的实验中，MAGE能够用TAA密码子取代大肠杆菌中的TAG密码子。这两种密码子产生同一种氨基酸，因此它们的功能相同。
如果将这些多余的密码子重新编程来制造通常在自然界中找不到的氨基酸，那么细胞就能变成根据需要生产新化合物的化工厂。比如，哈佛大学教授、负责TAG替代研究的遗传学家乔治•丘奇与别人共同创建的旧金山生物燃料公司LS9，正在利用转基因大肠杆菌来生产可持续使用的燃料。
丘奇说：“第一种实际应用正在进行中，即最大程度地让细菌产生有用化学物质。MAGE下一步的实际应用旨在制造抗多种病毒的工业细胞。我们希望一年内拿出样品来。”
丘奇的团队正把注意力转向将MAGE技术用于人体细胞。设想能够对造成唐氏综合征和亨廷顿病等遗传疾病的基因进行编辑删除。或用“基因防火墙”来保护你的细胞，使之对病毒具有免疫能力。流感、肝炎和艾滋病将不再像今天这样是致命疾病。对于修改胚胎的遗传密码以生育出抗病毒的婴儿这一想法，丘奇乐于考虑。
研究人员正在利用MAGE修改人类干细胞。他们的计划是对人类干细胞的遗传密码进行编辑，通过可控方式引发突变，以搞清楚什么样的突变会造成疾病。
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