互动科普

2009 年 11 月 19 日，美国盐湖城，一块计算机路由器内的线路板出现故障。这一个小问题引发了一系列连锁反应，美国空中交通管理网络通讯因此中断，数百航班取消；2010 年 5 月 6 日，道琼斯工业平均指数令人费解地在几分钟内狂跌近千点，又在该交易日结束前神秘地涨了回来——要不是这次“瞬间暴跌”最终自我修复，一场全球性经济灾难在所难免。 人类已经将自己的命运与使用的机器绑在了一起。人类发明和使用的技术已经越来越复杂，以至于我们自己都不再能了解它，或完全掌控它。

“数字纠缠时代”业已到来。 当人类还生活在丛林里时，他们认为自然现象是由一些神秘力量操控的。 在欧洲的中世纪，人们把无法预见的、会破坏人们生活的灾祸归咎于上帝。但 启蒙运动揭示了造成这一切的原因，越来越多的秘密被科学解开。我们开始觉得拥有掌控力了，知识赋予了我们构建 自身复杂科技环境的能力。 互联网便是一个例证。大多数人或 许还没意识到，他们拨打电话或者乘坐 航班时，也要依赖互联网。在这个互相纠缠着的世界里，想要理解我们自己建立起来的复杂系统，并了解如何去修复它们，正变得越来越困难。在那次股市暴跌数周后，监控人员为系统安装了新的交易电路断路器，希望以后能避免类似事故，但他们并不能肯定这样的修补确实有效。

回想 20 世纪，程序员们能够准确 地向计算机发出指令。他们知道如何控制这个自己能够完全理解的系统。而如今的程序员所做的，是将别人开发的复杂程序模块组合起来，但他们并不完全清楚每个模块究竟如何运作。以指挥运货卡车为商场供货的程序为例，它需要确定卡车和仓库的位置，还要调出街道地图和商场库存清单。该程序需要通过互联网连接其他程序，才能获得这些信息。它或许同样也为别的系统提供协助，例如追踪包裹、支付司机工资和记录卡车维修等系统。

把这个场景向外扩展，再加上工厂和电厂，还有售货商、广告商、保险商、监控人员和股票交易员，你就会开始感觉到，在如此多的日常决策背后，隐藏 着一个纠缠的系统。虽然是我们创造了这个系统，但它并不是我们严格设计的。它也在演化发展。我们依赖它，却不能 完全掌控它。每一位专家熟悉其中的一小块，但是，整个拼图太大太复杂，没有人能弄懂全部。是时候掉头了。我们应该开始建立一个人就可以真正掌控的简单备用系统， 以便在关键系统失效时保护自己。过去数十年来，无线电爱好者们有能力在商 业通信网络崩溃时还与世界各地保持联系。

同样，我们应该研发一种简单的、不依赖于互联网的通讯系统，在计算机系统遭到攻击、感染计算机病毒，或遇 到其他不可预料的紧急情况造成网络堵 塞之后，我们的文明还可以维持运转。 随着人们意识到我们又回到了“丛林”——一片由我们自己创造的数字丛林， 一些人又将崇尚起神秘主义。大多数人会 简单地接受这个复杂系统，并学着去适应 它。还有些人则会尝试“脱离网络”的生活，当然他们中几乎没有人能做到完全不使用互联网或手机，还有电灯或青霉素。无论喜不喜欢，我们对这个数字纠缠系统已经产生强烈的依赖，无法摆脱。 我们的命运，不仅是人与人彼此纠缠的， 而且还与我们自己创造的科技纠缠在一起。

定制生命

撰文  阿瑟·卡普兰（Arthur Caplan） 翻译  朱机

2010 年 5 月，J·克莱格·文特尔 （J. Craig Venter）宣布，他与同事将他们解码并人工重建的基因组转入掏空的 支原体（Mycoplasma），制造出了一种新的活微生物。随着增殖的启动，这种合成微生物成为第一个人造有机体，也打破了只有神或特殊力量才能创造出生 命的古老成见。 这是迄今为止合成生物学最令人激动的成就，这门新学科力求解决我们最迫切的问题。

研究人员希望，制造出的细菌能吸收泄漏的原油和化学污染物，能利用阳光生产氢气和液体燃料，还能 清除我们体内堆积的胆固醇与其他有害健康的成分。 尽管这项技术还在萌芽阶段，当下 的监管却必不可少。不论是存心破坏的坏人，还是疏于防范的好人，都可能利 用这项技术给我们的健康与环境制造严 重威胁。文特尔与他的团队小心翼翼地利用小小的分子变化给他们创造的“生命”打上“水印”。任何科学家或公司想利用合成生物学技术，也都必须打上这种识别标签。要解决合成生物学带来的问题，还有赖于全世界的努力。 也许有些人会觉得，创造新生物在 某种意义上说危及了生命的尊严。我以为不然。从本质上说，这是知识的胜利。 更好地理解生命的运作，就是在肯定我们给生命赋予的价值。

无限存储

撰文  爱德华·费尔滕（Edward Felten） 翻译  王栋

有没有想过将人类录制过的所有音乐统统装进口袋？这不是幻想，或许 10 年后就能实现。再往后推几年，你甚至能够随身携带所有的电影和电视节目。有没有想过对人一生的所有活动进行不间断录音，用一个文件从出生一直录到死亡？这一点现在已经可以做到了。

对一生进行不间断录像，未来几年内也将实现。硬盘和闪存等数据存储设备容量越来越大，价格却越来越便宜。在不远的将来，存储设备的容量对于大多数应用而言都是用不完的。无限存储时代就要来临了。 不仅存储设备价格呈指数下降，手机等无处不在的小电器也让数据采集变得越来越方便。加上索引软件和强大的搜索引擎，你将拥有一个记载你所有见闻和经历的档案库。再配合数据分析工具，你将可以方便地回顾人生中每一个细节。

我们对待信息的方式也将发生变化。我们不必再为哪些东西需要保存而大伤脑筋，我们可以保存一切。我们也不必再去决定哪些东西需要记录，我们可以记录一切。 你也不用再绞尽脑汁回想三年前在克利夫兰吃过饭的那家餐馆叫什么名字，只要调用视频档案，瞬间就能找出答案。一些科技达人已经开始记录他们日常生活中的所有点滴，并利用软件分析生活规律。这些信息可以用来指导他们改进饮食、运动养生，或者找出影响他们情绪的那些事。

无限存储还会改变我们的隐私观。 绝大多数情况下，你总是会出现在某个地方的某个人的记录里。每一个小过失和尴尬时刻都会被永远保存，有可能被人看到，除非你设法删除它们。我们需要新的共识，或许还要新的法规，来监管人们对信息的存储和使用。

解开意识之谜

撰文  克里斯托夫·科赫（Christof Koch） 翻译  朱机

自柏拉图和亚里士多德时代以来，心 身 问 题（mind-body problem） 就一直困扰着人类最伟大的思想家。颅骨 里的那一大团东西是如何成为意识源泉 的？意识是否需要某些非物质的东西， 比如无形的灵魂来维持？我们能否创造出石人（golem，参见环球科学小词典）， 并赋予它感觉？因为缺少事实证据，数百年来学者只能猜测，不过那样的日子已经成为过去了。如今，科学家正在揭示意识的物质基础。接下来，他们还将逐渐弄清细节，让希伯来石人不再是空谈。

各种研究方法正源源不断带来令人信服的结果。利用脑功能成像与脑电图 （EEG）技术，神经生物学家可以为清 醒却无法对外界有所回应的脑损伤病人鉴定精神生活或感觉的程度。科学家正在解析神经相关活动，即特定的一组神经元之间的特异放电，无论是要辨识一 个黄色小块还是一个电影巨星，所有来自感官的刺激都需要神经相关活动作为认知基础。光遗传学（optogenetics） 则是最新的热门技术：研究人员先将编码光敏蛋白的基因插入动物脑中的神经元，再用特定颜色光的短脉冲来开启或关闭神经元，以此监控或操纵大脑活动。 今天的神经科学家不再只是观察大脑， 他们还能干预大脑中精密的神经网络。

在信息科学与数学的基础上，上述研究已经催生出有关意识的新理论，能够描述一个物理系统（比如神经元网络） 要具备什么特性才能被视为具有意识。 新理论将给下列困扰我们很久的问题提供靠谱的答案。重度昏迷的病人有意识 吗？新生儿什么时候产生意识？胎儿到 底有没有意识？一条狗会不会意识到自 己是会思考的动物？连接了数十亿计算机的互联网呢？我们很快会有答案，并将受益匪浅。

告别石油

撰文  迈克尔·韦伯（Michael Webber）  丹尼尔·卡门（Daniel Kammen） 翻译  张连营

原油成为交通运输业的支柱能源，已有一个多世纪了。随着诸多因素汇 集在一起，这种情况可能很快走向终结。新的石油矿床越来越难以开采。环境保护法规也越来越严格——在英国石 油公司墨西哥湾漏油事件之后，这个趋 势还会更加明显。由电力或天然气提供动力的汽车已进入市场。

美国国会也已提出，到 2022 年之前，全美液态车用燃料的 1/5 必须来源于非石油类的生物燃料。这些因素可以说确保了汽油需求 量将很快达到峰值（或者说已经达到峰 值），轻质低硫原油（light sweet crude oil）需求量将在近期内下降。向其他燃料的过渡，很可能即将开 始。这种过渡对经济和环境的影响究竟 如何，取决于我们今天所做的各种决定。没有谁规定只能使用比汽油更加清洁的替代燃料，因为现有许多价格较低的替 代燃料其实并不比汽油更清洁。诸如油 页岩、沥青砂之类的重型固态燃料，以及从煤中提取的液体燃料，可以弥补能源缺口，但也会进一步加剧环境恶化。 此类固态燃料的诱惑力极大，因为它们的储藏量远远超过轻质低硫原油，而且随着技术进步，将它们由固态转化为液态的成本也变得越来越低。

问题在于从这些原料中提炼液态燃料，需要消耗的能源比提取等量轻质低硫原油要多。这意味着除非我们大规模安装碳收集系统，否则创造每单位能源产生的碳排放量将大大增加。与传统石油相比，此类燃料的开采和生产技术有着本质区别，因此还可能大肆破坏土地和水资源。 我们还可以设想另外一种更能让人们看到希望的情形——电能、天然气、 新一代生物燃料和其他相对更清洁的能源，以及不断提高的燃料经济性，将逐步削弱轻质低硫原油的战略价值。

然而， 为了实现这个光明的前景，我们还须在过渡阶段妥善经营。一套完善的能源政策将有助于建立一个更加清洁安全、更加灵活且成本更低的能源体系。 假如我们能够制定出这样的政策， 那么，我们的儿孙将能开上安静、清洁且由本国燃料提供动力的汽车。坐在车里的他们，或许还会因世界各国曾经为 了能源争战不休而感到好笑。

无害能源

撰文  R·詹姆斯·伍尔西（R. James Woolsey） 翻译  张连营

石油作为交通运输主要能源的时代 或许正走向终结，但照目前情形来看， 这个进程会比较缓慢。在石油时代缓慢终结的过程中，我们对石油的消耗将继续破坏环境，并给发展战略和经济制造巨大麻烦。

美国可以通过以下几个方面来加速从石油到非石油类燃料的进程， 并使这一过程不那么痛苦 ：一、提高内燃机的效率 ；二、鼓励消费者购买电动 车并鼓励公司用车和长途货车使用天然 气 ；三、开放燃料市场，让乙醇和甲醇等现有生物燃料参与到市场竞争中；四、资助利用垃圾和藻类制造新型生物燃料的研究。

此类大胆举措需要政府的支持，而美国政府却做得不够。当然，情况可能 会改变，前提是国家首脑意识到这些举措将给公共健康带来各种益处，比如减少人们罹患癌症、肥胖症和其他疾病的风险。

石油对公共健康有多种危害。在前美国欧亚能源特使 C·博伊登·格雷（C. Boyden Gray）和美国华盛顿特区律师 安德鲁·瓦尔库伊（Andrew Varcoe）看来，《清洁空气法》执行并不彻底， 放任石油公司使用已知的致癌物质（如苯、甲苯和二甲苯之类的芳香剂）来增加汽油辛烷值。他们得出结论：在美国， 每年与此相关的医疗和寿命缩短会带来高达 1 000 亿美元的额外开支。

从石油转变为生物燃料还将让我们变得更加健康。批评家们常断言，农作物将大量用于制作生物燃料，而不再是食物来源。但是在美国，95% 的玉米都被用作饲料，而非人类食品。玉米中的淀粉成分可使家畜的肉富含更多油脂，因而更加美味。然而，这些油脂也使我们体内的胆固醇含量大幅增加。 不光如此，玉米淀粉对于畜类而言还是一种非天然食物，可能导致它们消化不良，从而引发各种疾病，最终造成了抗生素的滥用。这种做法在某些情况 下会导致耐药菌的产生，削弱药物在对 抗人类传染病时的效力。其实，我们完全可以在利用玉米淀粉来制造生物燃料的同时，用玉米蛋白质来制造不会对健 康造成负面影响的动物饲料。

玉米淀粉大量涌向食品市场，而非用于制造生物燃料，还会造成糖价下跌，降低垃圾食品的制作成本，而这些垃圾食品正是肥胖症（尤其是儿童）盛行的 罪魁祸首。石油不仅造成了各种战略和环境问题，还增加了我们罹患癌症的风险，更是造成动脉阻塞、疾病传染和儿童糖尿病的帮凶之一。石油还会带来什么别的危害呢？天知道。

修正人类起源史

撰文  莱斯利·艾洛（Leslie Aiello） 翻译  徐海燕

长期以来，研究人类进化的学者在努力重现过去时，只能依靠化石和古文化遗址，或比较现代人类与猿类的生理及行为。今年5 月，与现代人血缘最接近的尼安德特人基因组测序完成，为人类史前史研究提供了一个全新视角。

现在，除了骨骼与化石所记录的外在性状的进化之外，科学家还可以根据现代人和尼安德特人的基因组来研究编码这些性状的遗传信息，找出我们和其他物种在基因层次上的具体差异，并了解这些关键性状出现的时间和进程。这些进化记录的详细程度是绝大多数古人类学家始料未及的，而这都要归功于遗传学家近年来开发的组装古人类基因组的新方法。在位于德国莱比锡的马普进化人 类学研究所，斯万特·帕博（Svante Paabo）领导的研究团队通过比较尼安德特人与现代人类的基因序列，发现自两者分化以来，现代人类基因组中有 200 个区域经历了适应性进化 （adaptive evolution）。

这些DNA片段中包括了与代谢、认知和骨骼发育相关的基因，是现代人类与众不同的关键所在。遗传学家尚不清楚“最近”出现的这些变化如何影响基因组区域的功能，但这个秘密被揭开 只是个时间问题。

这个新的数据源将造福很多研究领 域，包括我研究的新陈代谢与体温调节。 尼安德特人生活于冰河时期的欧洲，许多人都猜想他们为适应严酷的环境而产生了生理性改变，无需厚重衣物便可保暖。一旦科学家弄清了体温调节的遗传 学机理，我们就可以去寻找这些适应性 生理改变的证据。许多人类学家还提出一种理论，认为现代人类在与尼安德特人的竞争中之所以胜出，是因为我们的 身体能更为有效地利用食物所提供的能量，在资源不稳定或难于获取的情况下占据优势。尼安德特人的基因组提供了一种新方法来检验这些假说，同时还可

以帮助我们理解现代人的骨架为何比尼安德特人轻巧，头形为何与尼安德特人不同，以及我们的认知能力是否真的优于这些有庞大脑容量的近亲（化石研究表明，尼安德特人的脑容量与现代人相 当，甚至可能更高）。

其他已灭绝人种的基因组可能会提供更多线索。在西伯利亚阿尔泰山的杰尼索瓦山洞中发现了一块 3 万到 5 万年前的手指骨，帕博的团队正在对从中提取的 DNA 进行测序。这块手指骨可能代表了一个新的人种，也说明我们可能低估了早期人类 从非洲到欧亚大陆的迁徙规模。随着越来越多的研 究团队参与到古人类 DNA 测序分析中来，古人类遗传学在今后的数十年中将不断诞生新的发现，修正我们对于人类发展历程的 理解。

个性化医疗

撰文  乔治·丘奇（George Church） 翻译  徐海燕

2003 年，耗资 30 亿美元的人类基因组计划正式完成。从那时到现在，人的基因组测序费用已经下跌到了原来的百万分之一，基因改造和基因工程技术也已经广为人知。正因为如此，如今的 生物学就像上世纪 80 年代初的个人电脑行业，正在经历一场个人行为的大爆炸 ：那时，宅人们自学成才，在自家车 库里捣鼓捣鼓，就带领我们进入了 PC 时代。

伴随着生物技术的进步，过去 100 年来流行的通用药物将成为历史，取而代之的将是为个人量身定制的药品。医生将根据病人的基因，以及他体内细菌、过敏原、真菌、病菌和免疫系统的情况， 为每个人设计特别的预防计划，并进行全面的诊断。偏远山村将来也可以利用强大而复杂的互联网，因地制宜地建立起适合他们风俗、地理的个人健康解决方案。

根据对基因与环境因素的各种特定组合的研究，我们可以改变饮食、用药和行为方式，延长健康生活的年限。在不远的将来，医生们将能依托 医疗保健业和软件业构成的复杂生态

系统，提供个性化的医疗服务。他们将根据诊断结果，改造病人自身的干细胞用于治疗，也将对 病人的基因组进行定期测序，筛查癌细胞、自免疫细胞和炎症等，并在疾病出现时预测各种疗法的效果，从而寻求最佳治疗方式。对自身生理的了解以及更进一步的改造，将成为我们日常生活的一部分。

农业的下一场革命

撰文  约翰·雷加诺尔德（John Reganold）  翻译  张连营

全球人口预计将于本世纪中叶达到 90 亿，一些专家宣称，只有传统农业才能为人类提供足够的食物。但是传统农业手段将对环境造成无可挽回的破坏。幸好我们还有其他选择。通过从资源密集型向知识密集型的转变，我们可以叫停不可持续的农业，在生产出健康食物的同时，又不破坏健康的环境。

传统农业手段会侵蚀土壤，使土质退化。 在传统农业中，化肥的生产须消耗大量能源， 而且常常会对河流、湖泊和海洋造成污染， 杀虫剂的使用则会危害农民的健康。另一方面，有机农业技术，无论是应用于经过认证的有机农场，还是与传统农业手段配合使用，都能消除或者减少农业对化肥的需求。比如，交替种植豆类与谷物有助于恢复土壤中的氮 含量，减少对化肥的需求；加入第三种甚至第四种农作物进行轮作，收获之后将更多的作物残碴留在土壤中，也能达到类似的效果； 还可以将这片土地改造为草地，用于放牧。

在美国，我们必须停止现行的联邦农业补助金（目前主要是对种植玉米、棉花、大豆、 小麦和水稻的农民进行奖励），以鼓励长期轮作。 此外，为了保持土壤中的养分，减少 侵蚀，许多农场可以采用免耕法（no-till farming，即在种植作物前不再犁地）。最后， 我们必须减少浪费。人类浪费掉了世界食物 总量的 30%~40%，这种浪费既发生在发展中国家（原因是运输和存储条件太差），也发生在发达国家（稍微弄脏的、吃剩的或者超过保质期的食品都被我们扔掉了，尽管它们还是好好的）。如果这些改变都能实现，我们就能为地球上的每个人每天提供 2 350 卡路里的健康食品，达到联合国粮食与农业组 织（United Nations’ Food and Agriculture Organization）建议的热量摄入标准。为了最终成功，我们必须将全球的焦点都集中到食品与生态系统问题上来，并开展更多研究工作。当然，我们还需要有足够的政治意愿，以确保完成这场农业革命。