우주에 대해, 지구에 대해, 우리 자신에 대해, 우리가 발굴하기를 기다리는 수수께끼가 너무 많다. 하지만 가장 중요한 미해결의 수수께끼는 무엇이며, 우리가 답을 찾기까지 얼마나 남았는가? 지난 7 월 1 일, 미국' 과학' 잡지 창간 125 주년을 기념하면서 과학자들은 125 개 중 25 개가 가장 중요하다고 요약했다.
1 .. 우주는 무엇으로 구성되어 있습니까?
불쑥 나오는 대답은 반짝이는 별들로 이루어져 있다는 것이다. 그러나 최근 수십 년 동안 과학자들은 이 답이 옳지 않다는 것을 점점 더 발견하였다. 천문학자들은 별, 행성, 은하, 물론 우리, 혹은 일반 물질을 구성하는 물질이 우주의 총 질량의 5% 미만을 차지한다고 생각한다. 그들은 또 다른 25% 가 발견되지 않은 입자로 구성된 암흑물질일 것이라고 추정한다. 나머지 70% 는요? 천문학자들은 암흑에너지, 즉 우주의 팽창을 가속화하는 힘이라고 생각한다. 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질은 무엇입니까? 과학자들은 가속기와 망원경을 사용하여 이 질문들에 대한 답을 찾고 있다. 만약 그들이 그것을 발견한다면, 그들의 의미는 반드시 거대할 것이다.
2. 우리는 우주에서 유일무이한가?
45 년 전, 천문학자 포크 드레이크 (Falk Drake) 가 처음으로 지외문명을 탐구하는 Ozma 프로그램을 시작했습니다. 거대한 안테나 (전파 망원경) 를 사용하여 지외문명으로부터 신호를 받았습니다. 45 년 후에도 천문학자들의 노력은 계속되고 있다. 그러나, 지금까지 가장 큰 피닉스 프로젝트조차도 외계 문명에서 온 무선 신호를 발견하지 못했다.
지구 내부는 어떻게 작동합니까?
40 여 년 전 지구과학에서 혁명이 일어났다. 판 구조 이론은 지구 자체에 대한 지식을 업데이트했다. 그러나 지구 내부 구조에 관한 문제는 여전히 혁명 전의 지식을 따르고 있다. 과학자들이 40 년 동안 한 일은 이 달걀 모형을 지각, 휘장, 지핵으로 세분화하는 것이었다. 점점 더 진보된 지진 이미징 기술을 이용하여 과학자들은 이 거대한 기계의 운행 과정을 연구하고 있다. 그러나 또 다른 과학 혁명을 시작하는 데 반세기가 더 걸릴 수도 있다.
4. 지구 온실은 얼마나 더워질까?
금세기 대기 중 이산화탄소의 농도가 계속 증가할 것으로 예상되지만, 이 증가는 분명히 지구 온난화를 가져올 것이지만 온난화의 정도는 불확실하다. 과학자들은 금세기 이산화탄소 농도가 두 배로 증가하면1.5 C ~ 4.5 C 의 기온이 상승할 것으로 보고 있다. 그러나 이것은 아직 정확하지 않다. 과학자들은 이 숫자들을 더욱 설득력 있게 만들기 위해 새로운 수학 모델을 개발하고 있다.
물리학의 법칙은 통일 될 수 있습니까?
사과 착륙, 번개가 하늘을 가로질러, 원전 원자로의 우라늄 원자가 동시에 쇠퇴하여 에너지를 방출하고, 슈퍼가속기가 양성자를 부수는데, 이러한 현상은 자연계에서 네 가지 기본력의 역할, 즉 중력, 전자기력, 약력, 강력을 나타낸다. 우주의 모든 물리적 현상은 이 네 가지 기본력으로 설명할 수 있다. 그러나 과학자들은 만족하지 않는다. 이 네 가지 힘을 하나로 통일할 수 있을까? 1960 년대에 물리학자들은 약력과 전자기력이 통일될 수 있다는 것을 발견했는데, 그것들은 하나의 사물의 다른 측면으로 통칭하여 전기약력이라고 한다. 하지만 다른 두 세력은 그것과 통일될 수 있을까?
6. 양자 불확실성과 비정역성에 더 깊은 원칙이 있습니까?
양자 이론의 탄생 100 년 이상, 설득력있는 응용 결과를 만들었지 만, 또한 반직관을 가져 왔습니다: 양자 역학의 불확실성 원리는 우리가 동시에 물체의 운동량과 위치를 정확하게 얻을 수 없다는 것을 지적합니다. 그러나, 비 국역성은 두 개의 양자 얽힘 입자의 얽힘 상태를 동시에 붕괴시킨다. 아무리 멀리 떨어져 있어도. 아인슈타인은 양자역학이 그에게 깊은 인상을 남겼지만, "내면의 목소리가 나에게 그것이 사실이 아니라고 말했다" 고 말했다.
화학 자기 조립을 얼마나 멀리 추진할 수 있습니까?
어떤 의미에서 화학자들은 항상 새로운 분자를 만들고 있기 때문에 발명을 가장 좋아하는 사람들이다. (알버트 아인슈타인, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자) 현재 화학자들은 이미 매우 복잡한 화학 구조를 만들 수 있지만, 그들이 이 일을 간단하고 복잡하게 만들 수 있을까? 즉, "원료" 원자를 복잡한 구조로 "조립" 시키는 것은 생명이 나타내는 자기 조립 특징과 같다. 세포막과 같은 이중막 구조를 만드는 것과 같은 화학자가 조립의 예가 이미 있다. 그러나 상향식 집적 회로 제조와 같은 고급 자체 조립은 여전히 꿈입니다.
8. 기존 계산의 한계는 무엇입니까?
어떤 것들은 간단해 보이지만, 해결은 매우 복잡하다. 예를 들어, 한 업무원이 서로 연결된 몇 도시를 돌아다녀야 한다면, 어떻게 가장 짧은 총 거리를 얻을 수 있을까? 도시 수의 증가는 가장 강력한 전자컴퓨터를 두렵게 할 것이다. 1940 년대에 정보론의 아버지 향농은 정보 (비트 형식) 를 저장하고 전송해야 하는 물리 법칙을 제시했다. 전통적인 컴퓨터는이 규칙을 능가 할 수 없습니다. 그렇다면, 공사에서, 우리는 결국 얼마나 강력한 컴퓨터를 만들 수 있을까? 전통적인 컴퓨터가 아닌 것은 최근 몇 년 동안 나타난 양자 컴퓨터와 같이 이러한 제한을 받지 않을 수 있습니다.
9. 의식의 생물학적 기초는 무엇인가?
17 세기의 프랑스 철학자들은 "나는 생각한다. 그래서 나는 있다" 라는 명언을 가지고 있다. 의식은 항상 철학 토론의 주제였음을 알 수 있다. 현대 과학은 의식이 뇌의 수억 개 뉴런의 협력에서 비롯된 것이라고 생각한다. 그러나 이것은 여전히 너무 막연하다. 구체적으로, 뉴런은 어떻게 의식을 만들어 내는가? 최근 몇 년 동안 과학자들은 이 가장 주관적이고 개인적인 것을 객관적으로 연구할 수 있는 방법과 도구를 찾았고, 뇌 손상 환자의 도움으로 과학자들은 의식의 신비를 엿볼 수 있었다. 의식이 어떻게 작동하는지 알아내는 것 외에도 과학자들은 더 깊은 질문에 대한 답을 알고 싶어한다. 왜 그것이 존재하고 어떻게 시작되었는가?
10, 장기 재생을 제어하는 것은 무엇입니까?
일부 생물은 놀라운 복구 기술을 가지고 있다. 베인 지렁이는 몸의 절반을 재생할 수 있고, 도롱뇽은 손상된 팔다리를 재건할 수 있다. 대조적으로 인간은 재생 능력이 좀 떨어지는 것 같다. 손가락을 다시 키울 수 있는 사람은 아무도 없고, 뼈의 용도도 항상 같다. 약간 위안이 되는 것은 간이다. 부분적으로 제거된 간은 원래의 상태로 회복될 수 있다. 과학자들은 장기를 재생할 수 있는 동물이 배아 발육 과정에서 필요할 때 유전 프로그램을 다시 시작하여 새로운 장기가 자라는 것을 발견했다. 그렇다면 인간이 인공적인 통제하에 비슷한 방법으로 부품을 직접 교체할 수 있을까?
1 1. 피부세포는 어떻게 신경세포로 변합니까?
지난 세기 중반, 생물학자들은 개구리의 체핵을 개구리의 핵난세포에 넣어 올챙이를 복제했다. 최근 몇 년 동안 인간 배아 줄기세포에 대한 연구가 한창이다. 인간의 체핵을 난세포에 이식하고, 과학자들은 신경세포, 골세포, 심근세포 등 다양한 인간 체세포를 만들 것을 기대하고 있다. 과학자들은 이미 약간의 성공을 거두었지만, 이 체세포 핵 이식 기술이 성공할 수 있는 이유에 대해서는 아직 아는 것이 거의 없다. 사실, 핵난은 이 과정에서 매우 중요한 역할을 합니다. 하지만 구체적인 메커니즘은 무엇일까요?
12. 체세포는 어떻게 식물 전체가 되었나요?
어떤 의미에서 식물은 동물보다 더 유연한 것 같다. 식물체세포는 복잡한 체세포 핵 이식 기술 없이도 다시 식물 배아 세포가 될 수 있다. 과학자들이 식물의 이 특성을 이용한 지 이미 오래되었다. 작은 식물 조직이 있으면 실험실에서 숲 한 조각에 사용할 수 있는 어린 묘목을 재배할 수 있다. 그런데 왜 식물 세포가 이렇게 유연성이 있을까요? 과학자들은 이미 식물의 성장소가 이 과정에서 작용하는 것과 같은 단서를 찾았다.
13. 생명은 어떻게 기원했고 어디서 기원했습니까?
과학자들은 34 억 년 전의 미생물 화석을 발견했고, 더 오래된 암석에서도 생물광합성의 흔적을 발견할 수 있었다. 그렇다면 단백질과 DNA, 즉 생명의 두 가지 기둥 중 어느 것이 먼저 지구에 나타날까요? 아니면 함께? 과학자들은 RNA 가 이전보다 더 일찍 나타날 가능성이 더 높다고 생각한다. 또 다른 질문은, 생명은 어떤 상황에서 기원했는가 하는 것이다. 생명이 해저의 뜨거운 물에서 기원한다고 가정하는 가정. 오늘날 과학자들은 실험실에서 단순한 유기물에서 자기복제 유기물에 이르는 발전 과정을 탐구하고 있으며, 혜성과 화성을 연구하는 것도 이 문제에 중요한 계시를 가져다 줄 것이다.
14. 무엇이 종의 다양성을 결정합니까?
이것은 생명이 가득한 행성이지만, 생명의 모든 구석이 똑같이 번영하는 것은 아니다. 어떤 지역에서는 다른 지역보다 더 많은 종이 살고 있다. 열대 지방은 추위보다 더 높은 종 다양성을 가지고 있다. 왜 그럴까요? 열대가 한대보다 더워서? 과학자들은 생물과 환경 간의 상호 작용이 다양성에서 중요한 역할을 한다고 생각한다. 물론, 포식과 포식의 관계와 같은 다양성을 바꿀 수 있는 다른 힘이 있다. 하지만 과학자들이 직면한 첫 번째 문제는 전 세계 종의 다양성에 대한 기본 데이터, 즉 얼마나 많은 종을 얻을 수 있는가이다.
15. 협력 행위는 어떻게 진화했습니까?
너는 군거동물에게 이타적인 행동을 쉽게 볼 수 있다. 예를 들어, 꿀벌은 다른 꿀벌에게 음식 정보를 전달합니다. 인간과 다른 영장류 사회도 협력 행위로 가득 차 있다. 진화론의 창시자인 다윈은 친척 간의 공조와 같은 협력 현상에 대해 몇 가지 설명을 해 주었는데, 그러한 설명은 사실상 가족 전체의 번식 가능성을 촉진시킬 수 있었습니다. 오늘날 과학자들은 협력 행동의 유전적 기초를 찾고 있다. 게임 이론은 경쟁, 협력 및 게임 규칙에 대한 수학 이론이며 과학자들이 협력 행위가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다윈은 협력 현상을 관찰하고 설명했다. 오늘날의 과학자들은 이 설명을 좀 더 심도 있게 하고 그것이 어떻게 생겨났는지 대답하기를 원한다.
16, 대량의 생물학적 데이터에서 파노라마를 얻는 방법?
생명이 이렇게 복잡해서 거의 모든 생물학자들은 아주 작은 영역에서만 탐구할 수 있다. 각 분야에서 많은 양의 설명 데이터가 생성되지만. 하지만 과학자들은 유기체가 어떻게 작동하는지 같은 방대한 양의 데이터로부터 전체적인 개념을 얻을 수 있습니다. 신흥 시스템 생물학 학과는 이러한 질문에 답하기 위한 희망을 제공했다. 수학, 공학, 컴퓨터 과학의 수단을 통해 생물학의 모든 가지를 연결시켜 생물학을 더욱 정량화하려고 한다. 그러나, 이러한 방법들이 결국 과학자들에게 생물 운행의 전모를 알릴 수 있을지는 아무도 모른다.
17, 왜 인간 유전자가 그렇게 적습니까?
2003 년에 인간 게놈 프로젝트가 거의 완성되었을 때, 생물학자들은 이 성과에 환호하며 인간 유전자의 수가 원래 예상했던 것보다 적다는 사실에 놀라움을 금치 못했다. 네, 25,000 명 정도인데 원래 65438+ 만인 줄 알았어요. 대조적으로, 아주 간단한 생물인 선충도 20,000 개의 유전자를 가지고 있다. 의남 Arabidopsis 식물의 유전자는 인간보다 약간 많은데, 벼의 유전자는 인류의 두 배이다. 과학자들은 게놈이 이전에 생각했던 것보다 더 유연하고 복잡하게 작동해야 한다고 생각하는데, 그들은 더 적은 유전자로 더 많은 일을 하는 분자 메커니즘을 탐구하고 있다.
18. 유전적 차이와 개인건강의 관계는 얼마나 됩니까?
과학자들은 어떤 사람들은 어떤 약물에 대한 반응이 다른 환자와 다르다는 것을 오래전부터 발견하였다. 예를 들어, 마취를 위한 근육 이완제는 어떤 사람이 숨을 쉴 수 없게 한다. 마지막으로, 과학자들은 이 현상의 원인이 그들이 일정한 유전자를 가지고 있다는 것을 발견했다. 이것은 또한 질문을 제기합니다: 다른 사람들 사이의 유전 적 차이를 연구하면 개인 DNA 의 "선량 약물" 개발에 따라 의학적으로보다 진보 된 치료법의 개발을 촉진 할 수 있습니까? 과학자들은 이미 약물과 상호 작용하는 많은 유전자를 발견했다. 그러나' 수량유파 의학' 을 진정으로 실현하는 것은 시기상조이다.
19, 사람의 수명은 얼마나 연장할 수 있습니까?
100 세 노인은 여전히 매우 적지만, 지난 수십 년 동안 인류, 특히 선진국의 평균 수명이 연장되었다. 하지만 이런 추세는 얼마나 지속될 수 있을까요? 과학자들은 실험동물에 대한 연구를 통해 열량 섭취를 제한하는 몇 가지 방법을 포함하여 그들의 수명을 현저히 연장할 수 있다는 것을 발견했다. 하지만 이 방법들이 인간에게 성공적으로 적용될 수 있을까요? 얼마나 오래 살 수 있을까요? 일부 과학자들은 인류가 100 세까지 사는 것이 적어도 관례가 될 수 있다고 생각한다. 그럼에도 불구하고, 장수는 사회보험과 같은 다른 문제를 야기할 수 있다.
20. 어떤 유전적 차이가 우리를 유일무이한 인간으로 만들까요?
유전자 시퀀싱 기술이 향상됨에 따라 점점 더 많은 종의 전체 게놈 서열이 우리 자신과 침팬지와 같은 영장류 친척들을 포함한 과학자들의 데이터베이스로 유입되었습니다. 우리는 인간과 침팬지를 구별하기 쉽지만 분자 수준에서는 그렇게 쉽지 않다. 우리와 침팬지의 DNA 차이는 약 1.2% 입니다. 이것은 아주 작은 숫자이지만, 절대치로 볼 때, 이 차이는 3000 만 개 이상의 염기쌍의 차이를 의미한다. 침팬지에서 분리한 후, 우리를 이렇게 독특하게 만드는 3000 여만 가지의 차이는 무엇입니까? 과학자들은 우리를 다른 영장류와 차별화하는 유전자 차이를 찾고 있으며, 물론 문화, 언어, 기술 등 유전자 이외의 요소도 찾고 있다.
메모리는 어떻게 액세스합니까?
아름다운 기억, 슬픈 기억, 방정식을 푸는 기억, 영어 단어의 기억, 의심할 여지 없이 우리 뇌에 저장된다. 그런데 그들은 도대체 어디에 있습니까?
1950 년대에 과학자들은 뇌의' 해마체' 가 정보 저장에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했다. 해마체가 제거되면 이전 기억이 함께 사라진다. 하지만 해마체의 뉴런은 어떻게 정보를 고정시킬까요? 과학자들은 일부 분자가 기억의 형성과 관련이 있다는 것을 발견했다. 게다가, 신경세포 내 시냅스의 형성도 기억과 관련이 있다. 그러나 과학자들은 현재 기억의 작동 메커니즘에 대해 충분히 알지 못하고 있으며, 이 메커니즘은 우리 자신을 이해하는 데 매우 중요하다.
22. 면역반응을 선택적으로 끌 수 있을까요?
오늘날 장기 이식은 이미 그렇게 보기 드문 수술이 되었지만, 의사와 환자가 직면한 큰 문제 중 하나는 여전히 면역거부이다. 환자의 면역체계는 이식된 장기를' 중국인이 아닌 사람' 으로 공격할 수 있어 수술공이 실패하게 할 수 있다. 이런 일이 일어나지 않도록 의사는 기증자 기관을 신중하게 선택해야 하며, 일부 환자들은 면역억제제를 평생 복용해야 한다. 이것은 분명히 좋은 생각이 아니다. 과학자들은 이식된 장기를 배제하지 않고 면역체계가 정상적으로 작동할 수 있는 몇 가지 가능한 방법을 찾아냈지만, 임상 응용을 실현하려면 시간이 오래 걸린다.
23. 유효한 에이즈 백신이 있습니까?
매년 미국 국립보건연구원만 에이즈 백신 개발에 5 억 달러를 투자한다. 하지만 지금까지 실용성을 보여주는 백신은 없었다. 회의론자들은 에이즈 백신이 결코 성공하지 못할 것이라고 생각한다. 왜냐하면 인간의 면역 결함 바이러스는 변화무쌍하기 때문이다. 지지자들은 백신이 유인원 면역 결함 바이러스에 작용할 수 있기 때문에 에이즈 백신도 성공할 수 있다고 생각한다.
값싼 석유를 대체 할 수있는 것은 무엇입니까? 언제?
석유가 결국 고갈될 것이라는 것을 아무도 부인하지 않는다. 또한 석유 생산량은 곧 감소하기 시작할 수 있습니다. 이러한 요인들을 고려하지 않아도 지구 온난화의 위험은 인류가 가능한 한 빨리 석유를 대체할 에너지원인 태양열을 찾도록 유도한다. 풍력 에너지? 원자력? 모든 것이 잠재력이 있는 것처럼 보이지만, 모두 성숙하지는 않다.
맬서스가 아직도 틀렸어?
1798 년 맬서스는 그의 명작' 인구론' 을 출간했는데, 이 책에서 인구 증가는 결코 식량 공급의 성장을 따라잡을 수 없고 재앙만이 성장을 막을 수 있다고 지적했다. 200 년 후 지구 전체 인구는 60 억 명 (맬서스의 6 배) 으로 증가했지만 맬서스가 예언한 대재앙은 일어나지 않았다. 과학기술은 이 재난을 크게 막았다. 그러나 인간은 또한 미래에 큰 재난이 발생하지 않도록 어떻게 보장할 수 있는 문제에 직면해 있습니까?