散布在喜馬拉雅山脈盧普康湖岸邊的大量人骨。圖片來源：《自然》官網(wǎng)

　　通過表觀遺傳研究繪制的丹尼索瓦人女孩畫像。圖片來源：《科學(xué)》官網(wǎng)

　　中外科學(xué)家提出的新模型，對(duì)5億年前地球氧氣猛增給出了新的解釋。圖片來源：中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所

　　雖然科學(xué)的腳步每天都在飛速前行，為我們揭開了一個(gè)又一個(gè)真相，但在我們生活的這個(gè)大千世界里，依然有太多的“黑暗”需要科學(xué)之光來照亮。

　　2019年，我們探究了意識(shí)的產(chǎn)生和大腦遺忘的奧秘；解釋了地球磁極逆轉(zhuǎn)和青藏高原“人骨湖”形成的種種可能；“徹查”了5億年前地球氧氣猛增和先有雞還是先有蛋的科學(xué)真相……這一年，雖然仍有許多謎團(tuán)未能最終解開，但科學(xué)家們的探尋卻從未止步。

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　　水到底是一種液體還是兩種液體

　　水很尋常，我們洗衣、做飯、飲用都離不開它。我們似乎對(duì)水最了解不過了，但是，這看似普通的水卻仍然有很多待解的謎題，科學(xué)家甚至連它是一種液體還是兩種液體都還在爭論呢。

　　如果壓強(qiáng)或溫度改變，水的狀態(tài)就可能發(fā)生變化。水在兩種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過程中，總有一個(gè)過渡點(diǎn)，比如在液態(tài)和氣態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過渡點(diǎn)上，水既會(huì)表現(xiàn)出液態(tài)水的性質(zhì)，又會(huì)表現(xiàn)出氣態(tài)水的性質(zhì)。這個(gè)點(diǎn)被稱為“臨界點(diǎn)”。

　　通常情況下，水溫越低，分子越不活躍，密度起伏應(yīng)該越小。然而，研究人員卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)反常的現(xiàn)象：低溫下水的密度會(huì)發(fā)生起伏，溫度越低，密度起伏越大。對(duì)于這種密度的變化，他們給出的解釋是，水有第二臨界點(diǎn)。在第二臨界點(diǎn)之上，水會(huì)在兩種狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)變。在這個(gè)臨界點(diǎn)處，水由兩種密度不同的“水”組成。這意味著水不是一種液體，而是兩種液體。

　　然而，對(duì)于水是兩種液體，也有不少人持懷疑態(tài)度，甚至有科學(xué)家批評(píng)這個(gè)結(jié)果是偽造的。大多數(shù)研究者認(rèn)為水的性質(zhì)可以用常規(guī)的理論來解釋。其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在非常低的溫度下，過冷的水會(huì)轉(zhuǎn)變成一種無序的固體，亦或是這是水在凝固時(shí)的一種特殊現(xiàn)象。

　　在中科院物理研究所研究員孟勝看來，雖然一直都有人認(rèn)為水是兩種不同性質(zhì)的液體的混合，但現(xiàn)在還沒有確鑿的證據(jù)，并沒有被完全證實(shí)，這種觀點(diǎn)還處在假說的階段。

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　　究竟是先有雞還是先有蛋

　　究竟是先有雞還是先有蛋，始終是一個(gè)充滿爭議和趣味的話題。今年12月，來自中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所等單位的研究人員，在我國貴州甕安生物群——一個(gè)距今6.1億年的特異埋藏化石庫中找到了一類名叫“籠脊球”的化石。

　　通過對(duì)這種生物形態(tài)的研究觀察，他們還原了原始“胚胎發(fā)育”的過程。如果把動(dòng)物比作一只雞，那么這類化石就相當(dāng)于記錄了“蛋生雞”的過程。籠脊球化石為回答先有雞還是先有蛋的問題提供了重要線索。

　　通過10多年的收集和研究，南京地質(zhì)古生物研究所副研究員殷宗軍所在團(tuán)隊(duì)在貴州甕安生物群，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了233塊籠脊球化石標(biāo)本。

　　它們呈現(xiàn)了單細(xì)胞動(dòng)物向多細(xì)胞動(dòng)物過渡的各個(gè)形態(tài)，根據(jù)大數(shù)據(jù)集的分析，科學(xué)家找到了演變規(guī)律。從掃描效果圖上，記者看到這類化石從內(nèi)部呈現(xiàn)空心“籠”體，演變?yōu)椤皩?shí)心球”的各階段“胚胎發(fā)育”過程。

　　殷宗軍認(rèn)為，如果將動(dòng)物比喻成一只雞的話，復(fù)雜的胚胎發(fā)育過程就是孵化出小雞的蛋，它橋接了動(dòng)物的單細(xì)胞祖先和動(dòng)物多細(xì)胞祖先之間的鴻溝。而籠脊球化石的發(fā)現(xiàn)恰恰就表明，孵化出動(dòng)物這只“小雞”的“蛋”在6.1億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。

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　　幾十噸的恐龍如何飛上天

　　在學(xué)界，關(guān)于鳥類起源于恐龍有多種假說，其中由英國學(xué)者托馬斯·赫胥黎于1868年正式提出的鳥類獸腳類恐龍起源說在上個(gè)世紀(jì)70年代開始逐漸成為了學(xué)界的主流假說。

　　從體型龐大的陸地動(dòng)物到體型小巧的天之驕子，這需要在形態(tài)和生理上產(chǎn)生許多巨大變化，這樣一個(gè)過程確實(shí)難以想象。然而，許多化石證據(jù)顯示，這一過程確實(shí)發(fā)生了。

　　2014年，澳大利亞等國的研究人員根據(jù)120種恐龍的1500多個(gè)解剖特征，構(gòu)建復(fù)雜數(shù)學(xué)模型分析了恐龍?jiān)谶M(jìn)化過程中的體型變化。分析結(jié)果顯示，獸腳類恐龍當(dāng)中的一支，它們的體型一代一代地縮小，在如此“瘦身”5000萬年后終于進(jìn)化成了鳥類——2.1億年前其平均體重為163千克，當(dāng)進(jìn)化到始祖鳥時(shí)已經(jīng)降至0.8千克。

　　恐龍想變成鳥除了要變小之外，還要會(huì)飛，鳥類飛翔靠的是翅膀。此前，古生物學(xué)家在我國遼寧建昌發(fā)現(xiàn)了約1.6億年前的近鳥龍化石。中科院古脊椎所研究員徐星介紹，近鳥龍長而粗壯的前肢上長著飛羽，排列方式類似鳥類飛羽，這說明翅膀的雛形在至少1.6億年前就在恐龍身上出現(xiàn)了。除了近鳥龍，還有其他幾種獸腳類恐龍，像小盜龍和似尾羽龍，都有著類似羽毛翅膀的結(jié)構(gòu)。

　　綜合這些化石證據(jù)，恐龍變成鳥類可能經(jīng)歷了這樣一個(gè)階段，一些恐龍的身體逐漸變小，長得也越來越像鳥類：骨骼中空，身體輕盈；腦顱膨大，行動(dòng)敏捷；前肢越來越長，能像鳥翼一樣拍打；它們的體表長出了美麗的羽毛，不再披著鱗片或鱗甲。

　　雖然恐龍是如何演化成鳥的，目前還沒有一個(gè)特別確切的答案，但不管怎樣，原本不會(huì)飛的恐龍最終變成了天之驕子，它們飛向藍(lán)天，從此開辟了一個(gè)嶄新的生活天地。

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　　是什么讓地球氧氣在5億年前猛增

　　氧氣是人類和動(dòng)物賴以生存的基礎(chǔ)。但是，遠(yuǎn)古時(shí)期的地球曾極度缺氧，是一片不折不扣的生命禁區(qū)。然而，到了距今5.8億—5.2億年左右，地球氧氣卻猛地增加了。

　　似乎有一種神秘力量在左右著地球氧氣含量的平衡點(diǎn)。多年來，科學(xué)家一直在尋找那股神秘力量。它究竟是什么？又是如何發(fā)揮作用的？

　　此前，流行的假說是“生物與環(huán)境協(xié)同演化模型”。這個(gè)模型提出的正反饋機(jī)制表現(xiàn)為氧氣增加的線性加速，這與距今5.8億—5.2億年左右大氣和海洋氧氣含量多次大規(guī)模波動(dòng)、生物發(fā)生階段性輻射演化的實(shí)際情況卻是不一致的。

　　中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎帶領(lǐng)的中英合作團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)年，對(duì)距今5.8億到5.2億年前后的地質(zhì)層和生命演化做了進(jìn)一步的觀察和研究，對(duì)地層中的碳同位素進(jìn)行對(duì)比分析，提出了一個(gè)新的地球系統(tǒng)模型，對(duì)這一時(shí)期地球氧氣迅速增加的原因給出了新的見解。

　　他們認(rèn)為距今5.7億年前后，地球上的主要大陸通過拼合形成了一個(gè)岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超級(jí)中央造山帶，將8億年前后大量沉積的蒸發(fā)巖礦物風(fēng)化剝蝕輸入海洋。蒸發(fā)巖作為一種氧化劑，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加，為大型復(fù)雜多細(xì)胞生物的快速演化提供了基礎(chǔ)。

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　　地球磁極逆轉(zhuǎn)原因還未定論

　　今年1月，《自然》網(wǎng)站報(bào)道，受到地核內(nèi)液態(tài)鐵的運(yùn)動(dòng)影響，地磁北極正不斷從加拿大向西伯利亞偏移，而且移動(dòng)速度非?？?。地磁北極的快速移動(dòng)迫使科學(xué)家不得不緊急更新世界地磁場模型。

　　有人說，地球核心磁場似乎在減弱，這可能是地球磁場即將逆轉(zhuǎn)的一個(gè)信號(hào)。也有國際研究小組表示，地磁場變化的現(xiàn)象被夸大了太多，現(xiàn)在說磁極逆轉(zhuǎn)為時(shí)尚早。

　　20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的“發(fā)電機(jī)理論”認(rèn)為，地磁北極快速遷移的原因是“位于加拿大地區(qū)下面的高速液鐵射流”。這股噴射出來的液態(tài)鐵流體，讓加拿大附近的磁場變?nèi)?，從而使得地磁北極向著磁場更強(qiáng)的俄羅斯西伯利亞地區(qū)移動(dòng)?？茖W(xué)家認(rèn)為，地磁北極的位置，可能是由北極附近兩塊大的磁場的相互強(qiáng)弱決定的。

　　在地球漫長的歷史中曾出現(xiàn)多次磁極逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。關(guān)于磁極逆轉(zhuǎn)的原因，到現(xiàn)在也還無定論，占主流的有以下3種假說：第一種，認(rèn)為磁極倒轉(zhuǎn)是因?yàn)榈厍蛱幵阢y河系這個(gè)大磁場中，地球磁極的逆轉(zhuǎn)是根據(jù)銀河的磁極逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變的；第二種，認(rèn)為地球內(nèi)部的物質(zhì)不斷發(fā)生碰撞，碰撞的結(jié)果使地球內(nèi)部的磁場不斷地調(diào)整、變化；第三種，認(rèn)為隕石撞擊地球致使磁場發(fā)生了轉(zhuǎn)變。不過無論什么說法現(xiàn)在都是猜想，人類對(duì)地球、對(duì)宇宙的探索還將繼續(xù)。

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　　誰來揭開丹尼索瓦人的面紗

　　今年10月，以色列和西班牙科學(xué)家在《細(xì)胞》雜志上報(bào)告說，他們根據(jù)丹尼索瓦人的表觀遺傳信息重建了其容貌，這是對(duì)丹尼索瓦人骨骼解剖學(xué)特征的首次復(fù)原。

　　丹尼索瓦人是生活在上一個(gè)冰河時(shí)代的人類種群，因發(fā)現(xiàn)于西伯利亞的丹尼索瓦洞而得名。由于迄今發(fā)現(xiàn)的丹尼索瓦人化石少之又少，這支古人類一直帶著神秘色彩。

　　中科院青藏高原研究所所長陳發(fā)虎院士表示，目前丹尼索瓦人的化石證據(jù)和相關(guān)研究還非常有限，還不足以討論其起源地問題。從已知的丹尼索瓦人化石形成時(shí)間來看，夏河丹尼索瓦人化石最小年齡是距今16萬年，丹尼索瓦洞最老的丹尼索瓦人化石年齡可能距今19.5萬年，兩個(gè)地點(diǎn)化石年代上差別不大，很難說哪個(gè)一定出現(xiàn)更早。

　　而就目前發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦化石的兩處地點(diǎn)，還不能推測出具體的遷移路線。根據(jù)兩個(gè)地點(diǎn)的自然環(huán)境、丹尼索瓦人和現(xiàn)代藏族人群的遺傳學(xué)研究結(jié)果，及其高寒缺氧環(huán)境基因EPAS1攜帶情況推測，丹尼索瓦人有可能存在一個(gè)大致的由南向北的擴(kuò)散路線，但目前并沒有直接的證據(jù)可以證明這一點(diǎn)。

　　在陳發(fā)虎看來，目前丹尼索瓦洞的丹尼索瓦人基因組研究可以反映出他們可能曾經(jīng)在東亞廣泛分布，未來東亞地區(qū)一些新發(fā)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)會(huì)推動(dòng)我們對(duì)這一古老人群的認(rèn)識(shí)，包括起源、遷徙路徑等。

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　　確定“人骨湖”成因還需更多證據(jù)

　　今年9月，美國科學(xué)家發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于喜馬拉雅山脈“人骨湖”的研究成果?！叭斯呛北久小氨R普康”，位于喜馬拉雅山脈西南側(cè)，因二戰(zhàn)期間被發(fā)現(xiàn)時(shí)的恐怖畫面而更名：成百上千根人類大腿骨、肋條、手指節(jié)飄蕩在湖水中，還有許多碎骨躺在湖畔的石灘上。

　　這一發(fā)現(xiàn)旋即吸引了全世界的目光，幾十年來，眾多歷史學(xué)家、科學(xué)家和考古學(xué)家紛紛試圖解答這幾百人是什么身份？為什么會(huì)集中死在這？

　　美國哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員對(duì)來自“人骨湖”的38具骸骨做了DNA分析和放射碳測年。測年結(jié)果顯示，這些骸骨來自公元800年—1800年，男女比例基本對(duì)半分，其中14名個(gè)體可追溯至公元1800年左右。時(shí)間相隔約1000年，說明這些骸骨是因多次事件而堆積在此，并不是在同一時(shí)間內(nèi)集體死亡的。這就推翻了之前戰(zhàn)爭說和瘟疫說。

　　目前比較靠譜的是宗教說?！叭斯呛辈贿h(yuǎn)處就是全印度第二高峰楠達(dá)德維峰，著名的岡仁波齊就在楠達(dá)德維再往北一點(diǎn)。楠達(dá)德維也是當(dāng)?shù)刈诮涛幕械摹笆ド健?，“人骨湖”正好地處朝拜“圣山”的路線上。很有可能，那些信徒在朝拜過程中不幸遇難，最終匯集到了地勢低洼地帶的湖區(qū)。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，宗教說至少可以解釋部分尸體的來源，但有待更多證據(jù)來證明。

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　　人類意識(shí)從何而生

　　人為什么會(huì)有意識(shí)至今是個(gè)謎。

　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人們?cè)谟X醒并專注于某件事時(shí)，?？梢娨环N頻率較β波更高的γ波，其頻率為30Hz—80Hz，波幅范圍不定。有假說認(rèn)為，γ波也許與建立統(tǒng)一的清晰認(rèn)知有關(guān)——源自丘腦、大腦的神經(jīng)元電路，每秒40次掃描（40Hz，γ波特征）吸引不同的神經(jīng)元電路的同步，進(jìn)而增強(qiáng)意識(shí)、產(chǎn)生注意力。這一假說受丘腦受損的現(xiàn)象支持——丘腦受損后，40Hz腦電波難以形成，意識(shí)則無法喚醒，病人也陷入深度的昏迷。因此γ波被視為人腦意識(shí)活動(dòng)的標(biāo)志，但兩者之間的關(guān)系仍沒有定論。

　　2014年，有報(bào)道表明，研究人員首次通過高頻電脈沖刺激大腦屏狀體區(qū)域關(guān)閉人的意識(shí)，發(fā)現(xiàn)暗示屏狀體可能是將不同的大腦活動(dòng)匯集成思維、感覺和情緒的單一組織。但其他科學(xué)家對(duì)此謹(jǐn)慎地指出，目前只在一個(gè)人身上測試了意識(shí)關(guān)閉，而且實(shí)驗(yàn)對(duì)象是一名癲癇癥患者，海馬區(qū)受損的她不能代表普通人。

　　這個(gè)研究隨著影像科學(xué)的發(fā)展似乎有所轉(zhuǎn)機(jī)。2017年3月，《自然》雜志報(bào)道了一項(xiàng)新的數(shù)字重建技術(shù)和使用該技術(shù)帶來的新發(fā)現(xiàn)——在小鼠腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)了3個(gè)伸展至全腦的巨大神經(jīng)元。它之所以引起轟動(dòng)，是因?yàn)槿祟悘奈匆娺^在腦內(nèi)伸展范圍如此之廣的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元來自屏狀核。

　　對(duì)此，復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員黃志力說，目前的發(fā)現(xiàn)也并不能證明這是意識(shí)出現(xiàn)的唯一路徑，很可能是多系統(tǒng)的共同作用。

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　　我們的大腦是怎樣遺忘的

　　一直以來，科學(xué)家們把遺忘看作是記憶的一個(gè)小故障。然而，過去10年里，越來越多的證據(jù)表明，記憶的喪失并不是被動(dòng)的過程，而更像是一種主動(dòng)的過程，我們的大腦在不停地主動(dòng)遺忘。

　　那么，如果遺忘機(jī)制是主動(dòng)發(fā)生的，那么它在什么情況下會(huì)啟動(dòng)，遺忘機(jī)制為何會(huì)出問題等，這些目前還都有待科學(xué)研究給出答案。

　　通過對(duì)人類在睡眠中的監(jiān)測，有一些觀點(diǎn)可以證實(shí)，人在睡眠中會(huì)“主動(dòng)遺忘”。目前關(guān)于在睡眠中遺忘機(jī)制的啟動(dòng)主要有兩種觀點(diǎn)，一種是可能與下丘腦黑色素聚集激素神經(jīng)元有關(guān)，日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)一種僅在REM期（快速眼動(dòng)期）激活的一類神經(jīng)元可以分泌一種“黑色素聚集激素”的物質(zhì)，黑色素聚集激素神經(jīng)元的激活在促進(jìn)REM期睡眠的同時(shí)，顯著抑制海馬神經(jīng)元活性，導(dǎo)致遺忘，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了該說法的可信性。

　　另一種觀點(diǎn)可能與突觸重整來達(dá)到突觸穩(wěn)態(tài)有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，覺醒持續(xù)一定時(shí)間后，與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的通路會(huì)出現(xiàn)突觸數(shù)量增多、體積增大、膜上受體過多等表現(xiàn)，這些變化會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步占據(jù)有限空間，消耗能量，使突觸傳遞效率下降。睡眠可移除覺醒期細(xì)胞膜上增加的受體，減小一部分并不重要的新突觸，與此同時(shí)它還會(huì)巧妙地加強(qiáng)和保存一小部分比較重要的突觸，恢復(fù)突觸權(quán)重，保證突觸穩(wěn)態(tài)，從而提高突觸傳遞效率。

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　　中子短暫的一生仍令人迷惑

　　自由的中子能活多久？不到15分鐘。它短暫的一生令人迷惑。用不同方法測量，中子壽命有明顯差別，這事我們還解釋不了?？茖W(xué)家們相信，搞明白中子壽命的差異之謎，將通向新的理論，甚至突破粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。

　　中子本來可以長生不老——跟質(zhì)子結(jié)合，組成原子核的中子非常穩(wěn)定。但當(dāng)它不幸被甩出原子核（比如核裂變中脫離了鈾原子核），生命倒數(shù)就開始了，它很容易衰變成其他粒子。測量中子壽命的嘗試已有70年，但科學(xué)家仍無法達(dá)成一致。

　　由于中子衰變成的質(zhì)子是帶電荷的，不難用一個(gè)電磁陷阱來誘導(dǎo)和圍捕質(zhì)子流，并且數(shù)數(shù)它們有多少。很長的一段時(shí)間里，物理學(xué)家一直用這種方法逼近中子壽命的精確答案。美國馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為此奮斗了30年。2013年他們報(bào)道了最高精度結(jié)果：887.7秒，正負(fù)3.1秒。

　　與此同時(shí)，一群科學(xué)家另辟蹊徑：用保溫瓶儲(chǔ)存超冷中子，過一段時(shí)間后統(tǒng)計(jì)中子數(shù)量。2008年法國和俄國科學(xué)家的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：878.5秒，正負(fù)1秒。

　　目前為止，用“數(shù)質(zhì)子”方法測到的中子壽命平均在885.4秒左右；而“數(shù)中子”方法得到的結(jié)果是878.5秒左右。但是難題來了：近8秒的差距，無法用測量誤差來解釋。

　　而今年《自然》網(wǎng)站發(fā)表的文章，聚焦位于美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的超冷中子實(shí)驗(yàn)，它或許能更準(zhǔn)確地測量中子壽命。（記者 陸成寬）