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4.大腦如何思考，并形成記憶？

　　大腦就像是一臺(tái)化學(xué)計(jì)算機(jī)。神經(jīng)元之間相互作用所構(gòu)成的“環(huán)路”是通過(guò)分子介導(dǎo)的。具體來(lái)說(shuō)，就是神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）在突觸（synapse）間的傳遞，突觸指的就是兩個(gè)神經(jīng)細(xì)胞相連接的地方。而在這種大腦的化學(xué)反應(yīng)中，最令人印象深刻的，當(dāng)數(shù)記憶的運(yùn)作。對(duì)記憶而言，抽象的原理與概念——比如一串電話號(hào)碼，或者是一段情感體驗(yàn)——都會(huì)“印刻”在大腦里，持續(xù)不斷的化學(xué)信號(hào)形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各種特定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了這種“印刻”。那么，化學(xué)物質(zhì)是如何創(chuàng)造出一段既持續(xù)又動(dòng)態(tài)，還能夠被回憶、修改以及遺忘的記憶的呢？

　　我們現(xiàn)在已經(jīng)知道了部分答案。一連串生物化學(xué)過(guò)程，改變了突觸神經(jīng)遞質(zhì)分子的數(shù)量，從而觸發(fā)對(duì)習(xí)慣性反射的學(xué)習(xí)。但是，即便是這么簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)，也有短期和長(zhǎng)期之分。與此同時(shí)，一種復(fù)雜的“陳述性記憶”（declarative memory，即對(duì)人、地點(diǎn)等內(nèi)容的記憶）擁有另外一種工作機(jī)制，在大腦中的定位也不一樣。陳述性記憶與一種叫做NMDA受體的蛋白質(zhì)的活化有關(guān)，它分布在特定的大腦神經(jīng)元里。如果用藥物阻斷這種受體，好幾種不同類型的陳述性記憶都會(huì)受到影響。

　　我們?nèi)粘５年愂鲂杂洃浲峭ㄟ^(guò)一種叫做“長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)”（long-term potentiation，縮寫為L(zhǎng)TP）的過(guò)程來(lái)編碼的，LTP與NMDA受體有關(guān)，并伴隨著神經(jīng)元突觸形成部位的增大。隨著突觸的生長(zhǎng)，它與相鄰神經(jīng)元的連接也逐漸增強(qiáng)，具體表現(xiàn)就是到達(dá)突觸間隙的神經(jīng)脈沖所引起的電壓升高。這一過(guò)程的生物化學(xué)機(jī)制在過(guò)去數(shù)年內(nèi)業(yè)已闡明。其中涉及了神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的肌動(dòng)蛋白纖維的形成，肌動(dòng)蛋白作為細(xì)胞的一種基礎(chǔ)骨架成分，是決定細(xì)胞大小形狀的材料。如果用生化藥物阻礙新形成的纖維進(jìn)一步穩(wěn)固，在突觸發(fā)生的改變還沒(méi)有得到鞏固之前，這些纖維會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)再次解散。

　　無(wú)論是上述簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的學(xué)習(xí)過(guò)程，長(zhǎng)時(shí)記憶一旦形成，特定基因就會(huì)開(kāi)始表達(dá)，合成特定蛋白，極力維持長(zhǎng)時(shí)記憶。關(guān)于這個(gè)機(jī)制，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)與一類叫做prion的分子有關(guān)。

　　Prion蛋白有兩種不同構(gòu)象，一種可溶，另一種不可溶，可以互相轉(zhuǎn)換。當(dāng)它是以不可溶的構(gòu)象存在時(shí)，可以作為催化劑促使其他一些和它一樣的分子轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇艿臓顟B(tài)，從而聚集起來(lái)。人們最初發(fā)現(xiàn)prion蛋白是在神經(jīng)退行性疾病中，比如瘋牛病。但現(xiàn)在人們找到了prion蛋白的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)它也有有益的功能：突觸被prion蛋白聚集物打上特定的標(biāo)記用來(lái)儲(chǔ)存一段記憶。

　　關(guān)于記憶是如何工作的，目前還存在著大片空白，需要很多化學(xué)方面的細(xì)節(jié)來(lái)填補(bǔ)。比方說(shuō)，如何提取以前儲(chǔ)存的記憶？美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主埃里克·坎德?tīng)枺‥ric Kandel）表示：“這是個(gè)深?yuàn)W的問(wèn)題，目前的分析剛剛起步�！�

　　回答記憶領(lǐng)域的化學(xué)問(wèn)題為記憶增強(qiáng)藥提供了既迷人又充滿爭(zhēng)議的前景。目前已知的一些可以增強(qiáng)記憶的物質(zhì)有：性激素和分別作用于尼古丁、谷氨酸、5-羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)的受體的合成化合物。實(shí)際上，按加利福尼亞大學(xué)歐文分校的神經(jīng)生物學(xué)家加里·林奇（Gary Lynch）的說(shuō)法，由于長(zhǎng)時(shí)程學(xué)習(xí)和記憶有一連串復(fù)雜的步驟，也就意味著為這類記憶增強(qiáng)藥的產(chǎn)生提供了很多潛在的靶點(diǎn)。

5.到底存在多少種元素？

　　學(xué)校教室墻上貼著的元素周期表（the periodic table）一直都在不停地修訂，這是因?yàn)槿祟惏l(fā)現(xiàn)的元素?cái)?shù)量在不停增長(zhǎng)。使用粒子加速器讓原子核對(duì)撞，科學(xué)家可以制造出新的“超重元素”（superheavy elements）。相比從自然界發(fā)現(xiàn)的92種元素，超重元素的原子核擁有更高的質(zhì)子（proton）數(shù)與中子（neutron）數(shù)。它們巨大的原子核非常不穩(wěn)定——在極短的時(shí)間內(nèi)（通常只有幾千分之一秒到幾分之一秒），它們就會(huì)衰變（這種衰變具有放射性）。但是，在它們存在的時(shí)間內(nèi)，這些新的人工合成元素，例如钅喜（seaborgium，第106號(hào)元素）以及钅黑（hassium，第108號(hào)元素），和其他元素一樣，都具有能夠被準(zhǔn)確定義的化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)精妙設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們抓住少量的钅喜和钅黑在衰變之前短暫存在的一瞬間，測(cè)量了它們的部分化學(xué)性質(zhì)。

　　這些研究不僅僅是對(duì)性質(zhì)的測(cè)量，它們還探索了元素周期表概念上的限制：超重元素能否延續(xù)元素周期表展現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律與趨勢(shì)（這些化學(xué)規(guī)律在元素周期表誕生之初便已經(jīng)被歸納出來(lái)）？答案是，有些延續(xù)了規(guī)律，有些則沒(méi)有。特別是，如此之大的原子核緊緊抓住了原子最里層的電子，因而這些電子能以接近光速運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而根據(jù)狹義相對(duì)論（special relativity）效應(yīng)，這些電子的質(zhì)量會(huì)增大，有可能破壞量子化的能量狀態(tài)（即不連續(xù)的能級(jí)），而它們的化學(xué)性質(zhì)——進(jìn)而以此形成的元素周期表——都是依賴于能級(jí)理論建立的。

　　由于物理學(xué)家認(rèn)為，只要原子核擁有“魔數(shù)”數(shù)目的質(zhì)子和中子，就會(huì)特別穩(wěn)定，因此他們想在元素周期表中找出一個(gè)名為“穩(wěn)定島”（island of stability）的區(qū)域——在這個(gè)區(qū)域中，超重元素更穩(wěn)定，壽命更長(zhǎng)，目前的合成技術(shù)還無(wú)法合成出這樣的元素。但是，超重元素的大小是否有極限？依據(jù)相對(duì)論的一項(xiàng)簡(jiǎn)單計(jì)算告訴我們，電子無(wú)法被擁有超過(guò)137個(gè)質(zhì)子的原子核束縛。更加復(fù)雜的計(jì)算也證實(shí)了這個(gè)極限。然而，來(lái)自德國(guó)法蘭克福-歌德大學(xué)的核物理學(xué)家沃爾特·格雷納（Walter Greiner）卻堅(jiān)持認(rèn)為：“元素周期表絕對(duì)不會(huì)在第137號(hào)元素前止步不前；事實(shí)上，它永無(wú)止境�！钡�，要想通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證格雷納的斷言，從目前的研究水平來(lái)看，這還是一個(gè)很遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

6.我們能用碳元素制造出電腦嗎？

　　如果電腦芯片能用石墨烯（graphene，一種單層網(wǎng)狀碳單質(zhì)材料，參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2008年第5期《延續(xù)摩爾定律的新材料》一文）來(lái)制造，那么，未來(lái)的電腦將比現(xiàn)在的硅芯片電腦運(yùn)行速度更快，性能更加強(qiáng)勁。石墨烯發(fā)現(xiàn)于2004年，2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了石墨烯的發(fā)現(xiàn)者，但要將石墨烯為代表的各種碳納米材料技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用，最終還依賴于化學(xué)家能否創(chuàng)造出精密度達(dá)原子級(jí)別的結(jié)構(gòu)。

　　早在1985年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了巴基球（buckyball，一種由碳原子組成的中空籠形碳單質(zhì)結(jié)構(gòu)），這可算是碳納米材料研究的開(kāi)端。6年之后，碳納米管（carbon nanotube）開(kāi)始了它的首演，碳納米管的管壁由呈六邊形整齊連接的碳原子構(gòu)成，就像是把單層石墨（graphite）材料卷了起來(lái)。這種中空的材料異常堅(jiān)韌，具有非常優(yōu)秀的導(dǎo)電性。碳納米管材料有望被用于從高強(qiáng)度的碳復(fù)合材料到微小的導(dǎo)線和電子裝置，從微型分子膠囊到濾水薄膜等各個(gè)領(lǐng)域。

　　盡管期望中的用途很多，但如今碳納米管還很少有成功的商業(yè)應(yīng)用。例如，研究者目前還無(wú)法解決如何將碳納米管和復(fù)雜的電子芯片連接起來(lái)的問(wèn)題。時(shí)間再近一些，石墨登上了舞臺(tái)中央，因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨可以被分離成單層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就像薄板一樣，這種單層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，也就是我們所說(shuō)的石墨烯，它可以用來(lái)制備超微小、廉價(jià)且堅(jiān)固穩(wěn)定的電子芯片�，F(xiàn)在IT領(lǐng)域都對(duì)石墨烯抱以厚望，希望能夠?qū)⒄瓗罨蚓W(wǎng)狀的石墨烯材料應(yīng)用到計(jì)算機(jī)工業(yè)中，做出達(dá)到原子尺度的器件，集成到芯片中，這樣新一代計(jì)算機(jī)就能比目前基于硅技術(shù)的產(chǎn)品擁有更強(qiáng)的性能（請(qǐng)參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2010年第2期《未來(lái)20年的芯片》一文）。

　　美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的碳材料專家瓦爾特·德希爾（Walt de Heer）說(shuō)：“石墨烯可以做成各種形狀，所以碳納米管時(shí)代的連接、放置問(wèn)題就不復(fù)存在了�！�

　　但是，德希爾繼續(xù)指出，要把石墨烯制作成我們需要的形狀，達(dá)到單個(gè)原子尺度，目前的工藝（例如刻蝕技術(shù)）都無(wú)法企及，因此，他也聽(tīng)到一些言論，說(shuō)石墨烯技術(shù)目前被炒得過(guò)熱，而真正的技術(shù)還差之甚遠(yuǎn)。通過(guò)有機(jī)化學(xué)的技巧，由下及上地制備石墨烯電路——也就是將含有數(shù)個(gè)正六邊形碳原子環(huán)的“多芳烴分子”（polyaromatic molecule，看上去就像石墨烯片層的一個(gè)部分）連接起來(lái)——或許是一個(gè)關(guān)鍵步驟，以此可以達(dá)到上述工程學(xué)精度，最終開(kāi)啟未來(lái)通向石墨烯電子學(xué)的大門。