论文部分内容阅读
看透大脑的构造？哈利波特的隐形斗篷？这些真的只存在于科幻和魔幻小说中吗？NO！在科学家的实验室中，这些正在逐渐通过科技这一伟大的“魔法师”变成现实。在不久的未来，它们也将影响我们的生活。
1.能够一眼看穿大脑结构的技术
新技术提供了更好的大脑成像前景。
如果你百度一下“透明老鼠”，一大波透明的啮齿动物便会向你“袭来”。由于日本RIKEN脑科学研究所科学家的辛勤工作，如今想要看穿动物的大脑组织，已经不算什么难事儿了。科学家们发现了一种由尿素、甘油和肥皂构成的混合物能够使细胞膜变得透明，还可将细胞中的色素去除，从而使整个细胞看起来透明到“消失不见”。而这种名为“ScaleS”的神奇试剂却对荧光剂没有任何效力，这意味着如果先用荧光蛋白标记特定的细胞，再加入“ScaleS”试剂使其他细胞消失后，就会只留下发着光的荧光蛋白部位。这项技术使得人们可以通过显微镜更有效地观察小鼠大脑深层的特定结构，也可用于制作各种大脑结构的3D图像。现在，研究人员已经使用这种方法绘制了小鼠大脑皮层的立体神经元网络。
追光太阳能“电池带”
此外，研究人员还运用该技术分析了患有阿尔兹海默症（老年痴呆症）的小鼠大脑。先前的研究曾指出大脑中β-淀粉样蛋白与血小板的异常沉积是造成阿尔兹海默症的重要原因，现在科学家正应用“ScaleS”分析β-淀粉样蛋白和血小板的异常形成方式，希望可以进一步破解这种疾病。
2.“水熊牌”生物玻璃
在动物分类学中被划分为缓步动物门的微小生物们也被统称为“水熊”，是一类能够忍耐极低或极高温度，甚至可以在真空环境中生存的神奇生物。科学家发现，水熊在极端环境中，身体会缩成圆桶状并自动脱水，体表覆盖一种玻璃状的分子将自己完全包裹，维持一种新陈代谢停滞的生命状态。
要想提高玻璃强度，跟着水熊找灵感吧。
水熊的这种属性让芝加哥大学的科学家如获至宝。他们鉴定出了水熊的“生物玻璃”是由一种叫作“内紊乱蛋白IDPs”的特殊蛋白形成的。这种蛋白平时在水熊体内含量并不高，且没有固定的形状，而一旦面临极端条件，内紊乱蛋白的合成量则会明显提升，并且开始以特定的组合形式排列，形成坚固的“玻璃”保护壳。
我们生活中常见的玻璃属于非晶体，其分子结构排列是无序的。但水熊身上发现的“生物玻璃”的分子却排列有序。这一新发现已经引导科学家们制造出了全新材质的“有序化”玻璃，并将有效提升LED、太阳能电池和光学材料的性能。
新型穿戴式设备可以追踪碳排放量。
3.穿戴式能源传感器
穿戴型智能设备已经在我们的生活中变得越来越普遍，例如近两年广泛流行的电子手环，就可以帮助我们监测自己在运动中每天消耗的卡路里。近来，美国的研究人员开发了一种名叫“MagnifiSense”的可穿戴式能源传感设备，但这款设备并不是用来测定人体消耗的卡路里，而是通过计量佩戴者对私家车、公交车和家用电器的使用情况，计算出其日常生活中的碳排放量。
不同的电子设备（包括微波炉、搅拌器、遥控器、电动牙刷、手提电脑、调光器等）以及汽车的马达都会分别发出独立的电磁辐射信号。基于这一原理，MagnifiSense的传感器通过识别和记录各种设备分别释放的电磁辐射，就可以计算出每日的碳排放量，并为环境保护工作提供更为确切的数据。
4.咖啡因或影响生物钟
众所周知，咖啡能够让人在白天的工作中保持清醒、开足马力，也能让人在夜间辗转反侧、彻夜难眠。现在，科学家发现，咖啡因还对人们的生物钟有影响。美国科罗拉多大学的研究人员通过检测唾液中的褪黑素（人体生物钟的重要调节剂），发现如果临睡前3小时喝两份浓咖啡，人体的生物钟就会推迟40分钟。这项研究发现将帮助我们更好地探索失眠的原因，也许以后还能帮助远行的人们成功地对付时差造成的困扰。
5.阳光追踪型太阳能电池
可弯曲的太阳能电池带
比起固定不动的平铺型太阳能电池板，能够根据阳光自主调节位置的追光型太阳能电池板必然能够吸收更多的能量。但如果要带动整块太阳能电池板随阳光转动，就需要安装一个体积和重量都非常巨大的电机，而绝大多数的屋顶都无法承受这一重量，这也就限制了追光型太阳板的推广和应用。
不过，美国密歇根大学最近以传统的剪纸艺术为原型，设计出了一款轻量级、可弯曲的新型太阳能“电池带”。这种“电池带”不但质量更轻，还可以通过拉动“电池带”的两端，在不损坏太阳能膜的前提下，形成不同状态的立体形状。因此只要随着太阳的移动调节拉力，就可以更有效地追踪阳光（大家可以照图自己做一个简单的纸模型，拉动它以了解这一工作原理）。 经过测试，在使用等量的半导体太阳能材料时，这种剪纸型的“电池带”比传统的电池板可以多产生20%～40%的电能。现在仅需使用一个简单的动力装置，就可以轻松解决上述问题，让追逐太阳和利用阳光变得更加切实可行起来。
6.声波控制大脑
一种既能激活大脑、心脏和肌肉中的细胞，又能不误伤其他细胞的新技术已经试验成功，这样的技术必将成为医学的巨大进步。现在，美国萨克生物研究学院已经在蠕虫身上利用超声波将此试验测试成功。
在生物体内，神经组织通过向脊髓和大脑传导兴奋让我们感知外界环境，并让身体作出相应的反应。而神经细胞正是通过Na 、K 离子通过通道蛋白出入细胞膜，形成细胞内外正负电荷的变化，从而完成传导兴奋的工作。在这个试验中，超声波脉冲之所以能起作用，是因为研究人员将一种对触觉敏感的通道蛋白通过基因改造的方式添加到特定的大脑神经细胞中。当受到超声波脉冲冲击时，这些蛋白通道就会打开，使带电离子通过，并触发神经兴奋。通过这种方式，研究人员就可用超声波成功“控制”蠕虫的大脑，让它们改变行进的方向、停止前行，或者更加频繁地急速转向。
在未来，这项技术将有可能应用于人类大脑，或许将替代当今的深层脑部电刺激疗法成为一种治疗帕金森等大脑疾病的新疗法（使用脑深部电刺激疗法治疗帕金森病，是在脑内特定的神经处植入电极，通过释放电刺激，抑制一些过度兴奋的神经元电冲动，达到治疗的目的）。
7.打破“人工光合作用”纪录
保持了17年人工光合作用效能的记录终于被打破啦！
模拟植物的光合作用，利用取之不尽的太阳能，将水、二氧化碳等转化为燃料和工业原料，这就是“人工光合作用”。这种不再依赖石油、煤炭等化石燃料的新技术被新能源产业寄予厚望。在提出“人工光合作用”的30多年中，科学家们一直致力于提高人工光合作用的转化率，让这种新能源技术变得经济可行。2015年，一个由德国柏林太阳能燃料研究所、德国菲劳恩霍夫太阳能系统研究所以及美国加州理工学院共同组成的国际研究小组成功地制造出了一种改良的太阳能电池，将人工光合转化效率提升到了14%，打破了美国国家再生能源实验室保持了17年的12.4%的太阳能转化率纪录。
这一新的纪录将更为经济有效地使水分解成为氧气和氢气（一种重要的新型能源——氢燃料）。氢气具有非常高的能量密度，可以在许多方面替代化石燃料，同时，氢在燃烧中还不会放出二氧化碳等有害气体，将大大减少地球上的碳排放量。未来“人工光合作用”很有可能脱离实验室的小打小闹，而进入商业化的大生产和应用中。
8.科学饮食的最新方法
最好的减肥和养生方法莫过于听从自己肠道的指引。瑞典查尔姆斯理工大学的科学家在这一方面迈出了定制个性化饮食的第一步，这就是：先搞清楚个人消化系统的细菌构成情况。通过研究发现，在人类消化系统中存在上千种不同类型的细菌和其他微生物群落（它们统一被称为“肠道微生物”），其中许多微生物都以一种或多种固定的方式进行代谢。每个人的肠道微生物多样性差异其实非常大，这些差异影响着不同人对同一类型食物的代谢水平，也影响着不同人的减肥效果。为什么有些人吃很多高糖类食品都可以维持苗条的身材，而另一些人却一吃就胖，也许我们应该换个角度，从探索肠道微生物寻找答案了。
随着科学研究的进一步深入，将可以让肠道微生物来告诉我们每个人该怎样吃才会健康并不致于肥胖。从长远来看，还有望为那些代谢功能较差的人适当补充肠道菌群，让他们也变得更加健康。未来的饮食建议也许真的会根据个人的肠道微生物来进行专属订制啦！
9.预知植物大小
要是只看到植物的幼苗，就能预测到它将来能长多大，这该是一件多棒的事情！现在比利时VIB研究所的科学家开发的新技术就把这个梦想变成了现实。
我们都知道，DNA中包含着几乎全套的遗传信息，但这些遗传信息并不是在每一个植物细胞中都同步表达。例如：负责植物开花的遗传信息就不会在根部细胞中表达。DNA的遗传信息必须通过转录成RNA并合成蛋白质才可成功表达。换句话说，RNA可以更好地反映出基因的活跃程度。研究人员通过对玉米幼苗叶片的细胞分裂区域进行了RNA的研究，确定了植物生长和植株大小的决定机制，并已将一组RNA分子与植物的外部特征联系起来（如最终的叶大小和生物量的产生）。该项技术正是依据了这一研究结论。
长期以来，植物学家都是通过杂交育种的方法让新产生的植物产量提升或可以更好地抵抗病虫害，但选择合适的杂交植株却是非常耗时耗力的，需要等待它们从幼苗长成植株或结出果实后再加以判断。显然，这项新技术在未来将帮助植物育种人员很快辨认出长势最好的植株，再也不用掰着手指头等植物长大了;这种新技术还将可以帮助育种人员在幼苗期就判断出植物的抗病虫害能力，并因此显著地提升植物杂交育种的速度。
10.超薄的“隐形斗篷”
哈利波特的魔法隐形斗篷离真实化越来越近。
这是一种超薄的“隐形斗篷”，在可见光下可以将物体“隐藏”起来。
这种斗篷的表面是采用一种人工合成材料，它的纳米结构可以将光线反射到“错误”的路径上去，改变光线进入眼睛的方式，从而让我们觉得物体消失不见了。同时，这款斗篷异常轻薄，厚度仅有80纳米（1纳米=10-9米）。目前，这个所谓的“隐形斗篷”的尺寸还在微观级别，仅用显微镜才能看到。但美国伯克利实验室的研究学家们相信，未来将可以继续扩展这种“隐形斗篷”的尺寸，让它包裹更大的物体。另外，这种技术在未来还可能用于3D展示中。
1.能够一眼看穿大脑结构的技术
如果你百度一下“透明老鼠”，一大波透明的啮齿动物便会向你“袭来”。由于日本RIKEN脑科学研究所科学家的辛勤工作，如今想要看穿动物的大脑组织，已经不算什么难事儿了。科学家们发现了一种由尿素、甘油和肥皂构成的混合物能够使细胞膜变得透明，还可将细胞中的色素去除，从而使整个细胞看起来透明到“消失不见”。而这种名为“ScaleS”的神奇试剂却对荧光剂没有任何效力，这意味着如果先用荧光蛋白标记特定的细胞，再加入“ScaleS”试剂使其他细胞消失后，就会只留下发着光的荧光蛋白部位。这项技术使得人们可以通过显微镜更有效地观察小鼠大脑深层的特定结构，也可用于制作各种大脑结构的3D图像。现在，研究人员已经使用这种方法绘制了小鼠大脑皮层的立体神经元网络。
此外，研究人员还运用该技术分析了患有阿尔兹海默症（老年痴呆症）的小鼠大脑。先前的研究曾指出大脑中β-淀粉样蛋白与血小板的异常沉积是造成阿尔兹海默症的重要原因，现在科学家正应用“ScaleS”分析β-淀粉样蛋白和血小板的异常形成方式，希望可以进一步破解这种疾病。
2.“水熊牌”生物玻璃
在动物分类学中被划分为缓步动物门的微小生物们也被统称为“水熊”，是一类能够忍耐极低或极高温度，甚至可以在真空环境中生存的神奇生物。科学家发现，水熊在极端环境中，身体会缩成圆桶状并自动脱水，体表覆盖一种玻璃状的分子将自己完全包裹，维持一种新陈代谢停滞的生命状态。
水熊的这种属性让芝加哥大学的科学家如获至宝。他们鉴定出了水熊的“生物玻璃”是由一种叫作“内紊乱蛋白IDPs”的特殊蛋白形成的。这种蛋白平时在水熊体内含量并不高，且没有固定的形状，而一旦面临极端条件，内紊乱蛋白的合成量则会明显提升，并且开始以特定的组合形式排列，形成坚固的“玻璃”保护壳。
我们生活中常见的玻璃属于非晶体，其分子结构排列是无序的。但水熊身上发现的“生物玻璃”的分子却排列有序。这一新发现已经引导科学家们制造出了全新材质的“有序化”玻璃，并将有效提升LED、太阳能电池和光学材料的性能。
3.穿戴式能源传感器
穿戴型智能设备已经在我们的生活中变得越来越普遍，例如近两年广泛流行的电子手环，就可以帮助我们监测自己在运动中每天消耗的卡路里。近来，美国的研究人员开发了一种名叫“MagnifiSense”的可穿戴式能源传感设备，但这款设备并不是用来测定人体消耗的卡路里，而是通过计量佩戴者对私家车、公交车和家用电器的使用情况，计算出其日常生活中的碳排放量。
不同的电子设备（包括微波炉、搅拌器、遥控器、电动牙刷、手提电脑、调光器等）以及汽车的马达都会分别发出独立的电磁辐射信号。基于这一原理，MagnifiSense的传感器通过识别和记录各种设备分别释放的电磁辐射，就可以计算出每日的碳排放量，并为环境保护工作提供更为确切的数据。
4.咖啡因或影响生物钟
众所周知，咖啡能够让人在白天的工作中保持清醒、开足马力，也能让人在夜间辗转反侧、彻夜难眠。现在，科学家发现，咖啡因还对人们的生物钟有影响。美国科罗拉多大学的研究人员通过检测唾液中的褪黑素（人体生物钟的重要调节剂），发现如果临睡前3小时喝两份浓咖啡，人体的生物钟就会推迟40分钟。这项研究发现将帮助我们更好地探索失眠的原因，也许以后还能帮助远行的人们成功地对付时差造成的困扰。
5.阳光追踪型太阳能电池
比起固定不动的平铺型太阳能电池板，能够根据阳光自主调节位置的追光型太阳能电池板必然能够吸收更多的能量。但如果要带动整块太阳能电池板随阳光转动，就需要安装一个体积和重量都非常巨大的电机，而绝大多数的屋顶都无法承受这一重量，这也就限制了追光型太阳板的推广和应用。
不过，美国密歇根大学最近以传统的剪纸艺术为原型，设计出了一款轻量级、可弯曲的新型太阳能“电池带”。这种“电池带”不但质量更轻，还可以通过拉动“电池带”的两端，在不损坏太阳能膜的前提下，形成不同状态的立体形状。因此只要随着太阳的移动调节拉力，就可以更有效地追踪阳光（大家可以照图自己做一个简单的纸模型，拉动它以了解这一工作原理）。 经过测试，在使用等量的半导体太阳能材料时，这种剪纸型的“电池带”比传统的电池板可以多产生20%～40%的电能。现在仅需使用一个简单的动力装置，就可以轻松解决上述问题，让追逐太阳和利用阳光变得更加切实可行起来。
6.声波控制大脑
一种既能激活大脑、心脏和肌肉中的细胞，又能不误伤其他细胞的新技术已经试验成功，这样的技术必将成为医学的巨大进步。现在，美国萨克生物研究学院已经在蠕虫身上利用超声波将此试验测试成功。
在生物体内，神经组织通过向脊髓和大脑传导兴奋让我们感知外界环境，并让身体作出相应的反应。而神经细胞正是通过Na 、K 离子通过通道蛋白出入细胞膜，形成细胞内外正负电荷的变化，从而完成传导兴奋的工作。在这个试验中，超声波脉冲之所以能起作用，是因为研究人员将一种对触觉敏感的通道蛋白通过基因改造的方式添加到特定的大脑神经细胞中。当受到超声波脉冲冲击时，这些蛋白通道就会打开，使带电离子通过，并触发神经兴奋。通过这种方式，研究人员就可用超声波成功“控制”蠕虫的大脑，让它们改变行进的方向、停止前行，或者更加频繁地急速转向。
在未来，这项技术将有可能应用于人类大脑，或许将替代当今的深层脑部电刺激疗法成为一种治疗帕金森等大脑疾病的新疗法（使用脑深部电刺激疗法治疗帕金森病，是在脑内特定的神经处植入电极，通过释放电刺激，抑制一些过度兴奋的神经元电冲动，达到治疗的目的）。
7.打破“人工光合作用”纪录
保持了17年人工光合作用效能的记录终于被打破啦！
模拟植物的光合作用，利用取之不尽的太阳能，将水、二氧化碳等转化为燃料和工业原料，这就是“人工光合作用”。这种不再依赖石油、煤炭等化石燃料的新技术被新能源产业寄予厚望。在提出“人工光合作用”的30多年中，科学家们一直致力于提高人工光合作用的转化率，让这种新能源技术变得经济可行。2015年，一个由德国柏林太阳能燃料研究所、德国菲劳恩霍夫太阳能系统研究所以及美国加州理工学院共同组成的国际研究小组成功地制造出了一种改良的太阳能电池，将人工光合转化效率提升到了14%，打破了美国国家再生能源实验室保持了17年的12.4%的太阳能转化率纪录。
这一新的纪录将更为经济有效地使水分解成为氧气和氢气（一种重要的新型能源——氢燃料）。氢气具有非常高的能量密度，可以在许多方面替代化石燃料，同时，氢在燃烧中还不会放出二氧化碳等有害气体，将大大减少地球上的碳排放量。未来“人工光合作用”很有可能脱离实验室的小打小闹，而进入商业化的大生产和应用中。
8.科学饮食的最新方法
最好的减肥和养生方法莫过于听从自己肠道的指引。瑞典查尔姆斯理工大学的科学家在这一方面迈出了定制个性化饮食的第一步，这就是：先搞清楚个人消化系统的细菌构成情况。通过研究发现，在人类消化系统中存在上千种不同类型的细菌和其他微生物群落（它们统一被称为“肠道微生物”），其中许多微生物都以一种或多种固定的方式进行代谢。每个人的肠道微生物多样性差异其实非常大，这些差异影响着不同人对同一类型食物的代谢水平，也影响着不同人的减肥效果。为什么有些人吃很多高糖类食品都可以维持苗条的身材，而另一些人却一吃就胖，也许我们应该换个角度，从探索肠道微生物寻找答案了。
随着科学研究的进一步深入，将可以让肠道微生物来告诉我们每个人该怎样吃才会健康并不致于肥胖。从长远来看，还有望为那些代谢功能较差的人适当补充肠道菌群，让他们也变得更加健康。未来的饮食建议也许真的会根据个人的肠道微生物来进行专属订制啦！
9.预知植物大小
要是只看到植物的幼苗，就能预测到它将来能长多大，这该是一件多棒的事情！现在比利时VIB研究所的科学家开发的新技术就把这个梦想变成了现实。
我们都知道，DNA中包含着几乎全套的遗传信息，但这些遗传信息并不是在每一个植物细胞中都同步表达。例如：负责植物开花的遗传信息就不会在根部细胞中表达。DNA的遗传信息必须通过转录成RNA并合成蛋白质才可成功表达。换句话说，RNA可以更好地反映出基因的活跃程度。研究人员通过对玉米幼苗叶片的细胞分裂区域进行了RNA的研究，确定了植物生长和植株大小的决定机制，并已将一组RNA分子与植物的外部特征联系起来（如最终的叶大小和生物量的产生）。该项技术正是依据了这一研究结论。
长期以来，植物学家都是通过杂交育种的方法让新产生的植物产量提升或可以更好地抵抗病虫害，但选择合适的杂交植株却是非常耗时耗力的，需要等待它们从幼苗长成植株或结出果实后再加以判断。显然，这项新技术在未来将帮助植物育种人员很快辨认出长势最好的植株，再也不用掰着手指头等植物长大了;这种新技术还将可以帮助育种人员在幼苗期就判断出植物的抗病虫害能力，并因此显著地提升植物杂交育种的速度。
10.超薄的“隐形斗篷”
这是一种超薄的“隐形斗篷”，在可见光下可以将物体“隐藏”起来。
这种斗篷的表面是采用一种人工合成材料，它的纳米结构可以将光线反射到“错误”的路径上去，改变光线进入眼睛的方式，从而让我们觉得物体消失不见了。同时，这款斗篷异常轻薄，厚度仅有80纳米（1纳米=10-9米）。目前，这个所谓的“隐形斗篷”的尺寸还在微观级别，仅用显微镜才能看到。但美国伯克利实验室的研究学家们相信，未来将可以继续扩展这种“隐形斗篷”的尺寸，让它包裹更大的物体。另外，这种技术在未来还可能用于3D展示中。