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4.大腦如何思考，并形成記憶？

　　大腦就像是一臺化學計算機。神經(jīng)元之間相互作用所構成的“環(huán)路”是通過分子介導的。具體來說，就是神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）在突觸（synapse）間的傳遞，突觸指的就是兩個神經(jīng)細胞相連接的地方。而在這種大腦的化學反應中，最令人印象深刻的，當數(shù)記憶的運作。對記憶而言，抽象的原理與概念——比如一串電話號碼，或者是一段情感體驗——都會“印刻”在大腦里，持續(xù)不斷的化學信號形成了神經(jīng)網(wǎng)絡的各種特定狀態(tài)，從而實現(xiàn)了這種“印刻”。那么，化學物質(zhì)是如何創(chuàng)造出一段既持續(xù)又動態(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。一連串生物化學過程，改變了突觸神經(jīng)遞質(zhì)分子的數(shù)量，從而觸發(fā)對習慣性反射的學習。但是，即便是這么簡單的學習，也有短期和長期之分。與此同時，一種復雜的“陳述性記憶”（declarative memory，即對人、地點等內(nèi)容的記憶）擁有另外一種工作機制，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，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受到影響。

　　我們?nèi)粘５年愂鲂杂洃浲峭ㄟ^一種叫做“長時程增強”（long-term potentiation，縮寫為LTP）的過程來編碼的，LTP與NMDA受體有關，并伴隨著神經(jīng)元突觸形成部位的增大。隨著突觸的生長，它與相鄰神經(jīng)元的連接也逐漸增強，具體表現(xiàn)就是到達突觸間隙的神經(jīng)脈沖所引起的電壓升高。這一過程的生物化學機制在過去數(shù)年內(nèi)業(yè)已闡明。其中涉及了神經(jīng)細胞內(nèi)的肌動蛋白纖維的形成，肌動蛋白作為細胞的一種基礎骨架成分，是決定細胞大小形狀的材料。如果用生化藥物阻礙新形成的纖維進一步穩(wěn)固，在突觸發(fā)生的改變還沒有得到鞏固之前，這些纖維會在很短的時間內(nèi)再次解散。

　　無論是上述簡單的還是復雜的學習過程，長時記憶一旦形成，特定基因就會開始表達，合成特定蛋白，極力維持長時記憶。關于這個機制，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)與一類叫做prion的分子有關。

　　Prion蛋白有兩種不同構象，一種可溶，另一種不可溶，可以互相轉換。當它是以不可溶的構象存在時，可以作為催化劑促使其他一些和它一樣的分子轉變?yōu)椴豢扇艿臓顟B(tài)，從而聚集起來。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記用來儲存一段記憶。

　　關于記憶是如何工作的，目前還存在著大片空白，需要很多化學方面的細節(jié)來填補。比方說，如何提取以前儲存的記憶？美國哥倫比亞大學的神經(jīng)科學家、諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主埃里克·坎德爾（Eric Kandel）表示：“這是個深奧的問題，目前的分析剛剛起步。”

　　回答記憶領域的化學問題為記憶增強藥提供了既迷人又充滿爭議的前景。目前已知的一些可以增強記憶的物質(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。實際上，按加利福尼亞大學歐文分校的神經(jīng)生物學家加里·林奇（Gary Lynch）的說法，由于長時程學習和記憶有一連串復雜的步驟，也就意味著為這類記憶增強藥的產(chǎn)生提供了很多潛在的靶點。

5.到底存在多少種元素？

　　學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，這是因為人類發(fā)現(xiàn)的元素數(shù)量在不停增長。使用粒子加速器讓原子核對撞，科學家可以制造出新的“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——在極短的時間內(nèi)（通常只有幾千分之一秒到幾分之一秒），它們就會衰變（這種衰變具有放射性）。但是，在它們存在的時間內(nèi)，這些新的人工合成元素，例如钅喜（seaborgium，第106號元素）以及钅黑（hassium，第108號元素），和其他元素一樣，都具有能夠被準確定義的化學性質(zhì)。通過精妙設計的實驗，科學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，測量了它們的部分化學性質(zhì)。

　　這些研究不僅僅是對性質(zhì)的測量，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)出來的規(guī)律與趨勢（這些化學規(guī)律在元素周期表誕生之初便已經(jīng)被歸納出來）？答案是，有些延續(xù)了規(guī)律，有些則沒有。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動。進而根據(jù)狹義相對論（special relativity）效應，這些電子的質(zhì)量會增大，有可能破壞量子化的能量狀態(tài)（即不連續(xù)的能級），而它們的化學性質(zhì)——進而以此形成的元素周期表——都是依賴于能級理論建立的。

　　由于物理學家認為，只要原子核擁有“魔數(shù)”數(shù)目的質(zhì)子和中子，就會特別穩(wěn)定，因此他們想在元素周期表中找出一個名為“穩(wěn)定島”（island of stability）的區(qū)域——在這個區(qū)域中，超重元素更穩(wěn)定，壽命更長，目前的合成技術還無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)相對論的一項簡單計算告訴我們，電子無法被擁有超過137個質(zhì)子的原子核束縛。更加復雜的計算也證實了這個極限。然而，來自德國法蘭克福-歌德大學的核物理學家沃爾特·格雷納（Walter Greiner）卻堅持認為：“元素周期表絕對不會在第137號元素前止步不前；事實上，它永無止境。”但是，要想通過實驗來驗證格雷納的斷言，從目前的研究水平來看，這還是一個很遙遠的目標。

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《環(huán)球科學》2008年第5期《延續(xù)摩爾定律的新材料》一文）來制造，那么，未來的電腦將比現(xiàn)在的硅芯片電腦運行速度更快，性能更加強勁。石墨烯發(fā)現(xiàn)于2004年，2010年的諾貝爾物理學獎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推向?qū)嶋H應用，最終還依賴于化學家能否創(chuàng)造出精密度達原子級別的結構。

　　早在1985年，科學家就發(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)結構），這可算是碳納米材料研究的開端。6年之后，碳納米管（carbon nanotube）開始了它的首演，碳納米管的管壁由呈六邊形整齊連接的碳原子構成，就像是把單層石墨（graphite）材料卷了起來。這種中空的材料異常堅韌，具有非常優(yōu)秀的導電性。碳納米管材料有望被用于從高強度的碳復合材料到微小的導線和電子裝置，從微型分子膠囊到濾水薄膜等各個領域。

　　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)應用。例如，研究者目前還無法解決如何將碳納米管和復雜的電子芯片連接起來的問題。時間再近一些，石墨登上了舞臺中央，因為科學家發(fā)現(xiàn)，石墨可以被分離成單層的網(wǎng)狀結構，就像薄板一樣，這種單層網(wǎng)狀結構材料，也就是我們所說的石墨烯，它可以用來制備超微小、廉價且堅固穩(wěn)定的電子芯片。現(xiàn)在IT領域都對石墨烯抱以厚望，希望能夠?qū)⒄瓗罨蚓W(wǎng)狀的石墨烯材料應用到計算機工業(yè)中，做出達到原子尺度的器件，集成到芯片中，這樣新一代計算機就能比目前基于硅技術的產(chǎn)品擁有更強的性能（請參見《環(huán)球科學》2010年第2期《未來20年的芯片》一文）。

　　美國佐治亞理工學院的碳材料專家瓦爾特·德希爾（Walt de Heer）說：“石墨烯可以做成各種形狀，所以碳納米管時代的連接、放置問題就不復存在了。”

　　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，達到單個原子尺度，目前的工藝（例如刻蝕技術）都無法企及，因此，他也聽到一些言論，說石墨烯技術目前被炒得過熱，而真正的技術還差之甚遠。通過有機化學的技巧，由下及上地制備石墨烯電路——也就是將含有數(shù)個正六邊形碳原子環(huán)的“多芳烴分子”（polyaromatic molecule，看上去就像石墨烯片層的一個部分）連接起來——或許是一個關鍵步驟，以此可以達到上述工程學精度，最終開啟未來通向石墨烯電子學的大門。