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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(xué)計算機。神經(jīng)元之間相互作用所構(gòu)成的“環(huán)路”是通過分子介導(dǎo)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(xué)反應(yīng)中，最令人印象深刻的，當(dāng)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(xué)信號形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各種特定狀態(tài)，從而實現(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(xí)慣性反射的學(xué)習(xí)。但是，即便是這么簡單的學(xué)習(xí)，也有短期和長期之分。與此同時，一種復(fù)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(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(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，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(xué)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(chǔ)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(fù)雜的學(xué)習(xí)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(guān)于這個機制，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，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。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(biāo)記用來儲存一段記憶。

　　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(xué)的神經(jīng)科學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)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(lǐng)域的化學(xué)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(xué)歐文分校的神經(jīng)生物學(xué)家加里·林奇（Gary Lynch）的說法，由于長時程學(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(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(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(zhǔn)確定義的化學(xué)性質(zhì)。通過精妙設(shè)計的實驗，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，測量了它們的部分化學(xué)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(xué)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(yīng)，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(xué)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(xué)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(shù)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(fù)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(xué)的核物理學(xué)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(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《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(xué)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(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用，最終還依賴于化學(xué)家能否創(chuàng)造出精密度達原子級別的結(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(gòu)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(dǎo)電性。碳納米管材料有望被用于從高強度的碳復(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，研究者目前還無法解決如何將碳納米管和復(fù)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(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(lǐng)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(yīng)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(shù)的產(chǎn)品擁有更強的性能（請參見《環(huán)球科學(xué)》2010年第2期《未來20年的芯片》一文）。

　　美國佐治亞理工學(xué)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(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，達到單個原子尺度，目前的工藝（例如刻蝕技術(shù)）都無法企及，因此，他也聽到一些言論，說石墨烯技術(shù)目前被炒得過熱，而真正的技術(shù)還差之甚遠。通過有機化學(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(guān)鍵步驟，以此可以達到上述工程學(xué)精度，最終開啟未來通向石墨烯電子學(xué)的大門。