生物学的希格斯子

他们发现了目前为止证实希格斯玻色子存在的最强证据。这一被称为“上帝粒子”的发现补齐了解释亚原子粒子特性的标准模型缺失的最后一块拼图。这项发现如果被证实，将会给一场持续数年、耗费数十亿美金的寻找行动画上圆满句号，并将塑造该新领域未来几年的面貌。物理学界欢呼雀跃。哈佛大学的理论粒子物理学家Lisa Randall说道“据说存在的征象十分明显”。她早晨4点就起床，在观看LHC演示直播开始前与媒体交流道：“真是兴奋极了!”。

这一事件让《自然》杂志开始思考：生物学领域有什么基础发现也可以让人如此兴奋呢？这一领域一直不乏怀着崇高目标的大型国际合作。我们向众多专家提问，他们认为：世纪之交的人类基因组测序竞赛可与之相提并论。但大多数的生物学研究不同于希格斯子的发现，它们欠缺数学上的精密性、目标不够明确专一并且常常不满足于是或否的二元论答案。麻省剑桥布罗德研究所的神经科学家Steven Hyman说道“得到的重要结果都是一团乱麻，根本没有升国旗和开香槟的功夫”。

虽然如此，根据我们的非正式观察，生物学领域依然有许多举世瞩目的基础研究。这些研究涉及了生命在哪里开始、怎样开始、为什么结束。

地球之外是否有生命

1964年古生物学家George Gaylord Simpson发表了一篇文章，写的是宇宙生物的分道扬镳和外星生命的搜寻。在文中，他写道：“现在的‘科学’尚未证明其存在性！”类似这样强烈的批评导致许多太空生物学的研究者回避了这一新兴领域。

“这不公平，”新泽西普林斯顿大学的行星科学家Christopher Chyba说。几年前Chyba就将寻找外星生命与寻找希格斯子进行比较——两者都是主体未被证明存在的寻找行动。Chyba在2005年对Simpson的反驳中写道：“凭什么我们就莫名其妙地把生物学而不是物理学绑上火刑柱呢？”

Chris McKay认为寻找地球外生命可以被描述为检验“生物标准模型”的方法。他是加州NASA埃姆斯研究中心的一名天体生物学家。“这是一种由DNA、氨基酸、蛋白质和遗传密码组成的模型，”他说，“这是所有生物的普遍特征，是我们理解所有已知生命的基本框架。”如果发现了与这个标准模型本质上不同的生命形式——也许是基于一个完全不同的生化机制——存在于其他星球上，这就证明了存在不止一种形成生命系统的途径。

有人说，他们不需要其他星球上“山寨物种起源”的证据，来引发类似发现希格斯子这样的震荡。“假如在火星上发现了和我们一样的生物，这就够让人激动的了，”加州Scripps研究所的生化学家Gerald Joyce说，“那时问题就变成了：到底哪儿先出现？”

不过，日内瓦的希格斯子“猎手们”有一个很好的理论作为指引，而天体生物学家们寻找另一种生命形式的努力却面临巨大的逻辑挑战：必须找到最清晰的线索。生命相关化合物的化学特征，如甲烷、液态水的存在，可以作为筛选星球的条件。但显然大气层的生命特征就没什么说服力，Chyba说。

在太阳系中，McKay把宝押在三个最有可能的生命栖息地：一是土卫二，一个环绕土星运转的冰冻月亮，据NASA的卡西尼号太空船回报，该星球上很可能有液态水，其表面的裂缝还不停地喷涌有机物；二是火星，不过是“以前的火星，不是今天的火星”；最后是木星的卫星木卫二，它表面冰层的面具之下很可能是液态水的海洋。计划8月份着陆的火星科学实验室将包括一台简单的质谱仪和激光光谱仪，用以探测甲烷，并且揭示生命的初步迹象。但是这次任务的目的并不在于找到决定性的证据。

另一条搜索生命的途径是寻找足够复杂的有机物分子。这种分子无法天然生成，只能通过酶。“假设你来到地球，随便舀了一勺泥巴，”McKay说，“你会发现诸如叶绿素和DNA之类：巨大而复杂的分子，丰度很高，显然与你预期的化学成分不同。”这种发现需要未受到任何地球污染的精密仪器，而在NASA探测火星或木卫二的计划中并没有这种仪器。“我的感觉是，人们在尽量逃避，”Chyba说，“经费十分紧张，但有些时候我们硬着头皮也要上。”

Jeffrey Bada是拉霍亚斯克里普斯海洋研究所的一名行星地化学家。他认为在别的行星上寻找化石是另一项热门话题：“这非常简单。但假如你没发现化石，那是否意味着生命从未存在过呢？” McKay认为，想说服学界必须有化石证据或者生命存在的证据。“总之，必须有生物体，”他说，“不一定要活的，但必须有。”

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地球上是否有异种生命？

异种生命——正如希格斯子一样——也许近在咫尺。有人认为地球上存在着一个包含各种生物的“影子生物圈”，之所以一直未被发现是因为科学家们无从寻找。这些生命也许基于一个完全不同的生化体系，由不同形式的氨基酸构成，甚至采用全新的构成方式，不依赖于DNA或蛋白质来复制和执行遗传信息。

“这个想法并不像听起来那么离奇，”Steven Benner说道。他是佛罗里达州盖恩斯维尔的应用分子进化基金会的一名化学家。科学家们以前就发现过影子生物圈，显微镜的发明带来了一个新世界，微生物界的另一项发现，古细菌，又打开了另一扇窗户。问题是：还会出现这种情况吗？

诀窍是决定找什么和怎样找。科学家们寻找新有机体的一般方法——DNA或RNA测序——显然无法帮助人们找到这一体系之外的生命。

有些科学家推测，沙漠漆，这种发现于许多沙漠岩石上的奇特的来历不明的深色涂料，可能是影子生物圈的产物。Benner建议在通常所认为的不毛之地中寻找，比如高温、高放射水平或者恶劣的化学环境。

目前供职于加州的劳伦斯伯克利国家实验室的Felisa Wolfe-Simon，和同事们遵循这一方法，在加州莫诺湖的富砷环境中发现了生命。2010年底，他们报道了使用砷替代磷构造自身DNA和蛋白质的生命形式——这与传统的生命有天壤之别。但有人尝试重复该试验，结果却失败了。

另一条途径是从尺寸出发。如果细胞从对核糖体和蛋白质的依赖中解放出来，就会比现在小很多，Benner说，“可能只有纳米级大小，也许就藏在岩石的针隙里。”这正是盐湖城犹他大学的分子遗传学家John Atkins和伦敦自然历史博物馆的Richard Herrington所开展的一个研究项目的理论基础。他们计划对不同年代和产地的石块中直径小于100纳米的孔隙里的内容物进行测序。通过寻找缺失了编码蛋白质的核糖体的核酸序列，他们希望能发现一种基于RNA的非蛋白的生命形式，像已知的生命那样，但有所区别。“RNA的世界从地质条件上讲，起源相对较快，” Atkins说，“那为什么不能多次发生呢？”

生命是怎样开始的……

尽管其他生命形式躲着科学家们，只要绘制出地球上我们熟悉的生命起源的全景，也必定能在生物学界荡起涟漪。

Joyce说，将来科学家会学会如何将发现的碎片构筑成一个可持续发展的、不断增长的科学体系，到那时就不会有类似“完美拼图，向终点的科学大进军”这种用来形容发现希格斯子的描述。但它需要回答一个关键的生物学问题：在混沌中生命是怎样诞生的？关于地球上生命如何出现的问题，麻省波士顿大学的合成生物学家James Collins说“我们永远也无法确定，但至少你可以验证任何合理的假设”。

几个实验室已经取得了进展。Joyce和同事们是“RNA世界”这一概念的先驱。此理论是说，RNA分子既可以编码遗传信息又可以催化化学反应，而且复制和进化的速度比降解快。但众所周知，RNA不稳定，因此随着时间推移，让位于DNA这一更稳固的信息存储系统，和蛋白质这一更灵活的反应催化模式。“向DNA和蛋白质的变迁为更复杂的化合物的合成提供了可能性。”Bada说道。

2009年，Joyce的实验室报道了一种RNA分子系统，可以自给自足地遵循达尔文进化论不断演化。但是这个系统需要酶，并且需要预先人工合成特定RNA序列以启动反应。Joyce说，他的实验室还没发现使系统自发产生的自然条件。“我们还面临一些挑战，”他说，“但这个系统的运行正在变得越来越有效率。”

波士顿哈佛医学院的Jack Szostak和同事们走了另一条路。他们把RNA分子封装进脂肪酸的囊泡中，模拟原始细胞产生的早期步骤，结果发现囊泡能够生长和分裂，但遗传物质在缺乏酶的帮助下无法复制。

有人认为RNA也许有前体物质。斯克里普斯研究所的Ramanarayanan Krishnamurthy致力于测试能形成原始粘性物的新的有机物聚合体，寻找能够折叠和展开的分子。“RNA不是最早的生命分子，”Bada说，“它太复杂。有先于它的物质，而这正是我当前的兴趣所在。”

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……我们能延缓生命的终止吗？

在一篇1993年的综述里，英国爱丁堡大学研究衰老的Linda Partridge和Nicholas Barton向老年病学领域传递了一份“恶意信息”。他们写道：影响衰老的生物网络的复杂性意味着“基因工程或生理干预无法阻止衰老的进程”。

但情况发生了变化。“20年前我可以容忍这种观点，”密歇根大学的Richard Miller说，“但现在肯定是错误的。”

Partridge和Barton的综述发表后8个月，加州大学的Cynthia Kenyon和她的同事们研究发现，线虫单个基因的突变使其寿命延长了两倍。3年后南伊利诺伊大学的 Andrzej Bartke报道，一种单基因突变导致激素缺乏的小鼠，寿命比无突变小鼠长了68%。

这两篇文章和从那以后的一系列研究提示我们，显著减缓人类的衰老、预防与之相伴的疾病似乎是可能的。这样的干预会对人类社会造成重大冲击：增加数年的健康和经济生产力，但也让社会为支持许多更年迈的老人增加了负担。对科学界来说，延缓衰老的能力会引出类似希格斯子一样的关于人类生命的基本问题：通过怎样的开关来控制？开关反转会有什么后果？

有一些表明此类干预措施存在的征象。2010年，Miller和他的同事们发现，喂食小鼠雷帕霉素可延长雄性10%、雌性18%的平均寿命。热量摄入大幅降低25%〜40%可延长小鼠和其他哺乳动物的寿命。但没有证据表明这些方法可应用于人类，即使可以，也是得不偿失：雷帕霉素会抑制免疫系统；而几乎没人能忍受如此苛刻的饮食限制。

这一领域的一个主要挑战是，证明一个假定的延寿方案是有效的——这样的人类实验要开展60年以上。伊利诺伊大学的Jay Olshansky说，此领域应该设定一个具体的目标：比如把衰老相关疾病的出现和进展推迟7年。“当我们变老时，大多数与年龄相关疾病的风险，基本上是每7年加倍一次，”他说，“如果有办法去掉一次倍增，那么所有疾病风险就降低一半，这会是里程碑式的成就。”

Miller有另外的目标。“我们在狗的食物中添加一些东西，希望能使其平均寿命延长15%〜20%，”他说，“狗是小鼠过渡到人类的理想中间体，狗是与人共同生活的长寿物种。”

但Partridge和Barton对衰老复杂性的观察依旧是事实。大多数科学家承认，他们对调节衰老相关疾病的分子网络的理解还处于起步阶段。“我不相信衰老是单一原因引起的，” 加州诺瓦托巴克衰老研究所的主任Brian Kennedy说，“但可以设计出一次性调整多个因素的方法。我认为我们研究的基因和药物正在攻克这个难关。”

目前为止，延寿方案似乎比确认希格斯玻色子遥远得多。今年二月，伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的科学家们，用粒子对撞机验证了LHC的结果。这让物理学家们更加兴奋，因为他们正站在发现的门槛上。

然而衰老，“几乎与希格斯子的情况完全相反，” Thomas Kirkwood抱怨道。他是英国纽卡斯尔大学这一领域的学科带头人，“我们学到的一切都告诉我们，想找到单一的原因根本不可能。”

（作者：程明审校：沈颖）

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什么是希格斯子

20世纪70年代，一套被称为“标准模型”的物理学理论建立起来。这套理论对自然界的四种基本相互作用（四基本力）：引力（或重力）、电磁力、强相互作用、弱相互作用中的后三种的解释趋于完美，即使引力依然顽固地只能由阿尔伯特•爱因斯坦的广义相对论加以阐释。

在标准模型对电磁力和弱相互作用的统一描述里，能量低于一定条件时电磁力和弱相互作用呈现出的分化，被称为电弱相互作用的对称性自发破缺（将一根火柴棍直立在桌上，如果圆头朝下，那肯定是立不稳的，总会倒下，指向某个特定的方向，破坏先前的旋转对称性。这一过程中，对称性从有到无，自发地消失，叫做对称性自发破缺）。这样的分化发生时，数学计算中出现了一点残值，而标准模型理论无法解释一些基本粒子非零质量的获得机制。

为了修补上述理论的缺陷，英国物理学家皮特•希格斯提出了“希格斯机制”，引入了希格斯场的概念，并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设中的希格斯子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础，其他粒子在希格斯子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另三种力的框架中相互作用，统一于标准模型之下，构筑成大千世界。

标准模型理论共预言了62种基本粒子。至1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布了证实“顶夸克”存在的证据为止，前61种基本粒子已相继得到实验验证。眼看标准模型就要取得决定性的胜利，人类探索物质微观结构的华美乐章就要写下最后一个音符之际，游魂般的希格斯子依然徘徊在这座辉煌的大厦之外，并有可能彻底摧毁大厦。因为质量是物质的唯一基本性质，而希格斯子可以解释为何粒子具有质量，从而演化为万事万物。如果希格斯子被证实不存在，则整个理论物理的基石也将不复存在，那么不管是牛顿还是爱因斯坦，都要被重新归类为哲学家。

寻找希格斯子就像大海捞针。人类目前最先进的仪器都无法直接看到希格斯子，而是通过侦测它衰变后的产物——两个光子——来确认。问题是有很多粒子衰变后都会变成两个光子，需要把所有类似反应的粒子一一剔除。虽然科学家通过数学计算已经把希格斯子的可能质量限缩到115.5 GeV 到 131 GeV 的范围内，仍然无法作出肯定的判断。这就像在稻草堆里找针，科学家一步步地拿掉确定没有针的稻草，直到稻草拿光，最后才能得出结论：针到底存不存在。

幸运的是，2011年12月，欧洲核子研究中心（CERN）公布了来自大型强子对撞机（LHC）的重要证据，希格斯子存在无疑。2012年2月，美国费米实验室验证了这一结果。至此，标准模型理论的地位已坚不可摧。在CERN通过网络向全球发布其研究进展的研讨会现场，几个重量级的科学家中，就有现年83岁的皮特•希格斯。消息宣布的刹那，他的眼泪夺眶而出。他表示：“这真的是我生命中最不可思议的奇迹。”发布会上，英国物理学会主席彼得•奈特说，此次LHC的成就与发现DNA和登陆月球相当。利物浦大学粒子物理系主任瑟密斯•布考克则称，对于物理学家来说，这次发现就像哥伦布发现美洲。

3年前，英国著名物理学家斯蒂芬•霍金在接受英国广播公司采访时认为，希格斯子是不存在的，并与美国密歇根大学的戈登•凯恩教授为此打赌100美元。希格斯说，在宣布发现新粒子后，霍金曾与他联系并表示支票已寄出。而凯恩则表示要把赢来的钱花在刀刃上。他对路透社记者说：“所有这100美元都要用于搞研究。”

希格斯子另一耳熟能详的称呼是“上帝粒子”（The God Particle）。这是美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂•莱德曼在关于粒子物理方面的科普著作《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》一书中起的别名。后来媒体也沿用了这一称呼，常常将希格斯玻色子称作 “上帝粒子”。莱德曼说他命名的原因是图书出版商不让他把这粒子称作“该死的粒子”（Goddamn Particle），尽管这称呼可能“更恰当地表达了希格斯玻色子杳无踪迹的性质以及人们为之所付出的代价与遭受到的挫折感”。不过性格温和谦逊的希格斯表示，每次听到以他名字命名的粒子，都会感觉不好意思，而身为无神论者，他也不喜欢“上帝粒子”的叫法。