4.大脑如何思考，并形成记忆？

　　大脑就像是一台化学计算机。神经元之间相互作用所构成的“环路”是通过分子介导的。具体来说，就是神经递质（neurotransmitter）在突触（synapse）间的传递，突触指的就是两个神经细胞相连接的地方。而在这种大脑的化学反应中，最令人印象深刻的，当数记忆的运作。对记忆而言，抽象的原理与概念——比如一串电话号码，或者是一段情感体验——都会“印刻”在大脑里，持续不断的化学信号形成了神经网络的各种特定状态，从而实现了这种“印刻”。那么，化学物质是如何创造出一段既持续又动态，还能够被回忆、修改以及遗忘的记忆的呢？

　　我们现在已经知道了部分答案。一连串生物化学过程，改变了突触神经递质分子的数量，从而触发对习惯性反射的学习。但是，即便是这么简单的学习，也有短期和长期之分。与此同时，一种复杂的“陈述性记忆”（declarative memory，即对人、地点等内容的记忆）拥有另外一种工作机制，在大脑中的定位也不一样。陈述性记忆与一种叫做NMDA受体的蛋白质的活化有关，它分布在特定的大脑神经元里。如果用药物阻断这种受体，好几种不同类型的陈述性记忆都会受到影响。

　　我们日常的陈述性记忆往往是通过一种叫做“长时程增强”（long-term potentiation，缩写为LTP）的过程来编码的，LTP与NMDA受体有关，并伴随着神经元突触形成部位的增大。随着突触的生长，它与相邻神经元的连接也逐渐增强，具体表现就是到达突触间隙的神经脉冲所引起的电压升高。这一过程的生物化学机制在过去数年内业已阐明。其中涉及了神经细胞内的肌动蛋白纤维的形成，肌动蛋白作为细胞的一种基础骨架成分，是决定细胞大小形状的材料。如果用生化药物阻碍新形成的纤维进一步稳固，在突触发生的改变还没有得到巩固之前，这些纤维会在很短的时间内再次解散。

　　无论是上述简单的还是复杂的学习过程，长时记忆一旦形成，特定基因就会开始表达，合成特定蛋白，极力维持长时记忆。关于这个机制，现在发现与一类叫做prion的分子有关。

　　Prion蛋白有两种不同构象，一种可溶，另一种不可溶，可以互相转换。当它是以不可溶的构象存在时，可以作为催化剂促使其他一些和它一样的分子转变为不可溶的状态，从而聚集起来。人们最初发现prion蛋白是在神经退行性疾病中，比如疯牛病。但现在人们找到了prion蛋白的作用机制，发现它也有有益的功能：突触被prion蛋白聚集物打上特定的标记用来储存一段记忆。

　　关于记忆是如何工作的，目前还存在着大片空白，需要很多化学方面的细节来填补。比方说，如何提取以前储存的记忆？美国哥伦比亚大学的神经科学家、诺贝尔生理学或医学奖得主埃里克·坎德尔（Eric Kandel）表示：“这是个深奥的问题，目前的分析刚刚起步。”

　　回答记忆领域的化学问题为记忆增强药提供了既迷人又充满争议的前景。目前已知的一些可以增强记忆的物质有：性激素和分别作用于尼古丁、谷氨酸、5-羟色胺等神经递质的受体的合成化合物。实际上，按加利福尼亚大学欧文分校的神经生物学家加里·林奇（Gary Lynch）的说法，由于长时程学习和记忆有一连串复杂的步骤，也就意味着为这类记忆增强药的产生提供了很多潜在的靶点。

5.到底存在多少种元素？

　　学校教室墙上贴着的元素周期表（the periodic table）一直都在不停地修订，这是因为人类发现的元素数量在不停增长。使用粒子加速器让原子核对撞，科学家可以制造出新的“超重元素”（superheavy elements）。相比从自然界发现的92种元素，超重元素的原子核拥有更高的质子（proton）数与中子（neutron）数。它们巨大的原子核非常不稳定——在极短的时间内（通常只有几千分之一秒到几分之一秒），它们就会衰变（这种衰变具有放射性）。但是，在它们存在的时间内，这些新的人工合成元素，例如钅喜（seaborgium，第106号元素）以及钅黑（hassium，第108号元素），和其他元素一样，都具有能够被准确定义的化学性质。通过精妙设计的实验，科学家们抓住少量的钅喜和钅黑在衰变之前短暂存在的一瞬间，测量了它们的部分化学性质。

　　这些研究不仅仅是对性质的测量，它们还探索了元素周期表概念上的限制：超重元素能否延续元素周期表展现出来的规律与趋势（这些化学规律在元素周期表诞生之初便已经被归纳出来）？答案是，有些延续了规律，有些则没有。特别是，如此之大的原子核紧紧抓住了原子最里层的电子，因而这些电子能以接近光速运动。进而根据狭义相对论（special relativity）效应，这些电子的质量会增大，有可能破坏量子化的能量状态（即不连续的能级），而它们的化学性质——进而以此形成的元素周期表——都是依赖于能级理论建立的。

　　由于物理学家认为，只要原子核拥有“魔数”数目的质子和中子，就会特别稳定，因此他们想在元素周期表中找出一个名为“稳定岛”（island of stability）的区域——在这个区域中，超重元素更稳定，寿命更长，目前的合成技术还无法合成出这样的元素。但是，超重元素的大小是否有极限？依据相对论的一项简单计算告诉我们，电子无法被拥有超过137个质子的原子核束缚。更加复杂的计算也证实了这个极限。然而，来自德国法兰克福-歌德大学的核物理学家沃尔特·格雷纳（Walter Greiner）却坚持认为：“元素周期表绝对不会在第137号元素前止步不前；事实上，它永无止境。”但是，要想通过实验来验证格雷纳的断言，从目前的研究水平来看，这还是一个很遥远的目标。

6.我们能用碳元素制造出电脑吗？

　　如果电脑芯片能用石墨烯（graphene，一种单层网状碳单质材料，参见《环球科学》2008年第5期《延续摩尔定律的新材料》一文）来制造，那么，未来的电脑将比现在的硅芯片电脑运行速度更快，性能更加强劲。石墨烯发现于2004年，2010年的诺贝尔物理学奖就颁给了石墨烯的发现者，但要将石墨烯为代表的各种碳纳米材料技术推向实际应用，最终还依赖于化学家能否创造出精密度达原子级别的结构。

　　早在1985年，科学家就发现了巴基球（buckyball，一种由碳原子组成的中空笼形碳单质结构），这可算是碳纳米材料研究的开端。6年之后，碳纳米管（carbon nanotube）开始了它的首演，碳纳米管的管壁由呈六边形整齐连接的碳原子构成，就像是把单层石墨（graphite）材料卷了起来。这种中空的材料异常坚韧，具有非常优秀的导电性。碳纳米管材料有望被用于从高强度的碳复合材料到微小的导线和电子装置，从微型分子胶囊到滤水薄膜等各个领域。

　　尽管期望中的用途很多，但如今碳纳米管还很少有成功的商业应用。例如，研究者目前还无法解决如何将碳纳米管和复杂的电子芯片连接起来的问题。时间再近一些，石墨登上了舞台中央，因为科学家发现，石墨可以被分离成单层的网状结构，就像薄板一样，这种单层网状结构材料，也就是我们所说的石墨烯，它可以用来制备超微小、廉价且坚固稳定的电子芯片。现在IT领域都对石墨烯抱以厚望，希望能够将窄带状或网状的石墨烯材料应用到计算机工业中，做出达到原子尺度的器件，集成到芯片中，这样新一代计算机就能比目前基于硅技术的产品拥有更强的性能（请参见《环球科学》2010年第2期《未来20年的芯片》一文）。

　　美国佐治亚理工学院的碳材料专家瓦尔特·德希尔（Walt de Heer）说：“石墨烯可以做成各种形状，所以碳纳米管时代的连接、放置问题就不复存在了。”

　　但是，德希尔继续指出，要把石墨烯制作成我们需要的形状，达到单个原子尺度，目前的工艺（例如刻蚀技术）都无法企及，因此，他也听到一些言论，说石墨烯技术目前被炒得过热，而真正的技术还差之甚远。通过有机化学的技巧，由下及上地制备石墨烯电路——也就是将含有数个正六边形碳原子环的“多芳烃分子”（polyaromatic molecule，看上去就像石墨烯片层的一个部分）连接起来——或许是一个关键步骤，以此可以达到上述工程学精度，最终开启未来通向石墨烯电子学的大门。