《科学》发布125个最具挑战性的科学难题，涉及医学、材料、人工智能等

　　2005年，《科学》（Science）杂志在其创刊125周年之际，公布了125个最具挑战性的科学问题。这些问题涵盖地球科学、能源、宇宙领域，并涉及数学与计算机科学、政治与经济、能源、环境和人口等领域，对整个科学领域积极广泛的影响。

　　随着人类科技水平的快速发展，其中许多问题得到了解答，同时又不断涌现新的问题。2021年，在上海交通大学建校125周念之际，上海交通大学联合《科学》杂志，面向全球征集类125个科学问题，发布了专刊——《125个科学问题：探索与发现》，这125个问题涉及了数学（3个）、化学（9个）、医学与健康（11个）、生物学（22个）、天文学（23个）、物理学（18个）、信息科学（4个）、材料科学（4个）、神经科学（12个）、生态学（8个）、能源科学（3个）和人工智能（8个）等多个领域（全部125个问题见下文）。

　　本文将具体介绍医学与健康、生物学和神经科学的45个问题。

　　医学与健康

　　我们可以预测下一次流行病吗？

　　未来几十年还可能会发生其他大流行，近年来流行病更频繁地发生，例如SARS、寨卡病毒、埃博拉病毒，以及SARS-CoV-2，但确定下一次大流行的时间和地点是一个复杂的问题。对大流行的预测是多学科的，需要传染病、流行病学、公共卫生、公共卫生政策、社会学、心理学、人类行为、气候和环境科学、数据科学、计算机科学等领域专家的合作。我们可以从COVID-19大流行中吸取教训，这些包括加强对大流行病准备的支持，提高卫生系统、实验室和供应链物流的能力，以及公共卫生传播。

　　数据科学家利用更强大的计算机能力在预测下一次大流行中发挥了领导作用。人畜共患病是一种特殊的疾病，需要全球合作来应对。全球病毒基因组计划是一个耗资40亿美元的国际项目，旨在改变我们发现和监测传染病的方式。该项目的目标是提高对大流行预测的可靠性和可访问性，类似于当前的天气预测和监测。该项目旨在通过建立识别、基因编目和追踪超过50万种可能向人类传播的病毒，积极规划并最终预测流行病。通过寻求更好地理解人类健康、生态学和病毒学与人畜共患病之间的复杂网络，我们可以开始预测下一次流行病。

　　我们会找到治疗感冒的方法吗？

　　引起“普通感冒”的病毒有200多种，这些病毒变异非常快。然而，科学家们已经发现了一种方法来阻止某些病毒的复制，也许这些发现将在未来带来更有效的治疗方法。

　　我们可以设计何制造出为个人定制的药物吗？

　　个性化医疗或精准医疗，即根据个人的遗传和生物学特征，为个人设计专门的治疗和干预措施，是未来医疗保健的令人兴奋的途径。与一刀切的方法不同，我们更接近于识别疾病风险并开发明确靶向的药物，以便在个人基础上诊断、治疗和预防疾病和状况。由于计算能力、人工智能、机器学习和统计工具的进步，科学家们能够挖掘大量的患者数据，制造这些类型的药物是可行的。随着完整的基因组被测序并纳入我们的医疗记录，个性化医疗得到了加强。虽然还有很多工作要做，但个性化医疗可能是我们一生中医疗保健领域的最大革命。

　　人体组织或器官可以完全再生吗？

　　许多科学家相信，组织和器官再生将开创医学的未来，旨在用再生的器官或组织来替代功能失调或受伤的人体部位。再生的组织或器官可以在体外制造，也许在工厂中通过3D打印/组织培养，或者在动物体内或直接在人体中制造，这可能彻底改变我们用来治疗疾病和创伤的方法。

　　许多物种都有能力生长新的器官或身体部位，然而我们人类没有这一能力，但研究人员正在实验室中找到绕过这一限制的方法。技术创新，包括3D打印、人工智能数据分析和脑机接口，使我们能够对这个领域进行更深入的探索。细胞生物学和基因编辑方面的科学进步已经揭示了组织/器官发育的机制。但是，人类器官再生的主要障碍是技术和科学方面的。我们需要更好地理解促进组织再生的细胞过程、生物化学和环境。我们hi必须研究更有效的措施来克服移植组织/器官的免疫排斥反应。

　　如何维持和调节免疫稳态？

　　免疫稳态是一种内部平衡状态。如果没有稳态，免疫系统就无法正常工作，导致疾病和感染。了解这种平衡如何维持可以提供更全面的身体工作方式，并可能帮助我们校准医疗干预。例如，与目前非选择性地增强或抑制整个免疫系统不同，未来我们可能能够重新平衡失调的免疫系统。在人类和动物模型中进行的研究几乎涉及了免疫反应的每个方面，并检查了许多免疫细胞群，但仍有一些未解决的问题。基因组学、蛋白质组学和其他组学数据是有用的。但是人类免疫系统是动态的，非常个性化的，因此动物模型的使用有限，需要一个强大的平台来研究和操作人类免疫细胞来解决这个问题。

　　中医的经络系统有科学依据吗？

　　中医认为，能量通过12条主要通道——经络——流经身体，与器官相关。各种疾病都与经络堵塞有关，而针灸通过刺激身体的穴位，释放和缓解能量流动。已经有很多科学研究探索了经络系统和针灸在治疗疾病方面的应用，一些研究表明，针灸可能有助于缓解慢性疼痛和预防偏头痛。根据美国国立卫生研究院的调查，针灸影响大脑处理疼痛的方式。至于经络本身，1987年，科学家们分析了体内放射性同位素的运动，得出结论：经络实际上是体内的空间，而不是结构，2020年发表在 Research 期刊的一篇论文也得出了同样的结论。

　　下一代疫苗将如何生产？

　　下一代疫苗平台通过对病毒蛋白进行测序来加速疫苗开发。今天，我们已经看到类病毒载体疫苗、核酸疫苗和抗原呈递细胞被用于对抗COVID-19。

　　自闭症的病因是什么？

　　自闭症谱系障碍（ASD）是一种神经发育障碍，影响个体感知和处理信息以及与他人社交的能力。它可能导致社交互动、沟通和某些重复行为模式的问题。ASD之所以被称为“谱系”，因为它包括各种症状，可以以不同的方式和严重程度表现出来。虽然ASD已经被研究了几十年，但其病因仍然是一个谜。虽然基于遗传和环境因素，人们患上自闭症的风险似乎有所增加，但仍没有确凿的证据确定其病因。

　　我们能否克服抗生素耐药性？

　　抗生素耐药性对全球健康和粮食安全构成了重大威胁。可以通过政策、医疗保健、研究和农业领域的贡献，以及个人谨慎使用抗生素来解决这一问题。

　　我们的微生物组在健康何疾病中扮演什么角色？

　　你可能认为自己是一个单一的个体，但在你的皮肤上和皮肤下以及身体各器官和组织中，存在着一个完整的微生物生态系统，即微生物群落。我们体内有超过100万亿个病毒，至少80个真菌属和1000种细菌。在大多数情况下，这些微生物群落和谐地存在于我们体内，在许多生理过程中以及宿主整体健康的维护和调节中发挥着至关重要的作用。微生物群落涉及从纤维分解和氨基酸生物合成到宿主免疫系统调节和病原体抵抗力等各个方面。有趣的是，微生物群落可能会影响我们的免疫稳态。研究表明，微生物群落失衡与多种疾病有关，包括代谢障碍、免疫和炎症疾病、神经退行性疾病、癌症，甚至衰老。由于微生物组与我们体内的所有系统都紧密相连，它也影响着预后和治疗选择。

　　生物信息学和微生物学研究人员正在识别和分离微生物群落中的关键角色，并获得它们与其他微生物和宿主生物共生的机制性理解。宏基因组学调查正在借助多组学分析以及动物模型，从相关性向因果关系转变。我们需要从空间和时间的角度识别我们微生物群落的所有成员，并基于相互作用和调控网络破译共生关系。还需要识别和表征核心微生物群落、健康微生物群落和疾病相关微生物群落。

　　异种移植能否解决供体器官短缺的问题？

　　如果我们能够克服毒性、排异反应和凝血功能障碍，异种移植（即不同物种间器官移植）可以解决器官短缺的问题。

　　生物学

　　什么可以帮助保护海洋？

　　随着陆地资源的日益紧缺，海洋显然是人类生存和应对气候变化的最后保障。海洋保护需要跨不同学科、行业和专业的全球合作。生态学家、经济学家、社会科学家、决策者、传播专家、工程师、地球科学家、数学家和气候专家只是应对这一动态挑战的实践者中的一部分。数学模型可以帮助我们更好地理解复杂的气候相关系统，预测水资源保护和污染控制的机会，并向我们展示如何减轻气候变化的普遍影响。解决方案不止一个，我们需要全球政府和经济部门的利益相关者的参与。

　　我们可以阻止自己衰老吗？

　　随着年龄的增长，死亡的可能性显著增加。但2018年发表在 Science 期刊的一篇论文表明，当达到105岁时，我们基本上停止了衰老，也就是说，当我们达到106岁及以上时死亡的可能性在数学上将可能保持不变。这是否意味着百岁老人会停止衰老？这不是一个容易回答的问题。重要的是要认识到，衰老本身并不会导致死亡，也不是一种疾病。美国国立卫生研究院下属的美国国家老龄化研究所认为，衰老与动态的生物、生理、环境、心理、行为和社会过程的变化有关。科学家们继续寻找影响这些过程的机制。但如果我们能够减缓或停止这些过程，这对人类意味着什么？

　　为什么只有一些细胞会变成其他细胞？

　　干细胞是一种特殊的细胞，具有分化成其他细胞类型的能力。在周围细胞的正确生态系统中，称为干细胞生态位，干细胞分裂成子细胞，然后成为新的干细胞或具有独特功能的专门细胞，例如大脑、胃和肠道细胞。没有其他细胞具有这种分化或创造新细胞类型的转化能力。胚胎干细胞来自3-5天的胚胎，这些细胞特别具有多能性，可以用于再生或修复不健康的组织。成体干细胞存在于多种组织中，包括骨髓，虽然它们也可以成为其他细胞，但与胚胎干细胞相比，它们的潜力不如胚胎干细胞广泛。一些新研究显示，成体干细胞可能更适应从它们来源的组织中形成细胞类型，例如骨髓，因此可以用来创造骨骼或心肌或其他类型的细胞。此外，一些成体干细胞可以通过基因重组来具有胚胎干细胞的特性。使用重组细胞代替胚胎干细胞可能会防止免疫系统排斥新的干细胞，但目前尚不清楚这些经过修改的成体干细胞是否会对人类产生有害影响。

　　医学研究拓展了我们对细胞系统的普遍理解。进展令人震惊：干细胞实验疗法已经被用于人类临床试验。但我们在动物模型中检查干细胞疗法并探索利用干细胞改善人类健康和减轻健康负担的新方法时，只触及了表面。我们已经知道，胚胎干细胞的分化是由于信号机制而发生的，并受各种生长因子和表观遗传过程的控制。我们需要继续研究其确切机制；我们需要更加了解胚胎细胞的行为，以便更好地理解如何控制它们形成的分化细胞的类型。

　　为什么有些基因组非常大而另一些又非常小？

　　基因组大小，即细胞核中DNA的数量，在动植物中极其多样，差异超过64000倍。最大的基因组属于一种叫做日本重楼的开花植物，其每个细胞有40条染色体，有1500亿个DNA碱基对，是人类基因组的50倍。尽管我们现在知道基因组大小的多样性的主要贡献者是非蛋白质编码，通常是高度重复的DNA序列，但它们数量变化如此之大的原因仍然是个谜。

　　有可能治愈所有癌症吗？

　　我们对抗疾病最重要的武器是我们自己的免疫系统。免疫系统对于抵御癌症尤其关键，癌症是细胞不受控制地分裂和在组织中迁移。癌症是全球主要的死亡原因之一：仅在2018年，就有1810万人被诊断出患有某种类型癌症，根据世界卫生组织国际癌症研究机构的数据，到2040年，这个数字预计将上升到每年2950万人。令人惊讶的是，39.5%的成年人将在一生中的某个时刻被诊断出癌症。

　　通过数十年的实验室和临床研究，我们在治疗癌症方面取得了重要进展。我们知道，癌症是由DNA变化引起的，这些变化可以由内部或环境刺激引发。我们还知道，某些干预措施，如手术、化疗和放疗，在某些情况下可以对生存率产生重大影响。近年来，科学家们对免疫系统的性质有了有希望的发现。这些发现已经导致了基于免疫系统的治疗方法。但我们需要继续研究和探索如何更好地利用免疫系统来预防和治疗癌症，这可能带来“一站式”癌症疗法，有潜力带来治疗各种类型癌症的新疗法。

　　哪些基因是我们人类与众不同？

　　人类基因组中包含约30000个基因，其中约99%与我们的近亲黑猩猩相同。科学家们正在利用生物信息学、细胞生物学和遗传学方面的创新技术和大量积累的知识来确定我们与众不同的原因。我们已经绘制了人类基因组以及其他灵长类动物的基因组，通过与其他基因组的比较，有可能识别出我们基因序列中与其他物种不同的序列。重要的是要问这些基因差异中哪些影响了人类大脑的进化。为了回答这个问题，研究人员正在利用某些类型的干细胞构建大脑类器官来观察人类和黑猩猩的大脑发育。

　　迁徙动物如何知道它们要去哪里？

　　迁徙是指动物受季节影响，定期迁移到新的栖息地。动物迁徙的原因众所周知：它们需要不同的或更好的栖息地、庇护所和食物，以及繁殖压力。我们熟悉鸟类和蝴蝶从北向南迁徙，但其他类型的迁徙包括东西之间或海洋和陆地之间，在山脉中移动到不同的高度，甚至在海洋和湖泊的水柱中迁徙。迁徙生物的多样性非常丰富——从昆虫和哺乳动物到鱼类。甚至黏菌也会迁徙。但是，虽然人类已经观察动物迁徙几个世纪了，但直到最近我们才能够更好地理解迁徙生物知道自己在哪里和要去哪里的潜在机制。然而，许多理论仍有待充分验证。我们推测一些动物依赖于视觉线索，如地理标志，其他动物，如某些鸣禽、海豹和甲虫，利用太阳或星星的位置导航。

　　为什么恐龙长得如此之大？

　　古生物学家推测恐龙的如此巨大的体型可能与食物来源、体温调节、保护自己免受捕食者伤害和其他因素有关。

　　地球上有多少物种？

　　对于“物种”的不同定义就有约有50种之多，地球上有着许多未知的微生物，根据不同定义，估计地球上的物种总数在530万到1万亿之间。

　　有机体是如何进化的？

　　进化是指一个种群随着时间的推移而发生的累积变化。正如查尔斯·达尔文所证明的那样，自然选择决定了当生物繁殖和发展可遗传的特征时，它们会更容易适应环境，从而使其物种更偏爱那些具有有益基因的个体。这些基因将随着时间的推移被后代所继承。自然选择是进化的基本机制。但是，进化理论有许多谜团尚未被真正理解。例如，眼睛或胎盘等复杂器官是如何进化的？科学家们正在研究这些器官，以确定数百万年来发生的基因变化，并认识到进化永不停息。

　　能否复活灭绝生物？

　　科学家们正在探索可能让某些物种从灭绝中复活的选项，同时也在考虑这样做的伦理影响。虽然由于DNA存活的限制，让恐龙复活是不可能的，但CRISPR基因编辑技术可能为其他灭绝生物提供一种前进的途径。复活不是克隆，因此，要想让猛犸象从灭绝中复活，就需要编辑大象的基因组，改变它们的一些DNA序列，使其类似于猛犸象的DNA序列，从而产生一种杂交动物。

　　远古人类是否与其他类人祖先杂交？

　　这种杂交确实发生了，由于计算能力的进步和从化石中提取古代DNA的能力，我们已经知道尼安德特人曾与现代人类交配。

　　人类为什么会对猫狗如此着迷？

　　我们如此依恋狗和猫的许多原因都与心理学有关：我们的宠物提供了安全、保障、舒适、情感/身体支持和认可。

　　人类的情感源于何处？

　　人类最迷人的特点之一是我们的情绪：我们对经历的感受以及我们如何利用情绪做出决策。虽然所有哺乳动物都会产生基本的情绪，例如恐惧和愤怒，但人类的社会情绪尤其高度发达，如羞耻、内疚和自豪。你的感官告诉你外界发生了什么，而你的情绪存在于你的身体内部，告诉你这些事件和环境对你意味着什么。我们利用情绪来处理信息，因此它也具有进化目的。情绪不一定是我们可以控制的东西——它是生物体的一种自动机制，旨在保护我们。因此，每种情绪都对应着一种功能或行动，我们可以采取行动来帮助我们理解自己的需求。

　　虽然我们知道情绪与化学和生理反应有关，但关于情绪究竟是什么仍存在争议。一些神经科学家认为，情绪并不是自动“发生”于生物体的客观状态，而是由大脑学习和构建的。为了更好地理解情绪的起源，我们需要了解情绪的来源和影响因素。研究人员一直关注它们的发展和分类，以及它们对其他心理过程的影响和生理机制，并发现哺乳动物大脑中存在独立的神经回路或“系统”，控制着三种情绪反应。第一个系统是鼓励积极行为的系统，例如快乐的情绪，它激发动物探索自己的世界。第二个系统是产生战斗或逃跑反应的系统，它受到恐惧或愤怒的影响。最后一个系统是产生负面行为的系统，它导致动物产生焦虑，从而伤害自己或他人。

　　情绪很难测量。然而，许多新兴的方法和技术正在被利用来进一步研究它们，包括功能性磁共振成像（fMRI）、事件相关电位（ERP）、多通道生理记录、生物反馈和眼动记录，以及认知行为实验和甚至激素测量。

　　世界人口会无限增长吗？

　　受生育率、死亡率、移民和气候变化的影响，世界人口增长很可能在2100年停止，届时世界人口约为110亿。

　　我们为什么会停止生长？

　　我们的基因决定了我们何时停止生长。当我们达到成熟年龄并具备生育能力时，我们的身体生长就会停止。

　　人类可以冬眠吗？

　　体温调节是关键——如果我们人类能够降低体温，理论上我们可以诱导低代谢状态，这样我们就不需要燃料。

　　未来人类的外貌会有所不同吗？

　　人类可能会变得不同，这些变化将受到饮食、环境、技术使用等因素的影响。我们已经在进化中脱落了智齿。

　　为什么会发生物中大爆发和大灭绝？

　　进化生命周期中存在两种类型的事件：物种爆发和大规模灭绝。在5.4亿至4.9亿年前的寒武纪时期，地球经历了物种出现的最大规模。环境变化，例如氧气化，导致了小型、移动生物的扩张，这些生物具有现代动物所具有的解剖特征。最近的证据表明，这种爆发是由小的环境变化组合而成的，这些变化引发了重大的进化发展。这一信息可能引导研究人员更好地描述其他物种的爆发。至于已知的五次大规模灭绝事件，科学家们证实“压力-脉冲”模型是罪魁祸首，即生态系统和环境的长期变化（压力）遇到了突发的灾难性事件（脉冲）。

　　基因组编辑将如何用于治疗疾病？

　　由于CRISPR技术的发明，基因组编辑时代已经到来。这个简单但强大而多功能的工具使科学家能够改变DNA序列，从而改变细胞内的基因。它引发了许多领域的基础和应用研究中基因组编辑的革命，包括医学，毕竟，如果我们可以改变DNA编码的信息，对人类健康产生积极影响的潜力是巨大的，使我们有可能通过对基因组的有针对性修改来治疗遗传疾病的根本原因。

　　在2020年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因她们在2012年首次揭示CRISPR-Cas9基因编辑技术原理而分享了诺贝尔化学奖。自2012年引入CRISPR以来，基因组编辑的应用已经爆炸式增长，科学家们不断寻找扩大其应用范围的途径。体外研究结合人类疾病的动物模型已经明确了CRISPR可以用于纠正基因缺陷，科学家们已经将其纳入对抗多种疾病的研究中。除了生物医学应用外，这些CRISPR工具现在还被用于加快作物和牲畜育种、设计新的抗微生物药物和控制携带疾病的昆虫等。

　　可以人工合成细胞吗？

　　科学家们为什么对创造人工细胞感兴趣？因为我们希望通过比较更好地理解我们的人性，并且因为这种成就将在医学和生物学等领域产生巨大的影响。但是，对从头开始工程生命、有机组织的追求超越了学科和灵感的界限。通过推动科学和技术的边界来设计人工细胞，我们可能能够更好地理解生命的起源和生命的运作方式，这可能会改变我们对“生命”的定义。然而，当我们追求这些崇高的目标时，我们正在获得关于生物系统的宝贵见解，这将使我们能够改善社会的许多领域，从食品和智能技术到通信和医疗保健。

　　合成生物学家与其他生命科学家、物理学家、化学家、工程师、计算机科学家和生物信息学家合作，数十年来一直致力于合成细胞的目标。各种国际、学术和科学会议已经开始了这项工作。2010年，J. Craig Venter研究所（JCVI）的科学家宣布他们成功地合成了一个细菌基因组，然后将其放入细菌中，取代了其原有的DNA。在合成基因组的推动下，这个人造微生物细胞开始复制并制造一组新的蛋白质，这项努力耗资4000万美元，耗费了20人10年的时间，但它显著加速了合成生物学。2010年代以来，合成人工细胞所需的技术出现了新的里程碑，包括CRISPR-Cas9基因编辑技术、微流控、膜科学、纳米技术和成像能力等等。

　　细胞内的生物分子是如何组织从而有序有效发挥作用的？

　　研究人员注意到，细胞中充满了许多令人惊讶的和谐的生物分子群，包括蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物。然而，细胞仍然设法确保这些生物分子的多样性功能有序有效。众所周知，细胞膜设置亚细胞隔室，为不同的细胞活动提供物理屏障。最近发现的相分离效应在生物分子聚集和凝聚的动态调节中发挥了作用，揭示了对细胞中生物分子的组织和可用性的另一个重要控制水平。科学家们正在使用冷冻荧光显微镜和冷冻电子断层扫描的组合来揭示不同相位下生物分子的纳米级组织。这一领域的蓬勃发展继续为细胞生物学提供有价值的机制视角。

　　神经科学

　　意识存在于何处？

　　意识可以被描述为我们大脑的主观体验。事实上，意识被定义为有知觉的存在所经历的一切。它不一定意味着自我意识，这两个概念不应该混淆。自然地，意识的研究是一个交叉领域，吸引了各种各样的学者，包括神经科学家、哲学家、心理学家，甚至是电气工程师。但尽管有共同的努力，专家们仍然对意识的性质、机制和位置存在分歧。意识研究领域被认为是无序的、有争议的，在某种程度上是心灵科学家的雷区。

　　 一些科学家认为，意识只是一连串的生化反应，是每一次输入和唤醒都引发和发送信号的纠结神经元的舞蹈。但还有其他科学家认为意识是大脑的一部分，他们认为意识源于大脑神经元内被称为微管的蛋白质聚合物的量子振动。对意识的本质和机制的真正理解将打开知识的闸门，推动许多围绕神经科学的领域，包括计算机科学和医学。对意识的持续探索可以支持对复杂脑疾病分子机制的理解，并促进类脑智能算法的发展。我们还有很长的路要走，仍然需要更精细的高维分子数据来模拟大脑的动力学，但幸运的是，我们现在有高分辨率成像技术和人工智能等现代技术的帮助。

　　神经元放电序列的编码准则是什么？

　　放电序列——单个神经元放电的读数——可以在许多物种的不同状态下测量。如何将刺激与特定神经元的反应连接（或“映射”）尚未完全阐明，但正在进行深入研究。

　　能否数字化地存储、操控和移植人类记忆？

　　科幻电影描绘了有一天我们可以将我们的记忆上传到云端，然后将它们下载到某种形式的计算机中——这会是一个机器人，还是一个人工生命形式？神经科学家和认知科学研究人员并不嘲笑这种前景，而是将其作为一种灵感，推动知识的边界，更好地理解记忆如何工作，以及它是如何存储在我们大脑的神经元中。

　　记忆是大脑保留信息的方式。我们的大脑可以记录我们作为一个有意识的生命所经历的一切——某事物所唤起的感觉；它产生的气味、声音、视觉和思维；以及我们采取和观察的行为。

　　 记忆是我们认知的基础方面，指导我们与世界互动和导航的方式。它的内部运作通常被认为依赖于两个不同系统的双重过程，其中无意识和常规的思维过程与更自觉的、解决问题的思维过程合作。在某种意义上，记忆类似于计算机模型，因为它涉及输入、编码、存储和检索。但是，我们距离将我们的记忆复制到U盘还有多远？ 现在比以往任何时候都更近了，但距离现实仍然有很多年。制造人工记忆的成就可能会影响理论和实验认知研究以及临床医学：也许我们可以利用我们对记忆存储和操纵的理解，从阿尔茨海默病和创伤后应激障碍等毁灭性疾病中解放出来。

　　为什么我们需要睡眠？

　　我们一生中大约有25%到30%的时间用于睡眠。但不要认为这是休闲、懒惰或奢侈。睡眠通过昼夜节律和睡眠驱动等过程诱导，对大多数动物来说具有许多极其重要的角色。睡眠确保大脑的可塑性——它适应不同输入的能力。有证据表明，睡眠不足会对我们处理当天所学知识的能力产生负面影响，并减少我们对未来事件的回忆。睡眠可能是一种清除脑细胞废物的方式，与我们的整体健康息息相关。事实上，睡眠影响我们许多核心身体功能，睡眠不足与免疫力受损和高血压、抑郁症和癫痫等健康问题的可能性有关。

　　什么是成瘾，它又是如何工作的？

　　美国国立卫生研究院将成瘾定义为“一种慢性、复发性疾病，其特征是强迫性寻求药物（或其他物质），尽管有有害后果仍继续使用，以及大脑中长期的变化。它被认为是一种复杂的大脑障碍和精神疾病。对一种物质或活动的重复使用对我们大脑处理自然抑制、奖励、自控、学习、记忆和决策的能力有动态影响。美国国立卫生研究院报告称，成瘾的力量很大程度上在于其劫持和损害大脑的能力。多年来，科学已经改变了我们对成瘾的看法和处理方式。有许多环境、遗传和其他生物风险因素在起作用，研究人员开始研究影响成瘾发展和进展的遗传变异。

　　为什么我们会坠入爱河？

　　这是哲学家、人类学家、心理学家和生理学家思考的一个古老问题，我们现在可能更接近于理解我们身体和大脑中产生爱的感觉的机制。我们的求偶欲望和有时对另一个人的依恋从根本上说是由确保物种生存的需求驱动的。研究人员将浪漫爱情分为欲望、吸引和依恋。毫无疑问，激素在其中发挥着巨大的作用。

　　言语如何演变形成，大脑的哪些部分对其进行控制？

　　最流行的理论是，由大脑左半球控制的语言大约在20万年前发展起来，尽管新的见解表明，它可能早在约2700万年前就存在于人类和猴子的共同祖先中。但是，语言是如何进化的，以及为什么它集中在左脑中仍然不清楚。

　　除人类以外的其他动物有多聪明？

　　动物在许多方面都非常聪明。它们甚至可以使用工具；例如，一些乌鸦掌握了制作钩子来抓取食物的能力，并将坚果放在道路上，以便过往车辆拆卸外壳。海豚具有内置的声纳功能和自己的语言，它们非常聪明，甚至被研究人员称为“非人类的人”。章鱼可以快速识别威胁和伪装，并被观察到携带像椰子壳这样的物体来作为盔甲，并拧开罐子盖子来获取食物。黑猩猩可以说是最聪明的动物，它们可以学习手语，使用和组合符号来表达复杂的观点。它们具有出色的记忆能力，在某些任务中比人类表现更好。

　　为什么大多数人都是右撇子？

　　据估计，85%-90%的人是右撇子，但这并没有一个简单的原因。它可能受到基因、文化和其他遗传因素的影响，或者这些因素的组合。

　　我们可以治愈神经退行性疾病吗？

　　神经退行性疾病，即大脑或神经系统的神经细胞失去功能并死亡，会带来巨大的痛苦。每年有数百万人经历这些疾病的疼痛和创伤，其中最常见的是阿尔茨海默病和帕金森病。干预措施可以减轻或缓解症状，但不能完全缓解，而且到目前为止，还没有治愈和完全阻止或逆转疾病进展的方法。年龄是一个重要的风险因素——随着年龄的增长，被诊断为神经退行性疾病的可能性呈指数级增加。根据世界卫生组织的数据，神经退行性疾病将在未来二十年内成为第二大常见死因。

　　数十亿美元被投入到这个重要研究领域，科学界已经做好了成功的准备：我们关于遗传学和神经元发病机制的集体知识，结合创新技术，已经导致了令人兴奋的发现。例如，我们已经确定了神经退行性疾病之间的特定共性，包括蛋白质错误折叠、聚集和包涵体形成。炎症也是普遍存在的，科学家们将继续探索这一因素。还有新的证据表明肠道微生物群可能发挥作用。我们还取得了重要的技术进步，使我们能够比以往任何时候都更清晰地成像大脑和单个细胞。干细胞治疗的研究可能会成为未来摆脱神经退行性疾病的基石。

　　有可能预知未来吗？

　　预测多种复杂系统的模型——从气候和天气到经济和公共卫生——有助于我们理解可能性和概率。我们可以轻松地预测卫星和恒星的位置。那么，先进的智能机器是否可以帮助我们预测未来呢？

　　精神障碍能否有效诊断和治疗？

　　精神障碍如抑郁症、精神分裂症和焦虑症是复杂的，经常与其他精神疾病重叠。诊断和治疗往往相互依赖，一个干预措施可能具有多种目的，缓解多个症状或问题。但是，无法保证一种药物会对患者的一生有效；其有效性可能会降低或完全消失。此外，药物反应在个体之间可能存在很大差异。为了解决这种护理中的变异性和脆弱性，临床精神病学家和心理学家与神经科学家一起研究成功的治疗机制，以更好地理解它们的实际作用。

　　这125个科学问题如下：

　　数学

　　1、什么使素数如此特别？

　　2、纳维尔-斯托克斯问题会得到解决吗？

　　3、黎曼猜想是真的吗？

　　化学

　　4、还有更多色彩元素可发现吗？

　　5、元素周期表会完整吗？

　　6、如何在微观层面测量界面现象？

　　7、能量储存的未来是怎样的？

　　8、为什么生命需要手性？

　　9、我们如何更好地管理世界上的塑料废物？

　　10、AI会重新定义化学的未来吗？

　　11、物质如何被编码而成为生命材料？

　　12、是什么驱动生命系统的复制？

　　医学与健康

　　13、我们可以预测下一次流行病吗？

　　14、我们会找到治疗感冒的方法吗？

　　15、我们可以设计何制造出为个人定制的药物吗？

　　16、人体组织或器官可以完全再生吗？

　　17、如何维持和调节免疫稳态？

　　18、中医的经络系统有科学依据吗？

　　19、下一代疫苗将如何生产？

　　20、自闭症的病因是什么？

　　21、我们能否克服抗生素耐药性？

　　22、我们的微生物组在健康何疾病中扮演什么角色？

　　23、异种移植能否解决供体器官短缺的问题？

　　生物学

　　24、什么可以帮助保护海洋？

　　25、我们可以阻止自己衰老吗？

　　26、为什么只有一些细胞会变成其他细胞？

　　27、为什么有些基因组非常大而另一些又非常小？

　　28、有可能治愈所有癌症吗？

　　29、哪些基因是我们人类与众不同？

　　30、迁徙动物如何知道它们要去哪里？

　　31、为什么恐龙长得如此之大？

　　32、地球上有多少物种？

　　33、有机体是如何进化的？

　　34、能否复活灭绝生物？

　　35、远古人类是否与其他类人祖先杂交？

　　36、人类为什么会对猫狗如此着迷？

　　37、人类的情感源于何处？

　　38、世界人口会无限增长吗？

　　39、我们为什么会停止生长？

　　40、人类可以冬眠吗？

　　41、未来人类的外貌会有所不同吗？

　　42、为什么会发生物中大爆发和大灭绝？

　　43、基因组编辑将如何用于治疗疾病？

　　44、可以人工合成细胞吗？

　　45、细胞内的生物分子是如何组织从而有序有效发挥作用的？

　　天文学

　　46、空间中有多少个维度？

　　47、宇宙的形状是怎样的？

　　48、大爆炸从何处开始？

　　49、为什么行星的轨道不衰减并导致它们相互碰撞？

　　50、宇宙何时消亡？它会继续膨胀吗？

　　51、我们有可能在另一个星球上长期居住吗？

　　52、为什么存在黑洞？

　　53、宇宙是由什么构成的？

　　54、宇宙射线的起源是什么？

　　55、我们是宇宙中唯一的生命吗？

　　56、物质的起源是什么？

　　57、时空的最小尺度是什么？

　　58、水是宇宙中所有生命所必需的么，还是只对地球生命？

　　59、是什么阻止了人类进行深空探索？

　　60、爱因斯坦的广义相对论是正确的吗？

　　61、脉冲星是如何形成的？

　　62、我们的银河系特别吗？

　　63、深层生物圈的规模、组成和意义是什么？

　　64、人类有一天会不得不离开地球吗（还是会在尝试中死去）？

　　65、宇宙中的重元素来自何处？

　　66、有可能了解致密恒星和物质的结构吗？

　　67、高能宇宙中微子的起源是什么？

　　68、什么是重力？

　　物理学

　　69、有衍射极限吗？

　　70、高温超导的微观机理是什么？

　　71、物质传热的极限是什么？

　　72、集体运动的基本原理是什么？

　　73、什么是物质的最小组成部分？

　　74、我们会以光速行驶吗？

　　75、什么是量子不确定性，什么它很重要？

　　76、会有“万有理论”吗？

　　77、为什么时间似乎只朝一个方向流动？

　　78、什么是暗物质？

　　79、我们可以制作出真人大小的隐形斗篷吗？

　　80、是否存在与光子性质或状态相反的粒子？