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用DNA探测暗物质

2018-08-06 09:02栏目:简讯

一个是藏在生物体的细胞核内,一个是充满宇宙空间的看不见的“幽灵”物质,二者风马牛不相及,谁承想,最近一群富有想像力的科学家却非要把它们拉扯在一起。

用DNA探测暗物质

DNA是生物体上承载遗传密码的物质,而暗物质则是组成宇宙物质总质量近85%以上、至今身份未明的一种物质。它们一个藏在细胞核内,一号站平台,一个处在辽阔的宇宙空间,看似八竿子打不着,谁承想,最近一群富有想像力的科学家硬生生把它们扯在了一起。具体地说,他们准备建造一个以DNA为材料的探测器,来寻找组成暗物质的粒子。

如何寻找暗物质粒子

暗物质之为“暗”,是因为这种物质不与普通物质发生电磁作用,我们根本不能通过寻常的望远镜探测到它们。但因它们跟普通物质毕竟还存在引力作用,所以这才泄露了它们的行踪。

可是对于物理学家来说,光知道它们存在还是远远不够的。他们还渴望知道组成暗物质的粒子究竟是什么。谁先搞清楚这个问题,那么酬谢他的肯定会是一个诺贝尔奖。所以,现在实验家们在争先恐后地设计各种类型的探测器,来寻找暗物质粒子。

按照天文学家的看法,暗物质虽然看不见,但却充满我们整个宇宙,我们就处于暗物质的海洋中。当太阳绕着银河系中心转动的时候,事实上它就在一片暗物质粒子的大海中航行。

因为暗物质在宇宙空间中构成了基本上静止不动(相对银河系中心而言)的背景,所以倘若站在太阳上看,暗物质粒子好像一阵方向始终不变的斜风雨在吹拂着整个太阳系。不过因为地球又在绕着太阳公转,所以对于站在地球上的观察者,在一年的一半时间内,地球在逆着暗物质粒子的“斜风雨”前进,而另一半时间则在顺着“斜风雨”前进。倘若物理学家捕捉到一种未知的粒子,它的方向在一年内会发生周期性变化,那么基本上可以肯定他们捕捉到的就是一种暗物质粒子。

用DNA探测暗物质

设想中的DNA探测器

为了准确地测量粒子的射向,美国一个由天文学家和生物学家组成的研究小组最近提出用DNA建造一种新型的粒子探测器。

他们的设想是这样:加工一块极薄的正方形黄金薄片,在上面画上一个个均匀的微小格子。在每个格子的交叉点上,悬挂一条长度相等的DNA。这些DNA上都有特殊的标记,标明它是哪个交叉点上垂挂下来的。

假如一种未知的粒子射向黄金薄片,它就会把金原子撞出薄片。被撞出来的金原子于是飞入悬挂DNA细丝的“密林”中。当它撞到一根DNA细丝时,DNA就会在被撞处折断,掉到底下一个承接的盘中。金原子要是在飞行的过程中撞了n根DNA,那么就会有n段DNA掉到盘中,而且因为撞击点不同,掉下的每一段DNA都不一样长,越到后头越短。

倘若这些掉到盘中的DNA片段可以通过显微镜直接读出它们的长度,那就好办了,我们就可以结合它们各自的位置,重建金原子飞行的轨迹。由此又可以反推未知粒子射向黄金薄片的方向。但这些DNA片段都太小,用显微镜根本看不见。怎么办呢?

这就需要利用DNA的一种特性,或者一种叫“DNA扩增”的技术。利用这项技术,我们可以把一个DNA片段,复制上亿个一模一样的副本,这相当于把一个微小的信号放大了,便于让我们精确地测量出它的长度——这项技术对于生物学家来说,一号站平台,是家常便饭了。这也是为什么有人只要收集你嘴巴中一点唾液,就可以进行DNA鉴定的原因。

探测粒子的新思路

由于组成DNA的最小单元是脱氧核苷酸,一个脱氧核苷酸长度只有几个纳米,而DNA链只会在两个脱氧核苷酸相连处断裂,所以,这种DNA探测器的精度可达到几个纳米,远远高于目前其他类型的探测器。

除了精度高之外,这种探测器还小巧、轻便,在常温下就可以工作。而目前世界上已经运行的暗物质粒子探测器,都非常庞大,造价高昂,需要运行在极低温的环境下。

当然了,DNA探测器目前还有一些未克服的障碍。譬如说,如何保证这么多DNA细丝垂挂下来时不打结,不纠缠到一起去?

一种设想是在每根DNA细丝的底端固定一个微型磁针,然后底下放一块强磁铁,用磁场来保持DNA细丝垂直悬挂。

总而言之,DNA探测器的重要意义不在于最后是否真能通过这种办法捕捉到暗物质粒子,而在于它结合生物学上的最新技术,为如何探测粒子提供了一条新的思路。