第四单元 科学魅力 理性光辉 单元导语&选文阅读-高中语文读写选择性必修下册

KoK《C 第四单元科学魅力理性光辉 》@》 第四单元科学魅力 理性光辉 单元导语 l00001000l110100l0000001010l11 攀高峰不怕千般苦，闯新路何愁万里遥。古今中外，无数的科 学家孜孜不倦地探索着宇宙与自然的奥秘。他们用自己的勤奋与好 奇在浩瀚的知识海洋中探索真理，让我们懂得人类与生命的起源； 他们用忘我的工作热情创造世界的文明；他们用旺盛的斗志点燃一 代又一代青年的科研热情，前赴后继，生生不息。作为高中生的你 们，是否也曾思考过生命的命题？是否也曾探寻过大自然的奥秘？ 是否也曾想象过地球与人类的未来？是否也不由自主地被科学家们 身上闪现的理性光辉吸引？现在，请与我们一起，跟随先辈们的脚 步去探寻起源，寻找真相，描绘未来，最终获得属于自已的那一份 熠熠生辉的魅力之光。 本单元从科峰登顶、科学趣闻两个方面来组文，力求为同学们 揭开神秘科学的一角，使大家进一步感受科技带给我们的变化，体 会科学研究的不易，学会进行简单的科学探究。 学习本单元，同学们要理清作者的写作逻辑或顺序，注意筛选 文章的重要信息，分析文章中使用的论证方法与说明方法，体会作 者独特的观察角度和表达方式，形成自己的科学认知。 127 。《高中语文读写（选择性必修·下册）》。》 选文阅读 蛋白质的“十九般兵器”（节选） 朱钦士0 《论语》中说：“工欲善其事，必先利其器。”是说要把一件事做好，必要的 工具是不可少的。在现代火器出现之前，人们要狩猎或搏斗，自然可以拳打足踢 牙咬，也就是使用人体“自带”的工具。但是如果有武器相助，威力就大得多。 古人早就懂得这个道理，所以发明了各式各样的武器。在《水浒传》中，八十万 禁军教头王进教授九纹龙史进的，就有“十八般武艺”，也就是使用“十八般兵 器”：矛、锤、弓、弩、铳、鞭、锏、剑、链、挝、斧、钺、戈、戟、牌、棒、 枪、扒。 我们身体里面的蛋白质，负担的任务远比古代的武土进行搏斗时多。为了完 成所有这些任务，蛋白质不但也有“十八般兵器”，而且比古代武士所用的还多 一种，所以有“十九般兵器”。这些武器的名字中最后的两个字（氨酸）相同。 为了看起来简洁，并且和上面的“十八般兵器”对应，我们在这里把这最后两个 字略去，只写出它们前面的字，那就是丙、缬、亮、异亮、苯丙、脯、色、丝、 酪、半胱、蛋、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏、天冬、谷、赖、精、组。 这些武器到底是什么，我们后面再讲。在这里先说说蛋白质的重要性和任 务。任务清楚了，蛋白质为什么要这么多种“武器”就清楚了。 蛋白质不仅是构成皮肤（如胶原蛋白）、毛发和指甲的材料，更与所有的生 命活动有关。肌肉收缩需要几种蛋白纤维，物质转运需要各种蛋白转运器，识别 敌友需要抗原识别蛋白，标记外来的异物需要抗体，凝血需要纤维蛋白，调节血 糖需要胰岛素，感知外界信号需要各种蛋白受体，把DNA(脱氧核糖核酸)缠绕 成染色体需要组蛋白，控制基因的表达需要各种转录因子等。 ①朱钦士：毕业于北京大学生物学系，后来取得荷兰阿姆斯特丹大学生物化学博士学 位，曾参编第六版《十万个为什么》丛书。 128 KOK 第四单元科学魅力理性光辉 》@》 除了以上功能，蛋白质最复杂、最繁重的任务，还是催化各种化学反应。生 命活动是通过几千种化学反应来实现的，包括利用外来物质建造自己的身体，氧 化食物中的分子以获取能量，生产前面提到的各种生命活动所需要的分子，如转 运蛋白、抗体、激素、凝血因子等。化工厂里面要实现各种化学反应，常常使用 高温高压的条件。但是在人体中，一切化学反应却必须在体温和常压下进行，这 就给我们出了个难题。 比如在火力发电厂中，煤和石油是在高温下燃烧的。但是在常温下，放在空 气中的煤和石油却很稳定。把葡萄糖放在空气中，哪怕在大热天，它也不能被氧 化。这是因为，分子要进行化学反应，必须首先要得到足够的能量，把其中的化 学键打开。燃烧时上千度的高温能够提供足够的能量，但是在室温下，分子却得 不到所需的能量，化学反应也就难以进行。而在我们的身体中，葡萄糖却可以很 容易变成二氧化碳和水，释放出我们身体所需要的能量。这是因为，在身体内， 化学反应有蛋白质的帮助。蛋白质能把化学反应分成几步，每一步需要的能量都 比较少，这就使得原来在体温下不能完成的化学反应也能顺利完成。反应完成以 后，蛋白质又恢复原来的样子，本身并不消耗。这个过程就叫作“催化”。这些 催化化学反应的蛋白质，就叫作“酶”。我们身体里面的几千种化学反应，都是 由酶来催化的。所以我们可以说，没有蛋白质就没有生命。蛋白质是一切生命活 动的具体执行者。 就在你看这篇文章的时候，这些“兵器”正在你的细胞里繁忙地工作，精确 地完成我们的身体赋予它们的任务。我们虽然不能用眼睛“看见”它们，也感觉 不到它们的存在，但正是由于它们神通广大，才使得生命成为可能。想到这里， 我们不能不为生命的美妙和神奇而感动。 (有改动) 129 K。《高中语文读写（选择性必修·下册）》。》 重新设计生命：基因组编辑技术如何改变世界 (序言节选) [英]约翰·帕林顿① 遗传工程技术最惊人的一点可能是它的发展速度。虽然基因组编辑是刚出炉 的新技术，却已经在很多方面被引进、被应用，这样的节奏让很多科学家始料未 及。正因如此，《科学》杂志把CRISPR/CAS92选为2015年“生命科学突破奖”， 超越了飞掠冥王星和发现新的人类祖先两大事件。“我们都惊叹这项技术起飞得 太快了，”杜德娜说，“对CRISPR的潜力感到激动的人真的太多了。”这项技术之 所以会对生物医学产生重要影响，是因为这种新发现的修改基因组的方法可以应 用于各类物种，从简单的细菌到哺乳动物一一不仅仅是老鼠，还有像猪和猴这样 的大型动物都适用。同时，基因组编辑能够从遗传上改变农业生产中重要的动植 物，这种能力似乎注定会对食品生产产生巨大影响。 尽管令人激动，基因组编辑这项新技术也在不断产生争议，其原因恰恰在于 它与以前的遗传工程技术相比，准确性和功效都大大提高了。争议的产生不只是 因为它有可能影响转基因作物和动物疾病模型这些已经饱受争议的领域，更是因 为基因组编辑同样可以用于影响人类细胞。2015年11月，这项技术被用来治疗一 名患有恶性小儿白血病的婴儿，产生了被医生们称为“近乎奇迹”的恢复效果。 更有争议的是，基因组编辑技术已被用来修改人类胚胎的基因组，这是史无前例 的。虽然研究人员尚未计划将这些胚胎植入女性子宫，但已经引起了一些科学家 的反对。他们呼吁禁止此类研究，认为它“太危险，在伦理上不可接受”。 关于基因组编辑技术潜在的应用范围，威斯康星大学麦迪逊分校从事此项技 术研究的达斯廷·鲁宾斯坦认为：“它真的会赋予我们更多创造力…我们可以 跳入沙坑、修建城堡，可以更好地掌控建出的东西。唯一的限制就是想象力。” ①约翰·帕林顿：牛津大学细胞分子学教授、分子药理学家，牛津大学伍斯特学院院 士，著名的媒体科普类专栏作家。 ②CRISPR/CAS9:一种基因治疗法，这种方法能够通过DNA剪接技术治疗多种疾病。 130 KK《 第四单元科学魅力理性光辉 》@》 然而，正如珍妮弗·杜德娜指出：“伟大的事情可以通过科技的力量来实现，但 有些事情是人们不希望看到的。大部分公众还不了解将要发生的事情。”既然大 规模的科学革命将要来临，公众的意见可能会影响基因组编辑技术被使用的方 式，那么这种缺乏了解的情况一定是需要被改正的。不过，参与讨论需要正确理 解其中的科学道理和这项技术与遗传工程技术的区别。 生物科技领域还有其他重要的进步正在发生，如光遗传学这一新兴领域。光 遗传学技术利用激光激活或抑制小鼠大脑内的神经细胞，使科学家能够更好地理 解大脑如何工作，也可以用它来控制小鼠的行为。这个方法正在神经科学领域引 发一场革命，因为它能够揭示特定的神经细胞是如何参与复杂的大脑功能运转 的，比如学习、记忆、疼痛和喜悦。“光遗传学不会是县花一现，”圣路易斯华盛 顿大学的神经科学家罗伯特·盖罗认为，“它让我们有能力完成以前无法实现的 实验，科学中像这样真正改变‘游戏规则’的技术寥寥无几。”此外，科学家正 在研究其他操纵神经细胞活动的技术，比如利用电磁和超声波。 另外，光遗传学技术最近也被应用于其他细胞类型，比如心肌细胞和分泌胰 岛素的胰腺细胞。 我们再来关注干细胞技术的发展。研发具有“多能”潜力的干细胞是生物医 药的一个重大增长领域。所谓“多能”，是产生身体内任意细胞类型的能力。多 能干细胞可以从人类胚胎细胞中培养产生。这种手段引发了一些争议，但在最近 的实验中，普通的人类表皮细胞被成功转变为多能干细胞了。最令人吃惊的是， 多能干细胞被证明能够自己组织成像器官一样的结构，比如肠、胰脏、肝脏、眼 睛甚至大脑。这项技术目前主要被用于进一步研究大脑的功能或者器官的发育过 程，但它直接进入临床应用的潜力是巨大的。无论是为了科研，还是为了实现更 换患病的或衰老的心脏、肝脏或胰脏等器官，体外培养人体器官的技术本身也正 因基因组编辑技术的进步而不断发展，因为后者使得人们能够调节基因的活动。 合成生物学是重新设计生命更激进的一步。它已经成功创造出第一个人工合 成细菌基因组和酵母人工染色体，而此类研究的长远目标是用这些人工搭建的结 构作为起点，实现对基因组更彻底的改变，甚至比基因组编辑能实现的还要多。 同时，还有一些合成生物学家在寻求改变DNA(脱氧核糖核酸)及其编码的蛋白 质的结构。在未来，合成生物学可能会使从根本上重新设计细菌成为可能，使细 菌发挥重要的实用功能，如生产燃料或食物，检测人体内的毒素，或者作为建筑 131 K。《高中语文读写（选择性必修·下册）》。》 材料。如果把合成生物学应用于更复杂的生物，有一天可能会创造出完全抗病毒 的动植物。 然而，这些令人激动的科学进步也面临着严肃的伦理问题，人们不应该回避 这些问题。比如在农业上，我们如何保证基因组编辑技术被用来使世界上大多数 人获益，而不是仅仅用来增加企业的利润？在生物医学中，基因组编辑技术会刷 新我们对疾病的认识并为治疗带来革新，但存在哪些风险？尤其存在争议的是使 用基因组编辑对人类胚胎进行遗传修饰的可能性，比如用于治疗疾病。其中风险 之一就是，这样的胚胎修饰会不会最终给一个新生命带来其他的遗传变化，比如 容貌、才能或者性格上的改变？光遗传学正在揭示关于大脑工作的新信息，但会 不会有一天被用作控制思想的工具？合成生物学可能会制造出具有各种实用价值 的新的生命体，但我们怎么能确定这些新的生命体不会占领地球、带来灾难？ 城市级5G网络成为发展重点 材料一 1月10日上午，苗圩就贯彻落实中央经济工作会议精神，接受了多家媒体的 联合采访。 记者：中央经济工作会议指出加快5G商用步伐。5G将带来什么？如何推动？ 苗圩：移动通信基础设施对经济社会发展的核心驱动作用日益凸显，5G具备 更高速率、更低时延、更大连接的特点，将与人工智能、大数据、物联网等新技 术深度融合，进一步深入到各行各业，加快生产活动向数字化、网络化、智能化 方向演进升级，激发出如智能网联汽车、远程医疗手术等各类创新应用，改变我 们的社会。5G将构筑万物互联的新一代信息基础设施，成为社会数字经济和各行 各业转型升级发展的新引擎。我们不仅要建好5G,更要想方设法解决好5G应用 过程中遇到的各种挑战。一是加快促进5G终端成熟。5G芯片、终端的研发进程 正在全力加速，力争5G终端尽快与用户见面，部分企业有望2019年中推出供用 户测试使用的手机。二是加快网络建设进程。2018年12月，工业和信息化部正式 132 KOK 第四单元科学魅力理性光辉 》》 向三家基础电信企业发放了5G试验频率使用许可，下一步将开展5G规模试验， 着力打造城市级的高质量5G精品网络。三是加快培育5G融合应用。不断深化基 于C-V2X的车联网标准体系、产业协同和示范应用，加快推进工业互联网和5G 的融合应用，进一步推动5G与农业、交通、医疗、教育等各领域的协同创新。组 织开展第二阶段的5G应用征集工作，集各方力量共促5G应用发展。 材料二 中国、美国、欧盟、日本、韩国5G商用时间表和路线图 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年以后 中国 5G技术研发试验 5G产品研发试验 5G商用 Verizon 美国 固定宽带 5G商用■ 无线接从 欧盟 5G技术试验 5C脑用口 日本 5G技术试验 KT 5G商用 韩国 应用演 5C商用 (资料来源：公开资料整理) 材料三 5G+AI,全面提升新闻的生产传播效率。AI即人工智能技术，是一种新兴的 计算机应用科学技术。AI在新闻传播领域的应用并非新鲜事。 在信息采集方面，2013年无人机拍摄开始出现，开启了记者对无法亲临的自 然灾害、实地战场等现场进行新闻采集的新路径。 腾讯开发的自动化新闻写作机器人“Dream writer'”、新华社机器人记者“快 笔小新”的出现，都极大地降低了新闻采集与编辑记者的工作量，有力提升了新 闻编辑效率，进一步拓宽了新闻的内容与视角。 在新闻的传输与发布方面，人工智能技术大大缩减了新闻传输的速度，并形 成了数据新闻的个性化推荐，全面提升了用户的新闻阅读体验。 5G技术的到来和逐步普及，人工智能在新闻领域的应用，都将让新闻传播在 4G基础上实现新的突破和升级，释放更大的能量。 5G技术的助力，将使得新闻编辑工作更为高效和灵活，让更多AI场景得到 133 。《高中语文读写（选择性必修·下册）》。》 完美落地。同时，5G技术与人工智能的结合，将实现更为全面的个人用户数据追 踪，用户内容的推荐也将朝着更为精准化和个性化的方向发展。 正确认识和利用5G技术是传媒领域新的时代课题。5G技术为新闻传播带来 了便捷、高速、低时延的特点，以及更低的成本，但同时也带来了信息泛滥、信 息茧房、舆情失控、监管困难等问题。 因此要首先培养新兴技术人才和团队，攻克技术短板；其次提高新闻的品质 和服务，避免新闻价值的弱化；再次构建网络社会中的公共领域，突破信息茧 房；最后制定相关的行业法律规范，完善内容监管。只有从技术人才、内容质 量、平台监管等多个层面同时发力，才能实现新闻传播行业的突围。 材料四 5G的未来很美好，但在具体应用时遇到的挑战也前所未有。在网络实施方 面，4G从标准提出到完成经历了4到5年的时间，而5G标准的完成到真正商用只 有一年左右的时间，从时间上看，网络实施任务艰巨，需要大家一起携手克服困 难。投资效益也是摆在运营商面前的重要挑战。5G投资需要大规模投资，未来 5G基站量将是4G基站量的2倍，5G网络建设对运营商的投资要求至少是4G的 1.5倍。如此巨大的投资如何才能获得回报，是运营商面临的挑战。在行业融通 方面，5G要赋能各行各业也是难题。5G的发展实现了从移动互联网扩展到物联 网的阶段，但是垂直行业和2G市场完全不一样，怎样去洞察行业需求？我们的解 决方案需要完全定制化，用户认同也需要一定的周期，尤其是我们需要跟行业本 身共同投入、联合创新。这和4G以及过去的3G完全不一样。范式变革也是面临 的挑战之一，目前通信行业技术体系在变革，而技术的变革也要求价值体系和管 理体系做出相应变革去适配。无论是运营商公司内部，还是合作伙伴的公司内 部，管理体系、价值体系可能都需要发生变革，不发生变革就难以应对5G的 发展。 134 KoK《 第四单元科学魅力理性光辉 火流星（节选）》 曹天元 在量子初生的那些日子里，物理学的境遇并没有得到明显的改善。这个叛逆 的小精灵被它的主人所抛弃，不得不在荒野中颠沛流离，积蓄力量以等待让世界 震惊的那一天。在这段长达四年多的惨淡岁月里，人们带着一种鸵鸟心态来使用 普朗克的公式，却掩耳盗铃般地不去追究那公式背后的意义。然而在他们的头 上，浓厚的乌云仍然驱之不散，反而有越来越逼人的气势，一场荡涤世界的暴雨 终究无可避免。 而预示这种巨变到来的，如同往常一样，是一道劈开天地的闪电。在混沌 中，电火花擦出了耀眼的亮光，代表了永恒不变的希望。光和电这两种令神祇也 敬畏的力量纠缠在一起，便在瞬间开辟出一整个新时代来。 说到这里，我们还是要不厌其烦地回到第一章的开头，再去看一眼赫兹那个 意义非凡的实验。正如我们已经提到过的那样，赫兹接收器上电火花的爆跃，证 实了电磁波的存在，但他同时也发现，一旦有光照射到那个缺口上，那么电火花 便出现得容易一些。 赫兹在论文里对这个现象进行了描述，但没有深究其中的原因。在那个激动 人心的伟大时代，要做的事情太多了，他没有闲暇来探究每一个遇到的问题，但 是别人随即在这个方面进行了深入的研究，不久事实就很清楚了。原来是这样 的：当光照射到金属上的时候，会从它的表面打出电子来。原本束缚在金属表面 原子里的电子，不知是什么原因，当暴露在一定光线之下的时候，便如同惊弓之 鸟纷纷往外逃窜，就像见不得光线的吸血鬼家族。对于光与电之间存在的这种饶 有趣味的现象，人们给它取了一个名字，叫作“光电效应”。 很快，关于光电效应的一系列实验就在各个实验室被做出。虽然在当时来 说，这些实验都是非常粗糙和原始的，但种种结果依然都表明了光和电之间这种 现象的一些基本性质。人们不久便知道了两个基本的事实：首先，对于某种特定 的金属来说，光是否能够从它的表面打击出电子来，这只和光的频率有关。频率 135 。《高中语文读写（选择性必修·下册）》。》 高的光线（比如紫外线)便能够打出能量较高的电子，而频率低的光（比如红 光、黄光)则一个电子也打不出来。其次，能否打击出电子，这和光的强度无 关。再弱的紫外线也能够打击出金属表面的电子，而再强的红光也无法做到这一 点。增加光线的强度，能够做到的只是增加打击出电子的数量。比如强烈的紫光 相对微弱的紫光来说，可以从金属表面打击出更多的电子来。 总而言之，对于特定的金属，能不能打出电子，由光的频率说了算。而打出 多少电子，则由光的强度说了算。 但科学家们很快就发现，他们陷入了一个巨大的困惑中。因为…这个现象 没有道理，它似乎不应该是这样的啊。 我们都已经知道，光是一种波动。对于波动来说，波的强度便代表了它的能 量。我们都很容易理解，电子是被某种能量束缚在金属内部的，如果外部给予的 能量不够，便不足以将电子打击出来。但是，照道理说，如果我们增加光波的强 度，那便是增加它的能量啊，为什么对于红光来说，再强烈的光线都无法打击出 哪怕是一个电子来呢？而频率，频率是什么东西呢？无非是波振动的频繁程度而 已。如果频率高的话，便是说波振动得频繁一点，那么照理说频繁振动的光波应 该打击出更多数量的电子才对啊。然而所有的实验都指向相反的方向：光的频 率，而不是强度，决定它能否从金属表面打出电子来；光的强度，而不是频率， 则决定打出电子的数目。这不是开玩笑吗？ 想象一个猎人去打兔子，免子都躲在地下的洞里，轻易不肯出来。猎人知 道，对于狡猾的兔子来说，可能单单敲锣打鼓不足以把它吓出来，而一定要采用 比如说水淹的手法才行。就是说，采用何种手法决定了能不能把兔子赶出来的问 题。再假设本地有一千个兔子洞，那么猎人有多少助手，可以同时向多少洞穴行 动这个因素便决定了能够吓出多少只兔子的问题。但是，在实际打猎中，这个猎 人突然发现，一切都翻了个个儿，兔子出不出来不在于采用什么手法，而是有多 少助手同时下手。如果只对一个兔子洞行动，哪怕天打五雷轰都没有兔子出来。 相反，有多少兔子被赶出来，这和我们的人数没关系，而莫名其妙地，只和采用 的手法有关系。哪怕我有一千个人同时对一千个兔子洞敲锣打鼓，最多只有一只 兔子跳出来。而只要十个人一起灌水，就会有一千只兔子四处乱窜。要是画漫画 的话，这个猎人的头上一定会冒出一颗很大的汗珠。 科学家们发现，在光电效应问题上，他们面临着和猎人一样的尴尬处境。麦 136