《科学》：2015年度十大科学突破

姚人杰/编译

《科学》：2015年度十大科学突破

姚人杰/编译

CRISPR编辑DNA的能力已经帮助科学家们创造了一批遗传学意义上的新生物

●2015年底，《科学》杂志评选出年度十大科学突破，其中CRISPR基因组编辑赢得桂冠。以下九项研究荣登亚军榜。

小星球的大年份

2015年是矮行星大放光彩的一年。NASA的两个航天器在2015年里与矮行星两次相遇，两颗原本在人类的观察中模模糊糊的星球突然在机器之眼面前显露出清晰的细节。3月，“黎明号”进入环绕小行星带中最大的天体谷神星的轨道。7月，“新视野号”飞掠冥王星，冥王星是柯伊伯带中最大的天体之一。

科学家在冥王星上发现了一处奇特的地方，它既是现今冥王星的椭圆形轨道导致的极端季节变化及为时248地球年的“一年”造成的，也是数十亿年前矮行星冷却皲裂而塑造的。在冻结的固态氮表面上有着鱼鳞状的纹理，这是冥王星稀薄的大气层通过扩张和坍陷的过程“呼吸”的同时升华和沉积模式的证据。水构成的冰山矗立在平原上，混杂在一起，仿佛远古的地质构造力将它们像漂流的冰山一样推过柔软的氮气之海。两座山的中间有着深坑，也许是“低温火山”从较为温暖的内部喷射出冰。

离太阳更近的谷神星是由不同力量塑造出的。它黑得像柏油一样，表面因为撞击而伤痕累累。在一些撞击坑的神秘亮点上方，飘浮着尘埃和水蒸气构成的雾霾——这个迹象表明谷神星像处于旅途最后阶段的彗星一样在“释气”。“黎明号”还在谷神星表面矿物中发现了氨，这也是彗星上的典型成分，进一步证明了谷神星实际上是一颗巨大的死亡彗星，它的一生起始于太阳系外层，那时更靠近冥王星。12月，“黎明号”下降到最终最低的绘图轨道，距离谷神星表面不到380公里。

还有第三个小型天体等待着人类航天器，“新视野号”正在飞往一个名叫2014 MU69的柯伊伯带天体，将在2019年与之相会。在那之后，“新视野号”会继续前行，在几十年后离开太阳系，而“黎明号”会环绕谷神星数百年，乃至更久。

肯纳威克人的亲属

从一开始，这具所谓的“肯纳威克人”的骷髅骨就引发了种种争论。1996年，这具8 500年前的骷髅在华盛顿州肯纳威克的哥伦比亚河河滨被人发现。从那时起，人类学家们已经在争论这具骷髅和今时今日的美洲原住民的关系。与此同时，当地的原住民部落认为这个“远古一号”（漫威漫画中的一名超级英雄，译者注）是他们的祖先，要求把骷髅交给他们，再举行仪式重新安葬。2004年，美国政府准许研究者研究这具骷髅。

在2015年，当研究远古DNA的专家成功地确定肯纳威克人的核基因组的顺序，故事发生了出人意料的峰回路转。结果显示：在五个最初试图要回骷髅的华盛顿州地区部落之中，“远古一号”与至少一个部落存在着近亲关系。对于科学家们来说，更重要的是基因组证实了早先基于更古老的人类骨骸上获取的DNA的发现，即现今的美洲原住民是那些在至少15 000年前穿越白令陆桥来到美洲的亚洲人的直系后裔。因而，肯纳威克人的基因组结果推翻了现今的美洲原住民源自于后来的移民这种看法，也推翻了最早的美洲人来自于欧洲而不是亚洲这种主张。

这场争端经常被描绘成一场科学与文化传统之争，看起来对于美洲原住民——他们现在重新开始努力争取让那具“远古一号”骷髅回家——来说，也许科学一直都站在他们那边。

心理学的再现性

对于心理科学而言，2015年完成了一次转变。就在几年之前，心理学领域还陷于丑闻之中。但一群变革者将心理学变成了科学再现性的一盏明灯。

心理学研究的受试对象数目往往较小，有着统计学上的弱效应，虚假的正面结果也许在心理学中很普遍，对此的关切在2011年甚嚣尘上。在丑闻的刺激下，心理学家们急于在心理学领域里清理门户，他们再现关键性的研究，还创造出全新的学术出版和同行评审模式，籍此恢复大众对已发表的心理学研究成果的信心。

2013年的第一批重复性研究带来了让人欣慰的好消息：在13个实验中，有10个获得了和原先的研究一样的结果。然而，在2014年，一项规模更大的重复性研究——全球有差不多100名研究人员参与其中，重复了27项已发表的心理学实验——结果让人心痛：不仅差不多有三分之一的后续研究没能复制先前的结果，而且有些最初研究的作者感到自己被不公正地挑选出来。

2015年里，这些重复研究的人士以大无畏的勇气，完成了史上最大规模的重复性研究。在8月《科学》杂志上发表的一项报告中，270名心理学家组织重做了三本顶尖学术期刊上发表的100项研究。在不利方面，仅有39%的研究通过考验。但这一次重做研究的过程进行得顺顺利利，心理学期刊的编辑甚至宣称，重复研究的直接发表应该成为常规做法。

这种创新也许对其他科学门类有着极大的影响，然而关键在于重复性研究的设计。研究者遵循一种名叫“事先登记”的程序，在进行实验之前就发表了每项研究的方法和基本原理。接着，无论结果如何，他们都要报告结果和统计分析。那就避免了研究者从数据中拼凑出正面结果，或者对负面结果就不予发表的做法。假如每个人都遵循这套做法，虚假的正面结果也许会从学术期刊中消失。

纳莱迪人曝光

随着来自南非一处洞窟的陌生全新人族物种揭开面纱，人类大家庭在2015年获得了一个新成员。洞穴探险家在南非约翰内斯堡西北方向的“新星”（Rising Star）洞窟系统深处发现了一批化石，这些化石足以让研究者们写出许多篇论文。在一支由60名研究者组成的国际研究团队发表的第一篇论文中，他们细细描述了至少来自于15名个体的1 500片化石。

这是在非洲发现过的最大规模的人族化石。该团队提出的看法是，这些化石都属于同一个物种，他们将其命名为“纳莱迪人”（Homo naledi），采用了当地塞索托语中表示“星星”的词汇。这些化石仍然无法确定年代，因而难以知道当我们所属的人属在大约两百万年前（或者更近）出现时，纳莱迪人是否还存活着。

不管这些化石的年代如何，它们都很重要，因为它们揭示出一种全新种类的“人属”。一份初步的绘图显示，纳莱迪人的身高相对较高，有着与现代人类似的双脚和手腕，后者表明他们像我们一样直立行走，甚至可能制作过工具。但他们在其他方面非常原始，大脑很小，手指长而弯曲，还有怪异的大拇指，这些都表明纳莱迪人像更早期的人族一样，仍然得要爬上树木来躲避猎食者。

他们怎么会来到不见其他动物骨骸的洞窟深处，这点仍然令人困惑。但研究者希望仍然埋藏在洞窟里的其他化石会提供一些答案。

地球深处的地幔热柱接受测试

夏威夷这样的岛链的存在，是地球深处搅动不安的明证：炎热的岩石热柱从地球内部渗透上升。当构造板块缓慢行进到地幔热柱上方，火山喷发将大量物质喷到板块上，随着地质年代，岛屿一个接着一个地成形。

但是在过去的40多年间，学界有着一场和地幔热柱一样炙热的大争论。热柱是不是延伸将近3 000千米，抵达地球的岩石地幔的底部？还是说，它们可以由更浅的岩浆库供给？为了查明真相，研究者使用了地震时候的地震波——地震波在接触边界时会转弯和改变速度——来探测地幔，就像做CT扫描一样。但令人气馁的是，地球深处的图像一直还是模模糊糊的。

现在地球物理学家们能向下看得更为清楚。让人惊讶的是，研究者已经发现了28条地幔热柱，统统都一直向下延伸至地核。这个新研究依靠的是一种名叫“全波形层析成像”的密集型计算机技术，能生成有史以来地球内部的最高分辨率的图像。鉴于先前的研究只使用地震最初阶段能量爆发的数据，现在的新研究融入了地震波曲线图中所有波形曲线的信息。

地幔热柱有800千米粗，比理论值臃肿了三倍，因此地核冷却的模型将需要略作重新思考。地球物理学家们希望新的技术会最终揭晓地球内部的其他细节，包括隐没在海洋地壳的俯冲带和推测中它们在深部地幔的“墓园”中的安息地点。

对抗埃博拉的疫苗

这场史无前例的研发药物和疫苗来抗击埃博拉传染病的运动几乎没有产生确切的结果，令人失望。然而，在2015年出现了一种有可能在未来埃博拉爆发时起到关键作用的新疫苗。加拿大公共卫生局的科学家研发出的一种埃博拉疫苗——已经知道这种疫苗在猴子身上奏效，在2014年埃博拉病毒传染高峰时，默克制药公司采纳了这种疫苗——在世界卫生组织领导的几内亚临床研究中被证明是相当成功的。

这种疫苗是在一种无害的牲畜病毒中嵌入了埃博拉病毒的表面蛋白。因为试验是在埃博拉传染病开始下降趋势之后才开始的，疫苗测试采用了一种极不寻常的环状接种策略，让侦测到疫苗作用的几率增加到最大程度。这个冒险之举取得了回报：2015年7月31日，《柳叶刀》杂志在线发表的一篇论文表明，默克公司的这种疫苗保护率在75%到 100%之间。另一项领先的候选疫苗由葛兰素史克公司开发，在传统方案中接受测试，当所有临床测试都完毕后，都没能显示出效力。

欧洲药物管理局这样的管理机构需要获得更多数据，才能给予这种疫苗使用许可。但每隔几年埃博拉病毒都会闹腾上一阵，就算没有正式的许可，等到下一次埃博拉病毒爆发时，大概都会在试验性基础上部署使用疫苗。它们有可能帮助避免西非悲剧的再次发生。

由世界卫生组织领导的一项研究表明，一种新疫苗能对抗埃博拉，保护人类

基因改造酵母酿造出阿片类药物

2015年里，美国的生物学家对酵母进行基因工程改造，从而将糖转化成了阿片类止痛药的制作原料。这种生物合成的技艺曾经是罂粟的独家秘技，有可能促成更好的制药业——或者从阴暗的角度来看，会导向家庭酿制的吗啡和海洛因。

在一项生物工程的壮举中，研究者改造了酵母菌，让它能表达额外的21个基因。那些基因最初来自于一些不同物种，包括三种罂粟、一种名叫黄连的植物、细菌，甚至还有一种大鼠。最终成果是一种能把糖分转变成蒂巴因的微生物，蒂巴因通常来自于罂粟，是氢可酮和可待因酮这类人工合成的止痛药的前体。再增加两个基因后，酵母菌也可以生成氢可酮。

这支美国研究团队和其他研究者之前已经对不同的酵母菌菌株进行基因工程改造，让它们执行这种复杂酶促反应的前半段或者后半段。在2015年里，他们完成了最后几步：实施一种简单的化学变化，来连接前后两者，把所有基因整合在一种酵母菌菌株里。

这种经过基因工程改造的全新酵母菌离高效还有很长一段距离：生产一剂量的止痛药大概会需要几千升的培养菌。（让人心安的是，研究者发现家庭酿酒的装置制造出的阿片类药物的量还不足以检测出来。）药物化学家正在努力提高酵母菌的产量，试图调整生化工业，制造出更安全和更有效的药物。

约翰·贝尔提出的有50年历史的量子终极测试证实了世界比爱因斯坦想象的更为怪诞

淋巴管：大脑中隐藏的秘密

对于那些认为他们已经把身体的系统绘制出来的解剖学专家们来说，2015年夏天的发现就像是看见了一片新大陆。一个出人意料的发现揭露了淋巴系统——那是身体里一套如蛛网般的管道，帮助人体清除垃圾，运送免疫细胞——延伸至大脑内部，而不是像大多数科学推测的那样在颈部就止步不前。

两百多年前，一名意大利医生保罗·马斯卡尼提出，大脑和身体其他部位一样有着相同的淋巴系统。他的主张遭到大多数人士的无视，但在2015年，研究者探索免疫细胞在老鼠脑部扮演的角色时，在大脑外层认出了一组令人生疑、组织有序的T淋巴细胞。附近的管道似乎在指引这些细胞，生物标记表明这些神秘的管道是老鼠淋巴系统的延伸。从那时起，组织证据表明，人类大脑也有类似的管道。

脑脊膜是覆盖大脑的最外层结构，这些隐藏得十分好的淋巴管就藏在脑脊膜褶皱里。它们也许能让研究者一窥免疫系统和大脑相互作用的奥秘。科学家曾经以为大脑有着自身自给自足的免疫防御，与身体其他部分隔绝。这条实质连接的发现——或者说是再发现——可能为探索阿尔兹海默氏症、多发性硬化症、脑膜炎这类神经退化性疾病和神经炎症疾病开启新的途径。但研究者声称，目前他们的首要重心是充分理解新发现的淋巴管网络的基本结构以及功能。

量子怪诞性得以证实

这也许是量子力学中最怪异的想法：测量一个粒子（譬如光子）的性质能立刻决定另一个粒子的状态，即便它在数光年之外。阿尔伯特·爱因斯坦反对这类“幽灵般的超距作用”，因为它看起来和他的假定“任何物体的速度不能超过光速”相冲突。但在2015年，许多研究者都说，荷兰的物理学家几乎毫无疑问地证明了这样的超距影响是实际存在的。

这种怪异的量子连结被称为量子纠缠。当粒子纠缠时，它们的状态是完全不确定的，但仍然彼此关联。比如说，可以准备好这样一个电子，如果你测量它的话，你会有50%的几率发现电子朝一个方向旋转，另有50%的几率发现电子朝相反的方向旋转。但你可以把两个这样的电子纠缠在一起，这样假如你测量第一个电子的状态，发现它朝一个方向旋转，你会立刻知道另一个电子已经“坍缩”到相反方向的旋转。

爱因斯坦和其他科学家希望电子这样的粒子会最终显示含有“局域隐变量”，从一开始就各自决定纠缠粒子的状态，从而消除对任何类型的超距影响的需要。1964年，英国理论家约翰·贝尔意识到，细微的统计测量能揭示隐变量是否真实存在。

早期版本的贝尔实验支持了量子理论，而不是隐变量理论，但技术上的漏洞给外界留下了怀疑的空间。2015年的这次实验纠缠了相距1.3公里的两个电子，填补了漏洞，宣判了局域隐变量的死刑。实验结果不会让太多物理学家惊讶，但它可以为量子互联网这类新奇技术铺平道路。

尽管爱因斯坦对此很恐惧，这个实验并未让相对论受到损伤。正如贝尔第一次提出这项测试时指出的那样，尽管“超距作用”即刻发生，它并不能用来传输比光更快的信号。

[资料来源：Science][责任编辑：彦隐]