2017年度十大科学进展

2018-01-25Octavia

南都周刊 2018年1期

Octavia

《科学》杂志在圣诞节前公布了2017全球十大科学进展

1中子星碰撞：1.3亿光年外的宇宙剧变

对全世界的天文物理学家来说，8月17日是个激动人心的时刻。那一天，引力波探测器LIGO和VIRGO，以及其他位于世界各地和太空中的电磁波天文台，先后检测到了一个不同寻常的事件。尽管只持续了短短一两分钟，但它却让全世界的望远镜都指向了同一个方向。

10月16日，全球数十家天文机构联合宣布：人类第一次探测到了双中子星并合产生的引力波信号。本年度十大科学进展不争的头条诞生了。

这已经是LIGO第六次探测到引力波信号，但前五次都来自黑洞合并，除了发射引力波之外不会造成任何波澜。与幽灵般的黑洞不同，中子星是几乎全部由中子构成的致密球体，其相互碰撞不啻于一次大型的宇宙烟花秀。一次中子星合并带来的信息，比黑洞合并要丰富得多。

然而本次事件的意义远不只这些。就在27个月前，LIGO才刚刚探测到第一个引力波信号，而VIRGO仅在事件发生17天前，才在长达五年的升级后重新投入使用。如果说引力波让人类“听见”了宇宙的声音，那么在开启“多信使天文学”的时代之后，我们对宇宙的进一步探索才刚刚开始。

2生物学预印本：让新研究在第一时间共享

对物理学家、数学家、社会科学家来说，将正式发表前的稿件发布到arXiv.org等预印本站点早已不是新鲜事。生物学家们近两年才赶上这一潮流，纽约冷泉港实验室（CSHL）四年前发起的生命科学非营利性预印本文献库bioRxiv，如今已经存放了超过1.5万篇论文、拥有超过1.1万名通讯作者，其中56%来自美国以外的国家。从最初只有生物信息学、基因组学等计算生物学的论文，bioRxiv已经开始涵盖微生物学、细胞生物学和神经科学等领域。

预印本共享有利于加强各国科学家之间的交流，帮助年轻的研究者尽早建立学界影响力。年初，英美相关组织制定了生物预印本的共享协议，bioRxiv在4月获得陈-扎克伯格基金会投资，都让更多生物学家开始接受这一新鲜事物。多数生物学期刊已经允许作者在投稿之前在预印本网站发表，有的编辑甚至定期浏览bioRxiv，为有价值的论文寻求发表。

3健痊得：一种广谱抗癌药物的批准

我们等待这一天已经很久了：有没有一种抗癌药物能够针对癌细胞内普遍的基因缺陷而起效，而不是发病器官？毕竟不管癌细胞生在哪里，它们都有一些共同的特征，比如无限增值、可转化、易转移。

5月，FDA批准了默沙东公司的健痊得（Keytruda）用于治疗黑色素瘤、非小细胞肺癌和头颈癌等，只要患者体内癌细胞被检测出“错配修复缺陷”，就可以用药。这是FDA首次按照肿瘤标记物、而非肿瘤来源来批准抗癌药物。

这是人类对抗癌症的一项重大胜利，我们从中看到了全面进击癌细胞的希望，而不是对病灶切除、放射、用药，或顾此失彼，或杀敌一千自损八百。

4遗传病的曙光：基因疗法进入大脑

来自弗吉尼亚州的三岁小姑娘艾芙琳跟同龄人一样爱笑爱玩闹，谁也想不到她出生时就被诊断出遗传性脊髓型肌肉萎缩症，患儿一般情况下活不过两岁。由于基因缺失，他们脊柱中的运动神经元无法合成一种重要蛋白，继而导致肌肉萎缩、人体无法呼吸。

她的父母本不打算再生孩子，因為艾芙琳的姐姐在15个月时死于同一种疾病。意外生下艾芙琳之后，她的父亲发疯一样在网上寻医问药。幸运的是，八周大的艾芙琳参与了俄亥俄州一项小型临床试验，医生在她的脊神经元中导入了缺失的基因。

如今，跟艾芙琳一同参加试验的14名婴儿，最小的也有22个月大了，而且他们都能坐，其中一名男孩还像艾芙琳一样学会了走路。

基因疗法应用于大脑相关的遗传病，由于血脑屏障的存在一直是个棘手的问题，需要在头骨开洞才能导入目标基因。在艾芙琳的案例中，一种新的病毒载体能够携带目标基因、通过静脉注射进入患者体内，穿过脑血管屏障到达中枢神经系统。

8月，美国食品药监局（FDA）批准了全球首个基因疗法，利用患者自身的免疫T细胞，来治疗青少年白血病和骨癌；12月19日，针对一种罕见遗传性失明的基因疗法获得批准。血脑屏障的突破，为一度遭遇瓶颈的基因治疗带来了新曙光。

5冷冻电子显微镜：看见原子量级的生命过程

这是冷冻电子显微镜技术（cryo-EM）里程碑式的一年，不光因为来自英、美、瑞士的三名科学家因之摘得诺贝尔化学奖，更因为它的应用和技术飞跃，正在源源不断地为材料、生物化学和基因领域展开新的篇章。

由于高强度的电子束会摧毁表面脆弱的材料和生物结构、导致图像模糊，普通电子显微镜在生物领域重重受限。传统用于解析蛋白质结构的X射线晶体衍射技术，则首先要求将目标分子提纯结晶，这是一项非常困难且费时费力的工作。

在液态乙烷作用下，高真空中的水在毫秒之间就以光速凝固为无定形冰。这种方式的冷却速度如此之快，以至于水分子还来不及转向排列为晶体就被固定住，因此基本不会产生形变，也不会破坏溶于其中的生物大分子结构。

如同被琥珀包裹的昆虫，蛋白质、DNA等大分子也在无定形冰中维持了栩栩如生的状态。冷冻电镜不仅使失焦的照片变得清晰，让科学家得以一窥各种分子的真面目，还能揭示原子量级的生命过程是如何发生的。

虽然低温显微技术已经发展了数十年，但过去一两年中高性能显微镜和图像分析处理软件的跨越式发展，才让冷冻电镜真正进入了黄金时代。在过去的一年，科学家们看见了合成RNA的关键部件——剪接体是如何工作的，看见了蛋白质如何修补细胞膜，还有酶如何修复破损断裂的DNA，他们将要看见的还有很多很多。

6精准基因编辑：比CRISPR更进一步

大约6万种基因突变与人类疾病有关，而其中3.5万种都出于极其细微的改变：一个DNA碱基对的复制错误。连续三年上榜的CRISPR/Cas9技术能够在指定位置剪切DNA，从而敲除某一基因，以及通过引入突变来使得特定基因不再表达。然而，这一过程主要依赖细胞自身的DNA修复机制，因而产生不可控的编辑效果。

2017年10月，来自哈佛大学的David Liu团队发展了原有技术，让指定位点的单个碱基替换更加可靠。在这种被称为“Base editing”的技术中，他们先是利用实验室合成的酶，成功地将活细胞中的突变C转换为T，然后又将一个突变G——点突变中最常见的错误碱基——修正为A。同时，博德研究所的张锋也首次在RNA中实现了碱基替换。

该技术在小麦、斑马鱼和小鼠等多种生物体中获得了成功，中国科学家甚至对人类胚胎实施了基因编辑。尽管他们并没有让胚胎继续发育，基因修复也并不是总能100%成功，但CRISPR以及它的2.0版本给了未来无尽可能。

7打巴奴里：一种新的红毛猩猩

欢迎灵长目人科仍然健在的新成员，人类久违的新表亲，打巴奴里猩猩（Tapanuli orangutan，学名Pongo tapanuliensis）！距离科学家们上一次发现人科的新物种倭黑猩猩，已经过去快九十年了。

它们生活在印尼苏门答腊岛北部丛林之中，最初于1997年被发现，但直到2017年才确立为一个独立物种。在此之前，除智人以外，差不多一只手就能数完人科所有活着的物种：黑猩猩、倭黑猩猩、两种大猩猩、两种红毛猩猩。

基于基因组对比、解剖学和生态学证据，生物学家将打巴奴里猩猩与婆罗洲猩猩、苏门答腊猩猩分离开来。数百万年前，红毛猩猩共同的祖先从马来半岛逐渐进入印尼群岛，那时的海平面还足够低，它们可以通过陆桥往来。

大约340万年前，最北边的苏门答腊猩猩开始产生隔离，7.5万年前的多巴湖火山大爆发加速了这一过程；同在苏门答腊岛、栖息地更靠南的打巴奴里猩猩则在67.4万年前才跟婆罗洲猩猩彻底两岸相隔。

这些新种大猿的生存状况并不乐观，仅有大约800只生活在一片面积1100平方公里的孤立雨林中，道路、盗伐、规划中的水电站正威胁着它们平静的生活。

8最古老的智人化石：人类摇篮究竟在哪儿？

1961年，摩洛哥矿工在杰贝尔依罗发现了一个几乎完整的人类头骨化石，和一些颅骨碎片。由于颅骨形态原始，它一直被认定属于大约30万年前生活在非洲的尼安德特人，现代智人早已灭绝的近亲。

但长久以来被忽略的是，这块头骨化石也具有现代人的面部特征，比如颌骨前突不明显。这引起了马克斯·普朗克研究所古人类学家胡布林（Jean-Jacques Hublin）的注意。从2004年开始，他们重新发掘了发现头骨的洞穴，陆续发现了更多的依罗人化石。

根据更细致的形态分析，胡布林认为依罗人应当属于远古智人，我们的直系祖先。对同一地层燧石进行的热释光检测显示，这些化石距今28万至35万年，对牙齿精确的放射性测量则将年代锁定为距今25万至31万年。

相比此前公认的、19.5万年前来自埃塞俄比亚的最早智人，这一发现将智人的演化史向前推进了10万年。胡布林认为这也意味着，东非并不是人类唯一的摇篮，智人也许起源自非洲多个地方。

9便携式中微子探测器：寻找羞涩粒子的影踪

在各种基本粒子中，羞涩的中微子以难以俘获著称，也极少与其他物质发生相互作用。这就是为什么需要深埋地下、动辄上千吨的中微子探测器：只有这样才能隔绝宇宙射线背景干扰，并且有体量够大的物质，以便观测到足够数量的中微子。

过去一年多中，美国太平洋西北国家实验室的物理学家们观测到了中微子与原子核的上百次碰撞。与以往不同的是，用掺杂了钠的碘化铯晶体新造的家伙什儿还不到15公斤，跟一个中号微波炉差不多重。

1974年，理论物理学家弗里德曼（Daniel Freedman）提出了中微子-原子核相干散射理论，认为中微子和其他量子粒子一样具有波粒二象性。他预言，当中微子能量较高的时候，只与某个质子或中子发生作用；而当它能量足够低，就会与整个原子核发生相干散射，导致中微子被弹回，同时发出一个更容易检测到的信号。

过去一年的实验不仅证实了弗里德曼的理论，而且为中微子的观测提供了一种更方便的途径。通过比较不同原子核的散射状况，物理学家们或许还能发展出探测原子核结构的新方法。