《科學》：2015年度十大科學突破

姚人杰/編譯

《科學》：2015年度十大科學突破

姚人杰/編譯

CRISPR編輯DNA的能力已經幫助科學家們創(chuàng)造了一批遺傳學意義上的新生物

●2015年底，《科學》雜志評選出年度十大科學突破，其中CRISPR基因組編輯贏得桂冠。以下九項研究榮登亞軍榜。

小星球的大年份

2015年是矮行星大放光彩的一年。NASA的兩個航天器在2015年里與矮行星兩次相遇，兩顆原本在人類的觀察中模模糊糊的星球突然在機器之眼面前顯露出清晰的細節(jié)。3月，“黎明號”進入環(huán)繞小行星帶中最大的天體谷神星的軌道。7月，“新視野號”飛掠冥王星，冥王星是柯伊伯帶中最大的天體之一。

科學家在冥王星上發(fā)現(xiàn)了一處奇特的地方，它既是現(xiàn)今冥王星的橢圓形軌道導致的極端季節(jié)變化及為時248地球年的“一年”造成的，也是數(shù)十億年前矮行星冷卻皸裂而塑造的。在凍結的固態(tài)氮表面上有著魚鱗狀的紋理，這是冥王星稀薄的大氣層通過擴張和坍陷的過程“呼吸”的同時升華和沉積模式的證據。水構成的冰山矗立在平原上，混雜在一起，仿佛遠古的地質構造力將它們像漂流的冰山一樣推過柔軟的氮氣之海。兩座山的中間有著深坑，也許是“低溫火山”從較為溫暖的內部噴射出冰。

離太陽更近的谷神星是由不同力量塑造出的。它黑得像柏油一樣，表面因為撞擊而傷痕累累。在一些撞擊坑的神秘亮點上方，飄浮著塵埃和水蒸氣構成的霧霾——這個跡象表明谷神星像處于旅途最后階段的彗星一樣在“釋氣”?！袄杳魈枴边€在谷神星表面礦物中發(fā)現(xiàn)了氨，這也是彗星上的典型成分，進一步證明了谷神星實際上是一顆巨大的死亡彗星，它的一生起始于太陽系外層，那時更靠近冥王星。12月，“黎明號”下降到最終最低的繪圖軌道，距離谷神星表面不到380公里。

還有第三個小型天體等待著人類航天器，“新視野號”正在飛往一個名叫2014 MU69的柯伊伯帶天體，將在2019年與之相會。在那之后，“新視野號”會繼續(xù)前行，在幾十年后離開太陽系，而“黎明號”會環(huán)繞谷神星數(shù)百年，乃至更久。

肯納威克人的親屬

從一開始，這具所謂的“肯納威克人”的骷髏骨就引發(fā)了種種爭論。1996年，這具8 500年前的骷髏在華盛頓州肯納威克的哥倫比亞河河濱被人發(fā)現(xiàn)。從那時起，人類學家們已經在爭論這具骷髏和今時今日的美洲原住民的關系。與此同時，當?shù)氐脑∶癫柯湔J為這個“遠古一號”（漫威漫畫中的一名超級英雄，譯者注）是他們的祖先，要求把骷髏交給他們，再舉行儀式重新安葬。2004年，美國政府準許研究者研究這具骷髏。

在2015年，當研究遠古DNA的專家成功地確定肯納威克人的核基因組的順序，故事發(fā)生了出人意料的峰回路轉。結果顯示：在五個最初試圖要回骷髏的華盛頓州地區(qū)部落之中，“遠古一號”與至少一個部落存在著近親關系。對于科學家們來說，更重要的是基因組證實了早先基于更古老的人類骨骸上獲取的DNA的發(fā)現(xiàn)，即現(xiàn)今的美洲原住民是那些在至少15 000年前穿越白令陸橋來到美洲的亞洲人的直系后裔。因而，肯納威克人的基因組結果推翻了現(xiàn)今的美洲原住民源自于后來的移民這種看法，也推翻了最早的美洲人來自于歐洲而不是亞洲這種主張。

這場爭端經常被描繪成一場科學與文化傳統(tǒng)之爭，看起來對于美洲原住民——他們現(xiàn)在重新開始努力爭取讓那具“遠古一號”骷髏回家——來說，也許科學一直都站在他們那邊。

心理學的再現(xiàn)性

對于心理科學而言，2015年完成了一次轉變。就在幾年之前，心理學領域還陷于丑聞之中。但一群變革者將心理學變成了科學再現(xiàn)性的一盞明燈。

心理學研究的受試對象數(shù)目往往較小，有著統(tǒng)計學上的弱效應，虛假的正面結果也許在心理學中很普遍，對此的關切在2011年甚囂塵上。在丑聞的刺激下，心理學家們急于在心理學領域里清理門戶，他們再現(xiàn)關鍵性的研究，還創(chuàng)造出全新的學術出版和同行評審模式，籍此恢復大眾對已發(fā)表的心理學研究成果的信心。

2013年的第一批重復性研究帶來了讓人欣慰的好消息：在13個實驗中，有10個獲得了和原先的研究一樣的結果。然而，在2014年，一項規(guī)模更大的重復性研究——全球有差不多100名研究人員參與其中，重復了27項已發(fā)表的心理學實驗——結果讓人心痛：不僅差不多有三分之一的后續(xù)研究沒能復制先前的結果，而且有些最初研究的作者感到自己被不公正地挑選出來。

2015年里，這些重復研究的人士以大無畏的勇氣，完成了史上最大規(guī)模的重復性研究。在8月《科學》雜志上發(fā)表的一項報告中，270名心理學家組織重做了三本頂尖學術期刊上發(fā)表的100項研究。在不利方面，僅有39%的研究通過考驗。但這一次重做研究的過程進行得順順利利，心理學期刊的編輯甚至宣稱，重復研究的直接發(fā)表應該成為常規(guī)做法。

這種創(chuàng)新也許對其他科學門類有著極大的影響，然而關鍵在于重復性研究的設計。研究者遵循一種名叫“事先登記”的程序，在進行實驗之前就發(fā)表了每項研究的方法和基本原理。接著，無論結果如何，他們都要報告結果和統(tǒng)計分析。那就避免了研究者從數(shù)據中拼湊出正面結果，或者對負面結果就不予發(fā)表的做法。假如每個人都遵循這套做法，虛假的正面結果也許會從學術期刊中消失。

納萊迪人曝光

隨著來自南非一處洞窟的陌生全新人族物種揭開面紗，人類大家庭在2015年獲得了一個新成員。洞穴探險家在南非約翰內斯堡西北方向的“新星”（Rising Star）洞窟系統(tǒng)深處發(fā)現(xiàn)了一批化石，這些化石足以讓研究者們寫出許多篇論文。在一支由60名研究者組成的國際研究團隊發(fā)表的第一篇論文中，他們細細描述了至少來自于15名個體的1 500片化石。

這是在非洲發(fā)現(xiàn)過的最大規(guī)模的人族化石。該團隊提出的看法是，這些化石都屬于同一個物種，他們將其命名為“納萊迪人”（Homo naledi），采用了當?shù)厝魍姓Z中表示“星星”的詞匯。這些化石仍然無法確定年代，因而難以知道當我們所屬的人屬在大約兩百萬年前（或者更近）出現(xiàn)時，納萊迪人是否還存活著。

不管這些化石的年代如何，它們都很重要，因為它們揭示出一種全新種類的“人屬”。一份初步的繪圖顯示，納萊迪人的身高相對較高，有著與現(xiàn)代人類似的雙腳和手腕，后者表明他們像我們一樣直立行走，甚至可能制作過工具。但他們在其他方面非常原始，大腦很小，手指長而彎曲，還有怪異的大拇指，這些都表明納萊迪人像更早期的人族一樣，仍然得要爬上樹木來躲避獵食者。

他們怎么會來到不見其他動物骨骸的洞窟深處，這點仍然令人困惑。但研究者希望仍然埋藏在洞窟里的其他化石會提供一些答案。

地球深處的地幔熱柱接受測試

夏威夷這樣的島鏈的存在，是地球深處攪動不安的明證：炎熱的巖石熱柱從地球內部滲透上升。當構造板塊緩慢行進到地幔熱柱上方，火山噴發(fā)將大量物質噴到板塊上，隨著地質年代，島嶼一個接著一個地成形。

但是在過去的40多年間，學界有著一場和地幔熱柱一樣炙熱的大爭論。熱柱是不是延伸將近3 000千米，抵達地球的巖石地幔的底部？還是說，它們可以由更淺的巖漿庫供給？為了查明真相，研究者使用了地震時候的地震波——地震波在接觸邊界時會轉彎和改變速度——來探測地幔，就像做CT掃描一樣。但令人氣餒的是，地球深處的圖像一直還是模模糊糊的。

現(xiàn)在地球物理學家們能向下看得更為清楚。讓人驚訝的是，研究者已經發(fā)現(xiàn)了28條地幔熱柱，統(tǒng)統(tǒng)都一直向下延伸至地核。這個新研究依靠的是一種名叫“全波形層析成像”的密集型計算機技術，能生成有史以來地球內部的最高分辨率的圖像。鑒于先前的研究只使用地震最初階段能量爆發(fā)的數(shù)據，現(xiàn)在的新研究融入了地震波曲線圖中所有波形曲線的信息。

地幔熱柱有800千米粗，比理論值臃腫了三倍，因此地核冷卻的模型將需要略作重新思考。地球物理學家們希望新的技術會最終揭曉地球內部的其他細節(jié)，包括隱沒在海洋地殼的俯沖帶和推測中它們在深部地幔的“墓園”中的安息地點。

對抗埃博拉的疫苗

這場史無前例的研發(fā)藥物和疫苗來抗擊埃博拉傳染病的運動幾乎沒有產生確切的結果，令人失望。然而，在2015年出現(xiàn)了一種有可能在未來埃博拉爆發(fā)時起到關鍵作用的新疫苗。加拿大公共衛(wèi)生局的科學家研發(fā)出的一種埃博拉疫苗——已經知道這種疫苗在猴子身上奏效，在2014年埃博拉病毒傳染高峰時，默克制藥公司采納了這種疫苗——在世界衛(wèi)生組織領導的幾內亞臨床研究中被證明是相當成功的。

這種疫苗是在一種無害的牲畜病毒中嵌入了埃博拉病毒的表面蛋白。因為試驗是在埃博拉傳染病開始下降趨勢之后才開始的，疫苗測試采用了一種極不尋常的環(huán)狀接種策略，讓偵測到疫苗作用的幾率增加到最大程度。這個冒險之舉取得了回報：2015年7月31日，《柳葉刀》雜志在線發(fā)表的一篇論文表明，默克公司的這種疫苗保護率在75%到 100%之間。另一項領先的候選疫苗由葛蘭素史克公司開發(fā)，在傳統(tǒng)方案中接受測試，當所有臨床測試都完畢后，都沒能顯示出效力。

歐洲藥物管理局這樣的管理機構需要獲得更多數(shù)據，才能給予這種疫苗使用許可。但每隔幾年埃博拉病毒都會鬧騰上一陣，就算沒有正式的許可，等到下一次埃博拉病毒爆發(fā)時，大概都會在試驗性基礎上部署使用疫苗。它們有可能幫助避免西非悲劇的再次發(fā)生。

由世界衛(wèi)生組織領導的一項研究表明，一種新疫苗能對抗埃博拉，保護人類

基因改造酵母釀造出阿片類藥物

2015年里，美國的生物學家對酵母進行基因工程改造，從而將糖轉化成了阿片類止痛藥的制作原料。這種生物合成的技藝曾經是罌粟的獨家秘技，有可能促成更好的制藥業(yè)——或者從陰暗的角度來看，會導向家庭釀制的嗎啡和海洛因。

在一項生物工程的壯舉中，研究者改造了酵母菌，讓它能表達額外的21個基因。那些基因最初來自于一些不同物種，包括三種罌粟、一種名叫黃連的植物、細菌，甚至還有一種大鼠。最終成果是一種能把糖分轉變成蒂巴因的微生物，蒂巴因通常來自于罌粟，是氫可酮和可待因酮這類人工合成的止痛藥的前體。再增加兩個基因后，酵母菌也可以生成氫可酮。

這支美國研究團隊和其他研究者之前已經對不同的酵母菌菌株進行基因工程改造，讓它們執(zhí)行這種復雜酶促反應的前半段或者后半段。在2015年里，他們完成了最后幾步：實施一種簡單的化學變化，來連接前后兩者，把所有基因整合在一種酵母菌菌株里。

這種經過基因工程改造的全新酵母菌離高效還有很長一段距離：生產一劑量的止痛藥大概會需要幾千升的培養(yǎng)菌。（讓人心安的是，研究者發(fā)現(xiàn)家庭釀酒的裝置制造出的阿片類藥物的量還不足以檢測出來。）藥物化學家正在努力提高酵母菌的產量，試圖調整生化工業(yè)，制造出更安全和更有效的藥物。

約翰·貝爾提出的有50年歷史的量子終極測試證實了世界比愛因斯坦想象的更為怪誕

淋巴管：大腦中隱藏的秘密

對于那些認為他們已經把身體的系統(tǒng)繪制出來的解剖學專家們來說，2015年夏天的發(fā)現(xiàn)就像是看見了一片新大陸。一個出人意料的發(fā)現(xiàn)揭露了淋巴系統(tǒng)——那是身體里一套如蛛網般的管道，幫助人體清除垃圾，運送免疫細胞——延伸至大腦內部，而不是像大多數(shù)科學推測的那樣在頸部就止步不前。

兩百多年前，一名意大利醫(yī)生保羅·馬斯卡尼提出，大腦和身體其他部位一樣有著相同的淋巴系統(tǒng)。他的主張遭到大多數(shù)人士的無視，但在2015年，研究者探索免疫細胞在老鼠腦部扮演的角色時，在大腦外層認出了一組令人生疑、組織有序的T淋巴細胞。附近的管道似乎在指引這些細胞，生物標記表明這些神秘的管道是老鼠淋巴系統(tǒng)的延伸。從那時起，組織證據表明，人類大腦也有類似的管道。

腦脊膜是覆蓋大腦的最外層結構，這些隱藏得十分好的淋巴管就藏在腦脊膜褶皺里。它們也許能讓研究者一窺免疫系統(tǒng)和大腦相互作用的奧秘?？茖W家曾經以為大腦有著自身自給自足的免疫防御，與身體其他部分隔絕。這條實質連接的發(fā)現(xiàn)——或者說是再發(fā)現(xiàn)——可能為探索阿爾茲海默氏癥、多發(fā)性硬化癥、腦膜炎這類神經退化性疾病和神經炎癥疾病開啟新的途徑。但研究者聲稱，目前他們的首要重心是充分理解新發(fā)現(xiàn)的淋巴管網絡的基本結構以及功能。

量子怪誕性得以證實

這也許是量子力學中最怪異的想法：測量一個粒子（譬如光子）的性質能立刻決定另一個粒子的狀態(tài)，即便它在數(shù)光年之外。阿爾伯特·愛因斯坦反對這類“幽靈般的超距作用”，因為它看起來和他的假定“任何物體的速度不能超過光速”相沖突。但在2015年，許多研究者都說，荷蘭的物理學家?guī)缀鹾翢o疑問地證明了這樣的超距影響是實際存在的。

這種怪異的量子連結被稱為量子糾纏。當粒子糾纏時，它們的狀態(tài)是完全不確定的，但仍然彼此關聯(lián)。比如說，可以準備好這樣一個電子，如果你測量它的話，你會有50%的幾率發(fā)現(xiàn)電子朝一個方向旋轉，另有50%的幾率發(fā)現(xiàn)電子朝相反的方向旋轉。但你可以把兩個這樣的電子糾纏在一起，這樣假如你測量第一個電子的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)它朝一個方向旋轉，你會立刻知道另一個電子已經“坍縮”到相反方向的旋轉。

愛因斯坦和其他科學家希望電子這樣的粒子會最終顯示含有“局域隱變量”，從一開始就各自決定糾纏粒子的狀態(tài)，從而消除對任何類型的超距影響的需要。1964年，英國理論家約翰·貝爾意識到，細微的統(tǒng)計測量能揭示隱變量是否真實存在。

早期版本的貝爾實驗支持了量子理論，而不是隱變量理論，但技術上的漏洞給外界留下了懷疑的空間。2015年的這次實驗糾纏了相距1.3公里的兩個電子，填補了漏洞，宣判了局域隱變量的死刑。實驗結果不會讓太多物理學家驚訝，但它可以為量子互聯(lián)網這類新奇技術鋪平道路。

盡管愛因斯坦對此很恐懼，這個實驗并未讓相對論受到損傷。正如貝爾第一次提出這項測試時指出的那樣，盡管“超距作用”即刻發(fā)生，它并不能用來傳輸比光更快的信號。

[資料來源：Science][責任編輯：彥隱]