2017年度十大科學(xué)進(jìn)展

Octavia

《科學(xué)》雜志在圣誕節(jié)前公布了2017全球十大科學(xué)進(jìn)展

1中子星碰撞：1.3億光年外的宇宙劇變

對(duì)全世界的天文物理學(xué)家來說，8月17日是個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。那一天，引力波探測(cè)器LIGO和VIRGO，以及其他位于世界各地和太空中的電磁波天文臺(tái)，先后檢測(cè)到了一個(gè)不同尋常的事件。盡管只持續(xù)了短短一兩分鐘，但它卻讓全世界的望遠(yuǎn)鏡都指向了同一個(gè)方向。

10月16日，全球數(shù)十家天文機(jī)構(gòu)聯(lián)合宣布：人類第一次探測(cè)到了雙中子星并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)。本年度十大科學(xué)進(jìn)展不爭(zhēng)的頭條誕生了。

這已經(jīng)是LIGO第六次探測(cè)到引力波信號(hào)，但前五次都來自黑洞合并，除了發(fā)射引力波之外不會(huì)造成任何波瀾。與幽靈般的黑洞不同，中子星是幾乎全部由中子構(gòu)成的致密球體，其相互碰撞不啻于一次大型的宇宙煙花秀。一次中子星合并帶來的信息，比黑洞合并要豐富得多。

然而本次事件的意義遠(yuǎn)不只這些。就在27個(gè)月前，LIGO才剛剛探測(cè)到第一個(gè)引力波信號(hào)，而VIRGO僅在事件發(fā)生17天前，才在長達(dá)五年的升級(jí)后重新投入使用。如果說引力波讓人類“聽見”了宇宙的聲音，那么在開啟“多信使天文學(xué)”的時(shí)代之后，我們對(duì)宇宙的進(jìn)一步探索才剛剛開始。

2生物學(xué)預(yù)印本：讓新研究在第一時(shí)間共享

對(duì)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、社會(huì)科學(xué)家來說，將正式發(fā)表前的稿件發(fā)布到arXiv.org等預(yù)印本站點(diǎn)早已不是新鮮事。生物學(xué)家們近兩年才趕上這一潮流，紐約冷泉港實(shí)驗(yàn)室（CSHL）四年前發(fā)起的生命科學(xué)非營利性預(yù)印本文獻(xiàn)庫bioRxiv，如今已經(jīng)存放了超過1.5萬篇論文、擁有超過1.1萬名通訊作者，其中56%來自美國以外的國家。從最初只有生物信息學(xué)、基因組學(xué)等計(jì)算生物學(xué)的論文，bioRxiv已經(jīng)開始涵蓋微生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域。

預(yù)印本共享有利于加強(qiáng)各國科學(xué)家之間的交流，幫助年輕的研究者盡早建立學(xué)界影響力。年初，英美相關(guān)組織制定了生物預(yù)印本的共享協(xié)議，bioRxiv在4月獲得陳-扎克伯格基金會(huì)投資，都讓更多生物學(xué)家開始接受這一新鮮事物。多數(shù)生物學(xué)期刊已經(jīng)允許作者在投稿之前在預(yù)印本網(wǎng)站發(fā)表，有的編輯甚至定期瀏覽bioRxiv，為有價(jià)值的論文尋求發(fā)表。

3健痊得：一種廣譜抗癌藥物的批準(zhǔn)

我們等待這一天已經(jīng)很久了：有沒有一種抗癌藥物能夠針對(duì)癌細(xì)胞內(nèi)普遍的基因缺陷而起效，而不是發(fā)病器官？畢竟不管癌細(xì)胞生在哪里，它們都有一些共同的特征，比如無限增值、可轉(zhuǎn)化、易轉(zhuǎn)移。

5月，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了默沙東公司的健痊得（Keytruda）用于治療黑色素瘤、非小細(xì)胞肺癌和頭頸癌等，只要患者體內(nèi)癌細(xì)胞被檢測(cè)出“錯(cuò)配修復(fù)缺陷”，就可以用藥。這是FDA首次按照腫瘤標(biāo)記物、而非腫瘤來源來批準(zhǔn)抗癌藥物。

這是人類對(duì)抗癌癥的一項(xiàng)重大勝利，我們從中看到了全面進(jìn)擊癌細(xì)胞的希望，而不是對(duì)病灶切除、放射、用藥，或顧此失彼，或殺敵一千自損八百。

4遺傳病的曙光：基因療法進(jìn)入大腦

來自弗吉尼亞州的三歲小姑娘艾芙琳跟同齡人一樣愛笑愛玩鬧，誰也想不到她出生時(shí)就被診斷出遺傳性脊髓型肌肉萎縮癥，患兒一般情況下活不過兩歲。由于基因缺失，他們脊柱中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元無法合成一種重要蛋白，繼而導(dǎo)致肌肉萎縮、人體無法呼吸。

她的父母本不打算再生孩子，因?yàn)榘搅盏慕憬阍?5個(gè)月時(shí)死于同一種疾病。意外生下艾芙琳之后，她的父親發(fā)瘋一樣在網(wǎng)上尋醫(yī)問藥。幸運(yùn)的是，八周大的艾芙琳參與了俄亥俄州一項(xiàng)小型臨床試驗(yàn)，醫(yī)生在她的脊神經(jīng)元中導(dǎo)入了缺失的基因。

如今，跟艾芙琳一同參加試驗(yàn)的14名嬰兒，最小的也有22個(gè)月大了，而且他們都能坐，其中一名男孩還像艾芙琳一樣學(xué)會(huì)了走路。

基因療法應(yīng)用于大腦相關(guān)的遺傳病，由于血腦屏障的存在一直是個(gè)棘手的問題，需要在頭骨開洞才能導(dǎo)入目標(biāo)基因。在艾芙琳的案例中，一種新的病毒載體能夠攜帶目標(biāo)基因、通過靜脈注射進(jìn)入患者體內(nèi)，穿過腦血管屏障到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

8月，美國食品藥監(jiān)局（FDA）批準(zhǔn)了全球首個(gè)基因療法，利用患者自身的免疫T細(xì)胞，來治療青少年白血病和骨癌；12月19日，針對(duì)一種罕見遺傳性失明的基因療法獲得批準(zhǔn)。血腦屏障的突破，為一度遭遇瓶頸的基因治療帶來了新曙光。

5冷凍電子顯微鏡：看見原子量級(jí)的生命過程

這是冷凍電子顯微鏡技術(shù)（cryo-EM）里程碑式的一年，不光因?yàn)閬碜杂ⅰ⒚?、瑞士的三名科學(xué)家因之摘得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，更因?yàn)樗膽?yīng)用和技術(shù)飛躍，正在源源不斷地為材料、生物化學(xué)和基因領(lǐng)域展開新的篇章。

由于高強(qiáng)度的電子束會(huì)摧毀表面脆弱的材料和生物結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致圖像模糊，普通電子顯微鏡在生物領(lǐng)域重重受限。傳統(tǒng)用于解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的X射線晶體衍射技術(shù)，則首先要求將目標(biāo)分子提純結(jié)晶，這是一項(xiàng)非常困難且費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。

在液態(tài)乙烷作用下，高真空中的水在毫秒之間就以光速凝固為無定形冰。這種方式的冷卻速度如此之快，以至于水分子還來不及轉(zhuǎn)向排列為晶體就被固定住，因此基本不會(huì)產(chǎn)生形變，也不會(huì)破壞溶于其中的生物大分子結(jié)構(gòu)。

如同被琥珀包裹的昆蟲，蛋白質(zhì)、DNA等大分子也在無定形冰中維持了栩栩如生的狀態(tài)。冷凍電鏡不僅使失焦的照片變得清晰，讓科學(xué)家得以一窺各種分子的真面目，還能揭示原子量級(jí)的生命過程是如何發(fā)生的。

雖然低溫顯微技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，但過去一兩年中高性能顯微鏡和圖像分析處理軟件的跨越式發(fā)展，才讓冷凍電鏡真正進(jìn)入了黃金時(shí)代。在過去的一年，科學(xué)家們看見了合成RNA的關(guān)鍵部件——剪接體是如何工作的，看見了蛋白質(zhì)如何修補(bǔ)細(xì)胞膜，還有酶如何修復(fù)破損斷裂的DNA，他們將要看見的還有很多很多。

6精準(zhǔn)基因編輯：比CRISPR更進(jìn)一步

大約6萬種基因突變與人類疾病有關(guān)，而其中3.5萬種都出于極其細(xì)微的改變：一個(gè)DNA堿基對(duì)的復(fù)制錯(cuò)誤。連續(xù)三年上榜的CRISPR/Cas9技術(shù)能夠在指定位置剪切DNA，從而敲除某一基因，以及通過引入突變來使得特定基因不再表達(dá)。然而，這一過程主要依賴細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制，因而產(chǎn)生不可控的編輯效果。

2017年10月，來自哈佛大學(xué)的David Liu團(tuán)隊(duì)發(fā)展了原有技術(shù)，讓指定位點(diǎn)的單個(gè)堿基替換更加可靠。在這種被稱為“Base editing”的技術(shù)中，他們先是利用實(shí)驗(yàn)室合成的酶，成功地將活細(xì)胞中的突變C轉(zhuǎn)換為T，然后又將一個(gè)突變G——點(diǎn)突變中最常見的錯(cuò)誤堿基——修正為A。同時(shí)，博德研究所的張鋒也首次在RNA中實(shí)現(xiàn)了堿基替換。

該技術(shù)在小麥、斑馬魚和小鼠等多種生物體中獲得了成功，中國科學(xué)家甚至對(duì)人類胚胎實(shí)施了基因編輯。盡管他們并沒有讓胚胎繼續(xù)發(fā)育，基因修復(fù)也并不是總能100%成功，但CRISPR以及它的2.0版本給了未來無盡可能。

7打巴奴里：一種新的紅毛猩猩

歡迎靈長目人科仍然健在的新成員，人類久違的新表親，打巴奴里猩猩（Tapanuli orangutan，學(xué)名Pongo tapanuliensis）！距離科學(xué)家們上一次發(fā)現(xiàn)人科的新物種倭黑猩猩，已經(jīng)過去快九十年了。

它們生活在印尼蘇門答臘島北部叢林之中，最初于1997年被發(fā)現(xiàn)，但直到2017年才確立為一個(gè)獨(dú)立物種。在此之前，除智人以外，差不多一只手就能數(shù)完人科所有活著的物種：黑猩猩、倭黑猩猩、兩種大猩猩、兩種紅毛猩猩。

基于基因組對(duì)比、解剖學(xué)和生態(tài)學(xué)證據(jù)，生物學(xué)家將打巴奴里猩猩與婆羅洲猩猩、蘇門答臘猩猩分離開來。數(shù)百萬年前，紅毛猩猩共同的祖先從馬來半島逐漸進(jìn)入印尼群島，那時(shí)的海平面還足夠低，它們可以通過陸橋往來。

大約340萬年前，最北邊的蘇門答臘猩猩開始產(chǎn)生隔離，7.5萬年前的多巴湖火山大爆發(fā)加速了這一過程；同在蘇門答臘島、棲息地更靠南的打巴奴里猩猩則在67.4萬年前才跟婆羅洲猩猩徹底兩岸相隔。

這些新種大猿的生存狀況并不樂觀，僅有大約800只生活在一片面積1100平方公里的孤立雨林中，道路、盜伐、規(guī)劃中的水電站正威脅著它們平靜的生活。

8最古老的智人化石：人類搖籃究竟在哪兒？

1961年，摩洛哥礦工在杰貝爾依羅發(fā)現(xiàn)了一個(gè)幾乎完整的人類頭骨化石，和一些顱骨碎片。由于顱骨形態(tài)原始，它一直被認(rèn)定屬于大約30萬年前生活在非洲的尼安德特人，現(xiàn)代智人早已滅絕的近親。

但長久以來被忽略的是，這塊頭骨化石也具有現(xiàn)代人的面部特征，比如頜骨前突不明顯。這引起了馬克斯·普朗克研究所古人類學(xué)家胡布林（Jean-Jacques Hublin）的注意。從2004年開始，他們重新發(fā)掘了發(fā)現(xiàn)頭骨的洞穴，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多的依羅人化石。

根據(jù)更細(xì)致的形態(tài)分析，胡布林認(rèn)為依羅人應(yīng)當(dāng)屬于遠(yuǎn)古智人，我們的直系祖先。對(duì)同一地層燧石進(jìn)行的熱釋光檢測(cè)顯示，這些化石距今28萬至35萬年，對(duì)牙齒精確的放射性測(cè)量則將年代鎖定為距今25萬至31萬年。

相比此前公認(rèn)的、19.5萬年前來自埃塞俄比亞的最早智人，這一發(fā)現(xiàn)將智人的演化史向前推進(jìn)了10萬年。胡布林認(rèn)為這也意味著，東非并不是人類唯一的搖籃，智人也許起源自非洲多個(gè)地方。

9便攜式中微子探測(cè)器：尋找羞澀粒子的影蹤

在各種基本粒子中，羞澀的中微子以難以俘獲著稱，也極少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。這就是為什么需要深埋地下、動(dòng)輒上千噸的中微子探測(cè)器：只有這樣才能隔絕宇宙射線背景干擾，并且有體量夠大的物質(zhì)，以便觀測(cè)到足夠數(shù)量的中微子。

過去一年多中，美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們觀測(cè)到了中微子與原子核的上百次碰撞。與以往不同的是，用摻雜了鈉的碘化銫晶體新造的家伙什兒還不到15公斤，跟一個(gè)中號(hào)微波爐差不多重。

1974年，理論物理學(xué)家弗里德曼（Daniel Freedman）提出了中微子-原子核相干散射理論，認(rèn)為中微子和其他量子粒子一樣具有波粒二象性。他預(yù)言，當(dāng)中微子能量較高的時(shí)候，只與某個(gè)質(zhì)子或中子發(fā)生作用；而當(dāng)它能量足夠低，就會(huì)與整個(gè)原子核發(fā)生相干散射，導(dǎo)致中微子被彈回，同時(shí)發(fā)出一個(gè)更容易檢測(cè)到的信號(hào)。

過去一年的實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)了弗里德曼的理論，而且為中微子的觀測(cè)提供了一種更方便的途徑。通過比較不同原子核的散射狀況，物理學(xué)家們或許還能發(fā)展出探測(cè)原子核結(jié)構(gòu)的新方法。

10最古老的南極冰芯：一部溫室氣體編年史

在南極冰蓋的最底部，一些細(xì)小的氣泡在冰中封凍了數(shù)百萬年，將遠(yuǎn)古地球大氣保存至今。普林斯頓大學(xué)科考隊(duì)在阿倫山地區(qū)采集到了一塊迄今最久遠(yuǎn)的冰芯樣本，這里的風(fēng)太狂暴以至于冰雪被層層吹走，露出了年代遙遠(yuǎn)的冰層。它來自大約 270 萬年前，比此前鉆探到的最古老樣本還要早 170 萬年。

初步分析表明，樣本中的二氧化碳濃度還不到300 ppm，比現(xiàn)今的400 ppm低了不少。那時(shí)地球即將進(jìn)入第四紀(jì)大冰期，這或許能夠說明，大氣中低水平的二氧化碳正是觸發(fā)大冰期的原因。

研究人員計(jì)劃擇日重返阿倫山，獲得年齡超過500萬年的冰芯。那時(shí)的地球和現(xiàn)在一樣處于溫暖時(shí)期，那么大氣中溫室氣體的含量究竟又如何呢？