《科學》雜誌2015年度十大突破出爐

2015年12月25日(農曆2015年11月15日)，《科學》雜誌2015年度十大突破出爐。每年，《科學》雜誌都會評選出一項科學成就作為“年度十大科學突破”之首。希格斯玻色子的發現、癌症免疫療法、第一臺量子機器、“羅塞塔”登陸彗星都曾奪魁，今年CRISPR基因編輯技術獨佔鰲首，贏得桂冠。除此以外，矮行星冥王星和“新視野”號、埃博拉疫苗、大腦淋巴系統等研究也在推動著科學前沿向更深層次邁進。一、CRISPR技術獨佔鰲首(CRISPR技術幫助科學家建立各種新遺傳物種)2007年，一家酸奶公司發現一種細菌擁有抵抗病毒的未曾預料到的防禦機制。2012年，科學家闡明瞭這種細菌的作用機制；2013年，科學家邁出關鍵研究的第一步；去年，相關研究如雨後春筍般大規模爆發。現在，它已經被認為是分子研究領域的一個奇蹟，不只是科學界，全世界的目光都被這種叫作“CRISPR”的技術吸引。作為2015年度十大科學突破之首的CRISPR技術，在2012年和2013年就曾兩次進入《科學》年度十大突破榜單。今年它不再屈居其他研究之下，而是透過一系列顯著成果獨佔鰲首。其中有兩項成果備受矚目：一是成功實現長期以來夢寐以求的透過“基因驅動”消滅害蟲或是攜帶的疾病的夢想；二是首個人類胚胎DNA編輯佔據全球輿論頭條。這兩項研究每一項都牽動著科學政策的制定，尤其是後一項研究直接推動了今年12月美國華盛頓國際人類基因編輯峰會的召開。是什麼讓CRISPR顯得與眾不同呢?與鋅指核酸酶以及轉錄啟用因子樣效應物核酸酶等蛋白相比，後兩種蛋白也能夠精確改變DNA序列，若干家公司已經在用其開發新臨床療法。但CRISPR技術相對簡單，且成本低廉得多。猶他大學鋅指核酸酶領先研究專家DanaCarroll說，它帶來了“基因靶向治療的普遍化時代”。斯坦福大學生物倫理學家HankGreely把CRISPR技術和第一輛T型福特汽車進行對比說，和第一輛汽車相同，它(CRISPR)生產的簡便性、技術的可靠性以及經濟上的可負擔性都將改變社會。“每個分子實驗室都希望進行CRISPR研究。”哈佛大學的GeorgeChurch說。二、小世界迎來大年景(“新視野”號傳回的冥王星地表圖)今年可謂是矮行星之年。美國宇航局(NASA)的兩艘空間探測器與兩個矮行星之間兩次邂逅的畫面在天文學家眼中徐徐展開。今年3月，“黎明”號探測器進入小行星帶中最大的天體——穀神星的軌道。7月，“新視野”號飛掠柯伊伯帶最大的天體之一——冥王星。科學家發現，冥王星沿著“一年”248年的橢圓軌道運轉時存在極端差異的季節變化，劇烈溫差導致其表面結冰後又融冰，從數十億年前直到現在，這顆矮行星上的造型仍在改變過程中。其固氮表面像鱗片一樣的紋理見證了在稀薄大氣週期性地擴張和塌縮時，物質的昇華與沉積過程。冰山從平坦的平原上拔地而起，好像漂浮的冰山一樣，在古地質作用的推動下，穿過大量不堅固的氮冰，雜亂地陳列著。距離太陽更近的穀神星也在各種作用力下成為今天的形狀。這個像瀝青一樣漆黑的小行星的表面曾發生過猛烈撞擊。在一些撞擊坑中神秘的亮斑上漂浮著一些塵霧和水氣。“黎明”號還在穀神星的表面礦物中發現了氨——彗星表面的典型礦物，進一步證明穀神星是一顆巨型死亡彗星，曾誕生於距離冥王星較近的太陽系外圍。12月，“黎明”號降低到距離穀神星表面不到380公里的最低也是最終軌道，開始繪製該小行星的地圖。此刻，“新視野”號正在朝著另一個“約會地點”飛去，以期在2019年與柯伊伯帶一顆叫作2014MU69的小行星相會。此後，“新視野”號將繼續滑翔，並在數十年後飛出太陽系。而“黎明”號將繼續圍繞穀神星運轉幾百年或者更長時間。三、肯納威克人爭議定音(肯納威克人古骨骼)自從1996年在華盛頓州肯納威克哥倫比亞河畔被發現以來，這具被稱為肯納威克人的骨骼一直處於爭議之中。人類學家就這具距今8500年的骨骼和今天美洲土著居民的關係產生了分歧。同時，本土部落認為這具骨骼的主人是他們的祖先，要求把骨骼歸還給他們，然後根據儀式埋葬。2004年，美國政府准許科學家研究這具骨骼。今年，當古DNA專家對肯納威克人進行核基因測序之後，事情發生了具有諷刺意味的轉變。結果表明，這具骨骼至少和此前宣稱骨骼屬於他們的5個土著部落有關。更重要的是，基因分析還確定了此前根據更古老的人類遺蹟作出的發現，認為今天的美洲土著居民是亞洲人(曾在距今至少1.5萬年前穿過白令陸橋)的直系後代。因此，肯納威克人的基因組對比有力地批駁了今天的美洲土著居民起源於晚期移民以及第一批美洲人來自歐洲而不是亞洲的觀點。由此來看，在一直被描繪成科研與文化傳統難以共融的爭議中，科學一直以來都站在美洲土著居民的一邊，現在他們可以重新書寫要求，讓古骨骼物歸其主。四、心理學研究可重複性惹爭議(心理學實驗可重複性不是賭博)今年是心理學向邏輯科學轉變的分水嶺。心理學數年來一直深陷研究結果不可重複的醜聞之中，但是一群改革者正在把它轉變為科學可複製性的標杆。心理學假陽性結果普遍存在的情況令人擔憂，因為該領域的研究覆蓋的研究物件群體經常較小，在數字統計方面處於劣勢，問題從2011年開始一直備受爭議。研究結果不可複製的醜聞促使心理學家透過重複重要研究、建立學術出版新模式與同行評議模式等方式釐清該領域，同時恢復出版界對心理學研究的信心。第一批重複實驗在2013年開始進行，並帶來了鼓舞人心的訊息：13項研究中有10項研究的重複實驗結果均與原始結果相同。然而，去年對涉及近100名研究人員的27項研究成果的重複實驗結果卻令人沮喪：其中不僅有1/3的研究結果不可重複，而且一些原始作者還認為挑選他們的研究成果不公平。研究人員沒有灰心，今年他們再次進行了最大一批重複性試驗。在今年8月發表於《科學》的一篇文章中，270名心理學家對100篇發表在三大頂級期刊上的心理學研究成果進行了分析。不利的是，僅有39%透過了測試。但是這一次的分析非常順利，心理學期刊編輯宣佈，發表實驗可重複性的研究應該成為常態。五、納勒迪人重見天日(南非洞穴發現的新人種化石)2015年，人類大家庭迎來了新的一員，南非洞穴中發現一個新人種。在第一篇系列研究成果中，一個由60名研究人員組成的國際團隊描述了至少來自15名人類的1500塊骨骼化石，一群洞穴探索者在南非東北部約翰尼斯堡一個叫作“升星洞”的洞穴中發現了這些化石。這可謂是在非洲發現的最大的古人類化石“寶洞”，研究團隊認為它們屬於一個獨立的人種，並將其命名為“納勒迪人”，在塞索托語中的意思是“恆星”。目前，這些人種生活的時代尚未追溯。不管他們生活在哪個時代，這些化石都非常重要，因為它們揭示了一個新人種。初始化圖片顯示，他們像現代人一樣直立行走，而且甚至可以製造工具。但是他們的腦容量較小，手指彎曲且長，大拇指形狀奇怪，這表明和早期人種一樣，為了躲避捕食者，他們仍然需要爬樹。然而，他們最終如何到達這個沒有其他動物骨骼的洞穴卻是個謎。研究人員希望，埋藏在洞穴中的其他化石可以進一步回答這些問題。六、深層地幔柱研究趨熱(科學家認為地幔柱可能引發板塊俯衝並開啟全球板塊構造運動)諸如夏威夷群島等島鏈是發現地球內部“不安分”物質的線索，即柱狀熔岩流(或稱地幔柱)從內部滲透到地表的現象。隨著一個地殼板塊爬上地幔柱，然後火山爆發噴出的物質噴湧到板塊上，經過漫長的地質時期後，一個個島嶼逐漸形成。但是40多年來，關於地幔柱的爭論一直像這股熔岩流一樣炙熱。地幔柱是否會一直延伸3000公里到達地球的岩石層地幔?還只是儲存在地下較淺層的岩漿庫?為了找到答案，研究人員利用地震波(當它們到達邊界時會發生彎曲以及速度變化)，像CT掃描那樣對地幔進行了診斷。但是該方法卻難以辨別地球深層的情況。現在，利用尖端技術獲取到史無前例的地震記錄細節，一項新研究發現，熔岩柱會一直向下延伸。研究人員發現了28處地幔柱的證據，其中大多數位於火山熱點區域下方，從地心持續、垂直地上湧。“如果我們的成像結果合理，那麼我們已經解決了爭端。地幔柱確實存在。”該研究作者、美國加州大學伯克利分校地球物理學家BarbaraRomanowicz說。這項實證研究結果讓很多科學家感到驚奇。因為地幔柱的寬度可達600~800公里，是此前預測模型的3倍多。因此，它們攜帶的地心熱量比此前認為的也高得多。而且它們最深處非常筆直，不會在下地幔的岩漿流中徘徊。透過這項研究，科學家很有可能需要重新思考下地幔的執行方式。七、抗擊埃博拉疫苗初獲成功(新疫苗可抵抗埃博拉病毒)史無前例的抵抗埃博拉藥物和疫苗研發戰役一直吃力不討好，但是2015年這一局勢得到扭轉。由加拿大公共衛生機構研究的埃博拉疫苗據說可以在猴子中發揮作用，並在去年疫情最高峰被默克製藥公司收購，今年在世界衛生組織(WHO)帶領的幾內亞臨床實驗中獲得成功。臨床試驗在埃博拉疫情開始消退時啟動，對這種疫苗(一種含有埃博拉病毒表面蛋白的無害牲畜病毒)進行不尋常的鏈條式疫苗接種策略，使檢測其效果的機率最大化。最終這場“賭博”終於取得了成功：7月31日線上發表於《柳葉刀》的一項論文表明，默克公司的疫苗抗病毒成功率達到75%~100%。另一項由英國製藥公司葛蘭素史克研究的候選疫苗經過傳統檢測後，最終沒能發揮效用。歐洲藥品管理局等單位仍然需要更多資料才會批准這種疫苗。但是每過數年埃博拉病毒就會捲土重來，即便未經正式批准，該療法在下一次疫情中可能也會用作實驗依據。它們將有助於阻止西非悲劇再次重演。八、酵母細胞釀出止痛藥(這種基本的酵母細胞經過編輯後可以生成止痛類阿片藥物)今年，美國生物學家透過轉基因酵母，把糖轉化到阿片類止痛藥的研發中。通常在罌粟麻醉劑中使用的這種獨特的生物合成方法，可能帶來更好的藥物，抑或是帶來更加隱秘的自制嗎啡和海洛因。透過一種精心設計的生物工程技術，研究人員改變了酵母菌的基因，使其增加了21個基因。這些基因來自於大量物種，包括3種罌粟、黃連、細菌，乃至大鼠基因。最終的產物是一種可以把糖轉化到合成蒂巴因(通常提取自罌粟花，是諸如氫可酮和羥考酮等醫用阿片類藥物的前體)中的生物。在新增兩種基因後，酵母菌也可以製作氫可酮。美國團隊和其他團隊此前曾編輯過不同的酵母菌株，使其攜帶這種複雜通路的第一或第二段。今年，他們完成了最終的步驟：透過一個單獨的化學轉化連線兩段通路，使所有基因在一個酵母菌株中共存。然而，這種新的基因工程酵母菌並非完美無缺，製作一個劑量的止痛藥，可能需要成千上萬升轉基因酵母。現在，藥物化學家正在努力增加這種酵母菌的產量，同時扭轉它們的生物與化學特性，使其生產出更加安全、有效的藥物。九、大腦淋巴管秘密揭開(大腦淋巴管的發現將開啟神經性疾病研究新視窗)對於認為已經繪製出人體系統的解剖學家來說，今年夏季的一項發現無疑像是發現了“新大陸”。一項出人意料的研究發現，淋巴系統——幫助清除體內廢棄物以及運輸免疫細胞的管道網路——一直延伸到大腦，而不是科學家一直以來認為的僅僅延伸到頸部。兩個多世紀以前，義大利物理學家PaoloMascagni提出，大腦像人體其他部位一樣也存在淋巴管道，今年，研究人員在探索小鼠大腦中免疫細胞的作用時，發現了大腦外皮層中組織精妙的T細胞。而附近的管道看起來像是在支配這些細胞，生物標記表明這些神秘的管道正是小鼠淋巴系統的延伸。此後，研究表明人類大腦中也有著類似的管道。這些秘密管道藏在大腦最外層的腦膜中，可能有助於提供免疫系統和大腦如何互動的新見解。科學愛認為，大腦具有其自身的、與身體其他部位隔離的免疫系統。這項發現將有助於開啟研究諸如阿爾茨海默氏症、多發性硬化和腦膜炎等神經退行性疾病和神經炎症的新視窗。但是現在，研究人員表示，他們優先考慮的是這些大腦淋巴系統的基礎結構和功能。十、量子詭異性(《星際穿越》中描繪的黑洞可能透過蟲洞連線，其中可能存在量子起源)在量子論中有一個非常奇怪的觀點：透過測量一個量子粒子比如質子的特點，就能夠迅速得知另一個量子粒子的狀態，無論這顆配對子的距離有多遠，即便它在數光年距離之外，或者哪怕它在銀河系的另一邊。這種觀點就是量子的“糾纏態”，愛因斯坦由衷地對糾纏態感到痛恨，因為這似乎與他提出的沒有任何物質比光傳播得更快的觀點相沖突，因此就有了他所說的著名的“幽靈般的超距離作用”。今年，很多研究人員表示，德國物理學家證明了這種詭異的遠距離影響的確存在。當粒子處於糾纏態時，它們的狀態完全不能確定，但是一對粒子之間卻彼此關聯。例如，在測量一個電子的時候，你有50%的機率發現它在朝一個方向旋轉，還有50%的機會發現它在朝相反方向旋轉。你可以讓這兩個電子發生糾纏，當你測量其中一個時發現它朝著一個方向旋轉，而另一顆質子就會朝著反方向旋轉。愛因斯坦和其他人希望，類似電子的粒子能夠隱藏從一開始決定每個糾纏粒子狀態的“區域性隱藏變數”，消除任何一種遠距離影響。1964年，英國理論物理學家約翰·貝爾意識到，細微的數字測量能夠揭示隱藏變數是否在起作用。其早期研究與量子理論相符合，並與隱藏變數相矛盾，但是技術漏洞卻留下了質疑的空間。今年的實驗彌補了此前的漏洞，否定了愛因斯坦的隱變數理論，證實相距1.3公里的電子存在量子糾纏。這項研究或許沒有讓物理學家感到吃驚，但是卻為未來諸如量子網際網路等更加前沿的技術鋪平了道路。