十大突破、3大“崩壞”事件，《科學》這樣盤點2018_風聞

來源：微信公眾號“科學網”

當地時間12月20日，美國《科學》雜誌發佈2018年度十大科學突破。

其中，在單細胞水平上追蹤生物體發育被列為十大突破之首，理由是相關技術“將改變未來10年的研究”。

此外，今年《科學》還列出了3大科學“崩壞”事件，“基因編輯嬰兒，道德紅線在哪？”入選。

1. 單細胞水平追蹤生物體發育

處於發育早期的斑馬魚胚胎。熒光標記突出了表達幫助決定細胞將變成何種類型的基因的細胞。

圖片來源：JEFFREY FARRELL, SCHIER LAB/HARVARD UNIVERSITY

至少從希波克拉底時代開始，生物學家便對單個細胞如何發育成擁有多個器官和數十億細胞的成年動物之謎感到震驚。

古希臘醫生猜測，母親呼出的濕氣幫助塑造了正在生長的嬰兒。

但現在，我們知道，是DNA最終精心安排了細胞增殖和分化的過程。

如今，正如樂譜會顯示絃樂器、銅管樂器、打擊樂器和木管樂器何時插入以創建交響樂一樣，3種技術的組合正在揭示單個細胞中的基因何時啓動，從而暗示細胞發揮其專門的作用。

由此，科學家能以驚人的細節——按照逐個細胞並隨着時間推移，追蹤生物體和器官的發育。

《科學》雜誌將這些技術的組合及其在推動基礎研究和醫學進化方面的潛力列為2018年度十大突破之首。

驅動這些進展的技術將上千個完整細胞從活體生物中分離出來，對每個細胞中被表達的遺傳物質進行高效測序，然後用計算機或者對細胞進行標記，重建它們的時間和空間聯繫。

德國柏林馬克斯—德爾布呂克系統生物學家Nikolaus Rajewsky認為，這3項技術“將改變未來十年的研究”。

相關論文信息：

Science, Vol. 360, p. 367, 27 April 2018

Science, Vol. 360, p. 967, 1 June 2018

Nature Reviews Molecular Cell Biology, Vol. 19, p. 399, 17 April 2018

Nature Biotechnology, Vol. 36, p. 442, 28 March 2018

Nature Biotechnology, Vol. 36, p. 469, 9 April 2018

2. 來自遙遠星系的信使

埋在南極下面冰塊中的探測器插圖。它記錄了中微子觸發的罕見閃光。 

圖片來源：JAMIE YANG AND SAVANNAH GUTHRIE. ICECUBE/NSF

來自遙遠宇宙的幾種信使正在加入望遠鏡收集的光子行列，並且揭示光無法展示的東西。

所謂的多信使天體物理學從被稱為宇宙射線和引力波的高速粒子起步。

引力波是一種時空漣漪，在2015年被探測到。《科學》雜誌將其列為2016年度十大突破之首。

今年，另一種信使加入這場“聚會”：中微子。這是一種幾乎沒有質量的微小粒子，很難被探測到。

捕捉這種銀河系外的“幻影”需要南極深處1立方千米的冰，輔以光探測器來記錄中微子在極其罕見情形下觸發的微弱閃光。

這個名為“冰立方”的巨大探測器此前記錄了很多中微子，其中一些來自銀河系外。但科學家無法確定它們的特定宇宙來源。

2017年9月22日，一箇中微子同冰塊中的原子核相撞，而光探測器搞清楚了它來自哪個方向。

幾天後，向其他望遠鏡發出的警報產生了相同結果。

正如研究人員在今年7月所報告的，美國宇航局費米伽瑪射線太空望遠鏡發現了一個被稱為耀變體的極其明亮的來源。而上述中微子似乎恰好來自這裏。

耀變體是以超大質量黑洞為中心的銀河系的核心。其引力為圍繞它的氣體加熱，導致物質發出明亮的光並且將粒子流從大漩渦中噴出。

相關論文信息：

Science, Vol. 361, p. 147, 13 July 2018

Science, Vol. 361, p. 147, 13 July 2018

3. 幾分鐘確定分子結構

如今，科學家可利用微米大小的晶體（黑色）確定分子結構。

圖片來源：GONEN LAB

今年10月，兩個研究團隊同時發表論文，揭示了一種僅在幾分鐘內便可確定小型有機化合物分子結構的方法。

傳統方法則需要幾天、數週，甚至好幾個月。

幾十年來，分子定位的黃金標準是一項被稱為X射線結晶學的技術。

其涉及向含有上百萬個分子拷貝的晶體發射X射線，其中這些拷貝按共同的方向排列。

隨後，研究人員追蹤X射線從晶體上彈回的方式，以確定單獨的原子併為其分配在分子中的位置。

結構對於理解生物分子如何表現以及藥物如何與其相互作用極其重要。

但該技術需要生長大小和一粒沙子相當的晶體。對於一些物質來説，這是一個很大的障礙。

近年來，研究人員通過用電子束代替X射線，改進了衍射技術。

電子束瞄向通常是蛋白質的片狀二維目標生物分子。

但在很多情形下，這些片狀物會疊在一起。

產生的三維晶體對於普通電子衍射來説無法發揮作用，對於X射線衍射來説又太小了。

兩個研究團隊（一個來自美國、一個來自德國和瑞士）發現，他們能利用這種意外產生的晶體。

他們向處於旋轉階段的微小三維晶體發射電子束，並且追蹤衍射模式如何隨着每次輕微的轉彎而發生改變。

該技術可在幾分鐘內產生分子結構，而其需要的晶體只有X射線研究所需大小的十億分之一。

相關論文信息：

Science, Vol. 362, p. 389, 26 October 2018

  **4.**冰河時代撞擊 

小行星碎片落向格陵蘭島的計算機可視化圖像

圖片來源：NASA SCIENTIFIC VISUALIZATION STUDIO

小行星像一連串原子彈猛烈撞擊格陵蘭島西北部，立即將岩石蒸發並且向整個北極發送衝擊波。

“疤痕”就此留下—— 一個被稱為Hiawatha的31公里寬的撞擊坑。它大到足以容納美國華盛頓特區。

在機載雷達揭示了這個潛伏在數千米厚冰蓋下面的撞擊坑後，科學家在11月報告了這個驚人的發現。

Hiawatha是地球上25個最大的撞擊坑之一。

儘管Hiawatha撞擊事件不像殺死恐龍的希克蘇魯伯撞擊一樣具有毀滅性，但它對全球氣候產生了重要影響。

來自此次撞擊事件的融水湧入大西洋北部，並通過阻止將暖流帶向歐洲西北部的洋流輸送帶，使温度驟降。

雷達圖像顯示，Hiawatha的年代並不久遠，可追溯至10萬年前。

撞擊坑冰層深處的擾動表明，小行星可能在1.3年前撞擊了此處。這將此次撞擊同新仙女木期聯繫起來。

新仙女木期是持續了1000年的的全球變冷事件，其發生時恰逢地球從最後一個冰河期走出來開始解凍。

此次撞擊事件還證明，頗具爭議的新仙女木期撞擊理論的支持者是正確的。

他們認為，外星撞擊導致了考古和地質記錄中的大混亂痕跡，但從未將其指向某個撞擊坑。

相關論文信息：

Science Advances, Vol. 4, 14 November 2018

5. #MeTo帶來大不同

科學界的性騷擾被低估並且在很大程度上遭到無視，直到最近。今年出現了變化的跡象。

圖片來源：DARIA KIRPACH/@SALZMANART

6月，美國國家科學、工程和醫學院發佈了一份關於科學、工程和醫學界女性性騷擾的里程碑式報告。

該報告或是一個轉折點。

它基於來自兩個大型高校系統的最新數據提出，依據職業生涯所處階段和領域不同，超過50%的女性教職員工和20%~50%的學生忍受了性騷擾。其中包括最常見的形式：語言和非語言上的性別歧視敵意。

今年，若干機構已經採取了行動。

一些機構受新聞曝光或者受騷擾學生和員工提起的正式訴訟的推動，在調查證實了對不當行為的指控後，解僱了知名科學家或迫使其離開。

其他機構則宣佈了政策上的變動。

9月，美國國家科學基金會（NSF）主任France Córdova表示，自此開始，在基金受助人接受性騷擾調查或者被發現犯有性騷擾罪期間，高校必須向資助者説明此人何時被暫停工作。

同時，受調查者要接受來自NSF的“有針對性的嚴重後果”。

為學術界無法保護性騷擾受害者感到惋惜的Córdova表示：“這種忽視必須終結。”同月，美國科學促進會（AAAS）採納了一項政策，即經證實是性騷擾者的AAAS會員將被取消這一終身榮譽。

6. 古人“混血兒”

在俄羅斯丹尼索瓦谷的洞穴中發現的骨碎片。

圖片來源：THOMAS HIGHAM

一塊來自生活在5萬多年前女性的骨頭碎片揭示了兩種已經滅絕的古人類之間“驚人”的聯繫。

2012年，研究人員從在西伯利亞一個洞穴中發現的這塊骨頭中提取出古代DNA。

分析結果顯示，“她”的母親是尼安德特人，父親是丹尼索瓦人。

此前，研究人員知道，尼安德特人、丹尼索瓦人和現代人類至少偶爾會在冰河時代的歐洲和亞洲進行雜交。

這一最新發現是尼安德特人和丹尼索瓦人之間相遇的親密見證。

此外，研究人員指出，這名女性尼安德特人的基因更接近於在克羅地亞發現的尼安德特人的基因，而不是更早居住在丹尼索瓦洞穴的尼安德特人的基因。

這表明不同的尼安德特人羣體曾多次在西歐和西伯利亞之間遷徙。

顯然，在這一過程中，他們將自己的基因自由地傳播給了外界。

為何丹尼索瓦人和尼安德特人的基因仍然不同？

地理上的障礙可能起了一定作用，但研究人員需要從不同地點獲得更多的古代DNA，才能瞭解這些史前“配偶”的真正影響。

目前，研究人員仍在對丹尼索瓦洞穴中發掘的材料進行研究。

該研究負責人、古遺傳學家Viviane Slon表示，會繼續開展從洞穴沉積物中提取古人類DNA的工作，並希望從古基因組的探索中獲得各式各樣的獨特見解。

相關論文信息：

Nature, Vol. 561, p. 113, 22 August 2018

7. 法醫系譜學時代到來

Joseph James DeAngelo

圖片來源：PAUL KITAGAKI JR

4月，美國警方宣佈逮捕了金州殺人案嫌疑人。

該案件是史上最撲朔迷離的懸案之一：上世紀七八十年代在加利福尼亞州發生了一系列強姦和謀殺事件。

而破案使用的方式也十分“特殊”：警方利用犯罪現場回收的DNA，通過公共家譜 DNA 數據庫鎖定了金州殺手的親屬。

此後，警方利用這一策略破解了 20 餘起其他懸案，並開闢了一個新的領域：法醫系譜學。

像Ancestry和23andMe這樣的私人DNA網站包含了數以百萬計的個人資料。

這些資料可用來從共享的DNA片段中找到一個人的親屬，但是警方需要法庭命令才能使用這些數據。

在金州殺人案中，當局使用了一個公共的、簡潔的在線 DNA 數據庫：GEDMatch。

它由得克薩斯州和佛羅里達州的兩個業餘系譜學家運行，任何人都可以提交DNA測試結果。

調查人員將犯罪現場的 DNA 圖譜上傳到數據庫後，找到了嫌疑人的幾個遠房親屬。

於是，他們與一位系譜學家合作，利用公共記錄建造大型家庭樹，最終將證據指向了73歲的Joseph James DeAngelo。

他的年齡和位置與部分罪行相匹配，並且測序顯示犯罪現場 DNA 與DeAngelo的DNA相匹配。

遺傳學家表示，一旦數據庫擁有300萬個用户資料，即使有些人從未測過DNA，也可用類似的方法找到超過90％的白人。

  8. 基因沉默藥物獲批  

短RNA分子附着在信使RNA（藍色）上，阻止蛋白質翻譯。

圖片來源：VAL ALTOUNIAN/SCIENCE

2018年，一種基於RNA干擾技術讓基因沉默機制的藥物，獲得了美國食品藥品監督管理局的批准。

這個漫長等待的最終結果可能預示着一種靶向致病基因的新型藥物的誕生。

早在20多年前，兩名美國遺傳學家發現，短RNA分子可附着在信使RNA上，從而破壞基因的翻譯。

這一進展為他們贏得了諾貝爾獎，但將其轉化為藥物的努力很快遇到了障礙。

科學家努力使這些脆弱的RNA分子保持完整，並將其導向正確的組織，但結果不盡人意。

直到2008年，馬薩諸塞州劍橋市奧尼蘭姆製藥公司提出瞭解決方案：一種脂質納米顆粒，可保護基因沉默的RNA 並將其運送至肝臟。

在那裏，他們希望它可通過阻止蛋白質摺疊錯誤的產生，治療一種被稱為遺傳性轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性的罕見疾病。

該公司推出靜脈注射藥物 Onpattro。

該藥物在2018年獲得美國和歐盟監管機構的批准，並以每年45萬美元的定價進入市場。

貝斯以色列女執事醫療中心發育生物學家Frank Slack説，這項批准以及2016年另一種基於RNA的藥物的批准，為該領域注入了活力，但讓RNA在包括心臟在內的某些組織中積累將是一個挑戰，奧尼蘭姆的成功“剛剛打開了洪水之門”。

相關論文信息：

Nature, Vol. 560, p. 291, 10 August 2018

9. 原始世界的“分子窗口”

“迪金森尼亞”化石

圖片來源：D. GRAZHDANKIN 

今年，科學家從生活在5億多年前的生物身上發現了分子痕跡，從而對這個神秘世界的認識更加清晰。

9月，來自澳大利亞國立大學的研究人員在埃迪卡拉紀（距今6.35億至5.41億年）的水母化石中找到了膽固醇樣分子的痕跡。

這種被稱為“迪金森尼亞”的橢圓形生物長1.4米，全身有肋骨狀結構，屬於埃迪卡拉生物羣。

這類生物比5.4億年前“寒武紀大爆發”中出現的大量動物早了近2000萬年。

研究證明，當時的動物羣大而豐富，並且比此前估計的還要早。

此前假説認為，節肢動物在5.4億年前的寒武紀“突然”出現。

但也有研究者猜測，節肢動物在寒武紀之前應該已經開始緩慢進化，只是因為那個時期的化石難以保存，才沒有找到確切證據。

“迪金森尼亞”化石是一把鑰匙，有助於理解以細菌為主的世界如何演化到“寒武紀大爆發”後的大型動物世界。

10月，另一研究團隊在來自6.6億到6.35億年前的岩石中發現了一種現今只有海綿製造的分子，這表明海綿這種形式的動物可能比已有最古老的可識別化石早進化了一億年。

相關論文信息：

Nature Ecology & Evolution, Vol. 2, p. 437, 22 January 2018

Science, Vol. 361, p. 1246, 21 September 2018

Nature Ecology & Evolution, Vol. 2, p. 1709, 15 October 2018

10. 細胞如何自我管理

蛋白質能分離或濃縮成離散的液滴。

圖片來源：E.M. LANGDON ET AL., SCIENCE2018

細胞內的各組分是如何協調的，以至於能在正確的時間和地點行使功能？

生物學家逐漸意識到，這個問題的關鍵是液滴。

但他們直到最近才發現，液滴在細胞中無處不在，組織（有時甚至搞亂）細胞工作。

成千上萬的蛋白質和其他分子聚集在細胞質中。

它們經常相互碰撞，並執行生命任務：從分解營養物質到釋放能量，再到回收廢物。

從2009年開始，研究人員發現許多蛋白質能形成離散的液滴，特別是當細胞對壓力作出反應時。

2017年發表在《自然》上的兩篇論文顯示，細胞核中的液狀蛋白滴有助於縮小基因組的某些區域，從而抑制其中的基因。

2018年，《科學》的3篇論文指出了這種液相分離的更大作用。

研究人員稱，驅動遺傳密碼從DNA轉移到RNA的蛋白質，可凝結成附着在DNA上的液滴。

雖然細節還有待研究，但它們揭示了相分離在生命的一個基本奧秘——基因的選擇性表達——中的作用。

生物物理學家正在研究這些液滴是如何形成的。

當這個過程出錯時，原本應該是液體的東西會變成凝膠，凝膠會凝固，形成肌萎縮側索硬化症等神經退行性疾病中出現的各種聚集體。

相關論文信息：

Nature, Vol. 547, p. 168, 13 July 2017

Science, Vol. 361, p. 329, 27 July 2018

Science, Vol. 360, p. 859, 25 May 2018

Cell, Vol. 173, p. 549, 19 April 2018

另外，科學圈從來不只有好消息。2018年，3大科學“崩壞”事件也隨之出爐。

1.氣候在變暖，政府“不知道”

9月12日，4個熱帶氣旋活躍在大西洋。這是自2008年起4場被命名的風暴首次亮相。

圖片來源：NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION

全球減排形勢嚴峻，但一些國家仍選擇忽視氣候變化正在發生的科學證據。

在波蘭卡托維茲氣候大會期間，由於美國等少數幾個國家反對，各方沒能發表對政府間氣候變化專門委員會特別報告表示歡迎的聲明。

2.基因編輯嬰兒 ，道德紅線在哪？

體外授精是基因編輯的第一步。

圖片來源：MEDICALRF/SCIENCE SOURCE

今年11月，中國科學家賀建奎宣稱利用基因編輯技術讓一對夫婦生出能抵抗HIV病毒的雙胞胎女嬰。

事件一經公佈，引起學界和社會廣泛關注，特別是引發了法律和倫理方面的爭議。

中國國家衞生健康委員會、科學技術部、中國科學技術協會等三部門表示：此次事件性質極其惡劣，已要求有關單位暫停相關人員的科研活動，對違法違規行為堅決予以查處。

3.博物館起火，研究者“滴血”

火災之後的巴西國家博物館

圖片來源：MAURO PIMENTEL/AFP/GETTY IMAGES

在面臨缺少資金、遭到當局忽視的多年後，有着200年曆史的巴西自然博物館在今年9月焚燬，成為很多研究者“心裏永遠的痛”。

巴西國家博物館建於1818年6月，收藏了大量的考古和自然歷史藏品。

多年來，科學家一直警告説，這座歷史悠久的宮殿的狀況正在惡化，而且容易失火，但博物館一直缺乏資金進行必要的調整。

9月2日，一場大火吞噬了博物館，完全燒燬了其內部，只留下了外牆。

原文鏈接：

https://vis.sciencemag.org/breakthrough2018/finalists/#human-hybrid