美《科學》雜誌盤點2018年度十大科學突破

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

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”。

2. 來自遙遠星系的信使

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。

3. 幾分鐘確定分子結構

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。

4. 冰河時代撞擊