《科學》評選2018年度十大突破

12月20日，美國《科學》雜誌發布2018年度十大科學突破。

其中，在單細胞水準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”。

單細胞水準追蹤生物體發育

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。

但現在，人們知道，是DNA最終精心安排了細胞增殖和分化的過程。

如今，3種技術的組合正在揭示單個細胞中的基因何時啟動，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——按照逐個細胞並隨著時間推移，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，然後用電腦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10年的研究”。

來自遙遠星系的信使

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。

今年，另一種信使加入這場“聚會”：中微子。這是一種幾乎沒有品質的微小粒子，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，一個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。

幾天后，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月報告的，美國宇航局費米伽馬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那裡。

幾分鐘確定分子結構

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。

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。

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說無法發揮作用，對於X射線衍射來說又太小了。

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著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10億分之一。

冰河時代撞擊

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溫度驟降。

雷達影像顯示，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13000年前撞擊了此處。這將此次撞擊同新仙女木期聯繫起來。

#MeToo帶來大不同

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

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與敵意。

今年，若乾機構已經采取了行動。

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，解雇了知名科學家或迫使其離開。

其他機構則宣布了政策上的變動。

9月，美國國家科學基金會（NSF）主任France Corodova表示，從此以後，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，高校必須向資助者說明此人何時被暫停工作。

古人“混血兒”

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群體曾多次在西歐和西伯利亞之間遷徙。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。

法醫系譜學時代到來

4月，美國警方宣布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奸和謀殺事件。

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余起其他懸案，並開辟了一個新的領域：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裡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。

基因沉默藥物獲批

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

早在20多年前，兩名美國遺傳學家發現，短RNA分子可附著在信使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了解決方案：一種脂質納米顆粒，可保護基因沉默的RNA 並將其運送至肝髒。

在那裡，科學家希望它可通過阻止蛋白質折疊錯誤的產生，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準，並以每年45萬美元的定價進入市場。

原始世界的“分子視窗”

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，屬於埃迪卡拉生物群。

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，當時的動物群大而豐富，並且比此前估計的還要早。

“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1億年。

細胞如何自我管理

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。

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。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，可凝結成附著在DNA上的液滴。

雖然細節還有待研究，但它們揭示了液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，進而凝固，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。

（閆潔 唐鳳）

《中國科學報》 (2018-12-24 第3版 國際)

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