作品來(lái)源：《知識(shí)分子》

每年年底，《科學(xué)》雜志都會(huì)公布年度“十大科學(xué)突破”，這些突破往往預(yù)示未來(lái)幾年的發(fā)展方向，今年有哪些令人眼前一亮的科學(xué)突破？

除了我們熟知的LIGO、冷凍電鏡技術(shù)外，基因治療入選年度突破發(fā)現(xiàn)，最近美國(guó)FDA批準(zhǔn)了基因治療用于治療眼疾。值得一提的是，《科學(xué)》雜志介紹冷凍電鏡的年度進(jìn)展，主要來(lái)自國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)科研小組的工作，如清華大學(xué)施一公團(tuán)隊(duì)、中科院生物物理所的王艷麗團(tuán)隊(duì)等。

另外一個(gè)亮點(diǎn)是，美國(guó)Broard研究所的David Liu的工作。之前我們對(duì)該所的華人天才科學(xué)家張鋒非常熟悉，如今另一位華人學(xué)者將被更多人了解。四日前，David Liu入選《自然》年度十大科學(xué)人物，后在《自然》發(fā)表重磅研究，利用基因編輯技術(shù)成功修復(fù)小鼠的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)。今年《科學(xué)》雜志又將他開(kāi)發(fā)的“堿基編輯器”技術(shù)評(píng)為年度科學(xué)突破之一。2017年可謂是他的Big Year。

1雙中子星合并

2017年8月，全世界953個(gè)研究機(jī)構(gòu)4156名科研人員，觀測(cè)并研究了1.3億光年遠(yuǎn)的兩顆中子星并合及后續(xù)事件。值得一提的是，研究者捕捉到該事件的細(xì)節(jié)，他們檢測(cè)到了宇宙中極微小的漣漪，也就是旋轉(zhuǎn)的中子星在并合之前放出的引力波（gravitational waves）。早在27個(gè)月前，科學(xué)家利用激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到來(lái)自兩個(gè)黑洞并合的宇宙震動(dòng)，如果上次的研究是吹響了引力波探測(cè)的號(hào)角，那么這次則是演奏出了交響樂(lè)。中子星并合產(chǎn)生的引力波比黑洞并合產(chǎn)生的引力波頻率更高，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)。引力波產(chǎn)生后，研究者還觀測(cè)到了短時(shí) 射線爆。這次探測(cè)也支持了25年前的一個(gè)假說(shuō)：中子星并合會(huì)產(chǎn)生短時(shí) 射線爆。不過(guò)這次中子星并合的數(shù)據(jù)也讓人困惑，如產(chǎn)生的短時(shí) 射線爆非常弱，科學(xué)家希望未來(lái)能看到更多這樣的事件，從而有助于對(duì)目前數(shù)據(jù)的闡釋。

2發(fā)現(xiàn)新的類人猿

最近，科學(xué)家在印度尼西亞一片瀕危的樹(shù)林中找到了一類屬于人科（Hominidae）的動(dòng)物，命名為Pongo tapanuliensis，其以地區(qū)Tapanuli來(lái)命名。這個(gè)新物種生活在印度尼西亞的蘇門答臘島，通過(guò)基因組對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該類人猿的祖先幾百萬(wàn)年前就遍布印度尼西亞及其周邊海島，大概在三至四百萬(wàn)年前，北方的蘇門答臘與南方的蘇門答臘、婆羅洲分離，直到67萬(wàn)年前，南方的蘇門答臘和婆羅洲分離后，形成了如今的Pongo tapanuliensis。但至于什么因素最終導(dǎo)致新物種的形成目前還不清楚。7萬(wàn)年前，這里的火山爆發(fā)或許加速了物種之間的生殖隔離。目前，該物種的生存形勢(shì)比較嚴(yán)峻，僅有的800多個(gè)個(gè)體棲息在獨(dú)立的島嶼森林中，而且這些森林正因非法砍伐而逐漸減少。

3在原子水平觀察生命

冷凍電鏡技術(shù)（cryo-electron microscopy）在科學(xué)領(lǐng)域的聲譽(yù)不斷攀升，這種技術(shù)能讓科學(xué)家在復(fù)雜的分子相互作用過(guò)程中，構(gòu)建定格的圖像，從而為分子間的互作提供多樣的視角。冷凍電鏡使用液態(tài)乙烷來(lái)快速凍結(jié)水中移動(dòng)的分子，然后研究人員在電鏡下觀察，并采用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行圖像分類，再將它們組裝成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)。今年，這項(xiàng)技術(shù)為研究者觀察剪接體如何工作提供一個(gè)新的視角；它使得研究者對(duì)細(xì)胞中重塑細(xì)胞膜蛋白質(zhì)，有了更清晰的認(rèn)識(shí)；幫助研究者對(duì)酶修復(fù)DNA中的斷裂，也有了新認(rèn)識(shí)；此外它還展示了CRISPR系統(tǒng)是如何捕獲和編輯DNA等。

4生物預(yù)印快速發(fā)展

以前生物學(xué)家的文章都是同行評(píng)議過(guò)后再在線發(fā)表，但今年生物領(lǐng)域未經(jīng)評(píng)議的文章快速發(fā)展起來(lái)。四年前，冷泉港實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立免費(fèi)生物預(yù)印服務(wù)器bioRxiv，剛開(kāi)始只有計(jì)算生物學(xué)的文章，后細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的文章也多了。很多研究者也倡導(dǎo)大家去該網(wǎng)站發(fā)文章，這樣能夠加速科學(xué)交流過(guò)程，給年輕研究員建立好的學(xué)術(shù)記錄。今年四月，陳-扎克伯格基金會(huì)（Chan Zuckerberg Initiative）對(duì)bioRxiv公開(kāi)投資，加速了預(yù)印在學(xué)術(shù)界的發(fā)展勢(shì)頭。當(dāng)然對(duì)于bioRxiv來(lái)說(shuō)，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。生物類摘要數(shù)據(jù)庫(kù)PubMed每個(gè)月約有10萬(wàn)篇新文章上傳，而bioRxiv每個(gè)月只有1500篇左右的新文章。生物學(xué)家Ronald Vale評(píng)論說(shuō)，“這在交流上是一個(gè)重要的文化改變。”

5精準(zhǔn)定位的基因編輯

目前，超過(guò)6萬(wàn)個(gè)遺傳突變和人類疾病有關(guān)，其中3.5萬(wàn)個(gè)是由小的錯(cuò)誤造成，即基因組中一個(gè)特定位點(diǎn)上DNA堿基的變化。今年，研究人員宣布了一項(xiàng)名為堿基編輯（base editing）的新技術(shù)，以此來(lái)糾正DNA甚至RNA的這種點(diǎn)突變。這項(xiàng)技術(shù)最終有可能會(huì)在醫(yī)療上應(yīng)用。Broard研究所的David Liu是這項(xiàng)技術(shù)的研究先鋒，他修改了CRISPR的編輯工具，創(chuàng)建了一個(gè)堿基編輯器，可解開(kāi)DNA，但不會(huì)在目標(biāo)位置切割DNA，而是用化學(xué)方法替換一個(gè)堿基。今年，中國(guó)研究人員通過(guò)在人類胚胎中更正了一個(gè)疾病點(diǎn)突變來(lái)證明堿基編輯的力量，雖然修復(fù)并不總是成功，但這個(gè)壯舉證明了堿基編輯有“巨大的潛力”。

6廣譜抗癌藥獲批

今年5月，美國(guó)FDA批準(zhǔn)了Merck的一款廣譜抗癌藥派姆單抗（KEYTRUDA，pembrolizumab），用于治療帶有微衛(wèi)星不穩(wěn)定性高（MSI-H）或錯(cuò)配修復(fù)缺陷（dMMR）的實(shí)體瘤患者。這是FDA首次基于生物標(biāo)志物而不以癌癥類型批準(zhǔn)的藥物。獲批之前，Keytruda已被用于黑色素瘤以及其他腫瘤類型。此舉，也體現(xiàn)了FDA在藥物審批上非同尋常的一面。對(duì)于很多腫瘤患者來(lái)說(shuō)，盡管腫瘤在不同部位發(fā)生，但它有時(shí)比那些長(zhǎng)在同一位置的腫瘤更為相似，所采取的措施也不盡相同，即所謂“同病異治、異病同治”。早在2015年，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)的Luis Diaz就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)他用派姆單抗治療結(jié)腸癌患者，令他震驚不已的是，13名患者中有8位錯(cuò)配修復(fù)缺陷患者治療后，腫瘤有所減小，但另外4名患者無(wú)反應(yīng)。另外一項(xiàng)試驗(yàn)印證了這一結(jié)果，無(wú)錯(cuò)配修復(fù)缺陷的結(jié)腸癌患者對(duì)派姆單抗治療無(wú)反應(yīng)，于是研究者發(fā)現(xiàn)，攜帶有這些缺陷往往能夠增強(qiáng)免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的識(shí)別，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行殺傷。

7270萬(wàn)年前的地球氣候

冰封在世界底部的是通往另一段時(shí)光的入口：古代地球空氣的氣泡。今年8月，普林斯頓大學(xué)和緬因大學(xué)宣布，他們挖掘出了在南極冰封270萬(wàn)年之久的冰塊。這次發(fā)掘的冰塊比之前的要古老170萬(wàn)年，這也將直接的氣候記錄向前推到一個(gè)對(duì)地球歷史非常重要的時(shí)期。早在2015年，科學(xué)家發(fā)掘出最古老的冰芯，它形成于最初的幾次冰河世紀(jì)期間，那時(shí)的冰河世紀(jì)每4萬(wàn)年發(fā)生一次，而不是像現(xiàn)代每10萬(wàn)年發(fā)生一次。為了追尋氣候變化產(chǎn)生的線索，研究人員測(cè)量了冰芯中的氣體。解釋這樣的氣體記錄極具挑戰(zhàn)性，前期的分析表明，在冰河期開(kāi)始之時(shí)，二氧化碳的含量保持在百萬(wàn)分之300 (300ppm) 以下——遠(yuǎn)低于今天的400 ppm。但這個(gè)結(jié)論與來(lái)自那個(gè)時(shí)代的間接記錄存在矛盾，后者顯示二氧化碳的比例應(yīng)該更高。但這一分析結(jié)果（濃度為300ppm）驗(yàn)證了氣候模型的預(yù)測(cè)——只有這樣的低濃度才能使地球進(jìn)入冰河期的周期循環(huán)。

8智人更古老的起源

一個(gè)摩洛哥山洞里被長(zhǎng)期忽視的頭骨，將智人的化石記錄向前推進(jìn)的更早了，這也為今年的現(xiàn)代人類起源研究提供了原動(dòng)力。研究人員認(rèn)為，這塊頭骨有著令人震驚的30萬(wàn)年歷史，比埃塞俄比亞出土的最早被認(rèn)可的智人遺骨還要早10萬(wàn)年。這塊頭骨于1961年由礦工們發(fā)現(xiàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為它是非洲尼安德特人的頭骨，因?yàn)樗哂心岚驳绿厝艘约霸缙谥侨说囊恍┰继卣?。其中一顆牙齒的放射性測(cè)試顯示，它的年齡為16萬(wàn)年。然而這塊頭骨也顯示出一些現(xiàn)代人的特征，如臉是蓋在頭骨下面而不是向前突出的，這引起了來(lái)自德國(guó)萊比錫的馬克斯普朗克進(jìn)化人類學(xué)研究所Jean- Jacques Hublin的興趣。他想知道這塊頭骨是否屬于早期智人。他的研究小組認(rèn)為Jebel Irhoud人是早期智人中的一個(gè)大型雜交種群的一部分，后者早在33萬(wàn)到30萬(wàn)年前就在非洲繁衍，并演變成現(xiàn)代人類。這使得我們的非洲根基比以往認(rèn)為的更深且更廣泛。

9基因治療的勝利

一個(gè)小型臨床試驗(yàn)的成功，使今年基因治療得到推動(dòng)。研究人員報(bào)告稱，他們通過(guò)在脊髓神經(jīng)元中添加一個(gè)缺失的基因，拯救了患有致命的遺傳性、神經(jīng)肌肉疾病嬰兒的生命。如果不進(jìn)行治療，嬰兒會(huì)在2歲左右死亡。此項(xiàng)技術(shù)的成功打開(kāi)了使用基因療法治療其他神經(jīng)退行性疾病的大門。該技術(shù)的關(guān)鍵是一種被稱為腺病毒（AAV）的無(wú)害病毒，它被廣泛應(yīng)用于將基因轉(zhuǎn)運(yùn)到靶細(xì)胞中。 目前，研究人員在注射攜帶其他基因的AAV來(lái)治療嚴(yán)重的遺傳性腦病。在此之前，為了給這些孩子提供基因治療，研究人員不得不在他們的顱骨上打孔，即便如此，也沒(méi)有什么作用。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）將很快批準(zhǔn)第一種治療罕見(jiàn)遺傳性疾病導(dǎo)致失明的基因療法（編者注：目前已經(jīng)批準(zhǔn)）。

10探測(cè)最“羞澀”粒子的微型探測(cè)器

今年，物理學(xué)家以一種新的方式轟擊原子核，發(fā)現(xiàn)了最難以捉摸的亞原子粒子 ——中微子。這一項(xiàng)成就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)40年的目標(biāo)，并且不需要使用大量的硬件，而后者往往是探測(cè)中微子時(shí)必需的。研究人員用了一個(gè)和微波爐重量差不多的便攜式探測(cè)器，便取得了這項(xiàng)成就。中微子在某些核過(guò)程中產(chǎn)生，它與其他物質(zhì)的相互作用很少，以至于無(wú)數(shù)中微子束穿過(guò)地球。但有時(shí)候，中微子會(huì)撞擊原子核中的中子，將其變成質(zhì)子，同時(shí)自身變成可檢測(cè)的粒子，如電子。今年，COHERENT合作團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)14.6公斤的碘化銫鈉晶體的大型晶體探測(cè)器，當(dāng)它內(nèi)部的原子反射時(shí)，探測(cè)器就會(huì)閃光。他們把它放置在了田納西州的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源所產(chǎn)生的中子之中，這些中子的能量足夠低，可以產(chǎn)生相干散射，但也足夠高，可以產(chǎn)生出可檢測(cè)的反沖。也許有一天，這樣的小中微子探測(cè)器可幫助我們監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆，如它可確保核反應(yīng)堆按照核不擴(kuò)散規(guī)則運(yùn)行，或者它可幫助我們尋找更難以捉摸的“惰性中微子”。

注：本文圖片來(lái)自Science，內(nèi)容來(lái)自《科學(xué)》的“2017 BREAKTHROUGH of the YEAR”。