2015年度十大科學發現

貓亂

廉價地改變人類基因的

新技術出現

在生物醫學領域，精確地編輯DNA片段能夠讓許多研究設想變成現實。然而這并不是一件容易的事：人類染色體組中有30億個堿基對，要從中找到一個特定的堿基序列進行修改，難度堪比在全中國手動搜尋一個叫張華的人。在2012年之前，分子生物學家們主要依賴兩種手段，即ZFN和TALENs。這兩種技術都必須先合成特定的蛋白質用于標記DNA的位置，然后把這個大分子蛋白導入細胞，整個過程耗時、低效、困難重重且代價高昂。這一狀況直到CRISPR/Cas9系統出現之后才有了顛覆性的改觀。整個系統含有兩個關鍵部分：向導RNA能與特定DNA片段結合，而Cas9能夠剪切DNA片段。這就像是一把自帶導航系統的瑞士軍刀，定位、剪切和重寫三個程序一步到位。更為強大的是，CRISPR技術能夠一次編輯多個基因，這使得在更多生物體中編輯基因成為可能，而不僅僅是依賴于小鼠、果蠅之類的模式生物。CRISPR的廉價也讓它得以迅速地產業化，世界上每一個分子生物實驗室都能夠方便地以數十美元的價格訂購到所需的試劑盒。2013年以來，與CRISPR相關的論文數量出現了爆發式增長，其中就包括中山大學黃軍就副教授有關人類胚胎基因修飾的爭議性研究。理論上來說，只要能夠確定與某個性狀相關的一個或多個基因，就能夠利用CRISPR進行改變或替換。如此一來，致病基因可以去掉，不良性狀可以得到改觀。修飾物種甚至改變人類的基因，為治愈遺傳性疾病比如囊性纖維化、鐮刀形細胞貧血癥、血友病等，帶來了一線曙光，但也無疑對現有的科學和倫理秩序提出了嚴重的挑戰。

矮行星之年

7月，新視野號探測器發回的一張印著心形的冥王星照片刷爆了社交網絡。冥王星大概是最出名的一顆矮行星，或者也可以叫做侏儒行星或準行星，也就是體積介于大行星和小行星之間、同時不是自然衛星的一類天體。國際天文聯會于2006年決定把圍繞太陽公轉的天體分為三類：大行星、小行星和矮行星，冥王星從此退出九大行星之列。另外，黎明號探測器也在3月進入了谷神星軌道，這是太陽系中最小的矮行星，位于火星和木星軌道之間的小行星帶。

納勒迪人：

新發現的一位遠古近親

近30種古人類曾先后生活在地球各處，尼安德特人、能人、直立人……而今卻只有智人（Homo Sapiens）碩果僅存。9月發表的一篇論文讓我們又尋回了一位失落的遠古近親：納勒迪人（Homo naledi）。2013年，兩位洞穴探險家在南非首都約翰內斯堡西北山谷的“升星洞”發現了一道不足20厘米的裂隙，頭燈照亮的地面上滿是人骨。這一發現立刻引起了古人類學家的注意，因為洞穴恰好位于一處名為“人類搖籃”的世界遺產區域之中。納勒迪人的腦容量小于多數人屬物種，同時骨骼兼具了南方古猿和人屬的特征，因此科學家們尚不清楚它在進化上處于何等位置。但從彎曲的趾骨和足弓上來看，它們很可能已經適應了直立行走。

地球內部有什么強大的能量？

火山噴發、巖漿溢流，作用其后的究竟是何種強大的力量？地幔柱理論認為，地幔柱就是把地心力量輸送到地表的媒介。它們就像是一個個巨大的蘑菇，一邊從地球深處升起一邊逐漸打開頭部，最終沖到巖石圈底部。沒有沖出的形成海山和海嶺，沖出地表的就成為火山爆發。有關地幔柱是否存在的爭論已經持續了40年，一旦被證實，魏格納的板塊漂移學說將遭到前所未有的挑戰。最近，科學家利用改進的地震波成像技術繪制出了迄今精度最高的地球內部模擬圖，發現了28個地幔柱存在的證據，其中最大的寬達800公里，是此前預測的3倍之多。

量子糾纏狀態獲得實驗證實，讓構建更安全反竊聽的通訊網絡成為可能？

荷蘭代爾夫特理工大學的科學家10月宣布，他們的實驗可以證明量子力學最根本的理論之一：空間距離很遠的兩個物體可以發生瞬間互相作用。他們成功地把相距1.3公里的兩個電子糾纏起來，并且在它們之間傳遞信息。物理學上的“糾纏”意思是，成對的粒子雖然分離，但彼此之間仍然互相影響而不獨立。用郭光燦院士的話來說，這就好比在美國的女兒生下孩子的那一瞬間，即使遠在中國的母親并不知道，她也在事實上立刻成為了姥姥，母親和女兒的血緣關系就成為了她們之間的“糾纏”。由于違背了定域實在論，愛因斯坦始終不接受量子糾纏的存在，并譏諷其為“鬼魅般的超距作用”，然而如今荷蘭人的實驗已經成功堵住了三大漏洞中的兩個。如果量子糾纏的確存在，那么測出一個粒子的性質，就可立即判斷另一個粒子的性質。并且，另外一個粒子似乎還能知道測量動作的發生與結果，盡管不存在任何傳遞信息的機制。研究人員更進一步的設想，是構建一個由鏈狀糾纏粒子環繞整個地球而形成的量子通信網絡，與現今的互聯網和通信網絡相比，它能夠絕對安全地共享加密密碼，并且必然能夠反竊聽。

埃博拉疫苗研制成功

經歷了埃博拉病毒在非洲的肆虐之后，一種基于水皰性口炎病毒（VSV）的埃博拉疫苗終于由加拿大公共衛生部門的科學家研制成功，有效性達到75%-100%。事實上針對猴子的埃博拉疫苗早在十年前就已經存在，但由于埃博拉病毒非常罕見，每次爆發都只有幾百人感染，所以沒有制藥公司愿意投入資金來推進人體測試。當他們終于在2014年底將此事重新提上日程，西非已有近5000人死于埃博拉。在不斷升級的疫情逼迫下，各國政府和援助團體才打開了自己的錢包。

美洲土著居民是誰的后裔？

1996年，考古學家在美國華盛頓州哥倫比亞河岸發現了一具距今約8500年前的人類遺骸。科學家、土著部落和美國陸軍工程兵部隊之間就骨架的歸屬打了九年官司，最終美國政府從2004年開始資助相關的科學研究。6月發表的基因測序結果表明，肯納威克人的DNA與華盛頓州的五個土著部落都有關聯。這也從基因層面證實了，現今的美洲土著居民的確是由1.5萬年前跨越白令海峽遷徙過來的蒙古人種繁衍而來，而非通過南太平洋諸島到達中南美洲的亞洲人，或者是歐洲人后裔。

成癮性更小的止痛藥將出現？

嗎啡和海洛因這一類阿片藥物在醫療鎮痛方面需求很大，但復雜的化學成分導致它們并不像冰毒那樣容易工業合成。目前的主要來源仍然依賴植物提取，也就是罌粟種植，這讓止痛藥的價格居高不下。斯坦福大學的生物工程專家斯莫爾克（Christina Smolke）將植物、細菌和嚙齒動物的基因混合導入酵母菌中，成功地讓它們分泌出了蒂巴因，也就是諸多醫用阿片類藥物的前體。通過調整酵母途徑，藥物化學家可以用這個辦法進一步生產出更有效、成癮性更小的麻醉劑和止痛劑。一旦生產效率得到優化，止痛藥的降價就能給全世界的慢性病患帶來福音，就像乙肝疫苗和青蒿素借助轉基因酵母菌實現量產那樣。但這也意味著，制造海洛因將變得像自釀啤酒那樣容易。如果這些酵母菌株落到了大毒梟手中，后果將會如何呢？

大腦中也有淋巴管

道弗吉尼亞醫學院的研究人員6月發表在《自然》雜志上的論文確認，大腦會通過淋巴管道與免疫系統直接聯結。這是一項改寫教科書的發現，在現有的認知中，腦內不存在淋巴管。這一發現徹底改變了醫學界對神經-免疫相互作用的認識，也有可能對自閉癥、阿茲海默癥、多發性硬化癥等神經系統疾病的研究和治療產生重要的影響。

心理學研究原來沒有你想的靠譜

在一個名為“可再現性項目：心理學篇”的大型課題中，弗吉尼亞大學的諾賽克（Brian Nosek）帶領來自五大洲的270多位同行，試圖檢驗發表于三份頂級心理學期刊上的100項科學研究。即使人們對心理學的不可靠程度有所認識，最終數據還是令人大跌眼鏡：能夠重現的結果僅占39%。心理學領域有一句著名的吐槽：“用fMRI（功能核磁共振成像）來研究大腦結構，就像是用溫度計來研究汽車的結構。”受到研究方法和研究對象的局限，目前的成果中充斥著太多的假陽性結果、小樣本實驗及弱相關性研究，這100項研究只是滄海一粟。甚至一些論文根本沒有對假設進行仔細檢驗，而是用統計伎倆炮制出了想要的結果。這次的清算讓整個心理學界意識到了第三方審查的重要性，也會迫使研究結果的發表標準得到提高。