《科學(xué)》：2015年度十大科學(xué)突破

姚人杰/編譯

《科學(xué)》：2015年度十大科學(xué)突破

姚人杰/編譯

CRISPR編輯DNA的能力已經(jīng)幫助科學(xué)家們創(chuàng)造了一批遺傳學(xué)意義上的新生物

●2015年底，《科學(xué)》雜志評(píng)選出年度十大科學(xué)突破，其中CRISPR基因組編輯贏得桂冠。以下九項(xiàng)研究榮登亞軍榜。

小星球的大年份

2015年是矮行星大放光彩的一年。NASA的兩個(gè)航天器在2015年里與矮行星兩次相遇，兩顆原本在人類的觀察中模模糊糊的星球突然在機(jī)器之眼面前顯露出清晰的細(xì)節(jié)。3月，“黎明號(hào)”進(jìn)入環(huán)繞小行星帶中最大的天體谷神星的軌道。7月，“新視野號(hào)”飛掠冥王星，冥王星是柯伊伯帶中最大的天體之一。

科學(xué)家在冥王星上發(fā)現(xiàn)了一處奇特的地方，它既是現(xiàn)今冥王星的橢圓形軌道導(dǎo)致的極端季節(jié)變化及為時(shí)248地球年的“一年”造成的，也是數(shù)十億年前矮行星冷卻皸裂而塑造的。在凍結(jié)的固態(tài)氮表面上有著魚鱗狀的紋理，這是冥王星稀薄的大氣層通過擴(kuò)張和坍陷的過程“呼吸”的同時(shí)升華和沉積模式的證據(jù)。水構(gòu)成的冰山矗立在平原上，混雜在一起，仿佛遠(yuǎn)古的地質(zhì)構(gòu)造力將它們像漂流的冰山一樣推過柔軟的氮?dú)庵！勺降闹虚g有著深坑，也許是“低溫火山”從較為溫暖的內(nèi)部噴射出冰。

離太陽更近的谷神星是由不同力量塑造出的。它黑得像柏油一樣，表面因?yàn)樽矒舳鴤劾劾邸Ｔ谝恍┳矒艨拥纳衩亓咙c(diǎn)上方，飄浮著塵埃和水蒸氣構(gòu)成的霧霾——這個(gè)跡象表明谷神星像處于旅途最后階段的彗星一樣在“釋氣”。“黎明號(hào)”還在谷神星表面礦物中發(fā)現(xiàn)了氨，這也是彗星上的典型成分，進(jìn)一步證明了谷神星實(shí)際上是一顆巨大的死亡彗星，它的一生起始于太陽系外層，那時(shí)更靠近冥王星。12月，“黎明號(hào)”下降到最終最低的繪圖軌道，距離谷神星表面不到380公里。

還有第三個(gè)小型天體等待著人類航天器，“新視野號(hào)”正在飛往一個(gè)名叫2014 MU69的柯伊伯帶天體，將在2019年與之相會(huì)。在那之后，“新視野號(hào)”會(huì)繼續(xù)前行，在幾十年后離開太陽系，而“黎明號(hào)”會(huì)環(huán)繞谷神星數(shù)百年，乃至更久。

肯納威克人的親屬

從一開始，這具所謂的“肯納威克人”的骷髏骨就引發(fā)了種種爭(zhēng)論。1996年，這具8 500年前的骷髏在華盛頓州肯納威克的哥倫比亞河河濱被人發(fā)現(xiàn)。從那時(shí)起，人類學(xué)家們已經(jīng)在爭(zhēng)論這具骷髏和今時(shí)今日的美洲原住民的關(guān)系。與此同時(shí)，當(dāng)?shù)氐脑∶癫柯湔J(rèn)為這個(gè)“遠(yuǎn)古一號(hào)”（漫威漫畫中的一名超級(jí)英雄，譯者注）是他們的祖先，要求把骷髏交給他們，再舉行儀式重新安葬。2004年，美國(guó)政府準(zhǔn)許研究者研究這具骷髏。

在2015年，當(dāng)研究遠(yuǎn)古DNA的專家成功地確定肯納威克人的核基因組的順序，故事發(fā)生了出人意料的峰回路轉(zhuǎn)。結(jié)果顯示：在五個(gè)最初試圖要回骷髏的華盛頓州地區(qū)部落之中，“遠(yuǎn)古一號(hào)”與至少一個(gè)部落存在著近親關(guān)系。對(duì)于科學(xué)家們來說，更重要的是基因組證實(shí)了早先基于更古老的人類骨骸上獲取的DNA的發(fā)現(xiàn)，即現(xiàn)今的美洲原住民是那些在至少15 000年前穿越白令陸橋來到美洲的亞洲人的直系后裔。因而，肯納威克人的基因組結(jié)果推翻了現(xiàn)今的美洲原住民源自于后來的移民這種看法，也推翻了最早的美洲人來自于歐洲而不是亞洲這種主張。

這場(chǎng)爭(zhēng)端經(jīng)常被描繪成一場(chǎng)科學(xué)與文化傳統(tǒng)之爭(zhēng)，看起來對(duì)于美洲原住民——他們現(xiàn)在重新開始努力爭(zhēng)取讓那具“遠(yuǎn)古一號(hào)”骷髏回家——來說，也許科學(xué)一直都站在他們那邊。

心理學(xué)的再現(xiàn)性

對(duì)于心理科學(xué)而言，2015年完成了一次轉(zhuǎn)變。就在幾年之前，心理學(xué)領(lǐng)域還陷于丑聞之中。但一群變革者將心理學(xué)變成了科學(xué)再現(xiàn)性的一盞明燈。

心理學(xué)研究的受試對(duì)象數(shù)目往往較小，有著統(tǒng)計(jì)學(xué)上的弱效應(yīng)，虛假的正面結(jié)果也許在心理學(xué)中很普遍，對(duì)此的關(guān)切在2011年甚囂塵上。在丑聞的刺激下，心理學(xué)家們急于在心理學(xué)領(lǐng)域里清理門戶，他們?cè)佻F(xiàn)關(guān)鍵性的研究，還創(chuàng)造出全新的學(xué)術(shù)出版和同行評(píng)審模式，籍此恢復(fù)大眾對(duì)已發(fā)表的心理學(xué)研究成果的信心。

2013年的第一批重復(fù)性研究帶來了讓人欣慰的好消息：在13個(gè)實(shí)驗(yàn)中，有10個(gè)獲得了和原先的研究一樣的結(jié)果。然而，在2014年，一項(xiàng)規(guī)模更大的重復(fù)性研究——全球有差不多100名研究人員參與其中，重復(fù)了27項(xiàng)已發(fā)表的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)——結(jié)果讓人心痛：不僅差不多有三分之一的后續(xù)研究沒能復(fù)制先前的結(jié)果，而且有些最初研究的作者感到自己被不公正地挑選出來。

2015年里，這些重復(fù)研究的人士以大無畏的勇氣，完成了史上最大規(guī)模的重復(fù)性研究。在8月《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)報(bào)告中，270名心理學(xué)家組織重做了三本頂尖學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的100項(xiàng)研究。在不利方面，僅有39%的研究通過考驗(yàn)。但這一次重做研究的過程進(jìn)行得順順利利，心理學(xué)期刊的編輯甚至宣稱，重復(fù)研究的直接發(fā)表應(yīng)該成為常規(guī)做法。

這種創(chuàng)新也許對(duì)其他科學(xué)門類有著極大的影響，然而關(guān)鍵在于重復(fù)性研究的設(shè)計(jì)。研究者遵循一種名叫“事先登記”的程序，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前就發(fā)表了每項(xiàng)研究的方法和基本原理。接著，無論結(jié)果如何，他們都要報(bào)告結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析。那就避免了研究者從數(shù)據(jù)中拼湊出正面結(jié)果，或者對(duì)負(fù)面結(jié)果就不予發(fā)表的做法。假如每個(gè)人都遵循這套做法，虛假的正面結(jié)果也許會(huì)從學(xué)術(shù)期刊中消失。

納萊迪人曝光

隨著來自南非一處洞窟的陌生全新人族物種揭開面紗，人類大家庭在2015年獲得了一個(gè)新成員。洞穴探險(xiǎn)家在南非約翰內(nèi)斯堡西北方向的“新星”（Rising Star）洞窟系統(tǒng)深處發(fā)現(xiàn)了一批化石，這些化石足以讓研究者們寫出許多篇論文。在一支由60名研究者組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的第一篇論文中，他們細(xì)細(xì)描述了至少來自于15名個(gè)體的1 500片化石。

這是在非洲發(fā)現(xiàn)過的最大規(guī)模的人族化石。該團(tuán)隊(duì)提出的看法是，這些化石都屬于同一個(gè)物種，他們將其命名為“納萊迪人”（Homo naledi），采用了當(dāng)?shù)厝魍姓Z中表示“星星”的詞匯。這些化石仍然無法確定年代，因而難以知道當(dāng)我們所屬的人屬在大約兩百萬年前（或者更近）出現(xiàn)時(shí)，納萊迪人是否還存活著。

不管這些化石的年代如何，它們都很重要，因?yàn)樗鼈兘沂境鲆环N全新種類的“人屬”。一份初步的繪圖顯示，納萊迪人的身高相對(duì)較高，有著與現(xiàn)代人類似的雙腳和手腕，后者表明他們像我們一樣直立行走，甚至可能制作過工具。但他們?cè)谄渌矫娣浅Ｔ迹竽X很小，手指長(zhǎng)而彎曲，還有怪異的大拇指，這些都表明納萊迪人像更早期的人族一樣，仍然得要爬上樹木來躲避獵食者。

他們?cè)趺磿?huì)來到不見其他動(dòng)物骨骸的洞窟深處，這點(diǎn)仍然令人困惑。但研究者希望仍然埋藏在洞窟里的其他化石會(huì)提供一些答案。

地球深處的地幔熱柱接受測(cè)試

夏威夷這樣的島鏈的存在，是地球深處攪動(dòng)不安的明證：炎熱的巖石熱柱從地球內(nèi)部滲透上升。當(dāng)構(gòu)造板塊緩慢行進(jìn)到地幔熱柱上方，火山噴發(fā)將大量物質(zhì)噴到板塊上，隨著地質(zhì)年代，島嶼一個(gè)接著一個(gè)地成形。

但是在過去的40多年間，學(xué)界有著一場(chǎng)和地幔熱柱一樣炙熱的大爭(zhēng)論。熱柱是不是延伸將近3 000千米，抵達(dá)地球的巖石地幔的底部？還是說，它們可以由更淺的巖漿庫供給？為了查明真相，研究者使用了地震時(shí)候的地震波——地震波在接觸邊界時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)彎和改變速度——來探測(cè)地幔，就像做CT掃描一樣。但令人氣餒的是，地球深處的圖像一直還是模模糊糊的。

現(xiàn)在地球物理學(xué)家們能向下看得更為清楚。讓人驚訝的是，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了28條地幔熱柱，統(tǒng)統(tǒng)都一直向下延伸至地核。這個(gè)新研究依靠的是一種名叫“全波形層析成像”的密集型計(jì)算機(jī)技術(shù)，能生成有史以來地球內(nèi)部的最高分辨率的圖像。鑒于先前的研究只使用地震最初階段能量爆發(fā)的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在的新研究融入了地震波曲線圖中所有波形曲線的信息。

地幔熱柱有800千米粗，比理論值臃腫了三倍，因此地核冷卻的模型將需要略作重新思考。地球物理學(xué)家們希望新的技術(shù)會(huì)最終揭曉地球內(nèi)部的其他細(xì)節(jié)，包括隱沒在海洋地殼的俯沖帶和推測(cè)中它們?cè)谏畈康蒯５摹澳箞@”中的安息地點(diǎn)。

對(duì)抗埃博拉的疫苗

這場(chǎng)史無前例的研發(fā)藥物和疫苗來抗擊埃博拉傳染病的運(yùn)動(dòng)幾乎沒有產(chǎn)生確切的結(jié)果，令人失望。然而，在2015年出現(xiàn)了一種有可能在未來埃博拉爆發(fā)時(shí)起到關(guān)鍵作用的新疫苗。加拿大公共衛(wèi)生局的科學(xué)家研發(fā)出的一種埃博拉疫苗——已經(jīng)知道這種疫苗在猴子身上奏效，在2014年埃博拉病毒傳染高峰時(shí)，默克制藥公司采納了這種疫苗——在世界衛(wèi)生組織領(lǐng)導(dǎo)的幾內(nèi)亞臨床研究中被證明是相當(dāng)成功的。

這種疫苗是在一種無害的牲畜病毒中嵌入了埃博拉病毒的表面蛋白。因?yàn)樵囼?yàn)是在埃博拉傳染病開始下降趨勢(shì)之后才開始的，疫苗測(cè)試采用了一種極不尋常的環(huán)狀接種策略，讓偵測(cè)到疫苗作用的幾率增加到最大程度。這個(gè)冒險(xiǎn)之舉取得了回報(bào)：2015年7月31日，《柳葉刀》雜志在線發(fā)表的一篇論文表明，默克公司的這種疫苗保護(hù)率在75%到 100%之間。另一項(xiàng)領(lǐng)先的候選疫苗由葛蘭素史克公司開發(fā)，在傳統(tǒng)方案中接受測(cè)試，當(dāng)所有臨床測(cè)試都完畢后，都沒能顯示出效力。

歐洲藥物管理局這樣的管理機(jī)構(gòu)需要獲得更多數(shù)據(jù)，才能給予這種疫苗使用許可。但每隔幾年埃博拉病毒都會(huì)鬧騰上一陣，就算沒有正式的許可，等到下一次埃博拉病毒爆發(fā)時(shí)，大概都會(huì)在試驗(yàn)性基礎(chǔ)上部署使用疫苗。它們有可能幫助避免西非悲劇的再次發(fā)生。

由世界衛(wèi)生組織領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，一種新疫苗能對(duì)抗埃博拉，保護(hù)人類

基因改造酵母釀造出阿片類藥物

2015年里，美國(guó)的生物學(xué)家對(duì)酵母進(jìn)行基因工程改造，從而將糖轉(zhuǎn)化成了阿片類止痛藥的制作原料。這種生物合成的技藝曾經(jīng)是罌粟的獨(dú)家秘技，有可能促成更好的制藥業(yè)——或者從陰暗的角度來看，會(huì)導(dǎo)向家庭釀制的嗎啡和海洛因。

在一項(xiàng)生物工程的壯舉中，研究者改造了酵母菌，讓它能表達(dá)額外的21個(gè)基因。那些基因最初來自于一些不同物種，包括三種罌粟、一種名叫黃連的植物、細(xì)菌，甚至還有一種大鼠。最終成果是一種能把糖分轉(zhuǎn)變成蒂巴因的微生物，蒂巴因通常來自于罌粟，是氫可酮和可待因酮這類人工合成的止痛藥的前體。再增加兩個(gè)基因后，酵母菌也可以生成氫可酮。

這支美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)和其他研究者之前已經(jīng)對(duì)不同的酵母菌菌株進(jìn)行基因工程改造，讓它們執(zhí)行這種復(fù)雜酶促反應(yīng)的前半段或者后半段。在2015年里，他們完成了最后幾步：實(shí)施一種簡(jiǎn)單的化學(xué)變化，來連接前后兩者，把所有基因整合在一種酵母菌菌株里。

這種經(jīng)過基因工程改造的全新酵母菌離高效還有很長(zhǎng)一段距離：生產(chǎn)一劑量的止痛藥大概會(huì)需要幾千升的培養(yǎng)菌。（讓人心安的是，研究者發(fā)現(xiàn)家庭釀酒的裝置制造出的阿片類藥物的量還不足以檢測(cè)出來。）藥物化學(xué)家正在努力提高酵母菌的產(chǎn)量，試圖調(diào)整生化工業(yè)，制造出更安全和更有效的藥物。

約翰·貝爾提出的有50年歷史的量子終極測(cè)試證實(shí)了世界比愛因斯坦想象的更為怪誕

淋巴管：大腦中隱藏的秘密

對(duì)于那些認(rèn)為他們已經(jīng)把身體的系統(tǒng)繪制出來的解剖學(xué)專家們來說，2015年夏天的發(fā)現(xiàn)就像是看見了一片新大陸。一個(gè)出人意料的發(fā)現(xiàn)揭露了淋巴系統(tǒng)——那是身體里一套如蛛網(wǎng)般的管道，幫助人體清除垃圾，運(yùn)送免疫細(xì)胞——延伸至大腦內(nèi)部，而不是像大多數(shù)科學(xué)推測(cè)的那樣在頸部就止步不前。

兩百多年前，一名意大利醫(yī)生保羅·馬斯卡尼提出，大腦和身體其他部位一樣有著相同的淋巴系統(tǒng)。他的主張?jiān)獾酱蠖鄶?shù)人士的無視，但在2015年，研究者探索免疫細(xì)胞在老鼠腦部扮演的角色時(shí)，在大腦外層認(rèn)出了一組令人生疑、組織有序的T淋巴細(xì)胞。附近的管道似乎在指引這些細(xì)胞，生物標(biāo)記表明這些神秘的管道是老鼠淋巴系統(tǒng)的延伸。從那時(shí)起，組織證據(jù)表明，人類大腦也有類似的管道。

腦脊膜是覆蓋大腦的最外層結(jié)構(gòu)，這些隱藏得十分好的淋巴管就藏在腦脊膜褶皺里。它們也許能讓研究者一窺免疫系統(tǒng)和大腦相互作用的奧秘。科學(xué)家曾經(jīng)以為大腦有著自身自給自足的免疫防御，與身體其他部分隔絕。這條實(shí)質(zhì)連接的發(fā)現(xiàn)——或者說是再發(fā)現(xiàn)——可能為探索阿爾茲海默氏癥、多發(fā)性硬化癥、腦膜炎這類神經(jīng)退化性疾病和神經(jīng)炎癥疾病開啟新的途徑。但研究者聲稱，目前他們的首要重心是充分理解新發(fā)現(xiàn)的淋巴管網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)以及功能。

量子怪誕性得以證實(shí)

這也許是量子力學(xué)中最怪異的想法：測(cè)量一個(gè)粒子（譬如光子）的性質(zhì)能立刻決定另一個(gè)粒子的狀態(tài)，即便它在數(shù)光年之外。阿爾伯特·愛因斯坦反對(duì)這類“幽靈般的超距作用”，因?yàn)樗雌饋砗退募俣ā叭魏挝矬w的速度不能超過光速”相沖突。但在2015年，許多研究者都說，荷蘭的物理學(xué)家?guī)缀鹾翢o疑問地證明了這樣的超距影響是實(shí)際存在的。

這種怪異的量子連結(jié)被稱為量子糾纏。當(dāng)粒子糾纏時(shí)，它們的狀態(tài)是完全不確定的，但仍然彼此關(guān)聯(lián)。比如說，可以準(zhǔn)備好這樣一個(gè)電子，如果你測(cè)量它的話，你會(huì)有50%的幾率發(fā)現(xiàn)電子朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，另有50%的幾率發(fā)現(xiàn)電子朝相反的方向旋轉(zhuǎn)。但你可以把兩個(gè)這樣的電子糾纏在一起，這樣假如你測(cè)量第一個(gè)電子的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)它朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，你會(huì)立刻知道另一個(gè)電子已經(jīng)“坍縮”到相反方向的旋轉(zhuǎn)。

愛因斯坦和其他科學(xué)家希望電子這樣的粒子會(huì)最終顯示含有“局域隱變量”，從一開始就各自決定糾纏粒子的狀態(tài)，從而消除對(duì)任何類型的超距影響的需要。1964年，英國(guó)理論家約翰·貝爾意識(shí)到，細(xì)微的統(tǒng)計(jì)測(cè)量能揭示隱變量是否真實(shí)存在。

早期版本的貝爾實(shí)驗(yàn)支持了量子理論，而不是隱變量理論，但技術(shù)上的漏洞給外界留下了懷疑的空間。2015年的這次實(shí)驗(yàn)糾纏了相距1.3公里的兩個(gè)電子，填補(bǔ)了漏洞，宣判了局域隱變量的死刑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)讓太多物理學(xué)家驚訝，但它可以為量子互聯(lián)網(wǎng)這類新奇技術(shù)鋪平道路。

盡管愛因斯坦對(duì)此很恐懼，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并未讓相對(duì)論受到損傷。正如貝爾第一次提出這項(xiàng)測(cè)試時(shí)指出的那樣，盡管“超距作用”即刻發(fā)生，它并不能用來傳輸比光更快的信號(hào)。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：彥隱]