《科学》公布2017年全球十大科学突破　引力波再拔头筹！

        美国《科学》杂志21日公布了其评选的2017年十大科学突破，人类首次“看到”引力波事件当选头号突破。

 

        “引力波是一个不断产生惊喜的礼物。”《科学》新闻编辑蒂姆·阿彭策勒解释道，“观测到此类剧烈事件的完整图景有望带来天体物理学的变革。正是这一点，令今年的这个观测成为无可争议的2017年头号突破。”

 

引力波

        是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪，宛如石头丢进水里产生的波纹。百年前，爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在，但直到去年年初，科学家才宣布于2015年首次发现引力波，3名美国人因此获得今年的诺贝尔物理学奖。

 

        两年前，科学家只是通过地球上的巨型探测器把信号转化为声音，单一地“听”到由黑洞合并引起的引力波。但今年，他们不仅第一次“听”到两颗中子星碰撞所产生的引力波，还从红外、X射线、紫外和射电波等波段第一次“看”到这一宇宙事件，这标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入“耳聪目明”的新时代。

 

        值得一提的是，《科学》杂志2016年评选的头号突破就是发现引力波。两连冠以及诺贝尔奖，凸显引力波作为观测宇宙的新工具对推动天文学发展的潜在巨大作用。

 

今年其他９项科学突破

 

新种类人猿

 

原子尺度生命

 

生物学预印本兴起

 

精准基因编辑

 

广谱抗癌药

 

最古老冰芯

 

人类起源新发现

 

基因疗法的胜利

 

便携式中微子探测器

 

（十大科学突破简介详见下文）

 

十大科学突破反映三大趋势

 

        每到年底，国际科学界公认的权威刊物美国《科学》杂志都会评选十大科学突破，这不仅是对年度科技大事的年终盘点，从中更能看出近些年来科学界的前沿热点研究方向。

 

        今年的十大突破就反映出21世纪以来科学发展的三大趋势：

        一是大科学工程解决特定大科学问题作用显著；

 

        二是生命科学持续升温，一些重病难病不再是不治之症；

 

        三是预印本网站兴起改变科研成果的传播模式。

 

        在今年十大突破中，有两项来自物理学领域，分别是人类首次“看到”引力波和便携式中微子探测器。

 

        当选为头号突破的“看到”引力波是典型的大科学工程项目，美国在过去几十年为此累计投入11亿美元，今年的论文仅署名作者就有3674人，他们来自全球953个机构。便携式中微子探测器的背后，也有着来自4个国家20多个机构的80余名科学家。

 

        事 实上，没有大科学工程，过去20年里物理学领域的另两大突破也难以实现。2015年获诺奖的中微子振荡发现，依靠的是日本超级神冈探测器和加拿大萨德伯里 中微子观测站。而2013年获诺奖、被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的发现，是欧洲核子研究中心大型强子对撞机的实验成果。

 

        在四项生命科学成果中，除了冷冻电镜技术外，另三项分别是基因疗法、精准基因编辑和广谱抗癌药，多多少少都与基因有着关联，反映出围绕基因做文章是当前一大热点。统计数据表明，全球迄今已开展约2400种基因疗法的临床试验。

 

        在美国，今年一下子有三种基因疗法获得批准，其中两种治疗癌症，一种治疗遗传病。美国食品和药物管理局局长斯科特·戈特利布评价说，基因疗法正处于一个“转折点”，“我相信基因疗法将成为治疗甚至治愈许多重病难病的支柱”。

 

        生物学预印本兴起的入选也许出乎许多人的意料。预印本是指未经同行评审就上传至公共平台供人查阅的论文草稿，其好处是第一时间发表，有助跟同行及时交流，快速获得反馈。

 

        而传统的学术刊物在发表论文前大多要经过同行评议，其好处是文章质量有保证，但审稿过程一般较漫长，需要数月甚至数年时间。

 

        《科 学》杂志说，许多期刊已允许作者把他们提交的论文先以预印本方式发表，还有一些编辑甚至到bioRxiv上寻找可供发表的论文。欧美许多研究资助机构也出 台政策鼓励使用预印本。同时，预印本还能帮助年轻科学家迅速建立学术记录。这些都表明，预印本已带来“科学传播文化的重大变化”。

 

相关链接

 

《科学》10大年度突破公布

华人学者抢眼

 

        每年年底，《科学》杂志都会公布年度“十大科学突破”，这些突破往往预示未来几年的发展方向，今年有哪些令人眼前一亮的科学突破？

 

        除了我们熟知的LIGO、冷冻电镜技术外，基因治疗入选年度突破发现，最近美国FDA批准了基因治疗用于治疗眼疾。

 

        值得一提的是

        《科学》杂志介绍冷冻电镜的年度进展，主要来自国内数个科研小组的工作，如清华大学施一公团队、中科院生物物理所的王艳丽团队等。

 

        另外一个亮点是

        美 国Broard研究所的David Liu的工作。之前我们对该所的华人天才科学家张锋非常熟悉，如今另一位华人学者将被更多人了解。David Liu入选《自然》年度十大科学人物，后在《自然》发表重磅研究，利用基因编辑技术成功修复小鼠的听觉系统。今年《科学》杂志又将他开发的“碱基编辑器” 技术评为年度科学突破之一。2017年可谓是他的Big Year。

 

 

 

2017年“十大科学突破”

 

 

01

双中子星并合（引力波）

        2017 年8月，全世界953个研究机构4156名科研人员，观测并研究了1.3亿光年远的两颗中子星并合及后续事件。值得一提的是，研究者捕捉到该事件的细节， 他们检测到了宇宙中极微小的涟漪，也就是旋转的中子星在并合之前放出的引力波（gravitational waves）。早在27个月前，科学家利用激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到来自两个黑洞并合的宇宙震动，如果上次的研究是吹响了引力波探测的号 角，那么这次则是演奏出了交响乐。中子星并合产 生的引力波比黑洞并合产生的引力波频率更高，持续时间也更长。引力波产生后，研究者还观测到了短时γ射线爆。这次探测也支持了25年前的一个假说：中子星 并合会产生短时γ射线爆。不过这次中子星并合的数据也让人困惑，如产生的短时γ射线爆非常弱，科学家希望未来能看到更多这样的事件，从而有助于对目前数据 的阐释。

 

02

发现新的类人猿

        科学家在印度尼西亚一片濒危的树林中找到了一类属于人科（Hominidae）的动物，命名为Pongo tapanuliensis，其以地区Tapanuli来命名。这个新物种生活在印度尼西亚的苏门答腊岛，通过基因组对比分析发现，该类人猿的祖先几百万 年前就遍布印度尼西亚及其周边海岛，大概在三至四百万年前，北方的苏门答腊与南方的苏门答腊、婆罗洲分离，直到67万年前，南方的苏门答腊和婆罗洲分离 后，形成了如今的Pongo tapanuliensis。但至于什么因素最终导致新物种的形成目前还不清楚。7万年前，这里的火山爆发或许加速了物种之间的生殖隔离。目前，该物种的 生存形势比较严峻，仅有的800多个个体栖息在独立的岛屿森林中，而且这些森林正因非法砍伐而逐渐减少。

 

03

在原子水平观察生命

        冷冻电镜技术（cryo-electron microscopy）在科学领域的声誉不断攀升，这种技术能让科学家在复杂的分子相互作用过程中，构建定格的图像，从而为分子间的互作提供多样的视角。 冷冻电镜使用液态乙烷来快速冻结水中移动的分子，然后研究人员在电镜下观察，并采用计算机程序进行图像分类，再将它们组装成一个完整的结构。今年，这项技 术为研究者观察剪接体如何工作提供一个新的视角；它使得研究者对细胞中重塑细胞膜蛋白质，有了更清晰的认识；帮助研究者对酶修复DNA中的断裂，也有了新 认识；此外它还展示了CRISPR系统是如何捕获和编辑DNA等。

 

04

生物预印快速发展

        以 前生物学家的文章都是同行评议过后再在线发表，但今年生物领域未经评议的文章快速发展起来。四年前，冷泉港实验室创立免费生物预印服务器bioRxiv， 刚开始只有计算生物学的文章，后细胞生物学、神经科学领域的文章也多了。很多研究者也倡导大家去该网站发文章，这样能够加速科学交流过程，给年轻研究员建 立好的学术记录。今年四月，陈-扎克伯格基金会（Chan Zuckerberg Initiative）对bioRxiv公开投资，加速了预印在学术界的发展势头。当然对于bioRxiv来说，未来还有很长的路要走。生物类摘要数据库 PubMed每个月约有10万篇新文章上传，而bioRxiv每个月只有1500篇左右的新文章。生物学家Ronald Vale评论说，“这在交流上是一个重要的文化改变。”

 

05

精准定位的基因编辑

        目 前，超过6万个遗传突变和人类疾病有关，其中3.5万个是由小的错误造成，即基因组中一个特定位点上DNA碱基的变化。今年，研究人员宣布了一项名为碱基 编辑（base editing）的新技术，以此来纠正DNA甚至RNA的这种点突变。这项技术最终有可能会在医疗上应用。Broard研究所的David Liu是这项技术的研究先锋，他修改了CRISPR的编辑工具，创建了一个碱基编辑器，可解开DNA，但不会在目标位置切割DNA，而是用化学方法替换一 个碱基。今年，中国研究人员通过在人类胚胎中更正了一个疾病点突变来证明碱基编辑的力量，虽然修复并不总是成功，但这个壮举证明了碱基编辑有“巨大的潜 力”。

 

06

广谱抗癌药获批

        今年5月，美国FDA批准了Merck的一款广谱抗癌药派姆单抗（KEYTRUDA，pembrolizumab），用于治疗带有微卫星不稳定性高 （MSI-H）或错配修复缺陷（dMMR）的实体瘤患者。这是FDA首次基于生物标志物而不以癌症类型批准的药物。获批之前，Keytruda已被用于黑 色素瘤以及其他肿瘤类型。此举，也体现了FDA在药物审批上非同寻常的一面。对于很多肿瘤患者来说，尽管肿瘤在不同部位发生，但它有时比那些长在同一位置 的肿瘤更为相似，所采取的措施也不尽相同，即所谓“同病异治、异病同治”。早在2015年，来自约翰霍普金斯大学的Luis Diaz就发现了这一现象，当时他用派姆单抗治疗结肠癌患者，令他震惊不已的是，13名患者中有8位错配修复缺陷患者治疗后，肿瘤有所减小，但另外4名患 者无反应。另外一项试验印证了这一结果，无错配修复缺陷的结肠癌患者对派姆单抗治疗无反应，于是研究者发现，携带有这些缺陷往往能够增强免疫系统对肿瘤细 胞的识别，进而对其进行杀伤。

 

07

270万年前的地球气候

        冰封在世界底部的是通往另一段时光的入口：古代地球空气的气泡。今年8月，普林斯顿大学和缅因大学宣布，他们挖掘出了在南极冰封270万年之久的冰块。这次 发掘的冰块比之前的要古老170万年，这也将直接的气候记录向前推到一个对地球历史非常重要的时期。早在2015年，科学家发掘出最古老的冰芯，它形成于 最初的几次冰河世纪期间，那时的冰河世纪每4万年发生一次，而不是像现代每10万年发生一次。为了追寻气候变化产生的线索，研究人员测量了冰芯中的气体。 解释这样的气体记录极具挑战性，前期的分析表明，在冰河期开始之时，二氧化碳的含量保持在百万分之300 (300ppm) 以下——远低于今天的400 ppm。但这个结论与来自那个时代的间接记录存在矛盾，后者显示二氧化碳的比例应该更高。但这一分析结果（浓度为300ppm）验证了气候模型的预测—— 只有这样的低浓度才能使地球进入冰河期的周期循环。

 

08

智人更古老的起源

        一个摩洛哥山洞里被长期忽视的头骨，将智人的化石记录向前推进的更早了，这也为今年的现代人类起源研究提供了原动力。研究人员认为，这块头骨有着令人震惊的 30万年历史，比埃塞俄比亚出土的最早被认可的智人遗骨还要早10万年。这块头骨于1961年由矿工们发现。长期以来，人们认为它是非洲尼安德特人的头 骨，因为它具有尼安德特人以及早期智人的一些原始特征。其中一颗牙齿的放射性测试显示，它的年龄为16万年。然而这块头骨也显示出一些现代人的特征，如脸 是盖在头骨下面而不是向前突出的，这引起了来自德国莱比锡的马克斯普朗克进化人类学研究所Jean- Jacques Hublin的兴趣。他想知道这块头骨是否属于早期智人。他的研究小组认为Jebel Irhoud人是早期智人中的一个大型杂交种群的一部分，后者早在33万到30万年前就在非洲繁衍，并演变成现代人类。这使得我们的非洲根基比以往认为的 更深且更广泛。

 

09

基因治疗的胜利

        一 个小型临床试验的成功，使今年基因治疗得到推动。研究人员报告称，他们通过在脊髓神经元中添加一个缺失的基因，拯救了患有致命的遗传性、神经肌肉疾病婴儿 的生命。如果不进行治疗，婴儿会在2岁左右死亡。此项技术的成功打开了使用基因疗法治疗其他神经退行性疾病的大门。该技术的关键是一种被称为腺病毒 （AAV）的无害病毒，它被广泛应用于将基因转运到靶细胞中。 目前，研究人员在注射携带其他基因的AAV来治疗严重的遗传性脑病。在此之前，为了给这些孩子提供基因治疗，研究人员不得不在他们的颅骨上打孔，即便如 此，也没有什么作用。美国食品药品监督管理局（FDA）将很快批准第一种治疗罕见遗传性疾病导致失明的基因疗法（编者注：目前已经批准）。

 

10

探测最“羞涩”粒子的微型探测器

        今年，物理学家以一种新的方式轰击原子核，发现了最难以捉摸的亚原子粒子 ——中微子。这一项成就实现了一个长达40年的目标，并且不需要使用大量的硬件，而后者往往是探测中微子时必需的。研究人员用了一个和微波炉重量差不多的 便携式探测器，便取得了这项成就。中微子在某些核过程中产生，它与其他物质的相互作用很少，以至于无数中微子束穿过地球。但有时候，中微子会撞击原子核中 的中子，将其变成质子，同时自身变成可检测的粒子，如电子。今年，COHERENT合作团队使用了一个14.6公斤的碘化铯钠晶体的大型晶体探测器，当它 内部的原子反射时，探测器就会闪光。他们把它放置在了田纳西州的橡树岭国家实验室的散裂中子源所产生的中子之中，这些中子的能量足够低，可以产生相干散 射，但也足够高，可以产生出可检测的反冲。也许有一天，这样的小中微子探测器可帮助我们监测核反应堆，如它可确保核反应堆按照核不扩散规则运行，或者它可 帮助我们寻找更难以捉摸的“惰性中微子”。

 

 

【内容来源】锐动源公众号