来源:科学网微信 发布时间:2018/12/21 14:01:43
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《科学》盘点2018十大突破、3大崩坏事件

 

当地时间12月20日,美国《科学》杂志发布2018年度十大科学突破。

其中,在单细胞水平上追踪生物体发育被列为十大突破之首,理由是相关技术“将改变未来10年的研究”。

此外,今年《科学》还列出了3大科学“崩坏”事件,“基因编辑婴儿,道德红线在哪?”入选。

1. 单细胞水平追踪生物体发育

处于发育早期的斑马鱼胚胎。荧光标记突出了表达帮助决定细胞将变成何种类型的基因的细胞。

图片来源:JEFFREY FARRELL, SCHIER LAB/HARVARD UNIVERSITY

至少从希波克拉底时代开始,生物学家便对单个细胞如何发育成拥有多个器官和数十亿细胞的成年动物之谜感到震惊。

古希腊医生猜测,母亲呼出的湿气帮助塑造了正在生长的婴儿。

但现在,我们知道,是DNA最终精心安排了细胞增殖和分化的过程。

如今,正如乐谱会显示弦乐器、铜管乐器、打击乐器和木管乐器何时插入以创建交响乐一样,3种技术的组合正在揭示单个细胞中的基因何时启动,从而暗示细胞发挥其专门的作用。

由此,科学家能以惊人的细节——按照逐个细胞并随着时间推移,追踪生物体和器官的发育。

《科学》杂志将这些技术的组合及其在推动基础研究和医学进化方面的潜力列为2018年度十大突破之首。

驱动这些进展的技术将上千个完整细胞从活体生物中分离出来,对每个细胞中被表达的遗传物质进行高效测序,然后用计算机或者对细胞进行标记,重建它们的时间和空间联系。

德国柏林马克斯—德尔布吕克系统生物学家Nikolaus Rajewsky认为,这3项技术“将改变未来十年的研究”。

相关论文信息:

Science, Vol. 360, p. 367, 27 April 2018

Science, Vol. 360, p. 967, 1 June 2018

Nature Reviews Molecular Cell Biology, Vol. 19, p. 399, 17 April 2018

Nature Biotechnology, Vol. 36, p. 442, 28 March 2018

Nature Biotechnology, Vol. 36, p. 469, 9 April 2018

2. 来自遥远星系的信使

埋在南极下面冰块中的探测器插图。它记录了中微子触发的罕见闪光。

图片来源:JAMIE YANG AND SAVANNAH GUTHRIE. ICECUBE/NSF

来自遥远宇宙的几种信使正在加入望远镜收集的光子行列,并且揭示光无法展示的东西。

所谓的多信使天体物理学从被称为宇宙射线和引力波的高速粒子起步。

引力波是一种时空涟漪,在2015年被探测到。《科学》杂志将其列为2016年度十大突破之首。

今年,另一种信使加入这场“聚会”:中微子。这是一种几乎没有质量的微小粒子,很难被探测到。

捕捉这种银河系外的“幻影”需要南极深处1立方千米的冰,辅以光探测器来记录中微子在极其罕见情形下触发的微弱闪光。

这个名为“冰立方”的巨大探测器此前记录了很多中微子,其中一些来自银河系外。但科学家无法确定它们的特定宇宙来源。

2017年9月22日,一个中微子同冰块中的原子核相撞,而光探测器搞清楚了它来自哪个方向。

几天后,向其他望远镜发出的警报产生了相同结果。

正如研究人员在今年7月所报告的,美国宇航局费米伽玛射线太空望远镜发现了一个被称为耀变体的极其明亮的来源。而上述中微子似乎恰好来自这里。

耀变体是以超大质量黑洞为中心的银河系的核心。其引力为围绕它的气体加热,导致物质发出明亮的光并且将粒子流从大漩涡中喷出。

相关论文信息:

Science, Vol. 361, p. 147, 13 July 2018

Science, Vol. 361, p. 147, 13 July 2018

3. 几分钟确定分子结构

如今,科学家可利用微米大小的晶体(黑色)确定分子结构。

图片来源:GONEN LAB

今年10月,两个研究团队同时发表论文,揭示了一种仅在几分钟内便可确定小型有机化合物分子结构的方法。

传统方法则需要几天、数周,甚至好几个月。

几十年来,分子定位的黄金标准是一项被称为X射线结晶学的技术。

其涉及向含有上百万个分子拷贝的晶体发射X射线,其中这些拷贝按共同的方向排列。

随后,研究人员追踪X射线从晶体上弹回的方式,以确定单独的原子并为其分配在分子中的位置。

结构对于理解生物分子如何表现以及药物如何与其相互作用极其重要。

但该技术需要生长大小和一粒沙子相当的晶体。对于一些物质来说,这是一个很大的障碍。

近年来,研究人员通过用电子束代替X射线,改进了衍射技术。

电子束瞄向通常是蛋白质的片状二维目标生物分子。

但在很多情形下,这些片状物会叠在一起。

产生的三维晶体对于普通电子衍射来说无法发挥作用,对于X射线衍射来说又太小了。

两个研究团队(一个来自美国、一个来自德国和瑞士)发现,他们能利用这种意外产生的晶体。

他们向处于旋转阶段的微小三维晶体发射电子束,并且追踪衍射模式如何随着每次轻微的转弯而发生改变。

该技术可在几分钟内产生分子结构,而其需要的晶体只有X射线研究所需大小的十亿分之一。

相关论文信息:

Science, Vol. 362, p. 389, 26 October 2018

4. 冰河时代撞击

小行星碎片落向格陵兰岛的计算机可视化图像

图片来源:NASA SCIENTIFIC VISUALIZATION STUDIO

小行星像一连串原子弹猛烈撞击格陵兰岛西北部,立即将岩石蒸发并且向整个北极发送冲击波。

“疤痕”就此留下—— 一个被称为Hiawatha的31公里宽的撞击坑。它大到足以容纳美国华盛顿特区。

在机载雷达揭示了这个潜伏在数千米厚冰盖下面的撞击坑后,科学家在11月报告了这个惊人的发现。

Hiawatha是地球上25个最大的撞击坑之一。

尽管Hiawatha撞击事件不像杀死恐龙的希克苏鲁伯撞击一样具有毁灭性,但它对全球气候产生了重要影响。

来自此次撞击事件的融水涌入大西洋北部,并通过阻止将暖流带向欧洲西北部的洋流输送带,使温度骤降。

雷达图像显示,Hiawatha的年代并不久远,可追溯至10万年前。

撞击坑冰层深处的扰动表明,小行星可能在1.3年前撞击了此处。这将此次撞击同新仙女木期联系起来。

新仙女木期是持续了1000年的的全球变冷事件,其发生时恰逢地球从最后一个冰河期走出来开始解冻。

此次撞击事件还证明,颇具争议的新仙女木期撞击理论的支持者是正确的。

他们认为,外星撞击导致了考古和地质记录中的大混乱痕迹,但从未将其指向某个撞击坑。

相关论文信息:

Science Advances, Vol. 4, 14 November 2018

5. #MeTo带来大不同

科学界的性骚扰被低估并且在很大程度上遭到无视,直到最近。今年出现了变化的迹象。

图片来源:DARIA KIRPACH/@SALZMANART

6月,美国国家科学、工程和医学院发布了一份关于科学、工程和医学界女性性骚扰的里程碑式报告。

该报告或是一个转折点。

它基于来自两个大型高校系统的最新数据提出,依据职业生涯所处阶段和领域不同,超过50%的女性教职员工和20%~50%的学生忍受了性骚扰。其中包括最常见的形式:语言和非语言上的性别歧视敌意。

今年,若干机构已经采取了行动。

一些机构受新闻曝光或者受骚扰学生和员工提起的正式诉讼的推动,在调查证实了对不当行为的指控后,解雇了知名科学家或迫使其离开。

其他机构则宣布了政策上的变动。

9月,美国国家科学基金会(NSF)主任France Córdova表示,自此开始,在基金受助人接受性骚扰调查或者被发现犯有性骚扰罪期间,高校必须向资助者说明此人何时被暂停工作。

同时,受调查者要接受来自NSF的“有针对性的严重后果”。

为学术界无法保护性骚扰受害者感到惋惜的Córdova表示:“这种忽视必须终结。”同月,美国科学促进会(AAAS)采纳了一项政策,即经证实是性骚扰者的AAAS会员将被取消这一终身荣誉。

6. 古人“混血儿”

在俄罗斯丹尼索瓦谷的洞穴中发现的骨碎片。

图片来源:THOMAS HIGHAM

一块来自生活在5万多年前女性的骨头碎片揭示了两种已经灭绝的古人类之间“惊人”的联系。

2012年,研究人员从在西伯利亚一个洞穴中发现的这块骨头中提取出古代DNA。

分析结果显示,“她”的母亲是尼安德特人,父亲是丹尼索瓦人。

此前,研究人员知道,尼安德特人、丹尼索瓦人和现代人类至少偶尔会在冰河时代的欧洲和亚洲进行杂交。

这一最新发现是尼安德特人和丹尼索瓦人之间相遇的亲密见证。

此外,研究人员指出,这名女性尼安德特人的基因更接近于在克罗地亚发现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。

这表明不同的尼安德特人群体曾多次在西欧和西伯利亚之间迁徙。

显然,在这一过程中,他们将自己的基因自由地传播给了外界。

为何丹尼索瓦人和尼安德特人的基因仍然不同?

地理上的障碍可能起了一定作用,但研究人员需要从不同地点获得更多的古代DNA,才能了解这些史前“配偶”的真正影响。

目前,研究人员仍在对丹尼索瓦洞穴中发掘的材料进行研究。

该研究负责人、古遗传学家Viviane Slon表示,会继续开展从洞穴沉积物中提取古人类DNA的工作,并希望从古基因组的探索中获得各式各样的独特见解。

相关论文信息:

Nature, Vol. 561, p. 113, 22 August 2018

7. 法医系谱学时代到来

Joseph James DeAngelo

图片来源:PAUL KITAGAKI JR

4月,美国警方宣布逮捕了金州杀人案嫌疑人。

该案件是史上最扑朔迷离的悬案之一:上世纪七八十年代在加利福尼亚州发生了一系列强奸和谋杀事件。

而破案使用的方式也十分“特殊”:警方利用犯罪现场回收的DNA,通过公共家谱 DNA 数据库锁定了金州杀手的亲属。

此后,警方利用这一策略破解了 20 余起其他悬案,并开辟了一个新的领域:法医系谱学。

像Ancestry和23andMe这样的私人DNA网站包含了数以百万计的个人资料。

这些资料可用来从共享的DNA片段中找到一个人的亲属,但是警方需要法庭命令才能使用这些数据。

在金州杀人案中,当局使用了一个公共的、简洁的在线 DNA 数据库:GEDMatch。

它由得克萨斯州和佛罗里达州的两个业余系谱学家运行,任何人都可以提交DNA测试结果。

调查人员将犯罪现场的 DNA 图谱上传到数据库后,找到了嫌疑人的几个远房亲属。

于是,他们与一位系谱学家合作,利用公共记录建造大型家庭树,最终将证据指向了73岁的Joseph James DeAngelo。

他的年龄和位置与部分罪行相匹配,并且测序显示犯罪现场 DNA 与DeAngelo的DNA相匹配。

遗传学家表示,一旦数据库拥有300万个用户资料,即使有些人从未测过DNA,也可用类似的方法找到超过90%的白人。

8. 基因沉默药物获批

短RNA分子附着在信使RNA(蓝色)上,阻止蛋白质翻译。

图片来源:VAL ALTOUNIAN/SCIENCE

2018年,一种基于RNA干扰技术让基因沉默机制的药物,获得了美国食品药品监督管理局的批准。

这个漫长等待的最终结果可能预示着一种靶向致病基因的新型药物的诞生。

早在20多年前,两名美国遗传学家发现,短RNA分子可附着在信使RNA上,从而破坏基因的翻译。

这一进展为他们赢得了诺贝尔奖,但将其转化为药物的努力很快遇到了障碍。

科学家努力使这些脆弱的RNA分子保持完整,并将其导向正确的组织,但结果不尽人意。

直到2008年,马萨诸塞州剑桥市奥尼兰姆制药公司提出了解决方案:一种脂质纳米颗粒,可保护基因沉默的RNA 并将其运送至肝脏。

在那里,他们希望它可通过阻止蛋白质折叠错误的产生,治疗一种被称为遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性的罕见疾病。

该公司推出静脉注射药物 Onpattro。

该药物在2018年获得美国和欧盟监管机构的批准,并以每年45万美元的定价进入市场。

贝斯以色列女执事医疗中心发育生物学家Frank Slack说,这项批准以及2016年另一种基于RNA的药物的批准,为该领域注入了活力,但让RNA在包括心脏在内的某些组织中积累将是一个挑战,奥尼兰姆的成功“刚刚打开了洪水之门”。

相关论文信息:

Nature, Vol. 560, p. 291, 10 August 2018

9. 原始世界的“分子窗口”

“迪金森尼亚”化石

图片来源:D. GRAZHDANKIN

今年,科学家从生活在5亿多年前的生物身上发现了分子痕迹,从而对这个神秘世界的认识更加清晰。

9月,来自澳大利亚国立大学的研究人员在埃迪卡拉纪(距今6.35亿至5.41亿年)的水母化石中找到了胆固醇样分子的痕迹。

这种被称为“迪金森尼亚”的椭圆形生物长1.4米,全身有肋骨状结构,属于埃迪卡拉生物群。

这类生物比5.4亿年前“寒武纪大爆发”中出现的大量动物早了近2000万年。

研究证明,当时的动物群大而丰富,并且比此前估计的还要早。

此前假说认为,节肢动物在5.4亿年前的寒武纪“突然”出现。

但也有研究者猜测,节肢动物在寒武纪之前应该已经开始缓慢进化,只是因为那个时期的化石难以保存,才没有找到确切证据。

“迪金森尼亚”化石是一把钥匙,有助于理解以细菌为主的世界如何演化到“寒武纪大爆发”后的大型动物世界。

10月,另一研究团队在来自6.6亿到6.35亿年前的岩石中发现了一种现今只有海绵制造的分子,这表明海绵这种形式的动物可能比已有最古老的可识别化石早进化了一亿年。

相关论文信息:

Nature Ecology & Evolution, Vol. 2, p. 437, 22 January 2018

Science, Vol. 361, p. 1246, 21 September 2018

Nature Ecology & Evolution, Vol. 2, p. 1709, 15 October 2018

10. 细胞如何自我管理

蛋白质能分离或浓缩成离散的液滴。

图片来源:E.M. LANGDON ET AL., SCIENCE2018

细胞内的各组分是如何协调的,以至于能在正确的时间和地点行使功能?

生物学家逐渐意识到,这个问题的关键是液滴。

但他们直到最近才发现,液滴在细胞中无处不在,组织(有时甚至搞乱)细胞工作。

成千上万的蛋白质和其他分子聚集在细胞质中。

它们经常相互碰撞,并执行生命任务:从分解营养物质到释放能量,再到回收废物。

从2009年开始,研究人员发现许多蛋白质能形成离散的液滴,特别是当细胞对压力作出反应时。

2017年发表在《自然》上的两篇论文显示,细胞核中的液状蛋白滴有助于缩小基因组的某些区域,从而抑制其中的基因。

2018年,《科学》的3篇论文指出了这种液相分离的更大作用。

研究人员称,驱动遗传密码从DNA转移到RNA的蛋白质,可凝结成附着在DNA上的液滴。

虽然细节还有待研究,但它们揭示了相分离在生命的一个基本奥秘——基因的选择性表达——中的作用。

生物物理学家正在研究这些液滴是如何形成的。

当这个过程出错时,原本应该是液体的东西会变成凝胶,凝胶会凝固,形成肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病中出现的各种聚集体。

相关论文信息:

Nature, Vol. 547, p. 168, 13 July 2017

Science, Vol. 361, p. 329, 27 July 2018

Science, Vol. 360, p. 859, 25 May 2018

Cell, Vol. 173, p. 549, 19 April 2018

另外,科学圈从来不只有好消息。2018年,3大科学“崩坏”事件也随之出炉。

1.气候在变暖,政府“不知道”

9月12日,4个热带气旋活跃在大西洋。这是自2008年起4场被命名的风暴首次亮相。

图片来源:NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION

全球减排形势严峻,但一些国家仍选择忽视气候变化正在发生的科学证据。

在波兰卡托维兹气候大会期间,由于美国等少数几个国家反对,各方没能发表对政府间气候变化专门委员会特别报告表示欢迎的声明。

2.基因编辑婴儿 ,道德红线在哪?

体外授精是基因编辑的第一步。

图片来源:MEDICALRF/SCIENCE SOURCE

今年11月,中国科学家贺建奎宣称利用基因编辑技术让一对夫妇生出能抵抗HIV病毒的双胞胎女婴。

事件一经公布,引起学界和社会广泛关注,特别是引发了法律和伦理方面的争议。

中国国家卫生健康委员会、科学技术部、中国科学技术协会等三部门表示:此次事件性质极其恶劣,已要求有关单位暂停相关人员的科研活动,对违法违规行为坚决予以查处。

3.博物馆起火,研究者“滴血”

火灾之后的巴西国家博物馆

图片来源:MAURO PIMENTEL/AFP/GETTY IMAGES

在面临缺少资金、遭到当局忽视的多年后,有着200年历史的巴西自然博物馆在今年9月焚毁,成为很多研究者“心里永远的痛”。

巴西国家博物馆建于1818年6月,收藏了大量的考古和自然历史藏品。

多年来,科学家一直警告说,这座历史悠久的宫殿的状况正在恶化,而且容易失火,但博物馆一直缺乏资金进行必要的调整。

9月2日,一场大火吞噬了博物馆,完全烧毁了其内部,只留下了外墙。

原文链接:

https://vis.sciencemag.org/breakthrough2018/finalists/#human-hybrid

 
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