《Nature》杂志评选2015年十大科学事件

从气候变化到基因编辑道德问题,研究人员在今年解决了很多棘手难题,也有了重大发现,包括冥王星上的冰山,量子奇异性证据以及细胞内的分子结构细节。

巴黎之路

1

今年,世界对待气候变化态度开始严肃起来。在巴黎召开的联合国气候大会上,发达和发展中国家首次承诺控制或减少温室气体排放。 今年做出这一承诺的国家有所增加(会议期间已达184个),乐观分析认为,这次会议将成为人类努力阻止全球变暖具有历史意义的转折点。12月12日,大会达里程碑式协议,获得 195 个国家通过。协议要求所有成员国减少碳排放并将全球升温控制在2摄氏度以下。联合国将于 2018 年评估承诺各方进展情况,并从 2020 年开始,每五年重新讨论各国气候承诺。 中国和美国,世界最大碳排放国,也在推动巴黎会议成果。中国宣布将会启动排放总量控制和交易系统。经过多年犹豫不决,奥巴马政府终于采取了标志性行动,否决了将石油从加拿大运至美国冶炼厂的 Keystone XL 输油管道项目。 气候问题甚至引起教皇重视。六月,教皇发布了环境通谕,九月出访美国时也发表演讲警告气候变化带来的危害。教皇出访美国之后,两项美国民调显示此次出访的确有助于人们认识到气候变化问题严重性。 但是,这些国家的承诺很有可能无法将温度控制在仅高出前工业时代全球温度 2 摄氏度的范围内,许多科学家认为,超过这一界限,气候变暖将会破坏生态和经济。如今,全球表面气温已经高于前工业时期全球表面温度 1 摄氏度,2015 年可能会是有记录以来最热的一年。

冥王星及其他

NASA New Horizons飞船传回的壮观照片,可见冥王星丰富地形

NASA New Horizons 飞船传回的壮观照片,可见冥王星丰富的地形

太阳系探索方面,可谓矮行星之年。2015年,冥王星和谷神星的世界——后者位于火星和木星之间的小行星带中心——迎来了人类宇宙飞船的初次探访,也为我们带来许多激动人心的图片。 7月14日, New Horizons 成为第一艘飞越冥王星的宇宙飞船,首度为科学家揭开冥王星的面纱。飞越冥王星时,飞船观察到上面有高耸的冰山和山脊、有高低起伏的平原,还有冰山浮在固态氮冰湖里。冥王星的地质复杂性让行星科学家们惊讶不已,包括首席研究人员 Alan Stern ,造就复杂性的地质活动的动力是什么? 3月,当谷神星引力将 NASA 的 Dawn 探测器纳入轨道后,这颗矮行星也更清晰地出现在我们面前。这个和柏油一样暗黑,水储量丰富的天体有许多神秘之处,包括金字塔般的山体,含盐冰水反射出的亮点以及太阳光经过时环形山口的神秘烟雾云。 欧洲宇航局的 Rosetta 飞船继续围绕彗星 67P/C-G 飞行。2014年11月,Philae 着陆器颠簸着陆后,人们曾一度以为它失踪了,今年六月曾发回消息,接下来的一个月又失去消息,可能永久失去联系了。今年,分析飞船传回数据的研究人员报道说,氧气正从彗星流出,橡皮鸭一样的外形可能是两个更小型彗星低速碰撞的结果。 NASA 的 MAVEN 为我们首次提供了可供推测太阳风如何随着时间推移除去土星大气层进而造成氧气流失的细节。在抵达土星系统11年后,NASA 的 Cassini飞船证实,深藏于卫星土卫二表面下的海洋遍布整个星球——吸引着人类前去探索外星生命的存在。

基因编辑

3

准确、简单易用却又备受争议的基因编辑系统 CRISPR–Cas9。今年4月,据报道,中国科学家使用该技术编辑了不能存活的人类胚胎,引发研究人员和生物伦理学家开始讨论是否应该将这项技术运用到人体上,即使是为了基础研究。今年12月,在华盛顿举行的人类基因编辑国际峰会(International Summit on Human Gene Editing)上,这一争论达到了顶峰,来自 20 多个国家,近 500 位伦理学家、科学家和法律专家共同讨论了这个问题。会议发表声明:工具尚未准备好用于打算受孕的人类胚胎基因组。不过,他们并未要求直接禁止将技术用于基础研究。 过去三年里,CRISPR 已经成为科学家提高动物、农作物、治愈人类疾病的选择工具。10月,研究人员创造一项纪录:迅速编辑了猪胚胎中的62个基因组——这一举动可能会再次引发异种器官移植的讨论。当人们接受异种器官时,基因修补能够降低人类感染猪病毒的风险。人们也能用低成本技术修改狗,山羊以及绵羊的 DNA。


4


CRISPR 也能帮助治疗人类疾病。今年 8 月,谷歌和其他投资人向位于麻省剑桥的基因组编辑创业公司 Editas Medicine 投资 1.2 亿美元。该公司计划于 2017 年在临床试验中使用这项新技术,修改一些视觉受损人士的基因突变。 另外,更加成熟的基因组编辑技术已被临床采用。11月,英国研究人员宣布他们使用了不同系统——叫做 TALENs 的酶——编辑人类免疫系统并将它们植入一岁大的白血病患者体内。12月,加州 Richmond 的 Sangamo Biosciences 科学家们宣布,他们将于 2016 年开始一项人体试验,测试 DNA 剪辑工具锌指核酸酶,用以修改血友病基因缺陷。

疫苗的胜利

这个出生才三周的孩子是几内亚埃博拉病毒爆发后最后病人之一

这个出生才三周的孩子是几内亚埃博拉病毒爆发后最后病人之一

Edward Jenner 一定会为2015年的进步深感骄傲。4月,埃博拉疫苗顺利进入人体试验阶段,根据仍在几内亚进行的临床测试初步分析,暴露在病毒中后不久接种 rVSV-ZEBOV 的患者,疫苗可为其提供近乎 100% 的保护。疫苗包括一种弱化后的活病毒,被改造用来生产埃博拉蛋白质,这也是专家所说的加快研发项目的成果,这样人类就能即时与不断涌现的其他疾病做斗争。 但是,疫苗还是来的太迟,无法对埃博拉病毒的广泛流行产生显著影响,无法挽救西非因此失去生命的 1.1 万人。疾病正在褪去,不过人们惊讶发现利比里亚最近又有回潮迹象;两次表示要摆脱病毒侵扰之后,11月,利比里亚又宣布了三个新病例,一例死亡。 历经近三十年的制造,10月,世界上第一个疟疾疫苗得到全球疫苗咨询组的谨慎采用。 今年4月,研究人员报告说,一项在非洲进行的涉及一万五千多名儿童的临床试验表明,该疫苗的保护率仅为 30%。 委员会建议试用这种叫 RTS,S 的疫苗,在更大范围采用之前,先让一百万孩子试用。 脊髓灰质炎疫苗让人们距离全球根除脊髓灰质炎疾病的目标更进一步:今年,到12月9日为止,记录中只有66例野生脊髓灰质炎病毒病例。 7月,尼日利亚——以及巴基斯坦和阿富汗,这些国家的脊髓灰质炎病毒传播从未中断过——第一次庆祝全国没有一例新增脊髓灰质炎病毒感染,9月,该国敦促世界卫生组织将其从其脊髓灰质炎流行国家的名单上去除。这也为非洲于 2017 年实现无脊髓灰质炎铺平道路。 最后,墨西哥批准了第一个对抗登革热病毒疫苗。疫苗生产商,位于巴黎的 Sanofi 现在希望疫苗能够得到其他拉丁美洲国家和亚洲国家的批准。

量子幽灵

11月,物理学家以会议或论文集的方式庆祝爱因斯坦广义相对论一百周年。不过,8月,爱因斯坦也上了一次头条。物理学家提出了到目前为止最有力的证据证明,两个物体,比如亚原子微粒,会相互链接或纠缠。一个粒子能够影响另一个粒子的状态,尽管相距甚远。研究人员证实相距 1.3 公里的成对电子之间存在强健的「量子纠缠。」 众所周知,爱因斯坦鄙视「幽灵般的超距作用」,因为它似乎打破了宇宙规则,没有什么能比光速还要快。尽管爱因斯坦对此表示疑虑,但是,将来有一天这种方法可被用来打造高度安全的量子网络,免受黑客的攻击。

人为造成的地震

石油天然气开发和其他人类活动,被认为是世界范围内(从瑞士到印度和中国)地震的导火线,但是,科学家们还不了解俄克拉荷马为什么地震这么多。2009 年地震次数上升,今年地震最多。如今,每年 3 级以上地震次数增多,胜过加州。 今年 4 月,官员终于承认能源行业对地震有影响。俄克拉何马州地质调查局宣布,将污水泵入地下深处的石油和天然气井很可能是地震的罪魁祸首:数以千万升液体的泵入转移了断层压力,增加了地震可能性。 作为回应,负责监管石油和天然气勘探的俄克拉何马州公司委员会,减少了地震活跃地区废水处置井的许可数量——这一举动也表明能源工业在国家政治中的地位举足轻重。

评估研究可靠性

2015 年,如何促进科研成果的可复制性已经从笔端转移到了分析和行动上。 许多领域研究人员尝试独立复制发表出来的研究结果,原因很多,有的是因为研究方法介绍不够,有的是因为数据分析出错。 12月,美国可重复性项目(Reproducibility Project):癌症生物学宣布,由于成本和时间的问题,他们已经降低复制对象的规模,从起初的50篇减少到37篇。 今年,量化问题的努力也见成效。4月,另一个可复制化项目小组指出,复制已发表心理学研究成果的尝试中,有2/3失败了。一项富有争议的分析估计,每年有 280 亿美元被用于不可复制的生物医学研究中,不可复制的原因经常是不良文档管理和错误资料。 投资方也做出回应。 英国重要的生物医学研究所,包括 Wellcome Trust,今年也发表一份报告,介绍了如何提高可重复性的战略办法,比如标准化实验步骤。10月,美国国立健康研究院也发表了一份可复制性指南。这些报告和指南都要求资金评审人找出那些可能发生偏斜的试验设计问题,并要求资金申请人介绍将如何验证试剂真实。今年,一些科学协会抵制了国立健康研究院在 2014 年发布的另一份指南,该指南要求作者更加全面地介绍试验情况。 这些协会解释说,这些规则会让论文准备和评审工作负担太重。一些出版社也参与进来:今年,大约有十几本刊物开始要求作者使用特别指引来描述试剂和方法,这也是来源识别倡议( Resource Identification Initiative)的一部分内容。

聚焦性别歧视主义

今年,几个社会事件反映出沙文主义仍在向科研领域渗透,性别歧视主义讨论也日趋公众化。4月,英国 Sussex 大学的进化基因学家 Fiona Ingleby 在推特上披露,PLoS ONE 拒绝了她和一位女性同事合著的论文,在此之前,一位评审人说,添加「一到两位」男性合作者就能提高文章分析质量。期刊随后从评审名单中去除了这位评审人。 六月,当诺奖获得者,生物学家 Tim Hunt 谈及实验室里与女生相处的麻烦时,遭到广泛批评。他说,你爱她们她们也爱你,但是,当你批评她们时,她们就会哭。他是在首尔举行的一场国际科学期刊会议上说这番话的。不过,两天后,他辞去了荣誉教授职位。 十月,美国著名的系外行星猎手 Geoffrey Marcy 被踢爆在 2001 到 2010 期间多次性骚扰研究生,这些指控已通过校方调查被证实。在学校和天文学界的愤怒呼声中,Marcy 辞去加州伯克利职位。这起事件也促使科学界自我反思,有些团体正在起草或重新评估防止会议或其他场合性骚扰的政策。 译者注: 这是刚出来的伯克利校方报告:http://www.nature.com/news/berkeley-releases-report-on-astronomer-sexual-harassment-case-1.19068

分子定格技术

今年,结构生物学家揭示了生物分子机制的细节,,这要感谢一种叫做冷冻电镜( cryo-electron microscopy)的技术。研究人员可以通过快速冻住分子蛋白,确定分子结构,然后用电子显微镜以接近原子的分辨率成像分子结构。过去三年,这项技术已经超过了 X 射线晶体衍射技术,因为它不需要首先进行蛋白结晶,研究人员就能分析更多分子。 今年,生物学家已经使用这项新技术绘制了 100 多个分子结构细节图,包括负责回收受损或不需要的蛋白质的蛋白酶体,以及排序被编码进蛋白质之前剪接信使RNA的剪接体。今年也出现了目前为止最清晰的  cryo-EM 作品——参与糖分解细菌酶的结构图。研究人员也希望能观察到具有医学重要性的分子结构细节。 译者注:冷冻电镜被 Science 杂志评为 2014 十大年度发现之一。国内顶尖科学家,如施一公、颜宁等结构生物学家最近公布的重大科学发现,也是通过冷冻电镜来完成的。比如,被誉为「近 30 年中国在基础生命科学领域对世界科学作出的最大贡献」的研究——今年,著名的《科学》杂志在线发表了清华大学生命科学学院施一公教授研究组的两篇具有里程碑意义的论文,宣布得到了高分辨率的剪接体三维结构和剪接体对前体信使 RNA 执行剪接的基本工作机理,从而将分子生物学的「中心法则」在分子机理的研究上大幅度向前推进。

医疗精准化

1月,美国总统奥巴马宣布精准医疗倡议 

1月,美国总统奥巴马宣布精准医疗倡议

虽然根据单个病人情况定制医疗方案一直是生物医学的目标,但是,美国总统奥巴马也在大力倡导 Precision Medicine Initiative (PMI)。作为 2.15 亿美元医学项目的一部分,明年,NIH 将和合作单位在全国范围内招募 100 万人,搜集他们的基因信息、健康记录甚至电子医疗监测设备中的数据。研究人员将使用这些信息,寻找疾病风险与基因以及环境因素之间的关联。 PMI 也鼓励其他州政府为这项庞大的纵向研究赌上一把。奥巴马演讲后,加州政府宣布了一项 300 万美元倡议计划。中国也有望于明年启动自己的大规模计划,充分利用他们不可小觑的基因排序能力。 今年,冰岛也展示了大量人类基因组排序的潜在用途。3月,位于雷克雅未克的冰岛公司  deCODE Genetics 连续发表了四篇研究论文,分析了 2,600 多个冰岛人的全基因排序——这也是目前单一人群中最大人类基因组集。公司研究了与阿尔茨海默症有关的突变和Y染色体突变率之间的关系。四篇基因测序研究论文:


入门神经科学基因编辑