2015年12月25日(農(nóng)歷2015年11月15日)，《科學(xué)》雜志2015年度十大突破出爐。每年，《科學(xué)》雜志都會評選出一項(xiàng)科學(xué)成就作為“年度十大科學(xué)突破”之首。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)、癌癥免疫療法、第一臺量子機(jī)器、“羅塞塔”登陸彗星都曾奪魁，今年CRISPR基因編輯技術(shù)獨(dú)占鰲首，贏得桂冠。除此以外，矮行星冥王星和“新視野”號、埃博拉疫苗、大腦淋巴系統(tǒng)等研究也在推動著科學(xué)前沿向更深層次邁進(jìn)。一、CRISPR技術(shù)獨(dú)占鰲首(CRISPR技術(shù)幫助科學(xué)家創(chuàng)建各種新遺傳物種)2007年，一家酸奶公司發(fā)現(xiàn)一種細(xì)菌擁有抵抗病毒的未曾預(yù)料到的防御機(jī)制。2012年，科學(xué)家闡明了這種細(xì)菌的作用機(jī)制；2013年，科學(xué)家邁出關(guān)鍵研究的第一步；去年，相關(guān)研究如雨后春筍般大規(guī)模爆發(fā)?，F(xiàn)在，它已經(jīng)被認(rèn)為是分子研究領(lǐng)域的一個(gè)奇跡，不只是科學(xué)界，全世界的目光都被這種叫作“CRISPR”的技術(shù)吸引。作為2015年度十大科學(xué)突破之首的CRISPR技術(shù)，在2012年和2013年就曾兩次進(jìn)入《科學(xué)》年度十大突破榜單。今年它不再屈居其他研究之下，而是通過一系列顯著成果獨(dú)占鰲首。其中有兩項(xiàng)成果備受矚目：一是成功實(shí)現(xiàn)長期以來夢寐以求的通過“基因驅(qū)動”消滅害蟲或是攜帶的疾病的夢想；二是首個(gè)人類胚胎DNA編輯占據(jù)全球輿論頭條。這兩項(xiàng)研究每一項(xiàng)都牽動著科學(xué)政策的制定，尤其是后一項(xiàng)研究直接推動了今年12月美國華盛頓國際人類基因編輯峰會的召開。是什么讓CRISPR顯得與眾不同呢?與鋅指核酸酶以及轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶等蛋白相比，后兩種蛋白也能夠精確改變DNA序列，若干家公司已經(jīng)在用其開發(fā)新臨床療法。但CRISPR技術(shù)相對簡單，且成本低廉得多。猶他大學(xué)鋅指核酸酶領(lǐng)先研究專家DanaCarroll說，它帶來了“基因靶向治療的普遍化時(shí)代”。斯坦福大學(xué)生物倫理學(xué)家HankGreely把CRISPR技術(shù)和第一輛T型福特汽車進(jìn)行對比說，和第一輛汽車相同，它(CRISPR)生產(chǎn)的簡便性、技術(shù)的可靠性以及經(jīng)濟(jì)上的可負(fù)擔(dān)性都將改變社會?！懊總€(gè)分子實(shí)驗(yàn)室都希望進(jìn)行CRISPR研究?！惫鸫髮W(xué)的GeorgeChurch說。二、小世界迎來大年景(“新視野”號傳回的冥王星地表圖)今年可謂是矮行星之年。美國宇航局(NASA)的兩艘空間探測器與兩個(gè)矮行星之間兩次邂逅的畫面在天文學(xué)家眼中徐徐展開。今年3月，“黎明”號探測器進(jìn)入小行星帶中最大的天體——谷神星的軌道。7月，“新視野”號飛掠柯伊伯帶最大的天體之一——冥王星。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，冥王星沿著“一年”248年的橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在極端差異的季節(jié)變化，劇烈溫差導(dǎo)致其表面結(jié)冰后又融冰，從數(shù)十億年前直到現(xiàn)在，這顆矮行星上的造型仍在改變過程中。其固氮表面像鱗片一樣的紋理見證了在稀薄大氣周期性地?cái)U(kuò)張和塌縮時(shí)，物質(zhì)的升華與沉積過程。冰山從平坦的平原上拔地而起，好像漂浮的冰山一樣，在古地質(zhì)作用的推動下，穿過大量不堅(jiān)固的氮冰，雜亂地陳列著。距離太陽更近的谷神星也在各種作用力下成為今天的形狀。這個(gè)像瀝青一樣漆黑的小行星的表面曾發(fā)生過猛烈撞擊。在一些撞擊坑中神秘的亮斑上漂浮著一些塵霧和水氣?！袄杳鳌碧栠€在谷神星的表面礦物中發(fā)現(xiàn)了氨——彗星表面的典型礦物，進(jìn)一步證明谷神星是一顆巨型死亡彗星，曾誕生于距離冥王星較近的太陽系外圍。12月，“黎明”號降低到距離谷神星表面不到380公里的最低也是最終軌道，開始繪制該小行星的地圖。此刻，“新視野”號正在朝著另一個(gè)“約會地點(diǎn)”飛去，以期在2019年與柯伊伯帶一顆叫作2014MU69的小行星相會。此后，“新視野”號將繼續(xù)滑翔，并在數(shù)十年后飛出太陽系。而“黎明”號將繼續(xù)圍繞谷神星運(yùn)轉(zhuǎn)幾百年或者更長時(shí)間。三、肯納威克人爭議定音(肯納威克人古骨骼)自從1996年在華盛頓州肯納威克哥倫比亞河畔被發(fā)現(xiàn)以來，這具被稱為肯納威克人的骨骼一直處于爭議之中。人類學(xué)家就這具距今8500年的骨骼和今天美洲土著居民的關(guān)系產(chǎn)生了分歧。同時(shí)，本土部落認(rèn)為這具骨骼的主人是他們的祖先，要求把骨骼歸還給他們，然后根據(jù)儀式埋葬。2004年，美國政府準(zhǔn)許科學(xué)家研究這具骨骼。今年，當(dāng)古DNA專家對肯納威克人進(jìn)行核基因測序之后，事情發(fā)生了具有諷刺意味的轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明，這具骨骼至少和此前宣稱骨骼屬于他們的5個(gè)土著部落有關(guān)。更重要的是，基因分析還確定了此前根據(jù)更古老的人類遺跡作出的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為今天的美洲土著居民是亞洲人(曾在距今至少1.5萬年前穿過白令陸橋)的直系后代。因此，肯納威克人的基因組對比有力地批駁了今天的美洲土著居民起源于晚期移民以及第一批美洲人來自歐洲而不是亞洲的觀點(diǎn)。由此來看，在一直被描繪成科研與文化傳統(tǒng)難以共融的爭議中，科學(xué)一直以來都站在美洲土著居民的一邊，現(xiàn)在他們可以重新書寫要求，讓古骨骼物歸其主。四、心理學(xué)研究可重復(fù)性惹爭議(心理學(xué)實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性不是賭博)今年是心理學(xué)向邏輯科學(xué)轉(zhuǎn)變的分水嶺。心理學(xué)數(shù)年來一直深陷研究結(jié)果不可重復(fù)的丑聞之中，但是一群改革者正在把它轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)可復(fù)制性的標(biāo)桿。心理學(xué)假陽性結(jié)果普遍存在的情況令人擔(dān)憂，因?yàn)樵擃I(lǐng)域的研究覆蓋的研究對象群體經(jīng)常較小，在數(shù)字統(tǒng)計(jì)方面處于劣勢，問題從2011年開始一直備受爭議。研究結(jié)果不可復(fù)制的丑聞促使心理學(xué)家通過重復(fù)重要研究、建立學(xué)術(shù)出版新模式與同行評議模式等方式厘清該領(lǐng)域，同時(shí)恢復(fù)出版界對心理學(xué)研究的信心。第一批重復(fù)實(shí)驗(yàn)在2013年開始進(jìn)行，并帶來了鼓舞人心的消息：13項(xiàng)研究中有10項(xiàng)研究的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與原始結(jié)果相同。然而，去年對涉及近100名研究人員的27項(xiàng)研究成果的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人沮喪：其中不僅有1/3的研究結(jié)果不可重復(fù)，而且一些原始作者還認(rèn)為挑選他們的研究成果不公平。研究人員沒有灰心，今年他們再次進(jìn)行了最大一批重復(fù)性試驗(yàn)。在今年8月發(fā)表于《科學(xué)》的一篇文章中，270名心理學(xué)家對100篇發(fā)表在三大頂級期刊上的心理學(xué)研究成果進(jìn)行了分析。不利的是，僅有39%通過了測試。但是這一次的分析非常順利，心理學(xué)期刊編輯宣布，發(fā)表實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性的研究應(yīng)該成為常態(tài)。五、納勒迪人重見天日(南非洞穴發(fā)現(xiàn)的新人種化石)2015年，人類大家庭迎來了新的一員，南非洞穴中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新人種。在第一篇系列研究成果中，一個(gè)由60名研究人員組成的國際團(tuán)隊(duì)描述了至少來自15名人類的1500塊骨骼化石，一群洞穴探索者在南非東北部約翰尼斯堡一個(gè)叫作“升星洞”的洞穴中發(fā)現(xiàn)了這些化石。這可謂是在非洲發(fā)現(xiàn)的最大的古人類化石“寶洞”，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它們屬于一個(gè)獨(dú)立的人種，并將其命名為“納勒迪人”，在塞索托語中的意思是“恒星”。目前，這些人種生活的時(shí)代尚未追溯。不管他們生活在哪個(gè)時(shí)代，這些化石都非常重要，因?yàn)樗鼈兘沂玖艘粋€(gè)新人種。初始化圖片顯示，他們像現(xiàn)代人一樣直立行走，而且甚至可以制造工具。但是他們的腦容量較小，手指彎曲且長，大拇指形狀奇怪，這表明和早期人種一樣，為了躲避捕食者，他們?nèi)匀恍枰罉洹Ｈ欢?，他們最終如何到達(dá)這個(gè)沒有其他動物骨骼的洞穴卻是個(gè)謎。研究人員希望，埋藏在洞穴中的其他化石可以進(jìn)一步回答這些問題。六、深層地幔柱研究趨熱(科學(xué)家認(rèn)為地幔柱可能引發(fā)板塊俯沖并開啟全球板塊構(gòu)造運(yùn)動)諸如夏威夷群島等島鏈?zhǔn)前l(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部“不安分”物質(zhì)的線索，即柱狀熔巖流(或稱地幔柱)從內(nèi)部滲透到地表的現(xiàn)象。隨著一個(gè)地殼板塊爬上地幔柱，然后火山爆發(fā)噴出的物質(zhì)噴涌到板塊上，經(jīng)過漫長的地質(zhì)時(shí)期后，一個(gè)個(gè)島嶼逐漸形成。但是40多年來，關(guān)于地幔柱的爭論一直像這股熔巖流一樣炙熱。地幔柱是否會一直延伸3000公里到達(dá)地球的巖石層地幔?還只是儲存在地下較淺層的巖漿庫?為了找到答案，研究人員利用地震波(當(dāng)它們到達(dá)邊界時(shí)會發(fā)生彎曲以及速度變化)，像CT掃描那樣對地幔進(jìn)行了診斷。但是該方法卻難以辨別地球深層的情況?，F(xiàn)在，利用尖端技術(shù)獲取到史無前例的地震記錄細(xì)節(jié)，一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，熔巖柱會一直向下延伸。研究人員發(fā)現(xiàn)了28處地幔柱的證據(jù)，其中大多數(shù)位于火山熱點(diǎn)區(qū)域下方，從地心持續(xù)、垂直地上涌?！叭绻覀兊某上窠Y(jié)果合理，那么我們已經(jīng)解決了爭端。地幔柱確實(shí)存在。”該研究作者、美國加州大學(xué)伯克利分校地球物理學(xué)家BarbaraRomanowicz說。這項(xiàng)實(shí)證研究結(jié)果讓很多科學(xué)家感到驚奇。因?yàn)榈蒯Ｖ膶挾瓤蛇_(dá)600~800公里，是此前預(yù)測模型的3倍多。因此，它們攜帶的地心熱量比此前認(rèn)為的也高得多。而且它們最深處非常筆直，不會在下地幔的巖漿流中徘徊。通過這項(xiàng)研究，科學(xué)家很有可能需要重新思考下地幔的運(yùn)行方式。七、抗擊埃博拉疫苗初獲成功(新疫苗可抵抗埃博拉病毒)史無前例的抵抗埃博拉藥物和疫苗研發(fā)戰(zhàn)役一直吃力不討好，但是2015年這一局勢得到扭轉(zhuǎn)。由加拿大公共衛(wèi)生機(jī)構(gòu)研究的埃博拉疫苗據(jù)說可以在猴子中發(fā)揮作用，并在去年疫情最高峰被默克制藥公司收購，今年在世界衛(wèi)生組織(WHO)帶領(lǐng)的幾內(nèi)亞臨床實(shí)驗(yàn)中獲得成功。臨床試驗(yàn)在埃博拉疫情開始消退時(shí)啟動，對這種疫苗(一種含有埃博拉病毒表面蛋白的無害牲畜病毒)進(jìn)行不尋常的鏈條式疫苗接種策略，使檢測其效果的幾率最大化。最終這場“賭博”終于取得了成功：7月31日在線發(fā)表于《柳葉刀》的一項(xiàng)論文表明，默克公司的疫苗抗病毒成功率達(dá)到75%~100%。另一項(xiàng)由英國制藥公司葛蘭素史克研究的候選疫苗經(jīng)過傳統(tǒng)檢測后，最終沒能發(fā)揮效用。歐洲藥品管理局等單位仍然需要更多數(shù)據(jù)才會批準(zhǔn)這種疫苗。但是每過數(shù)年埃博拉病毒就會卷土重來，即便未經(jīng)正式批準(zhǔn)，該療法在下一次疫情中可能也會用作實(shí)驗(yàn)依據(jù)。它們將有助于阻止西非悲劇再次重演。八、酵母細(xì)胞釀出止痛藥(這種基本的酵母細(xì)胞經(jīng)過編輯后可以生成止痛類阿片藥物)今年，美國生物學(xué)家通過轉(zhuǎn)基因酵母，把糖轉(zhuǎn)化到阿片類止痛藥的研發(fā)中。通常在罌粟麻醉劑中使用的這種獨(dú)特的生物合成方法，可能帶來更好的藥物，抑或是帶來更加隱秘的自制嗎啡和海洛因。通過一種精心設(shè)計(jì)的生物工程技術(shù)，研究人員改變了酵母菌的基因，使其增加了21個(gè)基因。這些基因來自于大量物種，包括3種罌粟、黃連、細(xì)菌，乃至大鼠基因。最終的產(chǎn)物是一種可以把糖轉(zhuǎn)化到合成蒂巴因(通常提取自罌粟花，是諸如氫可酮和羥考酮等醫(yī)用阿片類藥物的前體)中的生物。在添加兩種基因后，酵母菌也可以制作氫可酮。美國團(tuán)隊(duì)和其他團(tuán)隊(duì)此前曾編輯過不同的酵母菌株，使其攜帶這種復(fù)雜通路的第一或第二段。今年，他們完成了最終的步驟：通過一個(gè)單獨(dú)的化學(xué)轉(zhuǎn)化連接兩段通路，使所有基因在一個(gè)酵母菌株中共存。然而，這種新的基因工程酵母菌并非完美無缺，制作一個(gè)劑量的止痛藥，可能需要成千上萬升轉(zhuǎn)基因酵母。現(xiàn)在，藥物化學(xué)家正在努力增加這種酵母菌的產(chǎn)量，同時(shí)扭轉(zhuǎn)它們的生物與化學(xué)特性，使其生產(chǎn)出更加安全、有效的藥物。九、大腦淋巴管秘密揭開(大腦淋巴管的發(fā)現(xiàn)將打開神經(jīng)性疾病研究新窗口)對于認(rèn)為已經(jīng)繪制出人體系統(tǒng)的解剖學(xué)家來說，今年夏季的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)無疑像是發(fā)現(xiàn)了“新大陸”。一項(xiàng)出人意料的研究發(fā)現(xiàn)，淋巴系統(tǒng)——幫助清除體內(nèi)廢棄物以及運(yùn)輸免疫細(xì)胞的管道網(wǎng)絡(luò)——一直延伸到大腦，而不是科學(xué)家一直以來認(rèn)為的僅僅延伸到頸部。兩個(gè)多世紀(jì)以前，意大利物理學(xué)家PaoloMascagni提出，大腦像人體其他部位一樣也存在淋巴管道，今年，研究人員在探索小鼠大腦中免疫細(xì)胞的作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)了大腦外皮層中組織精妙的T細(xì)胞。而附近的管道看起來像是在支配這些細(xì)胞，生物標(biāo)記表明這些神秘的管道正是小鼠淋巴系統(tǒng)的延伸。此后，研究表明人類大腦中也有著類似的管道。這些秘密管道藏在大腦最外層的腦膜中，可能有助于提供免疫系統(tǒng)和大腦如何互動的新見解?？茖W(xué)愛認(rèn)為，大腦具有其自身的、與身體其他部位隔離的免疫系統(tǒng)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將有助于打開研究諸如阿爾茨海默氏癥、多發(fā)性硬化和腦膜炎等神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)炎癥的新窗口。但是現(xiàn)在，研究人員表示，他們優(yōu)先考慮的是這些大腦淋巴系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和功能。十、量子詭異性(《星際穿越》中描繪的黑洞可能通過蟲洞連接，其中可能存在量子起源)在量子論中有一個(gè)非常奇怪的觀點(diǎn)：通過測量一個(gè)量子粒子比如質(zhì)子的特點(diǎn)，就能夠迅速得知另一個(gè)量子粒子的狀態(tài)，無論這顆配對子的距離有多遠(yuǎn)，即便它在數(shù)光年距離之外，或者哪怕它在銀河系的另一邊。這種觀點(diǎn)就是量子的“糾纏態(tài)”，愛因斯坦由衷地對糾纏態(tài)感到痛恨，因?yàn)檫@似乎與他提出的沒有任何物質(zhì)比光傳播得更快的觀點(diǎn)相沖突，因此就有了他所說的著名的“幽靈般的超距離作用”。今年，很多研究人員表示，德國物理學(xué)家證明了這種詭異的遠(yuǎn)距離影響的確存在。當(dāng)粒子處于糾纏態(tài)時(shí)，它們的狀態(tài)完全不能確定，但是一對粒子之間卻彼此關(guān)聯(lián)。例如，在測量一個(gè)電子的時(shí)候，你有50%的幾率發(fā)現(xiàn)它在朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，還有50%的機(jī)會發(fā)現(xiàn)它在朝相反方向旋轉(zhuǎn)。你可以讓這兩個(gè)電子發(fā)生糾纏，當(dāng)你測量其中一個(gè)時(shí)發(fā)現(xiàn)它朝著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而另一顆質(zhì)子就會朝著反方向旋轉(zhuǎn)。愛因斯坦和其他人希望，類似電子的粒子能夠隱藏從一開始決定每個(gè)糾纏粒子狀態(tài)的“局部隱藏變量”，消除任何一種遠(yuǎn)距離影響。1964年，英國理論物理學(xué)家約翰·貝爾意識到，細(xì)微的數(shù)字測量能夠揭示隱藏變量是否在起作用。其早期研究與量子理論相符合，并與隱藏變量相矛盾，但是技術(shù)漏洞卻留下了質(zhì)疑的空間。今年的實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了此前的漏洞，否定了愛因斯坦的隱變量理論，證實(shí)相距1.3公里的電子存在量子糾纏。這項(xiàng)研究或許沒有讓物理學(xué)家感到吃驚，但是卻為未來諸如量子互聯(lián)網(wǎng)等更加前沿的技術(shù)鋪平了道路。