作品來源：《知識分子》

每年年底，《科學(xué)》雜志都會公布年度“十大科學(xué)突破”，這些突破往往預(yù)示未來幾年的發(fā)展方向，今年有哪些令人眼前一亮的科學(xué)突破？

除了我們熟知的LIGO、冷凍電鏡技術(shù)外，基因治療入選年度突破發(fā)現(xiàn)，最近美國FDA批準了基因治療用于治療眼疾。值得一提的是，《科學(xué)》雜志介紹冷凍電鏡的年度進展，主要來自國內(nèi)數(shù)個科研小組的工作，如清華大學(xué)施一公團隊、中科院生物物理所的王艷麗團隊等。

另外一個亮點是，美國Broard研究所的David Liu的工作。之前我們對該所的華人天才科學(xué)家張鋒非常熟悉，如今另一位華人學(xué)者將被更多人了解。四日前，David Liu入選《自然》年度十大科學(xué)人物，后在《自然》發(fā)表重磅研究，利用基因編輯技術(shù)成功修復(fù)小鼠的聽覺系統(tǒng)。今年《科學(xué)》雜志又將他開發(fā)的“堿基編輯器”技術(shù)評為年度科學(xué)突破之一。2017年可謂是他的Big Year。

1雙中子星合并

2017年8月，全世界953個研究機構(gòu)4156名科研人員，觀測并研究了1.3億光年遠的兩顆中子星并合及后續(xù)事件。值得一提的是，研究者捕捉到該事件的細節(jié)，他們檢測到了宇宙中極微小的漣漪，也就是旋轉(zhuǎn)的中子星在并合之前放出的引力波（gravitational waves）。早在27個月前，科學(xué)家利用激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）探測到來自兩個黑洞并合的宇宙震動，如果上次的研究是吹響了引力波探測的號角，那么這次則是演奏出了交響樂。中子星并合產(chǎn)生的引力波比黑洞并合產(chǎn)生的引力波頻率更高，持續(xù)時間也更長。引力波產(chǎn)生后，研究者還觀測到了短時 射線爆。這次探測也支持了25年前的一個假說：中子星并合會產(chǎn)生短時 射線爆。不過這次中子星并合的數(shù)據(jù)也讓人困惑，如產(chǎn)生的短時 射線爆非常弱，科學(xué)家希望未來能看到更多這樣的事件，從而有助于對目前數(shù)據(jù)的闡釋。

2發(fā)現(xiàn)新的類人猿

最近，科學(xué)家在印度尼西亞一片瀕危的樹林中找到了一類屬于人科（Hominidae）的動物，命名為Pongo tapanuliensis，其以地區(qū)Tapanuli來命名。這個新物種生活在印度尼西亞的蘇門答臘島，通過基因組對比分析發(fā)現(xiàn)，該類人猿的祖先幾百萬年前就遍布印度尼西亞及其周邊海島，大概在三至四百萬年前，北方的蘇門答臘與南方的蘇門答臘、婆羅洲分離，直到67萬年前，南方的蘇門答臘和婆羅洲分離后，形成了如今的Pongo tapanuliensis。但至于什么因素最終導(dǎo)致新物種的形成目前還不清楚。7萬年前，這里的火山爆發(fā)或許加速了物種之間的生殖隔離。目前，該物種的生存形勢比較嚴峻，僅有的800多個個體棲息在獨立的島嶼森林中，而且這些森林正因非法砍伐而逐漸減少。

3在原子水平觀察生命

冷凍電鏡技術(shù)（cryo-electron microscopy）在科學(xué)領(lǐng)域的聲譽不斷攀升，這種技術(shù)能讓科學(xué)家在復(fù)雜的分子相互作用過程中，構(gòu)建定格的圖像，從而為分子間的互作提供多樣的視角。冷凍電鏡使用液態(tài)乙烷來快速凍結(jié)水中移動的分子，然后研究人員在電鏡下觀察，并采用計算機程序進行圖像分類，再將它們組裝成一個完整的結(jié)構(gòu)。今年，這項技術(shù)為研究者觀察剪接體如何工作提供一個新的視角；它使得研究者對細胞中重塑細胞膜蛋白質(zhì)，有了更清晰的認識；幫助研究者對酶修復(fù)DNA中的斷裂，也有了新認識；此外它還展示了CRISPR系統(tǒng)是如何捕獲和編輯DNA等。

4生物預(yù)印快速發(fā)展

以前生物學(xué)家的文章都是同行評議過后再在線發(fā)表，但今年生物領(lǐng)域未經(jīng)評議的文章快速發(fā)展起來。四年前，冷泉港實驗室創(chuàng)立免費生物預(yù)印服務(wù)器bioRxiv，剛開始只有計算生物學(xué)的文章，后細胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的文章也多了。很多研究者也倡導(dǎo)大家去該網(wǎng)站發(fā)文章，這樣能夠加速科學(xué)交流過程，給年輕研究員建立好的學(xué)術(shù)記錄。今年四月，陳-扎克伯格基金會（Chan Zuckerberg Initiative）對bioRxiv公開投資，加速了預(yù)印在學(xué)術(shù)界的發(fā)展勢頭。當然對于bioRxiv來說，未來還有很長的路要走。生物類摘要數(shù)據(jù)庫PubMed每個月約有10萬篇新文章上傳，而bioRxiv每個月只有1500篇左右的新文章。生物學(xué)家Ronald Vale評論說，“這在交流上是一個重要的文化改變。”

5精準定位的基因編輯

目前，超過6萬個遺傳突變和人類疾病有關(guān)，其中3.5萬個是由小的錯誤造成，即基因組中一個特定位點上DNA堿基的變化。今年，研究人員宣布了一項名為堿基編輯（base editing）的新技術(shù)，以此來糾正DNA甚至RNA的這種點突變。這項技術(shù)最終有可能會在醫(yī)療上應(yīng)用。Broard研究所的David Liu是這項技術(shù)的研究先鋒，他修改了CRISPR的編輯工具，創(chuàng)建了一個堿基編輯器，可解開DNA，但不會在目標位置切割DNA，而是用化學(xué)方法替換一個堿基。今年，中國研究人員通過在人類胚胎中更正了一個疾病點突變來證明堿基編輯的力量，雖然修復(fù)并不總是成功，但這個壯舉證明了堿基編輯有“巨大的潛力”。

6廣譜抗癌藥獲批

今年5月，美國FDA批準了Merck的一款廣譜抗癌藥派姆單抗（KEYTRUDA，pembrolizumab），用于治療帶有微衛(wèi)星不穩(wěn)定性高（MSI-H）或錯配修復(fù)缺陷（dMMR）的實體瘤患者。這是FDA首次基于生物標志物而不以癌癥類型批準的藥物。獲批之前，Keytruda已被用于黑色素瘤以及其他腫瘤類型。此舉，也體現(xiàn)了FDA在藥物審批上非同尋常的一面。對于很多腫瘤患者來說，盡管腫瘤在不同部位發(fā)生，但它有時比那些長在同一位置的腫瘤更為相似，所采取的措施也不盡相同，即所謂“同病異治、異病同治”。早在2015年，來自約翰霍普金斯大學(xué)的Luis Diaz就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，當時他用派姆單抗治療結(jié)腸癌患者，令他震驚不已的是，13名患者中有8位錯配修復(fù)缺陷患者治療后，腫瘤有所減小，但另外4名患者無反應(yīng)。另外一項試驗印證了這一結(jié)果，無錯配修復(fù)缺陷的結(jié)腸癌患者對派姆單抗治療無反應(yīng)，于是研究者發(fā)現(xiàn)，攜帶有這些缺陷往往能夠增強免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的識別，進而對其進行殺傷。

7270萬年前的地球氣候

冰封在世界底部的是通往另一段時光的入口：古代地球空氣的氣泡。今年8月，普林斯頓大學(xué)和緬因大學(xué)宣布，他們挖掘出了在南極冰封270萬年之久的冰塊。這次發(fā)掘的冰塊比之前的要古老170萬年，這也將直接的氣候記錄向前推到一個對地球歷史非常重要的時期。早在2015年，科學(xué)家發(fā)掘出最古老的冰芯，它形成于最初的幾次冰河世紀期間，那時的冰河世紀每4萬年發(fā)生一次，而不是像現(xiàn)代每10萬年發(fā)生一次。為了追尋氣候變化產(chǎn)生的線索，研究人員測量了冰芯中的氣體。解釋這樣的氣體記錄極具挑戰(zhàn)性，前期的分析表明，在冰河期開始之時，二氧化碳的含量保持在百萬分之300 (300ppm) 以下——遠低于今天的400 ppm。但這個結(jié)論與來自那個時代的間接記錄存在矛盾，后者顯示二氧化碳的比例應(yīng)該更高。但這一分析結(jié)果（濃度為300ppm）驗證了氣候模型的預(yù)測——只有這樣的低濃度才能使地球進入冰河期的周期循環(huán)。

8智人更古老的起源

一個摩洛哥山洞里被長期忽視的頭骨，將智人的化石記錄向前推進的更早了，這也為今年的現(xiàn)代人類起源研究提供了原動力。研究人員認為，這塊頭骨有著令人震驚的30萬年歷史，比埃塞俄比亞出土的最早被認可的智人遺骨還要早10萬年。這塊頭骨于1961年由礦工們發(fā)現(xiàn)。長期以來，人們認為它是非洲尼安德特人的頭骨，因為它具有尼安德特人以及早期智人的一些原始特征。其中一顆牙齒的放射性測試顯示，它的年齡為16萬年。然而這塊頭骨也顯示出一些現(xiàn)代人的特征，如臉是蓋在頭骨下面而不是向前突出的，這引起了來自德國萊比錫的馬克斯普朗克進化人類學(xué)研究所Jean- Jacques Hublin的興趣。他想知道這塊頭骨是否屬于早期智人。他的研究小組認為Jebel Irhoud人是早期智人中的一個大型雜交種群的一部分，后者早在33萬到30萬年前就在非洲繁衍，并演變成現(xiàn)代人類。這使得我們的非洲根基比以往認為的更深且更廣泛。

9基因治療的勝利

一個小型臨床試驗的成功，使今年基因治療得到推動。研究人員報告稱，他們通過在脊髓神經(jīng)元中添加一個缺失的基因，拯救了患有致命的遺傳性、神經(jīng)肌肉疾病嬰兒的生命。如果不進行治療，嬰兒會在2歲左右死亡。此項技術(shù)的成功打開了使用基因療法治療其他神經(jīng)退行性疾病的大門。該技術(shù)的關(guān)鍵是一種被稱為腺病毒（AAV）的無害病毒，它被廣泛應(yīng)用于將基因轉(zhuǎn)運到靶細胞中。 目前，研究人員在注射攜帶其他基因的AAV來治療嚴重的遺傳性腦病。在此之前，為了給這些孩子提供基因治療，研究人員不得不在他們的顱骨上打孔，即便如此，也沒有什么作用。美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）將很快批準第一種治療罕見遺傳性疾病導(dǎo)致失明的基因療法（編者注：目前已經(jīng)批準）。

10探測最“羞澀”粒子的微型探測器

今年，物理學(xué)家以一種新的方式轟擊原子核，發(fā)現(xiàn)了最難以捉摸的亞原子粒子 ——中微子。這一項成就實現(xiàn)了一個長達40年的目標，并且不需要使用大量的硬件，而后者往往是探測中微子時必需的。研究人員用了一個和微波爐重量差不多的便攜式探測器，便取得了這項成就。中微子在某些核過程中產(chǎn)生，它與其他物質(zhì)的相互作用很少，以至于無數(shù)中微子束穿過地球。但有時候，中微子會撞擊原子核中的中子，將其變成質(zhì)子，同時自身變成可檢測的粒子，如電子。今年，COHERENT合作團隊使用了一個14.6公斤的碘化銫鈉晶體的大型晶體探測器，當它內(nèi)部的原子反射時，探測器就會閃光。他們把它放置在了田納西州的橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源所產(chǎn)生的中子之中，這些中子的能量足夠低，可以產(chǎn)生相干散射，但也足夠高，可以產(chǎn)生出可檢測的反沖。也許有一天，這樣的小中微子探測器可幫助我們監(jiān)測核反應(yīng)堆，如它可確保核反應(yīng)堆按照核不擴散規(guī)則運行，或者它可幫助我們尋找更難以捉摸的“惰性中微子”。

注：本文圖片來自Science，內(nèi)容來自《科學(xué)》的“2017 BREAKTHROUGH of the YEAR”。