方陵生/編譯

《科學(xué)》：2016年度十大科學(xué)突破

方陵生/編譯

美國(guó)華盛頓州和路易斯安那州的LIGO發(fā)現(xiàn)了宇宙早期活動(dòng)的余波：引力波信號(hào)

● 《科學(xué)》雜志公布的2016年十大科學(xué)突破中，引力波的發(fā)現(xiàn)名列榜首。它證明了愛(ài)因斯坦100年前的一項(xiàng)預(yù)測(cè)，并預(yù)示了一種天文學(xué)家竊聽(tīng)宇宙最暴力事件的新途徑。2016年另外9項(xiàng)亞軍級(jí)突破所取得的成就也毫不遜色：從納米世界到行星世界，從人工智能到蛋白質(zhì)工程，同樣給世人帶來(lái)極大震撼，令人眼花繚亂，嘆為觀止。

引力波開(kāi)創(chuàng)天文學(xué)新時(shí)代

2016年，被稱為時(shí)空漣漪的引力波的發(fā)現(xiàn)震驚了科學(xué)界?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)40年對(duì)引力波的探尋，終于證明了100年前愛(ài)因斯坦所做的一個(gè)預(yù)測(cè)。但引力波的發(fā)現(xiàn)不是這一探索的結(jié)束，而是一個(gè)新的開(kāi)始。在科學(xué)家看來(lái)，這一發(fā)現(xiàn)將誕生一個(gè)新的科學(xué)探索領(lǐng)域：引力波天文學(xué)。

1915年，愛(ài)因斯坦對(duì)引力的解釋是：巨大的天體導(dǎo)致時(shí)空扭曲，導(dǎo)致自由落體沿曲線前進(jìn)，如扔出的皮球沿弧線前行，行星沿橢圓形軌道繞恒星運(yùn)行。根據(jù)愛(ài)因斯坦的計(jì)算，兩個(gè)巨大天體碰撞會(huì)產(chǎn)生快速旋轉(zhuǎn)的旋渦，形成以光速向外擴(kuò)散的時(shí)空漣漪，即我們所稱的引力波。

2016年2月11日，物理學(xué)家宣稱，他們?cè)诿绹?guó)華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦預(yù)言的引力波信號(hào)：13億光年之外兩個(gè)巨大黑洞激烈碰撞所產(chǎn)生的引力波信號(hào)。

這一勝利來(lái)之不易。引力波是否存在，愛(ài)因斯坦自己在幾十年的時(shí)間里也一直處于搖擺不定的狀態(tài)中。即使引力波確實(shí)存在，愛(ài)因斯坦可以想象到的唯一來(lái)源是兩個(gè)互相繞軌道運(yùn)行的恒星所產(chǎn)生的引力波，但也因其太過(guò)微弱而無(wú)法檢測(cè)到。

20世紀(jì)60年代末，天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了中子星，并想象到黑洞的存在，當(dāng)這些大質(zhì)量天體崩潰時(shí)，會(huì)留下超強(qiáng)大的引力場(chǎng)。從理論上來(lái)說(shuō)，巨大天體碰撞會(huì)產(chǎn)生可觀測(cè)到的引力波。1972年，麻省理工學(xué)院物理學(xué)家雷納·韋斯（Rainer Weiss）提出以一種稱為干涉儀的L型光學(xué)儀器來(lái)檢測(cè)引力波，為L(zhǎng)IGO的誕生播下了種子。

每個(gè)LIGO干涉儀都有兩個(gè)4公里的長(zhǎng)臂，兩端配有鏡子，通過(guò)激光在兩端鏡子間的反射，物理學(xué)家可以對(duì)臂長(zhǎng)變化進(jìn)行比較，檢測(cè)到相當(dāng)于1/10 000質(zhì)子直徑的誤差。若有引力波通過(guò)，會(huì)導(dǎo)致臂長(zhǎng)以不同長(zhǎng)度延伸，這也正是LIGO團(tuán)隊(duì)所檢測(cè)到的結(jié)果。首次引力波信號(hào)的發(fā)現(xiàn)完全符合為驗(yàn)證愛(ài)因斯坦被稱為廣義相對(duì)論的引力理論的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。引力波的發(fā)現(xiàn)是前所未有的。

引力波的發(fā)現(xiàn)為物理學(xué)家窺探宇宙奧秘提供了一個(gè)全新的視角，物理學(xué)家熱切期盼接下來(lái)可能會(huì)有什么樣的新驚喜。首先，物理學(xué)家希望發(fā)現(xiàn)更多的引力波事件。LIGO已經(jīng)檢測(cè)到第二個(gè)黑洞合并和第三個(gè)較弱的信號(hào)。2016年11月干涉儀恢復(fù)采集數(shù)據(jù)，如果可以達(dá)到設(shè)計(jì)的敏感度，最終將有可能平均每天看到一次黑洞合并。

其他一些探測(cè)儀器也將很快加入引力波的“狩獵”活動(dòng)中。意大利升級(jí)后的VIRGO探測(cè)器將在年初開(kāi)始運(yùn)行；日本的物理學(xué)家建造了一個(gè)被稱為Kamioka的引力波探測(cè)器；LIGO物理學(xué)家計(jì)劃2020年后在印度新增加一個(gè)探測(cè)器。3個(gè)或更多的探測(cè)器組合起來(lái)，通過(guò)三角測(cè)量，應(yīng)該能夠在空中確定一個(gè)引力波源。這些努力還將有助于望遠(yuǎn)鏡跟蹤到同一事件，或許還可能檢測(cè)到其他的信號(hào)。例如，如果引力波探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)中子星的合并，望遠(yuǎn)鏡就可以檢測(cè)到這種合并產(chǎn)生的光線或X射線，將這些信號(hào)綜合起來(lái)，就有可能為科學(xué)家提供中子星上特異物質(zhì)的線索。

探測(cè)器甚至有可能檢測(cè)到關(guān)于黑洞的更多信息。量子理論表明，黑洞可能包含一個(gè)隱藏的“防火墻”，這道“防火墻”可湮滅掉任何掉落其間的物質(zhì)。一些理論學(xué)家推測(cè)，如果是這樣，黑洞合并應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生引力波回聲。其他一些人推測(cè)，旋轉(zhuǎn)的黑洞可能會(huì)生成大量叫作軸粒子的假想粒子，通過(guò)劇烈的互相湮滅產(chǎn)生引力波。

與此同時(shí)，一些天文學(xué)家正試圖以不同的方式探測(cè)引力波。在一些大型星系的中心潛伏著超大質(zhì)量的黑洞，它們的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百萬(wàn)倍甚至數(shù)十億倍。當(dāng)兩個(gè)這樣的太空龐然大物合并時(shí)，會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)以光年計(jì)的極為強(qiáng)大的引力波，比LIGO這樣的儀器能夠檢測(cè)到的長(zhǎng)數(shù)千倍。要發(fā)現(xiàn)這樣的引力波，天文學(xué)家需要求助于被稱為毫秒脈沖星的恒星計(jì)時(shí)器。

脈沖星——旋轉(zhuǎn)著的中子星——會(huì)定期發(fā)出強(qiáng)大的脈沖無(wú)線電波。當(dāng)長(zhǎng)波長(zhǎng)的引力波沖擊地球時(shí)，會(huì)將地球推向某些脈沖星，遠(yuǎn)離另一些脈沖星。這種運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)也將會(huì)縮短或延長(zhǎng)脈沖星脈沖向各個(gè)方向傳播的時(shí)間。類(lèi)似于多普勒頻移的效應(yīng)導(dǎo)致脈沖星脈沖發(fā)射時(shí)間變動(dòng)和調(diào)整，這將有助于發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)引力波的“雜音”，長(zhǎng)波和短波的差異也有助于物理學(xué)家追蹤宇宙歷史上星系形成和合并的速率。美國(guó)、歐洲和澳大利亞的團(tuán)隊(duì)希望在今后的兩到三年時(shí)間里再發(fā)現(xiàn)一個(gè)引力波信號(hào)，雖然美國(guó)的計(jì)劃會(huì)因國(guó)家科學(xué)基金會(huì)打算抽回兩個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的資金而受到影響。

物理學(xué)家希望稍后啟動(dòng)激光干涉儀太空天線（LISA）計(jì)劃，3個(gè)圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的LISA航天器形成臂長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)公里的三角形干涉儀，可在長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里范圍的LIGO和以光年計(jì)的脈沖星時(shí)之間，探測(cè)到波長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)至數(shù)十億公里的引力波。

通過(guò)這些引力波，LISA還可以比脈沖星計(jì)時(shí)設(shè)備更精確地追蹤到較小的超大質(zhì)量黑洞合并，并能夠先于像LIGO這樣的地面儀器發(fā)現(xiàn)兩個(gè)黑洞盤(pán)繞在一起的漫長(zhǎng)而緩慢的最終崩潰結(jié)局。LISA還可以檢測(cè)到我們銀河系中心擁有恒星質(zhì)量的黑洞落入超級(jí)黑洞的事件，令物理學(xué)家有機(jī)會(huì)探察到這些宇宙大事件的詳細(xì)情況。

幾十年前，LISA最初是美國(guó)宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）提出的一個(gè)合作計(jì)劃，但美國(guó)于2011年因預(yù)算限制退出，如今NASA希望重新加入該計(jì)劃。ESA官員希望能于2034年推出約15億美元的新任務(wù)，物理學(xué)家計(jì)劃構(gòu)建的下一代陸地探測(cè)器大約也在同一時(shí)期啟動(dòng)。

用微波望遠(yuǎn)鏡繪制太空?qǐng)D，科學(xué)家甚至可能會(huì)間接地發(fā)現(xiàn)最長(zhǎng)最古老的引力波痕跡，穿過(guò)嬰兒宇宙并跨越現(xiàn)在宇宙的引力波。這些原始引力波有可能留下大爆炸余輝的印跡：宇宙微波背景。發(fā)現(xiàn)原始引力波將有助于證實(shí)新誕生宇宙所經(jīng)歷的被稱為宇宙膨脹的指數(shù)級(jí)暴脹過(guò)程。

引力波的發(fā)現(xiàn)改變了現(xiàn)代科學(xué)的景觀，一個(gè)新的科學(xué)時(shí)代即將到來(lái)。

發(fā)現(xiàn)系外行星比鄰星b

天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一顆繞著離我們最近的恒星比鄰星運(yùn)行的小行星，據(jù)他們所稱，這顆新發(fā)現(xiàn)的行星是我們?cè)敿?xì)研究太陽(yáng)系外行星的最佳機(jī)會(huì)。

比鄰星星光頻率的微小變化揭示了這顆被稱為比鄰星b的行星的存在，天文學(xué)家監(jiān)測(cè)和觀察到了這顆恒星發(fā)出的光線以11.2天的周期增強(qiáng)或減弱，這是因?yàn)橛蓄w看不見(jiàn)的行星在反復(fù)拖曳著這顆恒星或接近地球、或遠(yuǎn)離地球而導(dǎo)致的多普勒頻移效應(yīng)。

但是，除了知道其質(zhì)量至少是地球的1.3倍以及其運(yùn)行軌道非常接近其繞行的恒星（只有地球和太陽(yáng)之間距離的5%）之外，對(duì)于比鄰星b我們所知甚少。雖然它與其恒星的距離相當(dāng)接近，但并不意味著這顆行星上的溫度極高、酷熱難當(dāng)，因?yàn)楸揉徯侵皇且活w暗淡的紅矮星，天文學(xué)家認(rèn)為比鄰星b上的表面溫度甚至低到足以有液態(tài)水的存在。但它是否是一顆可居住的星球，目前還只是一個(gè)大膽的推測(cè)，比鄰星是一顆極不穩(wěn)定的恒星，有可能太陽(yáng)風(fēng)、強(qiáng)烈X射線和紫外線的一陣暴發(fā)就毀了這顆繞它運(yùn)行的行星。

天文學(xué)家一直在觀察比鄰星b是否會(huì)從它所環(huán)繞的恒星面前經(jīng)過(guò)，如果會(huì)的話，在恒星之光的照耀下，就可以顯示這顆行星的半徑大小，加上已知的質(zhì)量，就能得知其密度。另外，通過(guò)穿過(guò)大氣層的星光，還可以得知這顆行星的構(gòu)成物質(zhì)是什么。但這種“穿越恒星”的機(jī)會(huì)只有1.5%，天文學(xué)家至今為止還一無(wú)所獲。

科學(xué)家現(xiàn)在只有期待下一個(gè)十年里會(huì)有更好的太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡問(wèn)世。但也有些人已經(jīng)沒(méi)有了這個(gè)等待的耐心，2016年4月，私人資助的“突破攝星”項(xiàng)目宣布計(jì)劃發(fā)送一個(gè)小型飛船艦隊(duì)，在20年的時(shí)間里穿越40萬(wàn)億公里的太空抵達(dá)半人馬座阿爾法星系，比鄰星就在這個(gè)星系中。另一個(gè)叫作藍(lán)光計(jì)劃的私人項(xiàng)目希望建造一個(gè)專(zhuān)門(mén)在半人馬座阿爾法星拍攝行星照片的太空望遠(yuǎn)鏡。

“阿爾法圍棋”戰(zhàn)勝人類(lèi)圍棋高手

2016年，被稱為“阿爾法圍棋”的計(jì)算機(jī)程序在5局圍棋比賽中以4：1的成績(jī)擊敗了世界排名第二的韓國(guó)棋手李世石，人工智能再次跨越了一個(gè)重要的里程碑。人工智能在棋類(lèi)比賽中超越人類(lèi)已不是第一次了，20年前IBM的計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”首次在象棋賽中擊敗了俄國(guó)選手、棋王卡斯帕羅夫，并于次年在6場(chǎng)比賽中戰(zhàn)勝了世界冠軍。

圍棋的比賽規(guī)則比象棋更簡(jiǎn)單：只需將相同顏色的棋子在棋盤(pán)上布局，通過(guò)圍堵對(duì)手棋子占據(jù)更多地盤(pán)，但這看似簡(jiǎn)單而開(kāi)放性的規(guī)則卻可產(chǎn)生呈爆炸式增長(zhǎng)的千變?nèi)f化的棋步走法，其數(shù)量之龐大足以超過(guò)已知宇宙中所有原子的數(shù)量。這也是曾經(jīng)擊敗人類(lèi)象棋棋手的計(jì)算機(jī)程序無(wú)法以同樣的方式擊敗圍棋選手的原因，“深藍(lán)”計(jì)算機(jī)程序依靠的是由人類(lèi)棋手大師評(píng)估每一步可能的走法后制定的策略編制而成的。

倫敦谷歌子公司DeepMind設(shè)計(jì)的“阿爾法圍棋”人工智能則完全不同，在研究了成百上千盤(pán)人類(lèi)在線圍棋比賽，并以這些比賽中的走法作為機(jī)器學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，讓“阿爾法圍棋”人工智能反復(fù)地自己與自己（或與另一個(gè)略有不同的人工智能版本）下棋，通過(guò)一種叫作深度學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行下棋策略的調(diào)整，最終人工智能不僅能夠占據(jù)強(qiáng)大計(jì)算能力的優(yōu)勢(shì)，甚至在一定程度上似乎還擁有了與人類(lèi)非常相似的直覺(jué)能力。

我們想要人工智能掌握的東西都涉及在大量的各種可能性中做決定的能力，例如：機(jī)器人如何安全通過(guò)一個(gè)擁擠的房間；如何在無(wú)人駕駛汽車(chē)中做出行車(chē)路線的選擇；如何與乘客交流等。以硬性規(guī)則編碼的計(jì)算機(jī)程序已無(wú)法勝任這類(lèi)任務(wù)，“阿爾法圍棋”的勝利則向我們顯示，人工智能深度學(xué)習(xí)的能力會(huì)是多么強(qiáng)大。

清除衰老細(xì)胞保持年輕

昂貴的整形手術(shù)無(wú)法阻止衰老過(guò)程，膳食補(bǔ)充劑、注射睪丸素或使用那些暗示能讓你重返21歲年輕態(tài)的去皺霜同樣也無(wú)法阻止衰老。但是，2016年研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可以延緩時(shí)間催人老的辦法，至少在老鼠試驗(yàn)中已獲得了成功，通過(guò)有選擇性地淘汰陳舊細(xì)胞，可延長(zhǎng)動(dòng)物壽命，并讓年老動(dòng)物仍保持健康。

科學(xué)家的目標(biāo)是那些失去了分裂能力的衰老細(xì)胞。研究認(rèn)為，衰老機(jī)制可阻止有致癌傾向的細(xì)胞產(chǎn)生癌變，但它同時(shí)也在促進(jìn)老化進(jìn)程，衰老細(xì)胞釋放的分子還可能導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)異常和炎癥等問(wèn)題。

初步研究表明，消除衰老細(xì)胞對(duì)健康長(zhǎng)壽大有好處。中年老鼠試驗(yàn)結(jié)果顯示，心臟和腎臟的退化和惡化過(guò)程開(kāi)始放緩，腫瘤的發(fā)病期也推遲到更晚。但一些與年齡相關(guān)的退化過(guò)程，如記憶能力和肌肉協(xié)調(diào)能力等的退化沒(méi)有減輕。盡管如此，這些試驗(yàn)鼠比它們同齡同伴的壽命增長(zhǎng)了20%。

研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了免疫系統(tǒng)的衰老細(xì)胞，這些細(xì)胞積聚在動(dòng)脈斑塊中，有可能成為促使斑塊形成的因素。把這些衰老細(xì)胞從有動(dòng)脈粥樣硬化傾向老鼠的體內(nèi)清除后，即使給它們喂食高脂肪食物，堆積在動(dòng)脈中的脂肪也還是減少了60%。

重要的問(wèn)題是：去除衰老細(xì)胞能幫助人類(lèi)在更長(zhǎng)的時(shí)間里保持年輕嗎？這兩項(xiàng)研究都利用了基因修飾清除了老鼠體內(nèi)的衰老細(xì)胞，衰老細(xì)胞會(huì)對(duì)某種特定化合物產(chǎn)生反應(yīng)，但這些技術(shù)在人類(lèi)身上并不可行。目前研究人員已研究開(kāi)發(fā)了好幾種不需要經(jīng)過(guò)基因修飾就可直接殺死衰老細(xì)胞的新型藥物Senolytic，2017年科學(xué)家將首次推出治療關(guān)節(jié)炎的臨床試驗(yàn)藥物。

去除老化細(xì)胞有可能延緩動(dòng)脈斑塊的積累

猿類(lèi)動(dòng)物也有“讀心術(shù)”

2016年，猿類(lèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，它們擁有之前被認(rèn)為只有人類(lèi)才擁有的一種能力，這種能力被稱為“心理理論”或“心智理論”，擁有這種能力，就能夠辨別他人的欲望和意圖等。一些測(cè)試表明，我們的近親猿類(lèi)動(dòng)物在這方面也有足夠的洞察力。例如，欺騙同伴或識(shí)破同伴的意圖。但在此之前，它們一直未能完成確定他人錯(cuò)誤想法的任務(wù)。

在經(jīng)典的錯(cuò)誤信念辨別試驗(yàn)中，一個(gè)孩子看到有人將一塊巧克力藏在盒子里，然后離開(kāi)房間，之后又有別的人偷偷進(jìn)來(lái)將巧克力藏到了別的地方。那么第一個(gè)人會(huì)到哪里去找巧克力呢？猜測(cè)“會(huì)到原來(lái)的盒子”里去找的孩子通過(guò)了測(cè)試。通過(guò)所謂的讀心術(shù)，他們意識(shí)到，第一個(gè)人會(huì)以錯(cuò)誤的想法去尋找巧克力。推測(cè)別人心思的這種技能被認(rèn)為是欺騙、移情、教導(dǎo)，甚至是語(yǔ)言使用等行為所不可缺少的。

研究人員用了一種新的方法來(lái)測(cè)試黑猩猩、倭黑猩猩和大型樹(shù)棲類(lèi)人猿是否擁有這種能力。他們先讓這些猿類(lèi)動(dòng)物看了一場(chǎng)電影，影片顯示像電影《金剛》中主角的家伙從一個(gè)人類(lèi)那里偷了一塊石頭，然后將它藏在兩個(gè)盒子中的其中一個(gè)里面，這個(gè)人目睹了偷竊行為，但當(dāng)類(lèi)似金剛的家伙做出威脅狀將這人嚇跑后，拿出石頭也離開(kāi)了。這人還會(huì)返回來(lái)尋找他的石頭嗎？

研究人員利用紅外眼球追蹤技術(shù)來(lái)觀察這些猿類(lèi)動(dòng)物的注意力集中點(diǎn)，幾乎所有的猿類(lèi)動(dòng)物的目光都看向那個(gè)重新返回的人錯(cuò)誤認(rèn)為他的石頭還藏在里面的那個(gè)盒子。研究顯示，猿類(lèi)動(dòng)物可能也會(huì)揣測(cè)“他人”心思，甚至知道“他人”的看法是不正確的，這意味著猿類(lèi)與人類(lèi)的相似之處超出了我們此前的認(rèn)知。

但并不是所有人都信服這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)研究可能不僅限于類(lèi)人猿，眼球追蹤方法也適用于觀察其他動(dòng)物的面部表情。

人工設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)開(kāi)創(chuàng)新可能

蛋白質(zhì)是生命生存不可缺少的動(dòng)力，蛋白質(zhì)可加速至關(guān)重要的化學(xué)反應(yīng)，令肌肉具有活力，在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間進(jìn)行通信，抵御外來(lái)入侵等。鑒于蛋白質(zhì)“多才多藝”的特性，研究人員一直想要?jiǎng)?chuàng)造出自己的蛋白質(zhì)來(lái)，他們對(duì)許多現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行了修改，從小的調(diào)整到修改有機(jī)體的DNA編碼。但2016年，他們將蛋白質(zhì)研究推向了一個(gè)全新的高度：為新型藥物和材料的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造出一整套與自然界中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)迥然不同的人工設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)。

從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)是一種“中或不中”的隨機(jī)性活動(dòng)，編寫(xiě)任何所需的DNA代碼很容易，但研究人員卻沒(méi)有辦法知道這種由DNA編碼的新氨基酸如何折疊成復(fù)雜的三維形狀。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，形態(tài)決定功能。然而，計(jì)算生物學(xué)家設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人工設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)如何折疊的問(wèn)題上已經(jīng)取得了令人振奮的進(jìn)展，這些進(jìn)步有可能導(dǎo)致人工設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的數(shù)量激增。

2016年2月，美國(guó)華盛頓州的一個(gè)研究小組就利用這樣的程序設(shè)計(jì)了一種通用型的流感疫苗，可觸發(fā)免疫防御系統(tǒng)，并適用于所有的流感病毒株。7月，另一組研究人員創(chuàng)建了可自行組裝的中空籠狀蛋白質(zhì)，中空部分可用來(lái)填充治療一系列疾病的藥物或DNA片段。還有一個(gè)研究小組使用相類(lèi)似的程序產(chǎn)生3D可折疊的RNA分子，其類(lèi)似于蛋白質(zhì)的折疊問(wèn)題以及RNA蛋白復(fù)合物，都可為蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)研究開(kāi)創(chuàng)新的可能性。

現(xiàn)在，研究人員打算利用這一技術(shù)創(chuàng)建出更多的東西，從新穎的生物傳感器，到消除大氣中CO2的新方法等。這是因?yàn)樯鼧?gòu)成所用到的只是其中一小部分蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)師將要探索的是一個(gè)新的龐大的領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)室純體外培育卵子獲得成功

2016年，日本的研究人員用完全在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿里生長(zhǎng)的卵細(xì)胞獲得健康的老鼠后代，“試管嬰兒”將被賦予新的含義。這個(gè)久被期待的成就為研究人員提供了研究卵子發(fā)育的新途徑，并展現(xiàn)了從包括基因修改細(xì)胞在內(nèi)的幾乎所有類(lèi)型細(xì)胞中培育出人類(lèi)卵子的更遙遠(yuǎn)的前景，這一可能性為不孕癥的治療點(diǎn)燃了新的希望，但同時(shí)也引起了人們對(duì)設(shè)計(jì)嬰兒的擔(dān)憂。

2012年這個(gè)研究小組采取的第一個(gè)關(guān)鍵步驟是利用干細(xì)胞產(chǎn)生受精卵細(xì)胞，但是仍然需要將不成熟的卵子植回老鼠體內(nèi)來(lái)完成發(fā)育過(guò)程。如今研究人員發(fā)現(xiàn)了可以完全在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生卵子的方法，而不用將不成熟的卵子重新植回老鼠體內(nèi)發(fā)育，他們將卵子放在從卵巢中取出的一叢細(xì)胞中培養(yǎng)，然后將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)成熟的卵子與老鼠精子混合，再將產(chǎn)生的胚胎植入代養(yǎng)母親體內(nèi)，雖然只有3%的卵子能生長(zhǎng)成為足月生下的幼崽，但這些幼崽都能成長(zhǎng)為具有生育能力的、健康的成鼠。

如果科學(xué)家的人類(lèi)干細(xì)胞試驗(yàn)?zāi)軌虺晒?，它將成為某些?lèi)型女性不孕癥的新選擇，甚至有可能從來(lái)自男子的干細(xì)胞中產(chǎn)生卵子。目前這種可能性離我們還很遙遠(yuǎn)，但培養(yǎng)皿中培育卵子的成功對(duì)于實(shí)驗(yàn)室培育人類(lèi)嬰兒的未來(lái)前景將產(chǎn)生重要影響。

利用胚胎干細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)小鼠卵細(xì)胞

非洲大遷徙一次性移民后裔遍布全球

我們?nèi)祟?lèi)是一個(gè)喜歡遷徙的物種，智人本源于非洲，但在過(guò)去的10萬(wàn)年里，走出非洲的一波移民的后裔已遍布全球，并散布到了世界上的一些偏遠(yuǎn)角落，在這個(gè)過(guò)程中不斷地與當(dāng)?shù)馗爬系娜朔N相遇和融合。但現(xiàn)代人如何以及何時(shí)離開(kāi)非洲，研究人員對(duì)此一直存有爭(zhēng)議：這樣的大遷徙是一次性的？還是多次分批的呢？

2016年，大量的基因組數(shù)據(jù)幾乎達(dá)成了一致結(jié)果，生活在非洲以外的大多數(shù)人都是一次性非洲移民的后裔，在此之前的遷移活動(dòng)幾乎都被淹沒(méi)在這最后一波大規(guī)模的移民潮中。在3項(xiàng)獨(dú)立研究中，研究人員與當(dāng)?shù)卦∶窈献?，收集和分析了生活在世界偏遠(yuǎn)角落里數(shù)以百計(jì)人們的基因組，包括之前一些來(lái)自前澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和非洲地區(qū)的稀缺樣本，根據(jù)樣本中的DNA跟蹤古老人類(lèi)分支的演變過(guò)程。

一項(xiàng)研究對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為沒(méi)有任何交集地方的83個(gè)基因組樣本的DNA進(jìn)行分析后表明：與之前普遍認(rèn)識(shí)不同的是，澳大利亞最初來(lái)此定居的移民只有一波，此外，澳大利亞原住民和歐亞人的祖先大約在同一時(shí)間離開(kāi)非洲，這個(gè)時(shí)間可能是在7萬(wàn)年前，這表明人類(lèi)祖先是在一次性的大規(guī)模移民中離開(kāi)非洲的。一項(xiàng)獨(dú)立研究對(duì)源自142個(gè)群落的300個(gè)基因組的分析結(jié)果表明，他們的祖先都是在同一波大移民中走出非洲的，大約從5萬(wàn)年前開(kāi)始開(kāi)枝散葉，成為如今生活在世界各地的非非洲人族群的祖先。

第三項(xiàng)研究對(duì)來(lái)自125個(gè)族群的379個(gè)基因組進(jìn)行分析后報(bào)道稱，大約2%的巴布亞新幾內(nèi)亞人的基因組可能來(lái)自于大約10萬(wàn)年前走出非洲的一次性人口大遷移?；Y料也顯示，一些現(xiàn)代人類(lèi)大約也在這一時(shí)期抵達(dá)中東地區(qū)，阿拉伯地區(qū)和印度發(fā)現(xiàn)的石器遺跡也證實(shí)了人類(lèi)早期的這次走出非洲大遷徙活動(dòng)。但大量新的基因組數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)人幾乎都漸漸消失在這次早期遷移活動(dòng)中，只在至今活著的后裔身上留下了些許痕跡。

方便快捷的手持式測(cè)序儀

2016年因手持式測(cè)序儀的首次廣泛使用，基因組測(cè)序?qū)⒖赡艹蔀橐环N無(wú)處不在的生物學(xué)手段，包括在實(shí)驗(yàn)室里和在野外現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)中，對(duì)于后者可能更為重要。

手持式測(cè)序儀的突破性進(jìn)展是使用了一種可直接讀取DNA字母的納米孔測(cè)序的技術(shù)，當(dāng)一串DNA鏈穿過(guò)微小的納米孔時(shí)，堿基對(duì)以獨(dú)特的可讀取的方式改變離子電流。手持式測(cè)序儀優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)序工具的最大優(yōu)勢(shì)在于納米孔測(cè)序裝置的啟動(dòng)成本相對(duì)較低，在理論上它可以破譯無(wú)限長(zhǎng)度的DNA，而不一定要將基因組分割開(kāi)來(lái)測(cè)序，然后再通過(guò)電腦程序拼接起來(lái)。由于手持式測(cè)序儀快速便捷的特點(diǎn)，在生物監(jiān)控、臨床診斷、流行病爆發(fā)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用前景。

納米孔測(cè)序技術(shù)經(jīng)過(guò)多年研究終獲成功，之后經(jīng)過(guò)一年多的數(shù)據(jù)測(cè)試，英國(guó)的牛津納米孔技術(shù)公司于2016年首次推出了手持式測(cè)序儀。研究人員用這種手持式測(cè)序儀可在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)確認(rèn)埃博拉病毒和其他病毒，對(duì)腸道微生物進(jìn)行測(cè)序，破譯擁有5 300萬(wàn)堿基對(duì)的玉米真菌類(lèi)害蟲(chóng)的基因組等。此外如他們最近所宣布的，還能對(duì)人類(lèi)基因組進(jìn)行測(cè)序。國(guó)際空間站的宇航員還可用它來(lái)對(duì)土壤中的微生物混合物進(jìn)行測(cè)序。2016年是基因組測(cè)序手段一個(gè)具有重大意義的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，基因組研究人員認(rèn)為，超乎想象的這種測(cè)序工具將成為他們研究工作的一大助力。

光線向上通過(guò)超材料鏡頭后聚焦

超材料鏡頭問(wèn)世

玻璃鏡片是人類(lèi)最早的高科技創(chuàng)新之一。玻璃鏡片的發(fā)明讓伽利略看到了木星的衛(wèi)星，讓列文虎克在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了微生物世界，讓數(shù)以百萬(wàn)計(jì)有視力障礙的人看得更清晰。但幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，顯微鏡鏡頭始終沒(méi)有什么大的改變，都是通過(guò)研磨和拋光玻璃等透明材料以達(dá)到更好地聚焦光線、消除偏差的目的。2016年，研究人員創(chuàng)建的首個(gè)超材料鏡頭可聚焦全光譜可見(jiàn)光，令透鏡技術(shù)邁出了一大步。由于超強(qiáng)材料鏡頭價(jià)格低廉、比紙更薄且遠(yuǎn)輕于玻璃，可導(dǎo)致許多領(lǐng)域產(chǎn)生革命性變化，包括從顯微鏡鏡頭到虛擬現(xiàn)實(shí)顯示到攝像鏡頭，甚至還有人們手機(jī)上的攝像頭。

2016年，研究人員利用原子層沉積技術(shù)，用約600納米高的二氧化鈦納米磚塊“堆砌”成了纖薄如紙的超材料聚光鏡片，可通過(guò)不同的排列方式控制光波的通過(guò)狀態(tài)，其有效放大倍數(shù)高達(dá)170倍，并且放大后的圖像分辨率能完全媲美常規(guī)的玻璃透鏡。

超材料鏡頭的問(wèn)世為其他潛在的應(yīng)用開(kāi)辟了道路，如未來(lái)更輕更薄的時(shí)尚手機(jī)、新穎的科學(xué)儀器和虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)等。

[資料來(lái)源：Science][責(zé)任編輯：彥 隱]