美《科学》杂志盘点2018年度十大科学突破

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

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”。

2. 来自遥远星系的信使

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。

3. 几分钟确定分子结构

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。

4. 冰河时代撞击