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12月20日，美國《科學(xué)》雜志發(fā)布2018年度十大科學(xué)突破。

其中，在單細胞水平上追蹤生物體發(fā)育被列為十大突破之首，理由是相關(guān)技術(shù)“將改變未來10年的研究”。

單細胞水平追蹤生物體發(fā)育

至少從希波克拉底時代開始，生物學(xué)家便對單個細胞如何發(fā)育成擁有多個器官和數(shù)十億細胞的成年動物之謎感到震驚。

但現(xiàn)在，人們知道，是DNA最終精心安排了細胞增殖和分化的過程。

如今，3種技術(shù)的組合正在揭示單個細胞中的基因何時啟動，從而暗示細胞發(fā)揮其專門的作用。

由此，科學(xué)家能以驚人的細節(jié)——按照逐個細胞并隨著時間推移，追蹤生物體和器官的發(fā)育。

《科學(xué)》雜志將這些技術(shù)的組合及其在推動基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)進化方面的潛力列為2018年度十大突破之首。

驅(qū)動這些進展的技術(shù)將上千個完整細胞從活體生物中分離出來，對每個細胞中被表達的遺傳物質(zhì)進行高效測序，然后用計算機或者對細胞進行標記，重建它們的時間和空間聯(lián)系。

德國柏林馬克斯—德爾布呂克系統(tǒng)生物學(xué)家Nikolaus Rajewsky認為，這3項技術(shù)“將改變未來10年的研究”。

來自遙遠星系的信使

來自遙遠宇宙的幾種信使正在加入望遠鏡收集的光子行列，并且揭示光無法展示的東西。

今年，另一種信使加入這場“聚會”：中微子。這是一種幾乎沒有質(zhì)量的微小粒子，很難被探測到。

捕捉這種銀河系外的“幻影”需要南極深處1立方千米的冰，輔以光探測器記錄中微子在極其罕見情形下觸發(fā)的微弱閃光。

這個名為“冰立方”的巨大探測器此前記錄了很多中微子，其中一些來自銀河系外。但科學(xué)家無法確定它們的特定宇宙來源。

2017年9月22日，一個中微子同冰塊中的原子核相撞，而光探測器搞清楚了它來自哪個方向。

幾天后，向其他望遠鏡發(fā)出的警報產(chǎn)生了相同結(jié)果。

正如研究人員在今年7月報告的，美國宇航局費米伽馬射線太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一個被稱為耀變體的極其明亮的來源。而上述中微子似乎恰好來自那里。

幾分鐘確定分子結(jié)構(gòu)

今年10月，兩個研究團隊同時發(fā)表論文，揭示了一種僅在幾分鐘內(nèi)便可確定小型有機化合物分子結(jié)構(gòu)的方法。

幾十年來，分子定位的黃金標準是一項被稱為X射線結(jié)晶學(xué)的技術(shù)。

近年來，研究人員通過用電子束代替X射線，改進了衍射技術(shù)。

電子束瞄向通常是蛋白質(zhì)的片狀二維目標生物分子。 但很多情形下，這些片狀物會疊在一起。

產(chǎn)生的三維晶體對于普通電子衍射來說無法發(fā)揮作用，對于X射線衍射來說又太小了。

兩個研究團隊（一個來自美國、一個來自德國和瑞士）發(fā)現(xiàn)，他們能利用這種意外產(chǎn)生的晶體。

他們向處于旋轉(zhuǎn)階段的微小三維晶體發(fā)射電子束，并且追蹤衍射模式如何隨著每次輕微的轉(zhuǎn)彎而發(fā)生改變。該技術(shù)可在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)，而其需要的晶體只有X射線研究所需大小的10億分之一。

冰河時代撞擊

小行星像一連串原子彈猛烈撞擊格陵蘭島西北部，立即將巖石蒸發(fā)并且向整個北極發(fā)送沖擊波。 “疤痕”就此留下—— 一個被稱為Hiawatha的31公里寬的撞擊坑。它大到足以容納美國華盛頓特區(qū)。

在機載雷達揭示了這個潛伏在數(shù)千米厚冰蓋下面的撞擊坑后，科學(xué)家在11月報告了這個驚人的發(fā)現(xiàn)。 Hiawatha是地球上25個最大的撞擊坑之一。盡管Hiawatha撞擊事件不像殺死恐龍的?？颂K魯伯撞擊一樣具有毀滅性，但它對全球氣候產(chǎn)生了重要影響。

來自此次撞擊事件的融水涌入大西洋北部，并通過阻止將暖流帶向歐洲西北部的洋流輸送帶使溫度驟降。

雷達圖像顯示，Hiawatha的年代并不久遠，可追溯至10萬年前。撞擊坑冰層深處的擾動表明，小行星可能在13000年前撞擊了此處。這將此次撞擊同新仙女木期聯(lián)系起來。

#MeToo帶來大不同

6月，美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)院發(fā)布了一份關(guān)于科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)界女性性騷擾的里程碑式報告。

該報告或是一個轉(zhuǎn)折點。

它基于來自兩個大型高校系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù)提出，依據(jù)職業(yè)生涯所處階段和領(lǐng)域不同，超過50%的女性教職員工和20%~50%的學(xué)生忍受了性騷擾。其中包括最常見的形式：語言和非語言上的性別歧視與敵意。

今年，若干機構(gòu)已經(jīng)采取了行動。

一些機構(gòu)受新聞曝光或者受騷擾學(xué)生和員工提起的正式訴訟的推動，在調(diào)查證實了對不當行為的指控后，解雇了知名科學(xué)家或迫使其離開。

其他機構(gòu)則宣布了政策上的變動。

9月，美國國家科學(xué)基金會（NSF）主任France Corodova表示，從此以后，在基金受助人接受性騷擾調(diào)查或者被發(fā)現(xiàn)犯有性騷擾罪期間，高校必須向資助者說明此人何時被暫停工作。

古人“混血兒”

一塊來自生活在5萬多年前女性的骨頭碎片揭示了兩種已經(jīng)滅絕的古人類之間“驚人”的聯(lián)系。

2012年，研究人員從在西伯利亞一個洞穴中發(fā)現(xiàn)的這塊骨頭中提取出古代DNA。

分析結(jié)果顯示，“她”的母親是尼安德特人，父親是丹尼索瓦人。

此前，研究人員知道，尼安德特人、丹尼索瓦人和現(xiàn)代人類至少偶爾會在冰河時代的歐洲和亞洲進行雜交。

這一最新發(fā)現(xiàn)是尼安德特人和丹尼索瓦人相遇的親密見證。

此外，研究人員指出，這名女性尼安德特人的基因更接近于在克羅地亞發(fā)現(xiàn)的尼安德特人的基因，而不是更早居住在丹尼索瓦洞穴的尼安德特人的基因。

這表明不同的尼安德特人群體曾多次在西歐和西伯利亞之間遷徙。目前，研究人員仍在對丹尼索瓦洞穴中發(fā)掘的材料進行研究。

法醫(yī)系譜學(xué)時代到來

4月，美國警方宣布逮捕了金州殺人案嫌疑人。

該案件是史上最撲朔迷離的懸案之一：上世紀七八十年代在加利福尼亞州發(fā)生了一系列強奸和謀殺事件。

而破案使用的方式也十分“特殊”：警方利用犯罪現(xiàn)場回收的DNA，通過公共家譜DNA數(shù)據(jù)庫鎖定了金州殺手的親屬。

此后，警方利用這一策略破解了20余起其他懸案，并開辟了一個新的領(lǐng)域：法醫(yī)系譜學(xué)。

像Ancestry和23andMe這樣的私人DNA網(wǎng)站包含了數(shù)以百萬計的個人資料。

這些資料可用來從共享的DNA片段中找到一個人的親屬，但是警方需要法庭命令才能使用這些數(shù)據(jù)。

在金州殺人案中，當局使用了一個公共的、簡潔的在線DNA 數(shù)據(jù)庫：GEDMatch。

它由得克薩斯州和佛羅里達州的兩個業(yè)余系譜學(xué)家運行，任何人都可以提交DNA測試結(jié)果。

調(diào)查人員將犯罪現(xiàn)場的DNA 圖譜上傳到數(shù)據(jù)庫后，找到了嫌疑人的幾個遠房親屬。

于是，他們與一位系譜學(xué)家合作，利用公共記錄建造大型家庭樹，最終將證據(jù)指向了73歲的Joseph James DeAngelo。他的年齡和位置與部分罪行相匹配，并且測序顯示犯罪現(xiàn)場DNA 與DeAngelo的DNA相匹配。

基因沉默藥物獲批

2018年，一種基于RNA干擾技術(shù)讓基因沉默的藥物，獲得了美國食品藥品監(jiān)督管理局的批準。

早在20多年前，兩名美國遺傳學(xué)家發(fā)現(xiàn)，短RNA分子可附著在信使RNA上，從而破壞基因的翻譯。這一進展為他們贏得了諾貝爾獎，但將其轉(zhuǎn)化為藥物的努力很快遇到了障礙。

科學(xué)家努力使這些脆弱的RNA分子保持完整，并將其導(dǎo)向正確的組織，但結(jié)果不盡人意。

直到2008年，馬薩諸塞州劍橋市奧尼蘭姆制藥公司提出了解決方案：一種脂質(zhì)納米顆粒，可保護基因沉默的RNA 并將其運送至肝臟。

在那里，科學(xué)家希望它可通過阻止蛋白質(zhì)折疊錯誤的產(chǎn)生，治療一種被稱為遺傳性轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性的罕見疾病。

該公司推出靜脈注射藥物Onpattro。該藥物在2018年獲得美國和歐盟監(jiān)管機構(gòu)的批準，并以每年45萬美元的定價進入市場。

原始世界的“分子窗口”

今年，科學(xué)家從生活在5億多年前的生物身上發(fā)現(xiàn)了分子痕跡，從而對這個神秘世界的認識更加清晰。

9月，來自澳大利亞國立大學(xué)的研究人員在埃迪卡拉紀（距今6.35億至5.41億年）的水母化石中找到了膽固醇樣分子的痕跡。

這種被稱為“迪金森尼亞”的橢圓形生物長1.4米，全身有肋骨狀結(jié)構(gòu)，屬于埃迪卡拉生物群。

這類生物比5.4億年前“寒武紀大爆發(fā)”中出現(xiàn)的大量動物早了近2000萬年。

研究證明，當時的動物群大而豐富，并且比此前估計的還要早。

“迪金森尼亞”化石是一把鑰匙，有助于理解以細菌為主的世界如何演化到“寒武紀大爆發(fā)”后的大型動物世界。

10月，另一研究團隊在來自6.6億到6.35億年前的巖石中發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)今只有海綿制造的分子，這表明海綿這種形式的動物可能比已有最古老的可識別化石早進化了1億年。

細胞如何自我管理

細胞內(nèi)的各組分是如何協(xié)調(diào)的，以至于能在正確的時間和地點行使功能？

生物學(xué)家逐漸意識到，這個問題的關(guān)鍵是液滴。但他們直到最近才發(fā)現(xiàn)，液滴在細胞中無處不在，組織（有時甚至搞亂）細胞工作。

從2009年開始，研究人員發(fā)現(xiàn)許多蛋白質(zhì)能形成離散的液滴，特別是當細胞對壓力作出反應(yīng)時。2018年，《科學(xué)》的3篇論文指出了這種液相分離的更大作用。

研究人員稱，驅(qū)動遺傳密碼從DNA轉(zhuǎn)移到RNA的蛋白質(zhì)，可凝結(jié)成附著在DNA上的液滴。

雖然細節(jié)還有待研究，但它們揭示了液相分離在生命的一個基本奧秘（基因的選擇性表達）中的作用。

生物物理學(xué)家正在研究這些液滴是如何形成的。當這個過程出錯時，原本應(yīng)該是液體的東西會變成凝膠，進而凝固，形成肌萎縮側(cè)索硬化癥等神經(jīng)退行性疾病中出現(xiàn)的各種聚集體。

（閆潔 唐鳳）

摘自《中國科學(xué)報》