當(dāng)我們感嘆時(shí)光飛逝時(shí)，未來(lái)已近在眼前。在剛剛謝幕的2017年，遙遠(yuǎn)太空中兩顆中子星的碰撞沸騰了整個(gè)天文界，這是人類首次“看到”引力波;生命科學(xué)持續(xù)升溫，冷凍電鏡技術(shù)、基因療法、精準(zhǔn)基因編輯、廣譜抗癌藥，人類不斷拓寬著對(duì)生命的認(rèn)知……
前不久，《科學(xué)》雜志評(píng)選出2017年十大科學(xué)突破，除了上述振奮人心的消息，發(fā)現(xiàn)新種類人猿、生物學(xué)預(yù)印本興起、找到最古老冰芯、人類起源新發(fā)現(xiàn)、便攜式中微子探測(cè)器等同樣帶給人們驚喜?！渡钭x·新知》特邀我省有關(guān)專家，對(duì)2017年這些激動(dòng)人心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)逐一回顧和解讀。
首次“看到”引力波
2017年8月17日，從遙遠(yuǎn)太空傳來(lái)的短短一瞬的信號(hào)，沸騰了整個(gè)天文界——人類第一次探測(cè)到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)。此前，科學(xué)家也曾探測(cè)到來(lái)自兩個(gè)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的引力波，但因黑洞是大型恒星塌縮而成，內(nèi)部沒(méi)有可以升溫和輻射的物質(zhì)，因此人們只能“聽”到引力波卻難睹其真容。相比之下，雙中子星的合并不但會(huì)產(chǎn)生引力波，還會(huì)拋射物質(zhì)并產(chǎn)生各種電磁信號(hào)，更像是一場(chǎng)宇宙展現(xiàn)在人類面前的“視聽盛宴”。
燕山大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系教師吳一東：大約一百年前，愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論，就從理論上預(yù)測(cè)了引力波的存在。2017年8月17日觀測(cè)到的引力波，是由兩個(gè)中子星合并形成的，并會(huì)伴隨發(fā)出電磁波，于是科學(xué)家就可以同時(shí)對(duì)引力波和電磁波進(jìn)行觀測(cè)，即用望遠(yuǎn)鏡“看到”引力波。這樣，通過(guò)引力波探測(cè)和傳統(tǒng)天文探測(cè)的“并肩作戰(zhàn)”，科學(xué)家開啟了多信使天文學(xué)的新時(shí)代。
發(fā)現(xiàn)新種類人猿
2017年，在印度尼西亞蘇門答臘島北部的森林中，人類發(fā)現(xiàn)了新的近親：打巴奴里猩猩(Pongo tapanuliensis)。此前，科學(xué)家們一直把它們當(dāng)作蘇門答臘猩猩的一個(gè)種群，但在大規(guī)模的研究后，人們發(fā)現(xiàn)打巴奴里猩猩的顱骨、牙齒、下頜與其他猩猩有顯著區(qū)別，毛發(fā)更卷、胡子更長(zhǎng)，基因也有明顯差異，應(yīng)獨(dú)立成種。這也是繼倭黑猩猩、黑猩猩、兩種大猩猩、兩種猩猩和人類外，人科物種迎來(lái)的第8位新成員。
河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授葛榮朝：上一次人類發(fā)現(xiàn)類人猿新物種，已經(jīng)是將近90年前的事了。新發(fā)現(xiàn)的打巴奴里猩猩，是自婆羅洲猩猩和蘇門答臘猩猩之后，猩猩屬的第三個(gè)成員。目前，全球只有約800只打巴奴里猩猩生活在一片孤立的森林中，這種瀕危的物種正在使科學(xué)家重新思考猩猩屬的演化軌跡，并思考如何區(qū)分物種、制定政策，保護(hù)古老而特殊的生物類群。
在原子水平觀察生命
俗話說(shuō)“百聞不如一見”，人類理解事物的主要途徑就是想盡辦法去“看清”它們。過(guò)去，電子顯微技術(shù)被認(rèn)為只適合觀測(cè)部分物質(zhì)，因?yàn)楦邚?qiáng)度的電子束會(huì)摧毀大量表面敏感的材料，導(dǎo)致其圖像模糊。但冷凍電鏡的出現(xiàn)卻打破了這一桎梏，通過(guò)冷凍手段抑制生物大分子的運(yùn)動(dòng)，此項(xiàng)技術(shù)令科學(xué)家們“眼界大開”，并對(duì)剪接體的功能、蛋白質(zhì)在細(xì)胞周期中如何重塑細(xì)胞膜、酶如何修復(fù)DNA損傷等，有了更清晰的了解。
燕山大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系教授蘇計(jì)國(guó)：生物體的眾多生命活動(dòng)過(guò)程，都離不開生物大分子的精巧工作。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，X射線晶體衍射和核磁共振技術(shù)是在原子尺度上解析生物大分子空間結(jié)構(gòu)的主要手段，但前者需將樣品結(jié)晶，后者只能用于小分子量的體系。冷凍電鏡技術(shù)突破了上述弱點(diǎn)，通過(guò)將樣品進(jìn)行快速冷凍，利用波長(zhǎng)非常短的電子波進(jìn)行高分辨成像獲取生物大分子原子層面的結(jié)構(gòu)，已成為在原子水平上研究生命微觀過(guò)程的有力武器。
生物學(xué)預(yù)印本興起
預(yù)印本，是指未經(jīng)同行評(píng)審就上傳至公共平臺(tái)供人查閱的論文草稿。2017年，生物學(xué)領(lǐng)域的預(yù)印模式快速發(fā)展，數(shù)以千計(jì)的生物學(xué)家將尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)議的論文在線發(fā)表，美國(guó)和英國(guó)也推出了鼓勵(lì)預(yù)印共享的政策?，F(xiàn)在，大多數(shù)學(xué)術(shù)期刊都允許作者提交預(yù)印本論文，一些編輯還會(huì)在免費(fèi)生物學(xué)預(yù)印服務(wù)器——bioRxiv上，搜索可供出版的論文。
燕山大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系教授蘇計(jì)國(guó)：當(dāng)一名科學(xué)家的研究工作有了重要發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)做法是將論文草稿提交到某一學(xué)術(shù)期刊，通過(guò)同行評(píng)議，然后進(jìn)行公開發(fā)表，但這一過(guò)程往往要持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間?，F(xiàn)在科學(xué)家有了新選擇，通過(guò)提交預(yù)印本，即可將研究成果第一時(shí)間向全世界公布。預(yù)印本有助于年輕科學(xué)家迅速建立學(xué)術(shù)聲譽(yù)，已在生物學(xué)界引起科學(xué)交流方式的重大變化。
精準(zhǔn)基因編輯
超過(guò)6萬(wàn)個(gè)遺傳畸變與人類疾病有關(guān)，其中，有近3.5萬(wàn)個(gè)是由最微小的錯(cuò)誤造成的：基因組中特定位點(diǎn)的某一個(gè)DNA堿基發(fā)生了變化。2017年，研究者宣布了“堿基編輯”新技術(shù)中一項(xiàng)重要的改進(jìn)，不僅可在DNA，而且能在RNA中修正這種點(diǎn)突變。哈佛大學(xué)華裔科學(xué)家劉如謙是這項(xiàng)研究的先鋒人物，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)堿基編輯器，能在不切斷DNA的情況下，在特定位點(diǎn)解開DNA，用化學(xué)方法替換單個(gè)堿基。
省科學(xué)院生物研究所研究員宋水山：人類的很多疾病與遺傳物質(zhì)DNA有關(guān)，近幾年，炙手可熱的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)可以刪減、替換和修復(fù)基因，為治愈人類遺傳疾病帶來(lái)希望。但CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)依賴于切斷靶標(biāo)DNA，可能對(duì)DNA雙鏈結(jié)構(gòu)造成破壞，另外CRISPR/Cas9還存在脫靶效應(yīng)，由此也帶來(lái)了應(yīng)用上的安全顧慮。劉如謙團(tuán)隊(duì)開發(fā)的堿基編輯器，可實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”修復(fù)基因突變，這在未來(lái)人類基因治療中具有巨大的應(yīng)用潛力。
廣譜抗癌藥走向臨床
人們一直期待著有這樣一種治療癌癥的藥物：它不針對(duì)某個(gè)特定的癌癥發(fā)病器官，而是根據(jù)癌細(xì)胞的DNA，無(wú)差別地進(jìn)行治療。2017年5月，美國(guó)食品與藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)了一款廣譜抗癌藥——Keytruda。此前，該藥已獲批治療黑色素瘤和少數(shù)幾種其他腫瘤，現(xiàn)在，它還可用于治療兒童和成人的任何包含錯(cuò)配修復(fù)缺陷的晚期實(shí)體腫瘤。
河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院藥學(xué)部主管藥師徐敬樸：Keytruda的獲批是人類精準(zhǔn)醫(yī)療史上邁出的重大一步，這是FDA第一次放棄腫瘤的組織來(lái)源，按照分子特征來(lái)區(qū)分腫瘤類型，因此該藥也被稱為廣譜抗癌藥。需要注意的是，這里所說(shuō)的“廣譜”并不是指適用于任何腫瘤患者，而是指其適應(yīng)癥不再是局限于某一部位的腫瘤，如肺癌、結(jié)直腸癌等，其適用前提為癌細(xì)胞必須具有“錯(cuò)配修復(fù)缺陷”。與傳統(tǒng)的廣譜化療藥相比，該藥的不良反應(yīng)也會(huì)較少。
發(fā)現(xiàn)270萬(wàn)年前古老冰芯
如何“穿越”回270萬(wàn)年前的地球?“鑰匙”就冰封在南極冰層下一個(gè)個(gè)微小的氣泡中。2017年，普林斯頓大學(xué)和緬因大學(xué)的研究者宣布，他們獲取了保存著270萬(wàn)年前地球大氣的南極冰塊，這比此前最古老的冰芯還要早170萬(wàn)年，從而將地球氣候歷史又向前推到一個(gè)非常重要的時(shí)期——那時(shí)，冰河時(shí)代才剛剛開始，大氣中的二氧化碳濃度在300ppm以下，遠(yuǎn)低于今天的400ppm。盡管這與當(dāng)時(shí)某些間接記錄存在矛盾，卻也證實(shí)了氣候模型的預(yù)測(cè)，即在這樣的低濃度下，地球會(huì)進(jìn)入冰期循環(huán)。
省科學(xué)院地理科學(xué)研究所高級(jí)工程師張可慧：在地球環(huán)境40多億年漫長(zhǎng)的演變歷史中，氣候?yàn)槭裁纯偸抢渑惶孀兓?，其中又有哪些?guī)律和特征，一直是人類不斷探索的難題。與淺海動(dòng)物化石、古土壤、泥炭、孢粉等古氣候代用指標(biāo)相比，冰芯能記錄更為久遠(yuǎn)的古氣候大氣組成、溫度、降水等信息。此次科學(xué)家找到了270萬(wàn)年前凍結(jié)的南極冰芯，對(duì)于人類恢復(fù)古氣候情景，正確估測(cè)現(xiàn)代氣候狀態(tài)，合理評(píng)估現(xiàn)代人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化等，都具有重要意義。
發(fā)現(xiàn)“30萬(wàn)歲”智人化石
一個(gè)摩洛哥洞穴中長(zhǎng)期被忽視的頭骨，將我們這一物種(智人)的化石記錄又向前推移了一大步。這塊頭骨于1961年由礦工發(fā)現(xiàn)，曾被認(rèn)為屬于非洲的尼安德特人，因其又呈現(xiàn)出一些現(xiàn)代特征，如臉是收攏在頭骨下方而不是向前突出等，再次引起了科學(xué)家的探究興趣。重新發(fā)掘該頭骨的發(fā)現(xiàn)地，研究人員驚嘆這批化石的“年齡”竟達(dá)30萬(wàn)歲，這比此前在埃塞俄比亞發(fā)現(xiàn)的、被廣泛認(rèn)為最古老的智人化石年代，還早了約10萬(wàn)年。
河北師范大學(xué)歷史文化學(xué)院副教授牛東偉：現(xiàn)代人起源問(wèn)題是人類起源研究的重要組成部分，近些年來(lái)，有關(guān)早期現(xiàn)代人的發(fā)現(xiàn)和研究呈突飛猛進(jìn)之勢(shì)。此次發(fā)現(xiàn)的智人化石，是目前世界上已知最早的擁有精確定年的早期現(xiàn)代人化石，演化鏈條在時(shí)間上進(jìn)一步拉長(zhǎng)。此外，化石發(fā)現(xiàn)地位于北非的摩洛哥，空間范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，表明智人的演化過(guò)程并不僅僅發(fā)生在東非，而是涉及整個(gè)非洲大陸。
基因治療的勝利
一項(xiàng)臨床試驗(yàn)的“小”成功，推動(dòng)了基因治療領(lǐng)域的大發(fā)展。脊髓性肌肉萎縮癥1型(SMA1)是導(dǎo)致嬰兒死亡的最常見遺傳疾病之一，即使進(jìn)行治療，絕大多數(shù)患兒也活不過(guò)20個(gè)月。SMA1患者體內(nèi)，一種名為SMN的蛋白質(zhì)因編碼基因SMN-1的功能缺失而異常，而SMN蛋白對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的存活至關(guān)重要。2017年，研究人員報(bào)告稱，通過(guò)腺相關(guān)病毒9型(AAV9)為載體的基因療法將編碼SMN蛋白所需的基因注入患兒體內(nèi)，成功延長(zhǎng)了15名SMA1患兒的生命。目前，美國(guó)食品與藥品監(jiān)督管理局已正式批準(zhǔn)其上市。
河北醫(yī)科大學(xué)教授汪治宇：這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵涉及一種腺相關(guān)病毒(AAV)。這是一類結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的單鏈DNA缺陷型病毒，需要輔助病毒(通常為腺病毒)參與復(fù)制。這項(xiàng)臨床試驗(yàn)的重大意義在于，研究者可以利用這一基因療法保護(hù)大腦和脊髓免受血液傳播病原體和毒素的傷害，或者治療其他神經(jīng)退行性疾病。同時(shí)，該技術(shù)的成功也宣告了基因治療時(shí)代的到來(lái)。
便攜式中微子探測(cè)器
中微子產(chǎn)生于特定的核反應(yīng)過(guò)程，與其他物質(zhì)相互作用極少，因此盡管有無(wú)數(shù)的中微子不斷穿過(guò)地球，卻一直很難探測(cè)。1974年，理論物理學(xué)家預(yù)測(cè)稱，如果一個(gè)中微子的能量足夠低，就可被視為一種量子波，能反射原子核中所有的質(zhì)子和中子，同時(shí)產(chǎn)生可被探測(cè)到的反沖。2017年，使用一臺(tái)重量?jī)H僅和微波爐差不多的便攜式探測(cè)器，研究者便發(fā)現(xiàn)了最難以琢磨的亞原子粒子——中微子，實(shí)現(xiàn)了跨越40年之久的探索目標(biāo)。
燕山大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系教師吳一東：中微子又被稱為“幽靈粒子”，在之前的中微子探測(cè)中，通常要使用非常巨大的探測(cè)器來(lái)增加中微子與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的概率，如日本的超級(jí)神岡探測(cè)器就重達(dá)5萬(wàn)噸。由于中微子在傳播過(guò)程中幾乎沒(méi)有損耗，可以直接透過(guò)地球，便攜式中微子探測(cè)器的出現(xiàn)使利用中微子通信成為可能，即在不用衛(wèi)星和微波站的情況下，實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)間的溝通聯(lián)系。
