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(lái)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(shí)代開(kāi)始，生物學(xué)家便對單個(gè)細胞如何發(fā)育成擁有多個(gè)器官和數十億細胞的成年動(dòng)物之謎感到震驚。

但現在，人們知道，是DNA最終精心安排了細胞增殖和分化的過(guò)程。

如今，3種技術(shù)的組合正在揭示單個(gè)細胞中的基因何時(shí)啟動(dòng)，從而暗示細胞發(fā)揮其專(zhuān)門(mén)的作用。

由此，科學(xué)家能以驚人的細節——按照逐個(gè)細胞并隨著(zhù)時(shí)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(dòng)基礎研究和醫學(xué)進(jìn)化方面的潛力列為2018年度十大突破之首。

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

德國柏林馬克斯—德?tīng)柌紖慰讼到y生物學(xué)家Nikolaus Rajewsky認為，這3項技術(shù)“將改變未來(lái)10年的研究”。

來(lái)自遙遠星系的信使

來(lái)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(wú)法展示的東西。

今年，另一種信使加入這場(chǎng)“聚會(huì )”：中微子。這是一種幾乎沒(méi)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(jiàn)情形下觸發(fā)的微弱閃光。

這個(gè)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(lái)自銀河系外。但科學(xué)家無(wú)法確定它們的特定宇宙來(lái)源。

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

幾天后，向其他望遠鏡發(fā)出的警報產(chǎn)生了相同結果。

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(xiàn)太空望遠鏡發(fā)現了一個(gè)被稱(chēng)為耀變體的極其明亮的來(lái)源。而上述中微子似乎恰好來(lái)自那里。

幾分鐘確定分子結構

今年10月，兩個(gè)研究團隊同時(shí)發(fā)表論文，揭示了一種僅在幾分鐘內便可確定小型有機化合物分子結構的方法。

幾十年來(lái)，分子定位的黃金標準是一項被稱(chēng)為X射線(xiàn)結晶學(xué)的技術(shù)。

近年來(lái)，研究人員通過(guò)用電子束代替X射線(xiàn)，改進(jìn)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(huì )疊在一起。

產(chǎn)生的三維晶體對于普通電子衍射來(lái)說(shuō)無(wú)法發(fā)揮作用，對于X射線(xiàn)衍射來(lái)說(shuō)又太小了。

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

他們向處于旋轉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(zhù)每次輕微的轉彎而發(fā)生改變。該技術(shù)可在幾分鐘內產(chǎn)生分子結構，而其需要的晶體只有X射線(xiàn)研究所需大小的10億分之一。

冰河時(shí)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(gè)北極發(fā)送沖擊波。 “疤痕”就此留下—— 一個(gè)被稱(chēng)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。

在機載雷達揭示了這個(gè)潛伏在數千米厚冰蓋下面的撞擊坑后，科學(xué)家在11月報告了這個(gè)驚人的發(fā)現。 Hiawatha是地球上25個(gè)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(lái)自此次撞擊事件的融水涌入大西洋北部，并通過(guò)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(wàn)年前。撞擊坑冰層深處的擾動(dòng)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(lái)。

#MeToo帶來(lái)大不同

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

該報告或是一個(gè)轉折點(diǎn)。

它基于來(lái)自?xún)蓚€(gè)大型高校系統的最新數據提出，依據職業(yè)生涯所處階段和領(lǐng)域不同，超過(guò)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(jiàn)的形式：語(yǔ)言和非語(yǔ)言上的性別歧視與敵意。

今年，若干機構已經(jīng)采取了行動(dòng)。

一些機構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(dòng)，在調查證實(shí)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(kāi)。

其他機構則宣布了政策上的變動(dòng)。

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

古人“混血兒”

一塊來(lái)自生活在5萬(wàn)多年前女性的骨頭碎片揭示了兩種已經(jīng)滅絕的古人類(lèi)之間“驚人”的聯(lián)系。

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

分析結果顯示，“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、丹尼索瓦人和現代人類(lèi)至少偶爾會(huì )在冰河時(shí)代的歐洲和亞洲進(jìn)行雜交。

這一最新發(fā)現是尼安德特人和丹尼索瓦人相遇的親密見(jiàn)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(jìn)行研究。

法醫系譜學(xué)時(shí)代到來(lái)

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”：警方利用犯罪現場(chǎng)回收的DNA，通過(guò)公共家譜DNA數據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(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域：法醫系譜學(xué)。

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

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

在金州殺人案中，當局使用了一個(gè)公共的、簡(jiǎn)潔的在線(xiàn)DNA 數據庫：GEDMatch。

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

調查人員將犯罪現場(chǎng)的DNA 圖譜上傳到數據庫后，找到了嫌疑人的幾個(gè)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(shù)，最終將證據指向了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場(chǎng)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，短RNA分子可附著(zhù)在信使RNA上，從而破壞基因的翻譯。這一進(jìn)展為他們贏(yíng)得了諾貝爾獎，但將其轉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，并將其導向正確的組織，但結果不盡人意。

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(guò)阻止蛋白質(zhì)折疊錯誤的產(chǎn)生，治療一種被稱(chēng)為遺傳性轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變性的罕見(jiàn)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管機構的批準，并以每年45萬(wàn)美元的定價(jià)進(jìn)入市場(chǎng)。

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)現了分子痕跡，從而對這個(gè)神秘世界的認識更加清晰。

9月，來(lái)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(chēng)為“迪金森尼亞”的橢圓形生物長(cháng)1.4米，全身有肋骨狀結構，屬于埃迪卡拉生物群。

這類(lèi)生物比5.4億年前“寒武紀大爆發(fā)”中出現的大量動(dòng)物早了近2000萬(wàn)年。

研究證明，當時(shí)的動(dòng)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(dòng)物世界。

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

細胞如何自我管理

細胞內的各組分是如何協(xié)調的，以至于能在正確的時(shí)間和地點(diǎn)行使功能？

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

從2009年開(kāi)始，研究人員發(fā)現許多蛋白質(zhì)能形成離散的液滴，特別是當細胞對壓力作出反應時(shí)。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(chēng)，驅動(dòng)遺傳密碼從DNA轉移到RNA的蛋白質(zhì)，可凝結成附著(zhù)在DNA上的液滴。

雖然細節還有待研究，但它們揭示了液相分離在生命的一個(gè)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(gè)過(guò)程出錯時(shí)，原本應該是液體的東西會(huì )變成凝膠，進(jìn)而凝固，形成肌萎縮側索硬化癥等神經(jīng)退行性疾病中出現的各種聚集體。

（閆潔 唐鳳）

摘自《中國科學(xué)報》