《科學》雜志評過去10年十大科學突破

《科學》雜志評過去10年十大科學突破

著名學術(shù)期刊美國《科學》雜志公布了過去10年的十大科學成就，他們改變了進入新千年以來的科學面貌。

過去10年十大科學突破具體如下：

㈠ 精確宇宙學

過去10年時間里，研究人員進一步精確宇宙的構(gòu)成。根據(jù)他們的研究，普通物質(zhì)在宇宙中的比重占4%，暗物質(zhì)占23%，暗能量占73%。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了這些物質(zhì)和能量結(jié)合在一起的方式。這些研究突破將宇宙學變成一門立基于一項標準理論的精確科學。這項理論只為其他想法留下很少的空間。

宇宙學： 天文學（一級學科）；星系和宇宙（二級學科）

宇宙學研究的對象是整個可觀測時空范圍的大尺度特征。

演化發(fā)展：

在中國古代，關(guān)于宇宙的結(jié)構(gòu)主要有三派學說，即蓋天說、渾天說和宣夜說。蓋天說認為大地是干坦的，天像一把傘覆蓋著大地；渾天說認為天地具有蛋狀結(jié)構(gòu)，地在中心，天在周圍；宣夜說則認為天是無限而空虛的，星辰就懸浮在空虛之中。在古代希臘和羅馬，從公元前6世紀到公元1世紀，關(guān)于宇宙的構(gòu)造和本原有過許多學說。如畢達哥拉斯學派的中心火焰說(設(shè)想宇宙中心有一團大火焰)；赫拉克利特的日心說；柏拉圖的正多面體宇宙結(jié)構(gòu)模型等等。

進入中世紀后，宇宙學被納入經(jīng)院哲學體系，地心說占據(jù)正統(tǒng)的地位。16世紀哥白尼倡導(dǎo)日心說。到17世紀，牛頓開辟了以力學方法研究宇宙學的途徑，建立了經(jīng)典宇宙學。20世紀以來，在大量的天文觀測資料和現(xiàn)代物理學的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了現(xiàn)代宇宙學。

從歷史上看，隨著時代的發(fā)展，作為宇宙學研究對象的天體系統(tǒng)，在深度和廣度上不斷擴展。古代自然哲學家所討論的天文學的宇宙，不外乎大地和天空。哥白尼在《天體運行論》一書中說“太陽是宇宙的中心”，意味著宇宙實質(zhì)上就是太陽系。

圖為哈勃太空望遠鏡拍攝的照片。借助于“哈勃”，天文學家在尋找暗物質(zhì)道路上不斷取得突破。

18世紀天文學家引進“星系”一詞，當時這個詞在一定意義上說只不過是宇宙的同義語。20世紀以來，天文觀測的尺度大大擴展，達到上百億年和上百億光年的時空區(qū)域?，F(xiàn)代宇宙學所研究的課題，就是現(xiàn)今觀測直接或間接所及的整個天區(qū)的大尺度特征，即大尺度時空的性質(zhì)、物質(zhì)運動的形態(tài)和規(guī)律。

㈡ 超材料

通過合成具有非傳統(tǒng)光學特性的材料，物理學家找到了引導(dǎo)和操縱光線的新方式，可以用于研制挑戰(zhàn)解析度極限的鏡頭。他們甚至已開始研制哈利·波特風格的隱形斗篷，讓物體“化為無形”。

超材料

是21世紀物理學領(lǐng)域出現(xiàn)的一個新的學術(shù)詞匯，目前尚未有一個嚴格的、權(quán)威的定義。但一般文獻中都認為其是“具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料”。

迄今發(fā)展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等。但是“超材料”這一新的觀念尚未被學術(shù)界，特別是材料學界完全接受。不過，作為一種材料設(shè)計理念，已開始為越來越多的學者所關(guān)注。

要獲得理想的“超材料”，“材料”的選擇是至關(guān)重要的。對于光子晶體材料，人們在實驗上長期追求的目標是實現(xiàn)光頻段的完全光子帶隙?？茖W家選擇了銀作為介電背景，銀在可見光范圍的折射率在0.2-0.4左右，且有很好的透光性。利用化學過程將銀引入到聚乙烯微球晶體，結(jié)果獲得了具有接近完全帶隙的光子晶體。利用材料科學的原理，把各種功能材料引入“超材料”系統(tǒng)，有可能獲得具有新功能的超材料或器件。

右圖為超材料斗篷，可以彎曲微波。超材料領(lǐng)域取得的這一突破能夠為將來研制哈利·波特風格的隱形斗篷鋪平道路。

㈢ 暗基因組

科學家發(fā)現(xiàn)基因在基因組中的比重只有1.5%。研究證明，包括小的編碼和非編碼RNA(核糖核酸)在內(nèi)的余下部分與基因同樣重要。

基因組，一般的定義是單倍體細胞中的全套染色體為一個基因組，或是單倍體細胞中的全部基因為一個基因組?？墒腔蚪M測序的結(jié)果發(fā)現(xiàn)基因編碼序列只占整個基因組序列的很小一部分。因此，基因組應(yīng)該指單倍體細胞中包括編碼序列和非編碼序列在內(nèi)的全部DNA分子。說的更確切些，核基因組是單倍體細胞核內(nèi)的全部 DNA分子；線粒體基因組則是一個線粒體所包含的全部DNA分子；葉綠體基因組則是一個葉綠體所包含的全部DNA分子。

㈣ 系外行星

截至2000年，研究人員只在我們的太陽系外發(fā)現(xiàn)26顆行星。截至2010年，這一數(shù)字已攀升至502顆。據(jù)天文學家預(yù)計，隨著觀測技術(shù)的越發(fā)先進，他們能夠發(fā)現(xiàn)更多類地行星。大型系外行星的體積和運行軌道讓科學家對

行星系統(tǒng)形成和演變的認識發(fā)生革命性變化。

早在19世紀便有天文學家聲稱發(fā)現(xiàn)系外行星。1855年，在東印度公司馬德拉斯天文臺工作的雅各發(fā)現(xiàn)蛇夫座70雙星系統(tǒng)軌道異常，懷疑當中有類似行星的物體；1890年代，芝加哥大學及美國海軍天文臺的湯瑪斯·杰佛遜·杰克遜·希聲稱軌道異常證明該系統(tǒng)當中有一個公轉(zhuǎn)周期為36年的黑暗物體，但福雷斯特·雷·莫爾頓隨即指出這樣的系統(tǒng)極不穩(wěn)定。在1950至1960年代，斯沃斯莫爾學院的彼德·范德聲稱發(fā)現(xiàn)了繞著巴納德星公轉(zhuǎn)的行星。后來的天文學家普遍認為這些早期觀測都是錯誤的。

加拿大天文學家布魯斯·坎貝爾等人在1988年的結(jié)果是首次獲得隨后觀測確認的發(fā)現(xiàn)，他們利用視向速度法發(fā)現(xiàn)圍繞仙王座γ（少衛(wèi)增八）的行星；然而因為當年技術(shù)條件所限，包括發(fā)現(xiàn)者本身的天文學界都對結(jié)果有所保留。也有人懷疑這些其實是質(zhì)量介乎于行星和恒星之間的棕矮星。

隨后不少觀測支持仙王座γ擁有行星，但亦有研究顯示相反的證據(jù)。最終到了2003年運用改進了的觀測技術(shù)方能證實。

1991年，安德魯·林恩等人聲稱運用脈沖星計時法發(fā)現(xiàn)了一個圍繞PSR 1829-10的脈沖星行星。雖然結(jié)果受到注目，但林恩及其研究隊伍很快便撤回結(jié)果。

1993年，波蘭天文學家阿萊克桑德·沃爾茲森及戴爾·弗雷宣布發(fā)現(xiàn)一個圍繞PSR 1257+12的脈沖星行星。這項發(fā)現(xiàn)迅速被確認，普遍認為這是首次對系外行星的確認。這些系外行星相信是由超新星的殘余物所構(gòu)成，或是巨型氣體行星的固體核心被超新星拋出所形成。

辛娜仍沒動靜，王樹林穿著一條褲衩出了浴房。你干嗎呢？還不快點。人就跟著話音進了臥室。辛娜坐在床沿背對著他，肩頭聳動。辛娜在刷屏。這兩年辛娜的熱情都交給了手機，交給了手機里的聊天和微信，或許還有某個人。每個人都有自己的生活空間，別人無權(quán)干涉。這句話總被辛娜掛在嘴邊，貌似成立，但采購助理王樹林覺得網(wǎng)絡(luò)上的虛擬空間無時不刻不在侵占現(xiàn)實生活，擠壓了現(xiàn)世男女平靜平凡的生活空間。網(wǎng)絡(luò)借助手機阻隔了原本簡單直接的交流通道，變得復(fù)雜虛幻甚至是言不由衷起來。餐廳里，就餐的三人五人甚至一桌人不是早就放棄喁喁交談竊竊私語莫不采用相同的雕塑般的姿態(tài)垂首顧屏嗎？

1995年10月6日，日內(nèi)瓦大學的米歇爾·麥耶及戴狄爾·魁若茲宣布首次發(fā)現(xiàn)一顆普通主序星（飛馬座51）的行星，這發(fā)現(xiàn)開展了當代的系外行星發(fā)現(xiàn)。先進的科技，特別是高解像度的光譜學，大大加速了新系外行星的發(fā)現(xiàn)。這些新發(fā)展讓天文學家可以憑行星對母星的重力影響間接偵測到系外行星的存在，亦有行星因為經(jīng)過母星前面導(dǎo)致母星光度減弱而被發(fā)現(xiàn)。

㈤ 古生物分子

古代DNA和膠原質(zhì)等生物分子能夠存在數(shù)萬年，為了解已滅絕很久的動植物和人類種群提供了重要信息，這一發(fā)現(xiàn)無疑是古生物學研究領(lǐng)域的巨大突破。通過對這些微型“時間機器”進行分析，研究人員能夠揭示出解剖學方面的適應(yīng)性，例如恐龍羽毛的顏色或者多毛猛犸如何抵御嚴寒，所有這些信息都是骨骼樣本分析無法提供的。

古生物生存在地球歷史的地質(zhì)年代中、而現(xiàn)已大部分絕滅的生物。包括古植物(蘆木、鱗木等)、古無脊椎古生物(三葉蟲)動物(貨幣蟲、三葉蟲、菊石等)、古脊椎動物(恐龍、始祖鳥、猛犸等)。古生物死后，除極少數(shù)(如凍土中的猛犸，琥珀中的昆蟲)由于特殊條件，仍保存原有的組織結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)經(jīng)過鈣化、碳化、硅化，或其他礦化的填充和交替石化作用，形成僅具原來硬體部分的形狀、結(jié)構(gòu)、印模等的化石。

㈥ 火星有水

過去10年進行的12項火星探測任務(wù)中，有6項發(fā)現(xiàn)了能夠證據(jù)這顆紅色星球表面或內(nèi)部一度存在足夠水的證據(jù)，這些水足以改變巖層和支持生命存在。在地球上開始出現(xiàn)生命前后，火星上可能仍有水存在?，F(xiàn)在的火星仍有足夠濕氣，鼓勵科學家搜尋能夠呼吸的活細菌。

火星是太陽系由內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，屬于類地行星，直徑為地球的一半，自轉(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期相近，公轉(zhuǎn)一周則花兩倍時間。在西方稱為戰(zhàn)神瑪爾斯，中國則稱為“熒惑”。橘紅色外表是因為地表的赤鐵礦（氧化鐵）?；鹦腔旧鲜巧衬行?，地表沙丘、礫石遍布，沒有穩(wěn)定的液態(tài)水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發(fā)生。火星兩極皆有水冰與干冰組成的極冠，會隨著季節(jié)消長。

火星是距太陽第4近，也是太陽系中第7 大行星。

公轉(zhuǎn)軌道：離太陽227940000 千米 (1.52 天文單位) 。

太陽系八大行星之一，按離太陽由近而遠的次序計為第四顆，比地球小，公轉(zhuǎn)周期約687天，自轉(zhuǎn)周期約24小時37分。

公轉(zhuǎn)周期：686.98天

自轉(zhuǎn)周期：24小時37分22秒

行星直徑：6794千米

赤道逃逸速度：5.02 km/sec

火星大氣密度是有地球的1%，非常干燥，溫度低，表面平均溫度零下63℃，水和二氧化碳易凍結(jié)，高級生命無法生存。

火星表面積只有地球的四分之一，確切一點火星的表面積是地球的28%（地球的表面積大約是五億一千零一十萬九百三十四平方公里），火星的直徑為6786千米，每24.62小時自轉(zhuǎn)一周。

火星耶澤洛隕坑三角洲地帶的色彩增強照片，由美國宇航局的火星偵察軌道器于2008年拍攝。

火星的軌道是橢圓形。因此，在接受太陽照射的地方，近日點和遠日點之間的溫差將近160攝氏度。這對火星的氣候產(chǎn)生巨大的影響?；鹦巧系钠骄鶞囟却蠹s為218K（開爾文，溫度單位，即從絕對零度-273.16℃開始的攝氏度）（-55℃，-67℉），但卻具有從冬天的140K（-133℃，-207℉）到夏日白天的將近300K（27℃，80℉）的跨度。盡管火星比地球小得多，但它的表面積卻相當于地球表面的陸地面積。

火星的表面有很多年代已久的環(huán)形山。但是也有不少形成不久的山谷、山脊、小山及平原。環(huán)形山的成因有很多：如隕石撞擊坑，火山口。

火星的內(nèi)部情況只是依靠它的表面情況資料和有關(guān)的大量數(shù)據(jù)來推斷的。一般認為它的核心是半徑為1700千米的高密度物質(zhì)組成；外包一層熔巖，它比地球的地幔更稠些；最外層是一層薄薄的外殼。相對于其他固態(tài)行星而言，火星的密度較低，這表明，火星核中的鐵（鎂和硫化鐵）可能含帶較多的硫。

如同水星和月球，火星也缺乏活躍的板塊運動；沒有跡象表明火星發(fā)生過能造成像地球般如此多褶皺山系的地殼平移活動。由于沒有橫向的移動，在地殼下的巨熱地帶相對于地面處于靜止狀態(tài)。再加之地面的輕微應(yīng)力，造成了Tharis凸起和巨大的火山。但是，人們卻未發(fā)現(xiàn)火山最近有過活動的跡象。雖然，火星可能曾發(fā)生過很多火山運動，可它看來從未有過任何板塊運動。

在火星的早期，它與地球十分相似。像地球一樣，火星上幾乎所有的二氧化碳都被轉(zhuǎn)化為含碳的巖石。但由于缺少地球的板塊運動，火星無法使二氧化碳再次循環(huán)到它的大氣中，從而無法產(chǎn)生意義重大的溫室效應(yīng)。因此，即使把它拉到與地球距太陽同等距離的位置，火星表面的溫度仍比地球上的冷得多。

火星表面的平均大氣壓強僅為大約7毫巴（比地球上的1%還?。S著高度的變化而變化。

㈦ 細胞再編程

在過去10年時間里，一直被視為一條“單行道”的發(fā)育過程最終實現(xiàn)“轉(zhuǎn)向”。研究人員已能夠?qū)ν耆l(fā)育成熟的細胞進行“再編程”，使其變成所謂的誘導(dǎo)性多功能干細胞。這種細胞具備發(fā)育成所有類型細胞的潛力。目前，這項技術(shù)已用于培育患有罕見疾病的患者的細胞系，科學家希望能夠最終培育出基因上匹配的替代細胞、組織和器官。

在胚胎發(fā)育過程中，大量具有全能性的胚胎干細胞分化成人體的各種組織和器官，如肝臟、腎臟、心臟、大腦以及其他臟器。

從胚胎中提取的干細胞可塑性最強，被稱為“萬能細胞”，在醫(yī)學上，尤其在人體器官移植方面潛在價值很大。然而作為胚胎干細胞“原材料”之一的卵子來源始終是困擾科學研究者的一大問題。一般用于研究的人類卵子主要為體外受精的女性所剩余的，要想使用必須經(jīng)過捐獻者的同意，這造成卵子數(shù)量嚴重不足。而在現(xiàn)階段，培育一個胚胎干細胞需要幾百個卵子，相當困難。對細胞重編程“定制”細胞系解決了這個問題。通過這項工作，能讓已有的細胞分化程序進行逆向操作，即讓分化的體細胞重新變?yōu)槿芨杉毎?，重新進行分化，產(chǎn)生所需要的組織和器官。

㈧ 微生物群

在看待以人體為“家”的微生物和病毒的角度發(fā)生的重大改變促使研究人員提出微生物群的概念，或者說宏基因組，生活在人類以及其他生物表面或者體內(nèi)。人體內(nèi)90%的細胞是微生物，科學家已開始了解重要的微生物基因如何影響我們能夠從食物中吸收多少能量，以及我們的免疫系統(tǒng)如何對感染做出響應(yīng)。

㈨ 炎癥

不是很久以前，發(fā)炎還被視為我們康復(fù)機制的一個“伙伴”，可暫時幫助免疫細胞修復(fù)外傷或者感染導(dǎo)致的組織損傷?，F(xiàn)在，研究人員認為發(fā)炎也是慢性病后面的驅(qū)動力。包括癌癥、阿爾茨海默氏病、動脈硬化、糖尿病和肥胖癥等慢性病幾乎可能讓人類走向毀滅。

炎癥，就是平時人們所說的“發(fā)炎”，是機體對于刺激的一種防御反應(yīng)，表現(xiàn)為紅、腫、熱、痛和功能障礙。炎癥，可以是感染引起的感染性炎癥，也可以不是由于感染引起的非感染性炎癥。通常情況下，炎癥是有益的，是人體的自動的防御反應(yīng)，但是有的時候，炎癥也是有害的，例如對人體自身組織的攻擊、發(fā)生在透明組織的炎癥等等。

在炎癥過程中，一方面損傷因子直接或間接造成組織和細胞的破壞，另一方面通過炎癥充血和滲出反應(yīng)，以稀釋、殺傷和包圍損傷因子。同時通過實質(zhì)和間質(zhì)細胞的再生使受損的組織得以修復(fù)和愈合。因此可以說炎癥是損傷和抗損傷的統(tǒng)一過程。

㈩ 氣候變化

《科學》雜志表示，研究人員發(fā)現(xiàn)他們有關(guān)氣候變化的溫度變化方面的很多預(yù)測在這個10年是正確的。

氣候變化是指氣候平均狀態(tài)隨時間的變化，即氣候平均狀態(tài)和離差（距平）兩者中的一個或兩個一起出現(xiàn)了統(tǒng)計意義上的顯著變化。離差值越大，表明氣候變化的幅度越大，氣候狀態(tài)越不穩(wěn)定。

氣候變化的原因可能是自然的內(nèi)部進程，或是外部強迫，或者是人為地持續(xù)對大氣組成成分和土地利用的改變。既有自然因素,也有人為因素。在人為因素中,主要是由于工業(yè)革命以來人類活動特別是發(fā)達國家工業(yè)化過程的經(jīng)濟活動引起的。化石燃料燃燒和毀林、土地利用變化等人類活動所排放溫室氣體導(dǎo)致大氣溫室氣體濃度大幅增加,溫室效應(yīng)增強,從而引起全球氣候變暖。氣候變化會帶來哪些影響?氣候變化導(dǎo)致災(zāi)害性氣候事件頻發(fā),冰川和積雪融化加速,水資源分布失衡,生物多樣性受到威脅。氣候變化還引起海平面上升,沿海地區(qū)遭受洪澇、風暴等自然災(zāi)害影響更為嚴重,小島嶼國家和沿海低洼地帶甚至面臨被淹沒的威脅。氣候變化對農(nóng)、林、牧、漁等經(jīng)濟社會活動都會產(chǎn)生不利影響,加劇疾病傳播,威脅社會經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾身體健康。據(jù)政府間氣候變化專門委員會報告,如果溫度升高超過2.5℃,全球所有區(qū)域都可能遭受不利影響,發(fā)展中國家所受損失尤為嚴重;如果升溫4℃,則可能對全球生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆的損害,造成全球經(jīng)濟重大損失。據(jù)2006年我國發(fā)布的《氣候變化國家評估報告》,氣候變化對我國的影響主要集中在農(nóng)業(yè)、水資源、自然生態(tài)系統(tǒng)和海岸帶等方面,可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性增加、南方地區(qū)洪澇災(zāi)害加重、北方地區(qū)水資源供需矛盾加劇、森林和草原等生態(tài)系統(tǒng)退化、生物災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性銳減、臺風和風暴潮頻發(fā)、沿海地帶災(zāi)害加劇、有關(guān)重大工程建設(shè)和運營安全受到影響。

目前的氣候變化，全球科學家的共識是：有90%以上的可能是人類自己的責任，人類今日所作的決定和選擇，會影響氣候變化的走向。今日，地球比過去兩千年都要熱。如果情況持續(xù)惡化，于本世紀末，地球氣溫將攀升至二百萬年來的高位。