透視2018年十大熱點科學事件

2018年，從細胞圖譜的發(fā)展到人類登上月球背面的探索，從塑料垃圾、空氣污染到氣候變化的崩盤，從最古老生物和混血兒的發(fā)現(xiàn)到新型零電阻材料的開發(fā)，科學在人類生活中一如既往地扮演著無可替代的角色。

南方周末特約撰稿 祝葉華

氣候變化加劇，多米諾骨牌效應凸顯

2018年是氣候變化擊中要害的一年。受氣候影響的災害越來越嚴重，持續(xù)時間也越來越長。

從熱浪到越來越嚴重的風暴、洪水和火災，氣候變化對人類的影響正在激增，并有可能壓倒衛(wèi)生系統(tǒng)。11月，《柳葉刀》（The Lancet）上發(fā)布的一項報告中稱，氣候變化導致了持續(xù)的升溫和更惡劣的天氣，這使其成為“21世紀最大的全球健康威脅”。報告稱，2017年全球暴露在熱浪中的人數(shù)比2000年增加了1.57億；氣候變暖正在擴大蚊子傳播疾病的潛在范圍；高溫環(huán)境也可能使一些致病微生物對抗生素產(chǎn)生更大的耐藥性；大氣中不斷上升的CO2水平正在減少谷類作物的營養(yǎng)成分，甚至對于那些有足夠食物的人來說，營養(yǎng)不良的風險也在上升。

在過去20年里，已經(jīng)有數(shù)億人受到氣候變化的影響。2018年幾項記錄將繼續(xù)被打破：世界海洋的整體溫度是有記錄以來最高的；海平面比20世紀90年代高出8cm，且上升速度還在加快；全球溫室氣體排放量再次創(chuàng)下歷史新高，氣候變化可能或正在引發(fā)毀滅人類的多米諾骨牌效應。

從一到無窮，繪制細胞發(fā)展譜圖

通過結(jié)合多種技術(shù)，生物學家逐漸可在單細胞尺度上揭示各個基因何時啟動并誘導細胞分化，并進而揭示一個細胞如何發(fā)育成擁有多個器官和數(shù)十億細胞的成年動物的秘密。2018年，單細胞水平細胞譜系追蹤技術(shù)又有了新的突破。

推動這些進步的是將數(shù)千個完整的細胞從生物體中分離出來的技術(shù)；獲得各個細胞的基因表達情況的測序技術(shù)；以及最終利用計算機標記細胞，重建這些細胞的時間與空間關(guān)系的技術(shù)，這3項技術(shù)可以詳細地為人類呈現(xiàn)生物體和器官的發(fā)育過程。2018年，研究人員更是利用單細胞RNA-seq的技術(shù)組合對脊椎動物胚胎進行了更廣泛的分析。

他們將在不同時間點采集的單細胞RNA-seq讀數(shù)聯(lián)系起來，揭示了決定這些更復雜生物體中形成的細胞類型的一系列基因的開啟和關(guān)閉。多篇論文詳細描述了扁蟲、魚、青蛙和其他生物是如何開始制造器官和附肢的。世界各地的研究小組正在應用這些技術(shù)來研究人類細胞在一生中是如何成熟的，組織是如何再生的，以及細胞在疾病中是如何變化的。

兩層石墨烯疊成“魔角”，實現(xiàn)零電阻

具有超導電性的材料有很強的應用價值，它可以助力實現(xiàn)傳輸過程中能量的零損耗。不過，目前絕大多數(shù)超導體僅在接近絕對零度（-273℃）下工作，維持低溫使超導體的應用成本顯著提升。

2018年3月，《自然》（Nature）同時刊登兩篇論文中提出，當環(huán)境溫度為1.7K（-271℃）時，如果將兩層石墨烯疊加在一起，且轉(zhuǎn)角接近魔角（即1.1°），石墨烯就會表現(xiàn)出非常規(guī)的超導電性。扭曲的雙層石墨烯會產(chǎn)生兩種全新的電子態(tài)，即來源于電子之間的強排斥作用的Mott絕緣體態(tài)，以及來源于電子之間的強吸引作用而產(chǎn)生零電阻的超導態(tài)。當旋轉(zhuǎn)角度到達魔角時，扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應增項，從而產(chǎn)生非導電的Mott絕緣態(tài)。而當在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子時，就可以實現(xiàn)超導態(tài)。

在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)的新電子態(tài)，可以實現(xiàn)絕緣體到超導體的轉(zhuǎn)變，打開非常規(guī)超導體研究的大門。

“嫦娥四號”月背軟著陸，有望揭開月球背面神秘面紗

月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等，且由于“潮汐鎖定”和地球引力的原因，導致月球總是一面朝向地球。同時因為用于通訊的無線電波會被月球本身阻擋，所以月球背面著陸的難度很大，因此此前人類從未涉足過該區(qū)域，月球背面也就成為了航天觀測的盲區(qū)。

2018年12月8日凌晨2時23分，中國的“嫦娥四號”月球探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。經(jīng)過近110小時的飛行，12月12日16時45分，嫦娥四號探測器到達月球附近并實施近月制動，成功進入了近月點約100公里的環(huán)月軌道。

月球背面擁有獨一無二的探索價值。它能屏蔽人類活動產(chǎn)生的無線電干擾以及閃電、極光帶來的無線電發(fā)射，因此被認為是開展低頻射電天文觀測的絕佳地點。同時，利用月球背面獨特的無線電環(huán)境，可填補0.1～1MHz頻段的空白，有望在太陽風激波、日冕物質(zhì)拋射和高能電子束的產(chǎn)生機理等方面取得原創(chuàng)性的成果。

此次“嫦娥四號”探測器著陸在月球背面后，將在月球上開展取樣、天文觀測、培育生物等在內(nèi)的調(diào)查任務，同時也為人類揭開月球的背面的秘密。

古老的“混血兒”，媽媽是尼安德特人，爸爸是丹尼索瓦人

尼安德特人和丹尼索瓦人的基因至今還存在于亞洲人和歐洲人身上。此前的研究曾發(fā)現(xiàn)，尼安德特人和丹尼索瓦人存在過基因交流的痕跡，但從未發(fā)現(xiàn)過直接后代。2018年8月發(fā)表在《自然》（Nature）的研究，揭示了這兩種古人類親密接觸的證據(jù)。

德國馬普人類演化研究所的科研人員在一塊死于9萬年前的女性（研究人員為她取名丹妮）的骨頭碎片中提取出的古代DNA中發(fā)現(xiàn)，丹妮的母親是尼安德特人，父親是丹尼索瓦人。

對骨頭DNA進行測序后還發(fā)現(xiàn)，丹妮約40%的DNA片段與尼安德特人的DNA相匹配，且這部分基因組更接近在克羅地亞發(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；丹妮另外40%的基因與丹尼索瓦人的DNA相匹配，同時發(fā)現(xiàn)，丹妮父親的丹尼索瓦人基因組中有一半實際上有尼安德特人DNA的痕跡，這表明他在幾百代以前也有尼安德特人的祖先。由此可以推斷，東西歐亞大陸的尼安德特人約在距今12萬年前，就有長距離遷徙和交流的歷史。

空氣污染比想象中更可怕，會讓人折壽

空氣污染是目前世界上最大的單一環(huán)境健康風險，科學家們?nèi)栽谂Υ_定空氣污染可能造成的破壞程度。

2018年8月，發(fā)表在《環(huán)境科學技術(shù)通訊》（Environmental Science & Technology Letters）上的一項研究中利用全球疾病負擔研究的數(shù)據(jù)，測量了185個國家的PM2.5空氣污染暴露及其后果，量化了空氣污染對預期壽命的影響。結(jié)果顯示，空氣污染會使人的壽命平均縮短約1年，而在亞洲和非洲污染較嚴重的地區(qū)，壽命被縮短的時間更長，平均為1.5至2年。

11月，《空氣質(zhì)量壽命指數(shù)報告》中利用空氣質(zhì)量壽命指數(shù)量化了人類暴露于空氣污染與降低預期壽命之間的因果關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空氣污染正導致全球人均預期壽命下降1.8歲。空氣污染較少的歐美地區(qū)，空氣污染對預期壽命的影響為0.1年；而在空氣污染更嚴重的印度和中國，影響大于2年。如果印度和中國能夠?qū)⒋髿忸w粒物濃度降到世界衛(wèi)生組織空氣質(zhì)量指南中的健康水平，當?shù)厝说念A期壽命分別增加4.3年和2.9年。將空氣污染與人的壽命聯(lián)系在一起發(fā)現(xiàn)，這種影響可能比之前認為的更大，而更好的空氣質(zhì)量可能會使世界范圍內(nèi)壽命的顯著延長。

狄更遜水母的發(fā)現(xiàn)，刷新最古老動物記錄

在6.35億到5.42億年前的埃迪卡拉紀，更大更復雜的埃迪卡拉生物群多細胞生物突然出現(xiàn)。這一時期動物的身體是完全柔軟的，因此沒有很好地被石化。這也是它們成為古生物學中最大謎團之一的原因。

在5.58億年前，一種體長約5厘米，呈橢圓狀，其中部有一條線，連接這條線的左右有對稱的“肋骨”的生物死在了古海洋的海底并石化了。2018年9月，澳大利亞國立大學研究人員通過生物標記分析的方法，檢測到這個古老生物中仍然留存有許多簡單的分子，進一步分析后發(fā)現(xiàn)，該神秘生物是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最古老的動物——狄更遜水母（Dickinsonia）。

狄更遜水母是一種標志性的橢圓形埃迪卡拉時期的生命形式，它曾被認為是一種真菌、一種巨大的單細胞原生生物或一種海洋動物。在此項研究中，科學家發(fā)現(xiàn)狄更遜水母與其周邊沉積物（與微生物墊有關(guān)，其古老膽固醇含量為11%）相比，其化石中的古老膽固醇含量十分豐富，高達93%，此外，它們?nèi)狈φ婢兴赜械柠溄穷惞檀妓?。這些結(jié)果牢牢確立了狄更遜水母在動物王國中的地位。

塑料最終流向餐桌，人類糞便里檢測出微塑料

全球每年生產(chǎn)的2.7億噸塑料中，有800萬噸會進入海洋，但這并不是終點。塑料進入生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈中已是不爭的事實。

2018年10月，維也納醫(yī)科大學研究人員公布了最新研究發(fā)現(xiàn)，他們在9個來自不同國家的志愿者的糞便中發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在。目前動物研究中發(fā)現(xiàn)積累塑料濃度最高的部位是腸道，但更小的微塑料顆粒（尤其是納米塑料顆粒）卻被認為能夠進入血液、淋巴系統(tǒng)，甚至可能到達肝臟。研究結(jié)果雖然還未經(jīng)過同行評議，卻引出了一個公眾普遍關(guān)注的毒理學問題：微塑料會不會進入人類的腸道、血液以及其他器官中？

人類關(guān)于微塑料對海洋和淡水生物及生態(tài)系統(tǒng)影響的知識正在不斷擴大，但我們對人體暴露水平、慢性毒性效應濃度以及微塑料誘發(fā)效應的潛在毒理學機制仍知之甚少，所以還無法精確評估微塑料對人體的危害。此項研究的研究人員希望他們的發(fā)現(xiàn)能加速推動微塑料對人體健康影響的研究。

同性也能生孩子，打破兩性生殖界限

哺乳動物一般需要兩性結(jié)合才繁衍后代。不過在2018年10月，中國科學家利用單倍體干細胞和基因編輯技術(shù)，突破了哺乳動物同性生殖障礙。

基因組印記決定了哺乳動物在繁衍后代時，雄性和雌性缺一不可。兩只雌性小鼠如果想要繁衍后代，就要解決沒有精子細胞核的問題。研究人員先將在小鼠體外培育的卵母細胞轉(zhuǎn)變成“孤雌單倍體干細胞”，再利用基因編輯技術(shù)刪除基因組的3個印記區(qū)域，使卵母細胞核狀態(tài)接近精子細胞核狀態(tài)，之后將被改造的細胞核植入另一個卵母細胞中，并誘導胚胎發(fā)育。這些雙親都是雌性的孤雌小鼠，健康地活到成年，并能正常繁衍后代。

而兩只雄性小鼠繁衍子代不僅缺少卵母細胞核和細胞質(zhì)，更缺少子宮。研究人員利用類似的手法得到了孤雄單倍體干細胞，然后刪除7個關(guān)鍵的印跡區(qū)域，使精子細胞核狀態(tài)轉(zhuǎn)化成接近卵母細胞核的狀態(tài)。而后將修改后的單倍體胚胎干細胞，與來自另一只雄性小鼠的精子一起植入已經(jīng)移除細胞核的卵細胞中，并轉(zhuǎn)移到代孕母鼠體內(nèi)誘導發(fā)育。雙親都是雌性的孤雄性小鼠只成功存活了約48小時。

表觀遺傳學與細胞的發(fā)育有著密切的聯(lián)系，這項研究為更好地了解哺乳動物生殖和發(fā)育的細節(jié)打下了基礎(chǔ)。

遺傳系譜學助力破案，恢恢法網(wǎng)，疏而不漏

20世紀70到80年代，美國加州的“金州殺手”犯下了滔天的罪過。2018年，在DNA技術(shù)的協(xié)助下，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，并最終將“金州殺手”緝捕歸案。此后，警方利用這一策略破解了二十余起其他懸案，并開辟了一個新的領(lǐng)域：法醫(yī)系譜學。

在“金州殺手”案件調(diào)查中，調(diào)查人員與系譜學家合作，將犯罪現(xiàn)場搜集的DNA制成一份個人信息，并上傳至系譜學家共享的公開數(shù)據(jù)庫GEDmatch，結(jié)果找到了兇手生活在19世紀初的曾曾曾祖父母。之后他們創(chuàng)建了約25個家譜，很快，他們就發(fā)現(xiàn)了可能是兇手第三代或第四代的表親，并最終將“金州殺手”抓捕歸案。

遺傳學家表示，大約有60%擁有歐洲血統(tǒng)的美國人在數(shù)據(jù)庫中有表親或血緣關(guān)系更近的親屬匹配。一旦數(shù)據(jù)庫擁有300萬個用戶資料，即使他們從未測過DNA，也可用類似的方法找到超過90%的白人。系譜學領(lǐng)域的很多人都知道這種方法可以破案，但關(guān)于這種方法是否侵犯隱私一直未有定論。