雙中子星合併折桂《科學》2017年度十大突破！
每年年底，美國《科學》雜誌都會公布年度「十大科學突破」，這些突破往往預示著未來幾年的發展方向。今年，「雙中子星合併」事件吸引了數千位天文觀測者，印證了天文學研究的多個預言，被評選為2017年度科學突破之首。27個月前，當激光干涉儀引力波天文台 (LIGO) 探測到兩個大質量的黑洞在不可見的天翻地覆中合併所發出的宇宙震顫時，科學家首次探測到引力波，這一發現也問鼎了《科學》雜誌2016年度重大科學突破。
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雙中子星合併
今年8月，全世界953個研究機構4156名科研人員，觀測並研究了1.3億光年遠的兩顆中子星合併及後續事件。值得一提的是，研究者捕捉到了該事件的細節，他們檢測到了宇宙中極微小的漣漪，也就是旋轉的中子星在合併之前放出的引力波。早在27個月前，科學家利用激光干涉儀引力波天文台 (LIGO) 探測到來自兩個黑洞合併的宇宙震動。如果說上次的研究是吹響了引力波探測的號角，那麼這次則是演奏出了交響樂。正因如此，首次觀測到雙中子星合併及其揭示的重大科學意義，折桂《科學》雜誌評選的2017年度十大科學突破。
黑洞是巨大的恆星坍縮成一個點後留下的幽靈一般的引力場，沒有物質可以加熱和輻射。相比之下，中子星幾乎是由最緻密的中子組成的球體。黑洞碰撞除了引力能不會發射出任何東西，但是中子星碰撞則上演了一場燈光秀，全世界有70多個天文台都對此展開了研究。美國喬治亞理工學院物理學家、LIGO團隊副發言人勞拉·卡多納蒂表示：「我們能夠從雙中子星合併事件中提取的信息量，多得令人目眩神迷。」
不僅LIGO位於美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的兩個干涉儀探測到了相互旋近的中子星所發出的引力波，位於義大利比薩附近的法國和義大利合建的「處女座」引力波探測器 (VIRGO)也探測到了。巧的是，VIRGO剛剛經歷了5年的升級改造，於17天前才開始恢復記錄數據。
中子星合併產生的引力波比黑洞合併產生的引力波頻率更高，持續時間也更長。引力波產生後，研究者還觀測到了短時γ射線爆。這次探測也支持了25年前的一個假說：中子星合併會產生短時γ射線爆。不過這次中子星合併的數據也讓人困惑，如產生的短時γ射線爆非常弱，科學家希望未來能看到更多這樣的事件，從而對目前的觀測數據作出科學的闡釋。
科學的「大」與「小」
傑里米·伯格 美國《科學》雜誌主編
別看近年來LIGO探測引力波的進展相對迅速，其實LIGO項目的科學家和工程師們之前有過一段長時間埋頭苦幹的歷史，從1990年至今，已經在LIGO項目上投入了11億美元。
LIGO代表了一種具有清晰科學目標的重大項目，它建立在堅實的理論基礎上，長期以來得到充足的經費投入，由一個卓越而專註的研究團隊驅動，並且研究團隊充分重視項目管理。
相比之下，還有很多其他重大發現來自於小型研究團隊，他們提出了更加開放式的問題，解答這些問題最終產生了深遠影響。比如，入選2017年度十大科學突破榜單亞軍的一些成果。「小科學」研究方法允許科學家自由探索各種科學問題，科學家可以根據研究過程中取得的重要發現，相對靈活地改變科學研究方向。在一些「小科學」研究項目的探索過程中所取得的成果，可以為更加註重協同創新的「大科學」研究奠定基礎。
我曾擔任美國國家綜合醫學研究所主任七年多的時間，這個研究所有著幾乎專門資助「小科學」研究項目的傳統。我和一些評估專家感覺相同，目標嚴苛明確的「大科學」研究項目，比那些諸如「為增加某個領域的知識」這樣目標模糊的研究項目更成功。比如，人類登陸月球，或是人類基因組測序。
把「小科學」研究和「大科學」研究結合起來，是科學向前發展的最佳途徑。「小科學」研究項目可以發現破解重要奧秘的線索，可以互相支撐，為協同創新奠定基礎。構想合理、管理恰當的「大科學」研究項目，則可以獲得其他科研組織模式無法取得的重大成果產出。
(蔡立英編譯)
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發現新的類人猿
最近，科學家在印度尼西亞一片瀕危的樹林中找到了一類屬於人科的動物。這個新物種生活在印度尼西亞的蘇門答臘島，通過基因組對比分析發現，該類人猿的祖先幾百萬年前就遍布印度尼西亞及其周邊海島，大概在三四百萬年前，北方的蘇門答臘與南方的蘇門答臘、婆羅洲分離。至於什麼因素最終導致新物種的形成目前還不清楚。目前，該物種的生存形勢比較嚴峻，僅有的800多個個體棲息在獨立的島嶼森林中，而且這些森林正因非法砍伐而逐漸減少。
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在原子水平上觀察生命
冷凍電鏡使用液態乙烷來快速凍結水中移動的分子，研究人員在電鏡下觀察，並採用計算機程序進行圖像分類，再將它們組裝成一個完整的結構。今年，這項技術為研究者觀察剪接體如何工作提供了一個新的視角；它使得研究者對細胞中重塑細胞膜蛋白質，有了更清晰的認識；幫助研究者對酶修復DNA中的斷裂也有了新認識；它還展示了CRISPR(短迴文重複序列)系統是如何捕獲和編輯DNA等。
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生物預印快速發展
以前生物學家的文章都是同行評議過後再在線發表，但今年生物領域未經評議的文章快速發展起來。四年前，冷泉港實驗室創立免費生物預印伺服器bioRxiv，剛開始只有計算生物學的文章，後來細胞生物學、神經科學領域的文章也多了起來。很多研究者也倡導大家去該網站發文章，這樣能夠加速科學交流過程，給年輕研究人員建立好的學術記錄。
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精準定位的基因編輯
目前，超過6萬個遺傳突變和人類疾病有關，其中3.5萬個是由小的錯誤造成，即基因組中一個特定位點上DNA鹼基的變化。今年，研究人員宣布了一項名為「鹼基編輯」的新技術，以此來糾正DNA甚至RNA的這種點突變。這項技術最終有可能會在醫療上應用。今年，中國研究人員通過在人類胚胎中更正了一個疾病點突變來證明鹼基編輯的力量，雖然修復並不總是成功，但這個壯舉證明了鹼基編輯擁有巨大潛力。
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廣譜抗癌藥獲批
今年5月，美國FDA批准了默沙東公司的一款廣譜抗癌藥派姆單抗(Keytruda)，用於治療帶有微衛星不穩定性高或錯配修復缺陷的實體瘤患者。這是FDA首次基於生物標誌物而非癌症類型批准的藥物。獲批之前，Keytruda已被用於黑色素瘤以及其他腫瘤類型。
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270萬年前的地球氣候
今年8月，普林斯頓大學和緬因大學宣布，他們挖掘出了在南極冰封長達270萬年之久的冰塊。這次發掘的冰塊比之前的要古老170萬年，這也將直接的氣候記錄向前推到一個對地球歷史非常重要的時期。早在2015年，科學家發掘出最古老的冰芯，它形成於最初的幾次冰河世紀期間，那時的冰河世紀每4萬年發生一次，而不是像現代每10萬年發生一次。研究人員測量了冰芯中的氣體，氣體顯示在冰河期開始之時，二氧化碳的含量保持在百萬分之三百 (300ppm) 以下，遠低於今天的400ppm。這一分析結果驗證了氣候模型的預測———只有這樣的低濃度才能使地球進入冰河期的周期循環。
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智人更古老的起源
一個摩洛哥山洞裡被長期忽視的頭骨，將智人的化石記錄向前推進得更早了，這也為今年的現代人類起源研究提供了原動力。研究人員認為，這塊頭骨有著令人震驚的30萬年曆史，比衣索比亞出土的最早被認可的智人遺骨還要早10萬年。這使得我們的非洲根基比以往認為的更深且更廣泛。
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基因治療的勝利
一個小型臨床試驗的成功，使基因治療得到推動。研究人員報告稱，他們通過在脊髓神經元中添加一個缺失的基因，拯救了患有致命的遺傳性神經肌肉疾病嬰兒的生命。如果不進行治療，嬰兒會在2歲左右死亡。此項技術的成功，打開了使用基因療法治療其他神經退行性疾病的大門。該技術的關鍵是一種被稱為腺病毒(AAV) 的無害病毒，它被廣泛應用於將基因轉運到靶細胞中。目前，研究人員通過注射攜帶其他基因的AAV來治療嚴重的遺傳性腦病。
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探測最「羞澀」粒子的微型探測器
今年，物理學家以一種新的方式轟擊原子核，發現了最難以捉摸的亞原子粒子———中微子。這項成就實現了一個長達40年的目標，並且不需要使用大量的硬體，而後者往往是探測中微子時所必需的。此次，研究人員用了一個和微波爐重量差不多的攜帶型探測器，便取得了成功。
中微子在某些核過程中產生，它與其他物質的相互作用很少，以至於無數中微子束穿過地球。但有時候，中微子會撞擊原子核中的中子，將其變成質子，同時自身變成可檢測的粒子，如電子。今年，COHERENT(相干中微子核碰撞) 實驗合作團隊使用了一個14.6公斤的碘化銫鈉晶體的大型晶體探測器，當它內部的原子反射時，探測器就會閃光。
編譯丨劉天霖 梅寶
原文刊於2017年12月31日文匯報，原題為《雙中子星合併折桂年度十大突破》
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