人類首次探測到引力波信號、一種新的廣譜抗癌藥物獲批、冷凍電子顯微鏡技術進入黃金時代……

看看《科學》雜誌公布的2017十大科學進展是哪些？

文 |Adrian Cho 譯|Octavia編輯|欣煮

1

中子星碰撞：1.3億光年外的宇宙劇變

對全世界的天文物理學家來說，8月17日是個激動人心的時刻。那一天，引力波探測器LIGO和VIRGO，以及其他位於世界各地和太空中的電磁波天文台，先後檢測到了一個不同尋常的事件。儘管只持續了短短一兩分鐘，但它卻讓全世界的望遠鏡都指向了同一個方向。

10月16日，全球數十家天文機構聯合宣布：人類第一次探測到了雙中子星併合產生的引力波信號。本年度十大科學進展不爭的頭條誕生了。

這已經是LIGO第六次探測到引力波信號，但前五次都來自黑洞合併，除了發射引力波之外不會造成任何波瀾。與幽靈般的黑洞不同，中子星是幾乎全部由中子構成的緻密球體，其相互碰撞不啻於一次大型的宇宙煙花秀。一次中子星合併帶來的信息，比黑洞合併要豐富得多。

然而本次事件的意義遠不只這些。就在27個月前，LIGO才剛剛探測到第一個引力波信號，而VIRGO僅在事件發生17天前，才在長達五年的升級後重新投入使用。如果說引力波讓人類「聽見」了宇宙的聲音，那麼在開啟「多信使天文學」的時代之後，我們對宇宙的進一步探索才剛剛開始。

2

生物學預印本：讓新研究在第一時間共享

對物理學家、數學家、社會科學家來說，將正式發表前的稿件發布到arXiv.org等預印本站點早已不是新鮮事。生物學家們近兩年才趕上這一潮流，紐約冷泉港實驗室（CSHL）四年前發起的生命科學非營利性預印本文獻庫bioRxiv，如今已經存放了超過1.5萬篇論文、擁有超過1.1萬名通訊作者，其中56%來自美國以外的國家。從最初只有生物信息學、基因組學等計算生物學的論文，bioRxiv已經開始涵蓋微生物學、細胞生物學和神經科學等領域。

預印本共享有利於加強各國科學家之間的交流，幫助年輕的研究者儘早建立學界影響力。年初，英美相關組織制定了生物預印本的共享協議，bioRxiv在4月獲得陳-扎克伯格基金會投資，都讓更多生物學家開始接受這一新鮮事物。多數生物學期刊已經允許作者在投稿之前在預印本網站發表，有的編輯甚至定期瀏覽bioRxiv，為有價值的論文尋求發表。

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健痊得：一種廣譜抗癌藥物的批准

我們等待這一天已經很久了：有沒有一種抗癌藥物能夠針對癌細胞內普遍的基因缺陷而起效，而不是發病器官？畢竟不管癌細胞生在哪裡，它們都有一些共同的特徵，比如無限增值、可轉化、易轉移。

5月，FDA批准了默沙東公司的健痊得（Keytruda）用於治療黑色素瘤、非小細胞肺癌和頭頸癌等，只要患者體內癌細胞被檢測出「錯配修復缺陷」，就可以用藥。這是FDA首次按照腫瘤標記物、而非腫瘤來源來批准抗癌藥物。

這是人類對抗癌症的一項重大勝利，我們從中看到了全面進擊癌細胞的希望，而不是對病灶切除、放射、用藥，或顧此失彼，或殺敵一千自損八百。

4

遺傳病的曙光：基因療法進入大腦

來自弗吉尼亞州的三歲小姑娘艾芙琳跟同齡人一樣愛笑愛玩鬧，誰也想不到她出生時就被診斷出遺傳性脊髓型肌肉萎縮症，患兒一般情況下活不過兩歲。由於基因缺失，他們脊柱中的運動神經元無法合成一種重要蛋白，繼而導致肌肉萎縮、人體無法呼吸。

她的父母本不打算再生孩子，因為艾芙琳的姐姐在15個月時死於同一種疾病。意外生下艾芙琳之後，她的父親發瘋一樣在網上尋醫問葯。幸運的是，八周大的艾芙琳參與了俄亥俄州一項小型臨床試驗，醫生在她的脊神經元中導入了缺失的基因。

如今，跟艾芙琳一同參加試驗的14名嬰兒，最小的也有22個月大了，而且他們都能坐，其中一名男孩還像艾芙琳一樣學會了走路。

基因療法應用於大腦相關的遺傳病，由於血腦屏障的存在一直是個棘手的問題，需要在頭骨開洞才能導入目標基因。在艾芙琳的案例中，一種新的病毒載體能夠攜帶目標基因、通過靜脈注射進入患者體內，穿過腦血管屏障到達中樞神經系統。

8月，美國食品葯監局（FDA）批准了全球首個基因療法，利用患者自身的免疫T細胞，來治療青少年白血病和骨癌；12月19日，針對一種罕見遺傳性失明的基因療法獲得批准。血腦屏障的突破，為一度遭遇瓶頸的基因治療帶來了新曙光。

5

冷凍電子顯微鏡：看見原子量級的生命過程

這是冷凍電子顯微鏡技術（cryo-EM）里程碑式的一年，不光因為來自英、美、瑞士的三名科學家因之摘得諾貝爾化學獎，更因為它的應用和技術飛躍，正在源源不斷地為材料、生物化學和基因領域展開新的篇章。

由於高強度的電子束會摧毀表面脆弱的材料和生物結構、導致圖像模糊，普通電子顯微鏡在生物領域重重受限。傳統用於解析蛋白質結構的X射線晶體衍射技術，則首先要求將目標分子提純結晶，這是一項非常困難且費時費力的工作。

在液態乙烷作用下，高真空中的水在毫秒之間就以光速凝固為無定形冰。這種方式的冷卻速度如此之快，以至於水分子還來不及轉向排列為晶體就被固定住，因此基本不會產生形變，也不會破壞溶於其中的生物大分子結構。

如同被琥珀包裹的昆蟲，蛋白質、DNA等大分子也在無定形冰中維持了栩栩如生的狀態。冷凍電鏡不僅使失焦的照片變得清晰，讓科學家得以一窺各種分子的真面目，還能揭示原子量級的生命過程是如何發生的。

雖然低溫顯微技術已經發展了數十年，但過去一兩年中高性能顯微鏡和圖像分析處理軟體的跨越式發展，才讓冷凍電鏡真正進入了黃金時代。在過去的一年，科學家們看見了合成RNA的關鍵部件——剪接體是如何工作的，看見了蛋白質如何修補細胞膜，還有酶如何修復破損斷裂的DNA，他們將要看見的還有很多很多。

6

精準基因編輯：比CRISPR更進一步

大約6萬種基因突變與人類疾病有關，而其中3.5萬種都出於極其細微的改變：一個DNA鹼基對的複製錯誤。連續三年上榜的CRISPR/Cas9技術能夠在指定位置剪切DNA，從而敲除某一基因，以及通過引入突變來使得特定基因不再表達。然而，這一過程主要依賴細胞自身的DNA修復機制，因而產生不可控的編輯效果。

2017年10月，來自哈佛大學的David Liu團隊發展了原有技術，讓指定位點的單個鹼基替換更加可靠。在這種被稱為「Base editing」的技術中，他們先是利用實驗室合成的酶，成功地將活細胞中的突變C轉換為T，然後又將一個突變G——點突變中最常見的錯誤鹼基——修正為A。同時，博德研究所的張鋒也首次在RNA中實現了鹼基替換。

該技術在小麥、斑馬魚和小鼠等多種生物體中獲得了成功，中國科學家甚至對人類胚胎實施了基因編輯。儘管他們並沒有讓胚胎繼續發育，基因修復也並不是總能100%成功，但CRISPR以及它的2.0版本給了未來無儘可能。

7

打巴奴里：一種新的紅毛猩猩

歡迎靈長目人科仍然健在的新成員，人類久違的新表親，打巴奴里猩猩（Tapanuli orangutan，學名Pongo tapanuliensis）！距離科學家們上一次發現人科的新物種倭黑猩猩，已經過去快九十年了。

它們生活在印尼蘇門答臘島北部叢林之中，最初於1997年被發現，但直到2017年才確立為一個獨立物種。在此之前，除智人以外，差不多一隻手就能數完人科所有活著的物種：黑猩猩、倭黑猩猩、兩種大猩猩、兩種紅毛猩猩。

基於基因組對比、解剖學和生態學證據，生物學家將打巴奴里猩猩與婆羅洲猩猩、蘇門答臘猩猩分離開來。數百萬年前，紅毛猩猩共同的祖先從馬來半島逐漸進入印尼群島，那時的海平面還足夠低，它們可以通過陸橋往來。

大約340萬年前，最北邊的蘇門答臘猩猩開始產生隔離，7.5萬年前的多巴湖火山大爆發加速了這一過程；同在蘇門答臘島、棲息地更靠南的打巴奴里猩猩則在67.4萬年前才跟婆羅洲猩猩徹底兩岸相隔。

這些新種大猿的生存狀況並不樂觀，僅有大約800隻生活在一片面積1100平方公里的孤立雨林中，道路、盜伐、規劃中的水電站正威脅著它們平靜的生活。

8

最古老的智人化石：人類搖籃究竟在哪兒？

1961年，摩洛哥礦工在傑貝爾依羅發現了一個幾乎完整的人類頭骨化石，和一些顱骨碎片。由於顱骨形態原始，它一直被認定屬於大約30萬年前生活在非洲的尼安德特人，現代智人早已滅絕的近親。

但長久以來被忽略的是，這塊頭骨化石也具有現代人的面部特徵，比如頜骨前突不明顯。這引起了馬克斯?普朗克研究所古人類學家胡布林（Jean-Jacques Hublin）的注意。從2004年開始，他們重新發掘了發現頭骨的洞穴，陸續發現了更多的依羅人化石。

根據更細緻的形態分析，胡布林認為依羅人應當屬於遠古智人，我們的直系祖先。對同一地層燧石進行的熱釋光檢測顯示，這些化石距今28萬至35萬年，對牙齒精確的放射性測量則將年代鎖定為距今25萬至31萬年。

相比此前公認的、19.5萬年前來自衣索比亞的最早智人，這一發現將智人的演化史向前推進了10萬年。胡布林認為這也意味著，東非並不是人類唯一的搖籃，智人也許起源自非洲多個地方。

9

攜帶型中微子探測器：尋找羞澀粒子的影蹤

在各種基本粒子中，羞澀的中微子以難以俘獲著稱，也極少與其他物質發生相互作用。這就是為什麼需要深埋地下、動輒上千噸的中微子探測器：只有這樣才能隔絕宇宙射線背景干擾，並且有體量夠大的物質，以便觀測到足夠數量的中微子。

過去一年多中，美國太平洋西北國家實驗室的物理學家們觀測到了中微子與原子核的上百次碰撞。與以往不同的是，用摻雜了鈉的碘化銫晶體新造的傢伙什兒還不到15公斤，跟一個中號微波爐差不多重。

1974年，理論物理學家弗里德曼（Daniel Freedman）提出了中微子-原子核相干散射理論，認為中微子和其他量子粒子一樣具有波粒二象性。他預言，當中微子能量較高的時候，只與某個質子或中子發生作用；而當它能量足夠低，就會與整個原子核發生相干散射，導致中微子被彈回，同時發出一個更容易檢測到的信號。

過去一年的實驗不僅證實了弗里德曼的理論，而且為中微子的觀測提供了一種更方便的途徑。通過比較不同原子核的散射狀況，物理學家們或許還能發展出探測原子核結構的新方法。

10

最古老的南極冰芯：一部溫室氣體編年史

在南極冰蓋的最底部，一些細小的氣泡在冰中封凍了數百萬年，將遠古地球大氣保存至今。普林斯頓大學科考隊在阿倫山地區採集到了一塊迄今最久遠的冰芯樣本，這裡的風太狂暴以至於冰雪被層層吹走，露出了年代遙遠的冰層。它來自大約 270 萬年前，比此前鑽探到的最古老樣本還要早 170 萬年。

初步分析表明，樣本中的二氧化碳濃度還不到300 ppm，比現今的400 ppm低了不少。那時地球即將進入第四紀大冰期，這或許能夠說明，大氣中低水平的二氧化碳正是觸發大冰期的原因。

研究人員計劃擇日重返阿倫山，獲得年齡超過500萬年的冰芯。那時的地球和現在一樣處於溫暖時期，那麼大氣中溫室氣體的含量究竟又如何呢？

來源｜《科學》

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