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12月20日，美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)布2018年度十大科學(xué)突破。

其中，在單細(xì)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10年的研究”。

單細(xì)胞水平追蹤生物體發(fā)育

至少?gòu)南２死讜r(shí)代開始，生物學(xué)家便對(duì)單個(gè)細(xì)胞如何發(fā)育成擁有多個(gè)器官和數(shù)十億細(xì)胞的成年動(dòng)物之謎感到震驚。

但現(xiàn)在，人們知道，是DNA最終精心安排了細(xì)胞增殖和分化的過程。

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

由此，科學(xué)家能以驚人的細(xì)節(jié)——按照逐個(gè)細(xì)胞并隨著時(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(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)進(jìn)化方面的潛力列為2018年度十大突破之首。

驅(qū)動(dòng)這些進(jìn)展的技術(shù)將上千個(gè)完整細(xì)胞從活體生物中分離出來，對(duì)每個(gè)細(xì)胞中被表達(dá)的遺傳物質(zhì)進(jìn)行高效測(cè)序，然后用計(jì)算機(jī)或者對(duì)細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，重建它們的時(shí)間和空間聯(lián)系。

德國(guó)柏林馬克斯—德爾布呂克系統(tǒng)生物學(xué)家Nikolaus Rajewsky認(rèn)為，這3項(xiàng)技術(shù)“將改變未來10年的研究”。

來自遙遠(yuǎn)星系的信使

來自遙遠(yuǎn)宇宙的幾種信使正在加入望遠(yuǎn)鏡收集的光子行列，并且揭示光無法展示的東西。

今年，另一種信使加入這場(chǎng)“聚會(huì)”：中微子。這是一種幾乎沒有質(zhì)量的微小粒子，很難被探測(cè)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(cè)器記錄中微子在極其罕見情形下觸發(fā)的微弱閃光。

這個(gè)名為“冰立方”的巨大探測(cè)器此前記錄了很多中微子，其中一些來自銀河系外。但科學(xué)家無法確定它們的特定宇宙來源。

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(cè)器搞清楚了它來自哪個(gè)方向。

幾天后，向其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)出的警報(bào)產(chǎn)生了相同結(jié)果。

正如研究人員在今年7月報(bào)告的，美國(guó)宇航局費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被稱為耀變體的極其明亮的來源。而上述中微子似乎恰好來自那里。

幾分鐘確定分子結(jié)構(gòu)

今年10月，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)表論文，揭示了一種僅在幾分鐘內(nèi)便可確定小型有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的方法。

幾十年來，分子定位的黃金標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)被稱為X射線結(jié)晶學(xué)的技術(shù)。

近年來，研究人員通過用電子束代替X射線，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(biāo)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(duì)于普通電子衍射來說無法發(fā)揮作用，對(duì)于X射線衍射來說又太小了。

兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)（一個(gè)來自美國(guó)、一個(gè)來自德國(guó)和瑞士）發(fā)現(xiàn)，他們能利用這種意外產(chǎn)生的晶體。

他們向處于旋轉(zhuǎn)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每次輕微的轉(zhuǎn)彎而發(fā)生改變。該技術(shù)可在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)，而其需要的晶體只有X射線研究所需大小的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)被稱為Hiawatha的31公里寬的撞擊坑。它大到足以容納美國(guó)華盛頓特區(qū)。

在機(jī)載雷達(dá)揭示了這個(gè)潛伏在數(shù)千米厚冰蓋下面的撞擊坑后，科學(xué)家在11月報(bào)告了這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。 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希克蘇魯伯撞擊一樣具有毀滅性，但它對(duì)全球氣候產(chǎn)生了重要影響。

來自此次撞擊事件的融水涌入大西洋北部，并通過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(dá)圖像顯示，Hiawatha的年代并不久遠(yuǎn)，可追溯至10萬年前。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。

#MeToo帶來大不同

6月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)院發(fā)布了一份關(guān)于科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)界女性性騷擾的里程碑式報(bào)告。

該報(bào)告或是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

它基于來自兩個(gè)大型高校系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù)提出，依據(jù)職業(yè)生涯所處階段和領(lǐng)域不同，超過50%的女性教職員工和20%~50%的學(xué)生忍受了性騷擾。其中包括最常見的形式：語言和非語言上的性別歧視與敵意。

今年，若干機(jī)構(gòu)已經(jīng)采取了行動(dòng)。

一些機(jī)構(gòu)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(diào)查證實(shí)了對(duì)不當(dāng)行為的指控后，解雇了知名科學(xué)家或迫使其離開。

其他機(jī)構(gòu)則宣布了政策上的變動(dòng)。

9月，美國(guó)國(guó)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(diào)查或者被發(fā)現(xiàn)犯有性騷擾罪期間，高校必須向資助者說明此人何時(shí)被暫停工作。

古人“混血兒”

一塊來自生活在5萬多年前女性的骨頭碎片揭示了兩種已經(jīng)滅絕的古人類之間“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(xiàn)的這塊骨頭中提取出古代DNA。

分析結(jié)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(xiàn)代人類至少偶爾會(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(xiàn)是尼安德特人和丹尼索瓦人相遇的親密見證。

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(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。

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(duì)丹尼索瓦洞穴中發(fā)掘的材料進(jìn)行研究。

法醫(yī)系譜學(xué)時(shí)代到來

4月，美國(guó)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(jì)七八十年代在加利福尼亞州發(fā)生了一系列強(qiáng)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(xiàn)場(chǎng)回收的DNA，通過公共家譜DNA數(shù)據(jù)庫(kù)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，并開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域：法醫(yī)系譜學(xué)。

像Ancestry和23andMe這樣的私人DNA網(wǎng)站包含了數(shù)以百萬計(jì)的個(gè)人資料。

這些資料可用來從共享的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(shù)據(jù)。

在金州殺人案中，當(dāng)局使用了一個(gè)公共的、簡(jiǎn)潔的在線DNA 數(shù)據(jù)庫(kù)：GEDMatch。

它由得克薩斯州和佛羅里達(dá)州的兩個(gè)業(yè)余系譜學(xué)家運(yùn)行，任何人都可以提交DNA測(cè)試結(jié)果。

調(diào)查人員將犯罪現(xiàn)場(chǎng)的DNA 圖譜上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)后，找到了嫌疑人的幾個(gè)遠(yuǎn)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，最終將證據(jù)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(cè)序顯示犯罪現(xiàn)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(guó)食品藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)。

早在20多年前，兩名美國(guó)遺傳學(xué)家發(fā)現(xiàn)，短RNA分子可附著在信使RNA上，從而破壞基因的翻譯。這一進(jìn)展為他們贏得了諾貝爾獎(jiǎng)，但將其轉(zhuǎn)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(dǎo)向正確的組織，但結(jié)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(hù)基因沉默的RNA 并將其運(yùn)送至肝臟。

在那里，科學(xué)家希望它可通過阻止蛋白質(zhì)折疊錯(cuò)誤的產(chǎn)生，治療一種被稱為遺傳性轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性的罕見疾病。

該公司推出靜脈注射藥物Onpattro。該藥物在2018年獲得美國(guó)和歐盟監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，并以每年45萬美元的定價(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(xiàn)了分子痕跡，從而對(duì)這個(gè)神秘世界的認(rèn)識(shí)更加清晰。

9月，來自澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究人員在埃迪卡拉紀(jì)（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。

這種被稱為“迪金森尼亞”的橢圓形生物長(zhǎng)1.4米，全身有肋骨狀結(jié)構(gòu)，屬于埃迪卡拉生物群。

這類生物比5.4億年前“寒武紀(jì)大爆發(fā)”中出現(xiàn)的大量動(dòng)物早了近2000萬年。

研究證明，當(dāng)時(shí)的動(dòng)物群大而豐富，并且比此前估計(jì)的還要早。

“迪金森尼亞”化石是一把鑰匙，有助于理解以細(xì)菌為主的世界如何演化到“寒武紀(jì)大爆發(fā)”后的大型動(dòng)物世界。

10月，另一研究團(tuán)隊(duì)在來自6.6億到6.35億年前的巖石中發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)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(shí)別化石早進(jìn)化了1億年。

細(xì)胞如何自我管理

細(xì)胞內(nèi)的各組分是如何協(xié)調(diào)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(shí)到，這個(gè)問題的關(guān)鍵是液滴。但他們直到最近才發(fā)現(xiàn)，液滴在細(xì)胞中無處不在，組織（有時(shí)甚至搞亂）細(xì)胞工作。

從2009年開始，研究人員發(fā)現(xiàn)許多蛋白質(zhì)能形成離散的液滴，特別是當(dāng)細(xì)胞對(duì)壓力作出反應(yīng)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，驅(qū)動(dòng)遺傳密碼從DNA轉(zhuǎn)移到RNA的蛋白質(zhì)，可凝結(jié)成附著在DNA上的液滴。

雖然細(xì)節(jié)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(dá)）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(dāng)這個(gè)過程出錯(cuò)時(shí)，原本應(yīng)該是液體的東西會(huì)變成凝膠，進(jìn)而凝固，形成肌萎縮側(cè)索硬化癥等神經(jīng)退行性疾病中出現(xiàn)的各種聚集體。

（閆潔 唐鳳）

摘自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》