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美《科学》评出2010年十大科学突破及十年成就

美《科学》评出2010年十大科学突破及十年成就通常,人造物体的运动均遵循经典力学定律。然而,今年3月科学家宣布的研究成果首次打破了常规,他们设计出了一种精巧的实验装置,其运动方式只能用量子力学来描述。为了表彰研究人员的实验在概念上的拓展、实验背后的独创性以及其众多的潜在用途,《科学》杂志将其评选为2010年最重大的科学突破。

美国加州大学圣巴巴拉分校的物理学家安德鲁·克莱兰德和约翰·马丁尼斯与同事一起设计的实验机械是一个人们裸眼可见的、极其细小的、由半导体材料制作的“量子鼓”。研究中,科学家首先将“量子鼓”冷却至“基态”(量子力学定律中的最低能态)。随即,将“量子鼓”提高一个量子级,让其达到激发态。此外,研究人员甚至设法让“量子鼓”同时处于两种能态,以同时处在振动和不振动的叠加状态,这种奇怪的现象合理地存在于量子力学独特的法则中。

量子机械证明,量子力学原理既适用于大到肉眼可见物体的运动,又适用于原子和亚原子颗粒的运动。它为人们朝着完全控制物体量子级振动的方向迈出了关键性的第一步。这种对某种人造装置运动的控制将允许科学家们操控那些微小的运动,如同他们现在对电流和光子的控制。这种能力转而可能引导人们开发出新装置以控制光量子态、超灵敏力探测器,并最终探求量子力学和我们现实感之间的界限。

本年度其他九项科学突破如下:

合成生物学:在生物学和生物技术的一个决定性时刻,研究人员组合了一个合成基因组,并用它转变了一种细菌的身份特性。合成基因组取代了细菌的核糖核酸,导致其生产出一组新的蛋白质。该研究成就促使美国国会召开了关于合成生物学的听证会。研究人员预计,未来量身定制的合成基因组可用来产生生物燃料、医药品或其他有用的化学制品。

尼安德特人基因组:研究人员完成了尼安德特人基因组测序,基因组取自3.8万年至4.4万年前曾经生活在克罗地亚的3名女性尼安德特人的骨头。他们采用了对核糖核酸(DNA)降解片段进行测序的新方法,并首次对现代人的基因组与尼安德特人的基因组进行了直接比较。

艾滋病病毒预防:对两种新颖预防艾滋病病毒方法进行的试验取得了不容置疑的成功:一种是含有抗艾滋病病毒药物泰诺福韦(tenofovir)的阴道凝胶,它可使女性被感染率减少39%;另一种为口服药物前接触预防法,其让一组男子以及与男性有性关系的变性女子(出生时为男性)感染艾滋病病毒的几率减少了43.8%。

外显子组测序/罕见疾病基因:对于研究因单一有缺陷基因导致罕见遗传性疾病的研究人员而言,仅对某一基因组中的外显子(即基因组中担当蛋白质编码的极小部分)进行测序,就能发现特殊的、至少造成12种疾病的基因突变。

分子动力学模拟:模拟蛋白质在折叠时产出的旋转始终是一个组合噩梦。如今,借助世界上强大的计算机能力,研究人员能跟踪微小的正在折叠的蛋白质中原子运动,跟踪时间比过去任何方法都要长100倍。

量子模拟器:为了描绘在实验室所看见的情况,物理学家根据方程式推测了理论,这些方程式可能极其难以求解。然而在今年,研究人员通过制造量子模拟器发现了一条捷径。量子模拟器为人造晶体,激光光点在晶体中扮演的是代替电子而被截留在激光中的离子和原子。这些装置为凝聚态物理学中的理论问题提供了快速的答案,它们可能最终会帮助人们解开诸如超导性等谜团。

下一代基因组学:更快速更廉价的测序技术使人们能够以极大的规模研究古代和现代核糖核酸。以“千人基因组计划”为例,其发现了众多导致我们人类独一无二的基因组变异,而其他正在进行中的计划将揭示更多的基因组功能。

核糖核酸(RNA)重编程:重新编程细胞(即将细胞的发育时钟回拨,使其表现如同胚胎中的非特化“干细胞”)已经成为一种研究疾病和发展的标准实验室技术。今年,研究人员找到了用合成核糖核酸实现细胞重编程的方法。与以往的方法相比,新技术的速度要快2倍,功效要高100倍,并在治疗应用上可望更为安全。

大鼠的回归:小鼠在实验室动物世界占有统治地位。然而鉴于许多的用途,研究人员更愿意用大鼠。因为大鼠更容易用来做实验,且从解剖学的角度上讲与人类更加相似。不过,大鼠存在着重大缺陷,用以制造“基因剔除小鼠”(即通过精确地关闭特定基因而专门用于研究的小鼠)的方法在大鼠中无效。然而,今年有一系列的研究承诺会给实验室带来大批“基因剔除大鼠”。

本世纪前十年十大科学成就

本世纪首个十年即将结束之际,《科学》杂志的新闻记者和编辑潜心审视了进入新千年以来的那些改变科学面貌的进步,评选出了十项科学成就作为“本十年卓见”(Insights of the Decade)。

“黑暗”基因组:基因常常会得到所有的荣耀。但现在研究人员认识到,这些编码蛋白质的基因区域仅占整个基因组中的1.5%。而其余的基因组部分,其中包括小的编码和非编码核糖核酸(RNA)——过去曾被当作“垃圾”而勾销——现在被证明它们与其他的基因同样重要。

精密宇宙学:在过去十年中,研究人员非常精确地推测出宇宙物质的成分是普通物质、暗物质和暗能量。同时,他们阐述了将这些成分组成宇宙的方法。这些进展将宇宙学转变成为一种有着标准理论的精确科学,而留给其他理论的活动空间已十分狭小。

古老的生物分子:远古的核糖核酸(DNA)和胶原质等“生物分子”经受好几万年时间存活下来,并为人们提供有关死去已久的植物、动物和人类的重要信息,了解这些古老的“生物分子”让古生物学受益匪浅。现在,分析这些极其细小的时光机器,便可揭示骨骼上的证据所无法提供的解剖变化信息,如恐龙羽毛的颜色或长毛猛犸象如何承受寒冷气温等。

火星上的水:过去十年对火星所做的6次探索提供的清晰证据显示,该红色行星上曾经有足够改变火星上岩石形成及可能维持生命的水,这些水或是在火星表面或存在于火星之内。火星水可能存在于地球开始出现生命的时候;但即使是现在,火星上仍然含有足够的湿度,这激励着科学家寻找火星上能呼吸、活着的微生物。

细胞重编程:过去十年中,关于发育是一种单向道路的概念已被完全改变。如今,研究人员已经知道如何将充分发育的细胞进行“重编程”,使其成为所谓的多能细胞,并使其重新具有成为其身体中任何类型细胞的能力。此技术已被用于制造来自罹患罕见疾病病人的细胞系,但科学家最终所希望的是能够培养出在基因上相配的替代细胞、组织和器官。

微生组:人们对存活在人体中的微生物及病毒观念的重大转变导致研究人员产生了微生组的概念,微生组指的是宿主以及寄生在宿主身上或内部的其他生物的基因组集。由于我们身体的90%细胞实际上是微生物,科学家们开始了解微生物基因将会怎样显著地影响我们能从食物中吸收多少的能量,以及我们的免疫系统会如何对感染做出反应。

系外行星:在2000年的时候,科学家们只知道26颗位于我们太阳系外的行星。到了2010年,该数字已经跳升至502颗,并且还在增加。随着新兴技术的出现,天文学家预计会在宇宙中发现大量的类似地球的行星。如今,已经发现的较大行星的尺度和轨道对科学们理解行星系统如何形成和演化产生了革命性影响。

炎症:不久前,炎症被认为是我们愈合体系中简单的辅助:它会短暂地出现,帮助免疫细胞对由创伤或感染所引起的组织损害进行重建。现在,研究人员相信,炎症也是一种造成慢性疾病的驱动力,这些包括癌症、阿兹海默病、动脉粥样硬化、糖尿病及肥胖症在内的慢性疾病最终会造成我们绝大多数人的死亡。

超材料:通过合成具有非常规和光学性质可调的材料,物理学家和工程师开拓了引导和操纵光线、制造可挑战分辨率极限透镜的新方法。他们甚至已经开始研制令物体无法被看见的“隐形斗篷”。

气候变化:过去十年中,研究人员已经确定了围绕全球气候变化的某些基本事实:世界正在变暖,人类是造成暖化的原因,而地球的自然过程不太可能会减缓变暖的进程。但是未来的十年将决定科学家和政策制订者会如何根据这一至关重要的信息来采取行动。

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