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2007年十大科学进展

发布时间:2008-03-04 浏览次数:0次 文章来源:

    岁末年初是盘点过去、展望来年的时机。作为世界科学发展的风向标,美国《科学》杂志如期评选出了2007年度十大科学进展。人类基因组研究的突破性进展以压倒性的优势荣膺榜首,多功能干细胞的研究进展位居榜眼。随后的八张交椅分属天体物理学、生物医学、基础物理学、合成化学、免疫学,神经生物学和计算机科学等领域的突破性进展。
    1、人类基因的多样性
    在未来的某一天,人们去医院看病除了要带上病历,还要带上自己的基因组图谱。医生会根据你的基因组图谱来判断你的健康状况,甚至会告知你可能患有哪些可怕的疾病。这听起来有些荒诞,但在理论上已经可行了。
    2007年全世界已经有3个人获得了自己的基因组图谱他们分别是DNA双螺旋结构的发现者詹姆斯·沃森、基因组研究领域的斗士克雷格·文特尔和一名代号为“炎黄一号”的中国人。个体基因组图谱的绘制成功是人类基因组计划的又一伟大胜利。  
    我们不妨回顾一下人类基因组计划的进程:1953年,美国生物学家詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克里克提出了DNA的双螺旋分子结构模型,为人类基因组研究奠定了基础;1990年,美国正式启动人类基因组计划,沃森担任负责人,此后他努力促成了世界范围内的基因组合作研究;2000年6月26日,国际人类基因组测序协作组(由美国、英国、日本、德国、法国、中国等国家的多个测序中心组成)同时宣布完成了人类基因组“框架图”;2003年4月,协作组又宣布完成了人类基因组最终的“完成图”。那时,人们以为距离解开人类的基因之谜己经不远。但是,2007年3张个体基因组图谱的绘制成功则向我们显示了人类个体间基因组的巨大差异。
    几千甚至上万个核苷酸构成的人类基因上只要出现一个核苷酸的变化,其表现形式就大不一样,这种变化被称为单核苷酸多态性(SNP),在人类基因组中广泛存在。目前科学家已经确认了300万种SNP,但这远非全部。据保守估计,SNP可能高达1500万种。2007年,科学家已经发现了心脏病、高血压、糖尿病等10多种疾病都与这些微小的变化有关。研究人员期望,通过寻找个体间在基因上的差异,最终解密与生理、健康、疾病、智力、乃至性格等相关的基因密码并针对人类个体基因差异进行个体化药物治疗,提早预防癌症、心脏病、阿尔茨海默病等多种疾病。
    2、逆向生长的细胞
    胚胎干细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性,能分化成个体的所有组织和器官。因此,干细胞对于医学有着重要的意义,科学家可以在体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞。并以这样的干细胞为“种子”,培育出一些人体组织和器官,来替换自身病变的或衰老的组织和器官。尽管具有如此重大的医学意义,胚胎干细胞的研究却遭遇伦理困境。因为胚胎干细胞的提取可能会影响到胎儿的正常发育。我们知道,干细胞可以分化成体细胞,那么体细胞是否也能发育成干细胞?后来的研究证明这是可行的。同时,它也向世界抛出一个难解之谜:究竞是什么原因使体细胞发育成干细胞? 2007年,日本和美国的研究人员发现,仅仅加入几个基因就可以使体细胞逆向生长发育成诱导多能干细胞。
    2006年夏天,日本京都大学的山中伸弥教授将四种基因引入老鼠尾部细胞成功地使其逆转到细胞分化前的状态,从而获得了功能与胚胎干细胞类似的“诱导多能干细胞(IPS)”。  2007年,他和美国威斯康星大学的詹姆斯·汤姆森教授将这项研究向前推进了一大步。他们利用同样的方法,成功地从人体皮肤细胞获得了诱导多能千细胞。2007年年底,美国科学家利用IPS细胞对患有镰刀型红细胞贫血症的老鼠进行治疗,患病老鼠身上开始产生健康的血细胞,疾病症状也有了很大改善。尽管由此预测该研究解决了围绕胚胎干细胞研究的伦理问题为时尚早,但它确实为生物医学研究开辟了新的方向。
    3、追踪“天外来客”
    从20世纪60年代开始,科学家就观测到一种能量极高的粒子流像子弹一样穿透大气层,它们比原子还要小,但能量却是人类粒子加速器所能产生的粒子能量的1亿倍。它们究竟来自哪里?2007年,阿根廷的皮埃尔·奥格天文台的观测结果为确定这些神秘的“天外来客”的身份提供了一个有价值的线索:它们可能来自遥远星系的活跃星系核。
    起初,天文学家以为这种高能宇宙射线来自遥远的星系。到了20世纪90年代,日本科学家的观测结果却显示,由于这种粒子的数量比预期的多,它们更可能来自于相邻星系。2007年,皮埃尔·奥格天文台利用分布在3000平方公里内的1500个探测器阵列对宇宙射线进行了观测,不过,他们并没有发现超出预期数量的这种粒子。而在研究人员探测到的宇宙射线中,能量最高的射线通常来自附近活跃星系核较多的太空区域。所谓活跃星系核是指星系紧密的中心位置,这里通常都是大型黑洞所在的位置,会喷发巨大的等离子体射流到星系之间的空间。当然,这些宇宙射线是否确实来自活跃星系核还未得到完全的证实,同时,粒子如何获得如此惊人的能量也是一个未解之谜。
    4、揭开受体的面纱
    受体是一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子物质。目前,患者使用的药物有大约一半是通过靶向一个特定的“停泊港湾”(受体)来起作用的,这些药物引导细胞机器来治愈疾病。
    人类β2肾上腺素受体是1000多种G蛋白偶联受体(GPRC )的膜分子之一。这种受体通过探测光线,气味和味道等告诉我们周边世界的信息。同时,它也通过传递体内的激素、血清素以及其他分子的信息来帮助管理人体的内部系统。多年来,不少生物学家企图揭示β2肾上腺素受体的内部结构。2007年秋天,研究人员在经过20多年的努力之后终于为β2肾上腺素受体揭去了面纱,绘制出它的三维结构图。
    这一研究的重大意义在于,在了解β2肾上腺素受体的精确结构后,人们就可以制造出能精确地与确定受体结合的新一代药物。药物的精确结合能够刺激或抑制特定受体的正常活性,从而能更有效地治疗并使不良反应最小化。当然,要完成这一目标,还需要对其不同条件下的状态进行成像。由于人体内有上千个GPRC,因此现阶段仅仅是迈出了万里长征的第一步。
    5、超越“硅时代”
    回想60年前,当半导体最初被发现时,科学家只是对其神奇特性感到强烈的好奇。随后,二极管、晶体管、微处理器芯片一个接一个地涌现,地球进入了一个电子时代。2007年,物理学界又有惊人的发现:在不同类型的过渡金属氧化物晶体形成的交界面具有类似半导体的性质。
    1986年,瑞士物理学家卡尔·亚历克斯·米勒和他的德国合作者约翰尼斯·格奥尔·贝德诺尔茨首次发现了过渡金属氧化物高温超导现象。从那时起物理学家便不断从过渡金属氧化物中发现奇异的性质,例如巨磁电阻效应,即当磁场发生微弱变化时会引起磁性材料电阻率的巨大改变。2007年科学家成功地使两种绝缘的氧化物晶体生长在一起,在形成的交界面上,由于两块晶体间结构的相互影响极大地改变整个界面的特性,使得该界面的性质非常类似半导体。研究人员相信,利用相关氧化物的不同组合一定能够制造出各项性能优于半导体的材料。
    6、电子的“自旋舞步”
    电脑技术的进一步发展受制于关键元器件的散热问题,2007年美国华裔物理学家张首晟领导的研究小组提出的“量子自旋霍尔效应”描迷了奇妙的电子“自旋舞步”,将有望解决这一问题。      
    霍尔效应是通电导体在磁场中表现出的一种特殊的电磁效应,是德国物理学家埃德温·霍尔在1879年发现的。1980年,科学家发现在极低温度和强磁场条件下霍尔效应以“台阶的方式”发生跳跃式变化,这就是量子霍尔效应。具有量子霍尔效应的通电导体中的电流几乎没有能量损失也就是不会发热,这引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。然而量子霍尔效应所需的条件是苛刻的。电子的自旋是与经典物理学中的“旋转”相对应的一个量子力学性质,指电子会围绕自己的轴自转。根据张首晟的研究小组预测电子自旋也会出现量子霍尔效应,这就是量子自旋霍尔效应。2007年,他们与德国物理学家合作,证明量子自旋霍尔效应确实存在。当被置于外部电场和磁场时,电子就会上演“自旋舞步”。它同样没有能量损耗并且不需要强磁场还可能不需要低温。如果能在室温下实现量子自旋霍尔效应,那么研制几乎不发热的电脑元器件将成为可能。
    7、免疫细胞的分身抗敌
    2007年人类对自身免疫细胞的认识更上一层楼。美国的研究人员发现,当病原休来袭时,人体的免疫细胞会分化成两类,一类成为奋起抵抗的勇士,而另一类则成为记忆细胞,在体内排徊数十年防止相似的病原体再次人侵。
    该项研究揭示了一个免疫细胞同时分化成两种不同类型的细胞的过程。例如,在T细胞(人体有两大免疫屏障——细胞免疫和体液免疫,前者主要由T细胞完成,后者由B细胞完成)遭遇一个携带病原体的树状细胞后,它们就会彼此联络,开始一段长达数小时的“交际舞”。随后,体细胞内的受体和其他分子就会在其两端聚集,这是一种不对等的分裂,产生了两个性格迥异的“双胞胎兄弟”,靠近树状细胞的新细胞成为抵抗病原体的勇士,而另一端的细胞则成为记忆细胞。研究人员认为:这一机制对于保持体内免疫细胞的多样性有着重要的意义,同时,对于记忆细胞特性的深入探讨可能会帮助我们生产出更为有效的人工疫苗。
    8、更加“节约”的合成化学
    合成化学研究的任务之一是利用已有的分子合成自然界没有的分子或者十分稀少的分子,其中最重要的是合成一些具有独特功能的复杂有机化合物。有机化合物包含由多种原子组成的具有一定功能的基因。在合成复杂有机化合物的过程中,人们往往会选择一些常见的有机化合物作原料,然后改变它的结构,用一些具有特殊功能的基因来代替有机化合物中的部分原子或基因:但是这种替代需要选择合适位置的原子或基团,不能随意替代。合成化学家以前在面临这种具有选择性的替代反应时,要么采用催化剂,对需要反应的原子或基因进行“活化”,要么设法保护那些需要保留的原子或基因,而在2007年不少合成化学家采用一些新的催化剂,它们不但可以让有机化合物中需要反应的部分变得活跃,而且可以保护那些不需要反应的部分。这种合成思路意味着合成步骤的减少。例如,以色列的一个研究小组开发出一种含钌的催化剂,它可将氨和乙醇直接合成在医药和化工行业中具有广泛用途的乙酰胺,而这个合成反应在以前需要更为复杂的原料和好几个步骤才能完成。对于制药厂和新型电子材料生产厂家来说,用简单的原料代替复杂的原料减少合成步骤都意味着生产成本会大幅下降。
    9、想像来源于记忆 
    在希腊神话中记忆女神是激发灵感、想像的缪斯女神的母亲,神话中的类比在2007年不再是无稽之谈。2007年的研究发现,记忆确实和想像有着千丝万缕的联系。
    2007年1月,英国的研究人员让5个因脑海马受损而导致健忘症的患者构想一次海滨之旅或购物活动。他们发现,与正常人相比,记忆受损的患者的言语表述相对于正常人来说很贫乏。这表明脑海马受损不仅损害了记忆,同时也损害了想像力。2007年4月,一项基于脑成像技术的研究表明,人们在回顾往事和构想未来时所激活的大脑区域是极为相似的。研究人员推测,大脑也许通过重新整理过去的记忆片段来构造可能的未来情景。此外,一些关于老鼠的研究也发现了脑海马对于构想未来情景的作用。研究人员发现,当老鼠面临一个相似迷宫的交叉口时其脑海马中对应迷宫特殊位置信息的神经细胞会按照某种顺序激活,就好像老鼠在脑中想像走过各种不同的路径。研究者据此认为记忆和想像共享相同的脑机制,想像是对记忆信息的重组和变换。
    记忆是否是想像之母,现在断言还为时尚早,但2007年的这一研究使我们的心灵探索之路又进了一步。
    10、不可战胜的“对手”
    2007年,人工智能已经开始睥睨人类的高级智力活动,至少在西洋跳棋这一游戏里,人类已经不能战胜计算机了。在毫无失误的状态下人只能和计算机战平。加拿大的一个研究小组经过 18年的努力终于彻底破解了西洋跳棋,这是迄今为止计算机能够解决的最为复杂的游戏。
    西洋跳棋是在一个红黑相间有84个方格的棋盘上进行的,12个红棋和12个黑棋按照对角线方向在黑色的方格上移动。玩家要设法使自己的棋子跨过对方之上且落至空位,以此捕获对方棋子。按照规则,将有5×1022个不同种类的排序出现,如此庞大的数据足以使最先进的计算机“望而生畏”。为了避免无穷无尽的计算,研究人员采用了一种巧妙的办法。他们编译了一个容纳 39万亿种10个或者更少棋子的排列模式的数据库并确定每种模式最终的输赢情况。为了证明他们的计算机已经无敌,他们构想出一个开局,然后使用一种搜索算法来确定棋局的胜负。结果发现,假如对手有出色的棋艺并且毫无差错,最终将不可避免地走向平局。
    过去的2007年,各个科学领域的研究者在探索真理的路上继续高歌猛进,他们的发现拓展着人类对于世界、宇宙以及自身的认识。对于已经开始的2008年,《科学》杂志同样满怀信心地给出如下预测:首先,采用新型的彩色标记法将使研究者绘制出神经系统的电路图,揭开对神经元工作过程的实质性研究的序幕;其次,欧洲粒子物理实验室的巨型强子对撞机将在2008年夏天启动,这个巨型仪器或许能带给我们更多新型的粒子并且揭开一些谜团;第三,微RNA的研究在2007年已经火热展开。2008年研究者将利用这些微RNA揭开许多疾病机理,并揭晓诸多基本的生理过程的发生机制;第四,一种类似陶瓷氧化物超导体的材料呈现出一些特异的属性,科学家有望更好地掌握这项技术,并将之转换为一种新颖的电脑芯片装置。
 
 
    摘自《科学画报》      文/梅 西

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