博文
2009年十大科学进展《转自science杂志》
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2009年十大科学进展
1.始祖地猿
一架罕见的骨架推后时间的帷幔，揭示了人类最早的祖先令人惊讶的身体构造和生态环境。
在人类演化的故事中，只有少数个体化石是大家熟知的主角儿。他们包括：德国尼安德谷的尼安德特人（这是首次发现古人类骨架），南非的汤恩小孩（该发现在1924年首次揭示人类祖先在非洲生活过）、著名的露西（其不完全的骨架进一步揭示了人类演化过程的一个关键阶段）。2009年，这个小小的阵容里又添了一个新角儿：阿尔迪，她是迄今被认为最早的人类骨架，是在埃塞俄比亚的阿法尔洼地发现的，一同被发现的还有同一物种的至少35个个体的化石。
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自从1974年发现露西以来，研究人员一直想搞清楚露西的祖先长什么样、在哪里生活、怎样生活。露西属原始人族，其大脑与黑猩猩的差不多大小，但是在320万年前她就能像现代人一样直立行走了。然而，露西所属物种——阿法南猿（Australopithecus afarensis，又名阿法南方古猿或南方古猿阿法种）——最早成员生活的时间也在人类与黑猩猩最后的共同祖先生活年代的数百万年之后。人类起源故事的第一幕仍然缺失。 现在有了阿尔迪，这个生活在440万年前的女性原始人为了解人类过去那个模糊不清的阶段提供了新线索。阿尔迪的发现者将她的物种命名为始祖地猿(Ardipithecus ramidus，又名拉密达猿人),字源是阿尔法文字中的含义为“根”和“地”的两个词，用来描述生活在地面的、靠近人属根的类人猿。虽然有些人族化石更古老，但阿尔迪是这些古老化石中迄今为止最完整的。阿尔迪的骨架共有125块，包括大部分头骨和牙齿、骨盆、手、臂、腿和脚。（生活在4700万年前的早期灵长类艾达的化石也很完整，虽然今年最初宣布她的发现时人们曾称她是人类的直接祖先，但后来发现不是这样。） 1994年研究人员发现了阿尔迪人种的第一批化石，当时很快就认定这些化石是继露西之后最重要的化石。但是研究人员发现新化石的兴奋很快被泼了冷水：阿尔迪比较大的骨骼已被压破、很易碎。这使得一个多学科小组花了15年时间来挖掘阿尔迪、用数码手段消除变形、分析其骨骼。 今年10月，人们期待已久的阿尔迪骨架终于在《科学》杂志印刷版和网络版刊登的11篇文章中面世（见10月2日《科学》第60-106页）。阿尔迪的发现者提出她属于一个新的人族，该族包括现代人和人类祖先、但不包括其他现存类人猿的祖先。他们指出，阿尔迪独特的身体构造不同于现存的非洲类人猿以及露西等后来的人族化石。相反，阿尔迪揭示了古老的解剖结构变化，正是这种变化奠定了直立行走的基础。 |
用手还是用脚行走？阿尔迪的脚（右图）有一个用来抓树枝的可相对脚趾。 |
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古代直立人。阿尔迪可能是在树枝上和地面上直立行动，这是直立行走演化中的关键一步。 |
实体证据
阿尔迪最令人惊讶之处在于她不是南方古猿和长得像黑猩猩和大猩猩的共同祖先之间的过渡物种。阿尔迪身高一米二，身体和大脑尺寸略大于黑猩猩；她比露西原始得多。但阿尔迪的发现者称，她长得并不像非洲类人猿，更不像我们已知的更早类人猿的零碎骨头。
研究人员研究了阿尔迪的脸和牙齿，发现了一些把地猿属与所有后来的人族物种（包括露西和现代人）联系起来的衍生特征。例如：阿尔迪的口鼻不如黑猩猩突出。即使阿尔迪种的男性也没有像黑猩猩那样匕首般锋利的大犬齿。她的颅底前后距离短，与直立行走者的一样，而不像四足类人猿的那么长。
此外，阿尔迪的发现者根据她的骨盆确定她的确是直立行走，这是很久以来定义人类的一个特征。她骨盆的上部边缘比现存类人猿的短且宽，这降低了她的重心，使她在行走时可以用一条腿平衡。但是阿尔迪并不像人类或露西那样行走自如。她的骨盆对攀登和直立行走都很有利，使她成为“官能”两足动物，她的发现者如是说。
阿尔迪极为完整的手脚骨更证实了这一点。据发现者说，阿尔迪的腕关节不像非洲类人猿那么僵硬，手掌的骨头短，表明她并不像黑猩猩和大猩猩那样用脚趾关节行走，也不像它们那样在树枝之间荡来荡去。但是阿尔迪的脚比黑猩猩更僵硬，表明她的脚既用来在地上直立行走，也用来在树枝顶端小心攀爬走动。事实上，阿尔迪的手指长且弯曲，脚趾大且可相对，表明她抓树枝。
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如果真是这样，表明我们的祖先还在林地里生活时就开始直立行走，而不是像我们过去认为的那样生活在比较开阔的草地时才开始直立行走。这个国际发现小组花了很大功夫重现了阿尔迪走出第一步的场景：他们从阿拉米斯和附近的化石层中收集了15万个动植物化石标本，包括大象、鸣禽和千足虫。该小组用辐射测量法测出含有化石的沉积物来自于440万年前，于是得出结论：阿尔迪生活在一个遍布天然林地的古老冲积平原上，她在朴树、无花果树和棕榈树上爬来爬去，与猴子、“库杜”羚羊以及孔雀生活在一起。 与人类的关系 如果根据脸、头骨和牙齿的特征来定义人族的话，那么表面上看阿尔迪属于人族。很多读过地猿属资料或是看到过其化石石膏模型的研究人员都同意这一点。但是自从露西被发现以来，直立行走一直是确定一个物种是否属于人族的黄金标准。在灵长类动物中，只有人类和人类的近亲习惯性地两足行走。在这一点上，阿尔迪算不算人族还不好说。 能提供她直立行走关键证据的骨盆破碎且不完整，其一部分被称为“爱尔兰炖肉”；有外部研究人员希望能检查阿尔迪骨骼复原过程。但是，阿尔迪的发现者指出，他们得出阿尔迪能直立行走的结论是依据她脚的特征和原始骨盆保存最完好的那部分，而不是依据复原的部分。 |
露西，这是阿尔迪。今年阿尔迪（左图）跟露西一样成为罕见的人族骨架化石之一，这些骨架有助于我们理解人类演化。 |
《科学》上发表的文章提出了证明阿尔迪揭示了人类和黑猩猩共同祖先的基本身体构造的有力证据，很多研究人员也对此提出异议。他们指出阿尔迪大约生活在人类与黑猩猩共同祖先100到300万年之后，在这么长的时间内足以发生演化变迁。还有人对男性地猿缩小的犬齿的社会含义提出疑问，而国际发现小组认为小犬齿意味着男性地猿间的侵略性比黑猩猩低。
这样的争议表明，认定这么古老的人族是否直立行走十分困难。阿尔迪是不是必须像南方古猿那样直立行走才能被接纳为人类大家庭的一员？也许虽然她用一种过渡形式直立行走，但她的脸、头骨和犬齿与后来的原始人一致就足够了？阿尔迪已经促使一些研究人员提出这样一个问题：习惯性的直立行走是否是定义人族所必需的？也许有些远古类人猿是从头部开始演化为人族的。
人族新化石引起争论并导致重新定义人类大家庭的限定是有先例的。很多人曾经认为较大的大脑和使用工具与直立行走同时出现；直到露西被发现，她的大脑与黑猩猩大小差不多，证明直立行走先出现。
研究人员不仅需要思考人族的定义，他们还需要搞明白阿尔迪处于人类演化树的什么位置。国际发现小组提出了一个假设：地猿属产生了包括露西的南方古猿属，而人们普遍认为南方古猿演化成包括现代人类的属：人属。但是他们也注意到，阿尔迪也可能属于一个已灭绝的旁系分支，与我们的直接祖先是姐妹种。随着新的研究人员加入到研究阿尔迪的行列，发现小组开始允许他们看阿尔迪骨架的复原石膏，小组也将返回阿拉米斯寻找更多的化石。
今年是达尔文诞辰200周年，恰好是今年，研究人员最终打破了了解人类起源的400万年障碍。人类最早祖先的模型现在有大量新数据和至少一批确凿证据做基础。
——安·吉本斯（Ann Gibbons）
2.拓展伽马射线天空
就像在黑夜里闪烁的灯塔，脉冲星在太空快速自转时看上去定期闪烁，用两个圆锥状电磁辐射波横扫天空。自从40年前发现第一个脉冲星以来，天文学家通过探测它们发射的脉冲无线电波已经找到了数百个这种神秘物体。现在，天文学家启动了又一个发现渠道：利用高能伽马射线光谱来寻找无线电波段无法探测到的脉冲星。这一进展属于近年来对伽马射线观测潮的一部分，正使研究人员更多地了解脉冲星如何工作；同时他们也发现了更多脉冲星，这将有助于引力波的探测。
这些是费米伽马射线太空望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope, 简称费米望远镜）观测到的结果。自从2008年由美国国家航空航天局（简称美国宇航局）发射升空以来，费米望远镜一直在绘制宇宙伽马射线图。一个国际研究小组通过仔细分析费米望远镜升空后最初几个月收集的数据，新发现了16个脉冲星。他们还发现了以毫秒速度自转的8个已知脉冲星发出的强伽马射线脉冲，证明这些天体不仅在无线电波段也在伽马射线波段发出很亮的脉冲。此外，他们还发现球状星团杜鹃座47发出的高能伽马射线，表明这个星团里藏有多达60个毫秒脉冲星。
这些费米望远镜带来的成果也许仅仅是开始。利用他们对脉冲星的新认识，研究人员正在检查费米望远镜过去探测到的那些不明伽马射线源中是否有脉冲星。美国和法国的天文学家小组将地面射电望远镜对准费米望远镜所指出的候选天体，仅11月份一个月就新发现了5个毫秒脉冲星，这种搜索技术比用地面射电望远镜盲目扫描天空更有针对性。
脉冲星的伽马射线束被认为比其无线电波束更宽，因此在原则上，基于太空的伽马射线望远镜应该比地面射电望远镜更容易遇到和分辨脉冲星的扫过。然而，费米望远镜的先行者——1991年至2000年运行的康普顿伽马射线观测台——运气不佳，没找到这些天体。费米望远镜的不同之处在于其高灵敏度，这使它能够检测到康普顿检测不到的微弱脉冲。
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据天体物理学家说，他们对费米望远镜观测到的脉冲星伽马射线辐射进行了分析，其结果严重冲击了极冠模型。相反，观测资料显示，射线大部分来自于外磁层的某个位置。这么详细地研究脉冲星如何工作，仅仅通过无线电观测是不可能的，因为无线电波只占脉冲星能源总量的很小一部分；而伽马射线则占脉冲星辐射的绝大部分。 |
闪光。脉冲星CTA1是费米伽马射线太空望远镜发现的众多脉冲星之一。 |
3.脱落酸受体
虽然植物的全部技能之中不包括“战斗或逃跑”行为，但是植物体内有与肾上腺素相当的一种化学物质：脱落酸（abscisic acid, 简称ABA）。高浓度的ABA使种子保持休眠状态，有助于保持水分，并在条件恶劣时抑制根和其它植物部位的生长。但是长期以来植物生物学家一直未能找这个关键植物激素的受体，尽管多次尝试，但屡试屡败。终于在今年5月，两个独立的研究小组用不同方法确定了同一蛋白质家族为ABA受体。到今年深秋，已有另外几个研究小组证实了ABA和PYR/PYL/RCAR蛋白之间的联系。该领域的一位领导者说：“ABA受体研究终于取得了一个胜利。”
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其中一个研究小组来自德国，他们把注意力集中在寻找与ABI1和ABI2这两种酶结合的蛋白质上（这种酶有助于刺激ABA的活动）。他们发现了两个蛋白质，将其命名为RCAP（ABA受体调控部分）。另一个研究小组来自美国加里福利亚州，他们通过弄清楚加速ABA活动的pyrabactin与何种物质相互作用，找到一个ABA受体。这个小组把他们发现的ABA受体命名为PYR1。两个小组发现各自找到的ABA受体都属于同一个有14个成员的蛋白质家族。 此外，来自中国、日本、欧洲和美国的其他研究人员也找到证据支持这些结果。有几个小组还获得了ABA与其受体结合或受体与PP2C磷酸酯酶相互作用的晶体结构（要使ABA起作用必须关闭PP2C磷酸酯酶）。这些结构表明：PYR/PYL/RCAR蛋白质结对，形成一个有“门”的袋，ABA能钻入其中。ABA改变分子对的形状，使“门”关闭并形成一个与PP2C结合的表面。 这些结果对植物生物学研究甚至更广泛的领域带来很大的帮助。PP2C和ABA受体属于高度保守的蛋白质家族；确定了这些蛋白质在植物中的作用后，也许更容易搞清楚它们在其它生物体中的作用。 |
受体集合。蓝色部分表示在一棵幼苗里新发现的ABA受体的位置。 |
苏斯博士著名的儿童读物《圣诞怪杰》（又名《格林奇如何偷走圣诞节》）中，小气的主人公怒气冲冲地说：“如果找不到驯鹿，我就自己做一个！”物理学家们采取了类似的方法来寻找他们长期追寻的目标：名为磁单极子的一种粒子。科学家们还没有找到这种东西，但是今年有两个研究小组在磁晶体内制造出了被称为“准粒子”的波动，其行为与单极子类似。
据物理学家所知，每个磁体都有北极和南极。但是，理论家们曾推断只有一极的基本粒子。1931年，英国理论家保罗·狄拉克认为，磁单极子的存在可以解释电荷的量子化。“大统一理论”也预测了磁单极子的存在；该理论把电磁作用、弱相互作用、以及强相互作用视为一个事物的不同方面。
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9月份报告发现的单极子只存在于钬钛酸盐和镝钛酸盐这类被称为自旋冰的物质中。在自旋冰中，旋转的磁性钬离子或镝离子位于金字塔或四面体的四个顶角，就像氢离子在冰里那样。在低温下，每个四面体里有两个离子的北极向内指向中心，另两个离子北极向外指。翻转一个离子就会产生一个不平衡四面体，有三个离子指向内部，而另一个四面体只有一个离子指向内部。翻转更多的自旋指向，不平衡的四面体就会独立移动，就像磁单极子一样。 这样的“自旋系统”给理论家和实验家提供了游戏场，虽然他们的游戏大多都深奥难懂。观察到的磁单极子以简单的方法展示了这种系统的丰富性。 |
截然相反。在自旋玻璃中，磁单极子是含有一个指向内部磁离子的四面体（蓝球）或含有三个指向内部磁离子的四面体（红球）。 |
虽然复活节岛的泥土中发现的一种细菌分泌物并不是庞塞德莱昂设想的青春之泉，但是研究人员今年报告，这种名为雷帕霉素的化合物延长了小鼠的寿命，这是第一次用药物延长了哺乳动物的寿命。
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雷帕霉素是处方药，用来治疗肾癌并减轻器官移植排斥反应。美国国家衰老研究所把该药物加入到可能会延长啮齿动物寿命的分子名单中；之后，三个试验这类药物的美国实验室开始给小鼠喂食雷帕霉素，这些小鼠的年龄在600天左右，相当于人类的60岁。服用富含雷帕霉素食物的小鼠的寿命延长了9%到14%。研究人员在蠕虫和果蝇身上进行试验时取得过类似的结果，但是这是第一次在哺乳动物身上试验成功；尤其鼓舞人心的是虽然这些小鼠已过盛年，但雷帕霉素仍然有效。 不过，雷帕霉素的机制难住了科学家们。雷帕霉素的作用是阻挡从蛋白质合成到细胞分裂的所有过程都涉及的TOR生化信号途径。但是，雷帕霉素并没有阻止导致死亡的任何具体原因：这些小鼠都患有溃疡和心力衰竭等老年病症。而且因为小鼠并没有变得骨瘦如柴，研究人员怀疑雷帕霉素的作用机制与热量限制机制类似，尽管有些科学家认为两者之间可能有联系。热量限制是指通过极端限制小鼠和其它实验室生物的饮食来延长其寿命。 |
长寿小鼠。食用雷帕霉素的小鼠寿命延长了高达14%。 |
| 雷帕霉素破坏免疫系统，而只有狂热者才能把热量限制坚持下去。因此，这两个方法对延长人类寿命都不太现实。但是，它们也许能引导研究人员寻找更适用的方法来延缓衰老或者至少延长我们健康生活的时间。 |
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今年，行星科学家们最终证明了像月亮一样荒芜、而且经常是炽热的天体上可以有冰水存在。这一发现增加了阅读亿万年之久的环境记录的期待值，确实助长了对太阳系的探索。
月球存在冰并不是一个完全荒谬的想法。90年代初，科学家们从地球上用雷达探测水星时就发现水星上的撞击坑下埋藏有类似冰水物质的东西。这种物质只在极地陨石坑下才有，因为极地陨石坑的边缘的阴影使坑底永远处于黑暗中，保证了必要的永久寒冷。科学家们推断，也许在亿万年间来自撞击彗星和冰冷小行星的一点水被冻结在永远处于黑暗中的陨石坑里。环绕月球的雷达最终也找到迹象表明月球极地陨石坑存在冰，但是对这一解释仍存在争议；即使在1998年一个环绕月球的仪器在极地探测到高浓度的、可能是下面埋藏的水分子一部分的氢之后，争议也没有停止。
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最后，研究人员用一个两吨重的、耗尽燃料的火箭级以每小时7200公里的速度撞击到永远黑暗、寒冷的Cabeus陨石坑才使数升水得以被观察到。耗资8000万美元的月球陨坑观测和传感卫星（LCROSS）发回了月球撞击飘升物中水汽、冰和水衍生羟基的清晰光谱特征图。 LCROSS还发回了月球水源的证据。LCROSS的传感器检测到与冰水物质一起埋于地下的一氧化碳、甲烷和甲醇等分子。这些化合物正是彗星和冰冷小行星上发现的那种，所以月球上至少有一些地方保存了亿万年来碰撞月球的天体的遗迹。 月球冰冷的水储藏也许是数十亿年月球撞击的记录。宇航员也许能饮用这种水或是用其种植食物，甚至将其分子分裂为氢原子和氧原子用来做火箭燃料。但是有一个问题：要有人想出办法如何在月球绝对零度以上40度的温度下进行钻探和开采作业。 |
注意！当耗尽燃料的火箭（后）撞击月球时，LCROSS航天器（前）捕捉到有水迸出来。 |
基因治疗指通过修复DNA来修复发生故障的细胞，它为治疗单个基因缺陷引起的疾病提供了一个精美的解决方案。在人类身上的研究始于1990年，但是该领域一直面临各种技术挑战和重重困难，比如一位志愿者在临床试验中死亡。但是随着研究人员报告的对几种破坏性疾病的成功治疗，基因疗法今年有了转机。这些成功案例包括：
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l 先天性黑蒙症（Leber's congenital amaurosis, 简称LCA）。这是一种罕见的让患者在婴儿期失明的遗传疾病。美国和英国的研究人员给黑蒙症患者的一只眼睛注射一种携带外来基因的无害病毒，该基因编码是一种制造感光色素所必需的酶的编码。在第一批临床试验中，12名部分失明患者的感光能力都有改善。其中4个孩子重获视力，能进行体育运动，在学校也不再需要学习辅助器材。（另一个研究小组用类似的方法使先天红绿色盲的松树猴恢复了全色视觉。） l X连锁肾上腺脑白质营养不良（adrenoleukodystrophy, 简称ADL）。这是一种大脑疾病，通常会导致男童在青春期前死亡。此种疾病是编码制造维持神经髓鞘的蛋白质的基因有缺陷造成的。一个法国研究小组往两个患有此病的7岁男童的血细胞里注入一个纠正基因，有些细胞开始制造缺失的蛋白质并且看来转移到了他们的大脑。两年后，ADL典型的渐进性脑损伤已经停止。这次试验也是第一次用失效的HIV病毒把基因带入细胞，该病毒导致癌症的可能性比过去用的载体小。 l “泡泡男孩”病，又名严重联合免疫缺陷病（severe combined immunodeficiency，简称SCID）。这种病是由于缺乏一种叫腺苷脱氨酶的酶而引起的。今年1月，意大利研究人员公布了他们对儿童患者8年试验的最新结果。10名患者中有8名不再需要酶替代疗法，过上了正常人的生活；而且他们中没有发现基因疗法的严重副作用。（治疗一种相关疾病——X连锁SCID——的基因疗法恢复了19名婴儿的免疫系统，但是他们中有5名患上白血病，其中1名死亡。） |
成功。经过对制造酶的基因的修复治疗，失明患者重获部分视力。 |
对其它遗传病的临床试验结果将很快公布，研究人员准备采用这种更安全的新载体进行更多试验。
8.石墨烯研究取得新进展
材料科学往往进展缓慢，但是对石墨烯的研究进展神速。自从2004年英国研究人员发现了一种可以从石墨块上剥离一个原子厚度的碳原子层的简单方法后，研究人员一直在争先恐后地研究这一极薄膜。今年，这方面的研究更上一层楼；研究人员有一连串的新发现，其中包括制造出大张石墨烯薄膜和用其研制全新器件的新基本理论和方法。
石墨烯的魅力很大程度上在于它传导电子的方式。其近乎完美的原子秩序（六边形细铁丝网状的碳原子晶格）能让电子以超快速度通过。物理学家利用石墨烯的这个特性来检验量子力学的一些不同寻常的特征。例如：上个月，分别位于纽约和新泽西州的两个研究小组证实了石墨烯的电子表现出分数量子霍尔效应，在该效应中电子好像具有分数电荷的粒子一样集体行动。分数量子霍尔效应几十年前在一些多层半导体材料中被观察到，但是从未在石墨烯这样一个简单材料中发现过。
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简单性在其它研究中也表现突出。今年5月，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员报告说，他们在薄铜箔上生长出面积为一平方厘米的石墨烯薄膜。康奈尔大学的一个研究小组修改了前者的技术，在硅片上生长石墨烯。这两个进展为生产大的基于石墨烯的电子器件阵列打开了大门。 对这类器件的研究也取得了大幅度进展。今年1月，IBM的研究人员报告说他们研发出了石墨烯晶体管，每秒钟能开关260亿次，远远超过传统的硅器件。麻省理工学院的研究人员研制出电子信号的石墨烯倍频器，有可能带来通讯和遥感领域的新应用。此外，研究人员还研制了不少其它器件，小到能称小分子的石墨烯天平，大到超高速石墨烯光子探测器。简单还是不简单，研究人员的工作让石墨烯研究看上去很容易。 |
令人振奋。石墨烯的导电特性激发了物理学和电子学领域的研究人员。 |
9.哈勃重生
哈勃太空望远镜曾经因为老化差点被迫退休。不过今年秋天，它又开始拍摄服役19年来最好的图像了。这要归功于今年5月进行的一次维修任务，成功地把哈勃的使用寿命延长了5年。
这次维修任务能执行很不易。美国国家航天航空局（简称美国宇航局）前局长肖恩·奥基夫宣布取消原定2004年执行的哈勃维修任务之后，宇航局内部一直有人力争让哈勃继续工作下去。宇航局的官员曾考虑把一个机器人送上太空执行必要的维修任务，但是很多专家认为这个不切实际的办法会毁掉哈勃。2006年，奥基夫的继任者迈克尔·格里芬要求该机构的宇航员做好对哈勃进行最后一次维修的准备，这总算让支持哈勃望远镜维持运作的人们松了一口气。
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今年5月，“亚特兰蒂斯”号航天飞机上7名宇航员进入地球上空500公里的轨道，11天内共进行5次太空行走，执行了一系列复杂而且危险的操作。最后，他们完成了所有预定任务，包括：把2号广角相机（Wide Field Camera）换成了图像分辨率高10多倍的3号广角相机，安装了能提高哈勃拍摄紫外光谱能力的宇宙起源摄谱仪（Cosmic Origins Spectrograph），还修复了高级巡天相机（Advanced Camera for Surveys）和太空望远镜成像摄谱仪（Space Telescope Imaging Spectrograph）这两个现有设备。 9月9日，美国宇航局公布了哈勃维修后拍摄的首批照片：蝴蝶星云的壮观画面、半人马座ω球状星团以及其它恒星奇观。哈勃正常工作了。现在，分析哈勃所拍摄数据的科学研究正在加快步伐。例如：近几个月来，哈勃已拍摄了地球附近旋涡星系M83的最详尽照片，这些照片应该有助于研究人员了解恒星在M83中心诞生的秘密。 |
压轴戏。对哈勃望远镜的最后一次维修任务延长了它的使用寿命。 |
今年4月，一种新型光闪耀诞生。位于美国加里福利亚州门洛帕克的斯坦福直线加速器中心—国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的物理学家们制造出了世界上第一台X射线激光器。这个名为直线型加速器相干光源（Linac Coherent Light Source, 简称LCLS）的巨型设备长130米，由该实验室3公里长的直线粒子加速器提供动力。该激光器是一个价值4.2亿美元的用户设施的核心，耗时3年造成，但使其启动发光研究人员只需花2小时。
LCLS虽然只是一个工具，但是它值得被称为“突破性进展”，因为与所有以前的光源相比，它标志着质的进步。几十年来，科学家们利用X射线来探测材料的原子尺度的结构。LCLS比以往的任何光源的亮度高10亿倍，其产生的X射线脉冲短暂到百万分之二纳秒，短暂到足以拍摄下化学反应过程中的停止动作图像。简单地说，LCLS是第一个结合了原子尺度空间和时间分辨率的设备。它还以相干量子波的形式输出X射线，使研究人员能借用传统激光器发展出来的技术。
| 利用LCLS进行的试验从10月份开始。科学家们希望用其测定来自单个分子样本的一个蛋白质的结构，或是将某种物质的所有原子剔除内层电子看看它们如何反应。鉴于名为同步加速器的X射线源已经是结构生物学家和材料科学家的常用工具，有人对新设备LCLS又能做什么提出疑问。但是科学家们提出“我们可以用它干什么？”问题本身就表明LCLS是全新的东西，有可能带来无人能预见的进展。 |
耀眼的。迅速穿过LCLS磁体（见上）的电子产生大量X射线。 |
——《科学》杂志新闻编辑部
重临危机：科研机构勉强维系
去年，当金融危机（见《科学》“2008年年度倒退”）席卷全球时，曾有人预言说科研领域将遭灾。他们的预言一部分得到了证实：对美国很多依靠州政府拨款或捐赠基金的学术机构来说2009年是艰难的一年。但是对数千科学家个人来说2009年是丰收的一年；他们的实验室从美国政府价值数十亿美元的刺激经济拨款中受益甚多（见11月27日《科学》第1176页）。而目前来看，世界其他国家和地区的研究机构似乎安然度过了这场风暴。
美国人口最多的州——加里福利亚州的情况尤其糟糕。伊丽莎白·布莱克本得知自己因对端粒的研究而获得了诺贝尔医药奖之后跟记者打趣说：“获得诺贝尔奖，就减薪。” 布莱克本是一名生物化学家，出生于澳大利亚，在加州大学旧金山分校工作，今年夏天以被迫休假11天的形式被减薪4%。她和加州大学10所分校的其他成千上万名教员一样，都承担了帮助消除加州大学8.13亿美元赤字的负担。如此庞大的赤字是由于州政府给予的拨款持续减少，而加州政府也在苦苦支撑避免破产。因为预见到加州明年的赤字更大，加州大学校董会上个月把明年的学费提高了32%、上涨到10300美元，进一步削弱了加州大学曾是美国高等教育系统中最价低质高的大学之一的美名。
加州并不是唯一受苦的州。上个月，对共有188名成员大学的美国公立及赠地大学协会（Association of Public and Land-grant Universities, 简称APLU）的一项调查发现，87%的受访大学得到的州政府拨款平均减少了11.4%，而州政府拨款是很多公立大学的重要财政来源。那些受打击最严重的大学已经撤销了一些系并辞退了终身教授。包括哈佛、斯坦福和耶鲁这几个世界上最富有大学在内的私立大学的捐赠基金降低了20%到27%，它们也都缩减了行政编制、减少了服务、停止了一些长期规划的项目（见2月27日《科学》第1157页）。不过迄今为止，这些大学还没有裁掉教员。
“那些历史上州政府拨款高、学费相对较低的公立大学——如加州大学——由于州政府减少拨款受到的打击最大。”罗伯特·伯达尔如是说。他是拥有62名成员的美国大学协会会长，曾任加州大学最有名的伯克利分校校长。“而那些主要依靠捐赠基金的私立大学也严重受创。”
与此同时，一些机构还维持得不错——甚至蓬勃发展。尽管州政府的拨款减少了，密歇根大学还是保持了其54亿美元的年度预算平衡，方法就是明智地削减开支——如在安阿伯分校减少种植植物——或是寻找其它收入来源。另一个州立大学的佼佼者——得克萨斯大学奥斯汀分校不但避免了削减其教育项目，还招进来了杰出的研究人才。威廉·汉克斯上个月接受《纽约时报》采访时说，“我们系在发展，和我们同时来了一批新人，……感觉很不错。”他解释了为什么他和妻子詹妮弗·约翰逊-汉克斯（同为文化人类学家）离开了加州大学伯克利分校到得克萨斯大学奥斯汀分校任职的原因。
据报道，受经济衰退直接影响的欧洲和亚洲的研究型大学比美国少，因为欧亚很多顶级的私立研究机构不像美国同类机构那么依赖捐赠基金，因此受金融危机的冲击没那么大。但是，这种情况也许很快就会改变。今年夏天，日本新政府冻结了原定增加的数十亿美金研究支出，而且现在似乎准备大幅度削减对科学的支持，这是日本为了减少经济衰退造成的预算赤字的一个计划的一部分（见11月20日《科学》第1046页）。在欧洲，葡萄牙和意大利大学的经费已经减少了10%到20%。据欧洲大学协会消息，爱尔兰的大学在未来两年经费可能会削减6%到10%；该协会还指出东欧的大学现在也面临巨大的压力。
那么2010年将会带来什么呢？在APLU的调查中，大部分受访大学正为另一轮州政府削减拨款做准备。伯达尔说：“很多人认为州政府拨款也许永远不会恢复到原来的水平，特别是受打击最严重的地方。”。而面对日益强烈的对学费上涨的政治反对，美国大学的管理者们不知道如何以最佳方式来缓和持续金融风暴带来的冲击。
——杰佛琳·莫维斯（Jeffrey Mervis）、艾略特·马歇尔（Eliot Marshall）
评分卡——给去年预测的科研热点打分
植物基因组学
2009年，黄瓜、高粱和两个玉米品种的基因组序列发表了，值得庆祝。对木薯和油棕榈也进行了测序，并且对其它很多植物的测序也取得了进展——尽管数目可能没有《科学》预测的那么多。
海洋酸性化
由于大气中的二氧化碳含量增加而造成的不可避免的海洋酸性化在2009年引起了更多公众关注；但是，正如预期一样，关注还是不够。尽管人们预料到的海洋酸性化带给生物普遍危害的坏消息不断，特别快速酸性化的热点区出现了，但是没有一个问题足以吸引全球注意力。对这个温室效应的必然后果——海洋酸性化问题——的呼吁并没有对哥本哈格气候谈判起到任何推动作用。
神经科学出庭
今年3月，在美国南加州的一宗儿童监护权案中，辩护律师提交了功能性磁共振成像扫描图（fMRI scans）作为证明委托人说实话的证据，但是后来又将其撤回。11月，在伊利诺伊州一宗杀人案中，被告的辩护律师用功能性磁共振成像扫描图来证明委托人大脑有问题因此应当被免除死刑。但是陪审团经过长时间讨论后作出了与辩护律师希望的相反决定。虽然法庭案件对神经影像证据的兴趣在不断增长，但是2009年并不像我们预测的那样是个分水岭。
通往哥本哈根的路
新任美国总统欧巴马承诺通过对温室气体的限制规定、越来越多的国际推动、日益明确的气候科学都很可能为正在丹麦举行的联合国会议达成历史性的全球减排协议铺平道路。但是，美国参议院和国际谈判者们都没能在哥本哈根会议举行之前取得任何共识（该会议将在本期《科学》付印后结束）。2010年还将有机会限制温室气体的排放，但是明年将举行的美国国会选举和华盛顿持续的党派偏见仍然是达成任何全球协议的主要障碍。
看得见的黑暗
正如所料，暗物质仍然不明朗。两年前，美国ATIC气球试验发现了来自太空的以某种特定能源运动的过剩电子和正电子，这可能是暗物质粒子湮灭的一个迹象。今年，沿轨道运行的费米伽马射线太空望远镜并没有观测到这些过剩粒子。费米望远镜测到的光谱与天体物理学家的预期并不完全一样，但是，沿轨道运行的反物质探测与轻核天体物理学负载（简称PAMELA）粒子探测器收集的数据仍然显示正电子对负电子的比率增加。这些可能是暗物质的迹象，但还很不明确。
定义物种
在庆祝达尔文诞辰200周年之际，可以想象他对物种形成基因学研究的进展会很高兴。研究人员在哺乳动物、酵母以及常见的果蝇身上都发现了物种形成基因，使这种基因的数目从2006年的5个激增到15个，当然这要看人们如何定义物种形成基因。研究人员还找到了包括涉及定义新物种的几个调控区在内的其它DNA，并在了解对物种形成的基因组范围影响上做了不少工作。
Tevatron的胜利
尽管几乎所有人都预测它会发现希格斯玻色子，但结果并非如此。不过位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）的日益老化的原子加速器还算是取得了一个胜利。美国能源部宣布计划让1万亿电子伏加速器对撞机Tevatron运行到2011年，这理应可以使费米国家加速器实验室的物理学家发现他们梦寐以求的希格斯玻色子的踪迹或是在最有可能的质量区域排除其存在的可能性。瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN）终于启动了能量更高的大型强子对撞机，所以寻找希格斯玻色子的竞赛可能到2012年才会见分晓。
2010年科研热点
IPS细胞。2008年十大科学进展之首的细胞重编程能把成人皮肤细胞重新编程为诱导多能干（induced pluripotent stem, 简称iPS）细胞，而iPS细胞可以被诱导发育为各种成熟细胞类型。细胞重编程有望迎来一个新的研究浪潮。研究人员采用这些方法可以从个体患者身上造出新的细胞、来检查这些细胞是否有生理和遗传异常，或用它们来试验可能的治疗方法。科学家已经从I型糖尿病、帕金森病和另外至少十几种疾病的患者身上造出了iPS细胞。随着越来越多的研究人员加入这个领域、并且取得新见解（如果他们运气好的话），2010年还会有更多种疾病的iPS细胞制造出来。
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终于。阿尔法磁谱仪将在计划推迟了7年后升空。 |
外显子组研究。2010年，科学家将对数千个人类基因组中编码蛋白质的DNA进行测序，希望找到与人类疾病有关的新基因。这些被称为“外显子组（exome）测序”的研究已经揭示了神秘的遗传性疾病的遗传原因。他们也许还会填补所谓的全基因组关联研究中的空白。全基因组关联研究用DNA芯片技术扫描基因组以期发现可能引起疾病的风险标记。虽然这些研究在近几年很流行，但没能解释常见疾病和性状的遗传性能。有些研究人员认为通过测序发现的更罕见的变异将揭开这些遗传“暗物质”的面纱。
生物化学战胜癌症？20世纪20年代首次注意到的癌细胞的怪异代谢行为是否最终会带来新的治疗方法？为了化解葡萄糖，肿瘤细胞经常从普通的需氧通道转到另一种被称为糖酵解的不需要氧的代谢方式。干扰细胞的这个异常新陈代谢已成为很多会议讨论的主题、至少一个刚起步的生物技术的商业计划和一些临床试验的目的。
人类太空飞行。抛弃陈旧，迎接……还不知道是什么。服役近30年后，美国航天飞机机队预定将于2010年9月退役，欧巴马总统必须挑选出美国宇航局下一个能载人的运载火箭。他可以采用“阿瑞斯”运载火箭目前的设计，或是要求对现有一次性运载火箭进行改进，或是让商业公司提供一个费用更低的选择。欧巴马还计划决定是否在未来10年内达到重返月球、登陆某个小行星或是火星的某个卫星。
年度病毒：H1N1新型流感
多年来，科学家们一直警告说，流感大流行会在任何时候爆发，引发与1918年西班牙流感同级的全球性灾难。他们猜测肇事病毒会首先在亚洲出现；而且从2003年以来，他们一直担忧H5N1禽流感病毒株可能就是这种病毒。为此，世界各地的卫生官员们起草了一个又一个应急方案。
但是，去年春天爆发的流感大流行与所有应急方案里的那种完全不一样。它不仅首先在北美出现，而且这个导致这场流感大流行的猪病毒是已经在人群中传播的H1N1病毒的一种新类型。尽管新型H1N1毒株对青少年和孕妇特别危险，但在其他健康人中，它引起的流感不比季节性流感严重。科学家多次警告说，这个相对温和的病毒会发生变异，或者与表亲交换基因从而变得更致命。但是现在看来，这个不知如何从猪传染到人类的H1N1病毒似乎会因为造成混乱而不是灾难被载入史册。
并非一切准备工作都没起作用。由于新技术和“九一一”事件后建立的边境监视计划，该病毒得以更早在人类体内发现。墨西哥是疫情最严重的国家，但是一开始就公开讨论国内疫情发展并执行了一个积极的应对机制。科学家们以创纪录的速度确定了这个新型病毒的特征、分发了检测病毒的化验，并且研究发现的成果几乎是实时分享。监管部门火速批准新的疫苗和药物。而有互联网辅助的广泛宣传也让公众得以了解这个流行病的发展以及预防和治疗的种种努力。
然而，H1N1新型病毒最终揭示了全世界与大流行性流感作战的能力弱点多于优点。作为这场混乱程度之深的象征的世界卫生组织对流感是否该叫“大流行病”举行的幕后辩论过于拖沓；一些官员给这个病毒提议了很多名字，但没有一个被广泛接受。但是问题不仅仅是象征性的。
由于缺少对猪的流感的监控，该病毒很多年都没被发现。到它被发现时，已经在人类中流行了几个月，那时用隔离和抗病毒药物来控制疫情（这是世卫组织储备药物的目的）为时已晚；数学模型表明如果一个新型流行病毒发现得早，疫情是可以控制的。不少国家不顾世卫组织的建议，实行了无用的旅行禁令和检疫措施，埃及甚至杀死了所有的猪——尽管没有猪传染人的病例。
但最大的警钟是疫苗问题；疫苗是对付流感大流行的应急方案的基石。几乎当病毒一经被分离出来，公共卫生实验室和制造商就立刻全速行动。不幸的是，他们遇到了一个又一个困难。因为该流行病在4月首次出现，没有人指望疫苗会在南半球冬天到来时生产出来。但即使对北半球来说，疫苗也来得太少、来得太晚。大多数国家直到10月或11月才开始疫苗接种计划，但此时流感大流行的第二波已在大肆传播。
疫苗分配的问题也同样令人烦恼。尽管国际会议大唱全球公平的高调，但是贫穷国家还是排在了最后。到目前为止，世界卫生组织得到的帮助贫穷国家的疫苗数承诺只有2亿支左右，而直到12月初才开始交付疫苗。此外，美国未能靠采用免疫增强佐剂的方法解决疫苗供应不足的问题。而尽管有证据显示单剂量能保护10岁以上的人，使用了佐剂的欧洲国家还是坚持打两剂疫苗。到目前为止，疫苗在全球分配的差异并没有引发强烈的政治愤慨。但许多公共健康专家认为，如果H1N1的新型毒株导致更多人死亡的话，富国的行为会造成外交骚乱。
对疫苗的疑虑也达到了一个新的高度。一些名人谴责疫苗，自豪地宣称他们不会让自己易受H1N1病毒感染的孩子注射疫苗；不少人接受了这种观点。互联网也给有关疫苗的谣言煽风点火，传播了各种各样的假消息，从毫无根据的疫苗“尚未经过人体测试”到妄想出来的“这是一个世界卫生组织的阴谋，目的是减少世界人口”都有。
最后，这次虎头蛇尾的流感大流行或许最好被人们记作某一天会降临的真正严重的病毒杀手的试运转。而且事实已经证明，如果真正的头号大流感2009年爆发了的话，我们的世界肯定已经受到重创。
——马丁·恩瑟林克（Martin Enserink）和乔恩·科恩（Jon Cohen）
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