“上帝粒子”領(lǐng)跑2012年十大突破

　　與此同時(shí)，科學(xué)界也充滿(mǎn)歡樂(lè )�！拜喿�!這是輪子!”“好奇”號火星車(chē)在紅色星球安全著(zhù)陸幾分鐘后，發(fā)回的第一張圖像出現在實(shí)驗室大屏幕上，人們興奮地歡呼著(zhù)，熱烈地擁抱著(zhù)。

　　一個(gè)又一個(gè)科學(xué)突破，留下振奮人心的記憶�！犊茖W(xué)》雜志盤(pán)點(diǎn)了2012年那些領(lǐng)跑科學(xué)的重要突破。

　　1發(fā)現上帝粒子

　　沒(méi)有一個(gè)科學(xué)進(jìn)展能引起如此多的喧囂。

　　7月4日，操作世界上最大原子粒子加速器——大型強子對撞機(LHC)——的科學(xué)家宣布，他們發(fā)現了一個(gè)似乎大家一直以來(lái)在尋找的粒子——希格斯粒子，標準模型中最后一種未被發(fā)現的粒子。

　　最終，研討會(huì )變成了媒體的舞臺，一時(shí)間相關(guān)新聞吸引了全世界的目光。希格斯粒子的發(fā)現當之無(wú)愧成為本年度最杰出的科學(xué)突破。

　　40多年前，英國物理學(xué)家彼得·希格斯預言了一種能吸引其他粒子進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子的存在。他將這種玻色子視為物質(zhì)的質(zhì)量之源。希格斯粒子的發(fā)現完整補充了標準模型。這種粒子解決了標準模型中的一個(gè)基礎問(wèn)題。

　　標準模型理論描述了構成普通物質(zhì)的粒子：電子、夸克、中微子以及這些粒子的其他兩組“親屬”。乍一看，標準模型仿佛是一種無(wú)質(zhì)量粒子理論。因為簡(jiǎn)單設定粒子的聚集使得該理論局限于數學(xué)上的混亂。希格斯粒子的到來(lái)修補了上述理論的缺陷。不過(guò)一直以來(lái)，希格斯粒子都沒(méi)有現身。

　　為了找到希格斯粒子，歐洲核子研究委員會(huì )(CERN)投資55億美元建造了27公里長(cháng)的LHC。另外，他們還使用了龐大的粒子探測器“超環(huán)面儀器”(ATLAS)——25米高、45米長(cháng)——和1.25萬(wàn)噸重的“緊湊繆子線(xiàn)圈”(CMS)。超過(guò)100個(gè)國家參與了LHC項目。

　　功夫不負有心人。7月，兩個(gè)相關(guān)的研究小組宣布，他們分別在通過(guò)大型強子對撞機取得數據后，發(fā)現了一種很可能是希格斯玻色子的粒子。

　　而事實(shí)上，懸而未決的一個(gè)重要問(wèn)題是，該發(fā)現標志著(zhù)粒子物理學(xué)新紀元的開(kāi)始，還是這個(gè)領(lǐng)域最后的努力?

　　不過(guò)，無(wú)論如何，這一發(fā)現把粒子物理學(xué)標準模型拼圖中的最后一塊填充到位，雖然尚不清楚該發(fā)現會(huì )把粒子物理研究引向何處，但其對物理學(xué)界的重大意義不容置疑。

　　2古老基因“全壘打”

　　2年之前，古遺傳學(xué)家因完成了尼安德特人的核基因組排序而進(jìn)入年度突破榜單。

　　2011年該實(shí)驗小組分享了他們拼湊的丹尼索瓦人基因。丹尼索瓦人是生活在5萬(wàn)年前西伯利亞的古老人類(lèi)。而這種古老人類(lèi)的DNA序列一直模糊不清，他們只留下了一段指骨和兩顆臼齒化石。通常剝離自化石的脆弱DNA會(huì )退化成單鏈，自動(dòng)測序儀無(wú)法進(jìn)行復制。研究人員只能解密來(lái)自古人類(lèi)、動(dòng)物和病原體等的古老基因的部分代碼。

　　但是今年，德國馬克斯·普朗克進(jìn)化人類(lèi)學(xué)研究所的一位博士后發(fā)明了一種堪稱(chēng)卓越的新方法使得其研究小組能夠“重訪(fǎng)”丹尼索瓦人DNA。這種新技術(shù)能將特定分子與單股DNA相結合。

　　借助該技術(shù)，研究人員利用一個(gè)距今7.4萬(wàn)年至8.2萬(wàn)年的指骨碎片，獲得了在西伯利亞南部阿爾泰山丹尼索瓦洞古遺址發(fā)現的丹尼索瓦女孩的基因組高覆蓋率測序數據，并實(shí)現重建其基因組全序列。

　　一直以來(lái)，DNA測序儀器適合于測定活著(zhù)的人類(lèi)的DNA，樣品通常為雙鏈DNA，為了研究古老DNA，MatthiasMeyer打算設計一種單鏈DNA測序工具。經(jīng)歷了很多失敗之后，Meyer和同事最終使用丹尼索瓦女孩6毫克的手指骨骼，重建了完整的丹尼索瓦人基因序列。

　　基因分析結果顯示，丹尼索瓦人似乎對現代人類(lèi)的基因組有某種程度的貢獻，東南亞島嶼人群從丹尼索瓦人那里繼承了約3%的核基因。而且，丹尼索瓦人攜帶有與當今人類(lèi)的黝黑皮膚、棕色頭發(fā)和棕色眼睛相關(guān)的等位基因。

　　Meyer研究小組還希望利用新方法分析之前測序失敗的化石樣品，并期待能在2013年完成尼安德特人和丹尼索瓦人的基因比較。

　　3人腦—機器界面掌握未來(lái)

　　前不久，美國科學(xué)家宣稱(chēng)，在他們幫助下，一名患有阿爾茨海默氏癥并且頸部以下癱瘓的53歲女性通過(guò)使用機械臂，可以把物體移送到目標位置。

　　外科醫生在她腦部左邊的運動(dòng)皮層上植入兩個(gè)4×4毫米的微電極裝置，這部分的運動(dòng)皮層對控制人的四肢運動(dòng)起關(guān)鍵作用。這些電極通過(guò)電腦與機械臂實(shí)現互聯(lián)，電腦將腦部發(fā)出的電波轉化為數字信號來(lái)控制機械臂。該實(shí)驗展示了讓癱瘓病人通過(guò)大腦—機器界面(BMI)用意念移動(dòng)機械臂并從事復雜三維運動(dòng)的技術(shù)。

　　今年早些時(shí)候，就有研究證實(shí)，癱瘓病人能夠使用BMI進(jìn)行復雜的運動(dòng)。實(shí)驗中，一位58歲的女性病人——她無(wú)法說(shuō)話(huà)，也無(wú)法移動(dòng)四肢——用思維操作機械臂，抓住了一個(gè)瓶子，并喝了一小口咖啡。

　　不過(guò)，目前這種技術(shù)仍然是試驗性的，而且價(jià)格極其昂貴�？茖W(xué)家希望可以研發(fā)更先進(jìn)的計算程序改善這種神經(jīng)性假肢，用以幫助因中風(fēng)、脊髓損傷等而癱瘓的病人。這種“人腦—機器”界面研究在未來(lái)有廣闊的應用空間，除了能幫助殘疾人外，在軍事和太空探索等領(lǐng)域也有非常高的實(shí)用價(jià)值。

　　4來(lái)自干細胞的卵子

　　在過(guò)去的十多年里，研究人員一直嘗試在實(shí)驗室制造卵細胞。

　　今年，這項研究邁出了重要的一步，實(shí)驗鼠產(chǎn)下了第一個(gè)來(lái)源于老鼠胚胎干細胞的成活幼崽。不過(guò)，日本研究人員發(fā)明的這項新技術(shù)，依然需要老鼠來(lái)孕育受精卵，還未能實(shí)現完全體外生殖。

　　但是這項研究成果證實(shí)了，胚胎干細胞可以形成可生育的卵母細胞，而且它讓科學(xué)家更加了解這些復雜和強大的細胞是如何發(fā)育的。

　　卵子和精子通常會(huì )經(jīng)歷一個(gè)復雜的發(fā)展過(guò)程，它們經(jīng)歷減數分裂——一種特殊的細胞分裂，使得它們的染色體數為正常值的一半;它們也重置基因組印跡以確定哪些基因是開(kāi)啟或關(guān)閉的。盡管多能性細胞——包括胚胎干細胞——能夠發(fā)育成任何種類(lèi)的細胞，但是實(shí)驗證明把它們變成生殖細胞非常困難。

　　2011年，該研究小組報告說(shuō)，他們能把胚胎干細胞變成可生育的精子。2012年，研究人員表示類(lèi)似的過(guò)程可以產(chǎn)生卵子。首先，他們將干細胞與生長(cháng)因子和蛋白質(zhì)混合形成所謂的原始生殖細胞——一種類(lèi)似早期胚胎中發(fā)現的前體卵子和精子細胞。然后，科學(xué)家將這些細胞與卵巢組織混合，并將這些混合物植入老鼠的卵巢或腎臟里。幾周后他們提取出了成熟的卵母細胞。

　　科學(xué)家將卵母細胞與正常老鼠精子進(jìn)行體外受精，然后把胚胎植入雌性實(shí)驗鼠體內。實(shí)驗鼠生出了可以繼續繁衍后代的正常老鼠。不過(guò)，這項技術(shù)未能應用于人類(lèi)細胞——需要卵巢組織和活體宿主來(lái)進(jìn)行實(shí)驗，這不切實(shí)際，也面臨倫理問(wèn)題。雖然實(shí)驗結果未能達到科學(xué)家們的終極目標——完全在實(shí)驗室中得到卵細胞，但它為研究基因及其他影響生育和卵細胞發(fā)育的因素提供了強有力的工具。

　　5打開(kāi)中微子物理學(xué)大門(mén)

　　今年，物理學(xué)家通過(guò)測量描述了一個(gè)模型的最后未知參數，該模型描述了被稱(chēng)作中微子的難以捉摸的粒子在以接近光速穿行時(shí)，如何從一種類(lèi)型變形為另一種類(lèi)型。

　　2011年開(kāi)始，中微子的重磅消息接連傳出，歐洲研究人員“撞”出“中微子超光速”。緊接著(zhù)歐洲核子研究中心就宣布，所謂“中微子超光速”可能是烏龍事件，罪魁禍首只是實(shí)驗光纜松動(dòng)。

　　不久之后，中國廣東大亞灣傳出令人振奮的好消息：中微子實(shí)驗發(fā)現了電子反中微子消失現象，該現象與中微子振蕩的預期符合，其能譜畸變也與中微子振蕩的預期符合，這就意味著(zhù)發(fā)現了一種新的中微子振蕩模式，其信號顯著(zhù)性為5.2倍標準偏差，并測得其振幅sin22θ13為0.092。

　　中微子共有3種類(lèi)型，并可以在飛行中從一種類(lèi)型轉變成另一種類(lèi)型，即中微子振蕩。原則上應有3種振蕩模式，之前已有兩種被證實(shí)，相應的混合角θ12和θ23已經(jīng)準確測得。而鑒于θ13在揭示中微子振蕩中的特殊重要性，美國物理學(xué)會(huì )2004年曾在報告中將用反應堆實(shí)驗測量sin22θ13作為未來(lái)試驗的“第一優(yōu)先”。

　　大亞灣中微子實(shí)驗結果不僅顯示出中微子和反中微子可能會(huì )以不同的方式改變其特色，還提示中微子物理有朝一日或許能幫助研究人員解釋為什么宇宙含有如此多的物質(zhì)及如此少的反物質(zhì)。如果物理學(xué)家無(wú)法發(fā)現超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能會(huì )代表粒子物理學(xué)的未來(lái)。

　　6基因巡航導彈

　　2012年，基因工程師們著(zhù)手制造一些功能強大的新工具，來(lái)幫助生物學(xué)家們更容易改變包括酵母和人類(lèi)在內的各種生物體的DNA。一種名為“轉錄激活子樣效應因子核酸酶”(TALENs)的工具便是其中之一。

　　利用TALENs，研究人員能夠改變或消滅活的斑馬魚(yú)、非洲爪蟾蜍、牲畜甚至病人細胞中的特定基因。除此之外，還有研究人員利用這項技術(shù)制造出了用于研究心臟病的微型豬。

　　研究發(fā)現，這些附著(zhù)在DNA上的效應蛋白的晶體結構揭示出蛋白質(zhì)是如何找到它們的靶點(diǎn)的。最終，科學(xué)家證實(shí)，這種技術(shù)與基因靶向技術(shù)一樣有效，但是更為廉價(jià)，而且能幫助科學(xué)家確認基因及突變在健康人和病人中的特定作用。換句話(huà)說(shuō)，TALENs就像基因巡航導彈——成本低廉，作戰效能高。

　　這樣一種基因工程學(xué)上的突破在過(guò)去是難以想象的。對于大多數高級生物體而言，改變或刪除DNA通常是一個(gè)無(wú)計劃的命題，研究人員幾乎無(wú)法準確控制相關(guān)實(shí)驗。

　　十年前，一種名為“鋅指核酸酶”的技術(shù)幫助科學(xué)家獲得更高的基因打靶成功率。2012年，利用TALENs，科學(xué)家能得到與“鋅指核酸酶”一樣準確的結果，但是更簡(jiǎn)單，也更便宜。一些研究人員開(kāi)始將TALENs視為分子生物學(xué)實(shí)驗室的標準程序。

　　7登陸火星

　　8月6日，美國“好奇”號火星車(chē)登陸火星。在“好奇”號著(zhù)陸的整個(gè)過(guò)程中，最驚險的歷程當屬進(jìn)入火星大氣層、下降然后著(zhù)陸的“恐怖7分鐘”。在這7分鐘里，為“好奇”號火星車(chē)特別設計的“空中起重機”著(zhù)陸系統是當之無(wú)愧的英雄。

　　經(jīng)過(guò)5.63億公里的漫長(cháng)旅途后，“好奇”號在距離預計登陸點(diǎn)僅2.4千米的地點(diǎn)著(zhù)陸。盡管無(wú)法在火星條件下測試其探測器所有的“進(jìn)入、下降和登陸”(EDL)系統，但在加州帕薩迪納美國宇航局(NASA)噴氣動(dòng)力實(shí)驗室里，承擔探索火星使命的工程師們仍安全并準確地將“好奇”號送抵目的地火星。

　　“好奇”號并不是第一輛登入火星的探測器，不過(guò)“勇氣”號和“機遇”號等個(gè)頭較小、重量較輕的早期火星著(zhù)陸器均包裹在氣囊內硬生生落在火星表面，這種方式對重達3.3噸的“好奇”號不適用。于是，研發(fā)新的著(zhù)陸器迫在眉睫。

　　工程師們從起重機和直升飛機那里得到靈感，創(chuàng )建了“空中起重機”著(zhù)陸系統�！昂闷妗碧柧嗷鹦潜砻婕s11公里時(shí)，降落傘啟動(dòng)，火星車(chē)降速后，逐步與降落傘分離，“天空起重機”的反沖推進(jìn)發(fā)動(dòng)機同時(shí)啟動(dòng)。之后，3根纜繩伸出，將“好奇”號從“天空起重機”中吊出，隨著(zhù)進(jìn)一步下降，纜繩不斷被拉長(cháng)，“好奇”號火星車(chē)的輪子和抗震系統在觸地時(shí)立刻啟動(dòng)，纜繩被立即自動(dòng)切斷。

　　完美無(wú)瑕的著(zhù)陸過(guò)程讓NASA獲得信心，他們希望有朝一日可以讓另一輛火星車(chē)著(zhù)陸火星，將“好奇”號搜集的樣本回收并送回地球。

　　8超越基因的基因組學(xué)

　　10年時(shí)間、耗資2.88億美元、30篇論文，這些顯示出，人類(lèi)基因組比研究人員曾經(jīng)認為的更加熙熙攘攘，也更具“功能”。這項名為“DNA元素百科全書(shū)”(ENCODE)的項目，獲得了迄今最詳細的人類(lèi)基因組分析數據。

　　“DNA元素百科全書(shū)”項目還發(fā)現，基因組中大約80%的基因具有生物化學(xué)活性，可幫助開(kāi)啟或關(guān)閉基因。這些DNA堿基有的作為影響基因活性的蛋白質(zhì)著(zhù)陸點(diǎn)，有的則能夠轉化為RNA鏈從而自行實(shí)施功能，例如基因調控。

　　科學(xué)家宣稱(chēng)，這項研究不僅幫助研究人員了解遺傳和疾病之間的聯(lián)系，還將改變人們思考以及實(shí)際使用人類(lèi)基因組的方式。

　　無(wú)論如何，旨在搞清構成基因組的30億個(gè)堿基中每個(gè)都在做些什么的ENCODE項目，是“人類(lèi)基因組計劃”之后國際科學(xué)界在基因研究領(lǐng)域取得的又一重大進(jìn)展。這些新的細節有望幫助研究人員理解基因受到控制的途徑，并確定某些疾病的遺傳學(xué)風(fēng)險因子。

　　9激光照出蛋白質(zhì)結構

　　一百年之前，物理學(xué)家發(fā)現了X射線(xiàn)是如何飛掠過(guò)一個(gè)晶體的，并揭示出晶體的原子尺度結構。今年，科學(xué)家使用“X射線(xiàn)激光器”首次確定了一個(gè)蛋白質(zhì)的結構。這項新研究進(jìn)展證明了X射線(xiàn)激光具有解密蛋白質(zhì)結構的潛力，而這是傳統的X射線(xiàn)源所無(wú)法做到的。

　　生物學(xué)家借助一種名為同步加速器的環(huán)形粒子加速器產(chǎn)生的X射線(xiàn)確定了成百上千種蛋白質(zhì)結構。但是，一些蛋白質(zhì)，尤其是細胞膜中的蛋白質(zhì)，很難形成足夠大的晶體并通過(guò)同步加速器進(jìn)行研究。因此科學(xué)家希望能夠使用新型激光器突破這一困難。

　　來(lái)自德國和美國的研究人員使用美國斯坦福直線(xiàn)加速器中心國家加速器實(shí)驗室的直線(xiàn)性連續加速器光源(LCLS)，確認了一種單細胞蟲(chóng)所必需的酶結構，這種名為布氏錐蟲(chóng)的寄生蟲(chóng)是引起非洲昏睡病的元兇。

　　為了制作出微米尺度的酶晶體，研究人員在培養細胞中將其過(guò)度表達。最終，研究團隊利用比傳統同步加速輻射源亮10億倍的X射線(xiàn)激光得出了結果，發(fā)現其中包含一種分子安全帽。這些信息有助于科學(xué)家找到有效的治療藥物，遏制這種酶的活性，從而治療昏睡病。

　　10馬約拉納費米子現身

　　2012年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)科學(xué)家首次觀(guān)測到馬約拉納費米子存在的可靠證據。馬約拉納費米子是一種反粒子即自身的粒子，其有望在量子計算中組成穩定的比特。

　　1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納改寫(xiě)了描述費米子和玻色子行為的方程式，并預測自然界中可能存在一類(lèi)特殊的費米子，它是自己的反粒子。換句話(huà)說(shuō)，就是自己是自己的雙胞胎兄弟，人們將其稱(chēng)為馬約拉納費米子。物理學(xué)界有關(guān)其是否存在的爭論已持續了70多年。

　　如果新研究結果經(jīng)得起檢驗，它不僅將率先制造出馬約拉納費米子，更將成為物理學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步。目前的量子位技術(shù)很難實(shí)現計算機操作，極細微的溫度或其他外界因素的影響都會(huì )消除標準量子位儲存的信息。新發(fā)現已促使科學(xué)家努力將馬約拉納費米子結合到量子計算中，因為由這些神秘粒子組成的“量子比特”會(huì )比目前數字計算機中所擁有的比特更有效率地存儲和處理數據。

　　目前，荷蘭研究小組和其他研究人員正忙于驗證馬約拉納費米子是否存在，如果是真的，納米科學(xué)很快就會(huì )有炫耀的資本。