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CN:31-1600/Q
ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2004, 16(3): 184-
Science评出2003年度世界十大科学成就
苏连芳,宋玉琴,邵晶晶,徐岩英, 董尔丹
国家自然科学基金委员会生命科学部,北京 100085

2003年12月19日出版的Science评出了2003年度世界十大科学成就,其依次为:明确宇宙能量分布,找到暗物质和暗能量存在的新证据;破译精神疾病之谜;地球正在变暖;小核糖核酸研究继续热门;单分子研究取得进展;宇宙大爆炸;老鼠胚胎干细胞既能发育成精子又能发育成卵子;科学家发现“左手”物质;揭示人类Y染色体遗传秘密;肿瘤饥饿疗法。
1 明确宇宙能量分布,找到暗物质和暗能量存在的新证据
      2003年2月,当“威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)”缓慢划过太空时,捕捉到了宇宙最本质的东西,描绘出宇宙诞生初期的图像,连同当年的其他几项发现,终于使宇宙学研究领域发生了重大变革。这样,持续数十年之久的关于宇宙本质的争论终于画上了一个句号,宇宙远比我们想象的还要陌生。
      五年前,两个由天文学家组成的研究小组发现毁灭中的恒星存在一种可怕的力量。通过对某种超新星亮度的观测,宇宙学家们惊奇地发现宇宙正在以加速度的方式扩张,并非广义相对论所称的减速,这是首次意识到神秘“暗能量”的存在,正是这种未知的力量对抗了引力,使星系间急速远离。为此,1998年Science有一期以被该发现惊得目瞪口呆的爱因斯坦作为封面。
尽管有关超新星的数据确凿,但是许多天文学家仍然难以接受“暗能量”这一离奇的观点。全球的天文学家们蜂拥而起,试图用各种不同的方法证明这种不可抵抗的力量的存在。如今这些探索终于可以结束了,科学家们无需再去证明“暗能量”的存在了,而是要去探讨其构成,以及它对于揭示宇宙诞生和进化的意义。
      WMAP探测到的数据描绘了一个完全陌生的宇宙:这个宇宙只有4%是由普通物质构成的,包括众星、树木和人类,23%由尚不知成分的“暗物质”构成,其余的73%则为“暗能量”。
      WMAP还精确的揭示了宇宙的年龄和扩张速度。目前认为宇宙的年龄为137亿年,上下误差仅为数十万年;宇宙扩张的速度为71公里/秒/百万秒差距,误差仅为百分之几;宇宙形态呈板层状的椭圆形。至此,长达几十年的关于宇宙年龄、扩张速度、构成及密度等基本问题的争论终于尘埃落定。
     “斯隆数字天宇测量(SDSS)”在本年度对于宇宙的认识中也起到了同样重要的作用。SDSS已描绘出了百万个星系,通过对这些星系的分布情况进行分析,科学家们就可以推测出影响这些星系聚集和播散的力量——是“暗物质”的引力吸引,还是“暗能量”的抗引力排斥作用。2003年10月,SDSS研究小组公布了对其中1/4星系的分析结果,结论与WMAP相似:宇宙主要是由“暗能量”构成的。
       2003年7月,物理学家们将SDSS收集的星系数据与WMAP收集的微波数据进行整合,根据整合Sachs-Wolfe效应,基本证实了“暗能量”确实存在。目前宇宙学的部分研究工作已转向探索宇宙形成的力量。
      数十年来,各种有关宇宙膨胀的假说几乎都无法得到证实,现在WMAP获得的确凿数据终于让科学家们可以直面这些假说。
      对“暗能量”的特性也正在进行详细的探索。WMAP、SDSS和2003年刚发射的一个新型超新星探测仪已经开始向科学家们提供有关“暗能量”的数据。物理学家们已经摒弃了过去对“暗能量”的各种假设,认为“暗能量”是一种足以导致宇宙中所有物质突然毁灭的东西,如果“暗能量”达到某个临界值,可能会最终产生一条“巨缝”,将众星系、太阳系、行星,甚至原子撕裂。
      困扰宇宙学家达五年之久的“宇宙是否由暗物质构成,是否被暗能量分割”的问题也终于迎刃而解了,答案是肯定的。相信科学家们最终会阐明宇宙的起源。
2 破译精神疾病之谜
     精神分裂症、抑郁症、躁狂抑郁症等疾患常常呈家族性发病,近来,研究人员终于找到了这类疾病的易感基因,并破译了这些基因是如何影响人类大脑的信息传递过程,而导致精神疾患的。
      化学信使5-羟色胺通过抗抑郁药物的一个作用靶受体传递化学信号,而决定该受体的一对等位基因与抑郁症高发密切相关。2003年度,研究人员终于发现了两者相关的秘密:该等位基因只有在紧张的状态下才会增加抑郁症的患病风险。在20~30岁期间就遭受丧亲之痛、爱情受挫或失业的人群,如果又不幸携带该脆弱基因,则会比携带其他变异基因的人群更易患抑郁症。
      携带该高危等位基因的人在观看恐怖图片后,其大脑的恐惧区会表现异常活跃。研究还显示携带该基因的人易于将世界理解成高度险恶,从而使生活压力放大,乃至罹患抑郁症。
      大脑另一区域,掌管规划和解决问题的技巧的额叶前部皮层,由COMT基因参与调控,该基因是精神分裂症易感基因之一,其编码的一种酶可破坏神经递质多巴胺。两年前就曾发现该基因编码的某蛋白可影响额叶前部的皮层,导致精神分裂症。即使是携带该精神分裂症易感等位基因的正常人,在处理相对简单的问题时,其额叶前部的皮层也会表现的异常活跃;而非精神分裂症等位基因则会调控额叶前部皮层,使之活动更加有效,但是会增加焦虑症的患病风险,因此,这两种病变是同类精神病两个完全相反的类型。
      2002年下半年,科学家发现脑衍生嗜神经因子(BDNF)基因的一个等位基因在躁狂抑郁症的发病中起一定作用,2003年度又发现该等位基因可抑制大脑海马的活动,后者是管理记忆的大脑区域,当患有精神病时,该部位会出现萎缩。BDNF可诱使海马产生新的神经元。2003年度的其他研究还发现,抗抑郁药物正需要这种神经生成。研究人员希望能够充分、正确地了解精神疾病状态下大脑的偏差,从而加以纠正。
3 地球正在变暖
      气候研究人员通过对一个世纪以来的气温测量值分析发现地球正在变暖。新的研究结果显示地球已经感受到了这种变化。有关全球变暖对地球及其居民影响的系列研究在2003年达到了高潮,出现了大量与冰川融化、干旱、植被生产力下降、动植物行为改变等有关的报道。
      2003年度通过气候模拟室研究发现一场长达数年之久、正趋衰退的环地球干旱与西太平洋和印度洋水温异常升高有关。水温升高系温室气体所致。在北极,通过对注入北冰洋的六大欧亚河流监测发现,自1936年以来水量增加了7%,与气候模拟室所预测的高纬度地区降水量增加及其后观测到的天气变暖、大气环流方向变化等均一致。越来越多的淡水流入北大西洋以北,使北向暖气流减缓,造成了北大西洋周边人口稠密地区气候异常。
      对生物圈动植物行为的meta分析研究发现,地球生命已经感受到了气候正在变暖。全球动植物的生存地域已发生了迁移,其行为也相应发生了改变,例如开花、排卵的时间。在美国中西部地区,气候变化造成了玉米和大豆减产,非洲坦噶尼喀湖的植被生产力也出现了下降。
      随着对地球变暖会通过多种途径影响地球及其生命的认识越来越强烈,人类已开始将注意力集中到学习如何适应这些变化上,而且正在获得更好的解决方法,如加强灌溉、迁移农作物种植区。动植物也正在不断适应地球变暖的变化。
4 小核糖核酸研究继续热门
      同2002年度一样,2003年度有关小核糖核酸的研究继续位列全球十大科学成就。继对小核糖核酸分子调节基因表达的作用展开研究之后,2003年度生物学家们继续深入探索其详细机制,揭示小核糖核酸是如何调控细胞行为,并调集其各种能力战胜疾病的。
      小核糖核酸是长度约为22个核苷酸的短小核糖核酸,研究发现其在引导早期发育中起重要作用——从植物叶子的形成到果蝇胚胎细胞的增殖均受小核糖核酸的介导。RNA干扰(RNAi)系关闭基因表达,在发育过程中也起关键作用。缺乏RNA干扰过程中核酸内切酶Dicer(一种ATP依赖性RNAaseⅢ 酶)的小鼠没有干细胞,出生后不久即死亡。2003年度发现小鼠的某些小核糖核酸可引导干细胞生成胚胎的造血系统,同时还发现人类拥有255个编码小核糖核酸的基因,占全部基因组基因的近1%。
      研究还发现RNAi可屏蔽成百上千个基因的表达。RNAi可迅速而相对简单的抑制具有互补序列的系列RNA分子的表达,阻止其合成蛋白。通过在特定时间阻断某基因的RNA信号表达,研究人员就可以勾画出调控从细胞形态到信号传导系统各种事件的基因网络。
      其他热衷于RNA研究的科学家们则正在寻找战胜疾病的小干扰RNAs(siRNAs)。siRNAs与其相应的小核糖核酸大小相似,可调控RNAi机制,直接控制蛋白的生成——许多疾病都有蛋白合成异常。研究发现siRNAs可下调艾滋病相关蛋白的表达,阻断肝脏炎性反应相关基因的表达,保护小鼠免患肝炎。但是,对这些抗疾病分子的研究尚面临巨大的挑战,尤其是在如何通过siRNAs获得正确的基因和细胞,以及避免错误等方面。
5 单分子研究取得进展
      生物学家与物理学家通过近期合作正在实时揭示单分子在细胞内所承担的繁忙角色。2003年度发现了分子运动的动力,精选了可持久存在的纳米级染色标记物,揭示了与DNA相结合的单分子的某些特性。
      所谓“光钳”是指用激光束处理单个离子。今年,生物学家们将光钳改进为更小巧的钳夹,可测量单个运动蛋白(kinesin)沿细胞内轨道——微管的运动,其运动呈“叠手(hand-over-hand)”方式,而非早期报道的尺蠖样运动。2003年,应用单分子荧光技术还证实了另一运动蛋白——肌球蛋白的“叠手”运动方式。
      但是,2003度最激动人心的物理学与生物学合作新技术恐怕还要属量子斑点成像技术的应用。所谓量子斑点是指细小的半导体纳米晶体,在受到激光束激发后,产生各种不同的色彩。2003年,研究人员通过粘附在抗体上的量子斑点,对神经细胞膜上甘氨酸受体的运动进行了追踪。在该项研究中,量子斑点的发光时间持续达20分钟,较传统有机染料的发光时间要长。量子斑点生物成像技术还刚刚起步,但是这些神奇的半导体纳米晶体必定会为许多生物学难题寻找到答案。
      物理-生物学协作同时朝着两个方向在发展。物理学家们则按照自己的意图探讨生物分子。2002年,研究人员通过将单个RNA分子拉伸数百倍,发现了系统构型转换必需的热动力学原理,称为Jarzynski等式(Jarzynski{$39}s equality)。2003年,科学家们又确定了单个酶消化DNA的催化速率和动力学。我们期待物理学家和生物学家们能够继续关注单分子研究并不断取得新成就。
6 宇宙大爆
      2003年度的数项发现终于揭开了宇宙中最强烈大爆炸的神秘面纱:宇宙中伽马射线的爆发(GRBs),尤其是在2003年的3月,天文学家们在一次伽马射线爆发后的光芒中清晰无误的发现了超新星的踪迹,从而证实了伽马射线爆发与超新星之间存在的联系。现在,天体物理学家们确信恒星的核心发生内爆炸时,巨大的能量会喷射向太空,形成黑洞,或成为携带磁场的高速旋转的中子星。
研究还发现伽马射线爆发喷射出的巨大能量形成为角度仅为1~5度的狭窄光束,其中仅少数能够碰巧到达地球,因此,在宇宙中远较想象的多见。
       研究还认为所谓X线闪光的低能量爆发与GRBs产生于同类星球爆炸。甚至有的理论学家们还认为今年发现的部分X线闪光就是GRBs。其他近期发生的恒星内爆炸似乎喷射出的是X线、发光物质和无线电波流,而非伽马射线。
       取得这些成就的关键在于团结协作。美国国家航空航天局(NASA)的高能量临时探测器克服了众多技术难题,为地球上的天文学家成功定位了许多GRBs和X线闪光,而地面上也同时形成了一个全球性的遥控望远镜和传统望远镜相结合的观测网络,正是这个快速观测网络首次证实神秘的“暗”伽马射线爆发也是可见的,只不过时间非常短暂,仅仅在爆炸后的数分钟内能够观测到。
该领域的研究还将不断深入。NASA将在2004年发射可回收人造卫星,以较前提高5倍的速率捕捉GRBs,揭示该领域最难解的迷:持续仅几分之一秒的GRBs的起源。
7 老鼠胚胎干细胞既能发育成精子,又能发育成卵子
      2003年的另一项惊人发现堪称“伦理学地震”:老鼠胚胎干细胞在培养皿中既能发育成精子,又能发育成卵子。该项研究成果带来的既有学术问题,又有伦理学问题。它有助于揭示生殖细胞的发育机理,如果应用于人类,可不断获取人类卵子或精子用于研究。但是如同打开了潘多拉的盒子,一系列的伦理问题也相应出现了:能否从细胞系中诞生孩子?
      该发现本身也同样问题重重。三个研究小组均发现生殖细胞能够自然发育为致密的胚胎干细胞(ES cells),关键在于如何识别它们。其中一个研究小组对ES细胞进行了处理,若这些细胞表达发育性细胞的特有基因,则应发绿色荧光。分离后,发光细胞的表现的确类似发育的卵母细胞,呈精子或卵子特有的减数分裂方式。
      更令人吃惊的是,在培养约40日后,出现了类似早期胚胎的结构,但是,试图让这些实验室诞生的卵子受孕的众多尝试却失败了。
      类似的技术还可使胚胎干细胞发育成精子前体细胞。预试验发现将这些尚未成熟的精子注入卵子后,可发育成早期胚胎,不过迄今为止还未生出成活的小鼠。
      培养皿中生长着的性细胞为人类了解精子和卵子形成的分子过程提供了帮助,有助于更好的揭示各种受精过程。况且,如果人类胚胎干细胞能够成为卵子来源之一,也许可以在细胞核转移试验中替代短缺的供卵者,一旦成功,可为患者提供个体特异性的干细胞以治疗疾病。其实,如果人工制造的卵细胞仅能够进行细胞核转移试验,而不能产生后代,那么困扰学术界的主要争议也就没有那么尖锐了。
8 科学家发现“左手”物质
      历经长达两年的争论,2003年的研究结果终于证实某些奇怪的物质可以改变光线的方向。这些物质按照自身特有的折射率改变光线和其他电磁辐射的方向。该物质的折射率越大,光线通过其中的速度越慢,光束改变方向的角度越大。例如,一根麦秸插入水中后就如同折弯了一样,但是在天然物质中,光束总是以与其进入的角度呈正角的方式改变方向。
      1964年,一位俄国物理学家从理论上证实能够制造出颠转电磁辐射的物质。两年前,研究人员发明了“左手”物质,他们将微波发射到由铜环和铜线圈组成的一个装置上,结果微波以负角而非正角的方式改变了方向。2002年又有数个研究小组对上述结果进行了论证,2003年的多项研究结果终于证实了该发现,其中一项研究是探讨微波通过两个楔形物体后的方向变化,一个是聚四氟乙烯制品,作为对照,另一个是线圈组合。不出所料,聚四氟乙烯以正角的方式改变了微波的方向,而线圈组合则以负角的方式改变了微波的方向。另一项研究报道了类似的结果。
     “左手物质”不仅具有负折射率,还有许多其他特性。物理学家们已经发现了这种物质的众多用途,例如,利用一系列电子设备制成的“左手”物质,可以产生反向多普勒效应(an inverse Doppler effect),使疾驶而过的列车发出的刺耳汽笛声消失。该新发现还有助于制造廉价、简洁的设备,用于材料的非破坏性实验。使用“左手”物质制造的镜头可以更早的抓拍到图像,且与普通光学镜头相比,图像失真更小。
9 揭示人类Y染色体遗传秘密
      2003年度基因测序技术终于揭开了人类Y染色体的遗传秘密,让我们认识到了这条让男人之所以成为男人的粗短DNA的重要地位。该染色体5 900万个碱基中的半数排列混乱,似乎毫无价值,最终也未能解密。这些“垃圾”提示Y染色体是一条正在衰退的染色体。但是Y染色体DNA的另一半序列却显示出不同寻常的、高效的运作机制。
      Y染色体的编码区始终在复制基因,故难以拆解。测序发现,绝大多数复制的基因以八种回文的形式排列,各部分基因都有完全相同或近似完全相同的“镜像对称物”。多达300万的碱基,即与睾丸发育和功能相关的绝大多数基因都呈回文排列。
      这种回文排列弥补了Y染色体没有姊妹染色体的缺憾。人类其他所有染色体都是成对存在,一旦一条染色体上的基因发生了故障,其相对应染色体上的正常基因就会取而代之。作为基因组中的孤独者,Y染色体无法阻止不断破坏其基因的突变,于是就由回文结构来加以弥补:回文一端的基因可以替代另一端发生突变的相应基因。
      通过对其他灵长类动物Y染色体的部分测序发现,至少有六种回文在人类出现之前就已存在了,寿命长达500万年,而正是回文结构的特殊构型使Y染色体保持了遗传结构的稳定性。
10 肿瘤饥饿疗法
      抗肿瘤血管生成药物的研发历程堪称艰辛曲折。1998年发表在“The New York Times”上的一篇文章认为抑制血管生成的抗肿瘤药物将在2年之内治愈肿瘤,但是早期临床试验的结果令人沮丧。2003年,抗肿瘤血管生成药物的研发所付出的努力终于得到了回报。
      其实抑制血管生成的抗肿瘤药物的机理非常简单。 肿瘤在生长过程中会诱导新生血管生成,为其提供营养。抑制血管生成的抗肿瘤药物就是通过抑制肿瘤新生血管的形成而饿死肿瘤。许多天然蛋白或合成药物在动物实验中都能够使肿瘤缩小,但是尚未有哪种药物符合肿瘤临床试验的“金标准”:延长患者的生存时间。
      2003年6月,研究人员宣布,经过大规模临床试验,一种抗血管生成的抗肿瘤药物与传统化疗药物联合用药,可延长晚期结肠癌患者的生存时间。但是该药在对乳腺癌患者的临床试验中效果不明显,可能与晚期乳腺癌较结肠癌分泌更多的促血管生成因子有关,因而更加难以控制,这也提示抗血管生成治疗要因病而异,才能有效。
      研究还发现,抗血管生成药物联合应用或与传统化疗药物、放疗联合治疗效果更好。目前已有60种不同的抗血管生成药物在进行各种肿瘤的临床试验,还有更多的药物在进行临床前试验,临床医生将有更多的治疗手段可供选择。

[参 考 文 献]
[1]  Special issue: breakthrough of the year. Science, 2003, 302(5653): 2038

 
 
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