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2007年度科学突破-TOP 10

已有 3066 次阅读 2008-10-5 15:50 |个人分类:科学史话|关键词:科学| 科学

来源::新浪科技

美国《科学》杂志12月21日公布了2007年度科学突破,“科学家发现人类基因组差异”荣登榜首,成为2007年度最大的科学突破。以下是《科学》杂志年度十大科学突破名单:

1.揭开人类基因组个体差异之谜 

 

在更为先进的DNA排序技术和基因组个体差异评估技术的帮助下,研究人员正在逐步揭开人与人之间差异的谜底。7年前科学家成功破译人类基因组,为首次揭示人类完整的基因构成奠定了基础。到了2007年,研究人员逐步意识到人与人之间基因组差异到底有多大,以及这种差异对破译复杂疾病和个人性格的重要性。差不多一年前,科学家又获得重要发现,加深了对人类和灵长类动物之间基因差异的认识,对最终导致人类出现的进化过程的基因变化有了深入了解。如今,科学家的研究重点已从寻找DNA对群体影响的答案转向寻找DNA对个体影响的答案。

  曾用于寻找数十万基因差异的高科技现在正以一种前所未有的方式,将特定差异与疾病联系起来。科学家通过评估染色体在我们人类DNA突增和缺失,结果发现这些变化比他们预料的更为普遍,与人类基因组的运转密切相关。通过研究决定头发、皮肤颜色的基因以及“语言”基因差异,我们已经对人类与穴居人的不同和相同之处有了深入了解。随着个体基因差异谜团的逐步揭开,我们势必会在这个领域取得巨大飞跃。

2.用皮肤细胞培育胚胎干细胞



克隆羊“多莉”的谜团困扰了生物学家长达十年之久:卵母细胞如何让已分化细胞的细胞核“返老还童”,促使基因组回归胚胎状态,形成新的个体?今年,科学家距揭开这个谜团越来越近。研究人员在众多论文中表示,只要将一系列细胞移植至皮肤细胞中,他们就能重新调整那些细胞的“程序”,令其外观和功能均与胚胎干细胞相似。胚胎干细胞被称为人体的“万能细胞”,可以分化成任何人体组织细胞。

  不过,由于研究人员是从早期胚胎提取干细胞,在政治和伦理上让他们陷入尴尬境地,一定程度上阻碍了胚胎干细胞的研究。最新研究在科学和政治两方面都是一种突破,揭示了重组的分子基础,为平息干细胞领域的政治风暴带来广阔前景。这项研究源于十年前的一项新突破。1997年,世界上第一个从成年细胞克隆而来的哺乳动物多莉羊在其卵母细胞展示了这一未知因素:卵母细胞能让已分化细胞的“生物钟”倒转,令基因组重新回到胚胎状态。几年前,研究人员发现,将胚胎干细胞同已分化细胞结合起来,也能重组细胞核,生成类似于胚胎干细胞的细胞,只不过这种细胞的染色体数量是正常数量的两倍。日前,科学家研究发现,老鼠受精卵的细胞核在被去除的情况,也能重组体细胞。

  但是,重组因素的由来依旧让生物学家迷惑不解。2006年,日本研究人员宣布,他们距揭开谜底仅一步之遥。今年,在两项震惊干细胞领域的研究中,重组因素来源的争论最终尘埃落定。同一个日本研究小组与两个美国研究小组合作,发现从老鼠皮肤提取的诱导性多功能干细胞(iPS)与嵌合胚胎联系密切,并能生成人体的所有细胞,包括卵子和精子。这项研究让大多数观察人士相信,诱导性多功能干细胞其实就等同于胚胎干细胞,起码在老鼠身上是这样。尽管由此预测该研究解决了围绕胚胎干细胞研究的政治和伦理问题为时尚早,但确实为生物医学研究开辟了新的方向。

3.宇宙射线或与黑洞有关

比原子还小的物体狠狠撞向地球会发生什么状况?从上世纪60年代以来,这个问题就一直困扰着从事最高能量宇宙射线研究的物理学家。今年,阿根廷皮埃尔·奥格天文台的天文学家为确定这些高能量宇宙射线在太空中的具体位置提供了重要线索。长期以来,物理学家多预测极为罕见的宇宙射线是来自遥远星系的质子。这一理论在20世纪90年代极为流行,当时,日本东京大学明野巨型空气簇射阵列宣称,他们发现了11条能量高于100 EeV的射线,似乎为超高能量射线来自遥远星系提供了依据。

  但皮埃尔·奥格天文台的天文学家却推翻了这种理论。上个月,奥格天文台研究小组报告说,宇宙射线似乎来自于活动星系核(AGN):位于一些星系中央的巨大黑洞。活动星系核距离地球约有2.5亿光年远,不过,该研究小组尚未证明活动星系核就是宇宙射线的来源,也无人知道活动星系核是如何使质子速度加快,拥有如此惊人的能量。

4. 揭开β2-肾上腺素受体神秘面纱


长期以来,确定β2-肾上腺素受体的结构便被列入“未完成名单”之列,就在一些结晶学家认为这项任务不可能完成之时,研究人员却成功与肾上腺素的这个“靶子”发生了“亲密接触”。β2-肾上腺素受体是大约1000个被称之为“G蛋白偶联受体”的跨膜分子中的一个。通过探测光、气味和味道、这些受体为我们提供了周围环境的信息。此外,G蛋白偶联受体也可通过传递激素、神经递质5-羟色胺以及其它分子的信息,帮助调整我们身体的内部状况。

  抗组胺剂、β-受体阻滞剂等药物均瞄准了G蛋白偶联受体,但一直以来,研究人员从未发现这种受体的高清晰结构,以至于药物的有效性在一定程度上受到了影响。有关G蛋白偶联受体结合位点的清晰图片可能加快更有效、更安全药物的研发进程,但到目前为止,科学家只搞定了一种简单的G蛋白偶联受体。

  为了看见β2-肾上腺素受体的庐山真面目,两个结晶学小组整整努力了近20年。2007年秋季,相关的4篇论文刊登在《科学》、《自然》和《自然-方法学》杂志上。实际上,拍摄β2-肾上腺素受体的快照还只是一个开始,在打造能够进入这种分子的化合物之前,研究人员还需确定它在不同活动状态下的真实面目。其它有待分析的G蛋白偶联受体意味着,结晶学家还有一段相当长的路要走。


5. 硅有可能“退居二线”


2007年一项令人吃惊的科研成果可能要属发现一种不同级别的材料界面——过渡金属氧化物。过渡金属氧化物第一次名声大振是在1986年,当时,高温超导体的发现问鼎诺贝尔奖。自此之后,固态物理学家便发现了这些材料具有的一系列意想不到的特性,包括巨磁致电阻——施加磁场的“小变”导致电阻“大变”。但最令科学家兴奋的是,当一种氧化物与另外一个同伴接触时,真正的好戏上演了。

  如果不同的氧化物晶体在尖锐界面中“生长”,一个晶体结构对另一个的影响能够改变界面中的原子位置、电子数量甚至电子电荷在原子周围的分布。两个绝缘氧化物“组队”能够产生一个导电性类似金属或者超导体的界面。其它化合物则表现出与金属一样更让人熟悉的磁性并出现量子霍尔效应——磁场中的电导系数被量子化成不连续的值。研究人员乐观地认为,他们可能制造出性能胜过半导体结构的氧化物化合物。这些合成氧化物的变异几乎是无限的,拥有梦想中的特性的新材料将成为一种可能。

6. 发现量子自旋霍尔效应





根据加州理论物理学家的预测,中间夹着碲化汞薄层的“半导体三明治”的电子能够上演与众不同的行为,也就是所谓的“量子自旋霍尔效应”。2007年,他们与德国试验物理学家合作,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,电子会表现出一系列古怪的行为,量子自旋霍尔效应的发现无疑为电子披上了一件新的古怪外衣。

  1980年,德国和英国研究人员发现了量子霍尔效应,这一发现让人们对制造新型电脑芯片装置充满了希望。但由于这种效应需要满足强磁场和低温这两个条件,类似的装置仍旧是一个白日梦。

  然而,物理学家还是相当幸运的,除了带有电荷外,电子还拥有另一个特性——旋转。最近一些年,理论家便预言,拥有正常电子结构的材料可以与电场发生作用并最终出现量子自旋霍尔效应,也就是说,我们可以获得一种旋转驱动版且几乎没有能量损失的导电性。值得一提的是,这种材料也无需满足强磁场和低温这两个条件。

  2007年,“碲化汞三明治”在温度低于10开的条件下“表演”了量子自旋霍尔效应。如果研究人员能够在室温下上演同样的一幕,制造新型低功耗“自旋电子”计算设备将成为一种可能。

7.T细胞通过不对称分裂具有两种功能

 

今年,研究人员发现了免疫细胞具有短期保护和长期保护分工的新证据。当病菌入侵时,一些CD8 T细胞就充当短命战士,而记忆细胞中的其他变体能在人体内存在几十年,以防相同的入侵者再次来犯。这项新成果展示了一个细胞如何能产生两种类型的细胞。T细胞在遇到携带特殊病毒分子的树突状细胞之前,一直保持消极状态。两种细胞的联系过程要持续几小时。这期间,感受器和其他分子聚集到T细胞的两端。美国的这个科研组进行了实验,查看T细胞稍后是否会分裂,它的后代是否能继承不同的分子特征,促使它们向不同的方向发展。对发展时期的细胞多样化来说,这种不对称分裂非常普遍。3月,该科研组的实验报告显示, 当T细胞与树突状细胞“戏耍”时,不同的蛋白质聚集在它的两极。研究人员发现,靠近树突状细胞的T细胞的后代携带了具有“战士”特征的感受器,另一极的细胞显示出“记忆细胞”的特征。不对称分裂还有助于让CD4 T细胞(免疫调节器,分为3种类型)之间产生差异。在这项发现被投入到实际应用中前,研究人员还需要对有关记忆细胞的特化作用进行更多了解,但是这项发现最终将加速疫苗的研制过程。

8.高能低耗化合物合成技术



合成化学家开发了多种高能低耗技术。他们利用最简单、最讲究的方法,获得了渴望已久的反应结果。他们这样做的动机之一是,通过更少的合成步骤降低生产成本。虽然这种节约是个长期目标,但是今年在合成技术方面取得的一系列令人瞩目的成功,说明化学家正在不断提高他们控制自己制造的分子和他们制造这些分子的方法的能力。要获得这种控制方法并不是件容易事。化学家想获得的药物和电子化合物等很多分子,由重要的碳原子与附加元素氢原子以及其他更加复杂的官能团组成。当化学家将一种初始化合物转变成他们希望得到的化合物时,他们主要是改变那些附加物之一,而不是其他元素。他们通常利用化学“催化剂”,促使这些分子仅在附属物的边缘发生反应,或者在他们不想碰到的地方安装“保护”团。今年,世界各地的研究人员在这方面取得了巨大成果。以色列的科研组利用以钌为基础的催化剂,直接将胺和酒精等初始化合物转变成另一种广泛应用的氨基化合物。加拿大研究员利用相关方法,将几对环状化合物连接在一起。另一个研究组利用最少的保护团,制造出像药物的大型有机化合物。还有一个科研组模仿细菌合成梯状大型毒素的方法,取得了相同的成果。对化学家来说,今年是个丰收年。

9.发现人类大脑重要记忆中心




在希腊神化中,记忆女神摩涅莫辛涅诞下了能激发想象力的缪斯女神,一些现代科学家也看到了文字和实践间的亲缘关系,他们认为,记得过去有助于我们描绘和准备未来。今年几项记忆和想象力间公共神经机制的研究更是深化了这一概念。

  1月,英国研究人员报道说,5名因大脑海马区受损患上健忘症的人在构想如如沙滩白日或者购物旅程之类的假定情境方面比不上健康的志愿者。健康的志愿者能绘声绘色地描绘这些构想的假定情境,相比之下,健忘症患者只能勾勒少数联系不紧凑的细节,研究暗示,健忘症患者大脑记忆重要部位海马状突起受损会消弱他们的想象力和记忆力。

  4月,对年轻健康的志愿者进行的一项大脑受损研究显示,回忆以往和构想未来都会刺激大脑区域包括海马状的类似结构。甚至是对老鼠的研究也显示了,海马状可能对设想未来扮演着一个重要的角色。11月一个研究组报告,当一只老鼠在熟悉的迷宫内遇到一岔路的时候,编码特殊区域神经细胞的海马状突起的神经细胞会依次进入兴奋状态,仿佛老鼠也在通过智力权衡选择,排除一条路径,接着排除另一条。根据以上研究,一些研究人员建议,大脑记忆系统可能会连接一起,回忆以往的片断,构建可能的未来。这一想法还没有得到证明,但是,如果未来实验能得到证实的话,记忆可能真就成了想象力之母。

10.挑战人类智力的电脑程序

 


计算机科学家终于带走了跳棋游戏中的乐趣,经过18年的努力,加拿大一个研究小组证实,如果两名棋手都不犯错误的话,最后只能以平局结束。这一证据让跳棋这种最复杂的游戏终于有解了。它标志着人机对弈也的到了答案:一个免不了犯错的人一定会输给研究组编制的计算机下棋程序。

  证明跳棋将以平局结束并不容易,在美国,这种游戏是在八乘八的黑红四方格子里玩。12个红棋子和12个黑棋子对角行进,从黑格子到黑格子,通过跳过对方的棋子进入空区,一玩家会吃掉另一玩家的棋子。一盘跳棋可以有5万亿亿个排列,要把这些排列计算清楚,对今天最先进的电脑来说都不是一个把容易的事情。

  研究报告于今年7月公布。报告证明了人工智能显现出来的趋势:人类思维依靠的是少量的记忆和较大的处理信息的能力,而西洋跳棋的程序使用的处理能力相对较少,而使用了大量记忆。这项研究有许多潜在的应用,比如,破译DNA中隐藏的信息。



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2 刘全慧 徐磊

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