又長一歲 人類收穫這些新知識

　　當我們感嘆時光飛逝時，未來已近在眼前。在剛剛謝幕的2017年，遙遠太空中兩顆中子星的碰撞沸騰了整個天文界，這是人類首次“看到”引力波；生命科學持續升溫，冷凍電鏡技術、基因療法、精準基因編輯、廣譜抗癌藥，人類不斷拓寬著對生命的認知……

　　前不久，《科學》雜誌評選出2017年十大科學突破，除了上述振奮人心的消息，發現新種類人猿、生物學預印本興起、找到最古老冰芯、人類起源新發現、可攜式中微子探測器等同樣帶給人們驚喜。《深讀·新知》特邀我省有關專家，對2017年這些激動人心的科學發現逐一回顧和解讀。

　　首次“看到”引力波

　　2017年8月17日，從遙遠太空傳來的短短一瞬的信號，沸騰了整個天文界——人類第一次探測到雙中子星合併産生的引力波信號。此前，科學家也曾探測到來自兩個黑洞合併時産生的引力波，但因黑洞是大型恒星塌縮而成，內部沒有可以升溫和輻射的物質，因此人們只能“聽”到引力波卻難睹其真容。相比之下，雙中子星的合併不但會産生引力波，還會拋射物質並産生各種電磁信號，更像是一場宇宙展現在人類面前的“視聽盛宴”。

　　燕山大學理學院應用物理系教師吳一東：大約一百年前，愛因斯坦提出的廣義相對論，就從理論上預測了引力波的存在。2017年8月17日觀測到的引力波，是由兩個中子星合併形成的，並會伴隨發出電磁波，於是科學家就可以同時對引力波和電磁波進行觀測，即用望遠鏡“看到”引力波。這樣，通過引力波探測和傳統天文探測的“並肩作戰”，科學家開啟了多信使天文學的新時代。

　　發現新種類人猿

　　2017年，在印度尼西亞蘇門答臘島北部的森林中，人類發現了新的近親：打巴奴裏猩猩（Pongo tapanuliensis）。此前，科學家們一直把它們當作蘇門答臘猩猩的一個種群，但在大規模的研究後，人們發現打巴奴裏猩猩的顱骨、牙齒、下頜與其他猩猩有顯著區別，毛髮更卷、鬍子更長，基因也有明顯差異，應獨立成種。這也是繼倭黑猩猩、黑猩猩、兩種大猩猩、兩種猩猩和人類外，人科物種迎來的第8位新成員。

　　河北師範大學生命科學學院教授葛榮朝：上一次人類發現類人猿新物種，已經是將近90年前的事了。新發現的打巴奴裏猩猩，是自婆羅洲猩猩和蘇門答臘猩猩之後，猩猩屬的第三個成員。目前，全球只有約800隻打巴奴裏猩猩生活在一片孤立的森林中，這種瀕危的物種正在使科學家重新思考猩猩屬的演化軌跡，並思考如何區分物種、制定政策，保護古老而特殊的生物類群。

　　在原子水準觀察生命

　　俗話説“百聞不如一見”，人類理解事物的主要途徑就是想盡辦法去“看清”它們。過去，電子顯微技術被認為只適合觀測部分物質，因為高強度的電子束會摧毀大量表面敏感的材料，導致其圖像模糊。但冷凍電鏡的出現卻打破了這一桎梏，通過冷凍手段抑制生物大分子的運動，此項技術令科學家們“眼界大開”，並對剪接體的功能、蛋白質在細胞週期中如何重塑細胞膜、酶如何修復DNA損傷等，有了更清晰的了解。

　　燕山大學理學院應用物理系教授蘇計國：生物體的眾多生命活動過程，都離不開生物大分子的精巧工作。自20世紀60年代以來，X射線晶體衍射和核磁共振技術是在原子尺度上解析生物大分子空間結構的主要手段，但前者需將樣品結晶，後者只能用於小分子量的體系。冷凍電鏡技術突破了上述弱點，通過將樣品進行快速冷凍，利用波長非常短的電子波進行高分辨成像獲取生物大分子原子層面的結構，已成為在原子水準上研究生命微觀過程的有力武器。

　　生物學預印本興起

　　預印本，是指未經同行評審就上傳至公共平臺供人查閱的論文草稿。2017年，生物學領域的預印模式快速發展，數以千計的生物學家將尚未經過同行評議的論文在線發表，美國和英國也推出了鼓勵預印共享的政策。現在，大多數學術期刊都允許作者提交預印本論文，一些編輯還會在免費生物學預印伺服器——bioRxiv上，搜索可供出版的論文。

　　燕山大學理學院應用物理系教授蘇計國：當一名科學家的研究工作有了重要發現，傳統做法是將論文草稿提交到某一學術期刊，通過同行評議，然後進行公開發表，但這一過程往往要持續數月甚至數年時間。現在科學家有了新選擇，通過提交預印本，即可將研究成果第一時間向全世界公佈。預印本有助於年輕科學家迅速建立學術聲譽，已在生物學界引起科學交流方式的重大變化。

　　精準基因編輯

　　超過6萬個遺傳畸變與人類疾病有關，其中，有近3.5萬個是由最微小的錯誤造成的：基因組中特定位點的某一個DNA鹼基發生了變化。2017年，研究者宣佈了“鹼基編輯”新技術中一項重要的改進，不僅可在DNA，而且能在RNA中修正這種點突變。哈佛大學華裔科學家劉如謙是這項研究的先鋒人物，他的團隊開發了一個鹼基編輯器，能在不切斷DNA的情況下，在特定位點解開DNA，用化學方法替換單個鹼基。

　　省科學院生物研究所研究員宋水山：人類的很多疾病與遺傳物質DNA有關，近幾年，炙手可熱的CRISPR/Cas9基因編輯技術可以刪減、替換和修復基因，為治愈人類遺傳疾病帶來希望。但CRISPR/Cas9基因編輯技術依賴於切斷靶標DNA，可能對DNA雙鏈結構造成破壞，另外CRISPR/Cas9還存在脫靶效應，由此也帶來了應用上的安全顧慮。劉如謙團隊開發的鹼基編輯器，可實現“點對點”修復基因突變，這在未來人類基因治療中具有巨大的應用潛力。

　　廣譜抗癌藥走向臨床

　　人們一直期待著有這樣一種治療癌症的藥物：它不針對某個特定的癌症發病器官，而是根據癌細胞的DNA，無差別地進行治療。2017年5月，美國食品與藥品監督管理局（FDA）批准了一款廣譜抗癌藥——Keytruda。此前，該藥已獲批治療黑色素瘤和少數幾種其他腫瘤，現在，它還可用於治療兒童和成人的任何包含錯配修復缺陷的晚期實體腫瘤。

　　河北醫科大學第二醫院藥學部主管藥師徐敬樸：Keytruda的獲批是人類精準醫療史上邁出的重大一步，這是FDA第一次放棄腫瘤的組織來源，按照分子特徵來區分腫瘤類型，因此該藥也被稱為廣譜抗癌藥。需要注意的是，這裡所説的“廣譜”並不是指適用於任何腫瘤患者，而是指其適應症不再是局限于某一部位的腫瘤，如肺癌、結直腸癌等，其適用前提為癌細胞必須具有“錯配修復缺陷”。與傳統的廣譜化療藥相比，該藥的不良反應也會較少。

　　發現270萬年前古老冰芯

　　如何“穿越”回270萬年前的地球？“鑰匙”就冰封在南極冰層下一個個微小的氣泡中。2017年，普林斯頓大學和緬因大學的研究者宣佈，他們獲取了保存著270萬年前地球大氣的南極冰塊，這比此前最古老的冰芯還要早170萬年，從而將地球氣候歷史又向前推到一個非常重要的時期——那時，冰河時代才剛剛開始，大氣中的二氧化碳濃度在300ppm以下，遠低於今天的400ppm。儘管這與當時某些間接記錄存在矛盾，卻也證實了氣候模型的預測，即在這樣的低濃度下，地球會進入冰期循環。

　　省科學院地理科學研究所高級工程師張可慧：在地球環境40多億年漫長的演變歷史中，氣候為什麼總是冷暖交替變化，其中又有哪些規律和特徵，一直是人類不斷探索的難題。與淺海動物化石、古土壤、泥炭、孢粉等古氣候代用指標相比，冰芯能記錄更為久遠的古氣候大氣組成、溫度、降水等信息。此次科學家找到了270萬年前凍結的南極冰芯，對於人類恢復古氣候情景，正確估測現代氣候狀態，合理評估現代人類活動對氣候變化的影響及準確預測未來氣候變化等，都具有重要意義。

　　發現“30萬歲”智人化石

　　一個摩洛哥洞穴中長期被忽視的頭骨，將我們這一物種（智人）的化石記錄又向前推移了一大步。這塊頭骨于1961年由礦工發現，曾被認為屬於非洲的尼安德特人，因其又呈現出一些現代特徵，如臉是收攏在頭骨下方而不是向前突出等，再次引起了科學家的探究興趣。重新發掘該頭骨的發現地，研究人員驚嘆這批化石的“年齡”竟達30萬歲，這比此前在埃塞俄比亞發現的、被廣泛認為最古老的智人化石年代，還早了約10萬年。

　　河北師範大學歷史文化學院副教授牛東偉：現代人起源問題是人類起源研究的重要組成部分，近些年來，有關早期現代人的發現和研究呈突飛猛進之勢。此次發現的智人化石，是目前世界上已知最早的擁有精確定年的早期現代人化石，演化鏈條在時間上進一步拉長。此外，化石發現地位於北非的摩洛哥，空間範圍進一步擴展，表明智人的演化過程並不僅僅發生在東非，而是涉及整個非洲大陸。

　　基因治療的勝利

　　一項臨床試驗的“小”成功，推動了基因治療領域的大發展。脊髓性肌肉萎縮症1型（SMA1）是導致嬰兒死亡的最常見遺傳疾病之一，即使進行治療，絕大多數患兒也活不過20個月。SMA1患者體內，一種名為SMN的蛋白質因編碼基因SMN-1的功能缺失而異常，而SMN蛋白對運動神經元的存活至關重要。2017年，研究人員報告稱，通過腺相關病毒9型（AAV9）為載體的基因療法將編碼SMN蛋白所需的基因注入患兒體內，成功延長了15名SMA1患兒的生命。目前，美國食品與藥品監督管理局已正式批准其上市。

　　河北醫科大學教授汪治宇：這項技術的關鍵涉及一種腺相關病毒（AAV）。這是一類結構最簡單的單鏈DNA缺陷型病毒，需要輔助病毒(通常為腺病毒)參與複製。這項臨床試驗的重大意義在於，研究者可以利用這一基因療法保護大腦和脊髓免受血液傳播病原體和毒素的傷害，或者治療其他神經退行性疾病。同時，該技術的成功也宣告了基因治療時代的到來。

　　可攜式中微子探測器

　　中微子産生於特定的核反應過程，與其他物質相互作用極少，因此儘管有無數的中微子不斷穿過地球，卻一直很難探測。1974年，理論物理學家預測稱，如果一個中微子的能量足夠低，就可被視為一種量子波，能反射原子核中所有的質子和中子，同時産生可被探測到的反衝。2017年，使用一台重量僅僅和微波爐差不多的可攜式探測器，研究者便發現了最難以琢磨的亞原子粒子——中微子，實現了跨越40年之久的探索目標。

　　燕山大學理學院應用物理系教師吳一東：中微子又被稱為“幽靈粒子”，在之前的中微子探測中，通常要使用非常巨大的探測器來增加中微子與物質發生反應的概率，如日本的超級神岡探測器就重達5萬噸。由於中微子在傳播過程中幾乎沒有損耗，可以直接透過地球，可攜式中微子探測器的出現使利用中微子通信成為可能，即在不用衛星和微波站的情況下，實現地球上任意兩點間的溝通聯繫。  （記者 張懷琛）