2001-2010:改变世界的十大发现

日期：2010-12-29 作者：何积惠 来源：文汇报

绝大多数的所谓“垃圾基因”实际上具有与其他基因同等的重要性。  

超材料“斗篷”引导微波  

科学家对这种灭绝猛犸的基因组进行了测序  

全球变暖的影响——干旱或洪涝——比预期提早降临  

开普勒太空望远镜已发现数百颗环绕其他恒星的候选行星              
    □何积惠  编译
    
    美国《科学》杂志按惯例在年末一期推出了本年度的十大科学进展，国内外许多媒介都在第一时间对此作了介绍。而在同一期的《科学》上，还有一档好看的内容就是该刊列出并介绍了刚刚过去的本世纪的第一个十年中的十大科学发现，被《科学》杂志称之为“洞察力”产物的这十大发现包括：暗基因组、精密宇宙学、古生物分子、火星上的水、细胞重编程、微生物组、外行星、炎症、超材料和气候变化。阅读这些文章，人们可以再一次感受科学改变世界、改变人类世界观、宇宙观的力量，所不同的是这种改变的速度正变得越来越快，对以往认知的颠覆性越来越强。限于篇幅，本刊选摘其中五大科学发现，以飨读者。  ——编者
    
基因组也有“暗物质”
    
    按照以往的常识，DNA的功能在于告知人体如何形成蛋白质，而指令则由被称为基因的序列来承载。一缕缕的RNA作为DNA的化学同类物起着分子信使的作用，一方面给细胞蛋白质工厂传送指令，另一方面又将那些指令变为行动。横亘在基因之间的是绵延不绝的“垃圾DNA”，它们互不连贯，毫无用处，且呈惰性。
    
    事实上，基因调控已被证明是一个复杂得出乎人们意料、且受到各种调控DNA支配的过程，而这些DNA很可能就深藏在这一片被认为是垃圾的荒漠之中。形状各异、大小不一的RNA非但不是卑贱的信使，实际上竟是基因组运行中强有力的参与者。这个“暗基因组”的范围，是在人类基因组于2001年初次发表时趋于明朗的。科学家最初期待在人类DNA的30亿个碱基中找见10万个基因，后来却意外地发现只有3.5万个（当前的计数是2.1万个）。蛋白质的编码区域在基因组中只占到1.5%。那么，DNA的其余部分真的只是垃圾吗？
    
    2002年对小鼠基因组的破译表明：事实真相恐怕不是那么简单。小鼠和人类不仅共享许多基因，而且大段的非编码DNA也是相类似的。自从小鼠和人类谱系在7500万年前分化以来，这些区域一直保存至今。美国加州联合基因组研究所的爱德华·鲁宾和莱恩·彭纳基奥等人通过对转基因小鼠胚胎的功能测试发现：非编码区域布满的调控DNA远比人们预期的繁多，那些“保存”下来的DNA中就不乏帮助基因调控，间或还能实施“遥控”的实例。对疾病遗传风险因素的研究同样证实了这一点。在大规模搜索患病与健康个体之间的单碱基差异中也发现，与疾病相关的差异约有40%位于基因之外。2007年的小规模试验结果更是令人大开眼界：染色体中藏匿有许多原先未被猜测到的各种蛋白质的结合位点。
    
    其实，植物研究人员和线虫生物学家早就掌握了用小分子RNA关闭基因的方法。这项被称为RNA干扰（RNAi）的技术已成为控制多类物种中基因活性的标准方法，因而在2006年被授予诺贝尔奖。为了从整体上弄清RNAi和RNA之间的关系，研究人员对长度仅为21到30个碱基的分子进行了离析，结果证明就连“小分子RNA”也能干扰信使RNA而使其失去稳定。2002年发表的4篇论文证实：RNAs还会以进一步控制基因活性的方式影响染色质。同时，也有其他研究将这些微乎其微的RNA同癌症和发育相联系。
    
    惊喜远不止于此。2007年，斯坦福大学的研究人员通过所谓的大型插入性非编码RNA（简称lincRNA）确定了一种基因调控功能，后来查明基因组中含有大约1600个这样的lincRNA。研究人员认为，这类RNA在细胞功能中的重要性不亚于蛋白质编码基因。
    
    关于基因组的“暗物质”，仍有许多谜团正在索解之中。但与十年前基因独领风骚的盛况相比，如今愈益引人注目的是它不断扩容的“表亲家族”。
    
超材料造就“隐身术”
    
    在牛顿论著《光学》问世三个世纪后的今天，这门古老科学越发变得不可思议了。过去十年间，物理学家和工程技术人员另辟蹊径地通过对光的导向和操控，创造出突破普通透镜分辨率极限的超级透镜，甚至还能给物体披上隐形“斗篷”使之消失不见。
    
    这些业绩是新兴技术和巧妙构思大致上各占一半的产物。所谓的技术是指“超材料”：细棒、小环和丝状等性质匪夷所思的材料的聚集。所谓的构思则与变换光学有关，即告诉科学家如何通过对超材料的量身定制，来形成类似隐形那样的效应。
    
    超材料是通过对光和其他电磁波的引导来发挥作用的。当光波射入玻璃等正常材料时，材料会改变光的电磁场，使光波逐渐放慢而形成特定的新速度。这一减速过程赋予新介质以不同的折射率。这种效应有助于解释吸管在盛满水的玻璃杯中，何以一触及水面就仿佛折弯的原因。在天然材料中，按既定角度入射的光波总会更加陡直地一头扎进材料——折射率大于1的醒目标志。
    
    俄国物理学家维克多·韦谢拉戈早在1968年就推断：让材料形成负的折光率，进而使光波发生更彻底的折射是切实可行的。用这样的材料能够制成超级透镜，使光得到较之曲面透镜更好的聚焦。但这个理念遭到了长达数十年的冷遇，直至90年代后期才引起伦敦帝国大学物理学家约翰·彭德瑞的重视，认定细长形的碳素纳米管有助于吸收无线电波。
    
    彭德瑞的构思引发了络绎不绝的实验。2001年，彭德瑞和美国同行大卫·史密斯合作研制成负折光率的微波材料——虽然这一成果花费了数年时间才为科学界所认可。仅仅过了几年，就有其他团队报告在制作超级透镜和超超透镜等相关装置方面取得的初步成功。2006年5月，彭德瑞和英国圣安德鲁大学理论家乌尔夫·莱昂纳特报告称：可以通过引导物体周围的光，用超材料使该物体趋于隐形，其原理有点像绕巨砾涓涓细流的水。5个月后，史密斯的博士后大卫·舒立克便向世人展示了一个环状隐形装置。
    
    这个装置并不完美，只适合于特定频率的微波。真正的进展在于它背后的理念。爱因斯坦在他的广义相对论中阐述：空间和时间是有可能按改变光轨迹的方式发生拉伸和扭曲的。所以莱昂纳特和彭德瑞便设想通过弯曲空间来控制光绕开圆形区域，使洞孔内的任何事物隐没不见。
    
    理论家意识到可以通过给没有扭曲的空间区域充填电磁波按特定方式变动的超材料，来模拟这种对空间的极端拉伸。他们奠定了实现那种变形的数学理论。从原则上说，那种理论能让从事实验的人几乎以他们希望的任何方式使光发生弯曲，其先觉条件是能相应地塑造超材料。奇迹层出不穷。2008年，加利福尼亚大学伯克利分校的张翔及其同事创造出第一个在三维空间起作用的隐形装置。相关“斗篷”的覆盖范围是红外射线和可见光。
    
新手段探访古生命
    
    数百年来，古生物研究必须依靠化石和骨骼作为佐证，藉以揣摩绝种动物是什么模样。过去十年间，随着强效而新颖的X射线扫描和三维计算机模型相继投入应用，这一领域取得了超乎预期的进展。
    
    1997年，德国马克斯·普朗克进化人类学研究所的工作团队对提取自尼安德特人的第一个DNA片段进行了测序，被誉为意义重大的里程碑。同年，该实验室公布了尼安德特人相当于1000多万倍的DNA的核基因组。正是这些分子的揭秘，为蛮荒岁月涂抹上鲜活的色彩。古生物基因表明：不少尼安德特人有着红色的毛发和白皙的皮肤；从黑色素体这一产色的古细胞器中不难推断：中华龙鸟毛茸茸的尾巴是栗色的。
    
    古生物分子还有助于揭示久已灭绝的物种之间的亲缘关系，由此印证恐龙胶原蛋白的氨基酸序列更加酷似禽鸟而不像爬行动物。提取自长毛猛犸的古生物DNA显示：它们的血液中含有特别能适应严寒的血红蛋白，今年已有研究人员从细菌中繁殖出这种血红蛋白。此类DNA分析还表明：少数尼安德特人甚至和人类祖先有过杂交的经历。
    
    古生物DNA研究虽然滥殇于上世纪末，但使研究人员如虎添翼的，是近十年来为探索人类基因组而开发的新工具。例如高通量的新型测序仪最擅长处理小片段的DNA，而这类片段常会残留于经降解的古老抽样上。随着测序功效的大幅度提高，研究人员的新发现层出不穷，简直到了创纪录的地步。
    
    2005年，有两个团队联手对古代洞熊的2.7万对DNA碱基进行了测序。6个月后，另一个团队在猛犸骨骼上引人注目地探明了2800万对DNA碱基，由此证实猛犸大约是在600万年前从非洲象中分离出来的。2008年，该团队利用购自商业网的猛犸毛发，对整个猛犸基因组进行了测序——这也是绝种动物中首个获测序的基因组。同年，尼安德特人首个完整的线粒体基因组发表，另有5个基因组也很快公诸于世。2010年，那项研究工作因尼安德特人基因组的发表而达到高潮。同时，马克斯·普朗克团队完成了一项在十年前被许多研究人员认为不可能的壮举：仅凭DNA就辨认出一个先前未知的人种。他们是通过对发掘自西伯利亚洞穴的一枚小指骨的线粒体基因组测序而得出这一结论的。该手指既不是尼安德特人的，也不是现代人类的，它显然属于4万年前生息在中亚地区的一个新物种。
    
    与此同时，对RNA和胶原蛋白等其他古生物分子的探索也取得了令人瞩目的进展。美国北卡罗来纳州立大学的研究人员声称，他们已离析出提取自距今6800万年前的霸王龙和距今8000万年前的鸭嘴龙的胶原蛋白。在不少人看来，胶原蛋白是未被识别的碎片骨骼上的“条形码”。也有人想通过研究古种子中远比DNA更为脆弱的RNA，来了解远古时期作物的基因表达。有人甚至希望利用古生物DNA，使北极熊等濒临威胁的种群恢复遗传多样性。
    
气候变化：真相越来越明
    
    过去十年间，气候科学面临的难题完全不可能指望有一个圆满的解决。40年来，研究人员一直在苦苦思索三大问题：全球气候是否正在变暖？如果确实如此的话，人类反应是否落后于变暖的趋势？自然进程是否有可能遏制这一趋势？在过去几年里，气候科学家终于一致作出了明确的回答：是、是、否——正如他们先前的料想。
    
    温室气体持续增加对海洋和极地冰产生的影响，比模型预测来得更加迅猛。然而，面对减少碳排放这一显而易见的补救措施，世界各国却举棋不定。在美国，即使科学上的论证愈益显示其说服力，但政治上的抵制还是迫使气候科学家不得不为自己的公信力和动机进行辩护。
    
    这个突如其来的逆转使研究人员备受意外打击。自1979年以来，他们一直在发布相关评估，阐述温室效应方面科学研究的现状。1990年，新成立的联合国政府间气候变化委员会（IPCC）成为引领者。该委员会于1995年发布的第二份评估报告用温和的调子坚称：“权衡各方面的证据”表明人类正在影响全球气候。但到了2007年，该委员会已达成一致的科学共识：气候变暖是“确定无疑的”，主要原因“非常可能”是人类，自然进程“非常不可能”削弱其强势。
    
    全球气候的最新发展态势远比这一讯息更加触目惊心。20世纪八九十年代，大部分研究人员认为，温室气体增加所造成的后果预计要到21世纪中晚期才会产生严重影响。但是就在2005年前后，北极地区的夏季海冰开始明显消失，冰架分崩离析，格陵兰岛和大西洋西部的冰川冲入大海。正当科学家在为温室效应是否会加剧飓风和增加其次数而争论之际，卡特里娜飓风淹没了新奥尔良州。甚至海洋酸化也在这十年接近尾声之际成为可观察的事实。2006年4月，《时代》杂志的封面故事将全球变暖当作一个确定事实而发出直言不讳的警告：“担忧。非常令人担忧。”
    
    然而，某些国家不是这么做的。美国前总统布什上任后迅速背弃竞选时的承诺，拒不签署已得到187个国家批准、旨在限制碳排放量的《京都议定书》。此后几年，他的政府竭力试图更改气候科学报告的结论，淡化气候变化可能产生的影响，导致华盛顿决策人和海外谈判者一再未能通过综合性的国家或国际法规。欧洲虽然通过限额交易制度而取得初步成功，但就连世界野生动物基金会也抱怨：“迄今尚无迹象表明，该制度已对欧洲的长期投资决策产生任何影响。”
    
    华盛顿的新政府调子虽变，但方向没有变。奥巴马在2008年总统大选期间承诺，到2050年要将美国排放总量相对于1990年削减80%。选举以后，美国众议院通过一项法律，基本上实现了这一承诺。但是，奥巴马总统未能在2009年12月哥本哈根重要谈判中就限制排放通过一个具有约束力的条约，这个法案此后在参议院遭到了否决。最近的美国国会选举结果暗示：赢得众议院选举的大多数共和党和许多众议院候选人对气候变化背后的基础科学提出了质疑，其中少数人指责整个领域是一场阴谋。难怪有不少专家表示，“气候鹰派”既耽误了时机，也使相关研究失去了动力。主导未来十年政策讨论的，将是如何适应变暖的地球，而不是减少二氧化碳排放。
    
系外行星“发现不断改写”
    
    1600年2月17日，文艺复兴时期的意大利哲学家兼天文学家乔达诺·布鲁诺因坚持宇宙中有“无数个太阳和地球”这一信念，在罗马公共广场被人用火刑处死。假如他有超自然的“魔法”可以召唤未来的话，那么他准会敦促质疑自己学说的宗教法庭审判官去浏览一下“太阳系外行星百科全书”网站。据该网站的最新统计，这类行星已由2000年编号仅为26的记载猛增到如今的505颗。
    
    过去十年间，天文学家发现了许多位于太阳系外的行星，以致现在只有那些行踪最诡异的星体才会见诸主流新闻，比方说2009年8月被发现的绕轨道“返回”或与主恒星反向旋转的WASP-17巨行星。在美国宇航局于2009年3月发射开普勒太空望远镜后的最初数月里，天文学家开始了对大约700颗候选行星的跟踪。虽然迄今发现的行星多半是气体巨星，但对开普勒数据的分析使研究人员确信：宇宙中存在着大量形体更小、酷似地球的行星，因而不能排除它们在未来几年骤然现身于我们银河系“后院”的可能性。
    
    系外行星的发现之旅，始于1995年瑞士一个由米歇尔·马约尔率领的团队对“51Pegasi b”的探测。翌年，美国天文学家杰弗里·马西、保罗·巴特勒等人发现了5颗行星。到2001年，另有不少团队参与探寻，由此加速了这一领域的进展步伐，包括迄今用凌日法技术发现或确证的100多颗行星。
    
    寻觅行星最悠久、最流行的技术历来是运用多普勒光谱学——捕捉恒星受到引力牵制时偏蓝或偏红的光。其间除了校正大气层对地面望远镜造成的模糊效应、研制更精良的日冕仪等途径外，自2001年起投入使用的微引力透镜发挥了至关重要的作用，它的原理在于通过观察恒星受到另一颗处于突出地位的恒星的引力而在短时间内斑斓闪烁的光芒，依据其亮度变化来推测绕恒星轨道运行的行星。2004年，英国爱丁堡皇家天文台的伊恩·邦德率领的研究人员宣布用微引力透镜首次发现行星。从那时以来，利用这种新兴技术已获取10余项有价值的发现。
    
    2008年，天文学家公布了首批系外行星的直观图像：一束微弱的幽光即将抵达邻近的恒星。迄今探明的行星系呈现出多样化的格局，因而迫使天文学家不得不修订有关这些星系如何形成和发展的理论。“热木星”以超近的间距绕主恒星轨道运行的事实表明：气体巨星——被认为是在远离恒星的地方形成的——有可能会随着时间推移而发生内向迁移。而行星沿着倾斜甚至逆行的轨道颠簸这一发现昭示：行星可能被赶出最初的出生地，拐入天文学家无法预测的临时轨道。
    
    天文学家期待在未来几年能找到若干类似地球的行星。目前，研究人员已着手部署以地面和太空为基地的新仪器，用于测定那些可居住行星的大气层光谱。那些大气层可能承载着鲜明的生命特征，例如研究人员相信只有通过生物过程才会形成的氧。至于那种前景是否会实现或者说何时实现，这关系到对布鲁诺致命预见所蒙受的冤屈的最终洗刷：宇宙中充满着多元世界。