序言

不看个案看整体

《科学》的新闻工作人员暂时放下报道工作，回顾了过去十年里的一些伟大的想法以及使这些想法变为现实的技术。

       十年前，卡尔•戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）遇到了困难。作为一名心理医生和神经科学家，他想知道不同的大脑回路是如何影响行为的，以及精神分裂症和抑郁症患者的大脑中是什么出了岔子。但他的研究工具太粗糙了：插入大脑中的电极会刺激其附近过多的脑细胞。因此，2004年，戴瑟罗斯和他的学生们发明了一种新工具。他们把一个光激活藻蛋白基因植入小鼠的大脑，基因随后进入神经细胞。通过用激光刺激这些细胞，这些研究人员能够控制特定神经回路的活动并研究神经回路的影响，精确到毫秒。

       这项被称为光遗传学的技术迅速席卷了这个领域。如今，上百个实验室的上千名科学家用光遗传学来探测大脑是如何工作的。他们已经研究了大脑奖赏通路上的哪些细胞会被可卡因劫持，以及深度脑部刺激如何减轻帕金森氏病的症状。现在用这项技术能解决的问题不计其数。

       在科学各个领域，戴瑟罗斯的故事不断重演：一个巧妙的新工具引发了一连串的新见解。在当前的十年结束之际，《科学》的新闻记者和编辑暂时放下了每周的报道工作，用更宏观的眼光整理了自新千年之初以来改变了科学的十个见解，编就了这个专栏。当然，这项总结只涵盖了这十年内发生的科学进步的一小部分，其他还有很多都值得我们刊登出来。

       但是，首先，我们要感谢让这些见解成为可能的一些工具。在这十年中，收集、分析、储存和传播信息的新方法已经改变了科学。与以往任何时候相比，研究人员做了更多的观察、建立了更多的模型、使更多的实验自动化，创建了一个数据饱和的世界。互联网已经改变了交流科学的方式，并给非科学工作者提供了参与研究的新机会。全新的领域，如网络科学，正在出现。随着研究人员认识到需要很多不同的头脑和专业知识来解决有关生活、土地、宇宙的复杂问题，科学本身也变得更网络化——更多的合作、更跨学科。

看见与感觉

       在这十年中，有很多最有用的新工具，如光遗传学，是传感和成像领域的进展。冷冻电子断层摄影术聚焦细胞组成部分，使科学家获得整个细胞组织的原子水平的细节。这项技术用急速冷冻细胞的一系列二维切片构造一个三维图像，是一个需要大量计算机处理的过程。

       2002年，活体扫描双光子共聚焦显微镜技术被应用于观察完整的淋巴结，实时显示出完整组织里的免疫细胞，从而彻底改变了免疫学。这项研究打开了认识免疫细胞之间及与身体之间相互作用的大门，改变了研究人员对免疫反应的理解。

       在新显微镜技术的帮助下，2000年以来，发育生物学领域也取得了巨大飞跃。如今，研究人员能让样本活着，并用更持久的荧光标签来跟踪特定细胞。他们可以观看跟踪细胞分裂和移动的电影来跟踪整个器官和整个动物的发育。其他显微技术已经能够避开光学的一个根本极限，来观察蛋白质和比只有光波长一半的衍射极限还小的细胞的精细结构。

       我们不仅可以看得更好更清楚，还可以看见人类难以去到的地方。比如在火星上“勇气号”和“机遇号”火星车比早期飞船迈出了一大步：它们在火星上的漫游范围以千米计而不是以米计，能装载更强大的仪器来分析岩石的化学和物理性质。它们的观察结果改写了火星上水的历史。再近一点的，与海洋表面无任何联系的鱼雷机器人在墨西哥湾寻找石油、在南极洲冰川架下的水域探索。遥控飞机有些与模型飞机一般大小，有些与军事侦察机“捕食者”和“老鹰”一般大小，常规地观测阳光穿过云层，或在飓风之上飞过。数千个远洋漂浮物发回了关于水的性质以及水流的数据。这些移动传感装置与陆地和海上的固定装置不久将全天候监测地球的状况，使生态和环境科学的数据与天文学和粒子物理学一样丰富。

不可或缺的机器

       计算机的作用不仅仅限于把基因组重新拼凑起来。在计算机的帮助下，基因组学研究人员可以预测基因的位置、比较如黑猩猩和人类的基因组来识别具有演化重要性的序列，从而得到有关基因组如何工作的新见解。万维网已经成为连接研究人员与有关基因组信息的公共数据库的一个重要环节。

       在生物化学领域，计算机技术已经使得人类对蛋白质的认识取得了巨大进步。建立模型模仿蛋白质在折叠成“最终”形状之前经历的跳跃和弯曲轨迹，需要大量计算，为此，科学家把呈现电子游戏三维图像的图形处理器用于加强计算性能。

       计算化学能力也因现场可编程门阵列得以提高：这些芯片让用户基本上可以设计自己的硬件使他们的模拟效率更高。一个研究团队还用定制的集成电路制造了一台超级计算机，极大地加快了蛋白质折叠计算，使模拟达到毫秒的时间尺度。

       在某些情况下，计算能力正在改变着研究人员一起工作的基本方式。例如在天文学领域，“斯隆数字巡天”（Sloan Digital Sky Survey）项目正在用位于美国新墨西哥州阿帕奇山天文台口径为2.5米的天文望远镜记录着天空的五分之一中看到的一切。研究人员将通过万维网来利用这些大量的数据。类似的“数据工具”在粒子物理学和地震学领域是家常便饭，与过去小型观察员团队分配望远镜的时代相比真是天壤之别。欧洲核子研究中心实验室则走得更远。为了处理该中心大型强子对撞机（LHC）每年产生的千兆字节的数据，欧洲核子研究中心已经建立了一个计算“网格”系统，通过这个虚拟组织，汇集和共享各个成员机构的计算机处理能力。该网格也使上千名科学家以前所未有的方式访问LHC数据并一起工作。

       其他组织也在通过群众外包的方式来充分利用联网的力量：研究人员（甚至非科学工作者）可以为解决问题、制定政策或预测未来献计献策。例如，一家名为“创新激励”（InnoCentive）的互联网公司，在网上悬赏求解问题，赏金高达100万美元。这家公司自称有20万人参与求解1000多个问题，涉及从药物合成到砖生产等众多领域，其中三分之二的问题已经得到解决。

       互联网程序也使世界各地的志愿者能够捐出家用计算机上的空闲时间，参与蛋白质折叠的计算、从SOHO卫星拍摄的图像中搜寻彗星、根据“斯隆数字巡天”获得的数据对星系类型进行分类。

       为了掌握所有这些相互连接性、了解信息在复杂系统中的传播方式，理论家们开辟了一个新的领域：网络科学。这门科学大约在十年前起步，最先是物理学家建立数学模型用来解释社会学家已注意到的一些网络现象。现在，由于能一次性测量成千上万基因或蛋白质的技术的发展，以及能跟踪分析数百万人的活动、投票习惯、购物喜好的计算机的出现，网络科学进入遍地开花的时代。不久的将来必然得到很多新的见解。

       不过，那是下个十年的故事。

——《科学》杂志新闻编辑部

       那是老皇历了。事实上，基因调控已被证明是一个由多种调控DNA管辖的、令人惊讶的复杂过程，而这些调控DNA也许就深藏在被认为是“破烂儿”的荒区。RNA远不仅是卑微的信使，各种形状、各种大小的RNA在基因组操作中实际上是强大的参与者。最后，人们越来越认识到被称为表观遗传因子的化学变化的广泛作用，这些变化能影响跨代的基因组但并不改变DNA序列本身。

       这个“暗基因组”的范围在2001年首次发表人类基因组时变得明了。科学家原来期待在人类DNA的30亿个碱基里找到10万个基因；结果他们吃惊地发现只有35000个。（当前的数目是21000个。）编码蛋白质的区域只占基因组的1.5%。我们其余的DNA难道仅仅是破烂儿吗？

       2002年对小鼠基因组的破译表明，肯定不那么简单。研究结果表明，小鼠和人类共享的不仅是很多基因，还有大段的非编码DNA。这些区域自从7500万年前小鼠和人类谱系分离以来，一直被“保留”下来，它们很可能对生物体的存活起至关重要的作用。

       在美国加州沃尔纳特克里克的联合基因组研究所（Joint Genome Institute）工作的爱德华•鲁宾（Edward Rubin）、伦恩•彭纳基奥（Len Pennacchio）及他们的同事们通过检验保守DNA在转基因小鼠胚胎中的功能发现，一些保守DNA帮助调控基因，有时从远处调控。该小组和其他研究团队的研究显示，非编码区分布的调控DNA比人们预期的多得多。

       进一步证明非编码DNA重要性的证据来自于对疾病遗传风险因子的研究。在大规模寻找患病个体和健康个体之间的单碱基差异中发现，与疾病相关的差异中约有40%出现在基因之外。

       当科学家们调查到底哪些DNA被转录或解码为RNA时，遗传暗物质也突显出来。科学家们曾认为，细胞中的大部分RNA是由编码蛋白质的基因产生的信使RNA、核糖体中的RNA、或少量在别处的其他RNA。但是，现在纽约冷泉港实验室的托马斯•金吉若斯（Thomas Gingeras）和现在加州帕洛阿尔托斯坦福大学的迈克尔•斯奈德（Michael Snyder）在调查中发现了比预期更多的RNA；日本理研组学(RIKEN Omics)科学中心的林崎义秀（Yoshihide Hayashizaki）和同事们在分析小鼠RNA时的得到了同样的结果。其他研究人员曾表示怀疑，但很快这个结果被欧洲生物信息研究所的伊万•伯尼（Ewan Birney）和旨在确定基因组中每个碱基功能的“DNA元素百科全书”计划所证实。这些2007年的先期结果令人大开眼界：染色体中藏有以前不知道的不同蛋白质的结合位点，它们可能是基因调控或表观遗传作用的温床。引人注目的是，细胞的DNA有约80%显示出被转录为RNA的迹象。这些RNA是干什么用的还不清楚。

       其他研究显示，RNA在基因调控和其他细胞功能中起着主要作用。20世纪90年代末，当植物研究人员和线虫生物学家学会用小分子RNA来关闭基因后，这个故事开始展开。这项技术被称为RNA干扰（RNAi），已经成为控制不同物种中基因活性的一个标准方法，于2006年获得了诺贝尔奖。

       为了总体地了解RNA干扰和RNA，研究人员开始分离并和研究只有21到30个碱基长的RNA分子。结果表明，这些“小分子RNA”会干扰信使RNA，使其不稳定。2002年发表的4篇论文指出，小分子RNA也影响染色质（构成染色体的蛋白质和DNA复合体），其影响方式可能会进一步控制基因活性。在一项研究中，缺少某些小分子RNA的酵母没能正常分裂。其他研究已把这些微小的RNA与癌症和生物发育联系起来。

       惊喜并没有止于小分子RNA。2007年，斯坦福大学的霍华德•张（Howard Chang）和现在波士顿贝斯以色列女执事医疗中心（Beth Israel Deaconess Medical Center）的约翰•里恩（John Rinn）通过研究所谓的大型介入性非编码RNA（large intervening noncoding RNAs, 简称lincRNA）确定了其一个基因调控功能。里恩和他的同事们后来确定基因组中含有约1600个lincRNA。他们和其他一些研究人员认为，这类RNA将被证明与编码蛋白质的基因在细胞功能中起着同样重要的作用。

       基因组暗物质的许多奥秘仍有待探索。即使如此，大体的情况是清楚的：十年前，基因吸引了所有的注意力，现在它们必须和一个不断扩大的演员阵容共享聚光灯。

——伊丽莎白•潘尼斯（Elizabeth Pennisi）

       如果你想在家里按照这个配方制作，你需要三个原料：构成恒星和行星的普通物质、神秘的“暗物质”（其引力把星系结合起来）、以及更离奇的“暗能量”（它正在撑大太空并在加速宇宙的扩展）。根据最新估算，普通物质所占比例为4.56%，暗物质占22.7%，暗能量占72.8%。

       他们是这样组合的：在“大爆炸”的瞬间宇宙产生了，其温度超高、密度超高。在极短时间内，宇宙以超光速的速度扩展。这个被称为宇宙“膨胀”的快速增长把以新生宇宙的密度的微小量子涨落扩展到超大规模。这些“过密”区域的引力抓住了暗物质，暗物质把起初只是亚原子粒子的普通物质也一起拉了进来。慢慢地，一个由暗物质丝和暗物质块组成的巨大“宇宙网”形成了，星系就在其中。

       在千年之交以前，宇宙学家们已经缩小了宇宙成分的范围。人们推测暗物质的存在已经有几十年了。1998年，暗能量闪耀登场，当时天文学家们利用Ia型超新星的恒星爆炸来追踪宇宙膨胀的速度，发现宇宙在加速膨胀。为了解决一些概念谜团，有人在20世纪80年代提出宇宙膨胀的想法。但直到最近，观察发现才使科学家能够将这些线索编织成一个严谨的理论。

       大部分的进展来自于对宇宙大爆炸余辉——宇宙微波背景（CMB）辐射——的研究。2000年，“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”（Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics）对部分天空的宇宙微波背景辐射做了详细测量；一年后，基于地面的角尺度干涉仪（Degree Angular Scale Interferometer）在南极做了同样的探测。后来在2003年，美国国家航空航天局的太空威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, 简称WMAP）探测了整个天空的宇宙微波背景辐射，绘制出了一幅极其精美的宇宙初生图。

       真正有价值的是图片中的无数凹坑。宇宙微波背景辐射的温度在天空中点到点的变化在10万分之一左右，温度高的地方对应的是原始宇宙里密度高的区域。科学家们通过测量亮点的大小和分布，以及将测量结果与理论模型拟合，可以探测早期宇宙中普通物质和暗物质的相互作用和数量。他们还可以测量太空的几何，从而使他们可以推算宇宙中的能量和物质的总密度，并且推测暗能量占多少。

       对宇宙微波背景辐射的研究表明，宇宙是平坦的。这意味着，如果你在太空中画一些平行线，这些平行线延伸到无限长时也保持同样的间距，不会汇合或分离。这种平坦性是宇宙膨胀理论的一个中心预测，所以测量结果支持了这个大胆的想法。同样，热点和冷点中表现的特定随机性也支持这个想法。今年1月份，WMAP探测器研究小组公布了最新结果，该探测器10月已停止运行。

       关于宇宙微波背景辐射测量的最令人惊讶的结果是数据居然能拟合到宇宙学家的模型中——虽然模型只有几个可调参数。而且并不只是一些边际逼近，理论与数据的吻合就像香肠的肠衣那样紧凑。这使认为暗物质和暗能量不真实的论点难以成立，也难以通过如修改爱因斯坦的引力理论来解释它们。其他宇宙学数据，如星系分布的测量数据，也完美地符合这个模型。

       所有这一切都让宇宙学家陷入一个奇怪的境地：他们知道宇宙三种成分的精确比例，但仍然不知道其中暗物质和暗能量这两种成分到底是什么。这就好比他们得到一个做巧克力蛋糕的配方，其中需要一个“甜的颗粒状物质”和“用来做糊的与水混合的白色粉末”，而不明确指出是糖和面粉。

       下一个十年结束时，宇宙学家们也许会对所讨论的问题有更清楚的答案。一个被称为“超对称”的粒子理论预测了大质量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles, 简称WIMPs）的存在，这种粒子有可能是暗物质粒子。研究人员对暗物质的探测很乐观，他们期待也许很快就能在深层地下的敏感探测器中检测到WIMPs，或者WIMPs将从原子对撞机的高能粒子碰撞中产生出来，或是WIMPs会在太空中产生特定的伽玛射线。许多天文观察将探索扩展太空的暗能量，虽然搞清楚暗能量是什么要花的时间可能远远不止另一个十年。

——亚德里安•周（Adrian Cho）

微型时间机器再访古代生物

       数百年来，研究古生物的人类只能用石头和骨头作为推断已灭绝生物是什么样子的可靠证据。在过去十年里，功能强大的新兴X射线扫描和三维计算机模型已经改变了人们对骨骼、牙齿和贝壳的分析。然而，更具革命性的事情已在进行中：这是一种新型分析，能揭示骨骼证据无法提供的生物体解剖适应性，如恐龙羽毛的颜色或长毛猛犸象如何耐寒。

       对古DNA的研究开始于20世纪80年代中期。但其早期有过的成功迹象在一系列精彩但缺少证据的宣称中逐渐消逝，如有人宣称从八千万年前的恐龙身上提取的DNA竟然是来自一个人的DNA。古DNA经常被细菌DNA或科学家们的DNA污染，以至于没有人相信（或发表）那些研究结果。后来资金枯竭了，只有少数实验室坚持下来，主要是在欧洲。

       但在过去十年里，为探索人类基因组而开发的新工具给古DNA研究注入了活力，使其重生。例如：新的高通量测序仪最适合测序DNA小片段序列——而质量欠佳的古样本正好包含许多小段DNA。新测序技术使科学家能够以较低成本对提取的每一段DNA进行测序。因此，他们能够找到方法将较长的受污染DNA与较短的古DNA片段识别和区分开来，并找出有意思的基因区域。

       与此同时，研究人员开始关注其他古分子，如RNA和胶原蛋白。罗利市北卡罗来纳州立大学的研究人员引人注目地声称：他们已经从一只6800万年前的霸王龙和一只8000万年前的鸭嘴龙身上分离出了胶原蛋白。一些科学家怀疑胶原蛋白来自于细菌而不是恐龙，但其他人在研究用胶原蛋白来识别无法辨认的骨头碎片。有几名科学家甚至把眼光放在了比DNA更为脆弱的RNA上，希望用古种子的RNA来了解早期作物的基因表达。

       揭示灭绝已久生物的秘密生活或许对当今世界也有现实意义。一些研究人员希望利用古DNA把遗传多样性重新引入到像北极熊这样的濒危种群中。如果他们能成功，那么灭绝已久的生物的分子可能会帮助挽救活着的生物。

——安•吉本斯（Ann Gibbons）

寻找火星水（甚至生命？）的颠簸之旅

       这个旅行真不容易。人们一直在火星上寻找水（以及液态水可能承载的生命）：上个世纪初曾认为火星上有维系文明的运河，上世纪70年代“水手9号”观测到火星上荒芜的类似月球的地貌，近十年来发现了早期火星上的含盐浅海，这个探索之旅有起有落。

       大肆宣染的浅海在科学家们对早期火星的认识中没过几年就干枯了，但即便如此，在过去十年里执行的六个火星任务终于有所发现。现在有一点已经清楚：在火星历史的早期，液态水在火星表面或者内部曾存在过一段时间，足以改变了岩石，可能还支撑了生命的起源。火星仍有足够的水分使那些试图在火星上寻找活的外星微生物的人备受鼓舞，如果火星上存在微生物，它们也许是解释我们地球上生命如何起源的关键。

       不要着急。过去6年中，“火星侦察轨道器”和“火星快车”上负载的光谱仪更适于探测被水改变的矿物，尤其是粘土。天体生物学家们特别喜欢粘土。粘土的形成需要岩石在有利于生命生存的温和条件下与水长期接触，而且粘土能很好地保存过去的生命体残留的有机物质。研究人员已经在火星上的很多地方发现了如此多的由水生成的粘土，以至于科学家和工程师们对下一辆火星探测车——高功率的“好奇号”，又名“火星科学实验室”——降到火星何处的考虑，已有很多可选的地点。

       轨道仪器在火星土壤表面几厘米下发现了埋藏的冰，以及如今被碎片覆盖的几百米厚的停滞冰川。尽管现在靠近火星表面的冰不能融化，但因为火星在其轴上疯狂摆动得很厉害，过去它曾有过多次持续了千万年的气候变暖期。

       在这十年的前期，行星科学家们开始发现种种迹象，表明有些冰在地质时间不远的过去可能曾经是液态的。更清晰的影像显示出陨坑壁上有深沟，看起来好像是被沿坡冲涌而下的水（或许是融化的雪）冲刷而成。10月，“凤凰”号火星探测任务的研究成员报告发现了证据，表明液态水——也许不过是一层潮湿的薄膜——曾经从火星遥远北部几厘米的上层土壤中渗出。今年早些时候，“勇气号”任务的研究成员提出在该火星车卡住的赤道附近也有类似的渗出。

       由于这些发现，现在火星上寻找生命不仅仅意味着在土壤里摸索早已腐朽的分子残余。不少科学家第一次认为，他们也许真的会发现实际存在的微生物，可能是活的也可能是近期才死亡的。对生物学家来说，这种可能的前景令人激动不已。如果真能找到这样的火星微生物，他们是不是另有起源，有自己独特的生物化学性质和遗传密码？还是它们与地球生命有联系——也许它们是假设中地球的“RNA世界”的先驱，被太空碎屑从一个行星带到了另一个行星？

       这些都有可能，地球上曾发现过被小行星撞击从火星表面的敲击出来的陨石。有时那些石头有可能迅速地落到地球上，使搭其便车的细菌在穿越太空时活了下来。火星够早时够湿、湿的时间够长；如果火星上曾有我们所知的生命存在，那么地球上的生命也可能是从那里起源的。

——理查德•克尔（Richard A. Kerr）

细胞改写自身命运

       这个突破性的见解建立在几十年研究的基础上。约翰•古尔敦（John Gurdon）于20世纪60年代奠定了基石，他通过把一个成熟细胞的细胞核转移到一系列的去核卵里，成功地克隆了青蛙。这是科学家第一次成功诱导成熟细胞的遗传物质从头开始制造出一个新的个体。1996年，克隆羊多利证明这种“核转移”技术可以扩展到哺乳动物细胞上。这项工作给研究人员带来希望，也许他们能发现卵母细胞在受精后如何重置细胞时钟，使发育从头开始，从而挑战沃丁顿的比喻。

       然而，2006年，山中伸弥（Shinya Yamanaka）发现，只要把4个基因插入小鼠的成熟细胞，就可以让它们变为多能细胞，并不需要卵母细胞的帮助，这个发现震惊了世界。他把这个过程产生的细胞叫做“诱导多能干”细胞（iPSC）。

       一年后，山中伸弥率领的研究小组和詹姆斯•汤姆森（James Thomson）率领的研究小组独立地从人类皮肤细胞制造出了诱导多能干细胞。这两个小组采用的基因组合略有不同，表明可以用不同的方法实现这个过程。此后不久，又有几个研究团队证明，有可能把某个成熟细胞类型直接再编程为另一个类型，例如实验结果显示可以把成纤维细胞转化为神经细胞或血细胞。

       这一突破给科学家们提供了一种方法，来避开困扰研究人类胚胎干细胞的棘手的伦理和政治问题，因为人类胚胎干细胞是从早期胚胎中提取的。突然间，科学家们可以获得人类多能细胞而免受特殊规则和法规的制约。

       但是，早期的再编程技术也有几个缺点。首先，他们把新基因永久地插入再编程后的细胞的核内。虽然细胞变成多能性后，这些基因似乎会回到关闭状态，但是还不清楚在它们将如何影响细胞以后的行为。第二，人们知道山中伸弥使用的基因中至少一个会引发癌症，的确，不久人们就发现，用诱导多能干细胞培育的小鼠经常生有肿瘤。最后，这个过程效率很低，5000个细胞里大约只能成功再编程一个。

       这些问题中有很多现在已经得到解决。一些实验室已经用不植入基因组的病毒来再编程细胞。也有人采用了被称为游离基因的小环DNA，它们在细胞分裂时并不自我复制。另有研究人员发现了可以用小分子替代部分遗传因子，还找到了把再编程蛋白质直接导入细胞的方法。几个月前，有个研究小组描述了如何用改造过的RNA来再编程细胞，这比原先的技术更快、效率更高。

       与此同时，科学家们在迫切地再编程来自数百名病人和健康对照组的细胞，试图揭示各种疾病的根源，并且可能的话，找到新的治疗方法。很多实验室在用细胞研究肌萎缩性脊髓侧索硬化症、帕金森氏病、亨廷顿氏症，甚至自闭症。制药公司在用从诱导多能干细胞培育出的心脏细胞来测试药物是否对心脏有副作用，而副作用是导致有前景药物最终失败的一个常见原因。

       研究人员还在努力了解再编程究竟是如何进行的。迄今为止的证据表明，这需要一点运气：细胞必须在适当时候得到适当剂量的每个遗传因子。这也许可以解释为什么再编程的过程如此低效，因为只有一小部分细胞正好得到合适的剂量。相比之下，核转移更有效。所以一些研究人员仍在努力搞清楚卵母细胞是如何提高效率的，希望找到提高细胞再编程效率的线索。

       无论对细胞还是对研究人员来说，再编程已经改变了发育生物学的前景。研究人员希望它在今后几十年也改变医学的前景。

——格雷琴•沃格尔（Gretchen Vogel）

人体内勤劳的微生物获得迟到的尊重

       自从19世纪以来，人类一直在与细菌作战，用抗生素、疫苗和良好的卫生习惯来防治疾病，结果是成败参半。但是在2000年，诺贝尔奖得主乔舒亚•莱德伯格（Joshua Lederberg）呼吁不要再认为“我们好，它们坏”，正是这个想法一直推动着我们对微生物的战争。他在2000年的一期《科学》中写道：“我们应该把每个宿主和其寄生者当作一个超生物，是由各个基因组结合成的某种嵌合体。”

       他的评论有先见之明。在过去的十年里，人类对体内和体表的微生物和病毒的看法有所改变。越来越多人认可它们就是我们，而且有充分的理由这么认为。人体每10个细胞中就有9个是微生物。仅仅肠道中就有多达1000余种细菌，它们带来的基因数是我们自身DNA承载的基因数的100倍。一些微生物使我们生病，但大部分与我们共生，把人体当作家。它们被统称为人类微生物群系。同样，一些病毒在人体内定居下来形成病毒宏基因组，人们刚开始了解其对人类健康和疾病的影响。

       它们的基因和我们的基因组成了一个保持身体机能的宏基因组。在过去的十年里，我们已经开始看到微生物的基因如何影响我们从食物中摄取能量的多少，以及微生物和病毒如何帮助免疫系统做好准备。认为人类与其细菌和病毒组件是紧密交织在一起的看法具有广泛的意义。正如一位免疫学家所说的那样，这种看法的转变“从哲学上来讲，与地球不是太阳系中心的认知没有什么不同。”

       2006年，纽约大学布法罗分校的史蒂芬•吉尔（Steven Gill）和同事们对肠道宏基因组进行研究，分析了被测序的7800万碱基中所有能找到的基因。他们发现了补充人类基因组的代谢基因，包括降解食物纤维、氨基酸或药物的基因，以及产生甲烷或维生素的基因。这项研究以及2010年中国深圳华大基因研究院的王军和他的同事进行的一项更为全面的研究，为微生物-人体超有机体、具有巨大的基因本领的概念提供了支持。现在，大规模的研究已经调查了肠道、皮肤、口腔、鼻子、女性泌尿生殖道的微生物群落。“人类微生物群项目”已经测序了500个相关微生物基因组，计划一共要测序3000个。

       有些微生物可能在代谢过程中发挥着重要作用。2004年，密苏里州圣路易斯市华盛顿大学医学院的杰弗里•戈登（Jeffrey Gordon）率领的研究小组发现，无菌小鼠获得肠道细菌后体重增加，这证明这些细菌有助于身体从消化的食物中摄取更多的能量。后来的研究表明，肥胖小鼠和肥胖人群比正常体重的小鼠和人群含有的拟杆菌纲的细菌要少。

       微生物群系还被证明对健康的许多方面至关重要。免疫系统需要微生物群系才能正常发育。此外，为了在身体内保护自己，共生细菌会与免疫细胞受体相互作用，甚至诱发某些免疫系统细胞的生产。一种丰富的肠道细菌Faecalibacterium prausnitzii被证明具有抗发炎的特性，而且其丰富程度似乎有助于防止克罗恩病的复发。同样，帕萨迪纳市加州理工学院的萨尔吉斯•马兹曼尼恩（Sarkis Mazmanian）指出，人类共生有机体脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）使小鼠免生结肠炎。植入从健康肠道分离出来的细菌使微生物群落恢复正常，治愈了一名感染了难辨梭菌（Clostridium difficile）的慢性腹泻患者。

       华盛顿大学医学院的赫伯特•维尔京（Herbert Virgin）发现了病毒宏基因组的一个类似作用。他的研究小组在小鼠体内发现，休眠的疱疹病毒刺激了免疫系统，使小鼠不易受某些细菌感染。

       微生物群系和病毒宏基因组的概念十年前还不存在。如今，研究人员有理由期望，有朝一日他们能够通过调控身体里的病毒和微生物来改善健康、治疗疾病。

——伊丽莎白•潘尼斯（Elizabeth Pennisi）

太阳系外行星不再稀罕

“有无数个太阳和地球体系以和我们太阳系七个行星完全一样的方式围绕它们的恒星运行。我们只能看到恒星，因为它们是巨大的发光天体，我们看不到它们的行星，因为行星比较小而且不发光。”

——乔尔丹诺•布鲁诺，1576年

       虽然迄今发现的大多数系外行星是巨型气体行星，但是对开普勒数据的分析结果让研究人员相信，类似地球的小行星在宇宙中大量存在，而且在未来几年提高检测能力将会使我们在银河系深处发现很多类似行星。这一见解使进入这一领域的青年天文学家有可能在他们有生之年在宇宙其他地方发现生命。同时，已发现行星的大小和轨道正在改变研究人员对行星系统形成和演化的理解。

       在上一个十年里，开始只是零星发现太阳系外行星，最开始是1995年米歇尔•麦耶（Michel Mayor）率领的一个瑞士研究小组发现了“飞马座51b”，随后是1996年美国天文学家杰弗里•马西（Geoffrey Marcy）、保罗•巴特勒（Paul Butler）和他们的同事们发现的五个行星。到2001年，其他一些研究团队加入了寻找系外行星的行列，发现的步伐加快了。

       寻找行星的最古老和最流行的技术一直是多普勒光谱：恒星在绕其运行的行星的重力吸引下摆动，其光芒发生偏蓝或偏红的变化。1999年，天文学家们也开始用凌日法来侦测系外行星，通过密切关注行星经过恒星表面时恒星光度的减弱来发现系外行星。到目前为止，研究人员利用凌日法已找到或确认了100多个行星。

       自2001年以来，行星猎人又增添了两种新技术。一个是微透镜法：恒星因其某个前景恒星的引力作用而短暂变亮；亮度的变化可以揭示绕前景恒星运行的行星。2004年，由英国爱丁堡皇家天文台的伊恩•邦德（Ian Bond）率领的研究人员宣布利用微透镜法首次发现一个行星。后来又有10颗行星是用这项技术发现的。

       2008年，天文学家发表了太阳系外行星的首批直接的照片：靠近一颗邻近恒星的微小光点。随着在地面望远镜中校正大气模糊效果的自适应光学技术取得进展，以及帮助阻挡恒星直射光的日冕仪设备得到改善，天文学家希望能直接拍到更多的行星。

       目前已发现的行星系统的多样性已经迫使天文学家修正有关行星系统的产生和发展的理论。发现靠近主恒星运行的“热木星”（hot Jupiters）表明：被认为在主恒星很远处形成的气体行星随着时间的推移会向内移动。发现沿倾斜甚至逆向轨道绕恒星运行的行星表明，行星可能被从出生地拉至奇怪的轨道，而天文学家以前不可能预测到这一点。

       天文学家期望开普勒望远镜在未来几年里会发现几个类似地球的行星。目前，研究人员正计划制造新的地面和太空仪器来采集一些可居住行星的大气光谱。这些大气可能会生成生命特征，如氧气，研究人员认为氧气只可能由生物过程产生。这种情况如果或真的发生，那么将最终证明布鲁诺为之牺牲的“宇宙无限说”是正确的。

——余和吉特•巴塔查尔吉（Yudhijit Bhattacharjee）

发炎露出黑暗的一面

       发炎的阴暗面于20世纪90年代开始出现。研究人员在研究显然毫无关联的疾病时发现，免疫细胞在病灶聚集。动脉硬化是因脂肪斑块在动脉里堆积造成的，是首批入选的疾病之一。20世纪80年代，美国西雅图华盛顿大学已故的罗素•罗斯（Russell Ross）在动脉硬化组织中观察到了巨噬细胞；这些白血细胞是发炎的标志。慢慢地，随着越来越多的人对动脉组织进行分析，越来越多人同意发炎应答参与进来的观点。有T细胞。有干扰素伽玛，这是免疫系统生成的，部分地为了其发炎工作。还有基因变异体，它是由冰岛的deCODE公司发现的，这些变异通过加重斑块的发炎使人们容易患心肌梗塞。今年4月份，《自然》杂志上发表的一篇文章描述研究人员利用一种新的显微镜技术发现了血管中微小的胆固醇晶体在小鼠患病早期引发炎症。

       其他情况提供了类似故事情节。1993年，哈佛大学的一个研究小组发现，肥胖小鼠的脂肪组织在大量生产一种传统的炎症蛋白。十年后，一篇接一篇的文章揭示出巨噬细胞侵入啮齿类动物和人的脂肪组织与他们多么肥胖之间的关联。进入炎症故事的新角色包括炎症神经退行性疾病，如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症。不过这里，发炎究竟是疾病的原因还是来凑热闹的不是很清楚。

       在大多数与炎症有关的慢性疾病中，发炎似乎只是加重疾病而并非病因。例如癌症，过去十年里发表的论文指出，肿瘤和发炎症共同作用制造灾难：肿瘤扭曲健康组织，导致组织修复开始，从而促进细胞增殖和血管生长，帮助了癌症扩散。尽管是肿瘤细胞的基因突变引发癌症，但是有证据显示，周围组织的炎症帮忙诱导这些细胞的癌变。

       癌症患者出现炎症的原因至少部分与炎症的一般病因一样：组织损伤。在其他疾病中，炎症的出现更为神秘。例如，在神经退行性疾病里，有一些因神经元丢失造成的组织损伤，会刺激炎症，但也有证据显示，炎症帮助杀死神经元。炎症似乎也推动2型糖尿病的两个成分：胰岛素抵抗和产生胰岛素的胰腺ß细胞死亡。

       就肥胖症来说，现在还不清楚为什么炎症会渗透脂肪组织。但是，一些理论正在出现。其中一个理论引用一个错误的免疫应答：肥胖症患者的脂肪细胞新陈代谢不正常，免疫系统认为脂肪细胞需要帮助，于是派巨噬细胞前去救援，尽管巨噬细胞只起破坏作用。

       证明炎症加重任何疾病的最可靠的办法是阻止发炎并检验这样做是否有帮助，这样的实验正在进行中。2007年，瑞士苏黎世大学医院的马克•多纳斯（Marc Donath）和他的同事们描述了一个2型糖尿病临床试验的结果，这个试验曾被认为毫无道理。70名患者分别接受安慰剂或阿那白滞素（anakinra）治疗。阿那白滞素是一种偶尔用于治疗类风湿关节炎的药物，它抑制白细胞介素1。白细胞介素1是一种促炎细胞因子，即促进发炎的蛋白质，2型糖尿病患者的ß细胞中发现含有该细胞因子。在多纳斯的小规模研究中，药物阿那白滞素有助于控制病情，这个结果发表在《新英格兰医学杂志》上。因为长期用阿那白滞素治疗糖尿病不是一个好选择，所以，几家公司正在竞相开发替代品。

       调节与慢性疾病有关的炎症是一个新的科学前沿，是否能成功还是个未知数。在炎症跟研究人员玩捉迷藏这么久之后，他们正在跟踪一个接一个的线索，尽量保持领先一步及时发现需要灭掉的火。

——詹妮弗•孔沁-弗兰克尔（Jennifer Couzin-Frankel）

光的新奇技巧

       早在1968年，俄罗斯物理学家维克托•韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，可以设计一种具有负折射率的材料，使光波的弯曲更奇特。如果水的折射率为负数，那么放在水杯里的吸管看上去好像在自身下弯曲回来。韦谢拉戈认定，用这样的材料可以造出平的“超级透镜”（superlens），其聚焦能力比曲面透镜还强。他的这个观点沉睡了几十年。直到20世纪90年代末，伦敦帝国理工学院的物理学家约翰•彭德里（John Pendry）和同事们发现：碳纳米管长而细的形状有助于其吸收无线电波。

       彭德里开始琢磨其他人造材料可能会如何影响电磁波。铜导线和带有缝隙的铜环能与在特定频率的电磁波产生共振，彭德里认识到通过调节这些共振，他能独立地调制一种超材料的电磁性质使其在微波段表现出负折射率。他还推测，应该能制造出韦谢拉戈说的那种超级透镜，用其可以看到比物体所反射的光波长二分之一光还小的物体。传统的透镜或其他光学仪器都无法突破这个“衍射极限”。但彭德里认识到，超材料可以通过放大微小的共振来突破这个极限，这种被称为渐逝波的微小共振是光在特定条件下产生的。

       彭德里的想法引发了一连串的实验。2001年，彭德里与当时在美国加州大学圣地亚哥分校、现在北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学任职的物理学家大卫•史密斯（David Smith）合作，制造彭德里提出的微波段的负折射率材料，但是他们花了好几年时间才说服科学界这种材料起作用。仅仅几年后，其他研究小组报告说取得了初步成功，造出了超级透镜（superlens）和相关设备——超超级透镜（hyperlenses）。

       之后，事情变得更奇怪。2006年5月，彭德里及同事与英国圣安德鲁斯大学的理论家乌尔夫•莱昂纳特（Ulf Leonhardt）分别报告说，超材料可以通过改变光路线避开物体来让物体隐形，就像水流绕过巨石一样。短短5个月后，史密斯和他的博士后大卫•舒瑞格（David Schurig, 现在罗利的北卡罗莱纳州立大学）以及其他同事成功展示了这样一个环形隐形装置。

       这个装置并不完美，它只对某个特定频率的微波起作用。真正的进步在于它背后的概念。爱因斯坦在广义相对论中提出，空间和时间（又叫时空）以改变光轨迹的方式被拉伸变形。所以莱昂纳特和彭德里想象，通过弯曲空间来控制光线绕开圆形区域，使那个圆形洞里的东西隐形。

       理论家们随后认识到，可以通过具有特定电磁波特征的超材料体填充没有变形的空间来模仿空间这种极端的伸展。他们给出了用于制造这种转变的数学理论。原则上来讲，这个理论让研究人员能够以他们想要的几乎任何方式来弯曲光线，但前提是先制造出相应的超材料。

       奇迹继续发生。2008年，研究人员制造出了一个在某个波长范围内工作的微波斗篷。同一年，加州大学伯克利分校的物理学家张翔和同事们造出了第一个在三维空间起作用的隐形斗篷设备。相关的隐形斗蓬已被造出，可在红外线和可见光下工作。

       很难说这些成就将带来哪些发展。令哈利波特迷失望的是，要制造一个在可见光波长内让人体大小的物体隐形的斗篷，成功的希望不大。但微波段的超材料设备可能有很多的实际用途。转换光学的观点是如此美好，如果不用它造出一些有用的东西，似乎是对灵感的极大浪费。

——罗伯特•瑟乌斯（Robert F. Service）
亚德里安•周（Adrian Cho）

科学与政治面对面 气候学家倍感压力

       这个突如其来的逆转让研究全球变暖的科学家们遭受了意外打击。自从1979年以来，他们在一个又一个组织的支持下发布了有关温室效应这门科学研究现状的评估报告；1990年，新成立的联合国政府间气候变化专门委员会（United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change, 简称IPCC）成为全球气候研究的领头者。IPCC在1995年发布的第二份评估报告委婉地宣称“权衡正反两方面证据表明”人类在影响全球气候。到2007年，IPCC已达成了一个牢固的科学共识：气候变暖是“确定无疑的”，主要原因“非常可能”是人类，自然过程“非常不可能”削弱这个过程。IPCC研究过程的广度和深度似乎淹没了小小的、但广为人知的反对声音。

       世界各地的最新进展放大了这个讯息。20世纪80年代到90年代，大多数研究人员认为，温室气体增加预计到21世纪中晚期才会产生较大的影响。但是到了当前这个十年的中期，北极海里的冰在夏季明显消失，冰架分裂成碎片，格陵兰岛和南极西部冰川冲进海里。飓风卡特里娜淹没了新奥尔良，而当时科学家们正在争论温室气体会怎样加剧飓风和增加其发生的次数。到当前这个十年底的时候，甚至海洋酸化也已经是一个观测到的事实。2006年4月，《时代》杂志的一个封面故事把全球变暖当作一个确定的事实，并提出直接而严峻的警告：“要担心。要很担心。”

       但是，强大的国家却不是这么做的。作为2000年总统候选人，乔治•沃克•布什曾承诺要控制二氧化碳排放；但是当上总统后，他迅速背弃了自己的诺言，拒绝签署《京都议定书》，而在这三年前已经有187个国家通过了这个有关限制排放的条约。接着几年里，布什政府做了不少工作，试图更改几分气候科学报告的结论，从而淡化气候变化可能产生的影响，导致本国的立法机关和海外的谈判者多次都未能通过综合国家法规或国际法规。欧洲通过了限额交易制度，取得了初步成功，但甚至世界野生动物基金会都说，“迹象显示，直到现在该制度对欧洲的长期投资决策都没有任何影响。”

       华盛顿的新政府改变了调子，但是并没有改变方向。2008年总统大选期间，巴拉克•奥巴马承诺到2050年，要把排放总量相对于1990年削减80%；选举过后，美国众议院通过了一项法律，基本上实现了奥巴马的承诺。但是同一年，总统奥巴马在2009年12月哥本哈根重要谈判中未能通过关于限制排放的具有约束力的一个条约，之后这个法案在参议院就被否决了。

       同年11月，从英国东安格利亚大学服务器中截取的科学家之间的电邮通信被公开，给气候科学带来一阵强烈的负面宣传。后来一个五个专家的小组证明了这些科学家并没有不正当的科学行为。即便如此，这次事件可能已经深深破坏了公众对气候科学的看法，而其政治影响还没有展开。上个月的美国国会选举或许暗示了将要发生的事：赢得众议院选举的大多数共和党、几乎所有共和党参议员和许多众议院候选人对气候变化背后的的基础科学提出了质疑，其中少数人指责整个领域是一个阴谋。“现在还在继续的关于气候科学和科学家的战争让布什政府看起来反而显得温和，”里克•皮尔茨（Rick Piltz）如是说，他在1995年到2005年期间任白宫气候官员，现在主管华盛顿特区的“气候科学观察”监督组织。

       现在有采取行动的迹象。美国环境保护局正在准备进行削减大型发电厂排放的战斗；最近，中国、印度尼西亚、巴西和印度做出了有史以来第一个控制温室气体排放的承诺。但是，“气候鹰派”已经耽误了时间、失去了动力，而且现在很多专家认为，主导未来十年的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。

——理查德•克尔（Richard A. Kerr）
伊莱•金蒂希（Eli Kintisch）