【Science】十 年 见 解 总 结

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。

这项技术被称为光遗传学，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。比以往任何时候相比，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。

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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，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，来观察比只有光波长一半的衍射极限还小的蛋白质和和细胞的精细结构。

我们不仅可以看得更好更清楚，还可以看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。

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不可或缺的机器

当然，处理这些空前的数据洪流的关键是功能越来越强大、价格越来越便宜的计算机。受益最多的是基因组学领域。十年前，测序一个人类基因组要好几年、好几百人、好几百台机器、无数小时的样本制备产生一个一个被破译的DN***段。有些研究人员支持霰弹法：把整个基因组打成碎片，同时测序，一起组装；但是当时的计算机都无法完成这个任务。提出建议者不得不制造出一个巨大的超级计算机，辛苦地编程使其能完成这项任务。现在，全基因组霰弹法测序成了必需品，高效的软件也比比皆是。在过去的五年中，新的“下一代”测序技术让测序效率更高。如今，一台机器一个多星期内就能破译三个人类基因组。

测序成本如此之低，以至于研究人员以空前规模用它来研究基因表达和蛋白质-DNA相互作用。遗传学家如今靠测序来寻找罕见疾病的遗传原因。2008年，10 个国家一起成立了国际癌症基因组协会，其目的是通过测序25000个基因组的部分或全部来编目约50种癌症的基因突变和其他DNA及表观遗传变化。

计算机的作用不仅限于把基因组重新拼起来。在计算机的帮助下，基因组学研究者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。万维网已经成为链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。一个研究团队还用订制的集成电路制造了一台超级计算机，极大地加快蛋白质折叠计算，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的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。

强调联系。　由于计算机、互联网以及一个观察从基因到人群所有事物之间联系的新方法，网络科学正在蓬勃发展。
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宇宙“配方”


亿万年来，人类不时仰望星空琢磨着这样一个问题：“这一切都是从哪儿来的？”尽管宇宙学家们还没有一个明确的答案，但在过去十年中，他们已经推导出有关宇宙成分的一份非常精确的“配方”，以及将其组合起来的说明书。这一进展使宇宙学由一门主要是定性研究的学科转变为一门具有标准理论的精密科学，该标准理论即使还有些明显的问题尚未给出答案，但给其他想法留下的余地也不大。不管喜欢不喜欢，宇宙学家们现在大致接受这个理论。

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（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。

第一道光线。　WMAP航天器绘制的大爆炸余辉图（见套印小图）。

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照亮基因组的“暗物质”

它曾经看起来是那么简单。脱氧核糖核酸（DNA）告诉身体如何制造蛋白质。这些指令被称为基因的序列承载。DNA的化学表亲核糖核酸（RNA）链充当分子信使，把指令带到细胞的蛋白质工厂并将其转译为行动。基因之间是不连贯的、无用的、惰性的大段“破烂儿DNA”。

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。
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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***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。

对史前世界的新观点有赖于这样的认识：诸如古DNA和胶原蛋白这样的“生物分子”可以生存数万年并且能提供灭绝已久的植物、动物和人类的有关信息。在过去的十年里，这一领域的发展出人意料。1997年，位于德国莱比锡的马克斯-普朗克进化人类学研究所的一个研究小组首次测序了一个尼安德特人的DN***段，被誉为一个重要的里程碑。但在今年，这个实验室公布了尼安德特人的核基因组，代表着一千万多倍的DNA（见本期《科学》“2010年科学进展”，第1605 页）。在过去的十年里，这些分子让变得丰富多彩：古基因显示一些尼安德特人是红头发、白皮肤；被称为黑色素体的含色素古细胞器揭示了中华龙鸟的绒尾巴是栗色的。

古分子还可以揭示灭绝已久的物种之间的亲缘关系，例如：揭示出恐龙的胶原蛋白的氨基酸序列与鸟类的胶原蛋白的氨基酸序列比与爬行动物的更相似。长毛猛犸象的古DNA显示，它们血液中含有专门适应寒冷的血红蛋白，研究人员今年在细菌中将其成功复制。DNA研究甚至表明，有些尼安德特人与我们的祖先有过交配。

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 DN***段识别和区分开来，并找出有意思的基因区域。

随着测序能力飞速发展，研究人员以破纪录的速度不断有新的发现。2005年，两个研究小组一起测序了古穴熊DNA的27000个碱基。半年后，另一个研究小组从一块猛犸象骨头得到2800万DNA碱基，表明猛犸象约在600万年前从非洲象分支出去。2008年，这个小组在eBay上买到了猛犸象毛发，测序了猛犸象的整个基因组——这是已灭绝动物的第一个基因组。同一年，一个尼安德特人的第一个完整的线粒体基因组公布于世，还有5个紧随其后。2010年，这项工作达到顶峰，整个尼安德特人基因组发表了。

今年，马克斯-普朗克研究小组实现了十年前许多研究人员认为不可能实现的一项壮举：他们仅仅靠DNA研究发现了一个新的人种。他们对从西伯利亚一个山洞发掘出的一根人类手指的线粒体基因组进行了测序。结果表明，该手指既不是尼安德特人的，也不属于现代人类；它看来属于四万年前生活在中亚的一个新人种。

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令人惊讶地声称，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RNA上，希望用来自古种子的RNA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如北极熊这样濒危种群中。如果他们能成功，那么灭绝已久生物的分子可能会帮助挽救活着的生物。

庞大的工作。　科学家们测序了已灭绝的哺乳动物猛犸象的基因组。
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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。

在千年之交，专家们已经知道早期火星并不是彻底干涸的。当时的头条新闻谈到“一个湿淋淋的早期火星”，还提出“火星变得越来越湿”（这是来自《科学》杂志的两个例子）。“水手9号”之后的宇宙飞船上装载的相机曾拍摄到灾难性洪水过后的火星地貌，层状沉积物使人想到很久以前的火山口湖，甚至有迹象显示曾有古海岸线在火星北部环绕着一片大海。但据人们那时所知，所有这些蓄水都太过短暂，不足以让生命开始产生。

2004 年初，“机遇号”火星车在探测到早期火星上长期存在海洋、至少是宽广湖泊的迹象，火星的水突然多起来。“机遇号”当时在调查从轨道看到的一个光谱色斑，这个色斑代表着与水有关的铁矿物——赤铁矿。从近处看，着陆点似乎是一个浅海或湖泊的含盐残余。《科学》杂志发表了这一发现，同时发表了“勇气号”火星车在火星另一端发现的神秘的、被水侵蚀的岩石；这是“2004年十大科学进展”之一。

兴奋是短暂的。“机遇号”没有找到更多的地表水造成沉积物起伏的证据。也许不是海，而是罕见的含盐酸性地下水曾从干旱的盐沙丘之间涌出火星表面。这种高盐的强烈腐蚀性水不利于类似地球生命的生存。

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，以及现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，但因为火星在其轴疯狂的摆动得很厉害，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。不少科学家开始认为，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无法形容地激动。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很快地落到地球，使搭其便车的细菌在穿越太空时活下来了。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。

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细胞改写自身命运

生物学里有这样一个经典的比喻，一个胚胎细胞在山顶上，随着胚胎发育，细胞顺山坡滚下来，进入一系列的分支山谷。一旦细胞进入比如发育为皮肤细胞的山谷，它就不可能突然改变路线发育为为神经细胞。这是20世纪50年代发育生物学家康拉德?沃丁顿（Conrad Waddington）提出的一幅形象的画面，传递的信息很明确：发育是一个单向过程。

并非如此。在过去的十年里，科学家们已经找到了方法，把已分化的细胞重新推回山上，也许更令人惊讶的是，从一个山谷直接推到另一个山谷。通过刺激一个细胞过度表达某些基因，研究人员可以把一个皮肤细胞或血细胞转化为一个多能细胞，这种细胞有潜力发育成体内任何细胞类型。其他基因能促使皮肤细胞直接变成神经细胞或血细胞。科学家们已经在用这项技术培养了来自患有难以研究的疾病的患者的细胞系，他们希望最终能培育出基因匹配的替代细胞和组织，甚至整个器官。

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，这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的合适的剂量。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前景。研究人员希望它在今后几十年也改变医学的前景。

被再编程。　加入几个额外基因的拷贝，使细胞发育时钟往回拨，生成了诱导多能干细胞。

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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。”

对微生物的这种欣赏是慢慢形成的，是人们日益认识到微生物在世界上发挥关键作用的一部分。微生物学家对从土壤、海水和其他环境中提取的DNA测序的结果是，发现了很多以前没有检测到的物种。其他基因组研究已然揭示了微生物和它们的寄主之间令人难以置信的亲密关系，例如一种叫做Buchnera的细菌和它寄生的蚜虫之间的关系。2000年的一项研究发现，每个生物体都有其他生物体缺乏的东西，形成一种代谢的相互依存。

首次有迹象表明微生物学家错失了人体微生物世界是在1999年，当时位于加里福利亚州帕洛阿尔托的斯坦福大学的大卫?雷尔曼（David Relman）和同事们发现，过去对从人牙龈培养的细菌的研究严重低估了牙龈中的生物多样性。这些研究人员从肠道和大便样本中发现了395种细菌，其中三分之二是科学界过去不知道的新物种。

2006年，纽约大学布法罗分校的史蒂芬?吉尔（Steven Gill）和同事们做了肠道宏基因组研究，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了一项更全面的研究，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。

看不到的伙伴。　细菌花名册在人体各部分各不相同。
结肠（195） 口腔（56） 食道（43） 皮肤（48） 胃（25） 阴道（5）

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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

为了坚守这个多元世界的想法，布鲁诺被关在地牢中7年，1600年2月17日，他被带到罗马的一个公共广场活活烧死。如果布鲁诺有能力传讯未来出庭，最可能让他活下来的尝试大概就是给审判者们展示约2010年的“太阳系外行星百科全书”的网站。2000年时该百科全书收录的行星只编号到26，也许还不足以挽救布鲁诺。但最新的记录是505，并且还在增加，这肯定可以说服审判者们免除布鲁诺的火刑。

在过去的十年中，天文学家们已经发现了太阳系外的很多行星，如今只有最古怪的行星才能上主流新闻，如2009年8月发现的编号为WASP-17的巨大行星，它绕其主恒星运行的轨道与主恒星自转的方向相反。iPhone和iPad的一个应用软件可以跟踪太阳系外行星的发现；撰写本文时，已发现的太阳系外行星超过了500个。还会有更多的被发现，天文学家们正在跟踪侦测美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜在2009年3月开始运行后头几个月内观测到的700个候选。

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使我们能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”，其次是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。

多元世界。　开普勒太空望远镜（见下图）已经发现了围绕其他恒星运行的几百个候选行星。
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