●彗星之约

 

■邢鸿飞 编译

 

今年最受关注的科学突破，以一系列来之不易的图片激发了公众的想象力，它们来自比火星还要遥远的地方。纺锤型、三脚状小小的“菲莱”着陆器，在太空中落向一个几乎黑暗的、代号为67P的彗星。这是具有里程碑意义的事件——人类探测器第一次着陆在彗星上。

 

不久，其他图片陆续传来。其中一张展示了“菲莱”最初着陆的尘面。该着陆器配置了鱼叉、螺钉，以及不起作用的反向推进器，不过它没能在表面坚硬的彗星上 着陆，接着它回弹到几乎不存在的重力中，接着又出现了一些令人迷惑的不祥画面。“菲莱”看起来是要侧面着陆，却与目标着陆点相差甚远，在悬崖的阴影中。

 

彗星是尘埃、冰和有机分子组成的烧结块，其自身不包含岩石。不过，“菲莱”被困在一个坚硬的地方，旁边的什么东西看起来很像岩石。由于缺乏足够的阳光给 电池蓄能，着陆器只留有57小时收集数据的时间。为“菲莱”设置的人性化的推特账号描述了它最后的时光，语气略显低沉：

 

“我觉得有点累了，我的数据你们都收到了吗？我得去打个盹。”

 

无论“菲莱”究竟发回什么数据，这些数据的意义都非同寻常，不仅仅因为67P是“菲莱”探索的地球之外的第7个星球（金星、火星、月球、土星的卫星泰坦，以及另外两颗小行星），还因为其着陆的象征意义。任务管理者们认为，所有80%的科学回报会来自于“菲莱”的母船——“罗塞塔”，它曾于8月份到达彗星，并开始绕轨道运行，其范围约在10公里。正是由于更广泛的成就，以及它所发回的海量信息，《科学》杂志将它列入2014年度科学突破的榜首。

 

这项耗资14亿欧元的彗星研究任务是欧洲航天局的一件大事。2004年任务启动之后，飞行工程师们将“罗塞塔”投入到一个既定轨道，在火星和地球重力的助推下，它将渐渐与彗星椭圆形轨道达成一致。当“罗塞塔”追上67P，彗星仍然处在远离太阳的寒冷中。随着它朝着阳光的方向前进，它地下的积冰层开始升华，释放出气体和尘埃。峰值活动应该出现在2015年8月的近日点，当时彗星正好在太阳和火星之间的正中。通过观察飞行器的变化，科学家们可以了解每次彗星接近太阳时，它们发生的改变。同时，通过减去那些流程，他们可以逆转时光，去理解45亿年前彗星是如何形成的。

 

“罗塞塔”轨道飞行器不仅仅用来看，它还能闻。其携带的离子和中性分析波谱测定仪旨在将其波谱测定仪用于67P被称作“慧形像差”的大气薄晕中的气体分子。除了检测事先预期的如水、 甲烷和氢气等在内的气体以外，它开始发现了一些稀有物种，包括甲醛和氰化氢。了解彗星原始的成分非常重要，因为很多科学家认为，由于水和有机分子的融合，彗星推动了地球上的早期生命。

 

“罗塞塔”到目前为止最重要的任务结果，登载在12月10日《科学》杂志网络版上，研究人员在高比例的重氢（氘）中发现了普通氢。由于这种D-to-H（氘到氢）的比率比在地球上水的比例高，他们提出，像67P这样的彗星并没有在将水运送到地球的过程中起到主要作用。

 

“罗塞塔”任务获得了此次《科学》杂志评出的2014年度十大科学突破的冠军，以下九项共同登上亚军榜的研究，涵盖了生命科学、空间科学、人工智能以及人类考古学等诸多领域。

 

●懂合作的“机器人”

 

■姚人杰 编译

 

机器人在与人类合作方面一直都表现得越来越出色，然而今年有好几支团队的研究表明，机器彼此之间也能合作，无需人类的监督。研究者们开发出了新的软件，这些拥有交互能力的机器人能够合作完成基本的工作。

 

迄今为止，所有懂得合作的机器人都依赖那些关于周围环境和其他个体的相对简陋、局部的信息，但机器人和传感器都在迅速地改良。毫无疑问，未来会出现越来越多更加让人惊叹的、懂得合作的机器人。

 

●鸟类的诞生

 

今年，进化生物学家推断出了从恐龙变成鸟类的这一惊人进化转变的模式及速度。

 

他们的分析使得近20年的化石发掘（主要是在中国）取得满意的结果。那些发掘显示，远在第一种鸟类出现之前，恐龙之中就多次出现过像鸟一样的新变化，尤其是羽毛。羽毛看起来不只是为了飞行，也是为了皮肤隔离、魅力展示，也可能是为了维持平衡。

 

在2014年，好几支团队汇集和分析了众多恐龙和早期鸟类的化石，以及现存鸟类的数据，以便察看其他的鸟类特征有没有在恐龙身上出现过。有一项研究比较 了150个物种中的850项形态特征；另一项研究测量了426个物种的腿骨厚度。这些研究发现，最终不断演变为鸟类的那些恐龙随着时间流逝，拥有更小、更纤细的骨骼。

 

一旦鸟类身体的轮廓成形后，新的鸟类物种出现得相当迅速，大概是因为它们有着更小的体型，使得它们能够找到某些食物和掩蔽处，而这是那些体型更大的远亲所无法办到的。

 

●让人年轻的血浆

 

2014年，在对于衰老有着深远含义的研究工作中，来自年轻老鼠的血液或血液成分能让年迈老鼠的肌肉与大脑恢复活力这一研究十分瞩目。

 

一支研究团队研究了一种从年轻老鼠血液里分离出的名叫GDF11的因子，它能提高年迈老鼠的肌肉力量与耐力，促进大脑神经元生长。另一支研究团队报告指出，年轻的血液——甚至是不含血细胞的血浆——都能提高年迈老鼠的空间记忆。

 

现在，在首次临床试验中，18名中老年阿尔兹海默症患者正在接受注射由年轻成年人捐献的血浆。等到明年的这个时候，我们也许能知道年轻血液是否能抗击阿尔兹海默症——人类最为恐惧的衰老疾病之一。

 

●可能治愈糖尿病的细胞

 

自从发现了人类胚胎干细胞起，研究者就希望利用胚胎干细胞对抗疾病。这一探索缓慢得令人气馁。比如说，在十多年的时间里，全球的众多实验室都在试图把胚 胎干细胞转变成胰腺β细胞。β细胞会对上升的血糖做出反应，制造出胰岛素。而胰岛素是一种激素，允许细胞占用并使用葡萄糖。有一种自体免疫攻击会杀灭β细 胞，导致Ⅰ型糖尿病；用实验室里生长的β细胞加以替换，也许能提供某种治疗方法。

 

2014年，研究者比以前更靠近这一目标。两支研究团队发表 了生长出近似人类β细胞的细胞的方法。一种途径对于胚胎干细胞及所谓的诱导性多功能干细胞——这种经过重编程的细胞可以由患者的皮肤细胞制备——都奏效。 具体方法十分复杂，需要花费7周时间才能把干细胞转变成能制造胰岛素的细胞。但研究者能在500毫升的烧瓶里生长出2亿个近似β细胞的细胞——理论上，这种量足以治好一名病人。另一种方法要花费6周时间，开始的每两个胚胎干细胞能生成出一个近似β细胞的细胞。

 

要使用这些细胞治好Ⅰ型糖尿病，研究者首先需要研发出保护它们免受自体免疫攻击的方法，正是那种攻击杀灭了β细胞。

 

●能模仿大脑的芯片

 

或许，冯·诺依曼终于遇到了匹敌的对手。将近70年之前，这位匈牙利出生的博学者草拟出了现代计算机的基本设计，有着分离的处理、存储与控制单元。然而 在今年，IBM及其他公司的计算机工程师推出了一种极有前途的替代方案——第一种大尺寸“神经形态”芯片，设计意图是以更近似生物大脑的方式来处理信息。

 

我们的大脑中，单个的神经元通过化学信号与数以千计的毗邻神经元进行联络，使得大脑能够平行处理海量信息。

 

未来，类似大脑的处理器将能够让机器视觉和环境监控等领域大为改观，从环绕全球的传感器中获得实时数据，再加以整合。

 

●最古老的石洞艺术

 

印度尼西亚苏拉威西岛上马罗斯洞穴内一直被认为是大约1万年前的史前壁画，现在被证实年代要久远得多。

 

科学家获得的新数据终结了欧洲在人类早期符号艺术上的垄断地位。通过测量壁画上铀元素的放射性衰变，澳大利亚和印度尼西亚的研究者发现，最古老的手形图 案至少有近4万年之久，而动物图案起码有3.5万年的历史。假如这些数字准确的话，就间接表明现代人在大约6万年前离开非洲，散布至全球时，早已是聪慧的 艺术家了。

 

●操纵记忆

 

光遗传学是一种强大的技术，通过用激光光束照射动物的大脑，触发神经细胞。在一系列实验中，研究者显示了他们能删除现存的记忆，也能“植入”错误的记忆。

 

今年，研究者更进一步：他们将老鼠记忆中的情绪内容从坏变成好，也能从好变成坏。比如说，在激光下，一只曾经将某间房子与受到电击联系起来的公鼠受到操纵，表现得好像曾经在那间房子里遇见过友善的母鼠似的。

 

这些实验中的老鼠是真的体验了逼真的错误记忆，抑或只是朦胧地感知到喜悦或恐惧，这点尚不清楚。这些发现是否能用来欺诈人类熟知的记忆？这点同样不清 楚。长久以来寻求的临床治疗方面的进展——譬如创伤后应激障碍患者的治疗——仍然可能遥遥无期。然而，有一项是能确定的：一旦在科学剖析之外考虑记忆，记 忆终于开始吐露它的秘密。

 

●扩增遗传字母表

 

全球的研究者早已设计好几对“非天然”的核苷酸碱基，力求在实验试管里，这些新碱基能容身于DNA的双螺旋结构。他们也设法让DNA的复印机——一种名叫DNA聚合酶的酶——复制一些这类新的碱基对，最新的努力是让这些事在生物体中发生。

 

目前，大肠杆菌DNA内的新遗传字母没有任何含义，但原则上来说，研究者能够使用它们来创造出新设计的蛋白质，其中包含“非天然”的构建模块：正常 DNA中的碱基编码而成的20种氨基酸之外的氨基酸。研究者此前已经用遗传学手段对天然DNA进行了那种操作。今年，合成生物学家同样也在努力裁剪 DNA，改动它的化学性质，试图创造出全新的催化剂。

 

最终，扩大后的遗传密码也能为一项更富学术性的追求服务，使得研究者能够测试那些配备上 额外遗传字母的细菌是否会演变出新奇的能力，在它们的野生近亲上找不到的能力。研究者说：因为“非天然”的DNA字母在实验室之外并不存在，任何逃出实验 室的细菌都会无法复制它们那人为扩大的遗传指令，也就无法把它们传递给后代。

 

●立方体卫星兴起

 

10年前，立方体卫星仅仅 是教学工具，是大学生把一台简单的人造卫星发射进太空的方式。如今这些10厘米宽的盒子已经腾空起飞，它们用现成的技术建造，花费数10万美元，而不是数 亿美元。今年已发射了75台立方体卫星，创了记录。不仅如此，这些小盒子开始执行真正的科学任务。

 

立方体卫星能够搭乘商业机构或政府的那些运载更大型航天器火箭的便车，或者它们能够从国际太空站的舱门推入太空。这种速射式的发射速度鼓励了一些以前在太空领域从未见到过的做法：冒险。设计师能容忍一两次失败，并迅速恢复元气，继续发射卫星。

 

私人资金已经注意到这些卫星，资助“星球实验室”（Planet Labs）这类公司。那家公司用众多不断更换的立方体卫星来监测地球。它们的小型望远镜拍摄到的相片有着相对较差的空间分辨率——几米——但时间间隔较 短。间谍机构也许不会心动，但“星球实验室”的数据对于监测森林消失、都市开发与河流改变已经足够有用。

 

接下来会出现什么：立方体卫星能一边测量，一边彼此联络。尤其在于，这样的立方体卫星群将会能够覆盖更广的区域，速度也更快，或者同时以多种波长监测地球表面。

 

评选花絮

 

《科学》杂志网站的访问者对他们心目中2014年的最佳科学突破进行了投票，结果是：扩展基因密码34%；年轻人血液救助老人32%；彗星集结17%；治疗糖尿病的细胞11%；C型肝炎的简单疗法6%。

 

自1996年开始，《科学》杂志的作者和编辑们通过会议、修改排名，甚至是在办公室厨房设置意见箱的方式征集当年的科学突破。今年，他们决定请公众给一 个说法。11月，他们在网站www.sciencemag.org上贴出了19个突破的“长名单”作为候选对象，在接下来两周里请登录网站的网友们选择。 12月，他们选取了入围的前5位，并将它们再次公示，参加第二轮为期一周的投票。

 

罗塞塔号彗星任务，在投票开始初期正成为全球各大版面的头条，第一轮投票结束遥遥领先，将24947份投票中的16%收入囊中。排在第二的是“年轻血液救助老人”，投票率11%；“治疗糖尿病的细胞”占10%。

 

第二轮投票中，事情变得有趣起来。“年轻血液”转为领先，看起来十拿九稳。但最后关头，“基因密码”拉着小老鼠们一路反超。这两个结果在投票的最后环节不分上下，但基因密码还是拔得头筹，险胜。“罗塞塔”任务仅排第三，最终《科学》还是选择“罗塞塔”任务为头号突破。