透视2018年十大热点科学事件

2018年，从细胞图谱的发展到人类登上月球背面的探索，从塑料垃圾、空气污染到气候变化的崩盘，从最古老生物和混血儿的发现到新型零电阻材料的开发，科学在人类生活中一如既往地扮演着无可替代的角色。

南方周末特约撰稿 祝叶华

气候变化加剧，多米诺骨牌效应凸显

2018年是气候变化击中要害的一年。受气候影响的灾害越来越严重，持续时间也越来越长。

从热浪到越来越严重的风暴、洪水和火灾，气候变化对人类的影响正在激增，并有可能压倒卫生系统。11月，《柳叶刀》（The Lancet）上发布的一项报告中称，气候变化导致了持续的升温和更恶劣的天气，这使其成为“21世纪最大的全球健康威胁”。报告称，2017年全球暴露在热浪中的人数比2000年增加了1.57亿；气候变暖正在扩大蚊子传播疾病的潜在范围；高温环境也可能使一些致病微生物对抗生素产生更大的耐药性；大气中不断上升的CO2水平正在减少谷类作物的营养成分，甚至对于那些有足够食物的人来说，营养不良的风险也在上升。

在过去20年里，已经有数亿人受到气候变化的影响。2018年几项记录将继续被打破：世界海洋的整体温度是有记录以来最高的；海平面比20世纪90年代高出8cm，且上升速度还在加快；全球温室气体排放量再次创下历史新高，气候变化可能或正在引发毁灭人类的多米诺骨牌效应。

从一到无穷，绘制细胞发展谱图

通过结合多种技术，生物学家逐渐可在单细胞尺度上揭示各个基因何时启动并诱导细胞分化，并进而揭示一个细胞如何发育成拥有多个器官和数十亿细胞的成年动物的秘密。2018年，单细胞水平细胞谱系追踪技术又有了新的突破。

推动这些进步的是将数千个完整的细胞从生物体中分离出来的技术；获得各个细胞的基因表达情况的测序技术；以及最终利用计算机标记细胞，重建这些细胞的时间与空间关系的技术，这3项技术可以详细地为人类呈现生物体和器官的发育过程。2018年，研究人员更是利用单细胞RNA-seq的技术组合对脊椎动物胚胎进行了更广泛的分析。

他们将在不同时间点采集的单细胞RNA-seq读数联系起来，揭示了决定这些更复杂生物体中形成的细胞类型的一系列基因的开启和关闭。多篇论文详细描述了扁虫、鱼、青蛙和其他生物是如何开始制造器官和附肢的。世界各地的研究小组正在应用这些技术来研究人类细胞在一生中是如何成熟的，组织是如何再生的，以及细胞在疾病中是如何变化的。

两层石墨烯叠成“魔角”，实现零电阻

具有超导电性的材料有很强的应用价值，它可以助力实现传输过程中能量的零损耗。不过，目前绝大多数超导体仅在接近绝对零度（-273℃）下工作，维持低温使超导体的应用成本显著提升。

2018年3月，《自然》（Nature）同时刊登两篇论文中提出，当环境温度为1.7K（-271℃）时，如果将两层石墨烯叠加在一起，且转角接近魔角（即1.1°），石墨烯就会表现出非常规的超导电性。扭曲的双层石墨烯会产生两种全新的电子态，即来源于电子之间的强排斥作用的Mott绝缘体态，以及来源于电子之间的强吸引作用而产生零电阻的超导态。当旋转角度到达魔角时，扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增项，从而产生非导电的Mott绝缘态。而当在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子时，就可以实现超导态。

在魔角扭曲的双层石墨烯中发现的新电子态，可以实现绝缘体到超导体的转变，打开非常规超导体研究的大门。

“嫦娥四号”月背软着陆，有望揭开月球背面神秘面纱

月球自转周期和公转周期相等，且由于“潮汐锁定”和地球引力的原因，导致月球总是一面朝向地球。同时因为用于通讯的无线电波会被月球本身阻挡，所以月球背面着陆的难度很大，因此此前人类从未涉足过该区域，月球背面也就成为了航天观测的盲区。

2018年12月8日凌晨2时23分，中国的“嫦娥四号”月球探测器在西昌卫星发射中心成功发射。经过近110小时的飞行，12月12日16时45分，嫦娥四号探测器到达月球附近并实施近月制动，成功进入了近月点约100公里的环月轨道。

月球背面拥有独一无二的探索价值。它能屏蔽人类活动产生的无线电干扰以及闪电、极光带来的无线电发射，因此被认为是开展低频射电天文观测的绝佳地点。同时，利用月球背面独特的无线电环境，可填补0.1～1MHz频段的空白，有望在太阳风激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性的成果。

此次“嫦娥四号”探测器着陆在月球背面后，将在月球上开展取样、天文观测、培育生物等在内的调查任务，同时也为人类揭开月球的背面的秘密。

古老的“混血儿”，妈妈是尼安德特人，爸爸是丹尼索瓦人

尼安德特人和丹尼索瓦人的基因至今还存在于亚洲人和欧洲人身上。此前的研究曾发现，尼安德特人和丹尼索瓦人存在过基因交流的痕迹，但从未发现过直接后代。2018年8月发表在《自然》（Nature）的研究，揭示了这两种古人类亲密接触的证据。

德国马普人类演化研究所的科研人员在一块死于9万年前的女性（研究人员为她取名丹妮）的骨头碎片中提取出的古代DNA中发现，丹妮的母亲是尼安德特人，父亲是丹尼索瓦人。

对骨头DNA进行测序后还发现，丹妮约40%的DNA片段与尼安德特人的DNA相匹配，且这部分基因组更接近在克罗地亚发现的尼安德特人的基因而不是更早居住在丹尼索瓦洞穴的尼安德特人的基因；丹妮另外40%的基因与丹尼索瓦人的DNA相匹配，同时发现，丹妮父亲的丹尼索瓦人基因组中有一半实际上有尼安德特人DNA的痕迹，这表明他在几百代以前也有尼安德特人的祖先。由此可以推断，东西欧亚大陆的尼安德特人约在距今12万年前，就有长距离迁徙和交流的历史。

空气污染比想象中更可怕，会让人折寿

空气污染是目前世界上最大的单一环境健康风险，科学家们仍在努力确定空气污染可能造成的破坏程度。

2018年8月，发表在《环境科学技术通讯》（Environmental Science & Technology Letters）上的一项研究中利用全球疾病负担研究的数据，测量了185个国家的PM2.5空气污染暴露及其后果，量化了空气污染对预期寿命的影响。结果显示，空气污染会使人的寿命平均缩短约1年，而在亚洲和非洲污染较严重的地区，寿命被缩短的时间更长，平均为1.5至2年。

11月，《空气质量寿命指数报告》中利用空气质量寿命指数量化了人类暴露于空气污染与降低预期寿命之间的因果关系。结果发现，空气污染正导致全球人均预期寿命下降1.8岁。空气污染较少的欧美地区，空气污染对预期寿命的影响为0.1年；而在空气污染更严重的印度和中国，影响大于2年。如果印度和中国能够将大气颗粒物浓度降到世界卫生组织空气质量指南中的健康水平，当地人的预期寿命分别增加4.3年和2.9年。将空气污染与人的寿命联系在一起发现，这种影响可能比之前认为的更大，而更好的空气质量可能会使世界范围内寿命的显著延长。

狄更逊水母的发现，刷新最古老动物记录

在6.35亿到5.42亿年前的埃迪卡拉纪，更大更复杂的埃迪卡拉生物群多细胞生物突然出现。这一时期动物的身体是完全柔软的，因此没有很好地被石化。这也是它们成为古生物学中最大谜团之一的原因。

在5.58亿年前，一种体长约5厘米，呈椭圆状，其中部有一条线，连接这条线的左右有对称的“肋骨”的生物死在了古海洋的海底并石化了。2018年9月，澳大利亚国立大学研究人员通过生物标记分析的方法，检测到这个古老生物中仍然留存有许多简单的分子，进一步分析后发现，该神秘生物是迄今为止发现的最古老的动物——狄更逊水母（Dickinsonia）。

狄更逊水母是一种标志性的椭圆形埃迪卡拉时期的生命形式，它曾被认为是一种真菌、一种巨大的单细胞原生生物或一种海洋动物。在此项研究中，科学家发现狄更逊水母与其周边沉积物（与微生物垫有关，其古老胆固醇含量为11%）相比，其化石中的古老胆固醇含量十分丰富，高达93%，此外，它们缺乏真菌中所特有的麦角类固醇水平。这些结果牢牢确立了狄更逊水母在动物王国中的地位。

塑料最终流向餐桌，人类粪便里检测出微塑料

全球每年生产的2.7亿吨塑料中，有800万吨会进入海洋，但这并不是终点。塑料进入生态系统的食物链中已是不争的事实。

2018年10月，维也纳医科大学研究人员公布了最新研究发现，他们在9个来自不同国家的志愿者的粪便中发现了微塑料的存在。目前动物研究中发现积累塑料浓度最高的部位是肠道，但更小的微塑料颗粒（尤其是纳米塑料颗粒）却被认为能够进入血液、淋巴系统，甚至可能到达肝脏。研究结果虽然还未经过同行评议，却引出了一个公众普遍关注的毒理学问题：微塑料会不会进入人类的肠道、血液以及其他器官中？

人类关于微塑料对海洋和淡水生物及生态系统影响的知识正在不断扩大，但我们对人体暴露水平、慢性毒性效应浓度以及微塑料诱发效应的潜在毒理学机制仍知之甚少，所以还无法精确评估微塑料对人体的危害。此项研究的研究人员希望他们的发现能加速推动微塑料对人体健康影响的研究。

同性也能生孩子，打破两性生殖界限

哺乳动物一般需要两性结合才繁衍后代。不过在2018年10月，中国科学家利用单倍体干细胞和基因编辑技术，突破了哺乳动物同性生殖障碍。

基因组印记决定了哺乳动物在繁衍后代时，雄性和雌性缺一不可。两只雌性小鼠如果想要繁衍后代，就要解决没有精子细胞核的问题。研究人员先将在小鼠体外培育的卵母细胞转变成“孤雌单倍体干细胞”，再利用基因编辑技术删除基因组的3个印记区域，使卵母细胞核状态接近精子细胞核状态，之后将被改造的细胞核植入另一个卵母细胞中，并诱导胚胎发育。这些双亲都是雌性的孤雌小鼠，健康地活到成年，并能正常繁衍后代。

而两只雄性小鼠繁衍子代不仅缺少卵母细胞核和细胞质，更缺少子宫。研究人员利用类似的手法得到了孤雄单倍体干细胞，然后删除7个关键的印迹区域，使精子细胞核状态转化成接近卵母细胞核的状态。而后将修改后的单倍体胚胎干细胞，与来自另一只雄性小鼠的精子一起植入已经移除细胞核的卵细胞中，并转移到代孕母鼠体内诱导发育。双亲都是雌性的孤雄性小鼠只成功存活了约48小时。

表观遗传学与细胞的发育有着密切的联系，这项研究为更好地了解哺乳动物生殖和发育的细节打下了基础。

遗传系谱学助力破案，恢恢法网，疏而不漏

20世纪70到80年代，美国加州的“金州杀手”犯下了滔天的罪过。2018年，在DNA技术的协助下，警方利用犯罪现场回收的DNA，通过公共家谱DNA数据库锁定了金州杀手的亲属，并最终将“金州杀手”缉捕归案。此后，警方利用这一策略破解了二十余起其他悬案，并开辟了一个新的领域：法医系谱学。

在“金州杀手”案件调查中，调查人员与系谱学家合作，将犯罪现场搜集的DNA制成一份个人信息，并上传至系谱学家共享的公开数据库GEDmatch，结果找到了凶手生活在19世纪初的曾曾曾祖父母。之后他们创建了约25个家谱，很快，他们就发现了可能是凶手第三代或第四代的表亲，并最终将“金州杀手”抓捕归案。

遗传学家表示，大约有60%拥有欧洲血统的美国人在数据库中有表亲或血缘关系更近的亲属匹配。一旦数据库拥有300万个用户资料，即使他们从未测过DNA，也可用类似的方法找到超过90%的白人。系谱学领域的很多人都知道这种方法可以破案，但关于这种方法是否侵犯隐私一直未有定论。