【導讀】美國《科學(xué)》雜志于2014年12月18日公布了其評出的2014年十大科學(xué)突破，這是對全球科學(xué)研究每年一度的年終盤(pán)點(diǎn)，每條突破均附有科學(xué)雜志編輯的精彩點(diǎn)評。人造探測器首次登陸彗星被選為本年度最重要的科學(xué)突破，此外，埃博拉疫情則被《科學(xué)》雜志評為“年度崩潰事件”。小編將帶領(lǐng)大家一同回顧。
羅塞塔任務(wù)：菲萊登陸彗星
彗星67P/“楚留莫夫－格拉希門(mén)克”開(kāi)始噴射水汽，與地球上海洋中的水不同
經(jīng)過(guò)多年的計劃和十年的飛行，歐洲航天局（ESA）發(fā)射的羅塞塔號飛船終于抵達了67P/“楚留莫夫－格拉希門(mén)克”彗星，調查了著(zhù)陸地點(diǎn)，分離其菲萊號探測器，成功實(shí)施了有史以來(lái)首次在一顆彗星表面進(jìn)行的軟著(zhù)陸。
為了透視羅塞塔號飛船飛抵彗星67P的64億千米的旅程耗費了多長(cháng)時(shí)間，我們來(lái)比較一下，羅塞塔號10年前由法屬圭亞那的阿里亞娜5號火箭發(fā)射的時(shí)間比Facebook的上線(xiàn)晚了一個(gè)月，但比iPhone1的上市早三年。當菲萊號探測器下降到彗星表面，隨后在微重力下被彈開(kāi)，最終在不是很理想的地點(diǎn)著(zhù)陸，為其太陽(yáng)能電板充電的時(shí)候，全世界都屏住了呼吸。盡管讓人失望的是最初設計的把著(zhù)陸器停泊在彗星上的工具沒(méi)有發(fā)揮預期功能，但是這項探測任務(wù)即使不能完成全部目標，仍然很可能完成幾乎所有目標，為科學(xué)家研究彗星如何對太陽(yáng)系的形成做出貢獻，提供重要的新信息。最近，我們得知彗星67P上的水的同位素比例與地球上發(fā)現的不同，這就排除了來(lái)自柯伊伯帶的彗星（柯伊伯帶是冥王星外的一個(gè)區域）曾為地球輸送水的可能性。由于這個(gè)歷史性的第一次彗星著(zhù)陸，我們很高興把羅塞塔號探測任務(wù)選為《科學(xué)》雜志2014年度重大科學(xué)突破。
——瑪西婭•麥克納特（Marcia McNutt）
懂合作的“機器人”不需要上司
能夠機動(dòng)調整隊形的小型碟片狀機器人僅僅是今年在自組織機器領(lǐng)域獲得的進(jìn)展的一項例子
機器人在與人類(lèi)合作方面一直都表現得越來(lái)越出色，然而今年有好幾支團隊的研究表明，機器彼此之間也能合作，無(wú)需人類(lèi)的監督。機器人學(xué)家一度還絞盡腦汁要改善機器人個(gè)體感知周?chē)h(huán)境、對新的情況作出反應的能力，那時(shí)候，讓一隊隊機器人各自執行任務(wù)似乎看起來(lái)還不到時(shí)候�？墒窃跀的甑呐�，研究者們開(kāi)發(fā)出了新的軟件，這些擁有交互能力的機器人能夠合作完成基本的工作。
在其中一項研究中，一千個(gè)大小如同25美分硬幣的機器人會(huì )像儀樂(lè )隊一樣聚在一起，構成方塊、字母和其他平面隊形。單單機器人的規模就要求使用廉價(jià)、易于運轉的機器人，并且要能夠高效地感知其他機器人的所在位置。在另一個(gè)研究項目中，10架四軸無(wú)人機用無(wú)線(xiàn)電向其他無(wú)人機發(fā)送自己的所在位置，調整路線(xiàn)，避免相撞，并成隊形飛行，從而創(chuàng )造出會(huì )旋轉的圓圈隊形。第三組機器人則是從白蟻身上獲得靈感，會(huì )按照編制的指令程序，合作建造簡(jiǎn)單的結構，它們會(huì )感知進(jìn)度，再推斷下一步需要做什么。在另一項實(shí)驗中，一支機器人船隊執行了相對復雜的團體機動(dòng)動(dòng)作，雖然這是在一臺使用特殊的攝像系統追蹤船只位置的中央計算機的指揮下實(shí)現的。
迄今為止，所有懂得合作的機器人都依賴(lài)那些關(guān)于周?chē)h(huán)境和其他個(gè)體的相對簡(jiǎn)陋、局部的信息，但機器人和傳感器都在迅速地改良。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)會(huì )出現越來(lái)越多更加讓人驚嘆的、懂得合作的機器人。
——伊麗莎白•彭尼西（Elizabeth Pennisi）
鳥(niǎo)類(lèi)的誕生
甚至在恐龍之中，羽毛也是普遍可見(jiàn)的，譬如說(shuō)古林達羽龍，它們與鳥(niǎo)類(lèi)并沒(méi)有親近的關(guān)系
雷克斯暴龍的那些走起路來(lái)隆隆作響的遠親要變成姿態(tài)靈活的蜂鳥(niǎo)和體態(tài)優(yōu)雅的天鵝，可要費很大的力氣。今年，進(jìn)化生物學(xué)家推斷出了從恐龍變成鳥(niǎo)類(lèi)的這一驚人的進(jìn)化轉變的模式以及速度。
他們的分析使得近20年的化石發(fā)掘（主要是在中國）取得滿(mǎn)意的結果。那些發(fā)掘顯示，遠在第一種鳥(niǎo)類(lèi)出現之前，恐龍之中就多次出現過(guò)像鳥(niǎo)一樣的新變化，尤其是羽毛。羽毛看起來(lái)不只是為了飛行，也是為了皮膚隔離、魅力展示，也可能是為了維持平衡。
在2014年，好幾支團隊*匯集和分析了眾多恐龍和早期鳥(niǎo)類(lèi)的化石、以及現存鳥(niǎo)類(lèi)的數據，以便察看其他的鳥(niǎo)類(lèi)特征有沒(méi)有在恐龍身上出現過(guò)。有一項研究比較了150個(gè)物種中的850項形態(tài)特征；另一項研究測量了426個(gè)物種的腿骨厚度。這些研究發(fā)現，最終不斷演變?yōu)轼B(niǎo)類(lèi)的那些恐龍隨著(zhù)時(shí)間流逝，擁有更小、更纖細的骨骼。
一旦鳥(niǎo)類(lèi)身體的輪廓成形后，新的鳥(niǎo)類(lèi)物種出現得相當迅速，大概是因為它們有著(zhù)更小的體型，使得它們能夠找到某些食物和掩蔽處，而這是那些體型更大的遠親所無(wú)法辦到的。鳥(niǎo)類(lèi)騰空而起，然而是它們的恐龍祖先給予了良好的開(kāi)端。
——伊麗莎白•彭尼西（Elizabeth Pennisi）
* 中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所徐星和周忠和研究員等2014年12月在《科學(xué)》發(fā)表有關(guān)鳥(niǎo)類(lèi)起源研究的綜述文章，對這一熱點(diǎn)研究領(lǐng)域近年來(lái)取得的重要進(jìn)展進(jìn)行了全面總結，指出恐龍向鳥(niǎo)類(lèi)的轉化已成為論證最詳實(shí)的主要演化事件之一。
讓人年輕的血漿是真的？
當年邁老鼠的循環(huán)系統與年輕老鼠的循環(huán)系統連結在一起時(shí)，年邁老鼠又健壯地成長(cháng)了，具體原因尚不清楚
今年，在對于衰老有著(zhù)深遠含義的研究工作中，研究者表明，來(lái)自年輕老鼠的血液或血液成分能讓年邁老鼠的肌肉與大腦恢復活力。假如這一研究結果對人類(lèi)也有效——這個(gè)想法已經(jīng)在測試之中——那么年輕血液里的某些因子能夠提供抗衰老劑，人類(lèi)早在胡安•龐塞•德萊昂探尋“青春之泉”的時(shí)候起，就在尋找這樣的抗衰老劑。
這些研究發(fā)現來(lái)自于一些聽(tīng)起來(lái)怪異至極、能追溯到150年前的實(shí)驗，當時(shí)的研究者將兩只老鼠的皮膚縫合在一起，以便讓它們的循環(huán)系統連結在一起。到了21世紀早期，為了研究干細胞，這一方法得到復興。研究者發(fā)現，當他們把年輕老鼠與年邁老鼠的循環(huán)系統連結在一起時(shí)，年邁老鼠體內的肌肉干細胞能更好地再生肌肉。
2014年發(fā)表的研究工作加強了證據，表明年輕血液里的某些東西能逆轉多項衰老跡象。一支研究團隊研究了一種從年輕老鼠血液里分離出的名叫GDF11的因子，早已有研究表明這種因子能夠讓心臟恢復活力。他們發(fā)現GDF11也能提高年邁老鼠的肌肉力量與耐力，促進(jìn)大腦神經(jīng)元生長(cháng)。另一支研究團隊報告指出，年輕的血液——甚至是不含血細胞的血漿——都能提高年邁老鼠的空間記憶。
現在，在首次臨床試驗中，18名中老年阿爾茲海默氏癥患者正在接受注射由年輕成年人捐獻的血漿。等到明年的這個(gè)時(shí)候，我們也許能知道年輕血液是否能抗擊阿爾茲海默氏癥——人類(lèi)最為恐懼的衰老疾病之一。
——喬斯琳•凱澤（Jocelyn Kaiser）
能模仿大腦的芯片
從大腦細胞網(wǎng)絡(luò )中獲得靈感的“神經(jīng)形態(tài)”芯片也許能在視覺(jué)之類(lèi)的數據密集型任務(wù)上有優(yōu)越的表現
或許，約翰•馮•諾依曼終于遇到了匹敵的對手。將近70年之前，這位匈牙利出生的博學(xué)者草擬出了現代計算機的基本設計，有著(zhù)分離的處理、存儲與控制單元。然而在今年，IBM及其他公司的計算機工程師推出了一種極有前途的替代方案：第一種大尺寸“神經(jīng)形態(tài)”芯片，設計意圖是以更近似生物大腦的方式來(lái)處理信息。
基于馮•諾依曼提出的架構的芯片在執行成序列的邏輯運算方面（譬如電子制表和文字處理程序背后的運算）表現優(yōu)異。但是碰到那些合并了巨量數據的任務(wù)（譬如視覺(jué)）時(shí)，它們就舉步維艱了。
我們的大腦以一種迥然不同的方式運轉。單個(gè)的神經(jīng)元通過(guò)化學(xué)信號與數以千計的毗鄰神經(jīng)元進(jìn)行聯(lián)絡(luò )，使得大腦能夠平行處理海量信息。為了獲得更高的效率，不同的大腦區域也各有專(zhuān)長(cháng)。
大腦的這一網(wǎng)絡(luò )由一千億個(gè)細胞構成，彼此間通過(guò)一百萬(wàn)億個(gè)突觸連結，它能讓“神經(jīng)形態(tài)”芯片所能辦到的任何事都相形見(jiàn)絀。然而，IBM公司最新的“正北”（TrueNorth）芯片包含54億個(gè)晶體管和2.56億個(gè)“突觸”，而且IBM公司正在努力讓多個(gè)“正北”芯片平鋪連接在一起，從而建造出更加復雜的網(wǎng)絡(luò )。未來(lái)，類(lèi)似大腦的處理器將能夠讓機器視覺(jué)和環(huán)境監控等領(lǐng)域大為改觀(guān)，從環(huán)繞全球的傳感器中獲得實(shí)時(shí)數據，再加以整合。
——羅伯特•F.瑟維斯（Robert F. Service）
可能治愈糖尿病的細胞
實(shí)驗室制造出的人類(lèi)胰腺β細胞產(chǎn)生了足量的胰島素（綠色）在移植兩周后治好了一只患糖尿病的老鼠
自從發(fā)現了人類(lèi)胚胎干細胞起，研究者就希望利用胚胎干細胞對抗疾病。這一探索緩慢得令人氣餒。比如說(shuō)，在十多年的時(shí)間里，全球的眾多實(shí)驗室都在試圖把胚胎干細胞轉變成胰腺β細胞。β細胞會(huì )對上升的血糖做出反應，制造出胰島素。而胰島素是一種激素，允許細胞占用并使用葡萄糖。有一種自體免疫攻擊會(huì )殺滅β細胞，導致Ⅰ型糖尿��；用實(shí)驗室里生長(cháng)的β細胞加以替換，也許能提供一種治療方法。
今年，研究者比以前更靠近那一目標。兩支研究團隊發(fā)表了生長(cháng)出近似人類(lèi)β細胞的方法。一種途徑對于胚胎干細胞及所謂的誘導性多功能干細胞——這種經(jīng)過(guò)重編程的細胞可以由患者的皮膚細胞制備——都奏效。具體方法十分復雜，需要花費七周時(shí)間才能把干細胞轉變成能制造胰島素的細胞。但研究者能在500毫升的燒瓶里生長(cháng)出兩億個(gè)近似β細胞的細胞——理論上，這種量足以治好一名病人。另一種方法要花費六周時(shí)間，開(kāi)始的每?jì)蓚�(gè)胚胎干細胞能生成出一個(gè)近似β細胞的細胞。
要使用這些細胞治Ⅰ型糖尿病，研究者首先需要研發(fā)出保護它們免受自體免疫攻擊的方法，正是那種攻擊殺滅了β細胞。同時(shí)，這些按照具體要求生長(cháng)的細胞給予了科學(xué)家一次前所未有的、在實(shí)驗室里研究糖尿病的機遇。研究者早已著(zhù)手比較那些從健康的實(shí)驗對象的皮膚細胞制備出的β細胞和那些從糖尿病患者的皮膚細胞制備出的β細胞，希望能確定二者之間關(guān)鍵性的差別。
——格蕾琴•沃格爾（Gretchen Vogel）
歐洲的石洞藝術(shù)有了競爭對手
至少四萬(wàn)年前，人類(lèi)早期藝術(shù)家將紅色的顏料吹在雙手上，在蘇拉威西島上創(chuàng )造出這幅石洞藝術(shù)
數十年來(lái)，游客們驚嘆于印度尼西亞蘇拉威西島上的馬羅斯洞穴內的史前壁畫(huà)：用嘴巴為雙手吹上紅色顏料，印出手形圖案，再夾雜上紅色和深紫色繪出的罕見(jiàn)“豬鹿”圖案。今年，這些壁畫(huà)引發(fā)了更多驚嘆聲�？茖W(xué)家發(fā)現這些本以為是大約一萬(wàn)年前的壁畫(huà)實(shí)際上年紀要翻上兩番——起碼與歐洲那處著(zhù)名的石洞藝術(shù)一樣古老。
這一發(fā)現能夠重寫(xiě)人類(lèi)心智發(fā)展中的一段關(guān)鍵階段的歷史。非洲人早在78000年前就在赤鐵礦石塊和鴕鳥(niǎo)蛋蛋殼上刻下幾何圖形。然而在歐洲，符號藝術(shù)最早似乎到35000至39000年前才繁榮發(fā)展，那兒的藝術(shù)家描繪栩栩如生的犀牛、馬匹、獅子和女性圖案，最為著(zhù)名的就是法國的肖維巖洞壁畫(huà)。某些考古學(xué)家主張，歐洲的創(chuàng )造性爆炸反映出人類(lèi)能力的新飛躍，但其他學(xué)者認為，符號表達的能力早已在非洲獲得發(fā)展，早在現代人離開(kāi)非洲大陸，在全球生根發(fā)芽之前。
在印度尼西亞獲得的新數據終結了歐洲在人類(lèi)早期符號藝術(shù)上的壟斷地位。通過(guò)測量壁畫(huà)上形成的類(lèi)似鐘乳石的小型增生物中鈾元素的放射性衰變，澳大利亞和印度尼西亞的研究者發(fā)現，最古老的手形圖案至少有39900年之久，而動(dòng)物圖案起碼有35400年的歷史。假如這些數字準確的話(huà)，也就間接表明印度尼西亞的人類(lèi)獨立創(chuàng )造出了符號藝術(shù)，時(shí)間與歐洲巖洞的繪畫(huà)者們一樣早——或者說(shuō)，現代人在大約六萬(wàn)年前離開(kāi)非洲，散布至全球時(shí)，早已是聰慧的藝術(shù)家了。
——安•吉本斯（Ann Gibbons）
操縱記憶
通過(guò)用光照射老鼠的大腦細胞，研究者能夠創(chuàng )造、擦除或改動(dòng)老鼠的記憶
記憶有著(zhù)易于改變的惡名聲。我們的記憶會(huì )褪色，也會(huì )獲取新的含義；有些時(shí)候，我們記住了從未發(fā)生過(guò)的事情。然而，當記憶遭到改變時(shí)，我們的大腦里發(fā)生了什么事，這點(diǎn)仍然是個(gè)謎團。
然而，近來(lái)科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始領(lǐng)會(huì )和修補記憶的物理基礎。去年，在一項會(huì )讓人聯(lián)想到《美麗心靈的永恒陽(yáng)光》和《盜夢(mèng)空間》之類(lèi)電影的研究工作中，研究者發(fā)現了運用光遺傳學(xué)操縱老鼠的特定記憶的途徑。光遺傳學(xué)是一種強大的技術(shù)，通過(guò)用激光光束照射動(dòng)物的大腦，觸發(fā)神經(jīng)細胞。在一系列實(shí)驗中，研究者顯示了他們能刪除現存的記憶，也能“植入”錯誤的記憶。
今年，研究者更進(jìn)一步：他們將老鼠記憶中的情緒內容從壞變成好，也能從好變成壞。比如說(shuō)，在激光下，一只曾經(jīng)將某間房子與受到電擊聯(lián)系起來(lái)的公鼠受到操縱，表現得好像曾經(jīng)在那間房子里遇見(jiàn)過(guò)友善的母鼠似的。
這些實(shí)驗中的老鼠是真的體驗了逼真的錯誤記憶，還只是朦朧地感知到喜悅或恐懼？這點(diǎn)尚不清楚。這些發(fā)現是否能應用來(lái)欺詐人類(lèi)熟知的記憶？這點(diǎn)同樣不清楚。長(cháng)久以來(lái)尋求的臨床治療方面的進(jìn)展——譬如創(chuàng )傷后壓力心理障礙癥患者的治療——仍然可能遙遙無(wú)期。然而，有一項是能確定的：一旦在科學(xué)剖析之外考慮記憶，記憶終于開(kāi)始吐露它的秘密。
——艾米莉•安德伍德（Emily Underwood）
給予生命一張更大的遺傳字母表
加利福尼亞州南部的一家實(shí)驗室的研究者設計了特別的大腸桿菌將兩個(gè)額外的遺傳字母加入了它們的遺傳字母表：X與Y
全球的研究者早已在設計好幾對“非天然”的核苷酸堿基，力求在實(shí)驗試管里，這些新堿基能容身于DNA的雙螺旋結構。他們也設法讓DNA的復印機——一種名叫DNA聚合酶的酶——復制一些這類(lèi)新的堿基對，但從來(lái)沒(méi)人讓這些事在生物體中發(fā)生過(guò)——直至今年。
目前，大腸桿菌DNA內的新遺傳字母沒(méi)有任何含義，但原則上來(lái)說(shuō)，研究者能夠使用它們來(lái)創(chuàng )造出新設計的蛋白質(zhì)，其中包含“非天然”的構建模塊：正常DNA中的堿基編碼而成的20種氨基酸之外的氨基酸。研究者此前已經(jīng)用遺傳學(xué)花招對天然DNA進(jìn)行了那種操作。但添加全新的X-Y堿基對應該會(huì )讓這個(gè)過(guò)程大為容易。對于藥品和材料制造者來(lái)說(shuō)，那可能是飛來(lái)鴻運�；蛟S不單單這一項而已：今年，合成生物學(xué)家同樣也在努力裁剪DNA，改動(dòng)它的化學(xué)性質(zhì)，創(chuàng )造出全新的催化劑。
最終，擴大后的遺傳密碼也能為一項更富學(xué)術(shù)性的追求服務(wù)，使得研究者能夠測試那些配備上額外遺傳字母的細菌是否會(huì )演變出新奇的能力，在它們的野生近親上找不到的能力。那也許聽(tīng)上去像是一部反烏托邦高科技驚險小說(shuō)的情節概要，但研究者說(shuō)了無(wú)需擔心：因為“非天然”的DNA字母在實(shí)驗室之外并不存在，任何逃出實(shí)驗室的細菌都會(huì )無(wú)法復制它們那人為擴大的遺傳指令，也就無(wú)法把它們傳遞給后代。
——羅伯特•F.瑟維斯（Robert F. Service）
立方體衛星興起
國際空間站上的一臺衛星部署設備發(fā)射兩臺執行地球觀(guān)測任務(wù)的立方體衛星（黑色長(cháng)方形物體）
十年前，立方體衛星僅僅是教育工具，是大學(xué)生把一臺簡(jiǎn)單的人造衛星發(fā)射進(jìn)太空的方式。如今這些10厘米寬的盒子已經(jīng)騰空起飛，它們用現成的技術(shù)建造，花費數十萬(wàn)美元，而不是數億美元。今年已發(fā)射了75臺立方體衛星，創(chuàng )了記錄。不僅如此，這些小盒子開(kāi)始執行真正的科學(xué)任務(wù)。
這種繁榮，大部分是由不斷增長(cháng)、經(jīng)濟上能夠負擔的進(jìn)入太空的方式驅動(dòng)的。立方體衛星能夠搭乘商業(yè)機構或政府的那些運載更大型航天器的火箭的便車(chē)，或者，它們能夠從國際太空站的艙門(mén)推入太空。這種速射式的發(fā)射速度鼓勵了一些以前在太空領(lǐng)域從未見(jiàn)到過(guò)的做法：冒險。設計師能容忍一兩次失敗，并迅速恢復元氣，繼續發(fā)射衛星。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，立方體衛星也能更換上更好的太陽(yáng)能板、電池或處理器。
私人資金已經(jīng)注意到這些衛星，資助“星球實(shí)驗室”（Planet Labs）這類(lèi)公司。那家公司用眾多不斷更換的立方體衛星來(lái)監測地球。它們的小型望遠鏡拍攝到的相片有著(zhù)相對較差的空間分辨率——幾米——但時(shí)間間隔較短。間諜機構也許不會(huì )心動(dòng)，但“星球實(shí)驗室”的數據對于監測森林消失、都市開(kāi)發(fā)與河流改變已經(jīng)足夠有用。
接下來(lái)會(huì )出現什么：立方體衛星能一邊測量，一邊彼此聯(lián)絡(luò )。尤其在于，這樣的立方體衛星群將會(huì )能夠覆蓋更廣的區域，速度也更快，或者同時(shí)以多種波長(cháng)監測地球表面。假如立方體衛星能奏效，它們會(huì )證明不僅小是美的，而且整體比部件的總和更加了不起。
——埃瑞克•韓德（Eric Hand）
（文檔及圖片來(lái)源：世界科學(xué)，譯者：姚人杰。轉載時(shí)略有刪減。）聲明：本文轉載僅僅出于傳播信息需要，并不代表本刊觀(guān)點(diǎn)，亦無(wú)法證實(shí)其內容真實(shí)性；如其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本刊轉載使用，須保留本刊注明的“來(lái)源”，并自負版權等法律責任；作者如不希望被轉載，或聯(lián)系轉載稿費等事宜，請與我們接洽。
