透視２００３重大科學進展

南方周末　 　記者　徐彬

　　儘管科學上的重大進展其價值有時候並不能立即顯現出來，科學共同體內部的一些成員也並不十分認真對待諸如此類的評選，但由美國《科學》雜誌評選出的十大科學進展依然如期公布，並被廣泛傳播。2003年的科學奧斯卡獎於12月18日揭曉，有關宇宙嬰兒期的精細圖像摘走了今年科學進展之最的桂冠。由美國匹茲堡大學斯克蘭頓領導的這一研究被認為是找到了暗能量存在的直接證據。它與今年湧現的其他觀測結果一起，終止了關於宇宙本質長達幾十年的爭論。

　　“今年優秀的工作非常多，這使我們的選擇更加困難。但我們最終把冠軍授予天文學，是因為再沒有比宇宙更大的東西了。”《科學》雜誌總編輯唐納德·肯尼迪說。他同時表示向另外9項屈居冠軍之後的優勝者表示敬意。與往年一樣，本報特別邀請幾位科學家來解讀其中幾項關鍵進展。

　　暗能量：主宰宇宙的神秘力量

　　一顆孤獨的衛星在人跡罕至的地方捕獲到了宇宙的本質。2003年2月，“威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）”拍攝到了宇宙嬰兒期的照片，那時的宇宙誕生還不到40萬年。這幅色彩鮮明的圖片象徵着宇宙學中的一個重大轉折，它證實了一幅神奇得讓人無法置信的宇宙圖景：用以構成恆星、樹木以及人類的普通物質只占4％，另有23％是詭異的暗物質，餘下的73％則是暗能量。另一項名為“斯隆數字巡天（SDSS）”的計劃也得到了同樣的結論。

　　WMAP的數據還解決了許多長期懸而未決的關於宇宙基本性質的問題。就在一年前，宇宙學家們還可能會說宇宙的年齡在120億至150億年之間，然而現在他們會說它的年齡是137億年，誤差只有幾十萬年。另外，研究結果表明，宇宙正在以71公里每秒每百萬秒差距的速率膨脹，且它的“形狀”是“平坦”的。今年的這些進展或許是科學家最終解開萬物起源之謎的一個新起點。

　　●點評：里程碑式的成果（中科院高能物理所張新民研究員）

　　WMAP和SDSS以其對宇宙學參數的精確測量，進一步強有力地支持了大爆炸宇宙學模型。這在人類探索宇宙奧秘和物質基本結構的道路上無疑是一個光輝的成就。這些精確測量推動了宇宙學的研究進入一個黃金時代，其發現衝擊着舊的宇宙觀，促使人們對宇宙奧秘進行新的思考。

　　暗物質是由什麼構成呢？理論物理學家認為，可能的暗物質粒子有軸子（Axion）、中性伴隨子（Neutralino）等。目前世界各國科學家正通過各種加速器和非加速器實驗探索這一問題，例如由中國和意大利合作的DAMA實驗，就試圖找到這種暗物質粒子。

　　暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑式的成果。這種能量在日常生活和科學實驗中是感覺不到的，但它卻主宰着宇宙的演化和命運。暗能量的一種可能是真空的能量，但現有的理論計算值比WMAP和SDSS觀測值大很多倍，這種理論與實驗的衝突對當今物理學提出了嚴峻的挑戰。

　　目前科學家們還提出了其他想法來解釋這種神秘的暗能量，比如Quintessence，這是一種動力學場，而且由於它的存在可以導致電磁相互作用的精細結構常數的改變。這一現象一旦證實，也將是一個重大發現。值得強調的是，暗能量的本質決定着宇宙的命運。可以預言，對它的認識將會導致物理學的一場重大革命。

　　伽馬暴：來自宇宙邊緣的毀滅

　　今年的若干發現揭開了一直籠罩着宇宙間最猛烈的爆發現象（即被稱作伽馬射線暴巨大能量衝擊波）的面紗。最引人注意的是，在3月份，天文學家在一個很亮的伽馬暴的餘輝中認出了明白無誤的超新星的特徵，他們證實了伽馬暴與超新星（大質量恆星的滅亡）之間的聯繫。天體物理學家現在相信，當一個恆星的核心向內爆發並形成一個黑洞（個別科學家認為是形成一個帶有壓倒性磁場的快速旋轉中子星）時，就會有特別猛烈的能量噴流出來。

　　●點評：這已是第三次上榜（中科院紫金山天文台陸聑院士）

　　伽馬暴是來自宇宙深處短時間內（一般只有幾秒或幾十秒）伽馬射線突然增強的一種現象。它的發現第一次發表於1973年，距今正好30周年。但在很長時間內，它都處於一種神秘狀態，因為我們不知道它究竟離地球有多遠。直到1997年，科學家發現伽馬暴的餘輝———它可以延續幾個月甚至上年的時間，並發現它的距離非常遙遠，甚至可以說是在宇宙的“邊緣”。

　　毫無疑問，伽馬暴是宇宙間最為猛烈的爆發現象，只有在伽馬暴爆發時放出極大的能量，我們才能相隔這麼遠而能觀察到它。1997年伽馬暴的研究被《科學》雜誌評為當年十大科學進展之一。1999年，伽馬暴又被《科學》評為當年的十大進展之一。

　　事實上，在1998年4月25日，科學家就發現了一個伽馬暴，幾乎在它爆發的同時也觀測到有一個超新星出現在其相同的位置上，科學家意識到這兩者是有關係的，但當時還有一些不清楚的地方。今年3月29日又發現了一個很亮的伽馬暴，這一次科學家特別清楚地證實了伽馬暴確實是由一種超新星———大質量恆星的核心塌縮引起的。這項進展對伽馬暴的起源、恆星演化和宇宙學的研究都有重要的幫助。

　　幹細胞：可以培育出生殖細胞

　　至少有一位觀察者把這一令人驚奇的發現稱作“倫理學上的地震”：小鼠胚胎幹細胞能夠在培養皿中發展為精子和卵子。如果這種出色的工作能夠在人類細胞中重複，那麼它可以提供取之不盡的人類精子和卵子供科研使用。但是它也打開了裝滿各種論理學問題的“潘多拉魔盒”：我們能夠允許一個親生父母是體外培養的細胞而非活人的孩子出生嗎？

　　●點評：人工製造生命又邁了一大步（中科院動物所韓春生研究員）

　　我不知道是不是會有一場“倫理學上的地震”，但我確信這些工作給學術界帶來的影響絕不亞於幾年前科學家們克隆多利時的情景，使得本來就已經很熱的幹細胞研究更加炙手可熱！不管出於什麼目的，許多人長期以來一直想人工製造生命，今年的工作又使其朝着這一目標邁進了一大步。

　　胚胎幹細胞是指胚胎發育早期由受精卵經過多次分裂形成的一群細胞，由於個體長成後不同細胞都來源於這群細胞，因此我們說其具有多能性。胚胎幹細胞早在上個世紀80年代就被用來產生基因以修復動物器官，人們更希望能夠在體外將其誘導成各種組織器官用於醫學治療。大概許多科學家——至少我自己——根本沒有想到它們能夠在體外完成減數分裂而形成具有全能性的單倍體生殖細胞。這些工作將使我們能夠在體外生產取之不盡的生殖細胞，也使得基因修復動物器官的研究更加簡單。

　　更重要的是，這使人們覺得生命的產生完全可以像機器生產一樣在體外完成。世界上許多國家都明確表示禁止克隆人，我國政府也禁止這方面的工作，然而科學的發展卻似乎從不同方面為這一工作提供越來越多的便利條件。

　　Y染色體：原來可以自我修復

　　今年在破譯出Y染色體的遺傳密碼後，我們獲得了男性的DNA遺傳信息。在Y染色體的5900萬個鹼基中，有一半是糾纏不清的甚至是無用的核苷酸序列，正是這些“垃圾”使Y染色體逐漸退化。但另一半核苷酸序列可以編碼一些重要的功能基因，它們已經進化出一種異乎尋常的有效機制，來自我修復突變基因。

　　●點評：男性不必擔心了（復旦大學遺傳所楊金水教授）

　　進化分析表明，決定人類性別的X和Y染色體來源於同一個祖先。在男性中Y染色體只有一份拷貝，在女性中X染色體有兩份拷貝。當Y染色體發生基因突變時，由於缺少同源基因，突變的基因不能通過重組交換而淘汰，因而在Y染色體上保留了大量的突變基因。這正是Y染色體之所以退化的原因。

　　但是最新的測序揭示出一個意想不到的結果：在現有人類的Y染色體上，有8個區段保留了兩份重要功能基因的拷貝，當其中一份拷貝發生突變時，會被另一份正常的拷貝複製替換，從而阻止Y染色體的進一步退化。科學家曾經預言，500萬年後Y染色體將消失，現在看來是杞人憂天了。

　　氣候變化：證據匯成一股洪流

　　有關全球變暖對地球及其居住者影響的研究在2003年匯成一股洪流，表現為大量的關於冰山融化、乾旱、植物生產力降低以及動植物行為改變的報道。今年的諸多發現之一，是氣候模擬研究人員將一個持續多年但目前正在消退的全球環狀分布的乾旱現象與西太平洋和印度洋中的非尋常溫暖水域聯繫起來。這種暖水似乎是溫室氣體造成的。在生物學領域，全球動植物的地理分布已經發生移動，生活習性發生了改變——例如開花或生蛋的時間，其改變的方式響應了全球變暖的現實。

　　●點評：期待更深層次的突破（中科院大氣物理所王標副研究員）

　　全球變暖是上個世紀以來觀測到的明顯事實。學術界更加關心的一直是探尋這些變化的原因，而被《科學》雜誌認可的氣候研究進展卻側重於變化後的觀察與適應。但要真正理解或證實這種關係，必須提出理論上的證據，即氣候變化的物理機制。這一點國際學術界進展甚微。事實上，對氣候變化後果的觀測和討論與氣候變化機制研究是密不可分的。由不同原因造成的“氣候變暖”對環境和生命帶來的影響也不盡相同。即便這種變化的原因像當前主流研究認識的那樣單純——是由於溫室氣體造成的，研究者對於氣候系統本身複雜性的認識也將影響到對於氣候變化後果的預料。反過來，對當前人們適應氣候變化措施的準確評價對於氣候系統本身性質的研究也非常有價值。

　　新材料：使電磁波逆向傳播

　　在自然物質中，光線總是向相對於入射角正的方向折射，然而今年的工作證實某些奇異的材料能夠向相反的方向折射光線。1964年，蘇聯物理學家提出，某種材料可能使電磁輻射在通過它時逆向傳播。兩年前，科學家製造出了這種“左手”材料。他們使一束微波射入銅環和銅線構成的人工介質，從而使微波以負角度偏轉。去年這一結果遭到了其他研究小組的質疑，而今年大量的實驗證實了這一結論。

　　●點評：電磁學的新天地（浙江大學章獻民教授）

　　介電常數ε及磁導率μ是用於描述物質電磁性質的基本物理量，決定着電磁波在物質中的傳播特性。迄今自然界中尚未發現ε與μ同時為負值的物質。1968年，蘇聯科學家維索拉古（V.G.Vesalago）首次指出，當ε與μ同時為負數時，電磁波將逆于波矢方向傳播，並可表現出一些奇異的電磁特性。

　　2001年，美國加州大學聖地亞哥分校的斯密斯（DavidSmith）等人構造出了ε與μ同時為負的人工媒質，並通過實驗觀察到了“負折射”現象。從此這類人工媒質研究成為一個引人注目的前沿領域。

　　2002年底，麻省理工學院孔金甌教授從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，他稱之為“導向介質”。導向介質可用來製造高指向性的天線、聚焦微波波束、實現“完美透鏡”、用於電磁波隱身等等。隨着納米技術的進展，採用納米導線有可能研製成光波波段的人工媒質，以製造新穎的光子器件。

　　其他進展及挫折

　　《科學》雜誌評出的其他重大科學進展還包括：科學家們識別出一些會增加精神分裂症、抑鬱症等遺傳性疾病發病風險的基因，這些基因可能會使大腦信息處理過程產生異常，刺激人患精神病。該研究成果對於研製治療這類疾病的新藥意義重大。美國華盛頓大學醫學院教授饒毅認為，今年這些神經精神方面的研究是多年工作的結果。“以《科學》引用的神經營養因子為例，我們可以看到一個優美的綜合研究。這篇論文是2003年在《細胞》雜誌發表的，用了包括遺傳學、活體人腦成像、學習記憶心理測驗、分子生物、細胞生物學等多學科手段。”

　　小核糖核酸分子研究繼續升溫。繼發現長度較短的小核糖核酸能調控基因表達，科學家今年進一步研究小核糖核酸如何協調細胞習性。對小核糖核酸分子的研究，將有助於人類戰勝諸如艾滋病和肝炎等疾病。

　　單分子研究工作取得進展。生物學家和物理學家通力合作，捕捉到細胞內部單個分子的多種活動情況，對運動中的分子馬達以及正在消化DNA的單個酶等進行了觀察。

　　“餓死腫瘤”研究獲得新進展。臨床試驗結果顯示，一種抑制腫瘤血管生長的藥物與傳統化療藥物結合，可延長結腸癌患者存活期。

　　《科學》還評選出了2003年最大的科學挫折：2月1日美國“哥倫比亞號”航天飛機在重返大氣層時解體。此外，《科學》還特別製作了一個SARS專輯：2003年，SARS提醒我們一種新的傳染性疾病可能會在任何時候出現，它不用傷及太多的人就能讓國家經濟窒息，而低技術的公共衛生措施如隔離患者就將這種病毒逼上絕境。