2012年，科學界充滿著淚水。83歲的希格斯熱淚盈眶，在他預言存在“上帝粒子”40多年之後，科學家們(men) 發現了它，這曆史性的一天“能發生在我的有生之年，簡直難以置信”。

與(yu) 此同時，科學界也充滿歡樂(le) 。“輪子！這是輪子！”“好奇”號火星車在紅色星球安全著陸幾分鍾後，發回的第一張圖像出現在實驗室大屏幕上，人們(men) 興(xing) 奮地歡呼著，熱烈地擁抱著。

一個(ge) 又一個(ge) 科學突破，留下振奮人心的記憶。《科學》雜誌盤點了2012年那些領跑科學的重要突破。

1、發現上帝粒子

沒有一個(ge) 科學進展能引起如此多的喧囂。

7月4日，操作世界上最大原子粒子加速器——大型強子對撞機（LHC）——的科學家宣布，他們(men) 發現了一個(ge) 似乎大家一直以來在尋找的粒子——希格斯粒子，標準模型中最後一種未被發現的粒子。

最終，研討會(hui) 變成了媒體(ti) 的舞台，一時間相關(guan) 新聞吸引了全世界的目光。希格斯粒子的發現當之無愧成為(wei) 本年度最傑出的科學突破。

40多年前，英國物理學家彼得·希格斯預言了一種能吸引其他粒子進而產(chan) 生質量的玻色子的存在。他將這種玻色子視為(wei) 物質的質量之源。希格斯粒子的發現完整補充了標準模型。這種粒子解決(jue) 了標準模型中的一個(ge) 基礎問題。

標準模型理論描述了構成普通物質的粒子：電子、誇克、中微子以及這些粒子的其他兩(liang) 組“親(qin) 屬”。乍一看，標準模型仿佛是一種無質量粒子理論。因為(wei) 簡單設定粒子的聚集使得該理論局限於(yu) 數學上的混亂(luan) 。希格斯粒子的到來修補了上述理論的缺陷。不過一直以來，希格斯粒子都沒有現身。

為(wei) 了找到希格斯粒子，歐洲核子研究委員會(hui) （CERN）投資55億(yi) 美元建造了27公裏長的LHC。另外，他們(men) 還使用了龐大的粒子探測器“超環麵儀(yi) 器”（ATLAS）——25米高、45米長——和1.25萬(wan) 噸重的“緊湊繆子線圈”（CMS）。超過100個(ge) 國家參與(yu) 了LHC項目。

功夫不負有心人。7月，兩(liang) 個(ge) 相關(guan) 的研究小組宣布，他們(men) 分別在通過大型強子對撞機取得數據後，發現了一種很可能是希格斯玻色子的粒子。

而事實上，懸而未決(jue) 的一個(ge) 重要問題是，該發現標誌著粒子物理學新紀元的開始，還是這個(ge) 領域最後的努力？

不過，無論如何，這一發現把粒子物理學標準模型拚圖中的最後一塊填充到位，雖然尚不清楚該發現會(hui) 把粒子物理研究引向何處，但其對物理學界的重大意義(yi) 不容置疑。

2、古老基因“全壘打”

2年之前，古遺傳(chuan) 學家因完成了尼安德特人的核基因組排序而進入年度突破榜單。

2011年該實驗小組分享了他們(men) 拚湊的丹尼索瓦人基因。丹尼索瓦人是生活在5萬(wan) 年前西伯利亞(ya) 的古老人類。而這種古老人類的DNA序列一直模糊不清，他們(men) 隻留下了一段指骨和兩(liang) 顆臼齒化石。通常剝離自化石的脆弱DNA會(hui) 退化成單鏈，自動測序儀(yi) 無法進行複製。研究人員隻能解密來自古人類、動物和病原體(ti) 等的古老基因的部分代碼。

但是今年，德國馬克斯·普朗克進化人類學研究所的一位博士後發明了一種堪稱卓越的新方法使得其研究小組能夠“重訪”丹尼索瓦人DNA。這種新技術能將特定分子與(yu) 單股DNA相結合。

借助該技術，研究人員利用一個(ge) 距今7.4萬(wan) 年至8.2萬(wan) 年的指骨碎片，獲得了在西伯利亞(ya) 南部阿爾泰山丹尼索瓦洞古遺址發現的丹尼索瓦女孩的基因組高覆蓋率測序數據，並實現重建其基因組全序列。

一直以來，DNA測序儀(yi) 器適合於(yu) 測定活著的人類的DNA，樣品通常為(wei) 雙鏈DNA，為(wei) 了研究古老DNA，Matthias Meyer打算設計一種單鏈DNA測序工具。經曆了很多失敗之後，Meyer和同事最終使用丹尼索瓦女孩6毫克的手指骨骼，重建了完整的丹尼索瓦人基因序列。

基因分析結果顯示，丹尼索瓦人似乎對現代人類的基因組有某種程度的貢獻，東(dong) 南亞(ya) 島嶼人群從(cong) 丹尼索瓦人那裏繼承了約3%的核基因。而且，丹尼索瓦人攜帶有與(yu) 當今人類的黝黑皮膚、棕色頭發和棕色眼睛相關(guan) 的等位基因。

Meyer研究小組還希望利用新方法分析之前測序失敗的化石樣品，並期待能在2013年完成尼安德特人和丹尼索瓦人的基因比較。

3、人腦—機器界麵掌握未來

前不久，美國科學家宣稱，在他們(men) 幫助下，一名患有阿爾茨海默氏症並且頸部以下癱瘓的53歲女性通過使用機械臂，可以把物體(ti) 移送到目標位置。

外科醫生在她腦部左邊的運動皮層上植入兩(liang) 個(ge) 4×4毫米的微電極裝置，這部分的運動皮層對控製人的四肢運動起關(guan) 鍵作用。這些電極通過電腦與(yu) 機械臂實現互聯，電腦將腦部發出的電波轉化為(wei) 數字信號來控製機械臂。該實驗展示了讓癱瘓病人通過大腦—機器界麵（BMI）用意念移動機械臂並從(cong) 事複雜三維運動的技術。

今年早些時候，就有研究證實，癱瘓病人能夠使用BMI進行複雜的運動。實驗中，一位58歲的女性病人——她無法說話，也無法移動四肢——用思維操作機械臂，抓住了一個(ge) 瓶子，並喝了一小口咖啡。

不過，目前這種技術仍然是試驗性的，而且價(jia) 格極其昂貴。科學家希望可以研發更先進的計算程序改善這種神經性假肢，用以幫助因中風、脊髓損傷(shang) 等而癱瘓的病人。這種“人腦—機器”界麵研究在未來有廣闊的應用空間，除了能幫助殘疾人外，在軍(jun) 事和太空探索等領域也有非常高的實用價(jia) 值。

4、來自幹細胞的卵子

在過去的十多年裏，研究人員一直嚐試在實驗室製造卵細胞。

今年，這項研究邁出了重要的一步，實驗鼠產(chan) 下了第一個(ge) 來源於(yu) 老鼠胚胎幹細胞的成活幼崽。不過，日本研究人員發明的這項新技術，依然需要老鼠來孕育受精卵，還未能實現完全體(ti) 外生殖。

但是這項研究成果證實了，胚胎幹細胞可以形成可生育的卵母細胞，而且它讓科學家更加了解這些複雜和強大的細胞是如何發育的。

卵子和精子通常會(hui) 經曆一個(ge) 複雜的發展過程，它們(men) 經曆減數分裂—— 一種特殊的細胞分裂，使得它們(men) 的染色體(ti) 數為(wei) 正常值的一半；它們(men) 也重置基因組印跡以確定哪些基因是開啟或關(guan) 閉的。盡管多能性細胞——包括胚胎幹細胞——能夠發育成任何種類的細胞，但是實驗證明把它們(men) 變成生殖細胞非常困難。

2011年，該研究小組報告說，他們(men) 能把胚胎幹細胞變成可生育的精子。2012年，研究人員表示類似的過程可以產(chan) 生卵子。首先，他們(men) 將幹細胞與(yu) 生長因子和蛋白質混合形成所謂的原始生殖細胞—— 一種類似早期胚胎中發現的前體(ti) 卵子和精子細胞。然後，科學家將這些細胞與(yu) 卵巢組織混合，並將這些混合物植入老鼠的卵巢或腎髒裏。幾周後他們(men) 提取出了成熟的卵母細胞。

科學家將卵母細胞與(yu) 正常老鼠精子進行體(ti) 外受精，然後把胚胎植入雌性實驗鼠體(ti) 內(nei) 。實驗鼠生出了可以繼續繁衍後代的正常老鼠。不過，這項技術未能應用於(yu) 人類細胞——需要卵巢組織和活體(ti) 宿主來進行實驗，這不切實際，也麵臨(lin) 倫(lun) 理問題。雖然實驗結果未能達到科學家們(men) 的終極目標——完全在實驗室中得到卵細胞，但它為(wei) 研究基因及其他影響生育和卵細胞發育的因素提供了強有力的工具。

5、打開中微子物理學大門

今年，物理學家通過測量描述了一個(ge) 模型的最後未知參數，該模型描述了被稱作中微子的難以捉摸的粒子在以接近光速穿行時，如何從(cong) 一種類型變形為(wei) 另一種類型。

2011年開始，中微子的重磅消息接連傳(chuan) 出，歐洲研究人員“撞”出“中微子超光速”。緊接著歐洲核子研究中心就宣布，所謂“中微子超光速”可能是烏(wu) 龍事件，罪魁禍首隻是實驗光纜鬆動。

不久之後，中國廣東(dong) 大亞(ya) 灣傳(chuan) 出令人振奮的好消息：中微子實驗發現了電子反中微子消失現象，該現象與(yu) 中微子振蕩的預期符合，其能譜畸變也與(yu) 中微子振蕩的預期符合，這就意味著發現了一種新的中微子振蕩模式，其信號顯著性為(wei) 5.2倍標準偏差，並測得其振幅sin22θ13為(wei) 0.092。

中微子共有3種類型，並可以在飛行中從(cong) 一種類型轉變成另一種類型，即中微子振蕩。原則上應有3種振蕩模式，之前已有兩(liang) 種被證實，相應的混合角θ12和θ23已經準確測得。而鑒於(yu) θ13在揭示中微子振蕩中的特殊重要性，美國物理學會(hui) 2004年曾在報告中將用反應堆實驗測量sin22θ13作為(wei) 未來試驗的“第一優(you) 先”。

大亞(ya) 灣中微子實驗結果不僅(jin) 顯示出中微子和反中微子可能會(hui) 以不同的方式改變其特色，還提示中微子物理有朝一日或許能幫助研究人員解釋為(wei) 什麽(me) 宇宙含有如此多的物質及如此少的反物質。如果物理學家無法發現超越希格斯玻色子的新粒子，那麽(me) 中微子物理可能會(hui) 代表粒子物理學的未來。

6、基因巡航導彈

2012年，基因工程師們(men) 著手製造一些功能強大的新工具，來幫助生物學家們(men) 更容易改變包括酵母和人類在內(nei) 的各種生物體(ti) 的DNA。一種名為(wei) “轉錄激活子樣效應因子核酸酶”（TALENs）的工具便是其中之一。

利用TALENs，研究人員能夠改變或消滅活的斑馬魚、非洲爪蟾蜍、牲畜甚至病人細胞中的特定基因。除此之外，還有研究人員利用這項技術製造出了用於(yu) 研究心髒病的微型豬。

研究發現，這些附著在DNA上的效應蛋白的晶體(ti) 結構揭示出蛋白質是如何找到它們(men) 的靶點的。最終，科學家證實，這種技術與(yu) 基因靶向技術一樣有效，但是更為(wei) 廉價(jia) ，而且能幫助科學家確認基因及突變在健康人和病人中的特定作用。換句話說，TALENs就像基因巡航導彈——成本低廉，作戰效能高。

這樣一種基因工程學上的突破在過去是難以想象的。對於(yu) 大多數高級生物體(ti) 而言，改變或刪除DNA通常是一個(ge) 無計劃的命題，研究人員幾乎無法準確控製相關(guan) 實驗。

十年前，一種名為(wei) “鋅指核酸酶”的技術幫助科學家獲得更高的基因打靶成功率。2012年，利用TALENs，科學家能得到與(yu) “鋅指核酸酶”一樣準確的結果，但是更簡單，也更便宜。一些研究人員開始將TALENs視為(wei) 分子生物學實驗室的標準程序。

7、登陸火星

8月6日，美國“好奇”號火星車登陸火星。在“好奇”號著陸的整個(ge) 過程中，最驚險的曆程當屬進入火星大氣層、下降然後著陸的“恐怖7分鍾”。在這7分鍾裏，為(wei) “好奇”號火星車特別設計的“空中起重機”著陸係統是當之無愧的英雄。

經過5.63億(yi) 公裏的漫長旅途後，“好奇”號在距離預計登陸點僅(jin) 2.4千米的地點著陸。盡管無法在火星條件下測試其探測器所有的“進入、下降和登陸”（EDL）係統，但在加州帕薩迪納美國宇航局（NASA）噴氣動力實驗室裏，承擔探索火星使命的工程師們(men) 仍安全並準確地將“好奇”號送抵目的地火星。

“好奇”號並不是第一輛登入火星的探測器，不過“勇氣”號和“機遇”號等個(ge) 頭較小、重量較輕的早期火星著陸器均包裹在氣囊內(nei) 硬生生落在火星表麵，這種方式對重達3.3噸的“好奇”號不適用。於(yu) 是，研發新的著陸器迫在眉睫。

工程師們(men) 從(cong) 起重機和直升飛機那裏得到靈感，創建了“空中起重機”著陸係統。“好奇”號距火星表麵約11公裏時，降落傘(san) 啟動，火星車降速後，逐步與(yu) 降落傘(san) 分離，“天空起重機”的反衝(chong) 推進發動機同時啟動。之後，3根纜繩伸出，將“好奇”號從(cong) “天空起重機”中吊出，隨著進一步下降，纜繩不斷被拉長，“好奇”號火星車的輪子和抗震係統在觸地時立刻啟動，纜繩被立即自動切斷。

完美無瑕的著陸過程讓NASA獲得信心，他們(men) 希望有朝一日可以讓另一輛火星車著陸火星，將“好奇”號搜集的樣本回收並送回地球。

8、超越基因的基因組學

10年時間、耗資2.88億(yi) 美元、30篇論文，這些顯示出，人類基因組比研究人員曾經認為(wei) 的更加熙熙攘攘，也更具“功能”。這項名為(wei) “DNA元素百科全書(shu) ”（ENCODE）的項目，獲得了迄今最詳細的人類基因組分析數據。

“DNA元素百科全書(shu) ”項目還發現，基因組中大約80%的基因具有生物化學活性，可幫助開啟或關(guan) 閉基因。這些DNA堿基有的作為(wei) 影響基因活性的蛋白質著陸點，有的則能夠轉化為(wei) RNA鏈從(cong) 而自行實施功能，例如基因調控。

科學家宣稱，這項研究不僅(jin) 幫助研究人員了解遺傳(chuan) 和疾病之間的聯係，還將改變人們(men) 思考以及實際使用人類基因組的方式。

無論如何，旨在搞清構成基因組的30億(yi) 個(ge) 堿基中每個(ge) 都在做些什麽(me) 的ENCODE項目，是“人類基因組計劃”之後國際科學界在基因研究領域取得的又一重大進展。這些新的細節有望幫助研究人員理解基因受到控製的途徑，並確定某些疾病的遺傳(chuan) 學風險因子。

9、激光照出蛋白質結構

一百年之前，物理學家發現了X射線是如何飛掠過一個(ge) 晶體(ti) 的，並揭示出晶體(ti) 的原子尺度結構。今年，科學家使用“X射線激光器”首次確定了一個(ge) 蛋白質的結構。這項新研究進展證明了X射線激光具有解密蛋白質結構的潛力，而這是傳(chuan) 統的X射線源所無法做到的。

生物學家借助一種名為(wei) 同步加速器的環形粒子加速器產(chan) 生的X射線確定了成百上千種蛋白質結構。但是，一些蛋白質，尤其是細胞膜中的蛋白質，很難形成足夠大的晶體(ti) 並通過同步加速器進行研究。因此科學家希望能夠使用新型激光器突破這一困難。

來自德國和美國的研究人員使用美國斯坦福直線加速器中心國家加速器實驗室的直線性連續加速器光源（LCLS），確認了一種單細胞蟲所必需的酶結構，這種名為(wei) 布氏錐蟲的寄生蟲是引起非洲昏睡病的元凶。

為(wei) 了製作出微米尺度的酶晶體(ti) ，研究人員在培養(yang) 細胞中將其過度表達。最終，研究團隊利用比傳(chuan) 統同步加速輻射源亮10億(yi) 倍的Ｘ射線激光得出了結果，發現其中包含一種分子安全帽。這些信息有助於(yu) 科學家找到有效的治療藥物，遏製這種酶的活性，從(cong) 而治療昏睡病。

10、馬約拉納費米子現身

2012年，荷蘭(lan) 代爾夫特理工大學科學家首次觀測到馬約拉納費米子存在的可靠證據。馬約拉納費米子是一種反粒子即自身的粒子，其有望在量子計算中組成穩定的比特。

1937年，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納改寫(xie) 了描述費米子和玻色子行為(wei) 的方程式，並預測自然界中可能存在一類特殊的費米子，它是自己的反粒子。換句話說，就是自己是自己的雙胞胎兄弟，人們(men) 將其稱為(wei) 馬約拉納費米子。物理學界有關(guan) 其是否存在的爭(zheng) 論已持續了70多年。

如果新研究結果經得起檢驗，它不僅(jin) 將率先製造出馬約拉納費米子，更將成為(wei) 物理學領域的重大進步。目前的量子位技術很難實現計算機操作，極細微的溫度或其他外界因素的影響都會(hui) 消除標準量子位儲(chu) 存的信息。新發現已促使科學家努力將馬約拉納費米子結合到量子計算中，因為(wei) 由這些神秘粒子組成的“量子比特”會(hui) 比目前數字計算機中所擁有的比特更有效率地存儲(chu) 和處理數據。

目前，荷蘭(lan) 研究小組和其他研究人員正忙於(yu) 驗證馬約拉納費米子是否存在，如果是真的，納米科學很快就會(hui) 有炫耀的資本。

來源：中國科學報