2018年12月12日，我们从各个不同的领域挑选了今年度的十大科学进展，之后《自然》、《科学》、《物理世界》等陆续公布了年度科学突破。魔角石墨烯被「物理世界」评选为年度突破，而相关的研究人员曹原更是被选为「自然」的年度十大科学人物。今天，我们将着重探讨「科学」公布的年度突破发现——细胞的逐步发育。斑马鱼胚胎发育的早期阶段。荧光标记突出表达基因的细胞，这些基因有助于确定细胞的类型。
图片来源：JEFFREY FARRELL, SCHIER LAB/HARVARD UNIVERSITY。至少从希波克拉底时代起，生物学家就被一个神秘的问题困惑：一个单细胞究竟是如何发育成拥有多个器官和数十亿细胞的成年动物的？这位古希腊的名医曾提出母亲呼出的水分有助于婴儿成长的假设。但现在我们知道，协调细胞增殖和分化过程的终极指挥官是DNA。
现在，正如乐谱中标明了弦乐、铜管乐、打击乐和木管乐要如何合奏出一篇交响乐一样，科学技术的结合揭示了单细胞中的基因是在何时被启动，指挥细胞发挥出它们的专属功能。其结果是让我们能够以惊人的细节，一个细胞一个细胞的追踪生物体和器官随时间的发展。这种技术的结合，以及它促进基础研究和医学进步的潜力，被《科学》评选为2018年的突破发现。
这种技术是要从活生物体中分离出数千个完整的细胞，对每个细胞中表达的遗传物质进行有效测序，并使用计算机或对细胞进行标记以重建它们在空间和时间上的关系。生物医学领域的专家认为，这种技术上的结合将在未来十年改变研究。仅在今年，就有详细描述扁虫、鱼、青蛙和其他生物是如何开始制造器官和附器的论文被相继发表。
现在，世界各地的许多研究小组都在应用这些技术来研究人类细胞在一生中是如何成熟、组织是如何再生，以及细胞是如何在疾病中变化的。能够分离出成千上万的单个细胞，并对每个细胞中的遗传物质进行排序，为研究人员对在当时某刻每个细胞中正在产生什么样的RNA提供了大致的了解。由于RNA序列对于产生它们的基因具有特异性，因此研究人员可以看到哪些基因是活跃的。这些活跃的基因决定了细胞的功能。
这种被称为单细胞RNA测序的结合技术在过去几年中得到了一定的发展。但转折点出现在去年，当时有两组研究人员证明，这项技术的可应用尺度足以用来追踪早期发育。其中一个研究小组使用单细胞RNA测序技术，测量了从果蝇胚胎中一次性提取出的8000个细胞的基因活性。大约在同一时间，另一个研究小组对一只处于幼虫阶段的秀丽隐杆线虫的5万个细胞进行了基因活性分析。
这些数据表明了哪些蛋白质（即转录因子）在引导细胞分化为特定类型。今年，研究人员对脊椎动物的胚胎进行了更广泛的分析。通过使用各种复杂的计算方法，他们把在不同时间点采集到的单细胞RNA测序读数结合到一起来，用来揭示那些用以决定在这些更加复杂的生物体中形成细胞类型的一系列基因的开启和关闭。
有一项研究就揭示了一个受精卵是如何产生25种细胞的；另一项监测青蛙在早期阶段的器官形成发育情况的研究发现，一些细胞开始分化的时间比之前认为的要早。哈佛大学的干细胞生物学家Leonard Zon说：“这些技术帮助解答了胚胎学中的基本问题。”那些对某些动物能再生出四肢或全身感兴趣的研究人员也转向了单细胞RNA测序。
有两组研究人员研究了一种名为真涡虫的水生扁虫被切成片段后的基因表达模式，这种虫是生物学上最成功的的再生生物之一。科学家发现了新的细胞类型和发育轨迹，这些细胞和发育轨迹伴随着每一块重新生长成完整个体的过程出现。另一组研究人员追踪了失去了前肢的蝾螈体内的开关基因。研究人员发现，一些成熟的肢体组织恢复到了胚胎状的未分化状态，然后经历了细胞和分子的重新编程，构建成了一个新的肢体。
由于细胞必须从生物体中取出才能进行单细胞测序，因此单凭这项技术并不能显示这些细胞会如何与相邻细胞相互作用，也无法识别这些细胞的后代。但是通过在早期胚胎细胞中植入标记物，研究人员就可以在活着的生物体中追踪细胞及其后代。至少有一个研究小组将早期胚胎暴露于携带有不同颜色的荧光标记基因的可移动遗传元素中，这些荧光标记随机进入细胞，为每个细胞谱系赋予不同的颜色。
其他研究小组利用CRISPR基因编辑技术，用独特的类似于条形码般的标识符标记单个细胞的基因组，然后这些标识符会被传递给它们的所有后代。这种基因编辑器可以在保留原有突变的同时，在子代细胞中产生新的突变，使科学家能够跟踪它们如何分支形成新的细胞类型。通过将这些技术与单细胞RNA测序结合，研究人员既可以监测单个细胞的行为，又可以观察它们如何适应生物体的展开结构。
一个研究小组利用这种方法，确定了斑马鱼大脑中超过100种细胞类型之间的关系。研究人员使用CRISPR来标记早期的胚胎细胞，然后在不同时间点分离并测序6万个细胞，以跟踪鱼类胚胎在发育过程中的基因活性。其他研究小组也在用类似的技术来追踪器官、四肢或其他组织在发育过程中都发生了什么，以及这些过程是如何出错从而导致畸形或疾病的。
加州大学旧金山分校的干细胞生物学家Jonathan Weissman说：“这就像是一台飞行记录仪，你可以看到是什么出了问题，而不是仅仅有张最后的照片，让我们可以提出在以前的分辨率下无法提出的问题。”虽然这些技术不能被直接用于培育人类胚胎，但研究人员正在将这些技术应用于人体的组织和器官，对逐个细胞进行基因活性研究，并对细胞类型的特点进行描述。
一个名为“人体细胞图谱”的国际联盟历时两年，致力于识别人体细胞的每一种类型、每一种类型在人体中的位置，以及这些细胞如何共同作用形成组织和器官。目前，有一个项目已经识别出了大部分的肾脏细胞类型，其中包括容易发生癌变的那些。另一项研究揭示了母体细胞与胎儿细胞之间能使妊娠得以进行的相互作用。
53家机构和60家公司组成了一个名为“生命联盟”的合作项目，他们计划利用单细胞RNA测序技术，从多个方面了解在组织朝着癌症、糖尿病和其他疾病发展的过程中，每一个细胞都发生了什么。高分辨率的呈现发育与疾病的视频只会越来越引人注目。已发表于网络的论文把对发育的研究扩展到了越来越复杂的生物体上。
研究人员希望将单细胞RNA测序技术与新的显微镜技术结合，用以观察每个细胞中的独特的分子活性会在哪里发生，以及邻近的细胞会如何影响这种活性。单细胞革命才刚刚开始。文：Elizabeth Pennisi。
年度重大科学发现结合《科学》、《自然》、《物理世界》、《科学新闻》的评选年度科学发现/新闻，我们想与大家分享其它20个取得了重大突破的科学发现/新闻：1. 2018年10月，政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了特别报道，阐述并强调了若全世界联合行动将全球变暖限制在1.5°C将能够避免的气候变化影响。
因为每一点气候变暖都影响巨大，尤其是当变暖达1.5°C或更高时，会增加与长期的不可逆变化有关的风险，例如对某些生态系统的丧失。该报道为我们敲响了警钟：气候变化不是在未来几十年后才需要担心的问题，它已经发生在当下。拓展阅读：https://www.ipcc.ch/sr15/。2. 多信使天文学时代的崛起：位于南极洲的“冰立方”探测到了高能中微子的来源——耀变体。耀变体或许也是极高能宇宙射线的来源。
拓展阅读：http://science.sciencemag.org/content/361/6398/eaat1378。http://science.sciencemag.org/content/361/6398/147。《天文学突破 | 来自40亿光年外的高能“幽灵粒子”》。3. 研究人员揭示了一种新的方法，可以在短短几分钟内确定微小的有机化合物的分子结构。过去这需要几天、几周或几个月的时间。
拓展阅读：http://science.sciencemag.org/content/362/6413/389.summary。《一个近在眼前的重大突破，却被化学家忽视多年》。4. 2018年，美国的刑事调查人员采用了一种通过谱系图追踪嫌疑人的法医技术——遗传系谱学，用于破获数十年前早已事过境迁的悬案和一些新的犯罪案件。但这种基于DNA的新型侦查工作引发了有关基因隐私和警方程序的问题。
拓展阅读：https://www.sciencemag.org/news/2018/10/we-will-find-you-dna-search-used-nab-golden-state-killer-can-home-about-60-white。http://science.sciencemag.org/content/362/6415/690。
5. 科学家在格陵兰岛冰原深处发现了一个由小行星撞击形成的巨大陨石坑（31公里宽）。拓展阅读：http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaar8173。6. 科学家分析了一块来自生活在5万多年前的女性的骨头碎片发现，该女性的母亲是尼安德特人，父亲是丹尼索瓦人。
拓展阅读：https://www.eva.mpg.de/documents/Nature/Slon_The-genome_Nature_2018_2634311.pdf。7. 在等待了20年后，美国监管机构批准了第一种基于RNA干扰（RNAi）的疗法，这种技术可以将与疾病相关的特定基因沉默。
拓展阅读：https://www.nature.com/articles/d41586-018-05867-7。8. 70多年来，一种埃迪卡拉化石的身份一直困扰着科学家。今年，科学家在化石上发现了含有类胆固醇分子的痕迹，这是动物的标志。拓展阅读：https://www.nature.com/articles/s41559-017-0438-6。
http://science.sciencemag.org/content/361/6408/1246。https://www.nature.com/articles/s41559-018-0676-2。9. 欧洲航天局盖亚（Gaia）任务公布了第一张完整的银河系3D地图，其中包含了17亿颗恒星。
拓展阅读：https://www.nature.com/articles/d41586-018-04979-4。《追踪了十几亿颗恒星后，我们能学到什么？》。10. 人类第一次建造了一套强势的、具有破坏性的基因，可以渗透进入少数蚊子体内，并导致这些蚊子灭绝。这次试验和2018年的其他新闻满足了人类最持久的梦想之一：消灭地球上的蚊子。
拓展阅读：https://www.sciencenews.org/article/mosquito-extermination-top-science-stories-2018-yir。11. 天文学家通过间接证据发现了来自宇宙中第一批恒星发出的星光。拓展阅读：http://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aat2890。
http://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aat1378。《宇宙的第一缕曙光已被人类签收，暗物质正在来的路上》。12. 对于偶尔小酌的人而言，2018年是令人清醒的一年。记住这一点：酒精——无论多少——都对健康有害。一组科学家得出结论：最安全的饮酒量是零。
拓展阅读：https://www.sciencenews.org/article/alcohol-drinking-health-risk-top-science-stories-2018-yir。《真的，该戒酒了》。13. 科学家在火星的南极附近发现了一个巨大的静水湖泊，深埋在1.5公里厚的冰层之下。传说中的极地池是目前火星上声称存在的最大体积的液态水，而且可能已经存在了很长时间。
这两种特征燃起了人们对于火星上存在生命的希望。拓展阅读：http://science.sciencemag.org/content/361/6401/490。14. MIT的科学家发现，将两层石墨烯扭转一定角度生成的“魔角石墨烯”具有高温超导体的行为特性。拓展阅读：http://dx.doi.org/10.1038/nature26160。
http://dx.doi.org/10.1038/nature26154。《石墨烯研究的意外发现，是否能解开高温超导之谜》。15. 电池是笔记本电脑、汽车等设备重量的重要组成部分。利用碳纤维的电化学性能，以碳纤维作为结构支撑可以将电子设备的质量降低最多达50%，这表明，多功能碳纤维具有高效储存无质量能源的潜力。
拓展阅读：http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-7532/aab707。16. 科学家发明了一种实施强度调制放射治疗（IMRT）的低成本方法。IMRT是一种精密的治疗技术，使用复杂的多叶准直器（MLCs）来形成光子束，可以保留更多的健康组织。这种设备具有很好的成本效益，且可以升级加装到现有的远程治疗系统中。
拓展阅读：https://aapm.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mp.12985。17. EXPLORER（探索者）协会首次使全身正电子发射断层扫描（PET）仪，生成了第一张人体的扫描图像。
EXPLORER PET/CT是世界上第一个可以同时捕捉整个人体三维图像的医学成像系统，扫描速度可达现有PET系统的40倍，而使用的辐射剂量为目前PET系统的1/40。这种高灵敏度的扫描仪还可以拍摄追踪放射性标记药物在体内移动的影片。拓展阅读：https://physicsworld.com/a/explorer-pet-ct-produces-first-total-body-scans/。
18. 不用化石燃料来驱动引擎，也没有螺旋桨或涡轮机的离子推进飞机第一次飞行成功。这架飞机的翼展为5米，由电池上的电线电极产生的“离子风”推动，无声无息地平稳飞行60米，持续时间12秒。拓展阅读：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0707-9。《科幻照进现实：离子推进飞机重新定义了飞行！》。19. 在经典物理学中，连续事件之间有着严格的因果关系。
而实验证明，量子力学允许事件的发生没有明确因果顺序。研究小组创造了一个“量子开关”，光子可以选择两条路径。在其中一条路径，光子先受到操作A的作用，然后是操作B；在另一条路径，操作B先于操作A。如果操作在时间上紧密地一起执行，那么就不可能知道哪个操作是首先执行的。
拓展阅读：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.090503。《量子“鸡生蛋”实验，模糊了时间的先后顺序》。20. 自1984年第一次发现准晶体以来，一些物理学家就提出，准晶体中可能存在超导性。
今年，物理学家发现，在温度低于0.05K时，一种合金材料准晶体会转变为超导体，这一发现可能会导致呈现分形超导性的新材料的产生。拓展阅读：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02667-x。参考链接：https://vis.sciencemag.org/breakthrough2018/index.html。
https://physicsworld.com/a/discovery-of-magic-angle-graphene-that-behaves-like-a-high-temperature-superconductor-is-physics-world-2018-breakthrough-of-the-year/。
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07748-5。https://www.sciencenews.org/article/top-science-stories-2018-yir。