【Science】2010年科学进展

drjiangbo · 发表于 2011-1-13 12:26:01

1. 第一台量子机

一个只能用量子力学来描述其运动方式的人造物体可能引发我们对现实概念的测试。

它可能不像T型车那么易操作，但是，从理论上讲，今年推出的这个小型机器击败了亨利•福特的那辆著名汽车或之前制造的其他所有机器。到目前为止，所有的机器都按照支配日常物体运动的不足为奇的经典力学法则进行运动。与此相反，这台新的小装置摇晃的方式只有用通常支配分子、原子、亚原子粒子运动的量子力学的怪异规则才能解释。这台原始量子机为研制无数的实验设备、甚至测试我们对现实的感觉开辟了道路。它的这一潜力和创造力使其成为“年度十大科学进展”之首。

由于量子力学，极小物体的领域看起来与我们的日常世界毫不相同。量子理论决定：一个很小的物体只能吸收离散量的能量、不能保持完全静止，并且实际上可以同时出现在两个地方。科学家们在对原子、分子、亚原子粒子、光、电流、甚至液氦进行的无数试验中观察到这种量子效应及更离奇的效应。但至今没有人在人造物体的运动中看到过这样的效应。

并非是因为物理学家没有努力。研究人员已经制造出了纳米宽、微米长的半导体光束。这种光束又叫“振荡器”，在一个固定的频率下像吉他弦一样振动，而且，根据量子理论，它只能吸收或发射少量能量以及大小与光束频率成正比的量子。为了看到这样的效应，物理学家首先必须先吸出所有可能的量子，只留下处于最不活跃的“基态”的一道光束。即使在这时，光束也不能保持完全静止，因为量子不确定性要求光束持有不可恢复的一半量子的能量，并与难以抑制的“零点运动”共舞。

为了达到基态，物理学家们不得不把光束冷却到接近绝对零度。他们还必须通过增加光束强度来提高其频率，以尽可能增加量子大小。但是，这也降低了运动幅度，使其更难被发现。因此，好几个研究小组在用激光或微波束来冷却光束并检测光束运动，结果在这片量子福地里获得了量子。

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跳板。利用这个长度只有头发丝宽度的振荡器，科学家们实现了最简单的运动量子态。

CREDIT: AARON D. O'CONNELL AND ANDREW N. CLELAND/UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBARA

一个美国物理学家小组在3月报告说发现了一个更快的途径。他们制造的不是光束，而是氮化铝的微小跳板，上面镀有靠变细变厚进行振动的铝。由于这个小装置在一个很高的频率下——高达每秒60亿圈——嗡嗡地响个不停，其中的“压电”材料产生了一个发出柔和颤音的电场，很容易被发现。最重要的是，通过这一领域，物理学家设法“联合”了这个机械设备与一个被称为“相位量子比特”的电子设备——一个本身具有一个低能量一个高能量的量子态的超导环。

研究人员用微波控制量子比特，从而可以用量子比特把能量子送入振荡器或把他们从振荡器里拉出来，就好比你用自动柜员机往银行账户里存入或取出20美元。首先，他们指出，当他们把振荡器冷却到百分之几摄氏度时，他们无法从中获得任何量子。这意味着振荡器必须处在类似自动柜员机吐现的基态，只以零点运动状态轻摇。随后，研究人员把振荡器设在一个量子能量的状态。他们甚至可以让振荡器同时达到两种状态，以致于它实际上同时是以两个不同的量运动。

这个计划的独创性在于振荡器的设计和利用一个量子比特来控制振荡器。事实上，2009年，这个研究小组利用一个相位量子比特把量子送入一个长长的超导金属条，这个金属会与微波共振，就像管风琴与声音共振一样。解决了问题之后，该组成员用自己设计的机械振荡器取代了微波腔体，此举让其他物理学家直拍脑门叹息，懊恼没有机会自己亲眼见证获得量子。有什么用呢？在基础研究领域，简单的量子机或许能用来制造超灵敏探测器或用来生成光量子态。最重大的是，量子机或许能帮助测试量子理论与我们现实感的极限范围。为什么一辆车或一个人不能同时出现在两个略有不同的地方？是不是有什么原理阻止这种现象发生？要找到答案，有一种方法就是设法让一些大一点的物体处在这些量子态。

要实现这种量子力学试验还有很长的路要走。不过，其他研究小组已经在努力实现对人类大小物体的运动的量子控制。事实上，在路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德分别设立的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）在未来5年将要进行改造，改造之后将会设有能被激光冷却到运动基态的40千克的对镜，这可能使物理学家有机会尝试大规模实验。

但首先，物理学家必须实现机械物体的运动量子态。2010年，他们实现了。

——亚德里安•周（Adrian Cho）

2. 建立自己的基因组

今年，一项合成生物学的技术壮举在世界各地占据了头条新闻的位置。在被誉为生物学和生物技术的决定性时刻，马里兰州罗克维尔市和加利福尼亚州圣迭戈的克雷格-文特尔研究所（J. Craig Venter Institute, 简称JCVI）的研究人员创建了一个合成基因组，并把它插入到一个细菌内、代替细菌原有的DNA。这个新基因组促使细菌产生一组新的蛋白质。

合成基因组是天然基因组的拷贝，与天然基因组几乎相同，但最终，研究人员设想按客户要求设计合成基因组用来生产生物燃料、药品或其他有用的化学物质。也是在今年，为了实现上述目的，美国哈佛大学的研究人员提高了修改现有基因组的高通量方法，其他合成生物学家指出基于RNA的“开关”可以让细胞对某些特定信号反应的行为不同。

克雷格•文特尔和他的研究小组把从商店买来的DNA小片段建成了价值四千万美元的基因组。首先，他们在酵母菌中分阶段把这些合成DNA缝合在一起；然后，他们把缝合后的DNA移植到细菌里取代原有的基因组。

虽然不是像媒体宣称的真正的“人工生命”，这一成功促使国会举行了一次听证会，促使一个总统委员会举行了有关合成生物学伦理的一次审查。

但是，这并不是城里唯一的合成生物学的游戏。2009年，哈佛大学的乔治•丘奇（George Church）推出了一种叫做多重基因组工程的技术，这项技术每隔几个小时把多股DNA加入细菌，迅速生成了含有被普遍改造过的基因组的基因工程有机体。今年，他的研究小组想出了制造用于修改基因组的DNA链的更廉价的一个方法，希望这种方法在工业用途上成本效益更好。

加州理工学院的奈尔斯•皮尔斯（Niles Pierce）、斯坦福大学的克里丝蒂娜•斯莫基（Christina Smolke）和波士顿大学的詹姆斯•柯林斯（James Collins）领导各自的研究小组想出了办法，通过修改细胞的调控途径来改变细胞的行为。在某些情况下，他们加入特别设计的RNA分子，这种分子可以在与癌症或发炎有关的细胞里感知到分子。一旦出现这种情况，它们会导致细胞产生一种蛋白质，这种蛋白质可能让细胞对药物敏感或使其发生编程性细胞死亡。另一个小组造出了一个核糖开关，导致细菌去寻找和摧毁阿特拉津除草剂。这些方法比合成基因组和修改过的基因组更具有实际应用意义。

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重建生命。含有合成基因组的细菌的扫描电子显微镜图像。 CREDIT: TOM DEERINCK AND MARK ELLISMAN/THE NATIONAL CENTER FOR MICROSCOPY AND IMAGING RESEARCH, THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO

3. 解读尼安德特人基因组 十三年前，研究人员测序了一名尼安德特人的一些线粒体DNA片段，这项进展成为世界各地的新闻头条。今年，研究人员公开了尼安德特人核基因组的一个草图，以及对这30亿个DNA碱基揭示这些已灭绝人类和我们人类进化过程的第一次分析结果。通过用新的方法对古DNA降解片段进行测序（见“十年见解总结”，第1616 页），研究人员把38000年到44000年前居住在克罗地亚的三个女性尼安德特人的DNA接合成一个复合序列，以重建约三分之二的尼安德特人完整基因组。科学家们第一次可以详细比较尼安德特人的基因组与现代人类的基因组。

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In a new window DNA中的世界。一些现存的人种可能祖先是尼安德特人。CREDIT: JOE MCNALLY

通过解读这个序列，研究人员得出结论，认为现代欧洲人和亚洲人——但不是非洲人——有1％到4％遗传了尼安德特人的基因。显然，至少8万年前离开非洲后、但在迁移到欧洲和亚洲之前，尼安德特人与现代人类有过异种交配。如果属实，这一惊人的发现挑战了这样一个模型：认为现代人类走出非洲横扫世界，没有经过异种交配就完全取代了诸如尼安德特人的古人类。

尼安德特人基因组也给研究人员提供了一个强大的新工具，用来寻找人类从尼安德特人分离出去后最近在人体内进化的基因。这个基因目录里包括编码对伤口愈合、精子鞭毛的跳动、基因转录很重要的蛋白质的基因的78个差异。几个编码蛋白质在皮肤、汗腺、发根叶鞘以及皮肤色素沉着得到表达——所有的差异都是现代人类在分散到全球的过程中对新的气候和新的环境的适应。

研究人员还发现人类和尼安德特人有所不同的15个兴趣区，包括在认知和骨骼发育方面发挥重要作用的基因。其中一些基因在人类里发生变异，有助于治疗精神分裂症、唐氏综合症、自闭症或像畸形锁骨和钟形肋骨之类的骨骼畸形病。

研究人员集中研究区分我们人类与尼安德特的几个基因的同时，也在试图破译遗传密码的差异如何改变实验室产生的蛋白质。今年，科学家把11对单肽插入到真核细胞中，来测试基因表达的差异。运气好的话，他们或许能找到让我们生存下来而让尼安德特人灭绝的一些基因。

4. 新一代基因组学 2010年，基因组学的研究人员品尝到了大规模并行测序技术的成果。过去5年来，更廉价、更快捷的“下一代”机器已经得以立足；今年，他们在几个大项目中都取得了重要成果。 “千人基因组计划”是个一个雄心勃勃的尝试，旨在找出存在于至少1％人类体内的所有单碱基差异，又叫单核苷酸多态性（SNPs）。今年，这项计划完成了三个试点研究，一共确定了1500万个SNPs，其中包括850万新的SNPs。这些信息将帮助科学家追踪引发疾病的基因突变。研究人员还完成了对果蝇（Drosophila melanogaster）和线虫（Caenorhabditis elegans）基因组的所有功能元件的编目；预计结果将在今年年底发布。在人类DNA中，来自现代人类已知最古老谱系的狩猎-采集部落的两个非洲人的完整基因组序列，证实了这些部落内广泛的遗传多样性。

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In a new windowCREDIT: STEVEN EVANS/WIKIPEDIA

研究人员还制作出了尼安德特人基因组的一个草图（见第1605页），并且破译了保存在格陵兰岛永久冻土层里的4000年前的头发的基因组。丰富的结果还包括对所有转录的DNA——即所谓的转录组——和蛋白质-DNA相互作用的调查，以及对基因表达的评估和对罕见疾病基因的鉴定。

5. 效率提高了的细胞再编程

通过加入额外的基因拷贝来改变细胞的命运已成为世界各地实验室的惯例。这项技术被称为细胞再编程，它使科学家们能回拨细胞发育时钟，使得成体细胞像胚胎干细胞一样工作（见“十年见解总结”，第1612页）。由此产生的诱导多能干细胞（简称iPSCs）正在帮助科学家们研究多种疾病，或许有一天能通过给患者提供基因匹配的替代细胞来帮助治疗。

今年，科学家们发现一种方法，使得用合成RNA分子再编程变得更容易。合成RNA是为了避开细胞通常用来攻击外来RNA的抗病毒防御。这项技术的速度是标准技术的两倍，效率是普通技术的100倍。而且由于RNA快速分解，经过再编程的细胞在基因上与源细胞完全相同，因此在用于治疗时可能更安全。

早期证据表明，与普通方法相比，利用RNA的细胞再编程法编程得更彻底，生成与胚胎干细胞更相近的配对。这种方法也可以促使细胞变成非胚胎类型的细胞。例如，通过把合成RNA插入为肌肉组织中一个关键基因编码的一个细胞，研究人员可以把纤维母细胞和诱导多能干细胞变成肌肉细胞。

drjiangbo · 发表于 2011-1-13 12:26:12

本帖最后由 drjiangbo 于 2011-1-13 12:26 编辑

6. 追踪迷途的基因 今年，研究罕见遗传疾病的科学家们偶然发现一个有效战略，能找到肇事DNA。通过采用廉价的测序技术和一条捷径——只测序告诉细胞如何构建蛋白质的基因组的1％，他们找到了治疗之前研究人员无法找到的几种疾病的方法。过去追查孟德尔疾病或由单个基因突变引起的疾病的病因的方法是研究家族中的DNA遗传模式。但是当找不到患有此病的亲属，或者基因突变不遗传而是自发出现的时候，这种方法就不起作用了。

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In a new window CREDIT: MURAT GUNEL

2009年底，遗传学家开始只是测序孟德尔疾病患者的外显子或编码蛋白质的DNA。（有几个研究小组测序了患者的整个基因组。）这种“外显子组”测序的结果是生成基因突变的一长串名单，随后科学家对这个名单进行筛选，无视那些不改变蛋白质结构或很多人携带的突变。最终的结果是：故障DNA是至少十几种神秘疾病的病因，其中包括导致严重大脑畸形、极低胆固醇水平以及看上去好似化妆了的日本歌舞伎表演者的面部畸形的基因。

寻找罕见疾病背后的基因可以帮助更好地诊断和治疗，并有助于人类生物学产生新见解。科学家们希望利用外显子组测序找出已知7000种疾病中一半的病因，或是还没有遗传解释但有可能是基因造成的孟德尔疾病的病因。

7. 量子模拟器通过第一次关键测试 就像偷偷带计算器参加小测验的学生一样，物理学家们发现了一个快捷的方法来解决棘手的数学问题。今年，他们发现量子模拟器可以迅速解决凝聚态物理学的问题，这个量子模拟器通常是模拟晶体，其中的激光点扮演晶体离子的角色而光点中的原子扮演电子的角色。物理学家们通常发明理论模型用来解释实验。他们可能把一个磁性晶体近似看作一个三维点阵列，其中电子在各点上通过各自的磁场相互作用。理论家可以记下一个叫哈密顿的数学函数来编码这种理想化状态。但是，“解答”一个揭示系统如何运行的哈密顿函数可能很难，这里的运行有可能是指在什么条件下电子会对齐以磁化水晶。

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In a new windowCREDIT: W. S. BAKR ET AL., SCIENCE 329, 547 (30 JULY 2010)

然而，量子物理学家可以根据某个哈密顿函数来定制一个量子模拟器，用实验来解决理论问题。有五个研究小组重新给出了之前已解决的四个哈密顿函数的结果。其中三个研究小组甚至画出了“相图”，类似于显示水变成气体、液体或固体的温度和气压的图。

物理学家们希望量子模拟器能解决未被解开的哈密顿函数，例如用于高温超导体的一个哈密顿函数。但首先他们必须证明这些量子模拟器能够重现已知结果。

8. 分子动力学模拟 有时候强制进攻是必须要经过的路，特别是在用电脑模拟蛋白质折叠时产生的波动时，尤其如此。这样的模拟是一个噩梦组合。一个蛋白质链中每两个相邻的氨基酸可以以两种不同的角度互相结合，各自都可以有三种构造。因此，一个含有100个氨基酸的简单蛋白质可以以3198种方式折叠。理解原子细节的过程更可怕。蛋白质在几毫秒或更短时间内就可以完成分类整理所有的可能性。而计算机花的时间要长得多。

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In a new windowCREDIT: © 2009 MATTHEW MONTEITH

研究蛋白质折叠的专家很早之前就求助于超级计算机。但是甚至这些庞然大物也要追踪到足够长的蛋白质运动才能模拟完整的折叠过程。两年前，美国的研究人员推出了一个配有特制的512兆芯片的新型超级计算机，以加快计算蛋白质中邻近原子与周围的水相互作用的方式。这使他们获得了另一次速度上的提高。结果，这个研究团队今年报告说，他们已经能够跟踪到一个小蛋白里原子的运动比之前长100倍，长得足以看到蛋白质如何在15次折叠和展开中蜿蜒前进。接下来，这个研究团队把目光转向配有1024兆和2048兆芯片的新机器，以期提高对较大蛋白质的模拟。

9. 大鼠归来 今天，大多数实验室的笼子里关着的都是小鼠，但是以前曾经首选是大鼠。其原因是：与小鼠相比，大鼠更像我们人类。例如：人的心脏一分钟跳动约70次；大鼠的心脏一分钟跳动300次；小鼠的心脏一分钟跳动700次。大鼠和人的心脏的电信号模式也很相似。大鼠比小鼠更聪明，也可能是研究阿尔茨海默氏症和帕金森氏综合症这些人类神经系统疾病更好的模型。而且对实验室工作来说，大鼠更大，也更容易操作。

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In a new window CREDIT: ISTOCKPHOTO

后来在1989年，研究人员学会了删除特定的基因来培养“基因剔除小鼠”。他们用的这种被称为胚胎干细胞同源重组的技术在大鼠身上并不起作用。因此，小鼠成为从发育生物学到药物研发等各项研究的首选实验动物。
这也可能通过。2009年，研究人员采用了一种以前用于果蝇和斑马鱼的方法来适应大鼠，这个方法用锌指核酸酶来剔除基因。今年8月，另一个研究小组宣布了一个好办法，用与培养基因剔除小鼠相同的遗传技巧来培养“基因剔除大鼠”。另外也是在今年，有几个研究团队报告了取得的进展：他们利用转座子——从基因组内一个位置跳到另一个位置的DNA序列——生成了具有基因突变的大鼠，这样的动物对发育生物学和疾病的研究非常有用。由于这种技术，基因剔除大鼠和转基因大鼠可能很快就会取代被关在世界各地实验室的笼子里的小表亲。

10. 预防艾滋病毒 从2009年艾滋病疫情开始爆发以来，37项试图预防艾滋病毒的大型研究中只有5项产生了令人信服的积极成果。今年7月和11月，对预防艾滋病毒的不同的、新的策略的两个试验取得了明确成功。几乎所有艾滋病研究人员都欢欣鼓舞。第一个试验结果在奥地利维也纳举行的拥挤的第十八届国际艾滋病大会上大出风头。含有艾滋病毒抗体药物泰诺福韦（tenofovir）的阴道凝胶在30个月内把高危女性感染艾滋病毒的可能性减少了39％。近900名南非女性参加了这项研究，有一半接受杀菌剂治疗，其他人接受惰性凝胶治疗。在“高度忠诚的跟随者”中，完全按说明使用杀菌剂的妇女，其疗效达到54％。

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In a new window CREDIT: JON COHEN

上个月，对口腔接触前预防的首次研究的成果更令人鼓舞，成为头条新闻。研究对象是来自六个国家的2499名男性和与男性有性关系的变性女性。其中一半被要求每天服用泰诺福韦和恩曲他滨（emtricitabine）的混合物特鲁瓦达（Truvada）。平均1.2年后，与服用安慰剂的人相比，接受治疗的人感染艾滋病的比例要少43.8％。同样，更严格遵从医嘱的人，疗效更好。在一个附属研究中，血液中的特鲁瓦达含量达到可测量水平的参与试验的患者，药效提高到了92％。
艾滋病研究人员说，这两种方法都不是神奇的子弹。但是与其他措施相结合，他们可以迎来一个预防艾滋病毒的新时代。

探索石油泄漏

在今年墨西哥湾为期三个月的大规模漏油事件期间，科学家们迅速提供了帮助。但并不总是那么容易。在这个地区的很多研究人员开始感觉自己不被需要；在协调学术界和政府科学家时遇到了难关；针对何时公开数据的冲突有时给公众传递了含混不清的信息。但是通过加强沟通，研究人员最终帮助设计了一些方法很好地处理了漏油并评估了漏油的规模。混乱的一个早期源头是对油井漏油量的估计互相冲突。起初，英国石油公司估计每天泄漏1000桶原油。学术科学家指责该公司估计过低，美国国家海洋和大气管理局的一名科学家研究了一个视频，指出漏油量比英国石油公司估计的大约要高出五倍。如果不同的科研小组分享了研究方法和数据的话，由此产生的科学辩论以及对确定英国石油公司罚款数目很关键的漏油量的公众混乱，或许已经得到缓解。最后，一个由政府科学家组成的特别工作组估计每天的漏油量为35000桶到60000桶，这个数字因井口加设的传感器变得更严峻。

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In a new window CREDIT: AP

由于石油继续涌出，学术科学家们跳上船，重新安排了他们的研究计划来调查泄漏的范围以及对湿地和野生生物的破坏。但是，缺乏协调孕育了紧张，研究人员对何时公布初步数据及猜测其含义多少发生了冲突。最引人注目的例子是5月15日惊讶地发现似乎是油柱的物体。当美国国家海洋和大气管理局局长简•卢布琴科（Jane Lubchenco）试图对初步调查结果发出警告时，研究人员和媒体抨击她压制科学发现（见7月2日《科学》第22页）。今年6月，美国国家海洋和大气管理局证实了油柱的存在。

最有争议的决定之一是使用分散剂避免石油接触并污染湿地和岛屿。一个专家小组召开了会议，建议政府批准了在深海使用空前量的分散剂，这似乎已经起了作用。

整体而言，这次石油泄漏事件似乎并不像开始担心的那样是个环境大灾难，至少对湿地和堰洲岛是如此。但是，还要经过几年才能知道所有的代价，特别是对深海生物而言。由英国石油公司设立的一个5亿美元的研究基金将帮助科学家判定这次漏油的长期影响。

——艾利克•斯托斯塔德（Erik Stokstad）

drjiangbo · 发表于 2011-1-13 12:27:17

本帖最后由 drjiangbo 于 2011-1-13 12:27 编辑

评分卡——给去年预测的科研热点打分

诱导多能干细胞 去年，我们预测把成体皮肤细胞再编程为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, 简称iPSC）的能力将会迎来一个以为患者量身培养的细胞系为基础的新的研究浪潮。2010年，研究人员从患有几十种疾病的病人身上培养出了新的细胞系。从患者身上制造出的诱导多能干细胞能被诱导变成不同的成熟细胞类型，这些诱导多能干细胞已经帮助了科学家们更好地理解雷特综合症、遗传心脏缺陷及其他疾病。但要找到如帕金森氏症或糖尿病这些更常见的疾病的治疗方法，仍然是一项进展中的工作。

宇宙射线眼

阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer, 简称AMS）的粒子探测器并没有按计划登上美国宇航局的太空梭进入太空，但是不管怎样，它过了有趣的一年。尽管注定要进入国际空间站，AMS在4月份获得最后一刻的设计更改，以致发射时间推迟了4个月，到11月才能发射。然后，在7月份，美国宇航局因为其他原因把发射太空梭的时间推迟到了2011年。现在AMS按计划将于2011年4月1日升入太空。绝非欺骗。

外显子组研究

这种只测序编码蛋白质的DNA的新的基因追踪法揭示了造成约十几种罕见疾病的迷途基因（见“年度进展后续”，第1606页）。但是外显子组测序还没有找到难以捉摸的基因突变，遗传学家希望用它来解释阿尔茨海默氏症、糖尿病和心脏病等常见疾病的失踪的遗传性。这些研究需要患者的成千上万个外显子组，到年底的时候，研究人员还在收集数据、分析结果。

生物化学战胜癌症？

安全一直是干涉癌症代谢的治疗方法的绊脚石。但在今年，一个初步试验给化合物二氯醋酸乙烯酯打了及格分。研究人员还揭示了癌细胞新的怪异代谢行为，可能会激发新的攻击通道。

人类太空飞行

正如预测的那样，奥巴马总统为美国的太空计划制定了一个新方向。但他的计划招致了国会的反对，最终国会只通过了一部分。奥巴马想取消布什政府每年耗资35亿美元的星座计划、改为在未来3年投资33亿美元研制商业航天器。在一个授权措施里，国会允许美国宇航局耗资13亿美元进行商业航天器研制，并要求宇航局像奥巴马提议的那样明年开始建立一个重型火箭，而不是到2015年以后才开始。国会也同意明年太空梭再飞行一次，而不是让它2010年就退休。

drjiangbo · 发表于 2011-1-13 12:28:05

本帖最后由 drjiangbo 于 2011-1-13 12:28 编辑

2010年新闻事件

对科学和科学政策来说，2010年是繁忙的一年。这里我们列举了一些测试我们知识极限和影响全球研究事业思维的新动向新发展。

一月：在一个长期公认的地震带发生的里氏7.0级地震造成一个高度脆弱人群的死亡人数超过20万。
二月：由于抗震建筑以及震中在海上，里氏8.8级的地震只造成不到500人死亡。
二月：IBM的研究人员创造出每秒钟开关1000亿次的石墨烯晶体管。
四月：面对知情同意的质疑，美国亚利桑那州立大学同意把DNA样本返还给哈瓦苏派（Havasupai）部落。
四月：“深水地平线”钻井平台爆炸，导致了墨西哥湾20500万加仑石油泄漏，引发了可能要持续几十年的对其后果的研究。
四月：研究人员评估了海底传感器电缆网——“海王星”计划——获得的第一批数据。
四月：克雷格-文特尔研究小组把合成基因组插入一个微生物中。
八月：美国联邦法官禁止美国政府资助干细胞研究。
夏季/秋季：可能是有史以来最严重的珊瑚白化破坏了加勒比海、印度洋和热带太平洋的珊瑚礁。
九月：历史学家揭露了自20世纪40年代以来在危地马拉进行的梅毒研究，美国政府为其道德沦丧而道歉。
九月：因为安全问题，美国和欧洲各国政府严格限制糖尿病药物文迪雅（Avandia）的使用，结束了长期以来的争论。
十月：霍乱疫情爆发，急剧上升失去控制。
十月：一个以监测大陆尺度长期变化的生态观测站网络NEON的样板网点建设完成。
十一月：研究发现，CT检查把吸烟者患肺癌死亡的几率降低了20％——但筛查是主要成本。
十一月：美国航空航天局延迟已久的平流层红外天文观测台（SOFIA）完成首次科学飞行。
十月：四个人死于直升机坠毁，其中包括法国保罗-埃米尔-维克多极地研究所的员工。
一月：联合国政府间气候变化专门委员会对夸大喜马拉雅山的冰川融化速度表示“遗憾”。
二月：政府拒绝转基因茄子进入市场。
三月：埃亚菲亚德拉冰盖火山喷发造成对空中旅行自第二次世界大战以来的最大破坏。
三月：根据古DNA发现新人种。
三月：非洲各国科学部长宣布2011-2020年为“非洲科学十年”。
四月：研究中心对研发国际热核实验反应堆（ITER）之后的聚变反应堆技术敞开大门。
四月：发展中世界最大的一个长期社会科学研究项目——“中国家庭动态跟踪调查”——开始。
五月：测序了尼安德特人的基因组。
六月：日本“隼鸟号”宇宙探测器在澳大利亚着陆，带回了小行星丝川（Itokawa）的尘埃。
七月：国际热核实验反应堆的聚变反应堆项目的资金投入被批准。
七月：国际艾滋病大会上公布了来自南非的第一批阳性HIV杀菌剂的试验结果。
八月：俄罗斯的野火蔓延到深受切尔诺贝利（Chornobyl）核泄漏灾难影响的地区，增加了人们对可能扩散辐射的忧虑。
九月：中国的独生子女政策30周年。
十月：《生物多样性公约》的各缔约方通过新目标，以保护生物多样性和敦促谨慎开展地球工程。
十月：以赤道几内亚总统特奥多罗•奥比昂（Teodoro Obiang）命名联合国教科文组织一个科学奖的计划因人权抗议而暂时搁置。
十月：第一次“海洋生物普查计划”的结果公布。
十月：英国科学避免大幅削减政府科研经费。
十月：联合国粮食及农业组织宣布一种使牛致命的疾病——牛瘟——结束。
十一月：中国推出世界上最快的超级计算机。
十二月：价格低廉的新型脑膜炎疫苗发布，以保护4.5亿人。
进行中的：中国深圳华大基因研究院破译了一只蚂蚁、一名古爱斯基摩人、人类甲基化组、以及人类肠道微生物组的基因目录，从而提高了其作为世界上最大的测序中心的声誉。