【导读】美国《科学》杂志于2014年12月18日公布了其评出的2014年十大科学突破，这是对全球科学研究每年一度的年终盘点，每条突破均附有科学杂志编辑的精彩点评。人造探测器首次登陆彗星被选为本年度最重要的科学突破，此外，埃博拉疫情则被《科学》杂志评为“年度崩溃事件”。小编将带领大家一同回顾。
罗塞塔任务：菲莱登陆彗星
彗星67P/“楚留莫夫－格拉希门克”开始喷射水汽，与地球上海洋中的水不同
经过多年的计划和十年的飞行，欧洲航天局（ESA）发射的罗塞塔号飞船终于抵达了67P/“楚留莫夫－格拉希门克”彗星，调查了着陆地点，分离其菲莱号探测器，成功实施了有史以来首次在一颗彗星表面进行的软着陆。
为了透视罗塞塔号飞船飞抵彗星67P的64亿千米的旅程耗费了多长时间，我们来比较一下，罗塞塔号10年前由法属圭亚那的阿里亚娜5号火箭发射的时间比Facebook的上线晚了一个月，但比iPhone1的上市早三年。当菲莱号探测器下降到彗星表面，随后在微重力下被弹开，最终在不是很理想的地点着陆，为其太阳能电板充电的时候，全世界都屏住了呼吸。尽管让人失望的是最初设计的把着陆器停泊在彗星上的工具没有发挥预期功能，但是这项探测任务即使不能完成全部目标，仍然很可能完成几乎所有目标，为科学家研究彗星如何对太阳系的形成做出贡献，提供重要的新信息。最近，我们得知彗星67P上的水的同位素比例与地球上发现的不同，这就排除了来自柯伊伯带的彗星（柯伊伯带是冥王星外的一个区域）曾为地球输送水的可能性。由于这个历史性的第一次彗星着陆，我们很高兴把罗塞塔号探测任务选为《科学》杂志2014年度重大科学突破。
——玛西娅•麦克纳特（Marcia McNutt）
懂合作的“机器人”不需要上司
能够机动调整队形的小型碟片状机器人仅仅是今年在自组织机器领域获得的进展的一项例子
机器人在与人类合作方面一直都表现得越来越出色，然而今年有好几支团队的研究表明，机器彼此之间也能合作，无需人类的监督。机器人学家一度还绞尽脑汁要改善机器人个体感知周围环境、对新的情况作出反应的能力，那时候，让一队队机器人各自执行任务似乎看起来还不到时候。可是在数年的努力后，研究者们开发出了新的软件，这些拥有交互能力的机器人能够合作完成基本的工作。
在其中一项研究中，一千个大小如同25美分硬币的机器人会像仪乐队一样聚在一起，构成方块、字母和其他平面队形。单单机器人的规模就要求使用廉价、易于运转的机器人，并且要能够高效地感知其他机器人的所在位置。在另一个研究项目中，10架四轴无人机用无线电向其他无人机发送自己的所在位置，调整路线，避免相撞，并成队形飞行，从而创造出会旋转的圆圈队形。第三组机器人则是从白蚁身上获得灵感，会按照编制的指令程序，合作建造简单的结构，它们会感知进度，再推断下一步需要做什么。在另一项实验中，一支机器人船队执行了相对复杂的团体机动动作，虽然这是在一台使用特殊的摄像系统追踪船只位置的中央计算机的指挥下实现的。
迄今为止，所有懂得合作的机器人都依赖那些关于周围环境和其他个体的相对简陋、局部的信息，但机器人和传感器都在迅速地改良。毫无疑问，未来会出现越来越多更加让人惊叹的、懂得合作的机器人。
——伊丽莎白•彭尼西（Elizabeth Pennisi）
鸟类的诞生
甚至在恐龙之中，羽毛也是普遍可见的，譬如说古林达羽龙，它们与鸟类并没有亲近的关系
雷克斯暴龙的那些走起路来隆隆作响的远亲要变成姿态灵活的蜂鸟和体态优雅的天鹅，可要费很大的力气。今年，进化生物学家推断出了从恐龙变成鸟类的这一惊人的进化转变的模式以及速度。
他们的分析使得近20年的化石发掘（主要是在中国）取得满意的结果。那些发掘显示，远在第一种鸟类出现之前，恐龙之中就多次出现过像鸟一样的新变化，尤其是羽毛。羽毛看起来不只是为了飞行，也是为了皮肤隔离、魅力展示，也可能是为了维持平衡。
在2014年，好几支团队*汇集和分析了众多恐龙和早期鸟类的化石、以及现存鸟类的数据，以便察看其他的鸟类特征有没有在恐龙身上出现过。有一项研究比较了150个物种中的850项形态特征；另一项研究测量了426个物种的腿骨厚度。这些研究发现，最终不断演变为鸟类的那些恐龙随着时间流逝，拥有更小、更纤细的骨骼。
一旦鸟类身体的轮廓成形后，新的鸟类物种出现得相当迅速，大概是因为它们有着更小的体型，使得它们能够找到某些食物和掩蔽处，而这是那些体型更大的远亲所无法办到的。鸟类腾空而起，然而是它们的恐龙祖先给予了良好的开端。
——伊丽莎白•彭尼西（Elizabeth Pennisi）
* 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所徐星和周忠和研究员等2014年12月在《科学》发表有关鸟类起源研究的综述文章，对这一热点研究领域近年来取得的重要进展进行了全面总结，指出恐龙向鸟类的转化已成为论证最详实的主要演化事件之一。
让人年轻的血浆是真的？
当年迈老鼠的循环系统与年轻老鼠的循环系统连结在一起时，年迈老鼠又健壮地成长了，具体原因尚不清楚
今年，在对于衰老有着深远含义的研究工作中，研究者表明，来自年轻老鼠的血液或血液成分能让年迈老鼠的肌肉与大脑恢复活力。假如这一研究结果对人类也有效——这个想法已经在测试之中——那么年轻血液里的某些因子能够提供抗衰老剂，人类早在胡安•庞塞•德莱昂探寻“青春之泉”的时候起，就在寻找这样的抗衰老剂。
这些研究发现来自于一些听起来怪异至极、能追溯到150年前的实验，当时的研究者将两只老鼠的皮肤缝合在一起，以便让它们的循环系统连结在一起。到了21世纪早期，为了研究干细胞，这一方法得到复兴。研究者发现，当他们把年轻老鼠与年迈老鼠的循环系统连结在一起时，年迈老鼠体内的肌肉干细胞能更好地再生肌肉。
2014年发表的研究工作加强了证据，表明年轻血液里的某些东西能逆转多项衰老迹象。一支研究团队研究了一种从年轻老鼠血液里分离出的名叫GDF11的因子，早已有研究表明这种因子能够让心脏恢复活力。他们发现GDF11也能提高年迈老鼠的肌肉力量与耐力，促进大脑神经元生长。另一支研究团队报告指出，年轻的血液——甚至是不含血细胞的血浆——都能提高年迈老鼠的空间记忆。
现在，在首次临床试验中，18名中老年阿尔兹海默氏症患者正在接受注射由年轻成年人捐献的血浆。等到明年的这个时候，我们也许能知道年轻血液是否能抗击阿尔兹海默氏症——人类最为恐惧的衰老疾病之一。
——乔斯琳•凯泽（Jocelyn Kaiser）
能模仿大脑的芯片
从大脑细胞网络中获得灵感的“神经形态”芯片也许能在视觉之类的数据密集型任务上有优越的表现
或许，约翰•冯•诺依曼终于遇到了匹敌的对手。将近70年之前，这位匈牙利出生的博学者草拟出了现代计算机的基本设计，有着分离的处理、存储与控制单元。然而在今年，IBM及其他公司的计算机工程师推出了一种极有前途的替代方案：第一种大尺寸“神经形态”芯片，设计意图是以更近似生物大脑的方式来处理信息。
基于冯•诺依曼提出的架构的芯片在执行成序列的逻辑运算方面（譬如电子制表和文字处理程序背后的运算）表现优异。但是碰到那些合并了巨量数据的任务（譬如视觉）时，它们就举步维艰了。
我们的大脑以一种迥然不同的方式运转。单个的神经元通过化学信号与数以千计的毗邻神经元进行联络，使得大脑能够平行处理海量信息。为了获得更高的效率，不同的大脑区域也各有专长。
大脑的这一网络由一千亿个细胞构成，彼此间通过一百万亿个突触连结，它能让“神经形态”芯片所能办到的任何事都相形见绌。然而，IBM公司最新的“正北”（TrueNorth）芯片包含54亿个晶体管和2.56亿个“突触”，而且IBM公司正在努力让多个“正北”芯片平铺连接在一起，从而建造出更加复杂的网络。未来，类似大脑的处理器将能够让机器视觉和环境监控等领域大为改观，从环绕全球的传感器中获得实时数据，再加以整合。
——罗伯特•F.瑟维斯（Robert F. Service）
可能治愈糖尿病的细胞
实验室制造出的人类胰腺β细胞产生了足量的胰岛素（绿色）在移植两周后治好了一只患糖尿病的老鼠
自从发现了人类胚胎干细胞起，研究者就希望利用胚胎干细胞对抗疾病。这一探索缓慢得令人气馁。比如说，在十多年的时间里，全球的众多实验室都在试图把胚胎干细胞转变成胰腺β细胞。β细胞会对上升的血糖做出反应，制造出胰岛素。而胰岛素是一种激素，允许细胞占用并使用葡萄糖。有一种自体免疫攻击会杀灭β细胞，导致Ⅰ型糖尿病；用实验室里生长的β细胞加以替换，也许能提供一种治疗方法。
今年，研究者比以前更靠近那一目标。两支研究团队发表了生长出近似人类β细胞的方法。一种途径对于胚胎干细胞及所谓的诱导性多功能干细胞——这种经过重编程的细胞可以由患者的皮肤细胞制备——都奏效。具体方法十分复杂，需要花费七周时间才能把干细胞转变成能制造胰岛素的细胞。但研究者能在500毫升的烧瓶里生长出两亿个近似β细胞的细胞——理论上，这种量足以治好一名病人。另一种方法要花费六周时间，开始的每两个胚胎干细胞能生成出一个近似β细胞的细胞。
要使用这些细胞治Ⅰ型糖尿病，研究者首先需要研发出保护它们免受自体免疫攻击的方法，正是那种攻击杀灭了β细胞。同时，这些按照具体要求生长的细胞给予了科学家一次前所未有的、在实验室里研究糖尿病的机遇。研究者早已着手比较那些从健康的实验对象的皮肤细胞制备出的β细胞和那些从糖尿病患者的皮肤细胞制备出的β细胞，希望能确定二者之间关键性的差别。
——格蕾琴•沃格尔（Gretchen Vogel）
欧洲的石洞艺术有了竞争对手
至少四万年前，人类早期艺术家将红色的颜料吹在双手上，在苏拉威西岛上创造出这幅石洞艺术
数十年来，游客们惊叹于印度尼西亚苏拉威西岛上的马罗斯洞穴内的史前壁画：用嘴巴为双手吹上红色颜料，印出手形图案，再夹杂上红色和深紫色绘出的罕见“猪鹿”图案。今年，这些壁画引发了更多惊叹声。科学家发现这些本以为是大约一万年前的壁画实际上年纪要翻上两番——起码与欧洲那处著名的石洞艺术一样古老。
这一发现能够重写人类心智发展中的一段关键阶段的历史。非洲人早在78000年前就在赤铁矿石块和鸵鸟蛋蛋壳上刻下几何图形。然而在欧洲，符号艺术最早似乎到35000至39000年前才繁荣发展，那儿的艺术家描绘栩栩如生的犀牛、马匹、狮子和女性图案，最为著名的就是法国的肖维岩洞壁画。某些考古学家主张，欧洲的创造性爆炸反映出人类能力的新飞跃，但其他学者认为，符号表达的能力早已在非洲获得发展，早在现代人离开非洲大陆，在全球生根发芽之前。
在印度尼西亚获得的新数据终结了欧洲在人类早期符号艺术上的垄断地位。通过测量壁画上形成的类似钟乳石的小型增生物中铀元素的放射性衰变，澳大利亚和印度尼西亚的研究者发现，最古老的手形图案至少有39900年之久，而动物图案起码有35400年的历史。假如这些数字准确的话，也就间接表明印度尼西亚的人类独立创造出了符号艺术，时间与欧洲岩洞的绘画者们一样早——或者说，现代人在大约六万年前离开非洲，散布至全球时，早已是聪慧的艺术家了。
——安•吉本斯（Ann Gibbons）
操纵记忆
通过用光照射老鼠的大脑细胞，研究者能够创造、擦除或改动老鼠的记忆
记忆有着易于改变的恶名声。我们的记忆会褪色，也会获取新的含义；有些时候，我们记住了从未发生过的事情。然而，当记忆遭到改变时，我们的大脑里发生了什么事，这点仍然是个谜团。
然而，近来科学家已经开始领会和修补记忆的物理基础。去年，在一项会让人联想到《美丽心灵的永恒阳光》和《盗梦空间》之类电影的研究工作中，研究者发现了运用光遗传学操纵老鼠的特定记忆的途径。光遗传学是一种强大的技术，通过用激光光束照射动物的大脑，触发神经细胞。在一系列实验中，研究者显示了他们能删除现存的记忆，也能“植入”错误的记忆。
今年，研究者更进一步：他们将老鼠记忆中的情绪内容从坏变成好，也能从好变成坏。比如说，在激光下，一只曾经将某间房子与受到电击联系起来的公鼠受到操纵，表现得好像曾经在那间房子里遇见过友善的母鼠似的。
这些实验中的老鼠是真的体验了逼真的错误记忆，还只是朦胧地感知到喜悦或恐惧？这点尚不清楚。这些发现是否能应用来欺诈人类熟知的记忆？这点同样不清楚。长久以来寻求的临床治疗方面的进展——譬如创伤后压力心理障碍症患者的治疗——仍然可能遥遥无期。然而，有一项是能确定的：一旦在科学剖析之外考虑记忆，记忆终于开始吐露它的秘密。
——艾米莉•安德伍德（Emily Underwood）
给予生命一张更大的遗传字母表
加利福尼亚州南部的一家实验室的研究者设计了特别的大肠杆菌将两个额外的遗传字母加入了它们的遗传字母表：X与Y
全球的研究者早已在设计好几对“非天然”的核苷酸碱基，力求在实验试管里，这些新碱基能容身于DNA的双螺旋结构。他们也设法让DNA的复印机——一种名叫DNA聚合酶的酶——复制一些这类新的碱基对，但从来没人让这些事在生物体中发生过——直至今年。
目前，大肠杆菌DNA内的新遗传字母没有任何含义，但原则上来说，研究者能够使用它们来创造出新设计的蛋白质，其中包含“非天然”的构建模块：正常DNA中的碱基编码而成的20种氨基酸之外的氨基酸。研究者此前已经用遗传学花招对天然DNA进行了那种操作。但添加全新的X-Y碱基对应该会让这个过程大为容易。对于药品和材料制造者来说，那可能是飞来鸿运。或许不单单这一项而已：今年，合成生物学家同样也在努力裁剪DNA，改动它的化学性质，创造出全新的催化剂。
最终，扩大后的遗传密码也能为一项更富学术性的追求服务，使得研究者能够测试那些配备上额外遗传字母的细菌是否会演变出新奇的能力，在它们的野生近亲上找不到的能力。那也许听上去像是一部反乌托邦高科技惊险小说的情节概要，但研究者说了无需担心：因为“非天然”的DNA字母在实验室之外并不存在，任何逃出实验室的细菌都会无法复制它们那人为扩大的遗传指令，也就无法把它们传递给后代。
——罗伯特•F.瑟维斯（Robert F. Service）
立方体卫星兴起
国际空间站上的一台卫星部署设备发射两台执行地球观测任务的立方体卫星（黑色长方形物体）
十年前，立方体卫星仅仅是教育工具，是大学生把一台简单的人造卫星发射进太空的方式。如今这些10厘米宽的盒子已经腾空起飞，它们用现成的技术建造，花费数十万美元，而不是数亿美元。今年已发射了75台立方体卫星，创了记录。不仅如此，这些小盒子开始执行真正的科学任务。
这种繁荣，大部分是由不断增长、经济上能够负担的进入太空的方式驱动的。立方体卫星能够搭乘商业机构或政府的那些运载更大型航天器的火箭的便车，或者，它们能够从国际太空站的舱门推入太空。这种速射式的发射速度鼓励了一些以前在太空领域从未见到过的做法：冒险。设计师能容忍一两次失败，并迅速恢复元气，继续发射卫星。随着技术进步，立方体卫星也能更换上更好的太阳能板、电池或处理器。
私人资金已经注意到这些卫星，资助“星球实验室”（Planet Labs）这类公司。那家公司用众多不断更换的立方体卫星来监测地球。它们的小型望远镜拍摄到的相片有着相对较差的空间分辨率——几米——但时间间隔较短。间谍机构也许不会心动，但“星球实验室”的数据对于监测森林消失、都市开发与河流改变已经足够有用。
接下来会出现什么：立方体卫星能一边测量，一边彼此联络。尤其在于，这样的立方体卫星群将会能够覆盖更广的区域，速度也更快，或者同时以多种波长监测地球表面。假如立方体卫星能奏效，它们会证明不仅小是美的，而且整体比部件的总和更加了不起。
——埃瑞克•韩德（Eric Hand）
（文档及图片来源：世界科学，译者：姚人杰。转载时略有删减。）声明：本文转载仅仅出于传播信息需要，并不代表本刊观点，亦无法证实其内容真实性；如其他媒体、网站或个人从本刊转载使用，须保留本刊注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如不希望被转载，或联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。
