12月20日，美國《科學》雜誌發佈2018年度十大科學突破。
其中，在單細胞水平上追蹤生物體發育被列為十大突破之首，理由是相關技術“將改變未來10年的研究”。
1. 單細胞水平追蹤生物體發育
處於發育早期的斑馬魚胚胎。熒光標記突出了表達幫助決定細胞將變成何種類型的基因的細胞。圖片來源：J
至少從希波克拉底時代開始，生物學家便對單個細胞如何發育成擁有多個器官和數十億細胞的成年動物感到震驚。
古希臘的醫生曾假設，母親呼出的溼氣有助於塑造一個正在成長的嬰兒，但現在我們知道是DNA最終協調了細胞繁殖和特化的過程。
現在，正如樂譜指明絃樂、黃銅、打擊樂和木管樂器何時合奏來創造交響樂一樣，當單個細胞中的基因打開時，通過多種技術的組合可以揭示細胞如何發揮它們的特殊作用，能夠跟蹤生物體和器官在細胞演化的驚人細節。
推動這些進步的技術包括從活生物體中分離成千上萬完整細胞的技術，有效測序每個細胞中表達的遺傳物質，以及使用計算機來標記細胞，以重建它們在空間和時間的關係。
柏林Max Delbrück分子醫學中心的系統生物學家Nikolaus Rajewsky說，這種技術上的三重奏將“改變未來十年的研究”。
僅在今年，論文就詳細描述了扁形蟲、魚、青蛙和其他生物如何開始製造器官和附屬物。世界各地的研究小組正在應用這些技術來研究人類細胞在一生中如何成熟、組織如何再生以及細胞在疾病中如何變化。
分離成千上萬個單個細胞並測序每個細胞的遺傳物質的能力給研究人員提供了當時每個細胞中正在產生什麼RNA的快照。因為RNA序列是特定於產生它們的基因的，所以研究人員可以看到哪些基因是活躍的。這些活性基因決定了細胞的功能。
單細胞革命剛剛開始。
2. 來自遙遠星系的信使
埋在南極下面冰塊中的探測器插圖。它記錄了中微子觸發的罕見閃光。 圖片來源：JAMIE YANG
一些來自遙遠宇宙的信使加入由望遠鏡收集的光子，並揭示出光不能顯示的東西。所謂的信使，就是被稱為宇宙射線和重力波的高速粒子。
今年，另一位信使也加入了這個行列：中微子，一種微小的，幾乎無質量的粒子，它們非常難以探測。 在南極下方深達立方公里的冰層上被光探測器所覆蓋，用來記錄由中微子觸發的微弱閃光，這種閃光非常罕見。被稱為冰立方（IceCube）的大質量探測器曾記錄過許多中微子，有些來自銀河系之外，但沒有一個被固定在特定的宇宙源上。
2017年9月22日，一箇中微子與冰中的原子核相撞，光傳感器很好地確定了它來自的方向。幾天後，向其他望遠鏡發出警報。美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡根據這個信息發現了源頭，一個黑洞，中微子似乎來自那裡。它位於一個超大質量黑洞的中心，黑洞的引力加熱了圍繞著黑洞旋轉的氣體，使得物質發光，並從大漩渦中發射出粒子流。
研究人員非常肯定，在探測時爆炸的黑洞是中微子的來源，這是中微子望遠鏡首次發現星系外的來源。產生伽馬射線和中微子的黑子也可能產生其他高能粒子，如質子。這些超高能宇宙射線不時地轟擊地球，但它們的來源之前一直是個謎。
“冰立方”團隊等待著更多短暫的銀河系外信使。
3. 幾分鐘確定分子結構
科學家可利用微米大小的晶體（黑色）確定分子結構。 圖片來源：GONEN LAB
10月份，兩個研究小組同時發表了一些論文，揭示了一種在短短几分鐘內測定小型有機化合物分子結構的新方法，而不是傳統方法所需的天、周或月。
幾十年來，用於分子作圖的黃金標準一直是一種被稱為X射線晶體學的技術，它將一束X射線射向包含數百萬個以共同取向排列的分子的晶體，研究人員通過追蹤X射線從晶體中反射的方式，以識別單個原子，並分配它們在分子中的位置。
這些結構對於理解生物分子的行為以及藥物如何與它們相互作用是非常寶貴的。但是這種技術需要生長大約一粒沙子大小的晶體，這對於某些物質來說是一個主要障礙。
近年來，研究人員用電子束代替X射線，對衍射技術進行了改進。電子束瞄準目標生物分子的片狀2D晶體，通常是蛋白質。但在某些情況下，這些片層疊在一起，形成3D晶體，這對於普通電子衍射不起作用，並且對於X射線衍射來說太小了。
兩個研究小組——一個在美國，另一個在德國和瑞士——發現他們可以使用這種結晶。他們在旋轉臺上向一個微小的3D晶體發射一束電子束，並跟蹤衍射圖案如何隨著每個微小的轉動而改變。
這項新技術非常適合於定位小分子，如激素和潛在的藥物，對從合成和發現新藥物到設計分子探針以研究和跟蹤疾病的各個領域產生深遠的影響。
4. 冰河時代撞擊
小行星碎片落向格陵蘭島的計算機可視化圖像 圖片來源：NASA SCIENTIFIC VISUAL
一顆小行星曾像核彈的炮彈一樣轟擊格陵蘭島的西北部，瞬間使岩石蒸發，並在北極地區發出衝擊波。它留下的疤痕叫做Hiawatha，一個31公里寬的撞擊坑，足以容納華盛頓特區。
11月份，在航空雷達發現埋藏在厚達一公里的冰層下的隕石坑後，科學家們報道了這個驚人的發現。 Hiawatha隕石坑是地球上最大的25個隕石坑之一。
儘管不像6600萬年前在墨西哥鑿出一個200公里寬的隕石坑的恐龍殺手Chicxulub撞擊那樣具有災難性，但Hiawatha撞擊可能對全球氣候產生強有力的影響。來自撞擊的融水湧入北大西洋，可能通過阻止向歐洲西北部帶來暖流的輸送帶而導致溫度驟降。
雷達圖像顯示Hiawatha並不久遠，小行星撞擊可能是在13000年前。那將把這個影響與新仙女木事件聯繫起來，新仙女木是一場延續千年的全球冷卻事件，那是地球最近的一個冰河時代。
如果能夠證明Hiawatha撞擊發生在13000年前，它就會出現在人類橫穿新大陸，在北美追逐乳齒動物的時候。當他們抬起頭，看到撞擊時產生比太陽亮四倍的灼熱白色圓球，這種景象太令人震撼的。
5. #MeTo帶來大不同
科學界的性騷擾被低估並且在很大程度上遭到無視，直到最近。今年出現了變化的跡象。 圖片來源：DAR
今年6月，美國國家科學、工程和醫科學院發佈了一份具有里程碑意義的報告，內容涉及在學術科學、工程和醫學領域對婦女的性騷擾。
根據兩所大型大學系統最近的數據，研究得出結論，超過50%的女性教職員工和20%至50%的學生，視舞臺和場地而定，都遭受過性騷擾。
今年，一些機構採取了行動，受新聞曝光或受騷擾的學生和教職員工的正式投訴後，經過調查支持不法行為的指控後，解僱或驅逐了傑出的科學家。
同月，出版《科學》的AAS採取了一項政策，根據這項政策，被證明是性騷擾者的AAAS研究員可以被剝奪這一終身榮譽。
美國國家科學院院長在5月承諾，將探討如何將經過證實的騷擾者從聲望很高的隊伍中驅逐出去。
6. 古人“混血兒”
在俄羅斯丹尼索瓦谷的洞穴中發現的骨碎片。 圖片來源：THOMAS HIGHAM
一塊來自50000多年前的婦女的骨頭碎片揭示了兩個已經滅絕的古人類群體之間的驚人的聯繫。
從2012年在西伯利亞的一個洞穴中發現的骨骼中提取的古DNA顯示，這名婦女的母親是尼安德特人，她的父親是丹尼索瓦人。
研究人員知道丹尼索瓦人、尼安德特人和現代人曾經在冰河時代有過基因交流，這兩種古人類的基因都存在於今天的亞洲人和歐洲人中。
新的發現是丹尼索瓦人和尼安德特人相遇的親密證明。 德國萊比錫馬克斯·普朗克進化人類學研究所對骨骼的DNA進行測序後，確定它來自於一位女性。
她的線粒體DNA，幾乎完全從母親那裡遺傳而來，是一致的尼安德特人，因此研究人員得出結論，她是丹尼索瓦雄性和尼安德特雌性的第一代雜交後代。
通過基因組研究發現，她的父親也有一些尼安德特人的祖先。 同時這名婦女的尼安德特人基因更接近克羅地亞發現的尼安德特人的基因，而不是更接近西伯利亞早期尼安德特人的基因。
這表明不同的尼安德特人群體在西歐和西伯利亞之間多次來回遷移。為什麼丹尼索瓦人和尼安德特人在基因上保持不同？地理屏障可能起到了一定作用，但是研究人員需要來自不同地點的更古老的DNA來理解這些史前結合的真正影響。
目前，研究人員仍在對丹尼索瓦洞穴中發掘的材料進行研究。該研究負責人、古遺傳學家Viviane Slon表示，會繼續開展從洞穴沉積物中提取古人類DNA的工作，並希望從古基因組的探索中獲得各式各樣的獨特見解。
7. 法醫系譜學時代到來
Joseph James DeAngelo 圖片來源：PAUL KITAGAKI JR
四月份，警方宣佈逮捕了一名涉嫌最冷酷的案件的嫌疑犯：上世紀七八十年代在加利福尼亞州發生的一系列強姦和謀殺案。
這是一個驚人的發展，調查人員指認金州兇手的方式也是如此。他們通過將從犯罪現場之一回收的DNA數據上傳到公共譜系DNA數據庫，並確認了他的親屬。
此後，執法機構利用這一方法破獲了大約20起其他懸疑案件，開闢了一個新領域：法醫系譜學。
像Ancestry和23andMe這樣的私人DNA網站包含了數以百萬計的個人資料。這些資料可用來從共享的DNA片段中找到一個人的親屬，但是警方需要法庭命令才能使用這些數據。
在金州殺人案中，當局使用了一個公共的、簡潔的在線 DNA 數據庫：GEDMatch。它由得克薩斯州和佛羅里達州的兩個業餘系譜學家運行，任何人都可以提交DNA測試結果。
調查人員將犯罪現場的 DNA 圖譜上傳到數據庫後，找到了嫌疑人的幾個遠房親屬。於是，他們與一位系譜學家合作，利用公共記錄建造大型家庭樹，最終將證據指向了73歲的Joseph James DeAngelo。
他的年齡和位置與部分罪行相匹配，並且測序顯示犯罪現場 DNA 與DeAngelo的DNA相匹配。
今年秋天，遺傳學家報告說，60%的歐洲血統的美國人（他們構成了大多數祖先網站用戶）將在一個有100萬個樣本的數據庫中擁有第三個表親或近親，大約相當於GEDMatch的大小。
一旦數據庫達到300萬份檔案，超過90%的白人個體可以用類似的方法找到，即使他們從未進行過DNA測試。這讓一些倫理學家和遺傳學家感到震驚，他們認為這些家庭搜索侵犯了隱私，有可能誤認嫌疑人。
8. 基因沉默藥物獲批
短RNA分子附著在信使RNA（藍色）上，阻止蛋白質翻譯。 圖片來源：VAL ALTOUNIAN/
2018年，一種基於RNA干擾技術讓基因沉默機制的藥物，獲得了美國食品藥品監督管理局的批准。經過漫長等待，這個最終結果可能預示著一種靶向致病基因的新型藥物的誕生。
早在20多年前，兩名美國遺傳學家發現，短RNA分子可附著在信使RNA上，從而破壞基因的翻譯。這一進展為他們贏得了諾貝爾獎，但將其轉化為藥物的努力則遇到了障礙。
直到2008年，馬薩諸塞州劍橋市奧尼蘭姆製藥公司提出瞭解決方案：一種脂質納米顆粒，可保護基因沉默的RNA 並將其運送至肝臟。
在那裡，他們希望它可通過阻止蛋白質摺疊錯誤的產生，治療一種被稱為遺傳性轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性的罕見疾病。
該公司推出靜脈注射藥物 Onpattro。該藥物在2018年獲得美國和歐盟監管機構的批准，並以每年45萬美元的定價進入市場。
以色列女執事醫療中心發育生物學家Frank Slack說，這項批准以及2016年另一種基於RNA的藥物的批准，為該領域注入了活力，但讓RNA在包括心臟在內的某些組織中積累將是一個挑戰，奧尼蘭姆的成功或許“剛剛打開了洪水之門”。
9. 原始世界的“分子窗口”
今年，科學家們從生活在5億多年前的生物身上發現了分子痕跡，他們在一些已知最奇特的化石中發現了脂肪分子的特徵，這些化石被稱為埃迪卡拉紀（Ediacarans）的神秘生命形式。
70多年來，科學家們一直對伊迪卡拉化石令人困惑的形狀感到困惑。有些像葉子，有些像地球上從未有過的生物。古代海洋生物是植物還是動物？或者一些完全不同的生命形式？
堪培拉澳大利亞國立大學的研究人員想知道他們是否能從一些特殊的化石中提取化學線索，這些化石儘管有5.5億年的歷史，但仍然保存著一層看起來像有機物質的薄膜。
這些化石來自俄羅斯西北部白海海岸的懸崖，他們從岩石中取出薄膜，溶解它，並用氣相色譜和質譜法尋找保存的有機分子。
研究人員在一月份報道說，他們發現了高水平的藿烷，這些分子表明這些球是藍細菌的菌落。這一成功給了他們勇氣去嘗試這項技術在一個叫狄金森尼亞的生物化石上的技術，狄金森尼亞是埃迪卡拉最著名的物種之一。橢圓形的，大約半米長，像一個棉被浴墊。
九月，研究小組報告說狄金森化石含有膽固醇類分子的痕跡，這是動物生命的一個標誌。這與其他證據相吻合，表明至少有些伊迪卡拉是地球上最早的動物之一。
迪金森尼亞化石是一把鑰匙，有助於理解以細菌為主的世界如何演化到“寒武紀大爆發”後的大型動物世界。
10月，另一研究團隊在來自6.6億到6.35億年前的岩石中發現了一種現今只有海綿製造的分子，這表明海綿這種形式的動物可能比已有最古老的可識別化石早進化了一億年。
10. 細胞如何自我管理
蛋白質能分離或濃縮成離散的液滴。 圖片來源：E.M. LANGDON ET AL., SCIEN
細胞內的多個參與者如何聚集在正確的位置和時間來執行關鍵功能？生物學家逐漸意識到，答案是液滴。
但他們直到最近才發現，液滴在細胞中無處不在，組織（有時甚至搞亂）細胞工作。 數以萬計的蛋白質和其他分子聚集在細胞質中，細胞質是包圍細胞核的厚厚的液體，經常相互擠壓，並作出反應以完成生命任務，從分解營養物到釋放能量到回收廢物。
從2009年開始，研究人員發現許多蛋白質能分離和濃縮成離散的液滴，尤其是當細胞對壓力作出反應時。這種“液-液相分離”，類似於醋油沙拉醬中的油和醋的“解體”，現在是細胞生物學中最熱門的話題之一，因為證據表明它能促進關鍵的生化反應，並且似乎是細胞的基本組織原理。
《自然》雜誌的2篇2017年論文顯示，細胞核中的液體蛋白滴有助於縮小基因組的區域，使基因組中的基因沉默。
今年，《科學》雜誌的三篇論文指出相分離具有更大的作用。他們展示了驅動遺傳密碼從DNA轉移到RNA的蛋白質——製造新蛋白的第一步——可以濃縮成附著在DNA上的小滴。這些研究揭示了相分離在生命的基本奧秘之一——基因的選擇性表達——中的作用。
生物物理學家正在研究這些水滴是如何形成的。某些種類的蛋白質帶有面條狀的尾巴，這些尾巴相互作用，從而觸發凝結。但是，當這個過程出錯時，液體會變成凝膠，凝膠可以凝固，形成神經變性疾病如肌萎縮側索硬化症所見的聚集物。3月份的一篇科學論文顯示，當這些蛋白質被不恰當地從細胞核中排除出來時，就會發生這種情況。
四月份，《細胞》雜誌的四篇論文揭示了溶解有毒聚集體的可能措施，現在幾個實驗室正試圖利用這一知識來發現治療神經退行性疾病的藥物。
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