美國明尼蘇達大學心血管修復中心科學家1月13日在《自然—醫學》雜誌在線版發表論文稱,他們通過給「脫細胞化」處理後的動物屍體心臟注入活細胞,成功地使這些心臟恢復了跳動.這是器官移植研究領域的重大突破,也是人類首次在生物體外用組織培養出完整器官.
由英國、義大利和西班牙三國科學家組成的研究小組則利用部分由成人幹細胞培養的氣管,於6月12日成功為30歲西班牙女患者實施了器官移植,術後反應良好.這是世界上第一例成功移植用患者自身幹細胞再造器官的病例,證實了成人幹細胞與經過重新改造的生物材料結合,能夠用來定製人體器官,治療以往難以治癒的頑症.
二、首次人工構建完整基因組美國克雷格·文特爾研究所科學家1月24日在《科學》雜誌在線版刊登文章稱,他們通過合成生殖支原體細菌JCVI—1.0中的58.297萬個鹼基對,成功製造出生殖支原體的完整基因組,創造了目前世界最大的人工合成DNA組織,成為合成基因組學的又一大突破.該成果使人類以化學方法製造DNA片段成為可能,並為合成與複製DNA的技術提供了新方法.
三、電路世界存在第四種基本元件美國惠普公司實驗室研究人員在5月1日出版的《自然》雜誌上發表論文,宣稱電路世界中存在第四種基本元件———記憶電阻器,並成功設計出世界首個能工作的憶阻器原型.這種元件即使在被關閉的情況下仍然具備記憶自身歷史的功能.這項重大發現將對電子科學的發展歷程產生重大影響.
四、「鳳凰」號確認火星有水7月31日,「鳳凰」號火星探測器項目小組宣布,「鳳凰」號在加熱火星土壤樣本時鑑別出有水蒸氣產生,從而確認火星上有水存在.除發掘到水冰外,「鳳凰」號還探測到了碳酸鈣和某種黏土的層狀顆粒,並發現了高氯酸鹽.這些成果將幫助專家進一步推斷火星現在或者以前是否有適宜生命存在的環境.
五、受活腦組織控制的機器人問世英國雷丁大學科學家8月13日展示了他們研製的全球首個受活腦組織控制的生物化機器人米特·戈登,其原始大腦灰質由人工培育的30萬個老鼠神經元聚合而成.這項實驗科研和醫學意義深遠,目的是探索天然智能和人工智慧之間逐漸趨於模糊的界限,揭示人腦奧秘,可能有助於找到對抗神經退化性疾病(包括早老性痴呆症和帕金森症等)的有效治療方法.
六、發現新的三夸克粒子美國費米國家加速器實驗室9月初宣布,在對撞實驗中發現一種新型粒子———歐米伽 b重子,這是迄今為止物理學界發現的質量最大的重子.該粒子與常見的由第一類夸克(上、下夸克)組成的質子和中子不同,由2個奇異夸克和1個底夸克組成,這是人類首次發現由後兩類夸克混合組成的重子,從而證實了夸克模型的成功.這一成果對於逐步認識夸克組成物質的全貌,了解凝聚和分離夸克的亞原子力,以及完善重子周期表來說具有重大意義.
七、歐洲大型強子對撞機啟用歐洲核子研究中心的大型強子對撞機9月10日啟動,將第一束質子束流注入長達27 公裡的對撞機隧道,並貫穿了整個對撞機.雖然隨後的實驗進程因機械故障而暫停,但大型強子對撞機的啟用具有裡程碑意義,可望創造出與宇宙大爆炸之後萬億分之一秒時的狀態相類似的條件,為研究宇宙起源和各種基本粒子特性提供強有力的手段.
八、中國航天員實現太空漫步9月25日21時10分04秒,發射神舟七號的長徵二號F型火箭點火成功,搭載3名中國航天員的飛船騰空而起.9月27日16時41分00秒,航天員翟志剛身穿中國自行研製的「飛天」艙外航天服,首度實施空間出艙活動,在茫茫太空第一次留下中國人的足跡.
九、物質第五態研究獲突破性進展德國美因茨大學科學家10月19日在《自然—物理學》在線版發表論文宣稱,他們對物質第五態的研究取得突破性進展,開發出高解析度掃描電子顯微鏡,首次成功觀察到「玻色—愛因斯坦冷凝物」中單個原子的空間分布,豎立起一座新的裡程碑,這一成果將加深對物質第五態的了解.
十、看到系外行星「真面目」美國天文學家11月13日發表一組太陽系外4顆新發現行星的照片,這是人類首次直接拍攝到太陽系外行星照片,從而在弄清太陽系以外是否存在類地行星,以及其上是否有生命存在的道路上邁出重要一步.
多年來一直致力於以天然生物材料為平臺,採取去除已死細胞,保留原有結構,注入鮮活細胞方式,再造人體器官的研究人員,今年著實火了兩把.
年初,美國科學家藉助活細胞使大鼠的死心臟在4天後開始收縮,8天後恢復跳動,成功培養出全球首顆可在體外自我生長的活體心臟.
年末,歐洲三國科學家聯手成功實施世界首例定製器官移植手術,為一位氣管受損的30歲女子移植了用自體幹細胞培植而成的氣管.
這兩項研究的共同之處是採用換細胞、留框架的全器官脫細胞化法,先將死鼠心臟或人體氣管的現有細胞清除,只留下被漂白的,由細胞分泌蛋白質組成的細胞外基質基本支架,隨後再向內注入所需活細胞,放入營養液中進行培養.美國科學家注入的是取自老鼠胚胎的心臟細胞,同時採用心臟供血方式泵入營養液,最終使原已停跳的心臟恢復跳動,強度相當於成年老鼠心臟的2%%.
雖然在實驗室內培植心臟活組織現已取得長足進展,但賦予生物性的人造心臟鮮活 「生命」,這還是第一次,展現出修復受損心臟以及把這種技術推而廣之到其他器官的可能,為全世界數百萬心力衰竭患者恢復健康帶來希望.只要把供體心臟的原有細胞去除,植入病患本人的幹細胞,再把定製出的人造生物心植入患者體內,「新心」就會取代「舊心」,照常跳動.
全球首例定製氣管移植手術則是先從供體身上(一位因腦溢血死亡的51歲女患者)切除部分氣管,進行脫細胞化處理,再從病患身上提取骨髓幹細胞,培養出作為氣管壁的軟骨細胞,讓其在膠原支架上長成氣管,再用外科手術將這根量身定做的5釐米長氣管嫁接到病患受損的左側主支氣管上.術後12天,患者安然出院,身體至今未出任何不適,過著正常生活,可以一氣登上2樓,甚至還出門跳過一夜舞.
這兩個成功例子讓科學家信心大增,將打開藉助脫細胞化處理技術,人工量身定製任何器官的大門.按照這種換細胞、留框架的模式,完全可以培育出腎、肝、肺、心、胰腺等任何器官,幫助人類實現「定製器官」的夢想,解決移植器官的來源問題,更有望免除排斥反應.
2.距造細胞只剩最後一步 首次人工構建完整基因組多年來,美國文特爾研究小組一直從事人造生命的研究,具體分為三個步驟:
第一步,製造出搭建DNA所需的4種DNA鹼基,併合成數百萬DNA片段;
第二步,將這些片斷組裝成DNA鏈,並形成完整的基因組;
第三步,將合成的基因組注入剔除了遺傳物質的細胞,激活人造細胞.
2007年7月,他們完成了第一步,引起世界轟動.
2008年1月,成功製造出生殖支原體細菌的所有基因,合成人體生殖支原體的完整染色體,完成了「三步走」中的第二步,使人類距離合成生物學的最終目標———合成能夠獨立成活並能自我複製的細胞,只有一步之遙.
從無到有地製造新生命形式的能力,無疑將對社會產生深遠影響.它將帶來全新的科學視野,徹底解開生命起源之謎.還會帶來巨大商機,利用人造細胞可以製造出人類目前無法製造的化學物質,用來修復身體創傷,清除汙染,清掃血管,有效製造藥物和生物燃料,精確輸送藥物等.人造生命如果獲得成功,現代工程學遇到的許多問題也將迎刃而解.
3.尋獲下落不明的憶阻器 電路世界存在第四種基本元件基礎研究成果在走向實用化,引起社會巨大變革之前,往往都是寂寞開無主,常年坐在冷板凳上獨自咀嚼孤寂.
曾經引起巨大技術變革,進而深刻影響社會的電晶體就是如此.雖然早在1925年電晶體就被發現,但直到20世紀50年代得到貝爾實驗室的慧眼賞識,才大放異彩.
現在,另外一種新型電子元件———憶阻器,極有可能步上電晶體的後塵,在電子行業引起深刻變革.
早在37年前,非線性電路理論先驅,美國華裔科學家蔡少堂就在題為《憶阻器:下落不明的電路元件》的論文中給出了憶阻器的原始理論架構,預測存在第四種基本電子元件———憶阻器.
這項長時間被忽略的突破性研究成果得到美國惠普實驗室的重視,並對如何用納米技術生產憶阻器進行了深入研究,終於在2008年4月成功研製出世界首個憶阻器,發表以《尋獲下落不明的憶阻器》為題的論文,證實憶阻器確實存在,它通過電流的變化控制其阻值的變化,電阻是時間的函數,這將對計算及計算機科學產生深遠影響.如果將憶阻器的高阻值和低阻值分別定義為1和0,就可以通過二進位的方式存儲數據.
憶阻器代表了電路理論的根本變革,是繼電阻、電容、電感之後的第四種與磁通量和電荷相關的無源電路元件,使即開型PC以及模擬人腦式計算機成為可能,可用來構造新型的易失性隨機存取存儲器(RAM).
憶阻器誕生後,引起多方關注.11月底,加州大學,美國半導體行業協會和美國國家科學基金會共同舉辦了憶阻器及憶阻系統研討會,惠普實驗室在會上展示了憶阻器的最新進展———世界首個3D憶阻器混合晶片.這個構建了電晶體和憶阻器的集成混合電路,具有動搖整個硬體行業的潛力,有可能讓摩爾定律躍進一大步,過去由多個電晶體完成的工作,現在只需一個憶阻器就能搞定.惠普同時還發布了將憶阻器作為神經元運算架構突觸的設計,提出,憶阻器縱橫閂比人類大腦皮層突觸密集10倍,是能模擬人腦的最新技術,惠普已與美國國防高級研究計劃局達成協議,共同構建世界首個基於憶阻器的人工神經網絡.
由於憶阻器將給計算機的製造和運行方式帶來革命性變革,被美國《時代》周刊評為2008年50項最佳發明,併入選美國《連線》雜誌2008年十大科技突破.
4.火星曾有個「水世界」 「鳳凰」號確認火星有水火星上到底有沒有水?這個謎底終於隨著今年美國宇航局「鳳凰」號探測火星任務的完滿終結而蓋棺定論.
美國宇航局7月31日宣布,在「鳳凰」號探測器加熱火星土壤樣本時發現有水蒸氣產生,可以確認火星上確實有水.這對於多年來以找水為主要思路的火星探測來說,無疑是一個具有裡程碑意義的成果.
早在上世紀70年代,一些繞火星飛行的探測器就發現,火星地表有一些奇特的「地貌 」,很像是曾被水衝刷過.而近些年,隨著「勇氣」號和「機遇」號火星車以及「火星勘測軌道飛行器」紛紛登陸或者近距離探測,「火星有水」的證據也越來越多:火星上曾經有過一個「水世界」,並可能存在過「鹹海」,火星某處峽谷中可能曾有水流過,火星可能曾有發達的水系……
「找水」成為了美國宇航局火星探測的主線,「鳳凰」號就是按這一探測目的量身定做的:它著陸在可能含冰的區域;它的挖掘工具能向地下深挖以找到冰或者其他化合物;它還攜帶了各種經特殊設計的實驗設備,以確定火星表面下的土壤成分.
除發掘到水冰外,「鳳凰」號在結束使命之前還給研究人員帶來了一連串意外驚喜.它發現火星上有鹼性土壤,記錄了火星降雪過程,拍攝了火星塵埃顆粒的原子尺度圖片.更重要的,它探測到了碳酸鈣和某種黏土的層狀顆粒,還發現了高氯酸鹽.前兩種礦物質的意義在於,它們只形成於支持生命存在的液態水中,而高氯酸鹽可支持一些微生物存在.這些成果將幫助專家進一步推斷火星現在或者以前是否有適宜生命存在的環境.
目前各國深空探測大多按照「先月球、後火星」的步驟開展,因此研究火星環境是否可能存在或支持生命,無論對於人類了解地球生命和太陽系的演化,還是對於未來火星探測乃至載人登陸都具有十分重要的意義.
5.給機器人安個活腦子 受活腦組織控制的機器人問世如何研究人—機界面?怎樣實現人工智慧?
英國雷丁大學科學家利用老鼠大腦,給機器人安了個聰明腦袋.
他們從老鼠胚胎中取出腦細胞,放入富含營養物的培養基,形成由30萬個老鼠神經元細胞聚合而成的原始大腦灰質,覆蓋在由60根電極組成的「多電極矩陣」(MEA)上,再藉助藍牙無線裝置將活腦組織與機器人的軀體接通,製成世界首個完全由生物腦控制的智能生物化機器人米特·戈登.
「多電極矩陣」是活腦組織和機器的接合面,大腦通過電子矩陣發出電子脈衝,指揮戈登行走,並接收感應器發出的脈衝,使戈登無需人為控制或電腦遙控.
設計者凱文·沃裡克教授是著名的人—機界面研究專家,重點研究如何實現人機相連,並試圖製造出無需預設程序,會從挫折中學習,能自己適應環境的智慧機器人.
戈登不負眾望,很快進入角色.實驗開始24小時,戈登的「大腦」神經元開始伸出突觸,彼此試探,建立連接.5天後,神經元會自發放電,進行交流.從一定程度上說,戈登能夠自學成才,逐漸養成學習的習慣.為了幫助戈登完成這一過程,研究人員利用不同的化學物質增強或抑制那些在特殊活動中活躍的神經通路.
這項開創性的項目致力於生物腦與機器人的融合,有助於揭開人腦奧秘,幫助了解大腦如何學習和記憶,具有深遠的科研和醫學意義.如,記憶如何形成,大腦如何保存複雜數據,包括研究大腦神經退化性疾病,探索生物組織如何能夠與非生命物質結合,形成完整的工作系統等.
6.它僅存在了一萬億分之一秒 發現新的三夸克粒子繼去年科學家發現由4個夸克組成的新複合粒子之後,基本粒子物理學領域今年又獲得引人注目的新進展.
美國費米國家加速器實驗室8月宣布,在對撞實驗中發現一種新型粒子———歐米伽b重子,這是迄今為止物理學界發現的質量最大的重子.這一發現也證實夸克模型是成功的.
重子是組成宇宙間各種物質的基石,最為人所知的重子是原子核中的質子與中子,這也是最輕的重子.雖然質子與中子構成了現今的大部分已知物質,但在天地之初,大爆炸之後不久的宇宙卻充斥著由更重夸克所組成的重子,因此,研究重子相當重要.
1961年,理論物理學家提出夸克模型,指出重子是由3個夸克組成的亞原子粒子.現代物理學認為,夸克共分6種3類:上夸克、下夸克;粲夸克、奇異夸克;頂夸克、底夸克.質子由兩個上夸克加一個下夸克組成,而中子的構成是兩個下夸克加一個上夸克,因此人類目前所接觸的物質都是由第一類夸克組成的.含有其他夸克的物質雖然在開創宇宙「大爆炸」後的一瞬間十分豐富,但現在只能通過高能物理實驗裝置才能獲得.費米國家加速器實驗室在2006年的對撞實驗中,就曾成功地發現了兩種罕見的粒子,一種是由兩個上夸克加一個底夸克組成,而另一種則是由兩個下夸克加一個底夸克組成,此次對撞實驗發現的新型粒子則是由2個奇異夸克和1個底夸克組成.這是物理學界首次發現由後兩類夸克混合組成的重子.
在實驗過程中,質子和反質子以接近光速迎面碰撞,偶爾會撞出歐米伽b重子這樣的重粒子.研究人員共分析了約100萬億次的粒子碰撞,才在其中發現18次歐米伽b重子衰變產生的「蹤跡」.這種粒子撞擊產生後,僅能存在一萬億分之一秒,隨即就衰變為其他粒子.
通過對該粒子的質量、產生和衰減特性的測量,科學家將能更好地理解將夸克緊密相連的強力.而新粒子的不斷被發現,對於逐步認識夸克組成物質的全貌,了解凝聚和分離夸克的亞原子力,以及完善重子周期表來說也具有重大意義.
7.期待微縮版「宇宙大爆炸」 歐洲大型強子對撞機啟用2008年在物理學界掀起最大波瀾的事件,無疑是歐洲核子研究中心大型強子對撞機的啟用.
一方面,它所涉及的人力、物力、財力和規模堪稱人類歷史上最大的物理實驗計劃.該項目耗資80億美元,籌備歷時近20年,來自80多個國家和地區的7000多名科學家參與了相關實驗項目,實驗將通過把高度活躍的質子以超快速度撞擊到一起,上演微縮版的「宇宙大爆炸」,目的是揭示宇宙起源,尋找希格斯玻色子,從而可能將物理學帶入一個全新時代.
另一方面,研究招致的批評和質疑聲也不絕於耳.部分歐美科學界人士認為,實驗產生的黑洞可以吞噬地球,或者強子對撞機會產生一類名為「奇異微子」的粒子,將地球變成一團沉寂、收縮的「奇異物質」.他們甚至到法院起訴資助該項目的 20個歐洲國家,要求停止或推遲這個項目.
在陣陣反對聲浪中,大型強子對撞機按部就班地完成了啟動前的準備工作.9月 10日,第一束質子束流注入長達27公裡的對撞機隧道,並貫穿了整個對撞機.但隨後的試驗進程一波三折.先是項目所用的計算機系統遭黑客入侵,17日和 19日,試運行的對撞機又先後出現電力故障和嚴重的氦洩漏事故,運作被迫停滯.歐洲核子研究中心經過反覆核查後宣布,原本預計進行的質子束第一次對撞最終推延到明年6月進行.
大型強子對撞機正式啟動質子束流碰撞後每秒將發生約6億次的粒子碰撞.儘管目前尚無法預知將會造就什麼新發現,但其數據分析結果無疑將有助於回答一些涉及自然和物質本質的基本問題,包括各種基本粒子的特性、物質質量的來源、各種作用力的統一、暗物質的本性、是否存在其他維度等.由此帶來的任何一項科學新發現,都彌足珍貴.
8.飛天夢掀開新篇章 中國航天員實現太空漫步鮮紅的旗幟、雪白的「飛天」服、銀色的飛船、深黑的蒼穹.當中國航天員翟志剛探身出艙,將自己的腳步「印」在太空的那一刻,全世界為之矚目,中華民族的飛天夢又掀開了新的篇章.
9月25日,中國通過第三次載人太空飛行任務———神舟七號,把3名航天員送入太空.
這次飛行任務的主要目的是,實施中國航天員首次空間出艙活動,突破和掌握出艙活動相關技術,開展衛星伴飛、衛星數據中繼等空間科學和技術試驗,為以後進一步掌握交會對接、長期自主飛行、短期有人照料的空間實驗室、永久性空間站等更先進技術打下了堅實的基礎.
9月27日16時41分,接到地面出艙指令的翟志剛緩緩開啟軌道艙艙門,首度實施空間出艙活動,他身上所穿的中國自行研製的第一套「飛天」艙外航天服,也首次在茫茫太空中「亮相」.太空中的翟志剛揮動鮮豔的五星紅旗,同地面控制中心通話.隨後,他取下飛船軌道艙外事先安裝好的固體潤滑材料試驗樣品,交給軌道艙內的航天員,接著在浩瀚的太空裡緩緩完成了歷時20分鐘的行走.
從2003年首次載人航天成功,中國成為繼俄羅斯和美國之後第三個獨立將人送入太空的國家,到去年10月「嫦娥一號」探月衛星的發射,再到今年3名航天員進入太空,並且進行了太空漫步,在短短5年時間裡,中國在太空領域所取得的突破以及在空間較量中所體現出來的實力令人震驚.美國《時代》周刊和《紐約時報》不約而同地將中國實現太空行走評選為2008年度十大科學發現之一.
9.原子的空間分布盡收眼底 物質第五態研究獲突破性進展「玻色－愛因斯坦凝聚」概念最早由印度物理學家玻色於1924年提出,後經愛因斯坦完善,將玻色對光子的統計方法推廣到原子,預言當溫度足夠低時,這類原子會出現相變,導致新的物質狀態產生,即「玻色-愛因斯坦凝聚」.
由於找不到合適的實驗體系以及受實驗技術所限,其早期研究進展緩慢.直到20世紀 90年代,雷射冷卻與囚禁中性原子技術得到極大發展,才為「玻色-愛因斯坦凝聚」的實現提供了條件.1995年,美國和德國的三位科學家使用氣態銣原子首次獲得「玻色-愛因斯坦凝聚」,並因此獲得2001年的諾貝爾物理學獎.由此,物質第五態研究邁出關鍵性一步,成為國際物理學界的研究熱點之一,目前全球己有近30個研究組在8種元素的稀薄原子氣中實現了玻色－愛因斯坦凝聚態.
2008年,德國物理學家在這個熱點研究領域又獲重大突破,開發出高解析度掃描電子顯微鏡,其空間解析度遠遠超過以往使用的任何方法,能以極細電子束掃描超冷原子云,使得最微小的結構都清晰可見,因此可用於繪製玻色－愛因斯坦冷凝物中的單個原子,深入研究物質第五態,同時,還成功地使光晶格的結構變得可見,只要將冷原子置於其中,就可藉著調控光晶格來操控原子間的位置,並利用這項技術,首次觀察到了玻色—愛因斯坦冷凝物中單個原子的空間分布.
玻色－愛因斯坦凝聚體具有奇特性質,通過對它的研究,可以研究原子間的相互作用力、外場等對物質凝聚過程及動力學的影響.這不僅對基礎研究有重要意義,而且在原子雷射、原子鐘、原子晶片技術、精密測量、量子計算機和納米技術等領域都有極好的應用前景,還能促進天體物理學的發展.
10.這張照片具有裡程碑意義 看到系外行星「真面目」茫茫宇宙,是否不止一個地球?
長期以來,天文學家一直不懈追尋,希圖找到地球的太陽系外近親.
截至2008年12月12日,已發現系外行星333顆,但基本都是通過間接手段,利用引力波現象等進行推斷.
今年年底,美國科學家給世人帶來了意外的驚喜:他們憑藉哈勃太空望遠鏡的超強視力,通過其高級測量攝像機上的日冕觀測儀,首次直接拍攝到一顆系外行星環繞「北落師門」恆星運轉,從而發現了這顆系外行星新成員———「北落師門b」.這是人類首次直接拍到系外行星的運動蹤跡,也是人類首次用照片證實太陽系外行星繞恆星運行,堪稱天文觀測史上裡程碑式的重大進展.
今年還有一件令全球矚目的重大天文事件值得一提:人類首次準確預測小行星撞地球.
10月6日,美國哈佛史密松天體物理中心宣布,格林尼治時間10月7日2時46分,一顆編號為2008TC3的小行星將由蘇丹北部上空進入地球大氣層並發生燃燒.
事後觀測表明,2008TC3如期而至,誤差時間只有15秒.能對直徑不足3米的小行星進行如此精確預測,並在臨撞階段進行觀測,這在人類歷史上還是第一次,2008TC3也因此成為人類歷史上第一顆被事先觀測到的撞地小行星.該成就將對今後小天體撞地的預報和預防工作起積極推動作用.一批頂尖天文學家已向聯合國提出撥款申請,以建立「太空衛士網」,監視、防範甚至摧毀在「碰撞路線」 上的小行星.