透视2006十大科学进展

佩雷尔曼

　　庞加莱猜想获破解　荣誉归属已无悬念

　　自2002年11月起，几乎与世隔绝地工作的俄罗斯数学家佩雷尔曼在一个网络论文库上先后张贴三篇文章。

　　佩雷尔曼（Grigori Perelman）的文章公布三四年以后，数学家们终于相信他证明出了庞加莱猜想（参见南方周末2006年6月8日及9月8日相关报道）。

　　到了2006年，三个独立的小组写出报告填补了佩雷尔曼证明中缺失的关键细节。这三篇文章每篇都超过300页。

　　其中一篇出自密歇根大学的克莱纳（Bruce Kleiner）和洛特（John Lott），另一篇出自哥伦比亚大学的摩根（John Morgan）和华人数学家田刚。这两篇在几何化猜想上还比较粗略，但已足以铆定庞加莱猜想。

　　第三篇文章的作者是美国里海大学的曹怀东与中国中山大学的朱熹平。但是，迈克肯兹在《科学》上写道，这两位作者有欠慎重（less circumspect），他们宣称完成了“完整证明庞加莱猜想与瑟斯顿几何化猜想的第一个书面报告”。

　　迈克肯兹还写道：“在接受《纽约客》采访时，隐居的佩雷尔曼说他正从数学界退出，并对一些同行的道德标准放弃幻想。《纽约客》还画了幅对丘成桐不敬的漫画像，影射他曾为门生曹和朱索取过多功劳。后来，一些数学家说他们的话被《纽约客》歪曲了，丘成桐还表示要起诉。再后来，克莱纳和洛特指控说，曹和朱引用（copied）他们的一个证明却写成是原创，曹和朱于是发表了一个更正以承认前者的优先权。”

　　“2006年秋天，美国数学会打算在2007年1月新奥尔良召开的会议上组织一个关于庞加莱与几何化猜想的全明星讨论。但按照执行主席埃维（John Ewing）的说法，由于洛特的拒绝，这个努力失败了。埃维仍旧希望在将来的某个时间组织那样一次活动。”

　　2006年12月，曹和朱修改了他们的论文，在新版论文中提到了克莱纳和洛特的指控，并解释说未标注那个证明的出处是“疏忽所致”。

　　据《纽约时报》报道，丘成桐在一封电邮中说这一事件很“不幸”，但“即使进行了更正，这篇论文仍然就汉密尔顿和佩雷尔曼对庞加莱和瑟斯顿猜想的证明提供了很多重要的新细节和阐释（clarifications）”。

　　曹和朱还在新版论文中说，他们改变了论文的题目和摘要，以更好地反映他们的观点：“证明庞加莱猜想的功绩全部归于汉密尔顿和佩雷尔曼。”

　　美国哥伦比亚大学数学系教授张寿武认为，“放在国内背景中，他们俩（朱和曹）做出了这样的工作，极为了不起。特别是朱熹平，所处环境没有国外的好，他不仅看懂了，还能够作出自己的贡献。”这个评价应该是公允的。

　　由于一些国内媒体报道时不够谨慎，夸大了华人数学家的贡献，庞加莱猜想证明的成果归属曾经在数学界掀起轩然大波。“据我所知，曹和朱修改论文后，数学界对于庞加莱猜想证明的荣誉归属已经不存在什么问题。”一位华人数学家告诉本报。

　　●点评：陶哲轩（2006年菲尔兹奖得主、洛杉矶加州大学数学系教授）

　　我对相关历史和背景不够了解，很难评价丘成桐及其弟子们的贡献。但我读过佩雷尔曼的证明和相关阐述，印象至为深刻，我相信佩雷尔曼确实为庞加莱猜想提供了一个完全和正确的证明，贡献巨大。当然，他的工作建立在早先许多数学家的基础之上，特别是汉密尔顿。但如果没有佩雷尔曼，庞加莱猜想至少还要再过十年甚至更多时间才能解决。汉密尔顿、丘成桐和其他人为证明工作奠定了基础，但仍然缺失几个关键的思想和部分。

猛犸象

极地冰盖正在加速减少

　　从化石中取出DNA

　　研究人员用一种解码和分析DNA的新技术，从尼安德特人和猛犸象化石中捕获到遗传信息。

　　●点评：赖旭龙（中国地质大学（武汉）地球科学学院教授）

　　古DNA是化石和考古材料中所能获取的惟一的生物遗传信息。由于水解和氧化等降解因子的影响，古DNA总是以高度片段化的小分子量的形式存在于古代样品中，这无疑增加了研究的难度。古DNA实验方法自20世纪80年代以来的很长时间里没有大的突破，传统的方法既耗时又耗样品和试剂。

　　1997年《细胞》杂志报道了尼安德特人首例古DNA序列，该成果被评为当年十大科学进展之一，当时获得的古D NA长度仅378碱基对。2006年“化石DNA”再次入选年度科学进展，主要成就在于欧美国家几个实验室分别利用宏基因组学（metagenomics）和焦磷酸测序（pyrosequencing）等新技术获得了来自尼安德特人化石的65万和100万碱基对长度的古D NA序列，以及1300万碱基对的猛犸象化石D NA序列，其序列远远长于过去所获得的古D NA序列的长度。这些成果不仅对于揭示尼安德特人与现代人的演化关系以及猛犸象的分子谱系研究具有重要意义，更为重要的是给古D NA实验技术带来了一场革命，预示了该研究领域的广阔前景。

　　鱼迈出的第一步

　　一个鱼化石（T iktaalik）的发现为研究生命如何离开海洋登上陆地提供了一个窗口。这种鱼是有肢脊椎动物已知的最近亲。

　　●点评：陈均远（中国科学院南京地质古生物所研究员）

　　Tiktaalik还没有真正登陆。它还是以水中生活为主，是类似大鳄的远古生物。这的确是一个很重要的中间过渡形态。现在已经拥有了很多这种过渡形态的化石，比如在云南澄江动物群中就有更多的过渡群。其实早在陆地脊椎动物出现之前，已经有很多海洋生物登陆到陆地上面。对于脊椎动物来说，它们登陆受到的挑战更大，需要的时间也就更长。

　　隐身术的科学

　　虽然它看上去一点也不像哈利·波特的魔术披风，科学家制造的“隐身衣”是第一个将物体在视觉上屏蔽起来的装置。

　　●点评：何赛灵（浙江大学光及电磁波中心主任）

　　隐身是科幻中令人着迷的一种重要元素，而今有可能变为现实。这种由金属条和开口金属环构成的Metamaterial（特异介质）外壳可以导引电磁波绕过需要隐身的物体，对观察者来说这个外壳及内部物体就好像不存在一样，因而看不到它们。隐身外壳可以实现很多重要应用，如防止物体被探测到，防止物体被电磁波损害，使障碍物不阻挡观察者的视线。它的军事应用尤为重要，例如使飞机隐身等。目前科学家们提供的只是一个简单的实验模型，要在其他电磁波段实现完美隐身需要进一步努力。

　　隐身研究具有深层次意义。隐身所依赖的理论工具使得我们能够随意控制电磁波的流向，而当前正蓬勃发展的m etamaterial提供了物质可能，将来会有更多激动人心的新型应用出现。我国在metamaterial研究方面也非常积极，有专门的国家重点基础研究发展计划（973计划）项目。

　　黄斑变性患者的希望

　　2006年10月，《新英格兰医学杂志》发表了Ranibizumab治疗年龄相关性黄斑变性的两项三期临床试验结果：基因技术公司（Genentech）研制的这种单克隆抗体不仅使多数患者保持视力稳定，更有约1／3患者视力得到改善。该抗体在2006年已得到美国FDA批准，但患者每月需花费1950美元之多，目前研究人员正考察另一种相对便宜的抗体：Bevacizumab。

　　●点评：王雨生（第四军医大学西京医院眼科主任）

　　年龄相关性黄斑变性（AMD）现已成为我国老年人中4种主要致盲疾病之一，70岁以上人群发生率接近20％。以往针对A MD的治疗方法多以延缓视力进一步下降为目的，达不到有效控制疾病进程的要求。近年来研究者们发现，促进新生血管生长的V EGF蛋白在AMD进展过程中具有关键作用，因而提出了以V EGF为治疗靶点的策略。Ranibizumab是一种人源化的抗VEGF重组鼠单克隆抗体片段，可以非特异性地阻止血管渗漏和新生血管的形成。

　　除了治疗方面的成果，研究者们相信更重要的是在基因水平破译AMD，通过筛选易感基因高风险人群，进行早期干预，将有可能从根本上预防并治疗AMD。

　　冰盖在减少

　　科学家通过机载激光测高、卫星观测等手段发现，格陵兰冰盖每年至少消失掉1000亿吨，南极冰盖每年也大概减少了数百亿吨冰。

　　●点评：陆日宇（中国科学院大气物理所研究员）

　　随着全球变暖，冰川会融化，但最近的观测结果却给出了更为令人不安的事实：地球上两个大冰盖———格陵兰冰盖和南极冰盖———不仅在减少，而且正在加速减少！更令人担忧的是，科学家还不知道为什么目前在增暖还不显著的情况下，冰川却反应得如此敏感。

　　如果冰盖以这种异乎寻常的趋势继续减少，原来预想的要在几千年后被海水浸没的地区，如孟加拉国大部分地区，可能在几百年后就被海水浸没。此外，作为气候系统中的关键点，冰盖的减少可能会引起一连串连锁反应。摆在我们面前的问题是：通过这一连串反应，冰盖减少的速度会进一步加剧呢，还是会减缓下来？

　　生物多样性是如何形成的

　　从果蝇到蝴蝶，不同的动物帮助科学家发现导致新物种进化的遗传变化。

　　●点评：蒋志刚（中国科学院动物所研究员）

　　物种的形成与灭绝会影响物种多样性，从而影响生物多样性。著名理论生物学家罗伯特·梅20年前在《自然》杂志发表了一篇著名文章《有多少物种？》。很遗憾，我们到现在为止仍不知道地球上物种的确切数目。

　　新近的研究发现，物种形成竟然是那样简单：一个基因的碱基突变会使田鼠个体毛发颜色变淡，从而产生一个物种；一个基因活性的增加导致仙人掌地雀的喙增长，也产生新的物种。两种果蝇端始种的后代由于蛋白质结构的差异，两种蝴蝶的杂交后代由于表型的差异，都会与亲代产生生殖隔离———而生殖隔离是传统的物种形成的标准。

　　人们通常认为物种形成的途径是由于地理隔离导致被隔离种群的基因频率变化，然后导致种群的表型变化，最终产生生殖隔离而形成新的物种。由于涉及到地质变化，这个过程通常是缓慢的。现在的研究则表明，物种形成速度很快，并且不一定涉及地理隔离机制，遗传结构的变化可以在同一地点产生新的物种，即所谓的同域成种。于是，生物多样性的演化速率可能比我们想象得要快的多。

　　显微学的新前沿：

　　生物学家们借助新的显微技术观察到了小于200纳米的生物结构细节。

　　●点评：何士刚（中国科学院生物物理所研究员）

　　追踪单个蛋白质分子在细胞内的活动一直是生物学家的一个梦想。光对生物标本没有太大的伤害，用光学显微镜可以直接观察活动的细胞。但受物理规律的限制，光学显微镜不能看到小于200纳米的物体。电子显微镜虽然有很高分辨率，但必须将标本固定，不可能观察活动的细胞。

　　2006年，科学家们通过非常聪明的技术（主要是结合了激光和荧光标记）的应用，巧妙地躲避了物理学的限制，用光学显微镜来观察活单个蛋白质分子在细胞内的活动，使生物学家的梦想成为现实，为窥探细胞奥秘打开了一扇窗口。

　　制造记忆

　　科学家们对大脑如何学习和记忆有了更多的了解。

　　●点评：张旭（中国科学院上海生命科学院神经所研究员）

　　大脑的海马区域与学习和记忆功能有关，然而其机理尚不明确。上世纪70年代，神经科学家提出，在海马区域记录到的一种称为长时程增强的电生理效应可能是学习与记忆机理的假说。致力于证明这一假说的研究论文已达数千篇。

　　2006年在《科学》杂志上发表的研究结果表明，学习可以诱导长时程增强效应，而且学习的空间信息可以存储于长时程增强的维持机制中。这些研究工作为证明学习记忆机理与长时程增强电生理效应之间的关系提供了新证据，但还不足以确定两者之间存在特异性的功能关系，也不能排除存在其他参与学习记忆功能调节的重要机理的可能性。

　　中国神经生物学研究者近年来在长时程增强效应的调节机制等研究中也取得了较显著的成绩，在《科学》、《神经元》等期刊中发表多篇论文，成为该研究方向上的积极参与者。

　　小分子RNA家族的新成员

　　科学家发现了关闭基因表达的一类新的小分子R NA，即“PiRNA”。

　　●点评：宋尔卫（中山大学附属第二医院乳腺肿瘤中心研究员）

　　科学家们对小分子R NA的研究热度一如既往，继小分子干扰R NA（siRNA）和微小分子R NA（miRNA）后，2006年夏天又有一类被命名为P iwi蛋白相互作用的小分子RNA（PiRNA）隆重登场。四个不同的研究组同时报道了这类小分子R NA的存在。

　　30个碱基大小的P iRNA分子比以往发现的19到22个碱基的s iRNA和m iRNA稍大。鉴于P iRNA主要分布在包括人类等数种动物体睾丸的精原细胞内，科学家们推测这类小分子R NA可能与动物体精子的发育和维持的功能相关。

　　在国内，中山大学屈良鹄2005年获得科技部“973课题”，正带领团队对小分子R NA调节生物基因表达以及与人类疾病的关系进行深入研究，预计P iRNA的发现将为他们的课题增添新的研究内容。（注：“生物多样性是如何形成的”由黄永明采写）