编者按

每到岁末，自然科学多个领域会有各种年度重要进展的评选和回顾，其中美国《科学》周刊的年度十大科技进展的权威性一直被大家认可。上周出版的《科学》（封面如上图）依例公布了该刊评出的年度十大科学突破，其中对一具距今440万年、可能是人类祖先的古生物骨骼化石的研究拔得今年最重要科学突破排行榜的头筹。为使读者能从这份排行榜中读到更多信息，我们约请国内相关领域的专家就其中部分突破的科学意义作出解读，敬请关注。

1.对早期人类进化的新认识

一个罕见的、440万年前的骨骼化石拉开了揭示我们最早祖先的令人惊讶的身体结构和生活环境的序幕。

只有个别化石成为人类进化历史的主要表型特征。它们包括迄今发现的第一具古人类骨骼，来自德国的尼安德谷的穴居人（也称尼安德特人，Neandertal）；1924年在南非发现的汤恩小孩（Taungchild），它首次揭示了人类祖先生活在非洲；还有著名的露西（Lucy），它的部分骨架进一步揭示了人类进化历程的关键阶段。2009年，它们有了一个新成员：阿迪（Ardi），这是迄今为止已知的最古老的人类祖先骨骼，在埃塞俄比亚的阿法尔洼地发现了至少35个跟她同种的个体。

阿迪是440万年前的女性，她给人类过去的模糊时间提供了新的证据。发现者将其命名为地猿始祖种（Ardipithecus ramidus），这个名字在阿法尔（Afar）语中是“根”和“地上”的意思，用来描述一种在地面上生活的类人猿。她位于人类系统树的根附近。虽然有些古人类是更老的，但阿迪是这些久远的古人类中最完整的标本。她骨架的125个部分包括大部分的头骨和牙齿，以及骨盆、手、胳膊、腿和脚。

当1994年首次发现阿迪的物种化石时，它们立即被公认为是自露西以后最重要的化石。但兴奋很快被阿迪的恶劣条件所冲淡，她的较大的骨头被压碎而且容易损坏。一个多学科小组用了15年时间来挖掘她，并用数字技术来排除扭曲并分析她的骨骼。

期待已久的阿迪的骨架终于在今年10月发表于《科学》的印刷版和网络版上，共11篇论文。她的发现者提出：她是一种人族中的新种，人族包括人类和我们的祖先，但没有其他现存的类人猿的祖先。他们说阿迪的不寻常结构不像现存的类人猿或更高的古人类如露西。阿迪揭示出这古老的结构变化，为人类的直立行走奠定了基础。

并非所有的古人类学家都认为地猿始祖种是我们的祖先，甚至是人族，但是并没有人怀疑这个新证据的重要性。研究人员相信阿迪及其物种的其它标本，为人类进化的最根本问题提供了一些新的和令人吃惊的资料财富。这些问题是：我们怎样才能识别人类大家庭的最早成员？直立行走是如何演变而来的？人类与黑猩猩的最后一个共同祖先是什么样子的？从现在开始，研究人员将从阿迪身上来寻找这些问题的答案。

阿迪最令人惊讶的是，她不是南方古猿和与人类有共同祖先的、像现存的黑猩猩和大猩猩之间的过渡体。她有一个120厘米高的身体和比黑猩猩略大的大脑，比露西（Lucy）更原始。但是，她看上去并不像一个非洲猿或者迄今为止已知的更古老的猿。

研究人员在仔细思考人族的定义，他们也想知道阿迪在人类家谱中的确切位置。这一发现团队建议做出一个假设，即地猿（Ardipithecus）产生了露西的属南方古猿（Australopithecus），现在普遍认为我们人族的基因是从露西那儿遗传来的。但他们也指出，阿迪可能是一个分支，与我们的直接祖先是姊妹种，但是它们的宗族已经灭绝。

在达尔文诞辰200周年的这一年中，研究人员终于突破了400万年的障碍来了解我们的起源。我们最早祖先的模型可以从大量新的数据和多个有力证据中得到信息。

点评　“阿迪”的新启示

吴新智

地猿化石最早的正式科研报告发表于1994年的英国《自然》杂志，当时被定名为南方古猿始祖种（Australopithecus ramidus）。这批化石代表生活在距今440万年前的最早人类。1995年怀特等又在英国“自然”杂志上发表论文，将这种古人类的属名改为地猿（Ardipithecus），种名依旧，还是始祖种。

地猿保持最早人类的位置直到2000年法国古人类学家报道在非洲肯尼亚发现了600万年前的人类化石（后经研究，正式定名为“原初人土根种”（Orrorin tugenensis））。2001年在非洲内陆的乍得发现600-700万年前的撒海尔人乍得种（Sahelanthropus tchadensis）。原初人只发现四肢骨，没有头骨出土；撒海尔人只发现一具变形了的头骨，其进化位置还有争议，有人认为这个头骨属于大猩猩的祖先。而地猿的遗址经过多年持续的发掘获得的人类化石和其他材料比上两处都丰富得多，包含着关于最初人类更多的形态和其他有关的科学信息。

经过十余年的科学研究，怀特和他的团队2009年10月在美国的“科学”杂志发表了11篇论文，比较全面地阐述了关于地猿的科研成果：

估计地猿始祖种女性个体身高1.2米，体重50公斤，脑量300-350毫升，与身长相比是很小的。颜面中部似猿，相当突出，但颜面下部却不像现代猿那样特别地突出，地猿颧骨上颌骨不像南方古猿那样宽阔且位置靠前。头骨特征这样的组合显示这种中新世人类与现代猿和南方古猿两者都不同。上犬齿更像人类的粗短型，而不像大多数其他灵长类那样长而尖。分析牙齿釉质，推测其食物是多样的，包括硬壳果和叶子等以林地为基础的食物。肱骨和尺骨的特征与较晚的人类相似。手和腕混合了原始的和一些新的特征，不具有像黑猩猩和大猩猩适应于在树上悬挂，在树间轻松地荡来荡去，在地面用指关节行走的那些特征。她的手掌和手指相对短而灵活。骨盆和髋骨显示出的臀肌位置表示能够直立行走，双脚结实，适合于行走。大趾外展，能够握执和攀树。

从地猿的这些特征推测，人类适应两足直立行走行动方式的形态特征是在与现代猿从共同祖先分离以后不久才开始出现的，而不是以现代猿那样的模式为基础演化所成。自从达尔文以来，人们通常以现代猿为基础推测和复原人类最早祖先的起源和演化的过程。地猿的研究指示，尽管我们与黑猩猩在遗传方面很相似，但是人和猿的最近共同祖先可能与现生的任何非洲猿实质上很不相同，人和猿都是通过很不同的进化道路变得高度特化的结果。

综上所述，对地猿的研究增进了人们对最早期人类形态和行为的认识，启发人们对人猿共同祖先和人类起源过程作新的思考。但是毕竟迄今出土的化石和能够用以进行比较研究的材料都很有限，目前所得出的结论还有待于发现更多新化石来检验。(作者为中科院院士、中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员）

2.揭开脉冲星谜团

自40年前第一个脉冲星发现以来，天文学家通过发射到太空的无线电波发现了数百个这样的神秘天体。今年，天文学家利用高能量伽玛射线光谱，发现了无线电波无法检测到的脉冲星。

自2008年6月美国航空航天局（NASA）费米伽玛射线太空望远镜升空以来，一直在进行宇宙能量新“地图”的绘制工作。仅在最初的几个月内，一个国际研究小组就新发现了16颗脉冲星。

通过对脉冲星活动的了解，研究人员正在核实其所检测到的一些不明伽玛射线源是否是一些脉冲星发出的。仅在2009年11月，美国和法国天文学家利用地面射电望远镜对费米望远镜发现的“候选天体”进行筛选，就发现了5个新的毫秒脉冲星，远比用地面射电望远镜漫无目标地扫描天空要有效得多。

脉冲星是快速转动的中子星，其强大的磁场可令粒子加速到接近光速，并从星体两极喷射出来（这些抛射出来的炽热的物质同时释放出伽马射线）。但脉冲星的磁场是如何形成的？粒子发射源在哪里？目前仍无法确定。

除了脉冲星之外，费米望远镜通过检测到的1300多个伽玛射线源，发现了许多其他类型的太空物质，包括成为恒星诞生区的星爆星系、伽玛射线暴以及星系中心黑洞等。2009年11月，费米望远镜和两个地面伽玛射线望远镜，从太空高能粒子一直追踪到恒星爆发的诞生地。新发现的脉冲星还可以帮助天文学家探测引力波。

点评　观天巨眼的发现

张鹏杰　郑宪忠　王洪光

望远镜是人类探索宇宙的眼睛。今年是伽利略把望远镜对准天空、启动天文学革命的四百周年。无独有偶，《科学》评选出的年度科学突破中的天文部分，都与太空望远镜有关。

其中，费米伽玛射线太空望远镜于2008年6月升空。它的一大发现是射电脉冲星也能够发射高能伽玛射线。脉冲星是20世纪60年代四大天文发现之一，并获诺贝尔物理奖。脉冲星高能伽玛射线辐射的发现，极大丰富了我们对于脉冲发射机制的认识，有助于更好地理解脉冲的不规则性。这一点对于广义相对论具有重要意义。爱因斯坦广义相对论的一项关键预言是引力波的存在。引力波即时空的波动，会导致射电脉冲出现周期性变化。不言而喻，对于脉冲发射机制和脉冲不规则性的理解，是利用脉冲星探测引力波，从而检验广义相对论的关键一环。

今年5月对哈勃望远镜的维护使得19岁的哈勃焕发新生。之前的哈勃望远镜对红外光一筹莫展。此次维护不仅仅改善了紫外和可见光相机，而且加装了近红外相机，使得它能够看到广漠的红外宇宙，从而看得更深、更远。借助该红外相机，哈勃望远镜对“哈勃极深场”进行了拍照，看到了形成于宇宙诞生后6亿年左右的星系。这些早期星系发出的紫外和可见光，因为宇宙膨胀，波长被拉伸了9倍左右，变成了近红外光，正好落入重生后的哈勃的眼睛。同样借助这只红外巨眼，哈勃望远镜能够穿透云层，看清恒星形成区的深处。借助这只观天巨眼，恒星形成和星系形成这一天文学核心领域的研究，将取得突破性进展。

（本文作者分别为中科院上海天文台研究员、紫金山天文台研究员和广州大学教授）

3.搞清抗旱分子结构

2009年5月，两个独立研究小组确定，一种称做植物激素脱落酸（ABA）的化学物质，有助于遏制水分流失，可使种子保持休眠状态，并在恶劣环境下抑制根部和其他部分生长。

其受体结构的发现，有助于科学家以新的途径来保护作物抵抗恶劣气候环境，提高农作物产量。

2009年秋天，其他一些研究小组包括中国、日本和欧洲的研究人员也找到了支持这一研究的证据，并获得了ABA与其受体结合或受体与PP2C磷酸酯酶相互作用的晶体结构。对ABA以及后续研究所取得的成果，将大大促进植物生物学、甚至植物生物学领域之外的研究。

4.自旋冰中的磁单极子

在苏斯博士著名的儿童读物《圣诞怪杰》中，小说主人公曾说：“如果找不到驯鹿，我就自己动手做一个！”在长期追寻一种称作磁单极子粒子未果的过程中，物理学家采取了类似的方法。2009年，两个研究小组在磁晶体内制造出了行为与磁单极子类似的“准粒子”。

正如物理学家所了解的那样，每个磁体都有北极和南极。但是，也有一些科学家从理论上推断只存在着北极或南极一个磁极的基本粒子，即磁单极子。

相关研究报告称，磁单极子只存在于一些被称为自旋冰的物质中。在自旋冰中，不停旋转的磁性离子位于四面体的顶角处，就像氢离子在冰中那样。在对这种被称为自旋冰的奇特晶体物质进行研究时，物理学家发现了与磁单极子极为相似的行为。这样的“自旋系统”给理论物理学家和实验物理学家提供了一个极好的实验场所——以简单的方式展示了磁单极子的存在。

5.延长小鼠寿命实验成功

2009年研究人员发现，一种名为雷帕霉素的化合物可延长小鼠的寿命，这是首次药物延长哺乳动物寿命的实验获得成功；而雷帕霉素常被医生用来治疗肾癌并抑制器官移植中的排斥反应。

当美国衰老研究所把雷帕霉素列入有可能延长啮齿动物寿命的名单后，3个实验室开始给出生600天左右的小鼠（相当于人类的60岁）喂食雷帕霉素。结果，服用富含雷帕霉素食物小鼠的寿命延长了9%～14%。如今首次在哺乳动物身上试验成功，而令人鼓舞的是这些小鼠已过中年。

研究人员揣测，雷帕霉素的作用机制是否与卡路里限制机制相似。卡路里限制是指通过限制小鼠和其他实验动物的饮食来延长其寿命。

雷帕霉素会破坏免疫系统，而饮食卡路里限制也很难长期坚持下去。因此，这两个方法都非理想的长寿之道。但这是一个充满希望的开端，将引导研究人员寻找更适合的方法来延缓衰老，或至少延长人类健康生活的时间。

点评　郭礼和

雷帕霉素的研究目前尚处于老鼠实验阶段，离实际应用还较远。衰老问题很复杂，真正的机制远未清楚。这次实验认为控制饮食与老鼠延长寿命有某种联系，但对人类是否合适还有待进一步研究。生物机体的衰老不单纯是生理因素，更是内外因综合所致。此外，雷帕霉素这个药本身是用于抗排异的，是降低免疫力的，与延寿相比，提高免疫力更重要。尽管这一研究在科学探索上有一定价值，但其和抗衰老之间的机制还有待进一步揭示，应用到临床还有很长的路要走。（作者为中科院上海生化细胞所研究员）

6.月球上发现水冰

2009年10月，美国航空航天局的科学家在月球尘埃中发现了水蒸气和冰，科学家最终证明，即使是像月亮这样荒芜且温度经常达到沸点的天体也可能存在水冰。该发现为人类太空探险增添了新的一页，对人类的太阳系探索也是一个极大的鼓舞。

研究人员让一个重达两吨的火箭以7200公里的时速撞击月球陨石坑。据观察估计，撞击后扬起的尘埃中含有大约数升的水。耗资8000万美元的月球陨坑观测和传感卫星（LCROSS）发回撞月时升起尘埃的清晰光谱图，其中含有水汽和冰，以及水中衍生的羟基。

月球上发现水冰意味着宇航员也许能以月球上的水作饮用水、种植农作物，甚至还有可能将水分子分裂为氢原子和氧原子用做火箭燃料。但首先需要解决如何在月球极端寒冷条件下进行钻探和开采作业等问题。

7.基因治疗取得重大突破

基因疗法在人类身上的研究始于1990年，但该领域一直面临技术上的困难和阻碍，或志愿者在临床试验中的死亡事件等。2009年，基因疗法取得了重大突破，开始有了转机。

部分成功案例包括：对利伯氏先天性黑内障（一种罕见的遗传病，患者在婴儿期就已失明）的治疗。美国和英国的研究人员给患者的眼睛注射一种携带某种基因的无害病毒。首批12名患者眼睛的感光能力都有所改善，其中4名儿童恢复视力。

另一例是治疗X连锁肾上腺脑白质营养不良（ALD,一种因制造维持神经髓鞘蛋白质基因有缺陷而造成的大脑疾病）。法国研究人员将一种纠正基因注入两个患有此病7岁男童的血细胞，两年后发现，ALD对患儿大脑典型的渐进性损伤已停止。试验首次采用失效的HIV病毒把基因带入细胞，该病毒导致癌变的可能性比以往所用的载体较小。

点评>>郭礼和

这项工作带来了好消息。最近一些信息表明，基因治疗出现从低谷开始回升的趋势，这方面已发了不少文章。但我们还得清醒地看到，过去基因治疗存在的问题现在还未完全解决，比如基因治疗所用的载体对人体是否有害？另外,基因治疗靶向和特异性表达等问题都未很好解决。在此之前，要预期基因治疗有大发展是困难的。基因治疗还是一个漫长的探索过程，当然在某些疾病治疗方面（主要是单基因疾病）可能有效，而对多基因导致的疾病目前还无进展报道。

8.发现石墨烯导电性能

石墨烯的魅力很大程度在于它传导电子的方式，其近乎完美的碳原子晶格能让电子超快速通过。根据该特性，物理学家以此检验量子力学中的一些不同寻常的特征。2009年11月，纽约和新泽西州的两个研究小组分别证实，石墨烯电子显示了分数量子化的霍尔效应。

石墨烯材料应用的研究也取得了巨大进展。2009年1月，IBM研究人员报告称，已研发出每秒能开关260亿次的石墨烯晶体管，性能远超传统的硅器件。而麻省理工学院研究人员研制出的可提高输入信号频率的石墨烯倍频器，有可能在通讯和遥感领域开拓新应用。

9.哈勃望远镜重获新生

哈勃太空望远镜曾因多年重负荷工作而出现老化，几乎濒临被迫“退役”之境地。2009年5月，7名宇航员登上“亚特兰蒂斯”号航天飞机，11天内在500公里高空轨道上进行了5次太空行走，在完成了一系列复杂而且危险的维修任务后，哈勃的使用寿命又延长了5年。

10.世界上首台X射线激光器

2009年4月，斯坦福直线加速器中心国家实验室研制出了世界上第一台X射线激光器——直线性加速器相干光源（LCLS）。

LCLS长130米，由该实验室3公里长的粒子加速器提供动力。与之前的光源相比，LCLS标志着一种质的飞跃。几十年来，科学家一直利用X射线探测材料原子尺度的结构，而LCLS的亮度是以前的10亿倍，其产生的X射线脉冲短暂到百万分之二纳秒，短暂到足以拍摄化学反应过程中的图像。

From http://whb.news365.com.cn/kjwz/200912/t20091231_2575827.htm