《大众科学》2015年度十大科学故事

这是充满事件的一年，从太空和地球上的惊人发现，到技术创新及其风险，再到生物学的发展。事实上，值得报道的科学和技术进步及事件如此之多，以至于我们无法将年终榜单限制在通常的十项，而是增加到了 11 项。称之为“十加一”榜单吧。

10. (并列) 埃博拉病毒的未知领域

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埃博拉病毒持续存在。在利比里亚、几内亚和塞拉利昂等西非国家努力击退大规模疫情的卫生工作者继续认识到 2015 年的艰难教训。该病毒已导致超过 11,300 人死亡，并在全球舞台上留下了不可磨灭的印记。但活跃病例并非唯一令人担忧的问题。通过研究数千名埃博拉幸存者及其密切接触者，临床医生现在了解到，病毒在体内和性液中停留的时间比他们怀疑的要长得多，公共卫生官员也发现了证据，表明该病毒已经通过性传播。埃博拉病毒——或至少其基因片段——也可能在精液中停留约九个月，这引发了幸存者需要禁欲或继续使用安全套多长时间的问题。

关于该病毒还有其他令人惊讶之处。至少在一个案例中，病原体设法重新出现，并在英国使一名护士患病，大约在她被认为摆脱该疾病九个月后（尽管最终她设法幸存了这种并发症）。研究前所未有的幸存者人数的埃博拉研究人员也对埃博拉病毒如何在患者正式康复后继续长期滞留在体内产生了更细致的理解。超过一半的埃博拉幸存者在康复后的几个月内继续遭受症状，包括关节疼痛、头痛或肌肉疼痛。许多其他人抱怨视力问题和失眠。这些有时使人衰弱的症状会阻止人们重返工作和生活。它们还会加剧对埃博拉幸存者的污名化和恐惧。

埃博拉病毒也遇到了其他挫折。即使在世界卫生组织去年夏天宣布利比里亚无疫病之后，新的埃博拉病例也出现了，这突显了对抗疫情的成果可能会多么迅速地被颠覆。根据世卫组织的说法，在西非，12 月 6 日当周没有新的埃博拉病例。尽管如此，该病毒很可能使更多人生病。

2015 年埃博拉疫情的放缓为研究疫情最初是如何变得如此大规模提供了机会。对国际埃博拉应对措施的调查严厉批评了世卫组织和其他机构在 2014 年的行动迟缓。但未来有一些好消息：凭借第一个有希望的疫苗来帮助对抗该疾病，以及更多关于如何治疗感染该病毒的人的知识，世界现在更好地准备在未来几个月和几年内应对埃博拉病毒。——Dina Fine Maron

10. (并列) 关于免疫系统影响大脑的新发现

抑郁症、自闭症和阿尔茨海默病都是令人痛苦的普遍大脑疾病，但它们还有另一个共同点：它们都与大脑中的炎症有关。这种重要的免疫反应有助于我们对抗感染，但有时会适得其反——当反应时间延长时，这种作用会损害组织并对我们的情绪和认知能力产生负面影响。想想你上次感冒时的情景：那种糟糕、昏昏欲睡的感觉可以归因于这种影响。

科学家们开始了解免疫反应如何导致大脑疾病，并开始测试针对炎症的新药。评估抗炎药对抑郁症和精神分裂症疗效的临床试验已经在进行中。研究人员甚至测试了一种实验性疫苗，该疫苗通过操纵免疫系统来减轻啮齿动物的恐惧反应——这项技术将来可能用于治疗和预防创伤后应激障碍。

今年，科学家们还发现了免疫系统和大脑之间一条意想不到的沟通线路——大脑周围膜（脑膜）中以前未见的淋巴管网络，该网络从组织中排出液体并携带免疫细胞。尽管过去异常的免疫活动与精神疾病有关，但科学家们认为大脑的免疫系统与身体的免疫系统是分开的。这一新发现表明，这些血管的功能障碍可能导致多种具有免疫成分的神经系统疾病，包括阿尔茨海默病和自闭症。  

2015 年发表的研究不仅进一步巩固了大脑和免疫系统之间的联系，而且大脑的常驻免疫细胞也成为发育和疾病中的关键角色。尽管小胶质细胞长期以来被视为大脑的主要防御者，但科学家们最近认识到它们在早期发育过程中消除不需要的突触（神经元之间的连接）方面发挥着关键作用。今年在芝加哥举行的神经科学学会会议上提出的研究揭示了小胶质细胞缺陷性修剪如何导致精神分裂症和自闭症等发育障碍。科学家们还提供了初步证据，表明生命后期的小胶质细胞活动可能在亨廷顿病等神经退行性疾病中发挥作用，而阻止这种活动可能会减少此类疾病中看到的突触损失。这些新发现可能会在未来几年为各种精神和神经系统疾病带来更好的治疗选择。——Diana Kwon

9. 无人机飞入监管机构的视野

2015 年，美国联邦航空管理局 (FAA) 正式宣布，无人机飞行员（即使是业余爱好者）也是飞行员，必须承担随之而来的所有权利和责任。换句话说，如果一个人购买了重量在 250 克至 25 公斤之间（包括摄像头或其他有效载荷）的无人机，他或她需要向政府注册这架微型飞机。

新的 FAA 规则旨在平衡无人机的普及和前景与对国家安全、无线电频谱范围、隐私和安全的担忧，并且并不令人意外。这些指导方针是在一年即将结束时发布的，在这一年中，未经许可的无人机对客机的干扰在美国几乎增加了两倍。这还不包括许多备受瞩目的事故，例如在白宫草坪上降落以及与无人机设置为拍摄的人员相撞。

新的指导方针要求注册，但不要求获得许可，并且在预计会向天空增加数十万架无人机的节日送礼季之前宣布。额外的无人驾驶空中交通将来自企业和研究人员。今年，在线零售商亚马逊进一步概述了其使用无人机作为送货车辆的计划，并正在与美国宇航局和其他机构合作开发空中交通管理系统。科学家们也充分利用这项技术来帮助他们更好地了解地球不断变化的气候和野生动物生态。

目前，商用无人机只有在获得特殊许可的情况下才能在美国领空飞行。事实上，该机构已经向农场、铁路、安保服务、医疗机构和其他机构发放了数千份此类豁免。其他所有人都可以期待在明年年底或 2017 年初出台正式的商用无人机法规。——Larry Greenemeier

8. 广义相对论百年——彻底改变物理学的理论

今年是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论这一有史以来最著名、最成功的科学思想之一的百年纪念。该理论颠覆了传统的引力和空间概念，揭示了引力不是我们认为的对物质的拉力，而是弯曲时空的简单结果。这一革命性的想法改变了物理学本身的格局，100 年后，科学探究的线索仍在沿着它创造的轮廓延伸。

为了庆祝广义相对论周年纪念，《大众科学》专门用2015 年 9 月刊来探讨这个话题。特别专题包括关于爱因斯坦如何提出这个想法、这位物理学家哪里错了、科学家们追求延续爱因斯坦统一物理学理论的梦想等等的文章。我们的网站还发布了特别在线功能，例如展示相对论对后期研究影响的互动图表、关于爱因斯坦的测验、公式 E = mc2 背后的真实故事等等。

现在是回顾广义相对论等伟大思想的好时机，因为物理学再次面临严峻的挑战。构成宇宙中普遍存在的隐形暗物质的奥秘，以及似乎正在加速宇宙膨胀的神秘暗能量仍未解决。要回答这些问题，科学可能需要另一个达到广义相对论规模的突破。线索可能来自日内瓦郊外的大型强子对撞机 (LHC)，该对撞机最近开始以前所未有的能量将质子碰撞在一起。12 月报道的 LHC 中一种潜在新粒子的有趣迹象激发了人们的希望，即该机器可能会在 2016 年取得重大发现。旨在直接探测暗物质粒子的改进实验也可能很快得出结果。——Clara Moskowitz

7. 大众汽车破坏“清洁”柴油

所谓的“清洁柴油”的最大支持者之一在 2015 年给这项技术带来了重大失败。德国汽车制造商大众汽车股份公司承认操纵了某些柴油车型中的控制装置，以通过美国环境保护署的排放测试。后果：诉讼、召回以及揭露自 2008 年以来在美国销售的超过 50 万辆据称低排放的汽车和全球 1100 万辆汽车排放的氮氧化物 (NOx) 含量高达允许量的 40 倍。

美国环保署发现，某些奥迪、保时捷和大众汽车在测试期间启动了排放控制装置，但在正常驾驶期间恢复到更高的排放水平。柴油发动机比汽油发动机更高效，需要更少的燃料来提供相当的动力。但柴油发动机比汽油发动机产生更多的氮氧化物和颗粒物。大众汽车为最大限度地减少这些污染物而选择的技术一直是其备受推崇的涡轮增压缸内直喷 (TDI) 技术，该技术可以激活某些排放控制装置。

事实证明，这些控制装置在何时激活车辆的辅助排放控制装置 (AECD) 以调节发动机排放方面非常挑剔。某些车辆中的 AECD 包括一种算法，该算法使用方向盘位置、车速、发动机运行持续时间和气压来确定车辆何时正在接受测试。然后，它会将排放量调低以满足美国环保署的标准。然而，在正常驾驶条件下，车辆的发动机功率将通过降低排放控制系统的有效性来提高。

几个国家的监管机构正在调查大众汽车的行为，瑞士已禁止该公司销售某些柴油车型。与此同时，大众汽车已承诺在 2016 年全年推出软件更新和其他修复程序，该公司表示这些更新程序应在不影响发动机输出、燃油消耗或性能的情况下提供准确的排放读数。

然而，对柴油的损害可能是不可弥补的。一群企业家和投资者（包括特斯拉和 SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克）最近向加利福尼亚州空气资源委员会发送了一封信，认为不应强迫大众汽车修复其清洁柴油汽车。相反，应要求该公司在未来五年内开始销售几款零排放汽车等。——Larry Greenemeier

6. 脑震荡科学的进步

电影《脑震荡》本周上映，为充满脑震荡相关新闻和科学进步的一年画上句号。这部电影由威尔·史密斯主演，饰演 2005 年发现前 NFL 球员脑损伤的医生——就在今年，NFL 最终提出了一项 10 亿美元的和解方案，以解决球员指控该组织掩盖科学发现的诉讼。与此同时，科学家们一直在各个方面加紧研究：预防、诊断和治疗。许多新发现与传统观念相悖——例如，过多的“大脑休息”可能会延长康复时间。

在预防方面，禁止青少年足球“头球”的呼声越来越高——但科学发现表明，用头撞球不是主要问题，主要问题是球员在试图头球时发生的球员之间的接触，以及彼此头部相撞。新结果还指出，即使球员在单次撞击后不符合脑震荡诊断标准，也需要限制球员遭受的所谓“轻微”头部撞击次数——一系列小撞击造成的累积损害可能与单次严重撞击一样有害。

无论如何，诊断脑震荡可能很棘手——尤其是在运动场的边线。许多研究团队正在努力开发简单的口头和记忆力测试，这将使教练和家长能够快速检测球员是否可能遭受了脑震荡，以便在运动员遭受额外撞击之前将其拉出比赛。第一次脑震荡后不久发生的第二次脑震荡可能会导致涉及认知和记忆的长期问题，甚至可能危及生命。一项有前景的技术利用了许多脑震荡患者难以视觉跟踪物体的事实，在护目镜中嵌入了眼动追踪器，用于边线神经学诊断。

当然，遭受脑震荡的不仅仅是运动员。头部受伤是军事人员的一个主要问题，每年有超过一百万平民在事故、跌倒、轻微碰撞或休闲体育活动中遭受脑震荡。很难确定哪些损伤会导致长期认知问题，但新的研究表明，血液测试可能是一个有希望的指标。患者还可以通过智能手机应用程序帮助自己康复，该应用程序提供 DIY 正念和认知疗法技术，这些技术已被证明可以改善脑震荡后症状。根据对小鼠的研究表明，在不久的将来，简单的现有药物组合（特别是抗生素和抗氧化剂）可能成为急救箱的标准配置，研究表明，这种组合可以减轻头部外伤造成的一些损害。各个方面的研究人员都希望 2015 年的突破将导致头部受伤人数减少，并为患者提供更好的解决方案。——Karen Schrock Simring

5. 新发现的人类物种引发了关于我们过去的疑问

古人类学家发现的人类化石越多，我们起源的故事就越奇怪。9 月，由南非金山大学的 Lee Berger 领导的研究人员公布了 1,500 个化石标本，代表至少 15 个新发现的人类物种：纳莱迪人。这一发现是人类化石记录中最大的组合之一。然而，尽管来自人类家族最新成员的大量证据表明，纳莱迪人引发了更多关于我们过去的疑问，而不是解答。

科学家们从约翰内斯堡郊外一个名为 Rising Star 的洞穴系统内一个难以进入的腔室中取回了这些遗骸。这些化石表现出我们祖先南方古猿的特征与与我们人类属相关的特征的新颖混合。例如，纳莱迪人的髋关节类似于著名的南方古猿骨骼“露西”；脚，相比之下，看起来像现代人类的脚。纳莱迪人组合包括身体的几乎每一块骨头——比大多数其他已灭绝的人属物种的骨头多得多。来自其他物种的可比较化石材料的缺乏，以及纳莱迪人化石的年代尚未确定，让许多专家对我们新的亲属在族谱中的位置感到困惑。 

更令人费解的是，这些骨骼可能揭示了纳莱迪人的行为。当研究人员发现人类祖先的化石时，他们通常也会在附近发现动物骨骼。但没有动物遗骸伴随纳莱迪人化石，除了少量的小鸟和啮齿动物骨骼。中型至大型动物的缺失是表明洞穴腔室对于此类生物来说无法进入的证据之一，并且纳莱迪人煞费苦心地在那里处理其尸体。这种行为被认为是解剖学上的现代人类（可能还有尼安德特人）独有的。然而，纳莱迪人的大脑只有橙子大小。

批评者对这些遗骸代表一个新物种的说法以及它们是作为丧葬仪式的一部分而被故意处理掉的说法提出了质疑。正在进行的确定遗址年代和进一步分析骨骼的工作可能会得出结论。——Kate Wong

4. 创纪录的气候变化

气候变化是今年最热门的新闻之一，无论是在字面上还是在政治上。到 12 月初，气象学家已经确定，2015 年的全球平均气温注定要成为有记录以来最高的一年，而且差距很大。持续的高温可能有助于产生地球经历过的最强厄尔尼诺现象。中太平洋的水温是有史以来与大气-海洋环流模式相关的最高温度，该模式尤其会改变北美以及世界其他地区的天气。尽管强厄尔尼诺现象有时会增加加利福尼亚州的降水量（该州持续干旱非常需要），但新的研究表明，这种现象不一定会增加内华达山脉的积雪，而该州依靠积雪在每年春天为地下水补给。

温暖的太平洋也为地球上见过的最强大的飓风提供了能量。10 月 23 日，当飓风帕特里夏逼近墨西哥西海岸时，其峰值风速超过 200 英里/小时。这超过了 2013 年袭击菲律宾的“超级台风”海燕，其风速为 195 英里/小时。

如此引人注目的事件可能鼓舞了来自 196 个国家的代表，促使他们在本月在巴黎举行的气候谈判中推动制定雄心勃勃的碳排放目标。12 月 12 日，在自 1992 年以来的 20 次先前会议之后，COP21 的各国同意减少二氧化碳排放量，以将全球变暖限制在“远低于 2 摄氏度”，并且他们设定了一个更雄心勃勃的目标，试图将气温上升幅度控制在 1.5 摄氏度以内。

在 COP21 之前不久，奥巴马总统于 11 月 11 日拒绝了 TransCanada 公司建造 Keystone XL 管道的申请，实际上结束了加拿大向美国出口大量来自油砂（被认为是污染最严重的化石燃料）石油的任何现实机会。奥巴马表示，国务院已确定石油管道“不符合美国的国家利益”。

几个月前的 8 月 3 日，总统发布了清洁电力计划。它要求各州达到美国环保署设定的具体目标，以减少其边界内发电厂的碳排放量。共和党领导的国会反对这一举动，并发誓要在 2016 年阻止它。

在接下来的几个月中，赤道附近太平洋的水温将像往年春天一样降温，从而暂时削弱厄尔尼诺现象的天气模式。但到那时，总统竞选将如火如荼地进行，政治气候辩论将继续升温。——Mark Fischetti

3. 大规模数据泄露突显出普遍存在的网络安全漏洞

从美国人事管理局计算机系统窃取数百万条数据记录是一个警示故事

您需要了解的关于 2015 年网络安全状况的大部分信息可以从美国人事管理局 (OPM) 的大规模数据泄露事件中收集到，该机构于 6 月披露了该事件。超过 2150 万条记录被盗，这发生在 2014 年 3 月开始的几个月（或可能更早），引发了中国已对美国宣战网络战的说法。立法者迅速抓住这一事件，为存在缺陷的网络安全立法辩护，包括《网络安全信息共享法案》(CISA) (CISA)。随后对 OPM 网络安全措施的调查揭示了宽松的政策和做法——在公共和私营部门都很普遍——这使得备受瞩目的数据盗窃变得司空见惯。

医疗保健提供商 Anthem 和约会网站 Ashley Madison 与 OPM 一起跻身 2015 年最大的数据安全失败榜单。与往常一样，这些组织在数据泄露事件发生之前已被警告存在安全措施不力的问题，但未能解决这些问题。OPM 的检查长同样在 2014 年 11 月发布了一份报告，详细说明了该机构的网络安全缺陷。鉴于在大型组织中改进网络安全所需的成本、复杂性和承诺——更不用说在任何给定时间发起的大量攻击——情况不太可能在 2016 年有所改善。

中国政府否认 OPM 攻击是国家支持的，后来宣布已逮捕了一群黑客，他们与此次黑客攻击有关。鉴于证明网络攻击来源的难度，美中两国官员最近开始将该事件称为犯罪而非战争行为。9 月，美国总统巴拉克·奥巴马和中国国家主席习近平试图通过承诺在网络犯罪调查期间进行合作，并宣布美国和中国政府都不会在线窃取知识产权、商业机密或其他机密信息，从而进一步缓和紧张关系。两国代表于 12 月会面，开始制定这项协议的细节。

与此同时，国会以被盗的 OPM 记录为又一个理由，通过了 CISA 等法律，以鼓励公司与政府共享网络威胁信息。CISA 支持者坚称，这种共享（包括有关攻击受害者的信息）将有助于政府和行业更好地为下一次攻击做好准备。反对者正确地驳斥了这种观点，指出除其他外，CISA 并未强制公司改进其网络安全防御措施，并且如果受害者的个人信息被移交给政府，这将产生新的漏洞，而政府自身的计算机系统在整个 2015 年都以惊人的规律被盗。奥巴马总统最终于 12 月 19 日批准了 CISA，作为1.1 万亿美元联邦预算法案的一部分。——Larry Greenemeier

2. CRISPR 革命势头强劲

然而，沉迷于最新基因编辑技术的研究人员在 2015 年暂停下来，以解决正在酝酿的伦理问题

当编辑基因的更快、更简单方法的想法于 2012 年首次出现在科学领域时，全球的研究人员都渴望亲自尝试一下。在两年内，他们中的许多人放弃了他们原有的、更繁琐的技术，转而采用所谓的 CRISPR-Cas9 方法，该方法允许一次编辑多个基因。自 1980 年代以来，当一种被称为 PCR 的新方法被开发出来用于大大扩增少量 DNA 时，一项新技术如此迅速地接管研究实验室。

然而，CRISPR 革命发生得太快，以至于某些伦理问题直到今年才开始得到广泛解决。本月早些时候，《大众科学》副编辑 Dina Maron 出席了在华盛顿特区举行的国际峰会，讨论研究人员是否应该尝试使用 CRISPR-Cas9 系统编辑人类基因，以及应该以多快的速度尝试。“尽管会议上的大多数科学家似乎都热衷于开展基因编辑工作来治愈个体患者的疾病，”Maron 写道，“但他们仍然更加谨慎地对待对卵子、精子或胚胎进行改变，这些改变将对后代产生持久的影响。”

然而，在为期三天的峰会结束时，科学家们决定，这种种系编辑可以继续进行，只要它仅限于实验室，并且“经过修饰的细胞[不]……用于建立妊娠”。

毫无疑问，他们已经确定完全暂停人类胚胎研究是不切实际的。今年春天早些时候，中国科学家报告说，他们使用了 CRISPR 技术来改变人类胚胎的 DNA。研究人员故意研究了基因缺陷如此严重以至于无法足月妊娠的胚胎。尽管他们能够在他们针对的基因中进行改变，但在其他基因中也发生了一些不受控制的改变，这突显了他们的结论，即 CRISPR-Cas9 技术还不够安全，无法在临床中进行尝试。——Christine Gorman

1. 矮行星年和火星新景象

2015 年太空新闻层出不穷，包括关于消失的类星体、来自银河系中心神秘的伽马射线以及关于围绕遥远恒星运行的神秘物体的诱人暗示的报道，该物体可能是一个外星巨型结构（但可能不是）。然而，今年最令人兴奋的发现发生在离家更近的地方，在那里，“新视野号”和“黎明号”太空探测器在首次近距离接触矮行星冥王星和谷神星时发现了令人震惊的惊喜；罗塞塔任务围绕彗星运行；而火星上有水的证据——不仅是在数十亿年前的红色星球上，而且现在就在其表面流动——比以往任何时候都更加有力。

冥王星飞掠
甚至在距离 7 月 14 日飞掠冥王星五十万公里的地方，来自新视野号探测器的早期图像就证明了项目负责人 艾伦·斯特恩 在 1990 年代初开始游说冥王星任务时是正确的。这颗矮行星在 2006 年新视野号发射后不久便从正式行星的行列中降级，但它显示出 地质活动非常活跃 的迹象，包括 流动的固态氮冰川，巨大的、褶皱的水冰山脊，甚至可能还有 冰火山。

冥王星最大的卫星卡戎，表面呈现 断裂的表面，包括一条长度是大峡谷四倍的裂缝，以及自身冰火山的证据。这一切都基于探测器以约 52,300 公里/小时的速度掠过冥王星-卡戎系统时拍摄的图像和其他读数。这一切都发生在去年夏天，但这些高分辨率的 图像 和数据总共需要 16 个月才能上传到地球——这意味着还有许多惊喜，以及对冥王星的结构和历史更全面的了解，仍然值得期待。

黎明号探测器环绕谷神星运行
谷神星和冥王星最初的发现——前者在 1801 年，后者在 1930 年——结果证明是理解太阳系的新开端。谷神星后来被证明是已发现的成千上万颗小行星中的第一颗也是最大的一颗，主要位于木星和土星之间。冥王星仅仅是在海王星之外的柯伊伯带中，可能数百万个冰冷天体中最容易被发现的一个。

现在，“黎明号”任务于去年三月抵达谷神星，此前曾在 2011 年在较小的小行星灶神星 中途停留，已经证实了另一个相似之处。冥王星和谷神星不仅是 2006 年成立的矮行星俱乐部的创始成员（冥王星降级，谷神星升级），而且它们的成分也更接近，冰冷的冥王星含有更多的岩石，而岩石状的谷神星含有更多的冰，这与行星科学家曾经认为的相反。彗星（冥王星较小的表亲）和小行星显然也不是完全不同的天体；相反，它们位于成分谱的两端。

密度估算结果早已暗示了谷神星富含 H2O 的成分，但在其表面发现神秘的 亮点 证实了这一点。这些亮点本身并非由冰构成，正如天文学家 最初认为的那样。然而，它们似乎标记着冰或泥浆从地表下喷发出来的位置，当冰升华到太空后，留下白色的、富含氨的矿物沉积物。不仅如此：“黎明号”还在一些白点上方探测到了雾霾，这表明喷发不仅仅是遥远的过去的事情。

火星
自 1970 年代初期，第一艘环绕火星运行的航天器“水手 9 号”拍摄的图像 暗示 水曾经在火星表面自由流动以来，天文学家就已经知道这一点——这一发现已被包括最近的火星科学实验室，又名 “好奇号” 在内的一系列轨道飞行器和探测器反复证实。

远古的水 是一回事（尽管这是一件大事，因为它可能指向一个原始的火星，可能适合生命存在）。但是今天在火星表面流动的水完全是另一回事——尽管火星勘测轨道飞行器没有看到水本身，但它确实看到了在夏季在陡坡上形成，然后在冬季消失的黑色条纹。这些条纹以前曾被发现，但轨道飞行器 现在已经表明 它们含有水溶性矿物质——清楚地表明表面或附近的冰正在融化、向下流动，然后再次冻结。没有人认为目前在火星上存在任何形式的生命，如果曾经存在过的话。但是水的存在意味着没有人可以排除这种可能性。——迈克尔·莱蒙尼克