从照亮黑暗的宇宙、解码神经疾病、气候变化的影响、小核糖核酸、单分子凹槽和发光、宇宙中的爆炸、老鼠干细胞发育出精子和卵子“左手”材料面世、破译Y染色体及癌症治疗新药物，《科学》回顾——

照亮黑暗的宇宙

早期宇宙肖像和今日太空中的星系图案证实，宇宙的大部分是由神秘的暗能量和暗物质组成，同时还精确地测定了宇宙的年龄和膨胀速度。

2003年2月，威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)展示了一幅婴儿期宇宙的照片，反映了宇宙年龄不超过40万年时的整个宇宙的面貌。这幅照片是一个转折点，它标志着宇宙学进入了一个新的发展阶段。结束了人们长达几十年之久的关于宇宙本性的争论，从而证实我们的宇宙比我们曾经想象的要神奇得多。

6年前，《科学》杂志的封面刊登了一幅阿尔伯特 · 爱因斯坦(Albert Einstein)看到“ 加速膨胀的宇宙”而目瞪口呆的图片。那一年，两个天文学家小组发现了垂死挣扎的恒星受到了一种可怕的作用力而留下的微弱印记，某一类超新星的视亮度为宇宙学家提供了一条测量宇宙在不同历史时期的膨胀速度的途径。科学家们吃惊地发现宇宙的膨胀速度在不断地加快，而不是天体物理学家们信赖的广义相对论以及直觉所预言的那样逐渐变慢。这就是人们发现神秘的“暗能量”——一种未知的与引力效应相抵消而推动各个星系相互急速远离的作用力——的第一个征兆。

虽然超新星数据是极具说服力的，但是许多宇宙学家在接受暗能量这一奇异的思想时仍然显得犹豫不决。世界各地的天文学家都行动起来，以各种独立的方式来检验这种不可抗拒的作用力是否真的存在。这个问题在2003年已经得到了肯定的答案。科学家们已经不再试图检验暗能量是否存在，他们现在的目标已经转向暗能量到底是由什么组成的以及它能够告诉我们那些关于宇宙诞生和演化的信息等问题上来了。

挥之不去的关于暗能量的存在以及宇宙组成的疑惑，在WMAP发回迄今最为详细的宇宙微波背景(CMB)的照片之后就变得云消雾散了。CMB是宇宙最古老的光线，它是新生的宇宙在它还仍然是一团炙热的等离子体球时所发出的辐射。这种微弱的微波就像一堵遥远的火墙在我们周围发光。墙上的文字——古老光线的温度以及其他属性上的微小起伏——揭示了宇宙的组成。

通过望远镜看到的暗黑的宇宙，WMAP(顶部)观测到的微波数据、超新星(中部)以及星系团(底部)都揭示着一个被暗能量所主宰的宇宙。

在甚早期恒星和星系还没有形成时，宇宙是由一团炙热的发光等离子体所组成的，等离子体在引力和光这两种相互竞争的作用力的影响下，处于一种不安定的状态。大爆炸让整个宇宙像铃一样发出声响，并使得压力波伴随着对物质云的压缩、展开、再压缩和再展开而匆忙地穿透着离子体。背景辐射中的热斑点是等离子体在宇宙冷却过程中受到压缩的高密度部分的图像，而冷斑点则是受到稀释的低密度区域的信号。

就像铃声的音调取决于铃的形状及其制造材料一样，早期宇宙的“声响”——微波背景中的热斑点和冷斑点的相对丰度和尺寸——同样也取决于它的组成和形状。WMAP就是一台最终允许科学家聆听天籁之音，从而推断我们的宇宙是哪一类“乐器”的仪器。

答案既令人烦恼，又同时让人感到欣慰。WMAP所返回的数据证实了其他观测已经为宇宙描绘的让人难以置信的奇特图像。宇宙只有4%为组成恒星、树木以及我们人类的普通物质； 23%为天体物理学家所认为的由仍未被探知的粒子所组成奇异的物质；而剩下的73%就是暗能量。

宇宙的“铃声”还揭示了宇宙的年龄以及宇宙膨胀的速度。WMAP对这两个问题的回答几乎达到了完美的程度。一年以前，某一位宇宙学家可能会说，宇宙的年龄在120亿至150亿年之间。而现在，宇宙年龄的估计值为137 亿年。基于WMAP数据的类似计算还强有力地限制了宇宙膨胀速度的取值范围和宇宙的“形状”。人们几十年来对宇宙的年龄、膨胀速度、组成以及密度等许多关于宇宙基本性质的争论刹那间全部得到了解决。

WMAP对宇宙学家了解宇宙的历史确实十分重要，但是它并不是2003年唯一对此做出贡献的项目。斯隆数字巡天器(SDSS)计划绘制100万个星系的面貌图，通过分析这些星系的分布以及它们结团和伸展的方式，科学家们可以推断导致星系结团和伸展的原因是暗物质的引力吸引作用还是暗能量的反引力排斥作用。10月份，SDSS 小组公布了他们对首批采集的25万个星系的分析结果。其结论与WMAP研究者得到的相同：宇宙被暗能量所主宰。

2003年7月，物理学家们对暗能量进行了最直接的观测，他们在WAMP的微波数据的基础上又增添了SDSS的星系结团数据，两者之间的结合不容怀疑地证明了暗能量必定是存在的。证明依赖于一个被称为综合的萨哈-乌尔夫效应的物理现象。残余的微波辐射作为背后光，在通过星系团所导致的引力凹陷时会照亮它们，而这可以被SDSS观测到。科学家们在这些引力凹陷附近发现微波光亮有轻微的挤压，这表现为光的波长向短波方向发生了稍许移动。在一个未被弯曲的宇宙(例如我们的宇宙)中，这一现象只有当存在某种反引力的作用——暗能量——时才会发生。暗能量拉伸了时空的结构，整平了星系团所在的凹陷。

宇宙学的某些工作现在可以转向研究宇宙在其年齡不到一亳秒时的形态上来了。在宇宙从一个宇宙学奇点爆发出来之后，新生的宇宙结构膨胀得比光速还要快。这一时期称为暴涨时期(暴涨在10 -30秒之内突然停止)，暴涨导致了今日宇宙形态的产生。

几十年来，暴涨所提供的能够被检验的假定几乎没有。现在极其精确的WMAP数据终于可以让科学家来直接检验暴涨理论了。暴涨的本质是什么？目前，暴涨理论的每一种版本所提出的方案都有所不同，每一种方案都对CMB、星系的分布，甚至晚期宇宙中的气云结团都作了具体的预言。

暗能量的性质现也在详细审查之中。WMAP、SDSS 以及一系列新的在2003年发布的超新星观测数据已经开始为科学家提供确定暗能量性质的工具了。物理学家们已经不得不放弃他们原先对暗能量所做的某些假设。现在，他们不得不考虑一种新的暗能量形态，这种形态的暗能量将会导致宇宙中的所有物质剧烈而又突然地死去。如果暗能量强于某一临界值， 那么它将最终在一场“大劈裂”中把星系、太阳系、行星甚至原子自身撕裂(用不着担心，宇宙学家们并没有为宇宙的这一命运而惴惴不得安睡)。

多年来，宇宙学家们一直在检验这种由暗物质所构成的宇宙在暗能量的驱使下而向外膨胀的，这既违背直觉又令人沮丧的模型是否是正确的。2003年，他们根据WMAP、SDSS以及新的超新星观测数据发现这个问题的答案为“是”。宇宙学家们已经开始提出新的问题了。或许，这是一个征兆，它预示着科学家们将最终开始理解宇宙的开端。

解码神经疾病

精神分裂症、抑郁症和双相型障碍是比较常见的家族遗传病，但是直到最近，研究人员们才确定了增加这些疾病患病几率的基因。现在，他们正在揭示这些基因是如何扰乱大脑的信息处理从而使人患上精神类疾病。

化学信使复合胺通过一个受体来传递信号，而这个受体则是抗抑郁药物的靶。与此同时，受体的基因来自于两个共有的“味”，或者说是等位片断，它们中的一个被认为与抑郁症的发病风险有着微弱的联系。2003年，研究人员发现了为什么这种联系是如此的难以捉摸。只有当身心紧张时，等位片断才会增加抑郁症的发病机率。在那些20岁出头的有过丧亲、失恋或者失业经历的人群中，具有易被攻击的基因的人更容易患抑郁症，而那些具有这种基因变体的人则不太容易患抑郁症。

具有高风险等位片段的人通常在看一些引起惊恐的画面时，其大脑内一个称为杏仁体的对恐惧敏感的区域的活动就会加强。研究表明，基因的变化会使一些人把世界看成是高度危险的，而这又加强了生活的压力进而诱发了抑郁症。

大脑的另外一个区域，也就是前额皮质，是通过一个称为COMT的基因来调节的，而COMT基因是导致精神分裂症的基因之一——会编码出一种能够停止神经递质的酶。两年以前COMT基因的一个版本被认为会扰乱前额皮质——即使是那些具有导致精神分裂症基因片段的健康人，当他们在做一些相对简单的事情时，其前额皮质会有额外的活动。不会导致精神分裂症的基因片段也可以使前额皮质更加高效的活动，而这却会增加焦虑症的风险。

在2002年晚些时候，一个大脑神经营养因子(BDNF)的基因等位片段被认为会导致双相型障碍，而这就是先前所认为的狂躁抑郁症。2003 年，这个等位片段被发现会抑止大脑海马的活动(海马是一个对记忆非常重要的结构)，BDNF会促进海马中新的神经元产生； 2003 年的另外一项研究表明，那些抗抑郁症药物需要神经形成来帮助其发挥效用。通过这些以及类似的研究，研究人员们希望能够更好地了解精神疾病背后的大脑偏执，从而能够更正它们。

气候变化的影响

一个世纪以来，气候研究者对大气温度的测量表明，整个地球正在变暖。新近的工作显示地球已经对这一变化作出了反应。一连串的研究暗示，全球变暖已经对地球以及地球上的居民产生了重大影响，这些报告都是关于冰川融化、干旱、植物生产率的降低，以及动植物习性的改变等气候变暖所造成的影响。

在2003年的各项发现中，气候模拟者把现在的一场已经持续几年之久的全球性大干旱与西太平洋和印度洋的水温异常变高联系在一起；而水温的变高看起来是温室气体所造成的。在北极地区，对河流的检测结果显示，自1936 年以来，6条最大的源于欧亚大陆而流向北冰洋的河流的流量增加了7%。这一结果与高纬度地区降雨量将增加的气候学模型预言是相吻合的，同时也符合气候变暖和大气环流的趋势。越来越多的淡水流人北大西洋的高纬度地区将会减缓北大西洋暖流向北流动，从而破坏北大西洋人口稠密地区周围的气候。

在生物学领域，动植物习性研究的后继分析强烈地显示了生命体也对气候变暖作出了反应。全球的植物和动物已经改变了它们活动的地理范围或者习性(例如改变开花或者生蛋的时间)，以适应全球的气候变暖。气候的改变看来还降低了美国中西部地区玉米和大豆的产量，以及非洲坦噶尼喀大湖地区庄稼的收成。

随着人们对气候变暖的认识越来越深入，在接下来的几个世纪里，人类将必须作出哪些调整呢？我们现在已经有了一些好的想法，例如增加灌溉，调整农业区等。然而动物和植物则不得不去展示它们的适应能力到底有多大。

协调细胞行为的小核糖核酸

2002年生物学家们已经了解了小核糖核酸分子在调节基因表达中的作用，2003 年他们进行了更进一步的研究，以表明小核糖核酸是如何协调细胞的行为以及如何驾驭它们抵抗疾病的能力。

小核糖核酸是RNA中发育不完全的小个子，它的长度只有22个核苷酸那么长，但是它却在早期发展中(从塑造植物叶子的形状到果蝇胚胎的细胞分裂)起着向导的作用。RNA干涉(RNAi)会停止基因表达，也在早期发展中起着关键的作用。缺乏一种称为Dicer 的RNAi蛋白的老鼠，其干细胞会受到损坏，从而使老鼠在出生前死亡。另外，2003 年也发现了老鼠体内的某种小核糖核酸可以有助于引导那些产生胚胎血红细胞系统的干细胞。同时，认为人类现在拥有大约255个具有小核糖核酸编码的基因，这大约是整个基因组的百分之一。

单分子凹槽和发光

生物学家和物理学家之间的通力合作，2003年他们捕捉到细胞内部单个分子的多种活动情况对运动中的分子马达以及在消化DNA的单个酶等进行了观察。

所谓的光学镊子是使用激光束来操纵单个粒子。2003年，生物学家重新改造了光学镊子，把它们变成极小的夹钳，以用于测量单个kinesin蛋白质分子的步进运动。kinesin蛋白质是细胞中输运装置的一部分，当它一节一节向上运动时，其所表现的步伐并不是早先的报告所暗示的那样与尺蠖一样。2003年还有一项技术成功地使单个荧光分子显示肌浆球蛋白的马达蛋白质分子的步进运动。

或许，物理学家和生物学家通力协作所产生的最令人激动的新技术是量子点在成像技术上的应用。量子点是微小的半导体纳米晶体，受到激光激发时，它会发出各种颜色的光。2003 年，研究人员利用附在抗体上的量子点追踪到了神经细胞膜中的单个氨基乙酸受体的运动。量子点的发光时间持续了20分钟，远比通常的有机染料持续的时间长。量子点技术在生物学成像领域还不成熟，但是不久，这些多功能纳米晶体就会对某些问题作出回答。

宇宙中的爆炸

2003年，有几项重要的发现为宇宙中最强烈的爆炸揭开了神秘的面纱：一种称为伽玛爆(GRBs)的剧烈的能量爆发。特别引入瞩目的是在3月份，当天文学家们发现在一个明亮的伽玛爆余辉背景中的超新星的印记后，他们确定了伽玛爆与超新星(大质量星体死亡前的痛苦“挣扎”)之间的关系。天体物理学家现在已经确信，当一个星核内爆时，大量的能量抛洒向周围的空间，形成一个黑洞或者(按照少数人的观点)形成一个快速旋转、磁场挤压的中子星。

其他的一些观测使得研究人员们确信，伽玛爆的最强烈的喷射被束缚在一个狭窄的束里面(直径约1~5度)。只有一小部分喷射碰巧指向地球，从而使得伽玛爆比我们所看到的更为普遍地存在于宇宙中。但是有一个观测表明了不同的观点：一个声称为伽玛爆极化束的探测引发了关于这个喷射是由所有的电磁辐射构成的还是由理论学家们先前所假定的粒子喷射所构成的争论。

更加可靠的结论是由几个小组共同作出的：一种神秘的低能伽玛爆(称为x射线闪光)也会在产生伽玛爆的星体塌缩中产生。理论家们认为2003年发现的一些x射线闪光是我们从侧面看到的伽玛爆。其他最近塌缩的星体似乎只释放出小范围的x射线以及产生可见光和大量电磁辐射的物质喷射，但是没有发现伽玛爆。

同行之间的合作是非常关键的。美国航空航天局的高能瞬变探测器克服了技术上的挑战，探测到十多个伽玛爆以及x射线闪光，并且为天文学家们确定了其具体的位置。探测工作表明，一些神秘的“暗”伽码爆在其爆炸后的几分钟内竟然可以被看到的(发出可见光)。

美国航空航天局的Swift 卫星预计在2004年发射升空，它将触及这个领域中只能持续几分之一秒的伽玛爆的起源之谜。对此，现在最佳的模型都要涉及到两个中子星的碰撞合并。

老鼠干细胞发育出精子与卵子

鼠胚胎干细胞在培养皿中既可以发育成精子又可以发育成卵细胞。至少有一位观察家称这一惊人的发现为“伦理地震”，它既产生了科学问题，又引发了伦理问题。就眼前来说，这些发现应当有助于揭示生殖细胞是怎样发育的。如果鼠胚胎干细胞的这一本领能够在人类细胞中得以重现，那么它将为研究提供一个可再生的产生人类卵细胞和精子的来源。但是，它也打开了伦理问题的潘多拉之盒；遗传双亲来自一个细胞线的孩子可以出生吗？

与它所引发的复杂问题相比，发现的本身却简单得令人不敢相信。三个小组分别发现了生殖细胞在密集的干细胞丛里的自然发育。如果干细胞表现出发育中的性细胞的基因特征，那么这些基因发生变化的干细胞会发出绿光。一旦这些发光的细胞被隔离，它们看起来就像发育中的卵母细胞，而显示出减数分裂(精子和卵细胞所经历的一种特殊的细胞分裂过程)的征兆。

或许最令人吃惊的是培养大约40天后，出现了类似于早熟晶胚的结构。细胞丛或许是无配合子(parthenotes)：晶胚有时可以从未受精的卵细胞发育而来(正常的鼠卵母细胞在培养过程中会形成无胚合子，然而尽管人们曾多次尝试将它们植入子宫，但是这些无胚合子从未在生产过程中幸存下来)。然而，对实验室生长的卵细胞进行受精的努力到目前为止还从未成功过。

培养皿中发育的性细胞应该能够让人类洞察控制精子和卵细胞形成的分子过程，并能够让人们更好地理解不孕的某些种类。而且，如果人类的干细胞能够当作人类卵母细胞，那么它们可能会在核移植实验中取代短缺的捐赠人的卵细胞。或许有一天，为了治疗疾病，人们会制造出抵御某种疾病的干细胞。实际上，如果人造的卵细胞具有足够的核移植功能而不具备产生后代的能力，那么它们或许会减弱反对治疗用克隆的观点。

“左手”材料面世

在经历了两年多的争论之后，2003年的工作确认了某种奇特的材料可以使光线在相反的方向偏折。材料可以使光线和其他的电磁辐射偏折是根据一种称为折射率的性质。一种材料的折射率越大，光在其中传播的速度越慢，从而使光线偏折的越厉害。

正是由于折射率的变化，才使得吸管在玻璃杯中与水面接触的地方看似有个扭曲。在自然材料中，光线偏折的角度总是相对于其人射角为正角的。

在1964年，一个俄国物理学家从理论上预言了研究人员可以制备出一种材料，该材料可以使电磁辐射向相反的方向偏折。两年前，研究人员制备出了这种“左手”材料，他们把微波束射向一个铜环和铜丝的混合物，发现电磁波朝着负的折射角方向偏折。

自那以后，一个小组追踪了微波通过两个楔形样品(一个由聚四氟乙烯制成，另外一个由线圈和导线的阵列构成)的路径。聚四氟乙烯使微波沿着正偏折角偏折，而线圈和导线阵列则使微波朝着负偏折角方向偏折。另外的一个小组也报告了类似的结果，还进一步指出是与数值模拟的结果非常吻合的。

物理学家们早已找到了应用“左手”材料的方法，这些材料除了具有负的折射率之外还有好多其他的特性。例如，2003年1月研究人员报道了一种由一系列电子器件构成的装置可以产生反多普勒效应。

反多普勒效应可以使呼啸而来的火车汽笛声调变低，这项新发现可以使研究人员们研制出体积小、价格低的无损探伤设备。另外一个小组拍摄了一张利用“左手”材料制成的平坦透镜产生的图像，这是有史以来第一次。最终，这种透镜将有可能比现在的透镜产生更少的图像失真。

破译Y染色体

2003年一项排序技术破译了Y染色体的基因编码，在Y染色体的5900万对碱基中，有一半是混乱的，可能没有什么用。事实上，它们也不可能被解码。这一“杂乱无章”暗示，作为染色体，Y染色体正在缓慢退化。但是Y染色体的另一半DNA新序列则显示它是按照一种不同寻常而又有效的方式进化的。

Y染色体编码区域已经被证明很难被破译，因为从头到尾都存在完全相同的复制基因。测序人员现在知道，这些复制基因中的大部分都被排列在八个回文结构中，在回文结构中，每一个基因的集合都具有一个等同的或者接受等同的匹配镜像。这些回文结构涵盖了将近300万对碱基，并且包括了大多数跟睾丸的发育和功能相关联的基因。

回文结构补偿了Y染色体没有伙伴的事实。人类的其他所有染色体都是成对出现的，当一个伙伴染色体上的基因损坏时，它能够被另一个基因所取代。Y染色体在基因上的不合群，使它没有办法防止其自身的突变，而回文结构此时能够取代或修复其另一端发生变异的孪生兄弟。

癌症治疗新药物

对于工作在抗癌药物领域的研究者来说，阻止为肿瘤提供养料的血管生长已经成了过山车。自从1998年一篇刊登在“纽约时报”上的文章暗示抗血管生成药物将在两年之内治愈癌症之后，从事抗癌药物研究的研究者发现，他们的研究领域从默默无闻和遭人怀疑变得到处是天花乱坠的宣传广告了。然好景不长，当早期的临床试验效果并不理想时，又回到满是怀疑的境地了。但在2003年，他们终于看到自己的努力开始得到回报了。

2003年6月，研究人员宣布了一种抗血管形成药物在一次临床试验中，与传统的化学药物结合治疗延长了晚期结肠癌患者的生命。但这种药物在对乳房癌患者所做的一次相似的试验中却失败了，其原因可能是晚期的乳房癌肿所产生的促使血管形成的因子比结肠癌的多，因而更难加以控制。这表明抗血管形成疗法必须与它们的目标相适应才能达到理想的效果。