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现代科学是从牛顿开始的，他是一位非常了不起的科学家。众所周知，他发现了万有引力定律还有牛顿力学，还是微积分发现人之一。从一个人对科学的贡献来讲，很少有人可以与牛顿相提并论，一生能如果做上述一件事，就能被称为非常伟大的科学家了，牛顿却做了三件。

　　关于牛顿，有一个家喻户晓的传说：牛顿在睡午觉的时候，一个苹果掉在他的头上，由此激发了他的灵感，从而发现了万有引力定律，这也是整个现代科学的起源。我的母校南京大学曾得到英国剑桥大学里这颗苹果树的种子，大家如果想看到这棵砸过牛顿的苹果树的后代，可以到南京大学的新校园。

　　这幅漫画上有一段很有意思的笑话，大意是：我想下面更难的事，是怎么申请科研经费，总不能因为苹果掉在我头上就可以得到资助了。

　　或许大家觉得牛顿发现万有引力是个偶然的幸运，但事实上并非如此，万有引力定律的发现经历了前人很多年的观测。

　　类似的例子还有开普勒发现行星运动三大定律，（编者注：椭圆定律：所有行星绕太阳的轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上；面积定律：行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积；调和定律：所有行星绕太阳一周的恒星时间的平方与它们轨道长半轴的立方成比例。）开普勒三大定律的发现同样也不是偶然，不是灵机一现。

　　历史上第一个被尿憋死的科学家：第谷·布拉赫

　　开普勒发现了行星运动三大定律之前，有一位丹麦的数学家第谷·布拉赫，他花了很多时间去观察行星的运动，那时观测精度比较差，他又是用肉眼来观察行星的运动，因此花费了很多精力。

　　丹麦皇帝甚至资助他在岛上修建天文台，花了很多钱来支持他的研究，有意思的是，当时他记录的纸都是一个专门的造纸厂提供的。

　　第谷和皇帝关系很好，但是皇帝死后，继任皇帝不喜欢他，他就跑到布拉格去，那里的皇帝也非常支持他进行科学研究，第谷得以经常出没皇宫。有一次他在皇宫喝了很多酒，回家后就死掉了，大家一直猜测他是什么原因死亡，有一种猜测是被别人下毒，另一种猜测是喝多了被尿憋死，在他死后的四百多年，也就是2001年，有人决定把他的尸体挖出来，来确定他的死因，结果发现果然不是毒死的，而是被尿憋死的，第谷成了历史上第一个被尿憋死的科学家。

　　又过了十年，关于第谷又有一个很大的争议。第谷性格怪异，在二十几岁的时候跟堂兄争吵谁是更伟大的数学家，最后两人决定决斗，结果第谷的鼻子在决斗中被割掉，大家很长时间不知道他的鼻子是金子做的还是银子做的。2010年，大家决定再把他的棺材挖出来研究一下，结果发现他的鼻子是铜做的。

　　第谷对天文学的观测奠定了开普勒的基础、奠定了万有引力定律的开始。作为他的学生，开普勒观测了火星运动。如果当初没有观测火星的话，大家会认为行星的轨道是圆形的，所以牛顿才终于发现了万有引力，而并不仅仅是因为一个苹果掉在他的头上。

　　用经典方法无法解决三体问题

　　当牛顿发现万有引力定律后，第一个问题是想解决多体问题，既有万有引力，又有牛顿力学，再加上微积分，这样的天文学问题变成了数学问题。

　　如何根据这些物理定律来找到行星运动的轨道，精确地推算轨道。太阳和一个行星在一起就是二体问题，我们已经知道二体问题的轨道是稳定性轨道，而太阳与两个行星放在一起就叫三体问题，天体越多就变成越复杂的数学问题。三体问题花了很长时间，最终人们发现三体问题是不可解的。

　　太阳系远远超过三体，有太阳，有行星，行星还有卫星，还有其他很多小天体。整个太阳系是一个庞大的体系，远远超过三体，是更复杂的多体问题。既然三体问题都没法解，对于多体问题，用经典的方法去解决太阳系的运动，显然也是不太可能的。

　　这里需要再提一下牛顿，他同样也是位“怪”人，上半辈子做了非常伟大的科学工作，但他是非常虔诚的基督徒，认为太阳系是不稳定的。人们会问太阳系既然不稳定，那人类怎么可能生存？牛顿的解释是，上帝每隔一段时间就来推一下行星或者球，让地球回到稳定的轨道上不会偏离太远。

　　牛顿一直试图用数学的方法来证明上帝的存在，用数学公式去解开行星的轨道，现在看来非常荒唐的，所以有人开玩笑的说，牛顿被苹果砸了后，大脑其实不太好了。

　　关于行星的稳定性，每一位伟大的科学家都会提出自己的见解，这些见解有时候介于数学分析，有时候介于猜测。

　　《三体》小说为什么非常有趣？

　　大家都知道数学家喜欢写一些猜测，比如经典的科幻作品《三体》，大家为什么觉得这本小说非常有趣呢？

　　我刚才提到了，因为三体问题无法用经典方法把解写出来。三体是一个混沌系统，最重要的特征是不可预测。三体的运动，假如时间不够长，是不可能预测未来会如何变化。《三体》小说就是利用这种特征，描述了一个世界有三个太阳，三个太阳的运转处于非常不可预测的状态，可能三个太阳突然出现，使星球上的所有生命热死，很可能三个太阳一段时间都不出现，让星球很冷，把所有生命冻死，这就是《三体》小说里的科学原理。

　　对人类而言，我们没必要担心太阳系是否稳定，科学家计算过，几百万年，甚至上亿年内都没有问题，即使不稳定，也要几亿年后才会出现的事了。

　　人类为什么要关心太阳系的稳定性呢？我想说科学的发展并不是从实用性的角度出发的。现代科学从牛顿力学而来，牛顿力学又从天体力学而来，而天体力学刚开始是满足人类的好奇心，但是科学给人类的生活带来革命性的发展与技术不一样，技术是竞技性的，科学是革命性的，现代的生活，所有一切是由于科学的发展，故而用功利性的眼光去看科学研究是错误的。

　　数学家有一个非常深刻的理论，叫KAM理论（编者注：KAM理论是经典力学里讨论近可积保守系统：哈密顿系统，可逆系统，保体积映射的动力学性态的著名的理论。K ，A，M 分别代表公认的于上个世纪五六十年代创立该理论的三位数学家，他们是：俄罗斯数学家 Kolmogorov和 Arnold，以及德国数学家 Moser），有很多数学家为此做出了很大的贡献。人们对力学系统所关心的问题之一，是运动过程的长期行为和它最终会达到的状态。动力系统的长时间行为可能有多种形式：平衡或不动点、周期振动、准周期运动、混沌，它们都是定常态。

　　牛顿力学的确定论观点曾因解决太阳系行星运行问题的成功而在很长时期占统治地位，但是，力学中的三体问题和重刚体绕固定点的运动问题成为困扰人们近一个世纪的难题，KAM定理通过对弱不可积系统运动稳定性条件的证明，说明了三维以上非线性系统的运动轨道出现混沌现象具有普遍性。

　　稳定性的对立面就是混沌，认知的进步使我们认识到世界越来越多元，越来越发现稳定性的可能性不大，大部分情况是动态的稳定，或者是混沌的系统。

　　庞加莱：第一个描述混沌的科学家

　　上图是挪威的皇帝奥斯卡二世，这是唯一的一位数学家皇帝，本科读了数学，一直喜欢科学和艺术，定期在皇宫组织科学讲堂。他在位时，创立了一本数学杂志：《Acta Mathematica》，现在仍是数学领域的四大杂志之一。

　　1887年，有一位数学家Mitag Lefler建议他设立一个科学大奖：谁能解决三体问题，就把这个奖颁给他。虽然现在我们知道三体问题不可解，但当时大家并不知道。

　　Mitag Lefler何许人也？我给大家讲一个故事，诺贝尔奖为什么没有数学家呢？传说是因为诺贝尔的情人被一位数学家拐骗走了，那位数学家就是Mitag Lefler。

　　1895年，皇帝请巴黎大学的数学家潘勒维到皇宫做讲座，当时潘勒维提出了一个猜测，现在叫潘勒维猜测，该猜测经过不到一百年，最后在我的博士论文里面用混沌问题得出了解。

　　大家可能要问为什么会花这么长时间呢？因为我们对科学的理解是一步一步发展的，庞加莱跟潘勒维是同期的数学家，其实我证明的猜测是庞加莱和潘勒维共同探讨的猜测，庞加莱写了关于如何解三体问题的一篇文章，虽然并没有解出来，但是获奖委员会最后还是决定给了他一个大奖。但有意思的是结果他的学生发现文章里面有错误，庞加莱又重新写了一篇文章，在这篇文章里，混沌的概念第一次在数学里被正确描述。

　　混沌最基本的概念：几何级的增长速度特别快

　　下面这个故事相信很多人都听过，一位数学家发明了国际象棋，皇帝非常高兴问他想要什么样的奖赏，数学家说很简单，你在棋盘里面第一格放1颗麦子，第二格放2颗麦子，第三格放4颗麦子，第四格放8颗麦子，再下面一格放16颗麦子，用这种方式把棋盘放满就够了。皇帝认为数学家的要求不是很高，只不过要了几颗麦子而已，当即答应了。实际总共需要多少颗麦子呢？棋盘一共是64格，第一格是1，最后一格是2的63次方，一共是2的64次方减1，大约是140万亿升的麦子。由此可见，几何级的增长速度特别快，这也是混沌里最基本的一个概念。

　　我们看上图这个盒子，一个盒子里面放入气体分子，分子在盒子里运动速度非常快，假如有一个小的误差，第一秒就加倍，第二秒又加倍，第三秒又加倍，60秒后，2的60次方，原先再小的误差都被刚才的这种方式加倍，由此可见，分子运动带来的后果是非常大的，而混沌的量有多少，取决于多长时间加倍一次。

　　在空气动力学中，空气移动比较快，可能零点几秒钟就加倍。太阳系运动相对较慢，误差加倍时间可能需要几十年、几百年，但有一个共同的性质存在，误差在一次一次的加倍！时间拉长后，你没法知道它原先的状态，因为一次次加倍带来的后果是将来不可预测，这就是将来不可预测原理。

　　气象系统是最典型的混沌系统。大家可能都遇到过，准备周末出去玩，一看气象预报是晴天，到周末却开始下大雨，大家可能都会指责气象台预报的不准，事实上气象是一个非常混沌的系统，基本没有办法长时间预测。本来广州应该晴空万里，但有一只蝴蝶在美国芝加哥挥了挥翅膀，它对空气的影响可能一秒钟以后就会加倍，两个星期以后就会影响着广州的气候。

　　这就是蝴蝶效应，也是为什么说气象系统是典型的混沌系统，假如要想精确预告天气，你必须知道芝加哥的每一只蝴蝶在两个星期之前干了什么，但有很多比蝴蝶更大的影响因素，比如汽车、飞机、人，想预告广州两个星期后的气候，就必须知道在地球另外一边发生的所有现象，这几乎是不可能的，所以短期气象预告可以的，但长期只能从概率上去预告。

　　混沌究竟是好还是坏？

　　大家都知道混沌非常地糟糕，那是不是就代表着不好？我讲一个代表混沌系统好的例子。现在中国、美国、印度等国家，大家都想进行太空探测，上月球、上火星，所以要发射很多卫星探测器。

　　1991年4月，日本发射了HiTen的月球探测器，上天后才发现燃料不够，大家可能觉得这种问题不应该出现，这是因为发射过程有很多不定因素，放太多的燃料，重量就会增加，多放一斤燃料就要少放一斤科学仪器，而燃料刚好够，但是遇到特殊情况就可能出现燃料不足的情况。美国加州理工大学JPL实验室，派了一位数学家叫Belbruno，协助日本人重新设计轨道。

　　解决方案是利用有限的燃料把探测器送到混沌区域，混沌区域的将来不定，可能会出现在任何地方，到达有利地点就让它过去，不利的地点就稍微花一些燃料推动一下，1991年10月份，科学家用这种方式，最后成功地把探测器送到了月球轨道。

　　某一天Belbruno给我打电话，说读了我的一篇文章，他在找混沌区域时，花了一个月的时间，如果先读了我的那篇关于混沌的文章，可能不用一个月就可以很快找到相应的区域，我听后非常高兴，没想到自己发表论文居然会有所应用。

　　本来以为这种事情日本发生了一次，以后就不太可能再发生了。谁知7年以后，1998年美国Hughe公司的一个探测器也遇到了同样的问题，发射后发现燃料不够，这时他们又找道Belbruno，很快，Belbruno帮他们重新设计了一条新的轨道，让探测器又成功抵达了原先的轨道。（注：文字信息未经夏志宏审校，图片来源于夏志宏演讲PPT）

2019年11月28日，国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现。中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

一、宇宙吸光器

　　霍金在其最后的著作《十问》中写道，“事实有时候比小说更奇妙，黑洞最能真实地体现这一点，它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。 1915年爱因斯坦提出广义相对论，德国物理学家卡尔·史瓦西推导出了爱因斯坦场方程式的一个精确解，预示了黑洞的存在。自此人类就没有停止过对这种神秘天体的想象和探索。

　　1965年，天鹅座X-1因其强X射线辐射成为第一颗被发现的黑洞侯选体；2015年，首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更为具体的证据；2019年，天文学家历时10年利用四大洲八个观测点捕获了黑洞的视觉证据——首张黑洞“芳容”，让这个曾经“看不见摸不着”的诡异天体有了一丝亲和力。黑洞到底是什么，为何让一代代天文学家为之如此着迷？本身不发光，密度非常大（把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中，这样的密度就相当于黑洞的密度），具有超强的吸引力，任何从其身边经过的物质，就连速度最快的光也无法逃离，这种神奇的天体就是黑洞。因此可以说，黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”。

　　天文学家根据黑洞质量的不同，将黑洞大致分为恒星级黑洞（100倍太阳质量以下）、中等质量黑洞（100倍-10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上）。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，是宇宙中广泛存在的 “居民”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多（大于3倍太阳质量），多到既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩，最终形成致密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞，而在星系的中心存在着超大质量黑洞，比如银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。

二、如何观测恒星级黑洞

　　黑洞神秘而又有趣，若龙潜深渊，隐藏爪牙，潜行于宇宙星海中。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统，黑洞就会露出狰狞的爪牙，以强大的“胃口”直接把恒星伴星上的气体物质吸过来，形成吸积盘，发出明亮的X射线光（图一）。这些X射线光如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是这一“照”成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索。然后，天文学家会通过监测伴星的运动，测量黑洞的质量，这适用于明亮伴星的黑洞系统。另一种方法是对于稀少的双黑洞，科学家主要通过引力波实验聆听时空的涟漪，进而推知黑洞并合事件。

　　迄今为止，银河系中几乎所有的恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的。过去的五十年里，人们用该种方法发现了约二十颗黑洞，质量均在3到20倍太阳质量之间。

　　银河内有数以千亿计的恒星，按照理论预测，银河系中应该有上亿颗大质量死亡形成的恒星级黑洞，而在黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的只占一小部分。当黑洞和它的伴星距离较远时，我们的“大胃王”也会表现出平静温和的一面，那对于这些平静态（不吸积伴星气体）的黑洞如何来搜寻呢？天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新的答案。

图一 黑洞吸积喷射出X射线的艺术想象图（来自网络）

三、捕捉“深藏不露”的黑洞

　　国家天文台领导的研究团队在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统，这其中会不会包含一颗深藏不露的黑洞？700多天的追逐之路饱含了艰辛和精彩。

　　2016年初，LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统的研究计划，并选择了开普勒一个天区（K2-0）中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。在这其中有一颗“走路拉风”的B型星引起了研究人员的关注，这颗星表现出规律地周期性运动和不同寻常的光谱特征。

目前，全球平均不孕不育率大概在10% -15%左右，我国约为15%。中国不孕夫妇约为1200-1500万对，自然妊娠人群流产率高达10%。另外，我国婴儿出生缺陷率为5.6%，每年新增约90万例患儿。

　　与此同时，世界老龄化现象严重，我国也不例外，2015年，中国人口总和生育率约为1.6，远低于人口世代更替水平2.1，全面二胎政策的出台也没能明显地缓解这种情况。2018年65岁以上人口已达1.67亿。按此趋势，到2050年，中国老龄人口预计将占总人口数的35%，远高于世界平均22%的老龄人口比例。资料显示，从2015到2025年，预测育龄人口的规模将不断下降。

图片来源于网络

　　2019年11月21日，《国家积极应对人口老龄化中长期规划》正式对外发布。《规划》指出，到2022年，积极应对人口老龄化的制度框架初步建立，基本养老保险和基本医疗保险基本实现法定人员全覆盖。

　　到2035年，积极应对人口老龄化的制度安排更加科学有效，社会财富储备进入高收入国家行列，主要健康指标进入高收入国家行列，中国特色养老服务体系成熟定型，全体老年人享有基本养老服务，老年友好型社会总体建成。

　　到本世纪中叶，与社会主义现代化强国相适应的应对人口老龄化制度安排成熟完备。

　　辅助生殖技术发展及瓶颈

　　2019年4月15日，北京大学第三医院（以下简称为北医三院）的医生像往常一样忙碌：中国大陆首例试管婴儿郑萌珠即将临盆。伴随着一声脆亮的啼哭，体重3850克的男宝宝降生了，就像他妈妈当年一样，作为“试管婴儿二代宝宝”，他的诞生吸引了众人的目光。

中国试管婴儿之母张丽珠教授与郑萌珠 来源于网络

　　时光倒回到31年前，1988年3月10日，郑萌珠在北医三院生殖医学中心出生。她的出生，开启了我国辅助生殖技术的新征程，而“试管婴儿二代宝宝”的出生，更是证实了我国辅助生殖技术的安全性。从2005年起，中国辅助生殖技术（Assisted Reproductive Technology，ART）总体服务量急速上升，远超同期美国CDC（Centers for Disease Control and Prevention）给出的ART周期数。

　　近三年来，北医三院每年的门诊量都在60万左右，很多夫妻因为生育问题来北京就诊。北医三院院长乔杰表示，这些患者大多数是中青年育龄人群，是家庭、社会的中坚力量。通过媒体传播，辅助生殖技术及其衍生技术越来越受到社会公众地广泛关注，不少人甚至将高龄生育的全部希望都寄托在冻卵上。

　　卵子在冷冻过程中还是不可避免的受到一些伤害，包括温度的变化、冷冻培养液的处理等，且解冻过程也可能破坏卵子的细胞结构。

　　辅助生殖生殖技术给予很多家庭孕育新生命的希望，但其本身也面临着困境——比如平均每个治疗周期成功率只有30%左右等（注：这里成功率的概念是有一个健康的婴儿出生）。目前，临床科研人员仍在不断探求提高辅助生殖成功率的方法，但无论如何，“高龄”仍是不可避免的、限制辅助生殖成功率的最大因素。所以，乔杰院士强调：“顺利生育健康婴儿的最好方式就是育龄期夫妻在25-28岁这段最好的生育时间科学备孕，尽量不要超过35岁。疾病有时候不可避免，但是人生规划是可以事先做好的，尽量工作生活两不误。”

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　　不断破解配子、胚胎发育过程难题

　　人类和其他物种同起源于单细胞生物。随着进化，人类与其他生物的遗传差别越来越大，逐渐表现出自身独特性状并将其维持。而这种独特特征的传递正有赖于生殖细胞。孕育新生命的过程中，种子（卵母细胞质量、精子质量）、土地（子宫内膜）和环境（身体局部和整体条件）是关键，而其中卵母细胞质量、精子的质量约占70%的因素。但目前我们对从配子发生，到受精以后形成新的个体及其再发育的整个过程仍知之甚少，所以不断探究、解析人类配子胚胎发育调控规律是我们了解自己、试图提高辅助生殖成功率的重要一环。

　　在高通量单细胞测序等技术的支持下，近年来，乔杰团队和北京大学谢晓亮教授及汤富酬教授合作团队，不断围绕生殖细胞发生、发育及成熟进行了系统性研究，揭示了人类早期胚胎发育，着床过程，胎儿生殖细胞发生、精子、卵泡成熟等多个关键发育阶段的基因组特征、DNA甲基化重编程及其对基因表达的调控关系，从而能使精子及卵细胞中每个基因、碱基都能追踪到亲本来源，这为遗传疾病诊断的连锁分析奠定了基础。

图片来源于网络

　　“临床上，着床失败是导致早期流产的重要因素之一。”乔杰院士表示，此前无法获得自然受孕后的早期着床后阶段的人类胚胎，多用啮齿类胚胎或猴子胚胎等模式生物替代研究，无法准确反映人类分子调控等规律的真实情况。

　　胚胎植入的第一步是胚胎在各种激素和生长因子及趋化因子的作用下，胚胎滋养外胚层同子宫内膜上皮细胞黏附继而向内膜侵入。而后，植入后滋养层细胞进一步侵入和分化以维持妊娠防止流产。说来简单，但这一过程却是一个“黑匣子”。

　　2019年8月21日，乔杰教授课题组和汤富酬教授课题组合作，在《自然》杂志在线发表了名为《利用单细胞转录组和DNA甲基化组图谱重构人类胚胎着床过程》的论文，成功破解了这一“黑匣子”。他们应用体外模拟人类胚胎着床培养体系，经过与高精度单细胞多组学测序技术相结合，首次阐述了人类胚胎着床过程基因表达调控网络和DNA甲基化动态变化规律，解析了围着床期胚胎发育的分子调控机制。

胚胎着床，来源于网络

　　随着受精卵的分裂，胚胎细胞逐渐出现了命运的分化，形成具有三种细胞类型的囊胚，其中以上胚层细胞为主的胚层前体细胞快速增殖、迁移，形成内中外三个胚层，胚层前体细胞命运决定是胚胎发育的关键，如果胚层诱导和分化发生异常，将会导致不良妊娠及胎儿畸形的发生。这个过程中一些表观遗传的改变，其对成人疾病的影响，是要特别关注的。很多成人相关的疾病都是和滋养外胚层、内细胞团这二者有关，然而能研究人类的胚胎很有限，所以在不同模式动物上的研究非常重要。

　　哺乳动物早期发育过程中，细胞的迁移、增殖和分化对胚层细胞的形成及胚胎模式的建立至关重要。以小鼠为例，受精后第6.5天胚胎的细胞数目约660个细胞，到7.5天就多达1.6万个细胞，细胞数量增加27倍，这个过程到底发生什么了？伴随着细胞的快速增殖，研究者利用标记中胚层细胞的特异标记物，追踪了中胚层细胞从原条部位迁移至胚胎前端及胚外的运动轨迹。而胚层细胞命运区域化何时建立，又是如何受到遗传、表观遗传的调控，是发育研究的重大基础问题，相关研究一直在进行。

　　近年通过单细胞测序等手段，科学家已初步解析了斑马鱼、非洲爪蛙等模式动物原肠期不同胚层细胞谱系的变化特征，小鼠中的研究也表明胚层细胞谱系区域化这一特征可以追溯到卵裂期，这一调控网络的顶端控制因素尚不明确；此外，该过程的关键决定因素是否可以追溯到卵裂期之前也是尚未解决的重要科学问题。目前，科学家已经建立了有效的实验方法和技术路线，可以实现在受精卵形成时，规模化地挖掘该过程的候选调控因子，鉴定其在胚层细胞命运区域化中的决定性作用，并探索其作用机制，进而为回答这一重要科学问题提供线索。

　　胎儿原始生殖细胞发育过程的研究也是十分困难的。2017年，利用单细胞RNA测序技术，科学家分析了超过2，000个胎儿生殖细胞及生殖脊周围体细胞，包括男性和女性胚胎并且涵盖了多个发育时期。此项研究发现女性胎儿生殖细胞经历4个时期：有丝分裂、视黄酸信号传导、减数分裂前期与卵子发生；而男性胎儿生殖细胞则经历3个时期：迁移、有丝分裂与细胞周期阻滞。该项研究描绘的体内正常生理情况下人类胚胎生殖细胞的发育历程将为生殖细胞相关疾病（如不孕不育和畸胎瘤等）的诊断和治疗提供路标。

　　经过一系列研究画出的图谱显示，精卵DNA甲基化在着床前和胎儿原始生殖细胞阶段发生两次大规模重编程——生命周期中两次大规模甲基化重编程。这一过程中，印记基因甲基化在胚胎发育中维持，原始生殖细胞擦除，精、卵成熟过程分别重新建立父源、母源印记，发现新的等位基因差异甲基化区域，潜在新的印记基因；重复序列元件保留大量甲基化，以保持基因组稳定；父源母源DNA甲基化对胚胎发育贡献可能不同。

　　近来，中科院动物研究所、昆明动物所、昆明理工大学团队在《科学》杂志背靠背发表了颇具突破性的研究成果。体外培养食蟹猴/猕猴胚胎超过14天，培养到了20天，由此成功模拟了胚胎着床和原肠运动过程。原肠运动是囊胚着床后的一个里程碑事件，英国著名发育生物学家Lewis Wolpert曾说：“人生最重要的阶段不是出生和结婚，甚至不是死亡，而是原肠运动。”原肠运动在进化上非常保守，其机制受到精细而严谨的调控，是最为引人入胜的发育生物学过程。原肠运动的正常、有序发生是三个胚层形成的基础，为后续各脏器正常分化提供保障。但由于原肠运动发生在囊胚植入母体子宫后，受到研究材料、实验技术和动物伦理等因素的限制，目前人们对原肠运动的认识依然十分有限。在哺乳类动物中，仅小鼠的原肠运动过程相对研究较多，而啮齿类和灵长类动物在胚胎早期的发育过程存在很多差异，两者不能完全进行类比。

　　体外培养食蟹猴/猕猴胚胎的培养系统、形态学鉴定、以及单细胞组学测序等分析，证实了体外和体内发育胚胎在形态学与基因表达特征上高度相似，且均能在体外重现体内胚胎的多个重要生物学事件。这项工作对探索灵长类早期胚胎发育，特别是胚胎早期植入阶段和原肠运动阶段，开辟了一个崭新的研究平台。结合细胞示踪技术和单细胞测序技术，该体系将推动灵长类早期胚胎发育和疾病的研究，推动胚胎干细胞定向分化，以及再生医学等相关领域的发展。

　　2018年11月23日，清华大学孟安明院士研究组与陶庆华教授研究组在《科学》杂志合作发表了题为《母源因子Huluwa通过β-catenin决定脊椎动物胚胎体轴》的论文，引发广泛关注。该研究鉴定了一个全新的膜蛋白，命名为“葫芦娃”（Huluwa，Hwa），Hwa是一个母源因子，在斑马鱼和非洲爪蛙的受精卵中就获得了区域化的定位，这一特征导致Huluwa仅在胚胎一侧诱导Spemann组织者生成，系统的遗传学、胚胎学、细胞生物学实验证明了是Hwa就是自Spemann发现组织者以来，人们苦苦寻找的母源背方决定因子。

图片来源于清华大学新闻网

　　在机制研究过程中，科研工作者对临床新技术的探索也在不断进行。乔杰认为，不成熟卵的获取、体外成熟技术，不让卵细胞脆弱的纺锤体受损害的新技术、冷冻保护剂的研发等等，这些需要各领域科学家的共同努力。

　　如何避免出生缺陷

　　目前，全球出生缺陷形势严峻，即使在发达国家，出生缺陷发生率也有2%–3%，2012年《中国出生缺陷防治报告》中提到，我国每年新增出生缺陷约90万例，出生缺陷已成婴儿死亡和儿童残疾的主要原因。

　　为什么会出现出生缺陷？乔杰表示，这可由染色体畸变、基因突变等遗传因素引起，也可由孕前及孕期感染、放射线、致畸药品、孕妇糖尿病等环境暴露因素引起，也可由这两种因素交互作用或其他不明原因所致。

　　我国现已形成出生缺陷三级预防体系。三级预防是指出生以后再去治疗，治疗效果有限且成本高；二级预防是中期引产，但这对母亲来说非常痛苦；一级预防包括婚前及孕前咨询、产前检查，特别对于有遗传病或者已经生育了出生缺陷患儿的家庭来说，胚胎植入前遗传学诊断是从源头预防的最好方法。目前，乔杰教授、谢晓亮教授及汤富酬教授团队创建的胚胎植入前遗传学诊断新方法MARSALA，一次测序完成则能“单基因检测、染色体鉴定及连锁分析”三重诊断。目前已经对近600余对夫妇，包括近 200种单基因疾病进行了诊断，希望更多新技术的研发能够让更多的家庭能够受惠。

　　2018年，北医三院辅助生殖技术系列研究成果作为改变民生的临床技术唯一代表，入选“伟大的变革——庆祝改革开放40周年大型展览”。世界首例MALBAC 婴儿和中国大陆首例婴儿一起，作为北医三院辅助生殖技术的代表，也是中国辅助生殖技术水平的体现，在第四展区——历史巨变中进行了展出。

　　1、研究报告称，日本福岛26.7万多张野生动物照片记录了20余种动物，包括：野猪、日本野兔、猕猴、野鸡、狐狸、浣熊等。

　　新浪科技讯 北京时间1月8日消息，据国外媒体报道，美国佐治亚大学最新研究称，日本福岛核泄漏事件带来一场灾难，该地区一片荒芜，没有人类生活的迹象，但是现今10年过去了，这里变成了野生动物的天堂，存在着大量种类繁多的野生动物。

　　一份基于相机记录的研究报告发表在《生态与环境前沿期刊》上，该研究报告称，日本福岛26.7万多张野生动物照片记录了20余种动物，包括：野猪、日本野兔、猕猴、野鸡、狐狸、狸（狐狸的近亲物种）等。

　　佐治亚大学野生动物生物学家詹姆斯·比斯利（James Beasley）说：“切尔诺贝利和福岛核事故发生数年之后，科学界和公众非常关注该区域野生动物的生存状况，希望了解核辐射对野生动物构成怎样的影响。”

2、图中是一只正在觅食的狸。

　　之前一些研究报告揭晓了切尔诺贝利核电站野生动物生存状况，近期科学家也开始关注核泄漏事件发生10年之后的日本福岛。

　　比斯利表示，我们的研究结果首次证实，尽管福岛存在着辐射污染，但在疏散区，仍有大量野生动物生存，并且种类达到20多种。相机拍摄到人类疏散区存在与人类发生冲突的物种，尤其是野猪，这表明当人类撤离之后，这些物种数量大幅增加。

　　福岛大学环境放射性研究所教授托马斯·辛顿（Thomas Hinton）等人在福岛发现具有生物多样性的3个区域，相关摄影数据来自3个区域的106个拍摄点，这3个区域是：高辐射污染的无人区；中等辐射污染的人类活动限制区；较低环境辐射污染的人类可居住区。

　　在相机观察的120天里，相机拍摄了4.6万张野猪照片，其中2.6万张是在无人区拍摄的，1.3万张是在人类活动限制区拍摄的，0.7万张是在人类可居住区拍摄的。

　　3、日本鬣羚是一个例外，它是一种类似山羊的哺乳动物，平时会远离人类，但在福岛有人居住的高地区域频繁发现它们的活动踪迹，研究人员称，这可能是一种动物行为调整，鬣羚会避开疏散区数量较多的野猪。

　　在无人区和人类活动限制区拍摄次数较多的其他物种包括：浣熊、日本貂和日本猕猴。辛顿指出，最新研究报告并不是对动物健康的评估分析，仅是对该区域野生动物种群的观察记录。这项研究具有重要作用，其调查了核辐射对野生动物种群的影响，而此前大多数研究都是观察分析对单个动物的辐射危害，在此次研究中无人区作为研究控制区，尽可能减少人类进入次数。

　　科学家称，虽然之前没有关于疏散区野生动物数量的统计，但其与人类可居住区的地理位置和地形相似，因此该区域是最佳观察地点。

　　研究小组还评估了其他变量的影响：与主道的距离、相机记录的活动时间、植被类型和海拔高度等。比斯利说：“从山地至沿海栖息地，地形各不相同，我们知道这些栖息地存在着不同类型的物种，为了考虑这些因素，我们在分析中加入了栖息地和景观属性，例如：海拔高度等。”

　　基于这些分析，我们的研究结果显示，人类活动水平、海拔高度和栖息地类型是影响物种数量的主要因素，而不是辐射等级。

　　研究结果表明，大多数物种的活动模式与已知行为模式一致，浣熊是夜行动物，它们在晚上更活跃，而野鸡是白天活动的动物，白天更活跃。然而，在无人区的野猪比人类可居住区的野猪更加活跃，该物征显示它们可能在没有人类活动的情况下会改变自己的行为方式。

　　但是日本鬣羚是一个例外，它是一种类似山羊的哺乳动物，平时会远离人类，但在福岛有人居住的高地区域频繁发现它们的活动踪迹，研究人员称，这可能是一种动物行为调整，鬣羚会避开疏散区数量较多的野猪。

从天文学的角度来看， 2019年可谓是黑洞之年。

　　这一年，黑洞研究取得了多项突破性进展。4月10日，科学家发布首张全球唯一的黑洞照片；11月28日，中科院国家天文台的科研人员又发现了银河系当中最大的恒星级黑洞，除此之外，美国科学家还发现了宇宙中最小质量的黑洞。而这些发现中，毫无疑问首张黑洞照片是最激动人心的一件事。

银河系内最重的恒星级黑洞LB-1的艺术想象图（喻京川绘）

　　1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，几个月之后，身处德国战壕中的物理学家卡尔·史瓦西（K。 Schwarschild）求得了爱因斯坦方程的精确解，这个解就是现在我们所知道的黑洞解，没有转动的黑洞解，这也是第一次现代意义上对于黑洞的描述。

　　在接下来的近一百年里，人类对黑洞的研究仅仅停留在理论上，我们对于黑洞长什么样几乎一无所知。

　　一直到最近十多年，科技的发展让人类有机会去追寻、去探究黑洞真实的模样。终于在2019年4月份，全球20个国家的300多位科学家联合发布了第一张黑洞照片。

　　通过黑洞探寻的历史，我们可以窥探整个科学发展的漫长历史。

　　说到黑洞，或许我们会有一些恐惧感，因为在很多电影中把黑洞都描述成无所不“吃”，甚至连光和时间都能够停止的“巨人”，但是在一些物理学家的眼中，它又是非常神奇的，因为它或许在未来会充当时间之门的角色，带领人类快速地进行宇宙穿越。

　　总体来说，黑洞是既神秘又神奇的天体。黑洞引力非常强，所以要认识它，我们就得从引力的发展历史去探究。

　　万有引力发展史

　　谈到引力，自然而然我们就会想到17世纪伟大的物理学家–牛顿，他坐在树下，看到下落的苹果，就意识到在宇宙中应该存在一种普遍的力，现在我们称之为万有引力。

　　牛顿是一位非常伟大的物理学家，他不仅仅想到了这一点，他还让这个想法“落地”了，他根据这个想法写下了一个非常经典的公式：万有引力表达式。通过这个公式，我们知道，他认为引力是因为物体有质量而存在的。

　　他把这一理论总结在经典的《自然哲学的数学原理》一书中。这一理论发表后得到了很多人的推崇，因为它不仅可以很好地解释天体在空间当中的运动，而且可以完美地预测天体未来的运动状态。

　　在接下来的几百年中，他的理论不断被验证，而且被更为广泛的应用，不仅在物理学中，还应用在其他非常多的学科中。牛顿理论可以说是现代科学的起源，但是到了19世纪，更多观测的发现，让科学家对牛顿理论提出了挑战。20世纪初的时候，爱因斯坦首先提出了狭义相对论，十年之后又提出了广义相对论。在这个新型的理论当中，他提出了一种对引力全新的看法，他认为引力并非由质量直接产生，而是由有质量的天体导致了宇宙时空的弯曲，弯曲的时空呈现出一种引力的效应。

　　在爱因斯坦提出广义相对论的几个月后，德国物理学家卡尔·史瓦西（K。 Schwarschild）就得到了这个复杂方程的精确解，但很遗憾的是，这个精确解虽然是黑洞的精确解，但是这个黑洞是没有转动的黑洞，而在宇宙当中几乎所有的天体都是转动的，包括地球。所以，爱因斯坦看到这个精确解的时候，虽然很惊奇，但他并不相信这个解是真实存在的。

　　在接下来的几十年中，由于战乱、科技的限制，对于黑洞的研究可以说是停滞的。仅仅在1939年，奥本海默和他的学生发现了大质量恒星坍缩有可能会形成一个奇点，这就是我们现在所知道的黑洞，除此之外，对于黑洞的研究并没有太大的进展。

　　因为观测从来没有发现过黑洞的踪迹，所以直到1955年爱因斯坦去世，他都没有相信黑洞这类神秘的天体是存在的。

　　黑洞研究黄金三十年

钱德拉X射线天文台拍摄的天鹅座X-1照片。 来源维基百科

　　时间到了60年代，1963年新西兰的数学家科尔得到了广义相对论方程另外一个精确解，这一次的黑洞解是转动的。而在一年之后的1964年，美国科学家通过发射探空火箭，第一次发现了黑洞的踪迹，人类历史上第一个恒星量级的黑洞就此被发现，这就是我们现在熟知的天鹅座X1。

　　因为理论和观测的双重突破，一下子吸引了大批的天文学家、物理学家投入到这个领域中，所以在接下来的二三十年中，黑洞的研究进入了黄金时期。我们现在知道几乎所有的黑洞知识，都是在这二三十年中获得的。

　　在这期间，有一位非常突出的学者：普林斯顿大学的惠勒教授。我们现在知道的黑洞这一词，尽管不是他发明的，但经过他的广泛推广，最终被大众所熟悉。

　　除了惠勒之外，另外一位需要重点介绍的物理学家就是霍金。霍金在70年代，当大家还认为黑洞没有任何辐射的时候，他就提出黑洞应该会产生辐射，这就是我们现在所知道的霍金辐射。这个辐射尽管非常微弱，但是0和1的差别却是天壤之别。

　　在接下来的几十年当中，尽管人类在理论上已经取得了非常多的知识，但是黑洞究竟长什么模样，我们还是不知道。所以，最近一次对于黑洞最为震撼的描述，应该是2014年上映的《星际穿越》电影。

　　这部电影中对于黑洞的展现也震撼到了我。不仅仅是我，作为电影科学顾问的诺奖得主–基普·索恩，他第一次看到高清旋转黑洞的时候，同样欣喜若狂。为了得到高清黑洞的展现，英国双重否定公司利用30个人的团队，花费了将近一年的时间，得到了8000TB的数据，最终呈现给影迷如此高清的黑洞渲染特效，并且他们发表了相关文章，来展现他们的计算技术。

　　从科学角度对于黑洞探测，一直没有停止。十年前，科学技术发展到一定阶段，我们可以把全球望远镜联网，来自于全球很多国家的科学家就试图对一些黑洞进行真正的成像，他们把这个项目叫做视界面望远镜项目。

　　他们想看的两个黑洞，一个是来自于银河系中心的黑洞，另外一个位于大约5500万光年之外的M87黑洞，上图右侧展示的就是M87光学波段的黑洞。

　　需要多大的望远镜才能真正看清楚中心黑洞的模样？上图就是非常好的说明。蓝色代表是哈勃望远镜所拍摄到的图像，而最中间的圆环就是我们所想拍摄的黑洞的尺度。这两者之间相差至少几千倍。所以，如果我们要利用目前最先进的望远镜，望远镜的口径要达到几公里左右，才能分清中心黑洞的模样。

　　科学家没有办法去制造如此巨大的光学望远镜，他们发展出了一套称之为VLBI联网的技术，把全球几乎所有的亚毫米波望远镜连成一个庞大的网络。这个望远镜口径可以达到1万多公里，就可以对中心黑洞进行成像，这些望远镜通常都位于海拔非常高的地方，这是为了减少大气对于电磁波的吸收。

　　除了观测设备需要不断改进之外，理论方面也需要做大量模拟，因为黑洞周围非常复杂。利用简单的纸和笔，科学家已经很难对气体在黑洞周围的运动状态做出描述，这时需要相对论型的磁流体力学，每一次计算都需要上千个CPU，运算好几个月。

　　视界面望远镜团队对于各种不同情形做出了最终计算，上图展示了其中计算得到的部分结果。终于一切准备就绪，2017年4月10日到15日，他们利用全球8个不同地方的望远镜，对这两个黑洞进行了观测，最终得到了大约5 PB的数据。

　　因为数据量非常大，而且有一个望远镜位于南极。利用现有的网络很难将数据传输回来，或许未来5G技术成熟以后，我们可以直接进行传输，科学家采用的方法是将数据拷贝到磁盘上，用飞机运回到数据中心。

　　数据中心有两个，一个位于美国的MIT，另一个在德国。得到数据以后，科学家进行相关分析，采用不同的方式对图像进行确认。确认以后，进行重构，最终得到我们所看到的黑洞照片。在得到黑洞照片的同时，科学家已经做了数值的模拟，与数值模拟库相比较，从而可以推断黑洞的性质。这就是2019年4月10日晚上9时在全球发布的第一张黑洞照片。

　　有了黑洞照片，与先前已经得到的数值结果相比较，科学家就可以推断出有关于黑洞的性质。或许大家会对《星际穿越》电影当中的黑洞印象非常深刻，当然，我们没有办法飞到M87周围去做一直接比较，但是我们可以借助现代性能非常发达的计算机来模拟整个过程。你可能会问：“为什么我们这次看到的第一张黑洞照片和《星际穿越》电影当中的照片竟然差别如此之大？”

　　主要的原因是我们看的黑洞视角不一样， 拍摄M87是沿着黑洞转动的方向去看的，但是《星际穿越》电影中是沿着赤道方向展示的黑洞模样。这是两者之间最大的差别。

　　现代科技不仅仅给黑洞研究带来了非常大的便利，而且在讲述科技对天文研究所带来影响时，引力波是一个非常值得一讲的话题。引力波可以说是时空当中的涟漪，它是致密天体在宇宙中碰撞或者爆发时释放出来的巨大能量，对时空所产生的一种波动。

　　这个波动非常微弱，我们知道，氢弹是地球上破坏力最大的一种武器。当年前苏联所尝试的氢弹达到了5000万吨当量，可以说是所有氢弹当中破坏力最大的一次。如果我们能够站在氢弹爆发的最中心，去测量它对时空的干扰，干扰仅仅为10的负27次方。一个原子核的大小是10个负18次方米，一个头发丝的大小是10的负5次方米。一比较我们就可以看出，这个氢弹尽管对周围的物体造成了极大破坏，但是对于时空几乎是毫发无损。

　　假如有一天，一个非常强大的引力波穿越地球的时候，会对地球上的人类造成什么影响？它会不断地拉伸人类。

　　上图是以一种夸张的方式展示了引力波对人的影响，一个人会突然变瘦，或突然变胖。但实际上，引力波带来的人体的变化都没有一个原子核大。

　　2015年9月，人类第一次探到引力波，是由美国的引力波激光天文台探测到的，这次引力波的效应仅仅只使得一个原子的尺度发生了变化，只有10的负18次方米。

　　由此也说明，我们现代的科技已经能够做到如此精密的测量。

　　从1915年提出广义相对论，1916年引力波被预测，到2015年引力波第一次被直接探测到，人类整整经历了一个世纪的探索。

　　引力波也帮助人类发现了很多意想不到的事情，原来我们根本没有想到在宇宙中，会存在着很多质量非常大的黑洞。紫色的原点就是代表传统望远镜所看到的黑洞质量，蓝色是引力波帮助我们发现的质量非常大的黑洞。所以，引力波成为人类探索黑洞的一个新窗口。

　　下一步：拍摄黑洞动态照

　　在接下来的很多年内，还有一些其他更大的项目正在进行。比如美国的LSST项目（即：Large Synoptic Survey Telescope，大型综合巡天望远镜）。我们现在所看到的很多宇宙都是一个静态的宇宙，比如我们会看到一幅非常漂亮的图画，而这个望远镜的目的就是要制作宇宙的一幅动画图。它的数据量每晚上可以达到15TB，这对于目前的计算处理能力来说是非常大的挑战。

　　当然还有更大的挑战在等待着我们，中国参与的另外一个大型项目平方公里阵射电望远镜（Square Kilometre Array， SKA）。它的尺度可以达到一平方公里以上，包含2万多个小型望远镜，每秒钟产生的数据量达到2TB。所以，如何去处理这么庞大的数据，的确是一个非常大的挑战。

　　纵观整个人类科学史的发展，现代科学的发展得益于天文学的观测。过去的几十年，天文学又从现代科技中受益无数，现代科学技术帮助科学家可以去发现一个更广阔和更神奇的宇宙。天文学作为一门基础学科，我对麻省理工学院的校长在引力波发现之后所说的一段话深表赞同，他说道：“基础科学是非常辛苦、严谨和缓慢的，又是非常震撼性、革命性和催化性的研究。如果没有基础学科，最好的设想就无法得到改进，创新也只能是小打小闹，只有随着基础科学的进步，我们整个社会才能够取得进步。”