十年前，基因吸引了所有人的注意力，现在，它们必须和一个不断扩大的演员阵容共享镁光灯了
揭秘黑暗基因组
从前，人类对于基因组的认识似乎这是件再简单不过的事了：脱氧核糖核酸（DNA）负责下达指令，进而使得蛋白质在人体中合成；而这些指令全部包含在组成DNA的基因中。作为分子信使，DNA的化学“表亲”核糖核酸（RNA）负责携带这些指令并进入细胞的蛋白质工厂，进而使这些指令真正地落实到行动中。其中，在基因组之间存在着许多毫不相干、无用且无效的“垃圾DNA”。
然而，对基因组的上述认识已经是过去式了。令人吃惊地是基因调控是一个十分复杂的、被各种各样的调节DNA所支配的过程，而这些调节DNA可能就掩藏于所谓的“垃圾DNA”之中。同时，RNA也不仅仅是简单的分子信使，各种形状和大小的RNA实际上都是基因组运作中的重要参与者。此外，人们也逐渐认识到被称为表观遗传因子的化学修饰作用，该作用在不改变DNA序列本身的情况下影响下一代生物的基因组。
2001年，随着人类基因组图谱的首次公布，“黑暗基因组”才慢慢地显露出来。科学家预计能够在30亿个DNA碱基对中找到多达10万个基因，但更令人惊讶的是，他们仅发现了不到3.5万个基因（现在的数目是2.1万个），蛋白质编码序列仅占基因组的1.5%。难道人体中的其他DNA仅仅是垃圾吗？
2002年通过对老鼠基因组的破译结果，表明了真实情况并不像我们想的如此简单。老鼠和人类不仅有很多相同的基因，而且还有着许多相同的非编码DNA。自从老鼠和人类走上不同的演化道路开始，直到今日已有7500万年的历史，然而一些相同的区域仍然被保留了下来，这些区域很可能对生物体的存活起着至关重要的作用。
美国联合基因组研究所的爱德华·鲁宾（Edward Rubin）和莱恩·彭纳基奥（Len Pennacchio）及其同事，通过检测一些同人类相同的DNA在转基因老鼠胚胎中的功能，由此断定它们能够帮助调节基因，甚至在较远的区域发挥着调节功能。他们同其他小组的研究表明，非编码区分布着比预想还要多的调节DNA。
非编码DNA重要性的进一步证据则来自于对疾病的遗传风险因子的研究。通过大规模调查疾病个体和健康个体之间的单碱基差异，表明了大约40%的相关疾病差异出现在基因组之外。
当科学家研究到底哪些DNA被转录成RNA、哪些DNA被解码成RNA之时，黑暗基因也赫然耸现。科学家认为，细胞中的许多RNA是由蛋白质编码基因、核糖体RNA或其他区域的少量RNA生成的信使RNA。然而，最近通过由美国冷泉港实验室的托马斯·金格若斯（Thomas Gingeras）以及斯坦福大学的迈克尔·斯奈德（Michael Snyder）的研究，发现了比预期好很多的RNA，这一结果同日本理化研究所组学科学中心的林崎义秀等人对老鼠RNA的分析结果一致。
尽管有其他研究人员对这一发现表示怀疑，但很快就被欧洲生物信息研究所的伊万·伯尼（Ewan Birney）和旨在确定基因组中每个碱基功能的“DNA元素百科全书”计划所证实。这些2007年的初步结果令人大开眼界：染色体中藏有以前不了解的不同蛋白质的结合位点，它们可能是基因调节或表观遗传作用的温床。引人注目的是，细胞DNA有约80%显示出被转录为RNA的迹象。这些RNA是干什么用的还不清楚。
其他研究显示，RNA在基因调节和其他细胞功能中起着主要作用。1990年代末，从事植物和线虫研究的生物学家学会了用小分子RNA来关闭基因。这项技术被称为RNA干扰技术，目前已经成为调节不同物种基因活性的一个标准方法，并于2006年获得了诺贝尔奖。
为了大致了解RNA干扰和RNA，研究人员开始分离并研究只有21——30个长碱基的RNA分子。结果表明，这些“小分子RNA”会干扰信使RNA。2002年发表的4篇论文指出，小分子RNA也影响染色质（构成染色体的蛋白质和DNA复合体），其影响方式可能会进一步控制基因活性。在一项研究中，缺少某些小分子RNA的酵母没能正常分裂。其他研究已把这些微小的RNA与癌症和生物发育联系起来。
惊喜还并不止于此。2007年，斯坦福大学的霍华德·张（Howard Chang）和柏斯·以色列狄肯尼斯医学中心的约翰·里恩（John Rinn），通过研究所谓的大型介入性非编码RNA确定了一个基因调节功能。随后，里恩和他的同事确定了基因组中含有约1600个大型介入性非编码RNA。他们和其他一些研究人员认为，这类RNA很可能同编码蛋白质基因一样在细胞功能中起着同样重要的作用。
黑暗基因组的许多奥秘仍有待探索。即便如此，大体的情况是清楚的：十年前，基因吸引了所有人的注意力，现在，它们必须和一个不断扩大的演员阵容共享镁光灯了。
精准宇宙
由威尔金森微波各向异性探测器绘制的宇宙大爆炸余晖
千百万年来，人类不时地仰望星空并思索着这样一个问题：“这一切都是从何而来的？”尽管宇宙学家还没有一个明确的答案，但在过去的十年里，他们已经推断出一个十分精准的宇宙组成以及详细论述了这些组分联合的方式。这一进展使宇宙学从一门以定性研究为主的学科转变为一门具有标准理论的精密科学，即便该理论还存在许多尚未解答的问题。无论喜欢与否，宇宙学家已经大致地接受了这个理论。
宇宙成分大致分为三种：构成恒星和行星的普通物质、通过引力将星系捆绑起来的神秘“暗物质”，以及趋势宇宙加速膨胀的不可思议的“暗能量”。根据最新估算，普通物质所占比例为4.56%，暗物质占22.7%，而暗能量则占据了72.8%。
在“大爆炸”的瞬间，宇宙炙热而致密；在极短的时间内，宇宙以超光速的速度扩展。这个时期被称为宇宙“暴涨”，它将新生宇宙中密度的微小量子涨落扩展到超大规模，一些“过密”区域的引力抓住了暗物质：暗物质把起初只是亚原子粒子的普通物质也一起拉了进来，慢慢地，暗物质纤维和团块构成了巨大的“宇宙之网”，而星系就在其中。
在2000年以前，宇宙学家已经缩小了宇宙成分的范围，推测暗物质的存在已有几十年之久。1998年，暗能量闪耀登场，当时天文学家利用Ia型超新星爆发来追踪宇宙膨胀的速度并发现宇宙正在加速膨胀。为了解决一些概念谜团，在1980年代有人提出了宇宙“暴涨”的想法。但直到最近，观测才使得科学家能够将这些线索编织成一个严谨的理论。
然而，大部分的进展要得益于对宇宙大爆炸余辉――宇宙微波背景（CMB）辐射――的研究。2000年，飞镖球载望远镜对部分天空的宇宙微波背景辐射做了详细测量；一年后，南极的地面角尺度干涉仪也做了同样的测量。2003年，美国宇航局（NASA）发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）对整个太空的宇宙微波背景辐射进行了探测，并绘制出一幅极其精确的早期宇宙图。
在这张图中，科学家通过测量亮点的大小和分布，以及将测量结果与理论模型拟合，进而可以探测早期宇宙中普通物质和暗物质的相互作用和数量。同时，他们还能通过测量空间几何推断出宇宙中能量和物质的总密度，并推算暗能量占总密度的比例是多少。
对CMB的研究表明，宇宙是平直的。这意味着，如果你在太空中画一些平行线，这些平行线不会汇合或离散，只会延伸到无限长并保持同样的间距。这种平直性是宇宙暴涨理论的一个核心预言，而各种测量结果也支持了这个大胆的想法。同样，热点和冷点中表现的特定随机性也为这一预言提供了支持。
最令人瞠目结舌的是，CMB数据居然能拟合到宇宙学家的模型中――虽然模型只有6可调参数，而且并不只是一些边际的近似。理论与数据的吻合就像香肠的肠衣那样紧凑，使得那些认为暗物质和暗能量不存在的论点很难成立，更不可能抛开它们去解释任何事情，包括对星系分布的测量同宇宙学数据符合得也非常完美。
所有这一切都让宇宙学家陷入一个奇怪的境地：他们知道宇宙三种成分的精确比例，但仍然不了解暗物质和暗能量这两种成分到底是什么。这就好比他们得到一个做巧克力蛋糕的配方，配方中需要两种成分：一个是“甜的颗粒状物质”，另一个是“用来做糊的与水混合的白色粉末”，然而配方中并没有明确指出究竟是糖还是粉末。
下一个十年，宇宙学家也许会对所讨论的问题有着更加清楚的答案。一个被称为“超对称”的粒子理论预测了大质量弱相互作用粒子（WIMPs）的存在――这种粒子有可能是暗物质粒子的候选者。科学家对暗物质的探测很乐观，他们期待也许很快就能在深层地下的敏感探测器中检测到WIMPs，或从原子对撞机的高能粒子碰撞中产生WIMPs，或WIMPs会在太空中产生特定的伽玛射线。虽然搞清楚暗能量是什么所需的时间可能远远不止另一个十年，但许多天文观察仍将继续探索暗能量的特性。
微型时间机器再访古代生物
猛犸再现。科学家对这个已经灭绝的哺乳动物进行了基因组排序
数百年来，从事古生物学研究的专家大多只能依据骨骼化石来推断已灭绝生物是什么模样的。在过去十年里，功能强大的X射线扫描和三维计算机模型已经改变了人们对骨骼、牙齿和贝壳的分析方式。然而，更具革命性的分析方式也开始出现在人们的视野中：一种能够揭示身体结构适应性变化过程――如恐龙羽毛的颜色或者猛犸象如何御寒――的新型分析，而仅仅依据骨骼证据是无法做到这一点的。
对史前世界的新观点是基于这样的认识：诸如古DNA和胶原蛋白的“生物分子”可以生存数万年，它们能提供有关灭绝已久的植物、动物和人类的重要信息。在过去的十年里，这一领域的发展是出人意料的。1997年，德国马普进化人类学研究所的一个研究小组首次测序了尼安德特人的DNA片段，这被誉为是一个重要的里程碑。但在2010年，他们公布了尼安德特人的核基因组，其分子以丰富的色彩描绘了远古时代：古代基因显示一些尼安德特人是红头发、白皮肤，包括被称为黑色素体的古细胞器则揭示了中华龙鸟的绒尾巴是栗色的。
古代分子还可以揭示灭绝已久的物种之间的亲缘关系。例如，相对于爬行动物，恐龙细胞器的氨基酸顺序更接近于现代鸟类；而来自猛犸象古生代DNA的信息，表明它们的血液中含有特殊的御寒血红蛋白（2010年科学家在细菌中对这种血红蛋白进行了复制）。DNA研究甚至还表明，有些尼安德特人与我们的祖先曾有过交配。
早在1980年代中期开始的古代DNA研究，曾在一系列缺少证据的宣称中走向低谷。比如，有人宣称从8000万年前恐龙身上提取的DNA是来自于人的DNA，包括限于当时的实验手段，古代DNA通常被细菌DNA或科学家的DNA污染，以至于没有人相信（或发表）那些研究结果。随着研究资金的枯竭，只有少数实验室坚持到最后。
然而在过去的十年里，基于探索人类基因组研发的一系列新工具为古代DNA研究注入了活力。比如，新型高吞吐量测序仪对从受损的古代样本中提取小片段DNA的测序效果最好，便于科学家将较长的受污染DNA与较短的古代DNA片段区分开来，以相对低的成本测定提取DNA序列，并找出有趣的基因区域。
研究人员从古代生物的骨骼中抽取DNA
随着测序能力的快速发展，新的发现不断涌现。2005年，两个研究小组一起测序了古穴熊DNA的2.7万对碱基。半年后，另一个研究小组从一块古猛犸象的遗骨中得到2800万DNA碱基，并表明猛犸象是在约600万年前从非洲象分支出去的；2008年，这个小组根据得到的猛犸象毛发，开始对这一灭绝的动物进行了基因组测序。同年，6个尼安德特人的第一个完整线粒体基因组公布于世；2010年，尼安德特人基因密码的破译将古生物研究推向了顶峰。
2010年，德国马普进化人类学研究所实现了十年前许多科学家认为不可能实现的一项壮举：仅仅靠DNA研究便发现了一个新的人种。他们对从西伯利亚山洞发掘出的一根人类手指的线粒体基因组进行了测序。结果表明，该手指既不属于尼安德特人，也不属于现代人，看来是属于四万年前生活在中亚的一个新人种。
与此同时，其他的古代分子如RNA和胶原蛋白开始受到科学家的关注。美国北卡罗莱纳州立大学的科学家发表了一份引人注目的声明，称他们分别从6800万年前的霸王龙和8000万年前的鸭嘴龙身上分离出了胶原蛋白。尽管部分科学家怀疑这些胶原蛋白并非来自恐龙，而是来自于细菌，但其他一些科学家仍把胶原蛋白研究视为了解无法辨别的骨化石方式。甚至有科学家把眼光放在了比DNA更易污染的RNA上，希望通过RNA以了解早期作物的基因表现。
揭示灭绝生物的秘密或许对当今世界有现实意义。一些研究人员希望利用古代DNA把遗传多样性重新引入到像北极熊这样的濒危物种中。如果能成功，那么灭绝已久的生物分子可能会帮助挽救这些濒临灭绝的物种。
搜寻火星上的水乃至生命
粘土光谱中的蓝色和绿色（左）将指引“好奇”号火星车
人类一直在火星上寻找水（以及液态水可能承载的生命），但这决不是一件容易的事情。20世纪初曾认为火星上有维系文明的运河，但1970年代“水手”9号却发现火星有类似月球的荒芜地貌；近十年来又发现了早期火星上的含盐浅海，整个过程可以说是起起伏伏。
即便如此，在过去十年里所执行的6个火星任务还是有所发现。有一点现在已经清楚：在火星的早期，液态水在火星表面或内部曾存在过一段相当时间，还可能导致生命的起源。这让那些试图在火星上寻找外星微生物的人备受鼓舞，如果火星存在微生物，它们也许是解释地球生命起源的关键。
2000年，科学家已经知道早期火星并不是彻底干涸的。当时的头条新闻谈到“一个湿淋淋的早期火星”，还提出“火星变得越来越湿润”。自“水手”9号之后，执行火星任务的探测器曾拍摄到大洪水过后的火星地貌：层状沉积物使人联想到很久以前的火山湖，甚至有迹象表明火星北部曾环绕着一片大海。不过，所有这些水存在的时间都太过短暂，不足以形成生命。
2004年初，火星上的水突然“多”了起来。“机遇”号火星车发现早期火星存在海洋或至少是大面积湖泊的证据：从火星轨道上发现一个光谱色斑，这个色斑代表着与水有关的矿物质――赤铁矿，而其着陆地点像似是一个浅海或湖泊的含盐遗迹。随后不久，“勇气”号火星车在火星的另一端发现了被水侵蚀的神秘岩石。
但兴奋是短暂的。“机遇”号没有找到更多的地表水造成沉积物的证据。也许之前的发现不是海，或是罕见的酸性地下水曾从干旱的盐沙丘涌出火星表面。如果确证的话，这种高盐的强腐蚀性水不利于类似地球生命的存在。
不过，在过去6年中，“火星勘测轨道器”和“火星快车”上搭载的光谱仪更适于探测被水改变的矿物，尤其是粘土。粘土的形成需要在有利于生命生存的温和条件下与水长期接触，而且能很好地保存过去的生命体残留物。在火星上，科学家发现了众多由水生成的粘土，并对下一辆火星探测车“好奇号”的着陆点已经有了多种考虑。
2000年，行星科学家发现，在火星上存在的一些冰，其在地质时期并不久远的过去可能是液态的。更清晰的图像显示，陨击坑壁上的深沟看似像是被沿坡流下的水（或许是融化的雪）冲刷而成。而“凤凰”号火星着陆器则发现了从火星北极地表下渗出液态水的证据。2010年初，“勇气”号火星车也发现，在火星赤道附近也有类似的渗出现象。
由于这些发现，在火星上寻找生命已不仅仅意味着在土壤中搜寻有机分子的遗迹。甚至有科学家认为，也许他们真的会发现微生物（可能是活的也可能是近期死亡的）。对生物学家来说，这一前景让人激动不已。如果真能找到火星微生物，它们的起源是否会有自行的一套，即有着自己独特的生物化学性质或遗传密码？或是它们与地球生命有联系――也许它们是假设中的地球“RNA世界”的先驱，被太空碎屑从一个行星带到了另一个行星上。
未来发射的“好奇号”火星车
这些假设都有可能。地球上曾发现过被小行星撞击从火星表面散射出的陨石，它们在坠落地球的过程中，细菌在穿越太空时存活了下来，以及早期火星有过一段很长的湿润期。如果火星曾有我们所知的生命存在，那么地球生命也可能是从那里起源的。
细胞重编程
生物学里有这样一个经典的比喻，一个胚胎细胞在山顶上，随着胚胎发育，细胞顺着山坡往下滚，最终滚入一系列的分支峡谷。然而，一旦细胞进入一个能使它变成皮肤细胞的峡谷，它就不可能改变路线发育成为神经细胞。这是1950年代发育生物学家康拉德·沃丁顿（Conrad Waddington）提出的一幅细胞发育的形象画面，传递的信息很明确：发育是一个单向过程。
事实并非如此。在过去的十年里，科学家已经把分化的细胞重新推回山上，也许更令人惊讶的是直接把细胞从一个峡谷推到另一个峡谷：即刺激细胞过度表达某些基因，把一个皮肤细胞或血细胞转化为多能细胞，而多能细胞具有发育成体内任何细胞类型的潜力。科学家已经通过这种技术在患者身上制造出细胞系，并希望最终能培育出基因匹配的替代细胞或组织，甚至整个器官。
一些基因加入的额外复制推迟了生物时钟，并生成了诱导多能干细胞
这一突破性的见解建立在几十年研究的基础之上。约翰·古尔敦（John Gurdon）于1960年代奠定了这一基石：通过把一个成熟细胞的细胞核转移到一系列的去核卵里，成功克隆了青蛙。这是科学家第一次成功诱导成熟细胞的遗传物质制造出的一个新的个体。1996年，克隆羊“多莉”证明这种“核转移”技术可以扩展到哺乳动物细胞上。这项工作给科学家带来了希望，也许他们能发现卵子母细胞在受精后如何重置细胞时钟，使发育从头开始，进而挑战沃丁顿的比喻。
然而在2006年，山中伸弥发现只要把4个基因插入小鼠的成熟细胞，就可以让它们变为多能细胞，并不需要卵母细胞的帮助，这个发现震惊了世界。他把这一过程产生的细胞叫做“诱导多能干细胞”。一年后，山中伸弥和詹姆斯·汤姆森（James Thomson）率领的研究小组各自独立地从人类皮肤细胞制造出了诱导多能干细胞。不久，又有几个研究团队证明，有可能把某个成熟细胞类型直接再编程为另一个类型，比如，把纤维母细胞转化为神经源或血液细胞。
这一突破给科学家提供了一种方法来避开困扰研究人类胚胎干细胞的棘手伦理和政治问题，因为人类胚胎干细胞是从早期胚胎中提取的。突然间，科学家可以获得人类多能细胞而免受特殊规则和法规的制约。然而，早期的再编程诱导多能干细胞技术存有缺陷，经培育的小鼠经常生有肿瘤，况且过程效率很低，5000个细胞里大约只能成功再编程一个。
现在，一些实验室已经用不植入基因组的病毒来再编程细胞，也有人采用了被称为游离基因的小环DNA，它们在细胞分裂时并不自我复制。另有科学家发现了可以用小分子替代部分遗传因子，还找到了把再编程蛋白质直接导入细胞的方法。几个月前，一个研究小组描述了如何用改造过的RNA来再编程细胞，这比原先的技术效率更高。
与此同时，科学家一直渴望为来自数百个患者和健康对照组的细胞重新编程，试图揭示各种疾病的根源，希望从中找到新的治疗方法：用细胞研究肌萎缩性脊髓侧索硬化症、帕金森氏病、亨廷顿氏症，甚至自闭症。一些制药公司通过从诱导多能干细胞培育出的心脏细胞来测试药物是否对心脏有副作用，而副作用是导致有前景药物最终失败的一个常见原因。
科学家目前还在努力了解再编程究竟是如何进行的。迄今为止的证据表明，细胞必须在适当时候得到适当剂量的遗传因子，但这需要一点运气的成份。也许，这可以解释为什么再编程的过程如此低效。
无论对科学家还是对细胞来说，事实上再编程已经改变了发育生物学的前景，科学家希望在今后的几十年内它能改变医学的前景。
对人体内微生物的再认识
自19世纪以来，人类一直在用抗生素、疫苗或良好的个人卫生习惯与细菌作战，结果是成败参半。对此，诺贝尔奖得主乔舒亚·莱德伯格（Joshua Lederberg）在2000年呼吁，不要再用传统的“我们好，它们坏”观念来看待疾病；而正是这个想法一直推动着我们对微生物的战争。他认为：“我们应该把每个宿主和其寄生者当作一个超生物，它们是由各个基因组结合成的某种嵌合体。”
人体中不同部位的细菌变化
莱德伯格的观点具有前瞻性。在过去的十年里，人类对体内和体表的微生物和病毒的看法有所改变，越来越多的人认可微生物是自身的一部分。在人体内，每10个细胞中就有9个是微生物，仅仅肠道中就有多达1000余种细菌，它们的基因数是人类自身DNA承载基因数的100倍。一些微生物使我们生病，但大部分与我们共生，它们被称为人类微生物群系。同样，一些病毒在人体内定居后形成病毒宏基因组，而有关它们对健康和疾病影响的研究才刚刚起步。
人类微生物群系的基因和人类的基因组成了一个保持身体机能的宏基因组。在过去的十年里，我们开始看到微生物的基因是如何影响人类从食物中摄取能量，以及微生物和病毒如何帮助免疫系统做好准备。事实上，认为人类与其细菌和病毒组件是紧密交织的看法具有广泛意义，正如一位免疫学家所说的，这种看法的转变“从哲学上来讲，与地球不是太阳系中心的认知是同样的道理。”
对微生物的新认识，是基于人们对微生物作用不断增加的认识的一部分。微生物学家对从土壤、海水和其他环境中提取的DNA进行测序，发现了很多以前没有检测到的物种。而其他的一些研究已然揭示了微生物与寄主之间令人难以置信的亲密关系，比如一种叫做黑草属的细菌和它寄生的蚜虫之间的关系。2000年的一项研究发现，每个生物体都有其他生物体缺乏的东西，这就创造了代谢的相互依存。
被微生物学家忽视的机体的微生物世界于1999年初露面纱。当时，斯坦福大学的大卫·雷尔曼（David Relman）和同事发现，过去对从人的牙龈培养出的细菌的生物多样性被严重低估，包括从肠道和粪便样本中发现了395种细菌，其中三分之二是科学界过去不知道的新物种。
2006年，纽约大学的史蒂芬·吉尔（Steven Gill）和同事对肠道宏基因组进行了研究，从中发现了补充人类基因组的代谢基因，包括降解食物纤维、氨基酸或药物基因和产生甲烷或维生素的基因，以及2010年中国华大基因研究院进行的一项更为全面的调查，为微生物-人类超个体的概念提供了支持。现在，大规模的研究调查了包括肠道、皮肤、口腔、鼻子、女性泌尿生殖道在内的微生物群落。目前，人类微生物群项目已经测序了500个相关微生物基因组，计划测序3000个微生物基因组。
针对代谢过程的研究提示，有些微生物可能发挥着重要作用。2004年，华盛顿大学医学院的杰弗里·戈登（Jeffrey Gordon）率领的研究小组发现，无菌鼠获得肠道细菌后体重明显增加，证明了一些细菌有助于身体从消化的食物中摄取更多的能量。后来的研究表明，肥胖小鼠和肥胖人群比正常体重的小鼠和人群含有的拟杆菌纲要少。
微生物群系还被证明对健康的许多方面至关重要。为了在体内保护自己，共生菌会与免疫细胞受体相互作用，甚至诱发某些免疫系统细胞的生产，包括免疫系统需要微生物群系才能正常发育。此外，一种丰富的肠道细菌被证明具有抗炎的特性，而且其丰富程度似乎有助于防止克罗恩病的复发。加州理工学院的萨尔吉斯·马兹曼尼恩（Sarkis Mazmanian）指出，人类共生有机体脆弱拟杆菌使小鼠免生结肠炎。
华盛顿大学医学院的赫伯特·维尔京（Herbert Virgin）还发现了病毒宏基因组的一个类似作用。他的研究小组在小鼠体内发现，休眠的疱疹病毒刺激了免疫系统，使小鼠不易受某些细菌感染。
微生物群系和病毒宏基因组的概念十年前还不存在，如今，科学家有理由期望，通过调控人体内的病毒和微生物可以改善健康，甚至治疗疾病。
外星行星陡增
为了坚持多行星理论，乔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno）在地牢里呆了七年后于1600年2月被烧死在罗马百花广场。如果布鲁诺能够穿越时空，他最大的生还机会是在审判官面前打开2010年太阳外行星大全的网页。2000年，人类发现的外星行星仅有26颗，可能还不足以改变判决。然而最新的数据表明，这一数字已经上升到了500颗，而且还在增加，应该说可以阻止对布鲁诺执行的火刑。
在过去的十年里，天文学家已经发现了众多的太阳系外行星，其中最吸引科学界眼球的是2009年8月发现的WASP-17巨行星，它的轨道运动是逆向的，即公转方向和宿主恒星的自转方向相反。到截稿时，外星行星的数量已超过了500颗。自2009年美国宇航局（NASA）开普勒空间望远镜发射以来，已经发现了700颗外星行星候选体，目前天文学家正在对这些候选体作进一步的筛选，也许很快就会涌现出数百颗新的外星行星。
开普勒空间望远镜已经发现了数百颗太阳外星行星的候选体
虽然迄今所发现的大多数外星行星是气态巨行星，但对“开普勒”数据的分析表明，宇宙中应该存在着大量较小的类地行星。对于那些刚进入这一领域的年轻天文学家来说，即便还需要较长时间，但在他们的有生之年发现地外生命将成为可能。同时，这些新发现行星的大小和轨道也彻底改变了人们对行星形成和演化的认识。
搜寻外星行星的最常用技术是多普勒光谱，即分析恒星在其行星的引力作用下所出现的频移现象。1999年，天文学家开始利用凌星技术来寻找由于行星遮挡而造成的恒星变暗过程，发现或证实了100多颗外星行星。2004年，英国爱丁堡皇家天文台的伊恩·邦德（Ian Bond）率先利用微透镜探测技术（引力弯曲背景天体发出的光导致瞬间增亮现象，可以揭示围绕恒星转动的行星），先后发现了10多颗外星行星。
2008年，天文学家公布了第一张直接拍摄到的外星行星像：一颗近距恒星旁的微小光点。有理由相信，随着可以改变大气湍流的自适应光学技术的日新月异以及可以遮挡中央恒星的星冕仪的不断发展，天文学家将有望直接拍摄到更多外星行星的图像。
到目前为止，所发现行星系统的多样性使得天文学家不得不修改有关行星系统形成和演化的理论。从近距离围绕其宿主恒星的热类木星而言，一般认为形成于较远距离上的气态巨行星可能会缓慢地向内迁移。而具有高倾角和逆行轨道的外星行星则说明，行星有可能会在某种机制的作用下进入天文学家无法意料的特殊轨道。
天文学家预期“开普勒”会在未来的几年里发现类地行星，他们正在计划建造新的地面和空间观测设备，以期获得宜居类地行星大气的光谱。这些大气也许包含有生命信号――氧，因为科学家相信，只有生物学过程中才能产生氧。果真如此的话，那将是对布鲁诺宇宙理论的终极证明。
炎症暴露疾病
炎症的作用曾经很清楚：它是身体治疗者的助手，在免疫细胞修复因外伤或感染而受损的组织时短暂出场。现在看来，那只不过是马后炮，炎症还有更大的用场。在过去的十年中，人们已经广泛接受了这样一个事实：炎症是杀死几乎所有人的慢性疾病背后的推力，如癌症、糖尿病和肥胖症，等等。在这方面，炎症露出其狰狞面目，使病人病情加重。
巨噬细胞同一些慢性疾病以及发炎相联系的早期线索
炎症的消极一面于1990年代开始出现。科学家在研究显然毫无关联的疾病时发现，免疫细胞在发病处聚集，动脉粥样硬化是最初被发现的这类疾病之一。在1980年代，华盛顿大学罗素·罗斯（Russell Ross）在动脉硬化组织中观察到了巨噬细胞（炎症的标志）。慢慢地，随着对动脉组织分析的深入，越来越多的人承认炎症反应发生于动脉粥样硬化中。
作为炎症反应的一部分，一些是T淋巴细胞，一些是干扰素Y，由免疫系统产生。在这些混合物中，同时也发现了基因变异物，这些变异通过加重斑块的发炎使人们易患心肌梗塞。2010年4月《自然》发表的一篇文章，介绍了研究人员利用一种新的显微镜技术发现血管中微小胆固醇晶体在小鼠患病早期引发了炎症。
1993年，哈佛大学一研究小组发现，肥胖小鼠的脂肪组织在大量生产一种传统的炎症蛋白。十年后，一篇接一篇的论文揭示出巨噬细胞侵入啮齿类动物和人的脂肪组织与肥胖之间的关联。进入炎症故事的新角色还包括炎症神经退行性疾病，如阿尔茨海默症和帕金森氏症。不过，炎症究竟是疾因还是来凑热闹的不是很清楚。
在大多数与炎症有关的慢性疾病中，发炎似乎只是加重疾病而并非病因。过去十年里针对癌症发表的论文指出：肿瘤扭曲健康组织，导致组织修复开始，从而促进细胞增殖和血管生长，致使癌症扩散。尽管是肿瘤细胞的基因突变引发癌症，但有证据显示，其周围组织的炎症诱导了这些细胞的癌变。
癌症患者出现炎症的原因至少部分地与炎症的一般病因一样：组织损伤；而在其他疾病中，炎症的出现更为神秘。比如，在神经退行性疾病里，有一些因神经元丢失造成的组织损伤会刺激炎症，但也有证据显示，炎症帮助杀死神经元。炎症似乎也推动Ⅱ型糖尿病的两个成分：胰岛素抵抗和β胰岛细胞（可合成胰岛素）死亡。
2007年，瑞士苏黎世大学医院的马克·多纳斯（Marc Donath）和他的同事描述了一个曾被认为毫无道理的Ⅱ型糖尿病临床试验的结果：70名患者分别接受安慰剂或阿那白滞素（一种可以抑制白细胞介素1的药物）治疗。白细胞介素1是一种促炎细胞因子，Ⅱ型糖尿病患者的β胰岛细胞中发现含有该细胞因子。在多纳斯的小规模研究中，阿那白滞素有助于控制病情，这个结果发表在《新英格兰医学杂志》上。由于长期服用阿那白滞素治疗糖尿病不是一个好选择，几家制药公司正在竞相开发替代品。
调节与慢性疾病有关的炎症是一个新的科学前沿，但是否成功还是个未知数。在炎症与科学家展开捉迷藏游戏之际，科学家正在竞相迈步，试图识别出什么样的炎症需要被拿下。
光的新奇技巧
艾萨克·牛顿出版《光学》后三个世纪的今天，这门古老的科学开始变得神秘而离奇。在过去的十年中，物理学家和工程师开创了引导和控制光的新方法，创造了超越普通镜片分辨率基本极限的透镜，甚至制造了在某种条件下使物体隐形的“斗篷”。
这些成就一半来自一项新技术――“超材料”，另一半来自一个聪明的想法――转换光学。超材料：一种用小棒、小环或小导线组合的集合物质具有奇特的光学特性；转换光学：是一个如何通过调整超材料的属性以达到类似隐形特定效果的设想。
当光波进入正常材料如玻璃时，材料会改变光的电场和磁场，使光波的速度降低至某一特定的新速度，使这一新介质具有不同的折射率。这个效应同时也解释了为什么水杯中的吸管在水面处看似是弯的。在自然材料中，以一定角度进入的光波总是朝更深处的方向弯曲，标志着材料的折射率大于1。
用微波工作的磁盘版本
早在1968年，俄罗斯物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，可以设计一种具有负折射率的材料，使光波的弯曲更奇特。如果水的折射率为负数，那么，放在水杯中的吸管自然看似是弯曲的。韦谢拉戈认定，用这样的材料可以造出“超级透镜”，其聚焦能力比曲面透镜更强。他的这个观点沉睡了几十年。直到1990年代末，伦敦帝国理工学院的物理学家约翰·彭德里（John Pendry）和同事发现：碳纳米管长而细的形状有助于其吸收无线电波。
之后，彭德里开始琢磨其他人造材料是如何影响电磁波的。对于铜导线和带有缝隙的铜环能与在特定频率的电磁波产生共振的现象，彭德里认识到通过调节这些共振，他能独立地调制一种超材料的电磁性质，使其在微波段表现出负折射率。他还推测，应该能制造出像韦谢拉戈所说的那种超级透镜――可以看到比物体所反射的光波长二分之一光还小的物体。
由于传统的透镜或其他光学仪器都无法突破这个“衍射极限”，然而，彭德里意识到，超材料可以通过放大微小的共振来突破这个极限，这种被称为渐逝波的微小共振是光在特定条件为渐逝波的微小共振是光在特定条件下产生的。
彭德里的想法引发了一连串的实验。2001年，彭德里与当时在加州大学圣地亚哥分校、现在杜克大学任职的物理学家大卫·史密斯（David Smith）合作开发微波段的负折射率材料，然而他们花了几年时间才说服科学界认可这种材料。几年后，其他团队就有报告显示了超级镜片及其相关装置的初步成功。
2006年5月，彭德里等与圣安德鲁斯大学的理论家乌尔夫·莱昂纳特（Ulf Leonhardt）分别报告称，超材料可以通过改变光线（避开物体）而让物体隐形，就像水流绕过巨石一样。短短5个月后，史密斯和他的博士后大卫·舒瑞格（David Schurig）等人成功展示了一个环形隐形装置。尽管这一装置并不完美，只对某个特定频率的微波起作用，但关键在于它背后的概念，即爱因斯坦在广义相对论中提出的时间和空间能拉长和弯曲光的轨道。
理论学家随后认识到，可以通过具有特定电磁波特征的超材料体填充没有变形的空间以模仿空间这种极端的伸展，并给出了用于制造这种转变的数学理论。原则上来讲，这个理论让科学家能够以他们想要的几乎任何方式来弯曲光线，但前提是先制造出相应的超材料。
见证奇迹的时刻到了。2008年，科学家制造出了一个在某个波长范围内工作的微波斗篷。同一年，加州大学伯克利分校的张翔（Xiang Zhang）和同事造出了第一个在三维空间起作用的隐形斗篷设备（相关的隐形衣需要与红外线和可见光一起合作）。
目前很难说这些成就将带来哪些发展；而令哈利·波特迷失望的是，要制造一个在可见光波长内让人体大小的物体隐形的斗篷，成功的希望很渺茫；然而，微波段的超材料设备可能有很多的实际用途。转换光学的观点是如此美好，如果不用它造出一些有用的东西，似乎是对灵感的极大浪费。
气候学家倍感压力
大多数顿悟出乎我们的意料：突发奇想并找到一个解决问题的方案。40年以来，研究人员一直在努力回答三个问题：全球气候是否在变暖？如果答案是肯定的话，那么人类活动是造成气候变暖的原因吗？自然过程有可能控制气候变暖吗？在过去的几年里，气候学家最终达成一致意见，给出了确定的答案：是，是，不可能――正如他们曾经猜想的那样。
无论是干旱地带还是潮湿地带，全球变暖的影响都将比我们预计的还要来得快
然而，温室气体增加对海洋和极地冰的影响比模型预测的更快。面对减少碳排放这一有效补救措施之一，世界各国包括美国在内都不太愿意采取切实有效的措施。尽管要求改善气候环境的呼声越来越高，但强烈的政治原因迫使气候学家不得不为自己的公信力和动机辩解。
这一突如其来的逆转让研究全球变暖的科学家备受打击。自1979年以来，他们在相关组织的支持下发布了一系列有关温室效应现象的评估报告。1990年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）成为了全球气候研究的领头者。1995年，IPCC发布的第二份评估报告称：“权衡正反两方面证据表明”，人类正在影响全球气候。到2007年，IPCC形成了一个科学共识，即气候变暖是“确定无疑的”，主要原因“很可能”是人类造成的，自然过程“几乎不可能”削弱气候变暖。IPCC研究过程的广度和深度似乎淹没了反对的声音。
世界各地的最新进展放大了这个讯息。1980年代——90年代，大多数科学家认为，温室气体排放预计到21世纪中晚期才会对气候产生较大影响。但是到了新千年前十年中期，北极的冰在夏季明显消失，冰架分裂成碎片，格陵兰岛和南极西部冰川急速融入海里。到新千年前十年末时，甚至海洋酸化已经是一个不争的事实。
然而，进入新千年的两轮美国总统候选人布什和奥巴马，在竞选期间都承诺要控制二氧化碳排放量。但当选总统后，前者背弃自己的诺言，拒绝签署《京都议定书》；后者尽管许诺到2050年将碳排放总量在1990年的基础上削减80%；并在众议院通过了一项法案，基本实现了承诺。但奥巴马在2009年12月的哥本哈根气候峰会谈判中，未能通过关于限制排放的具有约束力的一个条约，之后，这个法案在参议院被否决。
同年11月，从英国东安格利亚大学服务器中截取的科学家之间的通信被公开，给气候科学带来严重的负面影响，尽管后来证明这些科学家之间并没有不正当的行为。即便如此，这次事件已经破坏了公众对气候科学的看法。2010年11月的美国国会选举或许暗示了将要发生的事情：赢得众议院选举的大多数共和党和几乎所有共和党参议员对气候变化背后的基础研究提出了质疑，甚至有人指责气候研究领域本身就是一个阴谋。
现在有采取行动的迹象。美国环境保护署计划进行一场削减大型发电厂碳排放的战斗。最近，中国、印度尼西亚、巴西和印度作出了有史以来第一个控制温室气体排放的承诺。但是，“气候鹰派”已经耽误了时间、失去了动力，而且很多专家认为，主导未来十年的政策讨论的将是如何适应变暖的地球，而不是减少二氧化碳的排放。
资料来源Science
责任编辑 则 鸣