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《科学》评选2020年十大突破

来源:中国科学报  作者:徐锐  2020-12-21 10:03:33


磁星是一种中子星,其磁场强度是地球上任何磁铁的1亿倍。图片来源: PITRIS



全世界在同新冠肺炎作斗争。图片来源:ADAM SIMPSON



研究预计云层将不再对全球变暖起到明显抑制作用。图片来源:ISS EXPEDITION 7 CREW


12 月17 日,《科学》发布2020年十大科学突破,“以创纪录速度研发与测试新冠疫苗”工作位列十大突破之首。

新冠疫苗研发速度创纪录

2020年是不同寻常的一年。新冠疫情的全球蔓延给人们的工作生活带来了巨大影响。无数医疗工作者、科研人员以及一线防疫工作人员为抗击疫情付出了艰苦卓绝的努力,其中有些为之付出了生命。

除了速度破纪录的新冠疫苗研发工作外,今年,针对新冠肺炎的研究也呈爆炸式增长。

CRISPR治疗血细胞病变

首获成功

自2012年被称为CRISPR的革命性基因编辑工具问世以来,它赋予了研究人员改造农作物和动物的新力量,同时也激起了学术界的伦理争论。

2015年,CRISPR就入围了当年的《科学》十大突破,今年更是斩获了诺贝尔化学奖。如今,CRISPR治疗两种基因缺陷性疾病——β—地中海贫血、镰状细胞病在临床上取得了首次成功,再次掀起波澜。在这两种疾病患者中,前者血液内携带氧气的血红蛋白水平较低,后者血红蛋白存在缺陷,导致镰状红细胞阻塞血管。

研究人员从患者身上采集了造血干细胞,然后利用CRISPR破坏了一个在成人体内会阻止胎儿期血红蛋白产生的“开关”。胎儿血红蛋白可以对抗镰状突变的影响。在病人接受化疗清除病变的造血干细胞后,研究人员又将CRISPR处理过的细胞注入患者体内。

科学群体为种族多样性发声

今年5月下旬,在美国纽约中央公园,一名白人和一名黑人观鸟者发生了冲突,几天之后,科学家们蜂拥到推特上,支持这名黑人自然爱好者。“黑人观鸟者周”(BlackBirdersWeek)的标签很快吸引了许多其他支持者,从神经科学到物理学领域的科学家聚集于此,在推特、Zoom和其他平台上建立黑人科学家社区。而此前,美国警察导致黑人死亡事件的不断发酵引起了一系列有色人种抗议活动,其中包括“黑人的命也是命”(Black Lives Matter)运动,以及科学家群体对于为有色人种创造一个更公平、更受欢迎的环境的呼吁。

全球气候变暖

预测精准度又上新台阶

如果人类继续排放温室气体,地球会变得有多热?40多年前,世界顶尖气候科学家聚集在美国马萨诸塞州的伍兹霍尔,给出了一个宽泛的答案:如果大气中的二氧化碳比工业化前水平翻一番,地球将变暖1.5°C至4.5°C。

如今,利用卫星数据支持的高分辨率云模型,以及冰和海洋沉积物核心对地球古代气候和二氧化碳水平的研究,科学家们对全球变暖的温度范围预测更加精准。隶属于世界气候研究计划的25名科学家将气候变化敏感度缩小到2.6°C到3.9°C之间。虽然这项研究排除了一些最坏的情况,但它仍表明气候变暖会淹没沿海城市,加剧极端热浪,使数百万人流离失所。

神秘快速射电暴的

“始作俑者”被发现

每个人都喜欢探寻神秘的东西。13年来,快速射电暴(FRB)这一来自遥远星系的短而强的无线电波闪光,吸引了无数渴望了解其起源的天文学家。科学家有个有趣的说法:解释FRB原因的理论比发现的FRB还多。

现在,天文学家已经发现了一个可能的FRB“始作俑者”——磁星。磁星是一种中子星。当一颗大型恒星变为超新星爆发后,中子星就诞生了。FRB爆发的持续时间仅为几毫秒,释放的能量相当于太阳一天释放的能量,因此它们肯定产生自一个像磁星这样小而强的能量源。但目前的设备尚不能够直接观测。

而在今年4月,一个银河系中发生的FRB给科学家们带来了机会。由于这次爆发离地球足够近,天文学家可以观察到这一场景。虽然找到了“始作俑者”,但科学家依然不清楚磁星究竟是如何产生FRB的。

揭开最古老狩猎场景的面纱

4万多年前,在印度尼西亚的苏拉威西岛上,一位“史前毕加索”冒险进入一个洞穴深处,勾勒出一系列奇妙的猎人捕猎野猪和水牛的场景。

壁画上覆盖着白色凹凸不平的矿物,其中的铀元素以固定的速率衰变,这使得研究人员能够确定这种色素上的矿物的年代大约是4.4万年前。其因此成为已知最早的现代人类的具象艺术作品。

壁画中手持长矛或绳索的8个猎人吸引了科学家的注意,他们造型怪异,其中的一些似乎有着长长的口鼻,有一个晃动着尾巴,还有一个长着鸟嘴。研究人员分析,有可能画家描绘的是戴着面具或伪装后的猎人,也可能他们代表了神话中动物与人类的混血后代。这样的混血儿也出现在其他古代艺术品中,比如在德国阿尔卑斯山发现的一个有3.5万年历史的象牙狮子人雕像。

人工智能预测蛋白质三维结构

50年来,科学家们一直在努力解决生物学最大的挑战之一,预测一串氨基酸在变成工作蛋白质时折叠成的精确三维形状。今年,他们通过一款人工智能程序,实现了这一目标。这一程序可以像实验室实验一样精确地预测大多数蛋白质结构。

传统上,研究人员使用诸如X射线晶体学和低温电子显微镜等技术破译蛋白质结构,但上述方法费时费力,因此在已知的2亿种蛋白质中,研究人员只解析出了约17万种详细的蛋白质分子图谱。

计算生物学家一直梦想通过模拟控制形成蛋白质三维形状的氨基酸相互作用来预测蛋白质的结构。但是由于氨基酸可以多种方式相互作用,导致单个蛋白质可能的结构数量成为天文数字。

为此,1994年,结构生物学家发起了一个两年一度的蛋白质结构预测关键评估竞赛。今年,英国DeepMind公司研究人员创建的AlphaFold人工智能程序在比赛中的中位分数达92.4(满分100分,90分以上被认为预测方法可与实验方法相媲美),预测最具挑战性的蛋白质结构的平均得分为87,比最接近它的竞争对手领先了25分。

精英控制者如何与 HIV共存

与所有的逆转录病毒一样,艾滋病病毒(HIV)有一个恼人的特点,它会将自身遗传物质整合到人类染色体中,在那里创造出可以安心藏匿的“窝点”,逃过免疫系统的检测,抗逆转录病毒药物也对它束手无策。但新研究发现,它具体藏在哪里可能会有很大的不同。

今年,一项针对64名健康且未服用抗逆转录病毒药物的HIV感染者的研究,揭示了这些患者未发病的现状与病毒在基因组中潜伏位置之间的关系。虽然对这些“精英控制者”的新认识不会直接产生治愈该病的方法,但它开启了一种可以让其他感染者在不接受治疗的情况下存活几十年的新策略。

众所周知,HIV病毒将自身遗传物质整合在宿主DNA中,当宿主细胞转录这些含HIV病毒片段的DNA时,整合的HIV会产生新的病毒,感染其他细胞。

研究人员对64名“精英控制者”和41名接受治疗的HIV感染者的整合HIV进行了比较,发现在“精英控制者”中,45%的功能性前病毒存在于“基因沙漠”中,即很少被转录的DNA染色体部分,这就像一辆功能齐全的汽车停在一个不卖汽油的地方。而接受治疗的患者中只有17.8%的功能性前病毒存在于“基因沙漠”中。

据此,研究人员推测,“精英控制者”的免疫反应在某种程度上清除了存在于更危险区域的前病毒。

新材料圆梦室温超导

自物理学家Heike Kamerlingh Onnes在1911年发现,一根冷却到绝对零度以上4.2°C(4.2 K)的水银导线在没有通常产生热量的摩擦情况下可传导电子后,科学家们开启了对超导体的探索。

此后科学家们花了几十年的时间,一直在苦苦寻觅可在室温下无电阻导电的材料。今年,科学家终于达成了这一梦想,发现了首个实现室温超导的材料——在被挤压到接近地球中心的压力条件下的一种含氢和碳的化合物。室温超导体可以改进电力技术,节省电力在通过电线传输时浪费的大量能源。

在高压物理学中,科学家通过金刚石压砧型高压技术产生比地球表面高数百万倍的压力。2019年,德国的研究人员利用这样技术,将镧和氢的混合物压缩到170GPa,其在高达250 K的温度下产生超导电性。今年,美国的研究人员超越了这一结果,将氢、碳和硫化合物压缩到267 GPa,使其在室温下产生了超导电性。

鸟类也拥有“最强大脑”

鸟类的眼睛小小的,脑子也小小的,不比一颗坚果大,但千万别鄙视它们,这并不意味着鸟类不聪明。

今年发表的两项研究表明,鸟类具有惊人的智力。其中一项研究表明,鸟类大脑的一部分类似于人类的大脑皮层,即人类智力的来源。另一项研究表明,以腐肉为食的乌鸦的意识比研究人员想象的还要高,而且可能会有意识地思考。

人类的大脑皮层有许多层,每层都有相互连接的神经细胞柱,这样的结构使人类拥有复杂的思维能力。

其中一组研究人员通过3D偏振光成像技术,对信鸽和猫头鹰的前脑进行了更仔细的观察,发现那里的神经既有水平连接,又有垂直连接,与人脑中的柱状结构相似。

另一组科学家对以腐肉为食的乌鸦大脑进行了研究,探寻这种以高智商著称的鸟类,是如何意识到其所见、所行的。他们首先训练了实验室饲养的乌鸦,当它们看到电脑显示器上闪烁的特定序列灯光时就转头。电极检测了它们看到信号那一刻到其移动头部之间的神经活动,发现它们大脑内的神经颤动代表了一种意识、一种鸟类所见的心理表征。

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