《科学》公布2020年年度突破,疫情下科学没有止步-创新-知识分子

《科学》公布2020年年度突破,疫情下科学没有止步

2020/12/19
导读
如果2020年没有新冠疫情,这一年的科学回顾该如何书写?

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2020年一整年,全球几乎都笼罩在新冠肺炎的阴影下,随着年末新冠疫苗的上市,或许2021年我们有望在这场战役中取得胜利。尽管新冠病毒大流行,但这一年的科学并没有止步,在好奇心的趋势下,科学家取得了诸多成果,从人工智能到基因编辑,《科学》杂志最近罗列了10项成果/事件,年度突破则授予“新冠肺炎”。有时候我们在想如果2020年没有新冠疫情,这一年的科学该是怎样的?


图片来自sciencemag.org


撰文 | 张    蒙

责编 | 叶水送


01
破局半世纪难题,AlphaFold精准预测蛋白质结构

 

50年来,科学家一直致力于解决生物学最大的挑战之一,即预测氨基酸序列在形成蛋白质后会折叠成怎样的三维形状。过去,研究人员通常使用X射线晶体衍射(x-ray crystallography)和冷冻电子显微镜(Cryo-electron microscopy)来进行蛋白质结构解析,既费时又费力。计算生物学家则希望通过模拟控制氨基酸的相互作用来预测蛋白质的结构,但由于氨基酸互相作用的方式丰富,单个蛋白质可能存在的结构数量可以说是个天文数字。

 

为了解决这一问题,结构生物学家自1994年起发起了国际蛋白质结构预测竞赛(CASP)竞赛,每两年举行一次。今年,谷歌旗下的人工智能公司DeepMind所开发的AlphaFold程序就在这届“蛋白质预测奥运会”中脱颖而出。其测量方法的中位数分值为 92.4分(百分制计数,高于90分则被认为准确性能够与实验法所解析的结构媲美)。即使对于那些最具挑战性的蛋白质,它也以87.25分的中位数高举榜首,在蛋白质折叠问题上取得了历史性突破。

 

02
CPISPR治疗迎来首例临床成功,遗传性贫血症或出现转机

 

自2012年“基因魔剪”这一革命性的基因编辑工具问世以来,它不断地引起人们的争议与讨论,但丝毫没有阻碍它前进的步伐。埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)更是凭借这一技术斩获了今年的诺贝尔化学奖。最近,其临床应用同样传来好消息。17个月前,CRISPR技术开始被用以治疗β-地中海贫血症和镰刀状细胞贫血症这两类遗传性血液疾病。经由CRISPR处理过的血液干细胞被回输到患者体内,弥补其血红蛋白的缺陷,缓解疾病困扰。

 

今年12月有报告称,目前这两类患者的母血红蛋白水平都正在提升,无需依赖于定期输血来维持生命,生存与生活质量都获得了明显改善。一位有3个孩子的年轻母亲说,基因治疗改变了她的生活。值得注意的是,尽管临床上取得了可喜的表现,但CRISPR技术要求高科技的医疗护理条件,每个患者需要100万美元以上的开销,这使得其在镰刀状细胞贫血症高发的非洲地区的普及几乎毫无实用性。

 

03
气候变化形势再升级,世界气候研究计划最新结论出炉


40多年前,世界顶级气候学家聚集在马萨诸塞州的伍兹霍尔,回答一个简单的问题:如果人类继续排放温室气体,地球将会变得有多热?依据初步的气候模型,他们得出了一个宽泛的结论。如果二氧化碳含量相对于工业化时代增加一倍,那么地球将变暖1.5至4.5摄氏度,这也被称为气候敏感性。

 

缩小这些预测的温度范畴,需要科学的进步。今年,世界气候研究计划的25名科学家将气候敏感性进一步界定到了2.6至3.9摄氏度的范畴。他们的研究排除了一些“我们会完蛋”的最糟糕的情况,也确认了全球变暖淹没沿海城市、加剧极端热浪、数百万人流离失所等情况很可能会成为现实。如果我们不对气候变化采取更加积极的行动策略,那么人类很可能会在2060年达到这一门槛,并锁定可预见的变暖。

 

04
快速射电暴的来源之谜?磁星或是“罪魁祸首”


图片来自sciencemag.org


自2007年起,天文学家发现了快速射电暴(FRB)以来,这一来自遥远星系的短暂而有力的无线电爆发,其起源与原理一直充满了神秘的色彩。现在,天文学家把寻找“肇事者”的目光锁定了磁星。这一怀疑由来已久,因为快速射电暴的速度如此之快,科学家认为它必然来自于一个小而强烈的能源,磁星符合这一条件,因而长期处于“嫌疑人”的队列之中。然而,此前没有望远镜有足够敏锐的视觉将快速无线电脉冲与磁星连接起来,因而“人赃”无法俱获。

 

今年4月,加拿大氢强度测绘实验(The Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment)将一次在银河系中爆发的快速射电暴的源头缩小到一小块天空。轨道天文台很快发现,一个被称为SGR 1935+2154的已知磁星在这里同时出现,释放出大量的X射线和伽马射线。尽管天文学家认为他们可能已经找到了肇事者,但他们仍然不知道磁星是如何产生无线电爆发的。这有可能来自于磁星表面的磁力线断裂与重连,也有可能来自冲击波与带电粒子云的撞击。这一切还要等待科学家们的进一步研究。

 

05
4万余年前的想象力探索,世界上最古老的狩猎场景揭晓


图片来自sciencemag.org

 

4万多年前,在印度尼西亚的苏拉威西岛上,一位史前的“毕加索”探身进入洞穴的深处,绘制下了一系列猎人追逐着野猪和水牛的狩猎图景。多年来,岩壁上形成了被称之为“洞穴爆米花”(cave popcorn)的矿物沉积,其中的铀以固定的速度衰变为钍。通过对铀与钍的比例分析,研究者确定了这一绘画至少形成于44000年前,比目前任何已知的具象岩石艺术的时间都要长4000年,这也打破了此前欧洲率先发现具象艺术的观念。

 

不止如此,这8位手持长矛或绳索的猎人形象并不寻常,他们似乎带着些动物的特征,有人的嘴巴像喙,有人还有尾巴,颇具奇幻色彩。研究人员猜测,这位“毕加索”可能是在描绘戴着面具或者伪装自己的猎人,还有可能是画出了神话中的人与动物的“混血儿”。这类“混血儿”形象也曾出现在其他艺术作品中,如德国阿尔卑斯山中发现的3.5万年的狮人象牙雕像。如果确实如此,这些绘画的创造者可能已经越过了一个重要的认知里程碑——想象不存在的生物的能力。

 

06
新冠疫情之年,科学家为多样性大声疾呼


今年五月下旬的纽约中央公园,一名养狗的白人和一位黑人观鸟者发生了冲突。几天后,科学家在推特上集体发声,祝贺并支持黑人自然爱好者。从神经科学到物理学,#BlackBirdersWeek的话题标签很快被其他学科效仿,致力于在各个平台建立黑人科学家的社群。在警察枪杀黑人事件与“BLM”运动的持续讨论中,科学家也在探讨如何为有色人种创设一个更公平、更舒适的环境。

 

尽管判断这些事件是否会对种族平等产生持久的影响力还为时尚早,但很多人都怀有这样的希望。从70年代开始研究多样性、公平与包容问题的美国科学促进会的高级顾问雪莉·马尔孔(Shirley Malcom)说,“今年感觉不一样了,你至少可以引起人们的注意”。然而,正如巴克内尔大学的植物学家塔妮莎·威廉姆斯(Tanisha Williams)所说,“但这不会是一个快速见效的事情,我们还有很长的路要走。”

 

07
为何有人能免于艾滋病毒侵扰?病毒基因存在区域是关键


“精英控制者”在3800万艾滋病毒感染者中仅占0.5%。多年来,他们在无需接受抗逆转录病毒治疗的情况下依然保持健康,HIV病毒也不会发展成艾滋病。今年,一项研究比较了64名“精英控制者”与41名接受治疗的艾滋病毒感染者,揭示了前者的不寻常之处。和所有的逆转录病毒一样,HIV病毒可以将自己的遗传物质整合到人类染色体中,创造出宿主并隐藏起来。在那里,它可以逃离免疫系统,抗逆转录病毒治疗药物也不会伤害到它。然而,它藏在哪里可能造成完全不同的结局。

 

如果艾滋病毒停在了“基因沙漠”,也就是染色体中很少进行DNA转录的地方,那么它也只能“无米难为炊”。研究发现,“精英控制者”中45%的可运转HIV病毒都存在于“基因沙漠”中,需要接受治疗的人群的这一比例仅为17.8%。据推测,“精英控制者”的免疫系统以某种方式清除了更危险区域的HIV病毒。尽管这项研究对于“精英控制者”的新发现无法直接带来艾滋病的治愈,但它开辟了一种新的策略。下一步,科学家将着力于找出干预措施,训练绝大多数HIV病毒感染者的免疫系统以类似的方式行动。

 

08
室温超导材料问世,15摄氏度超高压下完成历史突破


室温超导体问世,图片来自sciencemag.org

 

1911年,物理学家昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes)发现,一根冷却到绝对零度以下4.2摄氏度的水银导线能够传导电子。这是物体首次被发现超导性,昂尼斯也凭此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。从这时候开始,科学家一直没有停止过在寻找超导材料方面的探索。然而,室温超导却是其中久攻不下的一个难点。凡是超导材料,其临界温度必在零度以下。今年,科学家终于发现了一种碳-硫-氢化合物,能够实现室温超导。

 

实验结果最终表明,在达到267万个大气压时,化合物在15摄氏度时的电阻为零。这一发现为超导领域带来了历史性突破,不仅是首个实现室温超导的化合物,同时是超导性首次在三种元素的化合物中出现。但目前为止,每当压力释放时,新的超导体就会分解,这意味着目前它还不具有任何的实用价值。突破了温度的限制,科学家们还需要跨越“高压”这座难以逾越高山,期待未来能够找到常压且稳定的超导体,从而带来技术的进一步变革。

 

09
鸟类也能思考?研究证明它比你想象的更聪明


有一句谚语这么说,“麻雀虽小,五脏俱全。”今年发表的两项研究表明,鸟类有惊人的智力,可能会再次让你惊叹鸟儿的小小身躯,大大能量。在人类大脑中,大脑皮层由水平的神经细胞层组成,这些神经细胞相互连接,允许人们进行复杂的思考。尽管鸟类大脑被认为是由简单的神经细胞群组成的,但研究者发现其中的神经同样既水平连接,也垂直连接,它们大脑的一部分与人类类似。

 

另一组科学家考察了以智力闻名的乌鸦的大脑,当它们看到电脑显示器上闪烁的特定序列的光时,就会转过头来,电极也能够检测到从它们看到信号到移动头部之间的神经活动。即使在光线几乎无法察觉的情况下,这种活动也会发生,表明这不单单只是一种对于感官输入的反应,而是一种意识的出现——神经振颤代表了鸟类所看到的心理表征。这种感觉意识是人类所经历的自我意识的基本形式,这意味着,鸟类的意识可能比我们想象的还要强,它们甚至可能具有意识的思考能力。


制版编辑 | 常春藤


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