盤點2020十大國際科技新聞,這是變局中的希望之光
2020年12月28日09:58

  來源:科技日報

  27日,由科技日報社主辦、部分兩院院士和媒體人士共同評選出的2020年國內、國際十大科技新聞揭曉。

  入選的2020年國際十大科技新聞分別是:全球加速新冠疫苗研發;目前最強逆轉愛滋病病毒潛伏方法發現;科學家發現宇宙物質起源之謎首個佐證;迄今最大規模人類遺傳變異體目錄公佈;馬斯克發佈可實際運作的腦機接口;室溫超導在超高壓下首次實現;快速射電暴在銀河系內起源首次確定;“阿爾法摺疊”精準預測蛋白質三維結構;“基因魔剪”首次治癒兩種遺傳性血液病;中國嫦娥五號“攬月”而歸。

  2020,整個世界直面不確定性和不安全感。

  在科研領域,疫情的影響讓很多研究放慢了腳步,但關乎人類自身、關乎尖端探索的事業從未擱置,我們依然看到這些消息振奮著人心,衝刷著認知,澆築著希望。

  希望仍在。變局中我們前所未有地認識到,攜手同行是這樣重要,一切的不安惶恐終究只是過客,對前行者來說,頭頂不熄的科技之光永照星河。

  全球加速 新冠疫苗研發

  “我希望人類在凝視深淵後會變得更聰明,意識到我們是多麼的脆弱。”前牛津大學熱帶病學教授傑里米法拉說。

  新冠讓超百萬條鮮活生命離開了這個世界。為應對這場人類社會的重大災難,史無前例的疫苗高速開發和測試大幕拉開了。截至12月10日,全球有162種候選疫苗正處於研發階段,其中52種候選疫苗已經進行臨床試驗。《科學》雜誌稱,“從未有如此多的候選疫苗幾乎同時開展大規模有效性試驗,政府、企業、學術界和非營利組織也從未在這樣短的時間里在同一種傳染病上投入如此多的財力、人力和精力。”

  突出的例子如美國製藥企業輝瑞的疫苗研發主管凱瑟林·簡森帶領的團隊,在破紀錄的210天里推出了一支通過臨床驗證的疫苗;中國工程院院士、軍事科學院軍事醫學研究院研究員陳薇領銜團隊研發的“Ad5腺病毒載體疫苗”,在全球範圍內第一個進入Ⅱ期臨床試驗,給世界人民帶來希望。

  在這個不尋常的2020,人們看到了首批獲準用於對抗新冠肺炎的疫苗推出。而在馬上到來的2021年初,數種新疫苗的有效性也將變得更加明朗。

美藥管局批準緊急使用輝瑞新冠疫苗新華社發(德國生物新技術公司供圖)
美藥管局批準緊急使用輝瑞新冠疫苗新華社發(德國生物新技術公司供圖)

  目前最強逆轉愛滋病病毒潛伏方法發現

  談“艾”變色,根源仍是對其缺乏瞭解。愛滋病由人免疫缺陷病毒(HIV)引起,而HIV就是一種逆轉錄病毒,其無法治癒的原因,是因為目前的抗逆轉錄病毒治療,都不能徹底清除HIV感染,這種病毒會在細胞中潛伏,以此方式“躲避”免疫系統。

  亦因此,在長期病毒抑製治療後清除病毒感染一直是研究的焦點。科學家們設計出了“激活並殺死”的方法,先將病毒從潛伏的受感染細胞中驅趕出來再進行清除。可惜,在今年以前,“激活”隱藏病毒的方法一直不算成功或有效。

  2月份,美國的科學家們通過兩種方法來逆轉愛滋病病毒的潛伏,而當逆轉潛伏法與適當藥物相結合,顯著提高了清除該病毒的概率,這種“激活”隱藏病毒的手段,是迄今最強大的潛伏逆轉方法。當然,兩種“激活”法要結合後續的“殺死”步驟才能完成清除功能,但其無疑為醫學界進一步理解病毒維持機製打開了一扇新的大門,讓愛滋病治療研究向前邁出了“震驚的一步”。與此同時,這項成果還展示了與藥理潛伏期逆轉相關的概念和技術挑戰。

  科學家發現宇宙物質起源之謎首個佐證

  宇宙誕生於一場大爆炸。但在這一切的起點,理應產生同樣數量的正反物質,而如果正反物質數量相同,它們相遇時又會彼此湮滅,僅留下光子和暗物質。宇宙演化至今,似乎仍然由物質在主導,“正反物質不對稱”也成為自然界最大的謎團之一。

  目前為止,最有力的說法是中微子在這幕大劇中扮演了重要角色,今年,日本T2K中微子實驗國際共同研究團隊為這一假說帶來了重要支援:他們首次成功讓“中微子振盪”現象中決定“粒子與反粒子舉動差異”程度的物理量取值範圍得到了限製。

  這是一項曆時近10年的研究。科學家們已知中微子分為電子型中微子、繆子型中微子和陶子型中微子三種類型及其相應的反中微子,這些“變色龍”能在以接近光速的速度行進時發生改變,即所謂的“中微子振盪”。T2K團隊從近1021次質子打靶產生的中微子中檢測到90個電子型中微子和15個電子型反中微子。數據分析表明,繆子型中微子轉變成電子型中微子的概率,高於繆子型反中微子轉變成電子型反中微子的概率。

  實驗組的結論其實尚未達到可以被稱為“發現”的水平。但這一結果支援宇宙中物質起源與繆子型中微子轉變成電子型中微子有關,換句話說,這或是我們研究宇宙物質起源的第一個佐證,讓人類距離解開宇宙之謎又近了一步。

工作人員乘船維護“超級神岡”探測器。圖片來源:美國《科學》雜誌網站
工作人員乘船維護“超級神岡”探測器。圖片來源:美國《科學》雜誌網站

  迄今最大規模人類遺傳變異體目錄公佈

  生物學和醫學發展之迅猛,肉眼可見。現在,科學家對很多疾病的研究可以直抵分子和基因層面,深入研究人類基因組也成為解鎖諸多重大疾病病因的關鍵。可惜的是,在人類基因組中,絕大多數基因的功能依然未知。

  揭示基因功能的一種方法,是觀察基因發生突變後的結果。這些變異體往往會產生不良結果,但通常較為罕見。大規模基因測序研究則有助於考察這些功能喪失型變異體的效應,將能帶來對人類生物學特徵和疾病的重要見解。

  今年6月,英國《自然》旗下雜誌同時發表一系列報告,集中描述了對一個彙集了逾14萬人樣本的數據庫——基因組聚集數據庫的應用,其涵蓋從125748個全外顯子組和15708個全基因組測序數據集中,鑒定出的443769個預測的功能喪失型變異體。這是人們迄今擁有的最大規模人類遺傳變異體公開目錄。

  儘管,科學家距離鑒定出人類全部的預測功能喪失型變異體還很遙遠,但這一研究依然是我們現階段深入認識人類基因功能、發現新疾病相關基因的寶貴資源。

141456個外顯子組和基因組序列的彙總。圖片來源:《自然》在線版
141456個外顯子組和基因組序列的彙總。圖片來源:《自然》在線版

  馬斯克發佈可實際運作的腦機接口

  無論你如何評價埃隆·馬斯克,也應承認他一向都敢做眾人所不敢之事。8月末,他為腦機接口公司Neuralink舉行發佈會,用“三隻小豬”演示了可實際運作的腦機接口芯片和自動植入手術設備。其中一隻豬已經植入腦機接口設備兩個月並活蹦亂跳,另一隻曾植入電極又取了出來,最後一隻則未植入任何設備。

  這次發佈會引起空前關注。因為被植入芯片的實驗豬,向全世界展示了神經信號的讀取和寫入,研究人員可以通過芯片傳導出來的信息看到豬的腦電圖。馬斯克在2016年就曾透露過其人腦與機器交互的想法,能夠看出,與去年原型首次亮相時相比,現在該技術與實現馬斯克的雄心壯誌的距離要近得多。

  但需注意到,Neuralink芯片成功與否,其實並不完全取決於技術,還將取決於其能否說服人們“開頭顱、插芯片”,並試圖“篡改”人類自己的神經衝動。

  不過,馬斯克本人和該公司都表明,他們主要研究方向或將是醫療領域,即利用腦機接口來幫助人類對抗記憶力衰退、頸脊髓損傷以及癲癇、抑鬱、帕金森等神經系統疾病。如果它們的安全性和可靠性可以讓科學家、醫生以及許許多多患者們信服,那這一技術無疑將真正造福人類。

Neuralink的腦機接口技術將電極沉入大腦,再利用芯片與頭骨外的計算機進行通信。圖片來源:CNET網站
Neuralink的腦機接口技術將電極沉入大腦,再利用芯片與頭骨外的計算機進行通信。圖片來源:CNET網站

  室溫超導在超高壓下首次實現

  1911年,一名荷蘭物理學家發現,當溫度降低至4.2K(約-268.95℃)時浸泡在液氨里的金屬汞的電阻會消失。這是超導現象,我們距離其首次被發現已過百年。

  超導不僅僅意味著零電阻,還可以完全抗磁性,這讓超導體在傳輸過程中幾乎沒有能量耗損,每平方釐米超導材料上還能承載更強的電流。可惜,目前大多數超導體僅在接近絕對零度的溫度下工作。正是這一限製,具有如此優異性能的材料並沒有像許多人想像的那樣徹底改變世界。

  10月,一個美國團隊報告創造出一種有機源氫化物材料,首次在高達15攝氏度的溫度下觀察到室溫超導現象。此前研究表明,富氫材料在高壓下可以將超導溫度提高至-23℃左右。此次科學家將實現零電阻的溫度提高到了15℃,這是在2670億帕斯卡壓力下的一個光化學合成三元含碳硫化氫系統中實現的。

  開發在室溫下沒有電阻和磁場驅逐的超導材料,是凝聚態物理學追求的目標,新成果不但打破諸多障礙,還將為許多潛在應用鋪路。可以說,經過一個世紀的找尋,人類向創造出具有最優效率電力系統的目標邁出了重要一步。

圖片來源:《自然》/Adam·Fenster
圖片來源:《自然》/Adam·Fenster

  快速射電暴在銀河系內起源首次確定

  這是一段時間僅僅數毫秒的射電脈衝。有天文學家認為,它可能只是兩顆恒星碰撞時產生的噪音,另有一些人更樂意相信,這是來自外星人的信息,由高等地外文明的技術“外泄”造成。

  它名為快速射電暴,自2007年第一次被發現以來身上迷霧一重疊一重。其物理起源未知,但能量極大,無法忽視。儘管付出了很多努力,科學家也一直在發展相關理論,但從未能理解快速射電暴背後的物理學原理,連確定起源也存在著巨大挑戰——它持續時間實在是太短了,天文學家很難對其定位。

  而11月,英國《自然》雜誌發表的3篇論文稱,科學家首次確定了一個快速射電暴在銀河系內的起源:多個衛星及地面望遠鏡探測到的這些無線電波的明亮脈衝顯示,它們來自銀河系內的一顆磁星。

  這是第一個探測到無線電波以外輻射的快速射電暴,且是第一個在銀河系中被發現的,同時也是第一個與被稱為磁星的恒星殘留物有關的快速射電暴,證明了磁星可以是快速射電暴的起源。該發現得益於加拿大和美國團隊對快速射電暴的持續關注,以及中國500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)對這一天空區域的重要監測結果。

磁星是中子星,其磁場強度是地球磁鐵的1億倍。圖片來源:美國《科學》雜誌網站
磁星是中子星,其磁場強度是地球磁鐵的1億倍。圖片來源:美國《科學》雜誌網站

  “阿爾法摺疊”精準預測蛋白質三維結構

  一個有50年歷史的老問題,“阿爾法摺疊”改變了遊戲規則。

  人工智能(AI)的功勞。名為“阿爾法摺疊”的AI攻克了生物學領域一項重大難題:預測蛋白質如何從線性氨基酸鏈捲曲成3D形狀以執行任務。

  人體每一種蛋白質都包含幾十到幾百種氨基酸,這些氨基酸的順序決定了它們之間的作用,賦予蛋白質複雜的三維形狀,進而決定了蛋白質的功能。幾十年來,研究人員利用X射線晶體學或低溫電子顯微鏡等實驗技術來破譯蛋白質的三維結構,但這種方法可能需要數月甚至數年,且未必見效。目前,在生命體內發現的2億多個蛋白質中,只有17萬個蛋白質的結構被破解。

  在今年的“蛋白質結構預測關鍵評估”中,“阿爾法摺疊”在滿分100的比賽中的中位分數為92.4,預測最具挑戰性的蛋白質的平均得分為87,比次優預測高出25分。它甚至擅長預測嵌入細胞膜的蛋白質結構,而細胞膜正是許多人類疾病的核心,以往的X射線晶體學很難對其展開研究。

  這一技術成就被認為將改變結構生物學和蛋白質研究的未來:實驗學家將能使用精確結構預測來理解不透明的低溫電磁數據;藥物設計者也可借此迅速釐清新冠病毒等危險病原體中每種蛋白質的結構,從而更快研發出相關藥物。

  “基因魔剪”首次治癒兩種遺傳性血液病

  這是CRISPR基因編輯技術臨床首次證實可有效治療遺傳疾病。

  鐮刀型紅細胞貧血和β-地中海貧血,是兩種常見的基因缺陷性疾病,其共同特點是由於珠蛋白基因的缺陷使血紅蛋白中的珠蛋白肽鏈有一種或幾種合成減少或不能合成,從而產生無效的血紅蛋白。目前常見的治療方法是輸血或輸入鐵螯合劑,很可惜這些方法容易出現中毒現象;利用造血幹細胞移植本是一個根治之法,但匹配的捐贈者很可能匱乏,移植後的併發症也隨時會發生。正因此,基因治療從分子水平上糾正治病基因的表達,成為病人的新希望。

  今年年底,美國研究人員宣佈他們用CRISPR技術對患者的骨髓幹細胞進行基因編輯後,兩名β—地中海貧血患者和一名鐮狀細胞疾病患者,不再需要輸血。

  最新的報告表明,患者的治療時間長達17個月,現在正在產生大量胎兒血紅蛋白,並且再沒有經曆過每幾個月發作一次的疼痛。這一次,“基因魔剪”實現了精準靶向治療,為未來基因缺陷性疾病的成功治癒提供了可能。當然,CRISPR這一技術在疾病領域的應用,才剛剛開始。

  中國嫦娥五號“攬月”而歸

  12月19日,中國嫦娥五號任務月球樣品正式交接。中國首次地外天體樣品儲存、分析和研究工作拉開了序幕。

  嫦娥五號任務是“探月工程”的第六次任務,也是中國航天迄今為止最複雜、難度最大的任務之一。其有著非常重要的意義——實現中國開展航天活動以來的四個“首次”:首次在月球表面自動采樣;首次從月面起飛;首次在38萬公裡外的月球軌道上進行無人交會對接;首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

  美國《科學》雜誌對此予以高度關注。該雜誌報導中指出,嫦娥五號是中國一系列雄心勃勃探月計劃的最新行動,它在月表著陸後,從月表鏟取一些月壤樣品,還鑽探到月表之下2米採集月壤岩芯,這些樣本將有助於科學家進一步釐清月球的年齡,而且是“自1972年人類最後一次執行登月任務40多年後再次從月球帶回岩石樣本”。

嫦娥五號進入近圓形環月軌道飛行三維模擬動畫圖。新華社發
嫦娥五號進入近圓形環月軌道飛行三維模擬動畫圖。新華社發

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