二〇二〇年国际十大科技新闻解读

  • 栏目:社会 时间:2021-01-13 11:15 分享新闻到:
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嫦娥五号进入近圆形环月轨道飞行三维模拟动画图。新华社发

美药管局批准紧急使用辉瑞新冠疫苗新华社发(德国生物新技术公司供图)

脑机接口技术将电极沉入大脑,再利用芯片与计算机进行通信。图片来源:CNET网站

磁陀星艺术概念图。图片来源:ESO/L. Cal ada

2020,整个世界直面不确定性和不安全感。

在科研领域,疫情的影响让很多研究放慢了脚步,但关乎人类自身、关乎尖端探索的事业从未搁置,我们依然看到这些消息振奋着人心,冲刷着认知,浇筑着希望。

希望仍在。变局中我们前所未有地认识到,携手同行是这样重要,一切的不安惶恐终究只是过客,对前行者来说,头顶不熄的科技之光永照星河。

1全球加速 新冠疫苗研发

“我希望人类在凝视深渊后会变得更聪明,意识到我们是多么的脆弱。”前牛津大学热带病学教授杰里米法拉说。

新冠让超百万条鲜活生命离开了这个世界。为应对这场人类社会的重大灾难,史无前例的疫苗高速开发和测试大幕拉开了。截至12月10日,全球有162种候选疫苗正处于研发阶段,其中52种候选疫苗已经进行临床试验。《科学》杂志称,“从未有如此多的候选疫苗几乎同时开展大规模有效性试验,政府、企业、学术界和非营利组织也从未在这样短的时间里在同一种传染病上投入如此多的财力、人力和精力。”

突出的例子如美国制药企业辉瑞的疫苗研发主管凯瑟林·简森带领的团队,在破纪录的210天里推出了一支通过临床验证的疫苗;中国工程院院士、军事科学院军事医学研究院研究员陈薇领衔团队研发的“Ad5腺病毒载体疫苗”,在全球范围内第一个进入Ⅱ期临床试验,给世界人民带来希望。

在这个不寻常的2020,人们看到了首批获准用于对抗新冠肺炎的疫苗推出。而在马上到来的2021年初,数种新疫苗的有效性也将变得更加明朗。

2目前最强逆转艾滋病病毒潜伏方法发现

谈“艾”变色,根源仍是对其缺乏了解。艾滋病由人免疫缺陷病毒(HIV)引起,而HIV就是一种逆转录病毒,其无法治愈的原因,是因为目前的抗逆转录病毒治疗,都不能彻底清除HIV感染,这种病毒会在细胞中潜伏,以此方式“躲避”免疫系统。

亦因此,在长期病毒抑制治疗后清除病毒感染一直是研究的焦点。科学家们设计出了“激活并杀死”的方法,先将病毒从潜伏的受感染细胞中驱赶出来再进行清除。可惜,在今年以前,“激活”隐藏病毒的方法一直不算成功或有效。

2月份,美国的科学家们通过两种方法来逆转艾滋病病毒的潜伏,而当逆转潜伏法与适当药物相结合,显著提高了清除该病毒的概率,这种“激活”隐藏病毒的手段,是迄今最强大的潜伏逆转方法。当然,两种“激活”法要结合后续的“杀死”步骤才能完成清除功能,但其无疑为医学界进一步理解病毒维持机制打开了一扇新的大门,让艾滋病治疗研究向前迈出了“震惊的一步”。与此同时,这项成果还展示了与药理潜伏期逆转相关的概念和技术挑战。

3科学家发现宇宙物质起源之谜首个佐证

宇宙诞生于一场大爆炸。但在这一切的起点,理应产生同样数量的正反物质,而如果正反物质数量相同,它们相遇时又会彼此湮灭,仅留下光子和暗物质。宇宙演化至今,似乎仍然由物质在主导,“正反物质不对称”也成为自然界最大的谜团之一。

目前为止,最有力的说法是中微子在这幕大剧中扮演了重要角色,今年,日本T2K中微子实验国际共同研究团队为这一假说带来了重要支持:他们首次成功让“中微子振荡”现象中决定“粒子与反粒子举动差异”程度的物理量取值范围得到了限制。

这是一项历时近10年的研究。科学家们已知中微子分为电子型中微子、缪子型中微子和陶子型中微子三种类型及其相应的反中微子,这些“变色龙”能在以接近光速的速度行进时发生改变,即所谓的“中微子振荡”。T2K团队从近1021次质子打靶产生的中微子中检测到90个电子型中微子和15个电子型反中微子。数据分析表明,缪子型中微子转变成电子型中微子的概率,高于缪子型反中微子转变成电子型反中微子的概率。

实验组的结论其实尚未达到可以被称为“发现”的水平。但这一结果支持宇宙中物质起源与缪子型中微子转变成电子型中微子有关,换句话说,这或是我们研究宇宙物质起源的第一个佐证,让人类距离解开宇宙之谜又近了一步。

4迄今最大规模人类遗传变异体目录公布

生物学和医学发展之迅猛,肉眼可见。现在,科学家对很多疾病的研究可以直抵分子和基因层面,深入研究人类基因组也成为解锁诸多重大疾病病因的关键。可惜的是,在人类基因组中,绝大多数基因的功能依然未知。

揭示基因功能的一种方法,是观察基因发生突变后的结果。这些变异体往往会产生不良结果,但通常较为罕见。大规模基因测序研究则有助于考察这些功能丧失型变异体的效应,将能带来对人类生物学特征和疾病的重要见解。

今年6月,英国《自然》旗下杂志同时发表一系列报告,集中描述了对一个汇集了逾14万人样本的数据库——基因组聚集数据库的应用,其涵盖从125748个全外显子组和15708个全基因组测序数据集中,鉴定出的443769个预测的功能丧失型变异体。这是人们迄今拥有的最大规模人类遗传变异体公开目录。

尽管,科学家距离鉴定出人类全部的预测功能丧失型变异体还很遥远,但这一研究依然是我们现阶段深入认识人类基因功能、发现新疾病相关基因的宝贵资源。

5马斯克发布可实际运作的脑机接口

无论你如何评价埃隆·马斯克,也应承认他一向都敢做众人所不敢之事。8月末,他为脑机接口公司Neuralink举行发布会,用“三只小猪”演示了可实际运作的脑机接口芯片和自动植入手术设备。其中一只猪已经植入脑机接口设备两个月并活蹦乱跳,另一只曾植入电极又取了出来,最后一只则未植入任何设备。

这次发布会引起空前关注。因为被植入芯片的实验猪,向全世界展示了神经信号的读取和写入,研究人员可以通过芯片传导出来的信息看到猪的脑电图。马斯克在2016年就曾透露过其人脑与机器交互的想法,能够看出,与去年原型首次亮相时相比,现在该技术与实现马斯克的雄心壮志的距离要近得多。

但需注意到,Neuralink芯片成功与否,其实并不完全取决于技术,还将取决于其能否说服人们“开头颅、插芯片”,并试图“篡改”人类自己的神经冲动。

不过,马斯克本人和该公司都表明,他们主要研究方向或将是医疗领域,即利用脑机接口来帮助人类对抗记忆力衰退、颈脊髓损伤以及癫痫、抑郁、帕金森等神经系统疾病。如果它们的安全性和可靠性可以让科学家、医生以及许许多多患者们信服,那这一技术无疑将真正造福人类。

6室温超导在超高压下首次实现

1911年,一名荷兰物理学家发现,当温度降低至4.2K(约-268.95℃)时浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。这是超导现象,我们距离其首次被发现已过百年。

超导不仅仅意味着零电阻,还可以完全抗磁性,这让超导体在传输过程中几乎没有能量耗损,每平方厘米超导材料上还能承载更强的电流。可惜,目前大多数超导体仅在接近绝对零度的温度下工作。正是这一限制,具有如此优异性能的材料并没有像许多人想象的那样彻底改变世界。

10月,一个美国团队报告创造出一种有机源氢化物材料,首次在高达15摄氏度的温度下观察到室温超导现象。此前研究表明,富氢材料在高压下可以将超导温度提高至-23℃左右。此次科学家将实现零电阻的温度提高到了15℃,这是在2670亿帕斯卡压力下的一个光化学合成三元含碳硫化氢系统中实现的。

开发在室温下没有电阻和磁场驱逐的超导材料,是凝聚态物理学追求的目标,新成果不但打破诸多障碍,还将为许多潜在应用铺路。可以说,经过一个世纪的找寻,人类向创造出具有最优效率电力系统的目标迈出了重要一步。

7快速射电暴在银河系内起源首次确定

这是一段时间仅仅数毫秒的射电脉冲。有天文学家认为,它可能只是两颗恒星碰撞时产生的噪音,另有一些人更乐意相信,这是来自外星人的信息,由高等地外文明的技术“外泄”造成。

它名为快速射电暴,自2007年第一次被发现以来身上迷雾一重叠一重。其物理起源未知,但能量极大,无法忽视。尽管付出了很多努力,科学家也一直在发展相关理论,但从未能理解快速射电暴背后的物理学原理,连确定起源也存在着巨大挑战——它持续时间实在是太短了,天文学家很难对其定位。

而11月,英国《自然》杂志发表的3篇论文称,科学家首次确定了一个快速射电暴在银河系内的起源:多个卫星及地面望远镜探测到的这些无线电波的明亮脉冲显示,它们来自银河系内的一颗磁星。

这是第一个探测到无线电波以外辐射的快速射电暴,且是第一个在银河系中被发现的,同时也是第一个与被称为磁星的恒星残留物有关的快速射电暴,证明了磁星可以是快速射电暴的起源。该发现得益于加拿大和美国团队对快速射电暴的持续关注,以及中国500米口径球面射电望远镜(FAST)对这一天空区域的重要监测结果。

8“阿尔法折叠”精准预测蛋白质三维结构

一个有50年历史的老问题,“阿尔法折叠”改变了游戏规则。

人工智能(AI)的功劳。名为“阿尔法折叠”的AI攻克了生物学领域一项重大难题:预测蛋白质如何从线性氨基酸链卷曲成3D形状以执行任务。

人体每一种蛋白质都包含几十到几百种氨基酸,这些氨基酸的顺序决定了它们之间的作用,赋予蛋白质复杂的三维形状,进而决定了蛋白质的功能。几十年来,研究人员利用X射线晶体学或低温电子显微镜等实验技术来破译蛋白质的三维结构,但这种方法可能需要数月甚至数年,且未必见效。目前,在生命体内发现的2亿多个蛋白质中,只有17万个蛋白质的结构被破解。

在今年的“蛋白质结构预测关键评估”中,“阿尔法折叠”在满分100的比赛中的中位分数为92.4,预测最具挑战性的蛋白质的平均得分为87,比次优预测高出25分。它甚至擅长预测嵌入细胞膜的蛋白质结构,而细胞膜正是许多人类疾病的核心,以往的X射线晶体学很难对其展开研究。

这一技术成就被认为将改变结构生物学和蛋白质研究的未来:实验学家将能使用精确结构预测来理解不透明的低温电磁数据;药物设计者也可借此迅速厘清新冠病毒等危险病原体中每种蛋白质的结构,从而更快研发出相关药物。

9“基因魔剪”首次治愈两种遗传性血液病

这是CRISPR基因编辑技术临床首次证实可有效治疗遗传疾病。

镰刀型红细胞贫血和β-地中海贫血,是两种常见的基因缺陷性疾病,其共同特点是由于珠蛋白基因的缺陷使血红蛋白中的珠蛋白肽链有一种或几种合成减少或不能合成,从而产生无效的血红蛋白。目前常见的治疗方法是输血或输入铁螯合剂,很可惜这些方法容易出现中毒现象;利用造血干细胞移植本是一个根治之法,但匹配的捐赠者很可能匮乏,移植后的并发症也随时会发生。正因此,基因治疗从分子水平上纠正治病基因的表达,成为病人的新希望。

今年年底,美国研究人员宣布他们用CRISPR技术对患者的骨髓干细胞进行基因编辑后,两名β—地中海贫血患者和一名镰状细胞疾病患者,不再需要输血。

最新的报告表明,患者的治疗时间长达17个月,现在正在产生大量胎儿血红蛋白,并且再没有经历过每几个月发作一次的疼痛。这一次,“基因魔剪”实现了精准靶向治疗,为未来基因缺陷性疾病的成功治愈提供了可能。当然,CRISPR这一技术在疾病领域的应用,才刚刚开始。

10中国嫦娥五号“揽月”而归

12月19日,中国嫦娥五号任务月球样品正式交接。中国首次地外天体样品储存、分析和研究工作拉开了序幕。

嫦娥五号任务是“探月工程”的第六次任务,也是中国航天迄今为止最复杂、难度最大的任务之一。其有着非常重要的意义——实现中国开展航天活动以来的四个“首次”:首次在月球表面自动采样;首次从月面起飞;首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接;首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

美国《科学》杂志对此予以高度关注。该杂志报道中指出,嫦娥五号是中国一系列雄心勃勃探月计划的最新行动,它在月表着陆后,从月表铲取一些月壤样品,还钻探到月表之下2米采集月壤岩芯,这些样本将有助于科学家进一步厘清月球的年龄,而且是“自1972年人类最后一次执行登月任务40多年后再次从月球带回岩石样本”。

(责任编辑:柯晓霁)
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