2020 年全球重大科學(xué)突破：科學(xué)力量如何改變?nèi)蚝笠咔闀r(shí)代

北京時(shí)間 12 月 24 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，目前，科學(xué)家挑選出 2020 年全球重大科學(xué)突破，其中包括：AI 人工智能技術(shù)、食物領(lǐng)域、太空技術(shù)，以及最新新冠病毒響應(yīng)，展示了科學(xué)力量如何改變?nèi)蚝笠咔闀r(shí)代。

1、太空旅行

2020 年，太空競賽發(fā)生了顯著變化，今年 5 月份，SpaceX 公司 “龍”飛船發(fā)射升空，這是私人飛行器首次將宇航員運(yùn)送至國際空間站。該飛船對人們留下了深刻印象，但其外觀平平…… 光滑白色內(nèi)壁取代了復(fù)雜的傳統(tǒng)儀表板，很明顯飛船上的兩名試飛員僅是乘客，他們對飛機(jī)沒有直接的控制權(quán)。今年 11 月，“龍”飛船成為首個(gè)獲得美國宇航局認(rèn)證，能夠?qū)⑷祟愃屯鶉H空間站的私人航天器，并在當(dāng)月晚些時(shí)候?qū)?4 名宇航員送往軌道空間站，這種 “太空出租車”的費(fèi)用可能不便宜，但是該飛船的技術(shù)正在不斷升級完善。

今年誰擁有太空管轄權(quán)的問題已處于關(guān)鍵敏感時(shí)期，截至 4 月份，地球軌道上已經(jīng)有 2666 顆衛(wèi)星，巨大衛(wèi)星群的時(shí)代已悄然到來。今年，埃隆 · 馬斯克的 “星鏈”項(xiàng)目已發(fā)射 955 顆軌道衛(wèi)星，未來 6 年還將發(fā)射 11000-41000 顆衛(wèi)星，這些巨大衛(wèi)星群將帶來諸多好處：在偏遠(yuǎn)地區(qū)更好地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接、更均勻地訪問數(shù)據(jù)服務(wù)等。但隨著這張人造衛(wèi)星網(wǎng)包圍著地球，我們將不得不應(yīng)對不斷增加的碰撞、空間碎片、帶寬干擾的風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)將影響地球上望遠(yuǎn)鏡和光污染。今年皇家天文臺格林威治天文攝影師大賽最引人注目的獲獎(jiǎng)作品是 “技術(shù)監(jiān)獄”，它展示了一個(gè)由衛(wèi)星軌道覆蓋的壯觀夜空，2021 年，誰來決定以及監(jiān)管能否跟上的現(xiàn)實(shí)問題，將變得更加尖銳敏感。

2、蛋白質(zhì)預(yù)測

想象一下，人們在讀樂譜，并且知道一個(gè)曲調(diào)聽起來像什么，但沒有多少線索揭示如何演奏樂器，這就是我們在生物學(xué)上的研究，直到今年 11 月，人工智能公司 DeepMind 突然介入蛋白質(zhì)預(yù)測領(lǐng)域，憑借純粹的計(jì)算力，解決了一個(gè)原本很難理解的問題。

這里的樂譜是遺傳學(xué)基礎(chǔ)，基因是由 DNA 構(gòu)成，并編碼蛋白質(zhì)，所有生命都由蛋白質(zhì)構(gòu)成，我們可以很容易地閱讀遺傳密碼，將基因翻譯成基本蛋白質(zhì)。但是蛋白質(zhì)在三維空間中起到一定作用，精確地折疊成團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，這些酶是用于消化，是構(gòu)造骨骼、肌肉和大腦的結(jié)構(gòu)，這至關(guān)重要的一步是我們曾經(jīng)努力過的，即理解如何將 2D 蛋白質(zhì)加工成 3D 功能結(jié)構(gòu)。DeepMind 公司 AlphaFold 程序于 2019 年 11 月獲得驗(yàn)證，能夠輕松擊敗其他所有已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測技術(shù)。

這是一項(xiàng)令人驚奇的工作，當(dāng)涉及到設(shè)計(jì)藥物，簡單地了解蛋白質(zhì)如何工作或在疾病中出錯(cuò)時(shí)，弄清楚蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。因?yàn)檫@是一項(xiàng)人工智能解決方案，我們?nèi)匀粺o法真正理解該過程，但至少我們可以預(yù)測它將如何展開，科學(xué)家預(yù)測，這將是人工智能獲得的首個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

3、基因編輯技術(shù)

2020 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了艾曼紐 · 卡彭特和詹尼弗 · 杜德納，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了 Crispr/Cas9 基因編輯技術(shù)。Crispr/Cas9 最初是一種細(xì)菌免疫系統(tǒng)，檢測并破壞感染細(xì)菌的病毒傳播的特定基因序列。

2012 年卡彭特和杜德納首次描述 Crispr/Cas9 基因編輯技術(shù)之后，全球各地的研究人員迅速意識到該系統(tǒng)的革命潛力，而不是針對病毒 DNA，Crispr/Cas9 可用于精確地追蹤生物基因組的任何位置，特別是剪切和修改基因組，以適應(yīng)日益多樣性的應(yīng)用。該技術(shù)的通用性和易用性使基因工程成為可能，而傳統(tǒng)的基因操縱工具長期以來無法實(shí)現(xiàn)生物基因工程。

例如：今年 Crispr/Cas9 工具箱已經(jīng)擴(kuò)大，允許對水稻和小麥等農(nóng)作物進(jìn)行高精度基因組修改，由于基于 Crispr 的方法不會(huì)在植物基因組中留下疤痕或者多余的遺傳物質(zhì)，該方法是引入有利特性的最佳方法，例如：使用傳統(tǒng)品種的基因序列來生產(chǎn)耐旱、抗蟲和其他高性能農(nóng)作物。

當(dāng)然，Crispr/Cas9 也進(jìn)入到治療人類疾病的臨床測試領(lǐng)域，例如：2020 年出現(xiàn)首個(gè)以 Crispr 為基礎(chǔ)的人類血細(xì)胞重編程的臨床試驗(yàn)，從而對抗其他無法治愈的癌癥。最終，Crispr 再次回到其根源，作為一種病毒破壞的免疫反應(yīng)：多個(gè)研究小組正在探索的可能性將 Crispr/Cas9 系統(tǒng)引入到人類細(xì)胞，特別是肺部的上皮層，摧毀入侵呼吸道病毒的遺傳物質(zhì)。

4、解決貧困、減少森林砍伐

幾十年的經(jīng)驗(yàn)使從事熱帶森林保護(hù)工作的人對 “雙贏”（在這種情況下，拯救環(huán)境也有助于減少貧困）持懷疑態(tài)度，一項(xiàng)令人驚訝的最新研究表明，旨在減少貧困的計(jì)劃，可顯著減少森林砍伐。

許多低收入和中等收入的國家向貧困家庭提供福利金的條件是，貧困家庭必須確保其子女上學(xué)、參加健康檢查等，其理念是，這些 “有條件現(xiàn)金轉(zhuǎn)移支付”在提高收入的同時(shí)，有助于打破貧困循環(huán)。

研究人員研究了 7000 多個(gè)森林村莊如何引入有條件現(xiàn)金轉(zhuǎn)移，他們發(fā)現(xiàn)這些補(bǔ)償（與環(huán)境目標(biāo)無關(guān)）減少了大約 30% 的森林砍伐，如果該計(jì)劃旨在避免森林砍伐，這將是一個(gè)非常行之有效的環(huán)保措施。

解決全球貧困問題和減緩熱帶森林砍伐是我們面臨的兩個(gè)重大挑戰(zhàn)，雖然這不是 “萬靈藥”，但帶來了希望，至少在某些情況下，減輕貧困能有助于減緩森林砍伐，這對于避免災(zāi)難性氣候變化和減少生物多樣性損失是至關(guān)重要的。

5、溫室氣體零排放

2019 年 6 月，當(dāng)英國政府將 2050 年溫室氣體凈零排放目標(biāo)作為法規(guī)時(shí)，人們可能懷疑英國首相特里薩 · 梅的立法舉措是否會(huì)帶來環(huán)境改變。事實(shí)證明確實(shí)可以，議會(huì)、市長和政府官員不僅開始制定環(huán)保目標(biāo)，而且還制定了實(shí)現(xiàn)計(jì)劃，到 2020 年 2 月，分析數(shù)據(jù)顯示，全球超過一半的國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）遭受氣候危機(jī)威脅，面臨著自然損失風(fēng)險(xiǎn)。2019 年 9 月，中國宣布凈零排放目標(biāo)，日本和韓國也緊隨其后宣布相應(yīng)的減排計(jì)劃。最新氣候科學(xué)為許多國家的凈排目標(biāo)提供了寶貴信息，在同一時(shí)期，最新氣候科學(xué)已經(jīng)證實(shí)了對未來氣候變暖的預(yù)測，并詳細(xì)說明了隨著世界日趨變暖，我們面臨的風(fēng)險(xiǎn)也將日益增大。這使得零碳排放成為當(dāng)務(wù)之急的全球性目標(biāo)，它不再是一個(gè)是否存在的問題，而是一個(gè)何時(shí)存在的問題。下一場戰(zhàn)斗將是汽車，我們不會(huì)通過與油耗作斗爭而獲勝，最理想的方案是使小型電動(dòng)汽車和自行車成為公認(rèn)的交通工具標(biāo)準(zhǔn)，這是一場全世界都輸不起的戰(zhàn)斗，而且這需要每個(gè)人切實(shí)履行一定的環(huán)保責(zé)任才能實(shí)現(xiàn)。

6、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）治療的新希望

童年時(shí)期遭受虐待將對成年后造成嚴(yán)重心理健康危害，但更重要的是：我們小時(shí)候發(fā)生過什么，或者我們記得什么？2020 年，一項(xiàng)針對美國中西部居民的縱向研究得出驚人結(jié)果：同時(shí)期法庭記錄證實(shí)，曾受到虐待或者疏于照顧的兒童，只有在成年后回憶起創(chuàng)傷時(shí)，其心理健康狀況才會(huì)發(fā)生惡化。能回憶童年遭受虐待的成年人，無論是否有客觀證據(jù)證明曾被虐待或被忽視，他們成年生活出現(xiàn)抑郁、焦慮、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和藥物濫用的風(fēng)險(xiǎn)都將同樣增大，那些曾遭受虐待但 20 年后不記得的兒童，與從未被虐待或者被忽視的兒童相比，沒有更大的精神問題風(fēng)險(xiǎn)。

童年遭受虐待的回憶是否是成年人心理不健康的結(jié)果，而不是原因嗎？心情抑郁的人可能會(huì)對自己的生活感到消極無奈，會(huì)有偏見地記住糟糕的事情。然而，研究人員稱，如果他們將回憶時(shí)有精神障礙的人排除在外，那么可以證實(shí)童年遭受虐待的回憶會(huì)導(dǎo)致成年后心理不健康。

盡管該研究結(jié)果令人感到吃驚，但研究人員發(fā)現(xiàn)主觀回憶童年虐待和心理危害之間的強(qiáng)烈聯(lián)系或?qū)橹委焺?chuàng)傷后應(yīng)激障礙帶來新的希望。我們的感知和記憶塑造了我們對自己和他人的看法，這些主觀意識是可以被塑造的，就像治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙一樣。研究人員稱，這項(xiàng)最新研究表明，年輕人不應(yīng)被自己消極生活經(jīng)歷所定義，增強(qiáng)主觀意識，淡化過往灰色記憶，對于營造健康生活氛圍是至關(guān)重要的。

7、金星上有生命嗎？

今年 9 月出現(xiàn)許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，其中包括科學(xué)家宣稱在金星大氣層中發(fā)現(xiàn)有毒氣體磷化氫，這在天文科學(xué)領(lǐng)域引起了相當(dāng)大的轟動(dòng)，因?yàn)榱谆瘹淇梢宰鳛樯嬖诘闹甘緞?。沒人認(rèn)真考慮過在金星上存在外星生命的可能性，這是一個(gè)非常可怕的星球，至少對于地球人類而言。事實(shí)上，磷化氫并不一定是由活體生物產(chǎn)生的，畢竟木星表面也有磷化氫，那里的溫度和壓力非常高，完全可以通過簡單古老的化學(xué)過程（非生物學(xué)）產(chǎn)生，但是金星的質(zhì)量卻無法發(fā)生該過程，因此這項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家欣喜不已。

今年 11 月，最初數(shù)據(jù)被重新分析，發(fā)現(xiàn)金星磷化氫的磷含量（以十億分之一單位進(jìn)行計(jì)算）有所降低，但磷化氫仍然存在于金星大氣中，這令人感到不可思議。研究人員稱，很難依據(jù)當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的磷化氫來斷定金星生命的真實(shí)存在性，很有可能磷化氫是金星表面地質(zhì)作用下含磷化合物釋放的，這些含磷化合物進(jìn)入大氣后就可以形成磷化氫。

盡管這一消息無法證實(shí)金星存在外星人，但如果我們確實(shí)在宇宙某處發(fā)現(xiàn)生命，很可能是這樣的：通過分析穿越大氣層的光，以及光與 “生物特征”化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的交互作用，就能發(fā)現(xiàn)某種含量等級 “生命物質(zhì)”。

8、實(shí)驗(yàn)室人造肉

預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉，地球人口總數(shù)將達(dá)到 90 億，怎樣才能在不破壞生物多樣性、不消耗過多能源的情況適當(dāng)?shù)嘏嘤隣I養(yǎng)物質(zhì)呢？現(xiàn)今人工飼養(yǎng)的雞和火雞生物量已超過野生物種，而人類所吃禽類的生物量是野生哺乳動(dòng)物的 10 倍以上。

飲食創(chuàng)新是必要的，其中一些方法無需 “前沿”科學(xué)技術(shù)，例如：將蛋白質(zhì)營養(yǎng)豐富的昆蟲變成美味的食物，用植物蛋白制作人造肉。2015 年，加州一家名為 Impossible Foods 的公司從 2015 年開始銷售牛肉漢堡，主要是由小麥、椰子和土豆制成，不過這些漢堡還需要一段時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，才能獲得美食家的滿意，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為甜菜根汁是血液的糟糕替代品。

但是生物化學(xué)家一直在取得突破，從動(dòng)物身體上提取幾個(gè)細(xì)胞，然后用適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)刺激生長，就可以培育出 “人造肉”。就在 11 月，新加坡食品監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了這種由美國初創(chuàng)公司 Eat Just 研制的 “人造肉”進(jìn)行市場銷售，可接受的肉類替代品在我們的飲食方式上創(chuàng)造了一個(gè)良性變化。它們是一種生態(tài)效益，對我們多數(shù)人而言，也是一種道德進(jìn)步，未來幾代人如果回顧歷史，都會(huì)對當(dāng)今工廠化畜牧技術(shù)感到吃驚不已，目前我們在這方面已取得了積極樂觀的進(jìn)展。

9、首個(gè)室溫超導(dǎo)體

自從人類首次利用電能以來，一個(gè)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)就是尋找室溫超導(dǎo)體，超導(dǎo)體是一種電阻為零的材料，它能為低損耗電線或者磁懸浮列車的開發(fā)帶來質(zhì)的飛躍。但是這些材料通常只有在極冷的溫度下才會(huì)顯示這種獨(dú)特屬性——比室溫低 50 攝氏度的條件。

今年 10 月，美國羅徹斯特大學(xué)蘭加 · 迪亞斯帶領(lǐng)的一支研究小組報(bào)道了一個(gè)震驚消息——發(fā)現(xiàn)首個(gè)室溫超導(dǎo)體，但是關(guān)于室溫超導(dǎo)體存在的條件十分苛刻，需要使用一個(gè)金剛石壓腔，大約 270 億帕的超高壓力，這相當(dāng)于地球大氣壓 200 多萬倍，通過擠壓碳、硫和氫的化合物來顯示超導(dǎo)性。如此極端的條件意味著我們不能隨意地進(jìn)行任何實(shí)際應(yīng)用，但該發(fā)現(xiàn)仍是一項(xiàng)非常重要的科學(xué)成就。

室溫超導(dǎo)體的話題將我們帶到了上世紀(jì) 80 年代末，賽義夫 · 伊斯蘭還是伊士曼柯達(dá)實(shí)驗(yàn)室一位面帶稚氣的博士后研究員，當(dāng)時(shí)他正在研究氧化銅超導(dǎo)體。他指出，發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體具有重要意義，是科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑，現(xiàn)在的希望是不久能發(fā)現(xiàn)一種壓力條件較低環(huán)境下的室溫超導(dǎo)體。

責(zé)任編輯：PSY