2020年度10大科学发现和十大科学突破

来源:搜狐网发布时间:2021-01-07点击?81

《Nature》:2020年10大科学发现

在2020年即将结束之际,《自然》(Nature)杂志盘点了今年发表的科学新闻和研究观点,从中选出了十项最为重大的科学发现,既包括新冠病毒研究、压力如何导致白发、HIV治疗等医学方面的研究,也有银河系快速射电暴等天文学发现,甚至有一项研究在古代陵墓中发现了乱伦的证据。

这十大科学发现涉及14篇研究论文,其中12篇发表于《自然》杂志,另两篇发表于《科学》(Science)杂志。

01、打破物质-反物质的镜像对称性

在T2K实验中,位于日本神冈天文台的地下探测器探测到穿过地球295公里的中微子(或反中微子)

日本T2K中微子合作组织的研究发表于4月15日的《自然》杂志,报告了轻子破坏粒子-反粒子镜像对称(也称为CP对称)的可能发现。轻子的CP破缺难以观测,却可以利用中微子进行搜索。中微子有三种“味”,由它们所关联的带电轻子(电子、μ子或τ子)决定,并且可以在运动过程中从一种味转变为另一种味。如果CP对称守恒,μ中微子到电中微子转换的振荡概率将与反μ中微子到反电中微子转换的振荡概率相同。在T2K实验中,位于日本神冈天文台的地下探测器探测到穿过地球295公里的中微子(或反中微子)。实验测量了μ中微子到电中微子转换的振荡概率,结果在95%的置信水平上排除了CP守恒,这可能是宇宙中物质-反物质不对称性起源的最早标志。

原始论文:Nature 580, 339-344(2020)。

02、南极上空臭氧层修复使高速气流停止漂移

20世纪80年代中期,科学家在南极上空发现了春季大气臭氧层空洞,这揭示了人类制造的臭氧消耗物质(ODSs)对大气层的威胁。位于海拔10到20公里处的南极臭氧层空洞也影响了南半球大气环流,进而影响地表的气候。最明显的一个趋势是,夏季的高速气流开始向极地移动。高速气流是行星尺度的大气环流现象,地球上有数条环绕的高速气流带。1987年的《蒙特利尔议定书》及其随后的修正案禁止了臭氧消耗物质的生产和使用。因此,大气中臭氧消耗物质浓度正在下降,臭氧层已经出现初步的恢复迹象。Banerjee等人的研究指出,自臭氧层开始恢复以来,空洞相关的环流效应已经停止。以前曾有人注意到这种环流效应停止的趋势,但Banerjee等人首次正式将其归因于《蒙特利尔议定书》的影响。

原始论文:Nature 579, 544-548(2020)。

03、史前爱尔兰贵族墓葬遗址发现乱伦证据

纽格莱奇墓(Newgrange)是爱尔兰最著名的石隧墓,也是该国最著名的史前墓地之一,由复杂的工程技术建造而成

爱尔兰都柏林三一学院的Cassidy等人研究了农耕社会的社会结构,重点研究了被埋葬在石隧墓(欧洲的一种通道式巨石墓葬建筑)中的古代贵族。纽格莱奇墓(Newgrange)是爱尔兰最著名的石隧墓,也是该国最著名的史前墓地之一,由复杂的工程技术建造而成,墓室在一条很长的石砌通道的尽头。在陵墓入口上方有一个像窗一样的开口,在一年中白天最短的那天(冬至),这个开口可以让阳光照进墓室。研究人员对墓中发现的古代人类遗骸进行了DNA分析,揭示了一场罕见且出人意料的乱伦事件。大约5000年前埋葬在纽格兰奇墓室的一名男子是一桩乱伦婚姻的后代:他的父母要么是兄弟姐妹,要么是父母与子女。这一发现让研究小组推测,与这座宏伟陵墓有关的贵族们可能是通过乱伦来维持其血统。

原始论文:Nature 582, 384–388 (2020)。

04、卫星图像绘制地球树木地图

Brandt等人的论文报道了他们对覆盖西非西撒哈拉和萨赫勒地区超过130多万平方公里的高分辨率卫星图像的分析结果,他们绘制了大约18亿棵树木的位置和大小。在此之前,科学家还从未在如此大的区域内绘制出如此精细的树木地图。商业卫星已经开始收集数据,能够捕捉到大小在1平方米或以下的地面物体。陆地遥感领域因此即将迎来根本性的飞跃:从侧重于综合景观尺度的测量,到有可能在大范围或全球尺度上绘制每棵树的位置和树冠大小。这一进展无疑也将根本性地改变我们思考、监测、模拟和管理全球陆地生态系统的方式。

原始论文:Nature 587, 78–82 (2020)。

05、杀死潜伏的HIV病毒

导致艾滋病的HIV病毒可以长期“潜伏”在宿主细胞中,几乎不进行转录,因此不会被免疫系统发现。在《自然》杂志1月同期发表的两项研究中,报道了被称为“激活并杀死”(Shock and kill)的治疗策略,旨在扭转这种潜伏期,通过增加病毒基因的表达(激活),使被感染细胞更容易被免疫系统消灭(杀死)。两组研究人员都描述了在动物模型中的干预措施,这可能是迄今为止报道的最有效的激活手段,而且是可重复的。Nixon及其同事使用了一种名为AZD5582的药物,用于激活转录因子NF-κB——HIV-1基因表达的主要刺激因子。McBrien等人则将两种免疫干预措施结合起来,先通过抗体疗法耗竭CD8+ T细胞(降低病毒转录水平的免疫细胞),再进行N-803药物治疗,该药物可激活HIV-1的转录。除了这些进展,这两项研究还展示了用药物逆转病毒潜伏相关的概念和技术挑战。

原始论文:Nature 578, 154-159 (2020);Nature 578, 160–165 (2020)。

06、基因编辑破解挑食之谜

一种学名为Drosophila sechellia的果蝇只以有毒的诺丽果柑(Morinda citrifolia)为食,是什么让这个物种如此挑食?

一种学名为Drosophila sechellia的果蝇只以有毒的诺丽果柑(Morinda citrifolia)为食。与其他喜欢各种水果的果蝇相比,是什么让这个物种如此挑食?Auer等人利用基因组编辑工具CRISPR-Cas9破解了这个谜题。他们发现,相比其他果蝇,D。sechellia体内表达气味受体22a蛋白(Or22a)的感觉神经元格外丰富,而Or22a氨基酸序列的微小变化正是果蝇D。sechellia偏爱诺丽果的关键原因。他们还发现了其他几种可能导致这种简单行为转变的演化改变。即使是喜欢臭水果的小小果蝇,也能有力地揭示大脑如何演化出复杂的行为。

原始论文:Nature 579, 402-408(2020)。

07、银河系中的快速射电暴

发表在11月《自然》杂志上的三篇论文报道了对一个快速射电暴(FRB)现象的探测,显示其来源位于银河系内。有趣的是,快速射电暴伴随着X射线的爆发。这一发现是通过综合了多台太空望远镜和地面望远镜的观测结果得出的。顾名思义,“快速射电暴”是指一种瞬态的无线电波明亮脉冲,爆发持续时间约为毫秒级。研究者于2007年首次发现了这一现象,由于存在时间很短,使得探测它们并确定其在天空中的位置变得异常困难。这是第一个被探测到具有除无线电波外辐射的快速射电暴,也是该现象在银河系内的首次发现。这三项观测也首次证实了磁星是快速射电暴的来源之一,这是目前唯一被观测验证的可产生快速射电暴的天体。值得一提的是,其中一篇论文来自中国的研究团队,第一作者为北京师范大学的林琳博士,观测结果则是来自中国“天眼”——500米口径球面射电望远镜(FAST)。

原始论文:Nature 587, 54–58 (2020);Nature 587, 59–62 (2020);Nature 587, 63–65 (2020)。

08、冷冻电镜达到原子分辨率

Yip等人和Nakane等人报道了迄今为止使用单粒子冷冻电子显微镜(cryo-EM)的方法获得的最清晰图像,首次确定了蛋白质中单个原子的位置

结构生物学的一个基本原理是,一旦研究人员能够以足够的分辨率直接观察到大分子,就有可能理解其三维结构与生物功能之间的联系。在今年10月《自然》杂志同期发表的两项研究中,Yip等人和Nakane等人报道了迄今为止使用单粒子冷冻电子显微镜(cryo-EM)的方法获得的最清晰图像,首次确定了蛋白质中单个原子的位置。两个小组使用的硬件都经过改良,突破了以往cryo-EM成像在分辨率上的限制。随着这些技术的发展,cryo-EM图像信噪比的提高将扩展冷冻电镜技术的适用性。也许这些技术的融合将使cryo-EM的结构测定达到甚至超越1埃(0.1纳米)的分辨率——这在过去几乎是不可能实现的成就。

原始论文:Nature 587, 157–161 (2020);Nature 587, 152–156 (2020)。

09、干扰素缺乏可导致新冠重症

在9月在线发表于《科学》的两篇论文中,Zhang等人和Bastard等人阐明了影响感染新冠病毒后是否发展为重症的一个关键因素——干扰素尤其是I型干扰素(IFN-I)的缺乏。这种缺乏可能由不同原因导致,比如编码关键抗病毒信号分子的基因发生遗传突变,或由于抗体与I型干扰素结合并使其“中和”。I型干扰素缺乏如何导致危及生命的重症COVID-19?最直接的解释是这种缺乏导致病毒不受控制地复制和传播。另一方面,I型干扰素缺乏也可能对免疫系统功能有其他影响。IFN-I诱导通路基因突变的个体将从提供干扰素的治疗中受益。此外,那些对IFN-α和IFN-ω具有中和性抗体的人也可能受益于治疗中提供的其他类型的干扰素,如IFN-β和IFN-λ。

原始论文:Science 370, eabd4570 (2020);Science 370, eabd4585 (2020)。

10、 压力为何会使头发变白?

这是《自然》杂志“新闻与观点”栏目在2020年读者浏览最多的一项研究报道。目前对压力对头发变白的相对作用尚不完全清楚。头发的颜色由黑素细胞决定,这些细胞来自于毛囊凸起部分的黑色素干细胞(MeSCs)。这篇发表于1月《自然》杂志的论文是哈佛大学许雅捷团队的成果,第一作者是张兵博士。研究报告称,在压力引起的“战斗或逃跑”反应中,交感神经系统的神经元会释放出神经递质分子去甲肾上腺素;在极端应激或高水平去甲肾上腺素暴露下,黑色素干细胞的增殖分化显著增加,导致黑色素细胞大量迁移,远离毛囊隆突区,但由于没有替代的干细胞,便导致头发变白。这项研究将有助于了解压力如何影响其他的干细胞,也为寻找阻止和逆转压力的方法提供了线索。

原始论文:Nature 577, 676-681(2020)。

《Science》:2020年十大科学突破

当地时间12月17日,美国《科学》杂志公布了其评选出的2020年十大科学突破,其中,新冠疫苗的研发居于榜首,另外9项研究则囊括艾滋病、室温超导、CRISPR治疗遗传性疾病、全球变暖等多个领域。

《科学》杂志在文章中表示,尽管2020年全球多国饱受新冠肺炎疫情重创,但科学家们仍竭尽所能开展研究,而这些研究成果,正是疫情中绽放出的希望之光,将指引着他们未来做出更大贡献。

无与伦比的一年 图源science

01、新冠疫苗点亮希望之光

图片说明:疫苗为人类带来希望之光。

2019年末发现的新型冠状病毒以惊人的速度席卷全球。当全世界陷入恐慌之时,1月12日,中国科学家向世界公布了新冠病毒的基因组,为全世界科学家寻找应对和治愈新冠肺炎疫情奠定了基础,研制新冠疫苗的工作也拉开了序幕!

此后,多名科学家纷纷投身于新冠肺炎疫苗的研制工作!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,有些疫苗已经公布了三期临床试验的结果。此外,今年与新冠病毒相关的研究论文激增。截至12月中旬,在同行评审期刊上发表的论文超过20万篇,而在非同行评审期刊上发表的文章更多。

全球各国仍在为遏制新冠肺炎疫情而努力,超160万条鲜活生命的离开也凸显了人类的脆弱性。同时也警醒我们,只有齐心协力,科学才能够发挥出最大作用。

英国惠康基金会主席、前牛津大学热带病学教授杰里米法拉说:“我希望人类在凝视深渊后会变得更加聪明,意识到人类是多么的脆弱,这也将激励整整一代人投身科学事业。”

02、CRISPR首次成功治愈两种遗传性血液病

图片说明:CRISPR技术打败了镰状血细胞。

2012年,颠覆性的基因编辑工具CRISPR横空出世,它赋予研究人员编辑农作物和动物的强大力量,为科学研究和生物医学领域带来新一轮革命,成为《科学》杂志2015年十大科学突破之一,并摘得今年诺贝尔化学奖的桂冠。

今年,这一“基因魔剪”再次向世界展示了其“魔力”:首次成功治愈β地中海贫血和镰刀型细胞贫血症这两种遗传性血液病。

为治疗三名镰状细胞病患者,研究人员从每名病人身上采集了不成熟的血细胞——血干细胞,然后用CRISPR靶向沉默一个“关闭”开关——这个开关在成人体内会停止胎儿形态血红蛋白的产生,而这种血红蛋白可对抗镰状突变的影响。在病人接受化疗清除病血干细胞后,经过CRISPR处理过的细胞被重新注入患者体内。

开展试验的两家公司12月报告称,这些患者17个月前接受治疗,现在正产生大量胎儿血红蛋白。此外,这些公司为7名正常输血治疗β地中海贫血的患者提供这种治疗后,这些病患就不需要输血了。

研究人员指出,这种新疗法可与向干细胞中添加血红蛋白DNA治疗这两种疾病的基因疗法相媲美。

03、科学家反对种族偏见 支持多样性

今年5、6月份,反对种族偏见的抗议在美国愈演愈烈,不仅普通民众,就连科研人员也参与其中。今年6月10日,全球有5000多名科学家罢工,声援在美国发生的Black Lives Matter(BLM)抗议活动。两家著名学术期刊《科学》和《自然》与他们一起停止营运。

04、全球变暖趋势日益明晰

图片说明:全球变暖途径日益清晰。

40多年前,全球顶尖气候科学家齐聚美国马萨诸塞州,试图厘清一个简单的问题:如果人类继续排放温室气体,地球会变得多热?最基本的气候模型显示,如果大气中的二氧化碳含量比工业化前翻一番,地球最终将变暖1.5到4.5摄氏度。

今年,来自世界气候研究计划署的25名科学家将气候敏感区间缩小到2.6到3.9摄氏度之间。这项研究排除了一些最坏的情况,但它几乎确认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。

研究人员期待这些清晰的前景激发我们的行动!大气中的二氧化碳含量已达到百万分之420,离560 ppm的翻番点已过半。因此,除非我们在气候变化问题上采取更积极行动,否则人类可能在2060年达到这一阈值。

05、发现快速射电暴来源械

图片说明:磁星是中子星,其磁场强度是地球磁铁的1亿倍。

快速射电暴(FRB)是来自遥远星系的短而强的无线电波闪烁,其究竟“乡关何处”?13年来这一问题吸引了无数天文学家“竞折腰”。

今年11月,中外科学家刊文称,他们结合多个卫星及地面望远镜获得数据认为,银河系内的一颗磁星SGR 1935+2154是今年观测到的一个快速射电暴的起源。这是人类首次确定一个快速射电暴的起源,也是首次在银河系内观测到快速射电暴。

尽管研究快速射电暴的天文学家相信他们终于找到了一名“肇事者”,但他们仍然不清楚磁星是如何产生快速射电暴。研究人员认为,它们可能来自磁星表面附近,因为磁场线断裂并重新连接。或者它们可能来自更远的地方,因为冲击波撞击进入带电粒子云内,产生了类似激光的无线脉冲。具体是哪种情况?我们目前只能拭目以待。

06、世界上最古老的狩猎场景面世

图片说明:世界上最古老的狩猎场景面世。

去年12月,澳大利亚科学家报告了一幅在印度尼西亚发现的洞穴艺术画作,这幅作品描绘了一些类人形象狩猎猪和水牛的画面。研究人员使用铀系法,为这幅4.5米宽的岩石艺术作品进行了测年,结果发现其至少可追溯至4.4万年以前,是迄今已知的最早狩猎场景。

研究人员认为,画中出现半兽人可能表明,印度尼西亚的洞穴艺术早在人类首次在欧洲进行艺术创作之前,就表现了关于人与动物联系的宗教式思考。

07、AI首次精准预测蛋白质三维结构

图片说明:人工智能首次精准预测蛋白质三维结构

50年来,科学家们一直致力于解决生物学领域最大的挑战之一:预测一系列氨基酸在“变身”为工作蛋白质时会折叠成何种精确三维形状。今年,他们实现了这个目标。

12月1日,谷歌旗下的“Deepmind”公司宣布,其新一代AlphaFold人工智能系统在国际蛋白质结构预测竞赛(CASP)上击败了其余参会选手,精确预测了蛋白质的三维结构,准确性可与冷冻电子显微镜(cryo-EM)、X 射线晶体学等实验技术相媲美。

研究人员指出,鉴于蛋白质的精确形状决定了它的生化功能,这一新进展可以帮助研究人员发现疾病的发病原理,开发新药,甚至创造出耐旱植物和更便宜的生物燃料。

08、“精英控制员”控制艾滋病病毒

图片说明:HIV将自己寄生在宿主的DNA内。

与所有逆转录病毒一样,艾滋病病毒(HIV)会将其遗传物质整合到人类染色体内,在那里创造出“储存库”,免疫系统无法检测到,抗逆转录病毒药物也无能为力。

尽管如此,HIV藏身于何处会产生不一样的结果。今年,一项针对64名HIV精英控制者进行的研究表明,在没有使用抗逆转录病毒药物的情况下,他们体内的病毒载量仍然非常低,这揭示了病毒在整合到基因组中位置的重要性。

研究人员称,虽然对这些“精英控制者”的新认知不会直接导致治愈艾滋病,但它开启了一种新策略,可以让其他感染者在没有治疗的情况下活几十年。

09、首个室温超导体面世

图片说明:科学家在一种氢、硫和碳混合物上观察到室温超导性。

自1911年超导首次发现以来,寻找能在室温条件下达到的超导体一直是众多科学家竞相追求的目标。

此前研究表明,富氢材料在高压下可以将超导温度提高至零下2摄氏度左右。此次,美国科学家在最新研究中将可以实现零电阻的温度提高到了15摄氏度,但这是在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。这一发现促进了室温超导体的研究工作——这类材料可以带来重大技术变革并节约大量能源。

10、鸟类的聪明程度超出人们的想象

图片说明:鸟类的聪明程度超出人们的想象。

今年发表的两项研究表明,鸟类的聪明程度超出我们的想象。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——人类智力的来源。另一项研究表明,小嘴乌鸦的意识比研究人员想象得还要高,而且其或许能有意识地进行思考。

这种“感觉意识”是人类所自我意识的一种基本形式,它在鸟类和哺乳动物中的存在向研究人员表明,某种形式的意识可以追溯到3.2亿年前,可以追溯到我们最后的共同祖先。

今年全球各国人民一起经历了一场大疫情,正如加缪在其名著《鼠疫》中写到的:“没有真知灼见就不会有真正的善和高尚的爱”,而科学正是获得真知灼见的钥匙,也是人类打败疫情的希望。