《Nature》：2020年10大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

 

在2020年即將結(jié)束之際，《自然》（Nature）雜志盤點了今年發(fā)表的科學(xué)新聞和研究觀點，從中選出了十項最為重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，既包括新冠病毒研究、壓力如何導(dǎo)致白發(fā)、HIV治療等醫(yī)學(xué)方面的研究，也有銀河系快速射電暴等天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，甚至有一項研究在古代陵墓中發(fā)現(xiàn)了亂倫的證據(jù)。

這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)涉及14篇研究論文，其中12篇發(fā)表于《自然》雜志，另兩篇發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志。

 

01、打破物質(zhì)-反物質(zhì)的鏡像對稱性

 

在T2K實驗中，位于日本神岡天文臺的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）

日本T2K中微子合作組織的研究發(fā)表于4月15日的《自然》雜志，報告了輕子破壞粒子-反粒子鏡像對稱（也稱為CP對稱）的可能發(fā)現(xiàn)。輕子的CP破缺難以觀測，卻可以利用中微子進行搜索。中微子有三種“味”，由它們所關(guān)聯(lián)的帶電輕子（電子、μ子或τ子）決定，并且可以在運動過程中從一種味轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N味。如果CP對稱守恒，μ中微子到電中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率將與反μ中微子到反電中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率相同。在T2K實驗中，位于日本神岡天文臺的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）。實驗測量了μ中微子到電中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率，結(jié)果在95%的置信水平上排除了CP守恒，這可能是宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性起源的最早標(biāo)志。

 

02、南極上空臭氧層修復(fù)使高速氣流停止漂移

20世紀(jì)80年代中期，科學(xué)家在南極上空發(fā)現(xiàn)了春季大氣臭氧層空洞，這揭示了人類制造的臭氧消耗物質(zhì)（ODSs）對大氣層的威脅。位于海拔10到20公里處的南極臭氧層空洞也影響了南半球大氣環(huán)流，進而影響地表的氣候。最明顯的一個趨勢是，夏季的高速氣流開始向極地移動。高速氣流是行星尺度的大氣環(huán)流現(xiàn)象，地球上有數(shù)條環(huán)繞的高速氣流帶。1987年的《蒙特利爾議定書》及其隨后的修正案禁止了臭氧消耗物質(zhì)的生產(chǎn)和使用。因此，大氣中臭氧消耗物質(zhì)濃度正在下降，臭氧層已經(jīng)出現(xiàn)初步的恢復(fù)跡象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧層開始恢復(fù)以來，空洞相關(guān)的環(huán)流效應(yīng)已經(jīng)停止。以前曾有人注意到這種環(huán)流效應(yīng)停止的趨勢，但Banerjee等人首次正式將其歸因于《蒙特利爾議定書》的影響。

 

03、史前愛爾蘭貴族墓葬遺址發(fā)現(xiàn)亂倫證據(jù)

 

紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由復(fù)雜的工程技術(shù)建造而成

愛爾蘭都柏林三一學(xué)院的Cassidy等人研究了農(nóng)耕社會的社會結(jié)構(gòu)，重點研究了被埋葬在石隧墓（歐洲的一種通道式巨石墓葬建筑）中的古代貴族。紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由復(fù)雜的工程技術(shù)建造而成，墓室在一條很長的石砌通道的盡頭。在陵墓入口上方有一個像窗一樣的開口，在一年中白天最短的那天（冬至），這個開口可以讓陽光照進墓室。研究人員對墓中發(fā)現(xiàn)的古代人類遺骸進行了DNA分析，揭示了一場罕見且出人意料的亂倫事件。大約5000年前埋葬在紐格蘭奇墓室的一名男子是一樁亂倫婚姻的后代：他的父母要么是兄弟姐妹，要么是父母與子女。這一發(fā)現(xiàn)讓研究小組推測，與這座宏偉陵墓有關(guān)的貴族們可能是通過亂倫來維持其血統(tǒng)。

 

04、衛(wèi)星圖像繪制地球樹木地圖

Brandt等人的論文報道了他們對覆蓋西非西撒哈拉和薩赫勒地區(qū)超過130多萬平方公里的高分辨率衛(wèi)星圖像的分析結(jié)果，他們繪制了大約18億棵樹木的位置和大小。在此之前，科學(xué)家還從未在如此大的區(qū)域內(nèi)繪制出如此精細(xì)的樹木地圖。商業(yè)衛(wèi)星已經(jīng)開始收集數(shù)據(jù)，能夠捕捉到大小在1平方米或以下的地面物體。陸地遙感領(lǐng)域因此即將迎來根本性的飛躍：從側(cè)重于綜合景觀尺度的測量，到有可能在大范圍或全球尺度上繪制每棵樹的位置和樹冠大小。這一進展無疑也將根本性地改變我們思考、監(jiān)測、模擬和管理全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式。

 

05、殺死潛伏的HIV病毒

導(dǎo)致艾滋病的HIV病毒可以長期“潛伏”在宿主細(xì)胞中，幾乎不進行轉(zhuǎn)錄，因此不會被免疫系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。在《自然》雜志1月同期發(fā)表的兩項研究中，報道了被稱為“激活并殺死”（Shock and kill）的治療策略，旨在扭轉(zhuǎn)這種潛伏期，通過增加病毒基因的表達(dá)（激活），使被感染細(xì)胞更容易被免疫系統(tǒng)消滅（殺死）。兩組研究人員都描述了在動物模型中的干預(yù)措施，這可能是迄今為止報道的最有效的激活手段，而且是可重復(fù)的。Nixon及其同事使用了一種名為AZD5582的藥物，用于激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB——HIV-1基因表達(dá)的主要刺激因子。McBrien等人則將兩種免疫干預(yù)措施結(jié)合起來，先通過抗體療法耗竭CD8+ T細(xì)胞（降低病毒轉(zhuǎn)錄水平的免疫細(xì)胞），再進行N-803藥物治療，該藥物可激活HIV-1的轉(zhuǎn)錄。除了這些進展，這兩項研究還展示了用藥物逆轉(zhuǎn)病毒潛伏相關(guān)的概念和技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

06、基因編輯破解挑食之謎

 

一種學(xué)名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食，是什么讓這個物種如此挑食？

一種學(xué)名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食。與其他喜歡各種水果的果蠅相比，是什么讓這個物種如此挑食？Auer等人利用基因組編輯工具CRISPR-Cas9破解了這個謎題。他們發(fā)現(xiàn)，相比其他果蠅，D。sechellia體內(nèi)表達(dá)氣味受體22a蛋白（Or22a）的感覺神經(jīng)元格外豐富，而Or22a氨基酸序列的微小變化正是果蠅D。sechellia偏愛諾麗果的關(guān)鍵原因。他們還發(fā)現(xiàn)了其他幾種可能導(dǎo)致這種簡單行為轉(zhuǎn)變的演化改變。即使是喜歡臭水果的小小果蠅，也能有力地揭示大腦如何演化出復(fù)雜的行為。

 

07、銀河系中的快速射電暴

發(fā)表在11月《自然》雜志上的三篇論文報道了對一個快速射電暴（FRB）現(xiàn)象的探測，顯示其來源位于銀河系內(nèi)。有趣的是，快速射電暴伴隨著X射線的爆發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)是通過綜合了多臺太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果得出的。顧名思義，“快速射電暴”是指一種瞬態(tài)的無線電波明亮脈沖，爆發(fā)持續(xù)時間約為毫秒級。研究者于2007年首次發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，由于存在時間很短，使得探測它們并確定其在天空中的位置變得異常困難。這是第一個被探測到具有除無線電波外輻射的快速射電暴，也是該現(xiàn)象在銀河系內(nèi)的首次發(fā)現(xiàn)。這三項觀測也首次證實了磁星是快速射電暴的來源之一，這是目前唯一被觀測驗證的可產(chǎn)生快速射電暴的天體。值得一提的是，其中一篇論文來自中國的研究團隊，第一作者為北京師范大學(xué)的林琳博士，觀測結(jié)果則是來自中國“天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。

 

08、冷凍電鏡達(dá)到原子分辨率

 

Yip等人和Nakane等人報道了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰圖像，首次確定了蛋白質(zhì)中單個原子的位置

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一個基本原理是，一旦研究人員能夠以足夠的分辨率直接觀察到大分子，就有可能理解其三維結(jié)構(gòu)與生物功能之間的聯(lián)系。在今年10月《自然》雜志同期發(fā)表的兩項研究中，Yip等人和Nakane等人報道了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰圖像，首次確定了蛋白質(zhì)中單個原子的位置。兩個小組使用的硬件都經(jīng)過改良，突破了以往cryo-EM成像在分辨率上的限制。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，cryo-EM圖像信噪比的提高將擴展冷凍電鏡技術(shù)的適用性。也許這些技術(shù)的融合將使cryo-EM的結(jié)構(gòu)測定達(dá)到甚至超越1埃（0.1納米）的分辨率——這在過去幾乎是不可能實現(xiàn)的成就。

 

09、干擾素缺乏可導(dǎo)致新冠重癥

在9月在線發(fā)表于《科學(xué)》的兩篇論文中，Zhang等人和Bastard等人闡明了影響感染新冠病毒后是否發(fā)展為重癥的一個關(guān)鍵因素——干擾素尤其是I型干擾素（IFN-I）的缺乏。這種缺乏可能由不同原因?qū)е?，比如編碼關(guān)鍵抗病毒信號分子的基因發(fā)生遺傳突變，或由于抗體與I型干擾素結(jié)合并使其“中和”。I型干擾素缺乏如何導(dǎo)致危及生命的重癥COVID-19？最直接的解釋是這種缺乏導(dǎo)致病毒不受控制地復(fù)制和傳播。另一方面，I型干擾素缺乏也可能對免疫系統(tǒng)功能有其他影響。IFN-I誘導(dǎo)通路基因突變的個體將從提供干擾素的治療中受益。此外，那些對IFN-α和IFN-ω具有中和性抗體的人也可能受益于治療中提供的其他類型的干擾素，如IFN-β和IFN-λ。

 

10、 壓力為何會使頭發(fā)變白？

這是《自然》雜志“新聞與觀點”欄目在2020年讀者瀏覽最多的一項研究報道。目前對壓力對頭發(fā)變白的相對作用尚不完全清楚。頭發(fā)的顏色由黑素細(xì)胞決定，這些細(xì)胞來自于毛囊凸起部分的黑色素干細(xì)胞（MeSCs）。這篇發(fā)表于1月《自然》雜志的論文是哈佛大學(xué)許雅捷團隊的成果，第一作者是張兵博士。研究報告稱，在壓力引起的“戰(zhàn)斗或逃跑”反應(yīng)中，交感神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元會釋放出神經(jīng)遞質(zhì)分子去甲腎上腺素；在極端應(yīng)激或高水平去甲腎上腺素暴露下，黑色素干細(xì)胞的增殖分化顯著增加，導(dǎo)致黑色素細(xì)胞大量遷移，遠(yuǎn)離毛囊隆突區(qū)，但由于沒有替代的干細(xì)胞，便導(dǎo)致頭發(fā)變白。這項研究將有助于了解壓力如何影響其他的干細(xì)胞，也為尋找阻止和逆轉(zhuǎn)壓力的方法提供了線索。

《Science》：2020年十大科學(xué)突破

當(dāng)?shù)貢r間12月17日，美國《科學(xué)》雜志公布了其評選出的2020年十大科學(xué)突破，其中，新冠疫苗的研發(fā)居于榜首，另外9項研究則囊括艾滋病、室溫超導(dǎo)、CRISPR治療遺傳性疾病、全球變暖等多個領(lǐng)域。

 

《科學(xué)》雜志在文章中表示，盡管2020年全球多國飽受新冠肺炎疫情重創(chuàng)，但科學(xué)家們?nèi)越弑M所能開展研究，而這些研究成果，正是疫情中綻放出的希望之光，將指引著他們未來做出更大貢獻(xiàn)。

 

無與倫比的一年  圖源science

01、新冠疫苗點亮希望之光

 

圖片說明：疫苗為人類帶來希望之光。

2019年末發(fā)現(xiàn)的新型冠狀病毒以驚人的速度席卷全球。當(dāng)全世界陷入恐慌之時，1月12日，中國科學(xué)家向世界公布了新冠病毒的基因組，為全世界科學(xué)家尋找應(yīng)對和治愈新冠肺炎疫情奠定了基礎(chǔ)，研制新冠疫苗的工作也拉開了序幕！　

 

此后，多名科學(xué)家紛紛投身于新冠肺炎疫苗的研制工作！截至12月10日，全球有162種候選疫苗正處于研發(fā)階段，其中52種候選疫苗已經(jīng)進行臨床試驗，有些疫苗已經(jīng)公布了三期臨床試驗的結(jié)果。此外，今年與新冠病毒相關(guān)的研究論文激增。截至12月中旬，在同行評審期刊上發(fā)表的論文超過20萬篇，而在非同行評審期刊上發(fā)表的文章更多。

全球各國仍在為遏制新冠肺炎疫情而努力，超160萬條鮮活生命的離開也凸顯了人類的脆弱性。同時也警醒我們，只有齊心協(xié)力，科學(xué)才能夠發(fā)揮出最大作用?！　?/span>

英國惠康基金會主席、前牛津大學(xué)熱帶病學(xué)教授杰里米法拉說：“我希望人類在凝視深淵后會變得更加聰明，意識到人類是多么的脆弱，這也將激勵整整一代人投身科學(xué)事業(yè)。”

 

02、CRISPR首次成功治愈兩種遺傳性血液病

 

圖片說明：CRISPR技術(shù)打敗了鐮狀血細(xì)胞。

2012年，顛覆性的基因編輯工具CRISPR橫空出世，它賦予研究人員編輯農(nóng)作物和動物的強大力量，為科學(xué)研究和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來新一輪革命，成為《科學(xué)》雜志2015年十大科學(xué)突破之一，并摘得今年諾貝爾化學(xué)獎的桂冠?！　?/span>

今年，這一“基因魔剪”再次向世界展示了其“魔力”：首次成功治愈β地中海貧血和鐮刀型細(xì)胞貧血癥這兩種遺傳性血液病?！　?/span>

為治療三名鐮狀細(xì)胞病患者，研究人員從每名病人身上采集了不成熟的血細(xì)胞——血干細(xì)胞，然后用CRISPR靶向沉默一個“關(guān)閉”開關(guān)——這個開關(guān)在成人體內(nèi)會停止胎兒形態(tài)血紅蛋白的產(chǎn)生，而這種血紅蛋白可對抗鐮狀突變的影響。在病人接受化療清除病血干細(xì)胞后，經(jīng)過CRISPR處理過的細(xì)胞被重新注入患者體內(nèi)?！　?/span>

開展試驗的兩家公司12月報告稱，這些患者17個月前接受治療，現(xiàn)在正產(chǎn)生大量胎兒血紅蛋白。此外，這些公司為7名正常輸血治療β地中海貧血的患者提供這種治療后，這些病患就不需要輸血了?！　?/span>

研究人員指出，這種新療法可與向干細(xì)胞中添加血紅蛋白DNA治療這兩種疾病的基因療法相媲美。

 

03、科學(xué)家反對種族偏見 支持多樣性

 

今年5、6月份，反對種族偏見的抗議在美國愈演愈烈，不僅普通民眾，就連科研人員也參與其中。今年6月10日，全球有5000多名科學(xué)家罷工，聲援在美國發(fā)生的Black Lives Matter（BLM）抗議活動。兩家著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》和《自然》與他們一起停止?fàn)I運。

 

04、全球變暖趨勢日益明晰

 

圖片說明：全球變暖途徑日益清晰。　

40多年前，全球頂尖氣候科學(xué)家齊聚美國馬薩諸塞州，試圖厘清一個簡單的問題：如果人類繼續(xù)排放溫室氣體，地球會變得多熱？最基本的氣候模型顯示，如果大氣中的二氧化碳含量比工業(yè)化前翻一番，地球最終將變暖1.5到4.5攝氏度?！　?/span>

今年，來自世界氣候研究計劃署的25名科學(xué)家將氣候敏感區(qū)間縮小到2.6到3.9攝氏度之間。這項研究排除了一些最壞的情況，但它幾乎確認(rèn)氣候變暖會淹沒沿海城市、加劇極端熱浪、使數(shù)百萬人流離失所?！　?/span>

研究人員期待這些清晰的前景激發(fā)我們的行動！大氣中的二氧化碳含量已達(dá)到百萬分之420，離560 ppm的翻番點已過半。因此，除非我們在氣候變化問題上采取更積極行動，否則人類可能在2060年達(dá)到這一閾值。

 

05、發(fā)現(xiàn)快速射電暴來源械

 

圖片說明：磁星是中子星，其磁場強度是地球磁鐵的1億倍?！　?/span>

快速射電暴（FRB）是來自遙遠(yuǎn)星系的短而強的無線電波閃爍，其究竟“鄉(xiāng)關(guān)何處”？13年來這一問題吸引了無數(shù)天文學(xué)家“競折腰”?！　?/span>

今年11月，中外科學(xué)家刊文稱，他們結(jié)合多個衛(wèi)星及地面望遠(yuǎn)鏡獲得數(shù)據(jù)認(rèn)為，銀河系內(nèi)的一顆磁星SGR 1935+2154是今年觀測到的一個快速射電暴的起源。這是人類首次確定一個快速射電暴的起源，也是首次在銀河系內(nèi)觀測到快速射電暴?！　?/span>

盡管研究快速射電暴的天文學(xué)家相信他們終于找到了一名“肇事者”，但他們?nèi)匀徊磺宄判鞘侨绾萎a(chǎn)生快速射電暴。研究人員認(rèn)為，它們可能來自磁星表面附近，因為磁場線斷裂并重新連接?；蛘咚鼈兛赡軄碜愿h(yuǎn)的地方，因為沖擊波撞擊進入帶電粒子云內(nèi)，產(chǎn)生了類似激光的無線脈沖。具體是哪種情況？我們目前只能拭目以待。　　

 

06、世界上最古老的狩獵場景面世

 

圖片說明：世界上最古老的狩獵場景面世。

去年12月，澳大利亞科學(xué)家報告了一幅在印度尼西亞發(fā)現(xiàn)的洞穴藝術(shù)畫作，這幅作品描繪了一些類人形象狩獵豬和水牛的畫面。研究人員使用鈾系法，為這幅4.5米寬的巖石藝術(shù)作品進行了測年，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其至少可追溯至4.4萬年以前，是迄今已知的最早狩獵場景?！　?/span>

研究人員認(rèn)為，畫中出現(xiàn)半獸人可能表明，印度尼西亞的洞穴藝術(shù)早在人類首次在歐洲進行藝術(shù)創(chuàng)作之前，就表現(xiàn)了關(guān)于人與動物聯(lián)系的宗教式思考。

　　

07、AI首次精準(zhǔn)預(yù)測蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)

 

圖片說明：人工智能首次精準(zhǔn)預(yù)測蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)　　

50年來，科學(xué)家們一直致力于解決生物學(xué)領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一：預(yù)測一系列氨基酸在“變身”為工作蛋白質(zhì)時會折疊成何種精確三維形狀。今年，他們實現(xiàn)了這個目標(biāo)?！　?/span>

12月1日，谷歌旗下的“Deepmind”公司宣布，其新一代AlphaFold人工智能系統(tǒng)在國際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測競賽（CASP）上擊敗了其余參會選手，精確預(yù)測了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確性可與冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）、X 射線晶體學(xué)等實驗技術(shù)相媲美?！　?/span>

 

研究人員指出，鑒于蛋白質(zhì)的精確形狀決定了它的生化功能，這一新進展可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)疾病的發(fā)病原理，開發(fā)新藥，甚至創(chuàng)造出耐旱植物和更便宜的生物燃料。

 

08、“精英控制員”控制艾滋病病毒

 

圖片說明：HIV將自己寄生在宿主的DNA內(nèi)?！　?/span>

與所有逆轉(zhuǎn)錄病毒一樣，艾滋病病毒（HIV）會將其遺傳物質(zhì)整合到人類染色體內(nèi)，在那里創(chuàng)造出“儲存庫”，免疫系統(tǒng)無法檢測到，抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物也無能為力?！　?/span>

盡管如此，HIV藏身于何處會產(chǎn)生不一樣的結(jié)果。今年，一項針對64名HIV精英控制者進行的研究表明，在沒有使用抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物的情況下，他們體內(nèi)的病毒載量仍然非常低，這揭示了病毒在整合到基因組中位置的重要性?！　?/span>

研究人員稱，雖然對這些“精英控制者”的新認(rèn)知不會直接導(dǎo)致治愈艾滋病，但它開啟了一種新策略，可以讓其他感染者在沒有治療的情況下活幾十年。

 

09、首個室溫超導(dǎo)體面世

 

圖片說明：科學(xué)家在一種氫、硫和碳混合物上觀察到室溫超導(dǎo)性。　

自1911年超導(dǎo)首次發(fā)現(xiàn)以來，尋找能在室溫條件下達(dá)到的超導(dǎo)體一直是眾多科學(xué)家競相追求的目標(biāo)?！　?/span>

此前研究表明，富氫材料在高壓下可以將超導(dǎo)溫度提高至零下2攝氏度左右。此次，美國科學(xué)家在最新研究中將可以實現(xiàn)零電阻的溫度提高到了15攝氏度，但這是在2670億帕斯卡壓力下的一個光化學(xué)合成三元含碳硫化氫系統(tǒng)中實現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)促進了室溫超導(dǎo)體的研究工作——這類材料可以帶來重大技術(shù)變革并節(jié)約大量能源。

 

10、鳥類的聰明程度超出人們的想象

 

圖片說明：鳥類的聰明程度超出人們的想象。　　

今年發(fā)表的兩項研究表明，鳥類的聰明程度超出我們的想象。其中一項研究表明，鳥類大腦的一部分類似于人類的大腦皮層——人類智力的來源。另一項研究表明，小嘴烏鴉的意識比研究人員想象得還要高，而且其或許能有意識地進行思考?！　?/span>

這種“感覺意識”是人類所自我意識的一種基本形式，它在鳥類和哺乳動物中的存在向研究人員表明，某種形式的意識可以追溯到3.2億年前，可以追溯到我們最后的共同祖先?！　?/span>

今年全球各國人民一起經(jīng)歷了一場大疫情，正如加繆在其名著《鼠疫》中寫到的：“沒有真知灼見就不會有真正的善和高尚的愛”，而科學(xué)正是獲得真知灼見的鑰匙，也是人類打敗疫情的希望。