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《科學》公布2016十大進展

引力波,比鄰星,人工智能,人工蛋白,試管嬰兒,納米孔基因測序,超透鏡,

每年12月,《科學》雜志(英文報道原文)都會公布年度突破及入圍成果。以下為今年的10大突破和贏家,排名不分先后。

1.時空漣漪撼動科學界

今年發現時空漣漪(即引力波)撼動了科學界。它完成了阿爾伯特·愛因斯坦在100年前完成的一項預測,為40年來尋找這種無窮小的漣漪畫上了句號。但這個故事并未結束,科學家將此次發現看作是一個新領域的誕生:引力波天文學。

1915年,愛因斯坦解釋引力的產生是因為大質量天體使時間和空間(或時空)產生扭曲,導致自由落體物體遵循曲線路徑,如投球的弧度或是一顆星圍繞其恒星的橢圓軌道。愛因斯坦隨后計算,一個杠鈴形狀的質量分布會像一個接力棒那樣首尾相連地旋轉,并會在時空中產生以光速迅速前進的波紋。2月11日,在激光干涉引力波天文臺(LIGO,位于美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的雙胞胎觀測臺)工作的物理學家宣布,他們已經觀察到了愛因斯坦預測的現象:距地球13億光年的兩個黑洞合并時產生的一系列波紋。

此次勝利來之不易。愛因斯坦本人也曾就引力波是否存在猶豫了數十年。每個LIGO干涉儀都有兩個4公里長的手臂,在其末端分別裝著鏡子,它們位于巨大的真空室內。通過在鏡子之間反彈激光,物理學家能夠將手臂的長度與一個光子直徑的萬分之一作對比。經過的引力波會通過不同的數量拉伸手臂,這正是LIGO發現的。首個信號和計算機模型的密切配合史無前例地證明了愛因斯坦的引力論,即廣義相對論。

2.鄰居系外行星現行蹤

天文學家發現了距太陽系最近恒星——比鄰星的一顆小行星。這個新世界被認為是詳細研究太陽系系外行星的一個最佳機會,研究人員正在努力發現它的樣子。

比鄰星光線頻率的細微轉變揭示了這個被稱作比鄰星b的行星。監測這顆恒星的天文學家探測到它的光線以每11.2天的頻次周期性地增加和減少,這是由于光線的多普勒頻移造成的,因為看不見的行星在反復地將這顆恒星朝著遠離地球的方向拖拽。 目前,科學家只知道比鄰星b至少相當于1.3個地球,其軌道與其恒星非常接近——可能僅是日地距離的5%。但這并不意味著它非常熱,因為這顆恒星是光線較暗的紅矮星,天文學家認為其表面可能會足夠冷可使液體水存在。但其可居住性并不理想:比鄰星是一顆任性的恒星,可能會用過劇烈的太陽風、x光和紫外線轟炸這顆行星。

天文學家在觀測比鄰星b是否會通過比鄰星的前方。若如此,比鄰星亮度的下降可能會揭示這顆行星的半徑,從而了解其質量和密度,而經過其大氣層的恒星星光則可以告訴我們它是由什么構成的。但簡單的幾何學使這樣的“過渡”很難發生——僅有1.5%的幾率,到目前為止的探測仍未獲得結果。現在,科學家需要等待為未來10年設計的更好的空間和地面望遠鏡。

3、人工智能圍棋場顯身手

今年,人工智能(AI)經過了重要的里程碑,被稱為“阿爾法狗”(AlphaGo)的程序在5場比賽中擊敗了世界第二圍棋高手。這并非AI首次在游戲中戰勝人類。20年前,IBM的深藍計算機曾在圍棋游戲中擊敗Garry Kasparov,并在隨后一年的6場游戲中擊敗這位世界冠軍。但其類似之處也僅限于此。

圍棋的規則比象棋更加直接:你要做的是將同色棋子放在圍棋網上,通過圍繞對手的棋子占領地盤。但這種簡單性和開放性導致參與者需要考慮非常多的步驟,比已知宇宙中的原子更多。這使得像深藍一樣的AI采取方法擊敗圍棋選手時,需要依賴圍棋專家的手動編碼策略來評估每個可能的步驟。

與此相反,由谷歌公司位于倫敦的子機構深層思維設計的“阿爾法狗”研究了人類之間進行的千萬次圍棋游戲,并用那些落子步驟作為其學習算式的數據。然后“阿爾法狗”會自己再玩一次,或是玩一些略有不同的版本,利用一種叫作深度強化學習的策略對下棋戰略進行反復錘煉。最終的結果是AI不僅戰勝了蠻力計算,而且采用了一些類似人類直覺的東西。

4、殺死老細胞永葆年輕

價格高昂的整形外科不會停止你的衰老,膳食補充劑、睪丸素注射或是那些宣稱會讓你看起像21歲的抗皺霜都不會。但今年,研究人員證明了一種方法能夠延緩時間帶來的破壞,至少在大鼠中如此。當他們選擇性地清除掉破壞的細胞時,這些動物壽命會更長,而且變老后還會更加健康。

科學家靶向的這些衰弱細胞經歷了部分停工,即衰老,它們因此喪失了分化能力。研究人員認為細胞衰老能夠阻止致癌細胞生成腫瘤,但它也會加速衰老。隨著人們變老,越來越多的細胞會停止繁衍,從而奪去人們的組織替換死亡細胞或受傷細胞的能力。衰老細胞還會產生導致諸如異常細胞增長和發炎等問題。

首項研究表明,清除衰老細胞能夠帶來健康和長壽的益處,至少對于中年小鼠是這樣,相關成果于今年2月發表。這些動物的心臟和腎臟退化減緩,它們直到生命末期才出現腫瘤。一些與年齡相關的衰老,如記憶和肌肉協調性并未減輕。然而,這些嚙齒類動物的壽命比其未經治療的同類延長了20%。10月份,該團隊又瞄向了聚集在動脈斑塊免疫細胞中的衰老細胞,清除小鼠體內這些可能導致動脈粥樣硬化的細胞能使小鼠動脈中的脂肪堆積減少60%。

5、會“讀心”的類人猿

今年,大猩猩展示了讀心術,而這種能力過去據認為僅有人類掌握。這種被稱作“心智理論”的能力可以了解他人的欲望、意圖和知識。一些測試表明,人類的近親具有足夠的洞察力欺騙同類大猩猩或是了解其他同類的動機。但在此之前,它們一直未能勝任需要能力判斷其他人擁有錯誤信念的任務。

在經典的錯誤信念實驗中,一名兒童會看到有人在一個盒子中藏了一塊巧克力然后離開了屋子。然后另一人溜進來,在其他的地方藏了糖果。那么,第一個人會在哪里尋找目標呢?那些猜測“在第一個盒子里”的兒童會通過測試:通過被稱作讀心術的能力,他們意識到第一個人擁有錯誤信念。這種技能被認為對欺騙、憐憫、教化以及利用語言等非常重要。

今年,研究人員通過大猩猩、倭黑猩猩和猩猩等進行了另一個版本的實驗,這些靈長類動物觀看一個關于金剛的電影,內容是金剛從人那里偷了一塊巖石并將其藏在兩個箱子中的一個內。一個男人知道了,但當金剛威脅他的時候他跑開了。當他跑了以后,金剛也離開了這個石塊。問題是,當這名男性再次歸來時,他會在哪里找石頭?

研究人員利用紅外眼動技術觀察猩猩們的注意力聚焦在哪里。結果,幾乎所有猩猩全都注視著這名男性一開始錯誤地認為石塊隱藏的地方。不過,并非所有人都相信這一研究結果,但隨后的研究可能會不僅僅局限于大猩猩。眼睛跟蹤方法還可用于其他動物的面部。

6、計算軟件設計人工蛋白

蛋白質是生命的基礎。它們會加速重要的化學反應,讓肌肉用力,使細胞間和細胞內部交流,還可以防止細菌。考慮到蛋白質的這些特性,研究人員一直希望培育蛋白。他們已經通過對有機體DNA編碼進行小的改變,從而對很多現存蛋白質進行了修飾,今年,研究人員將蛋白質修飾提高到一個新水平:他們創建了一套不同于自然界發現的任何蛋白的設計蛋白,為新藥和新材料做好了鋪墊。

從頭設計新蛋白一直是一個“中或不中”的難以確定的事。編寫任何想要的DNA編碼都很容易,但研究人員并沒有辦法知道由這種DNA編碼的氨基酸新鏈條如何折疊成復雜的三維形狀。這是個問題,因為對于蛋白來說,形狀決定功能。然而,近期計算生物學家已經在設計計算機軟件方面做出了令人興奮的進展,它們可以準確地預測設計蛋白如何折疊。這些進展使今年的設計者蛋白成為可能。

今年2月,由華盛頓州的研究人員帶領的科研團隊用這種程序設計了潛在的具有普適性的流感疫苗,它能夠同時激發對所有流感病毒株的免疫防御。7月,由參與上述研究的很多研究人員在內的團隊創建了能夠自我組合為空籠的蛋白,未來某一天,它可能被填滿藥物或是DNA片段,用于治療一些疾病。另一個團隊利用類似的程序制作了三維可折疊RNA分子,它呈現了類似蛋白以及RNA蛋白復合物的折疊問題,打開了新研究的可能性。現在,研究人員希望利用這些技術創建從新生物感應器到去除大氣二氧化碳的新方法。

7、實驗室制出小鼠卵子

今年,日本研究人員用完全來自實驗室器皿中培育的卵細胞制作出了幼鼠,這項研究賦予“試管嬰兒”新的含義。這種長期以來追求的目標向研究人員提供了一種研究卵子發育的新方法,并提高了幾乎用任何種類的細胞在實驗室中制作人類卵子愿景的可能性,這些細胞包括那些經過遺傳改變的部分。這種可能性激發了不孕不育療法的新希望,但它也讓設計者嬰兒的恐懼重新出現。

2012年,同一批研究人員進行了第一步關鍵的實驗:他們利用干細胞制作受精卵細胞。然而,那種方法仍然需要未成熟卵子被植入活體小鼠體內,從而完成發育。今年,研究人員發現了在實驗室中制作卵子的一種方法。他們并不需要將未成熟的卵子植入小鼠體內,而是在采集自胎鼠卵巢的細胞簇內培育它們。該團隊隨后將這些實驗室生長的卵子與小鼠精子混合,并將其胚胎植入“養母”體內。其中,僅有3%的胚胎生長為完全的幼鼠,而這些幼鼠均成長為可孕育后代的健康成體。

如果科學家能夠利用人體干細胞進行類似的實驗,那么它將能發展為一些不孕不育女性的新療法。它甚至還能夠將獲取子男性體內的干細胞培育成卵子。

8、單次非洲移民潮讓人類走向全球

人種的故事是由流浪的癖好驅動的。現代智人出生于非洲,并在距今10萬年前擴散到地球上的偏遠角落,并與已經生活在那些地方的人種遇見、混雜。但研究人員一直以來都在爭論現代人究竟何時及如何離開非洲:是單一的移民潮,還是反復性的移民潮?

2016年,大量基因組數據表明大多數生活在非洲以外的人源于單次遷徙;此前任何遷徙行為均被最后一次大遷徙淹沒。在一系列三篇文章中,與土著居民合作的研究人員收集并分析了生活在世界各個偏遠角落的許多人的基因組信息,其中包括此前鮮有采集的澳大利亞、巴布新幾內亞和非洲的土著居民的樣本。他們跟蹤了記錄在這些DNA中的人類的古分支。

其中一項研究分析了來自澳大利亞的83個基因組,當地長期被認為是一個與眾不同的分批次到達地點。DNA分析表明,與此前的推測相反,澳大利亞最初僅在一次遷徙中被定居下來。此外,澳大利亞土著居民和歐亞大陸居民的祖先大約在相同的間從非洲分散開來,可能是在距今約7萬年前,這表明它們是早期人類在分開之前單獨一批走出非洲。另一項研究分析了來自142人的基因組,他們也報告了古人是一次性地走出非洲,隨后在距今約5萬年前分化為在不同地方的“非非洲人”,不過其確切時期并不明確。

第三項研究分析了來自125人的379個基因組,也報告了同樣的遷徙模式,僅有一處轉折:僅有月2%的巴布新幾內亞人的基因組可能源自更早走出非洲的一批人,距今或約10萬年前。

9、納米孔基因測序技術領風騷

今年,由于一種基因測序手持設備可廣泛獲取,基因測序正在成為生物學領域的一個普遍工具,在實驗室、野外均是如此。它已經產生了一系列研究論文。

這種設備利用一種叫作納米孔測序的突破性技術直接讀取DNA信息:當一系列DNA通過一個狹小的孔時,這些基質能夠通過一種獨特、可讀的方式改變離子電流。與傳統測序相比的優勢在于,這種納米孔測序儀的啟始成本價格相對較低,它在理論上能夠解譯長度無限的DNA;基因組不需要被切斷,這些序列最后可以通過計算機整合。而且因為它快速、便攜,該設備能夠在幾小時內測出序列,可被用于生物監控、臨床診斷以及區域疾病疫情調查等領域。

納米孔測序已經發展了數年,經過一年多的貝塔測試之后,英國牛津納米孔技術公司今年開始在市場上推動首批設備。目前,基于相關設備的30多篇論文已經被上傳到生物預印本網站bioRxiv上。

研究人員可在數小時內分辨出埃博拉病毒和其他病毒、對腸道內的微生物進行測序以及解析5300萬的玉米真菌蟲害基因組單位等,研究人員在12月初宣布,還用它對人類基因組進行了測序。國際空間站的宇航員甚至也用它對土壤中的微生物混合體進行了測序。長期從事這項工作的研究人員指出非常鮮少見到類似的進展發表于同行評議文章中,但一些人卻認為今年是測序技術的轉變之年,它讓那些從未想過自己可以進行基因研究的人產生了更多的遐想。

10、超透鏡帶來大前景

玻璃透鏡是人類最早期的高科技發明之一。它們讓伽利略能夠看得到木星的衛星,讓安東尼·凡·列文虎可觀察微生物,讓數以百萬計的人可以更清楚地看這個世界。但今天的透鏡還在以與幾個世紀之前同樣的粗糙方式在生產,通過打磨和拋光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不產生色差。現在,透鏡技術正在向前邁進一大步。今年,研究人員利用計算機芯片—模式技術制作了首批超級材料透鏡或超透鏡,它們能夠聚焦整個可見光光譜。因為超透鏡制造價格低廉,比紙更薄,而且比玻璃輕得多,它們將為從顯微鏡到虛擬設備、相機(包括你智能手機的相機鏡頭)等領域帶來一場革命。

超材料由一系列微小的柱狀、環狀及其他材料結構組成,它們可在光波通過時對其產生作用。近年來,研究人員已設計了基于超材料的“隱形盾”,它能讓光避開物體,此外還有濾光器和天線等。但超透鏡最早獲得的成功僅在紅外光以及其他較長的光波波段,這種模式技術對于從透明材料到可見光并不能發揮作用。

今年,研究人員弄清了如何用傳統的芯片—模式技術,即原子層沉積技術,精確地排列柱狀二氧化鈦陣列模式,這些柱狀物僅有600納米高,它們在可見光下是透明的,能聚焦并使物體放大170倍。研究團隊通過用超透鏡制作全息圖以及進行詳細的光譜學,驗證了它們的特性,為其他潛在的應用打開了路徑。

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責任編輯: 閆月

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