《科学》公布2016十大进展

每年12月,《科学》杂志都会公布年度突破及入围成果。以下为今年的10大突破和赢家,排名不分先后。

1.时空涟漪撼动科学界

今年发现时空涟漪(即引力波)撼动了科学界。它完成了阿尔伯特·爱因斯坦在100年前完成的一项预测,为40年来寻找这种无穷小的涟漪画上了句号。但这个故事并未结束,科学家将此次发现看作是一个新领域的诞生:引力波天文学。

1915年,爱因斯坦解释引力的产生是因为大质量天体使时间和空间(或时空)产生扭曲,导致自由落体物体遵循曲线路径,如投球的弧度或是一颗星围绕其恒星的椭圆轨道。爱因斯坦随后计算,一个杠铃形状的质量分布会像一个接力棒那样首尾相连地旋转,并会在时空中产生以光速迅速前进的波纹。2月11日,在激光干涉引力波天文台(LIGO,位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双胞胎观测台)工作的物理学家宣布,他们已经观察到了爱因斯坦预测的现象:距地球13亿光年的两个黑洞合并时产生的一系列波纹。

此次胜利来之不易。爱因斯坦本人也曾就引力波是否存在犹豫了数十年。每个LIGO干涉仪都有两个4公里长的手臂,在其末端分别装着镜子,它们位于巨大的真空室内。通过在镜子之间反弹激光,物理学家能够将手臂的长度与一个光子直径的万分之一作对比。经过的引力波会通过不同的数量拉伸手臂,这正是LIGO发现的。首个信号和计算机模型的密切配合史无前例地证明了爱因斯坦的引力论,即广义相对论。

2.邻居系外行星现行踪

天文学家发现了距太阳系最近恒星——比邻星的一颗小行星。这个新世界被认为是详细研究太阳系系外行星的一个最佳机会,研究人员正在努力发现它的样子。

比邻星光线频率的细微转变揭示了这个被称作比邻星b的行星。监测这颗恒星的天文学家探测到它的光线以每11.2天的频次周期性地增加和减少,这是由于光线的多普勒频移造成的,因为看不见的行星在反复地将这颗恒星朝着远离地球的方向拖拽。

目前,科学家只知道比邻星b至少相当于1.3个地球,其轨道与其恒星非常接近——可能仅是日地距离的5%。但这并不意味着它非常热,因为这颗恒星是光线较暗的红矮星,天文学家认为其表面可能会足够冷可使液体水存在。但其可居住性并不理想:比邻星是一颗任性的恒星,可能会用过剧烈的太阳风、x光和紫外线轰炸这颗行星。

天文学家在观测比邻星b是否会通过比邻星的前方。若如此,比邻星亮度的下降可能会揭示这颗行星的半径,从而了解其质量和密度,而经过其大气层的恒星星光则可以告诉我们它是由什么构成的。但简单的几何学使这样的“过渡”很难发生——仅有1.5%的几率,到目前为止的探测仍未获得结果。现在,科学家需要等待为未来10年设计的更好的空间和地面望远镜。

3、人工智能围棋场显身手

今年,人工智能(AI)经过了重要的里程碑,被称为“阿尔法狗”(AlphaGo)的程序在5场比赛中击败了世界第二围棋高手。这并非AI首次在游戏中战胜人类。20年前,IBM的深蓝计算机曾在围棋游戏中击败Garry Kasparov,并在随后一年的6场游戏中击败这位世界冠军。但其类似之处也仅限于此。

围棋的规则比象棋更加直接:你要做的是将同色棋子放在围棋网上,通过围绕对手的棋子占领地盘。但这种简单性和开放性导致参与者需要考虑非常多的步骤,比已知宇宙中的原子更多。这使得像深蓝一样的AI采取方法击败围棋选手时,需要依赖围棋专家的手动编码策略来评估每个可能的步骤。

与此相反,由谷歌公司位于伦敦的子机构深层思维设计的“阿尔法狗”研究了人类之间进行的千万次围棋游戏,并用那些落子步骤作为其学习算式的数据。然后“阿尔法狗”会自己再玩一次,或是玩一些略有不同的版本,利用一种叫作深度强化学习的策略对下棋战略进行反复锤炼。最终的结果是AI不仅战胜了蛮力计算,而且采用了一些类似人类直觉的东西。

4、杀死老细胞永葆年轻

价格高昂的整形外科不会停止你的衰老,膳食补充剂、睾丸素注射或是那些宣称会让你看起像21岁的抗皱霜都不会。但今年,研究人员证明了一种方法能够延缓时间带来的破坏,至少在大鼠中如此。当他们选择性地清除掉破坏的细胞时,这些动物寿命会更长,而且变老后还会更加健康。

科学家靶向的这些衰弱细胞经历了部分停工,即衰老,它们因此丧失了分化能力。研究人员认为细胞衰老能够阻止致癌细胞生成肿瘤,但它也会加速衰老。随着人们变老,越来越多的细胞会停止繁衍,从而夺去人们的组织替换死亡细胞或受伤细胞的能力。衰老细胞还会产生导致诸如异常细胞增长和发炎等问题。

首项研究表明,清除衰老细胞能够带来健康和长寿的益处,至少对于中年小鼠是这样,相关成果于今年2月发表。这些动物的心脏和肾脏退化减缓,它们直到生命末期才出现肿瘤。一些与年龄相关的衰老,如记忆和肌肉协调性并未减轻。然而,这些啮齿类动物的寿命比其未经治疗的同类延长了20%。10月份,该团队又瞄向了聚集在动脉斑块免疫细胞中的衰老细胞,清除小鼠体内这些可能导致动脉粥样硬化的细胞能使小鼠动脉中的脂肪堆积减少60%。

5、会“读心”的类人猿

今年,大猩猩展示了读心术,而这种能力过去据认为仅有人类掌握。这种被称作“心智理论”的能力可以了解他人的欲望、意图和知识。一些测试表明,人类的近亲具有足够的洞察力欺骗同类大猩猩或是了解其他同类的动机。但在此之前,它们一直未能胜任需要能力判断其他人拥有错误信念的任务。

在经典的错误信念实验中,一名儿童会看到有人在一个盒子中藏了一块巧克力然后离开了屋子。然后另一人溜进来,在其他的地方藏了糖果。那么,第一个人会在哪里寻找目标呢?那些猜测“在第一个盒子里”的儿童会通过测试:通过被称作读心术的能力,他们意识到第一个人拥有错误信念。这种技能被认为对欺骗、怜悯、教化以及利用语言等非常重要。

今年,研究人员通过大猩猩、倭黑猩猩和猩猩等进行了另一个版本的实验,这些灵长类动物观看一个关于金刚的电影,内容是金刚从人那里偷了一块岩石并将其藏在两个箱子中的一个内。一个男人知道了,但当金刚威胁他的时候他跑开了。当他跑了以后,金刚也离开了这个石块。问题是,当这名男性再次归来时,他会在哪里找石头?

研究人员利用红外眼动技术观察猩猩们的注意力聚焦在哪里。结果,几乎所有猩猩全都注视着这名男性一开始错误地认为石块隐藏的地方。不过,并非所有人都相信这一研究结果,但随后的研究可能会不仅仅局限于大猩猩。眼睛跟踪方法还可用于其他动物的面部。

6、计算软件设计人工蛋白

蛋白质是生命的基础。它们会加速重要的化学反应,让肌肉用力,使细胞间和细胞内部交流,还可以防止细菌。考虑到蛋白质的这些特性,研究人员一直希望培育蛋白。他们已经通过对有机体DNA编码进行小的改变,从而对很多现存蛋白质进行了修饰,今年,研究人员将蛋白质修饰提高到一个新水平:他们创建了一套不同于自然界发现的任何蛋白的设计蛋白,为新药和新材料做好了铺垫。

从头设计新蛋白一直是一个“中或不中”的难以确定的事。编写任何想要的DNA编码都很容易,但研究人员并没有办法知道由这种DNA编码的氨基酸新链条如何折叠成复杂的三维形状。这是个问题,因为对于蛋白来说,形状决定功能。然而,近期计算生物学家已经在设计计算机软件方面做出了令人兴奋的进展,它们可以准确地预测设计蛋白如何折叠。这些进展使今年的设计者蛋白成为可能。

今年2月,由华盛顿州的研究人员带领的科研团队用这种程序设计了潜在的具有普适性的流感疫苗,它能够同时激发对所有流感病毒株的免疫防御。7月,由参与上述研究的很多研究人员在内的团队创建了能够自我组合为空笼的蛋白,未来某一天,它可能被填满药物或是DNA片段,用于治疗一些疾病。另一个团队利用类似的程序制作了三维可折叠RNA分子,它呈现了类似蛋白以及RNA蛋白复合物的折叠问题,打开了新研究的可能性。现在,研究人员希望利用这些技术创建从新生物感应器到去除大气二氧化碳的新方法。

7、实验室制出小鼠卵子

今年,日本研究人员用完全来自实验室器皿中培育的卵细胞制作出了幼鼠,这项研究赋予“试管婴儿”新的含义。这种长期以来追求的目标向研究人员提供了一种研究卵子发育的新方法,并提高了几乎用任何种类的细胞在实验室中制作人类卵子愿景的可能性,这些细胞包括那些经过遗传改变的部分。这种可能性激发了不孕不育疗法的新希望,但它也让设计者婴儿的恐惧重新出现。

2012年,同一批研究人员进行了第一步关键的实验:他们利用干细胞制作受精卵细胞。然而,那种方法仍然需要未成熟卵子被植入活体小鼠体内,从而完成发育。今年,研究人员发现了在实验室中制作卵子的一种方法。他们并不需要将未成熟的卵子植入小鼠体内,而是在采集自胎鼠卵巢的细胞簇内培育它们。该团队随后将这些实验室生长的卵子与小鼠精子混合,并将其胚胎植入“养母”体内。其中,仅有3%的胚胎生长为完全的幼鼠,而这些幼鼠均成长为可孕育后代的健康成体。

如果科学家能够利用人体干细胞进行类似的实验,那么它将能发展为一些不孕不育女性的新疗法。它甚至还能够将获取子男性体内的干细胞培育成卵子。

8、单次非洲移民潮让人类走向全球

人种的故事是由流浪的癖好驱动的。现代智人出生于非洲,并在距今10万年前扩散到地球上的偏远角落,并与已经生活在那些地方的人种遇见、混杂。但研究人员一直以来都在争论现代人究竟何时及如何离开非洲:是单一的移民潮,还是反复性的移民潮?

2016年,大量基因组数据表明大多数生活在非洲以外的人源于单次迁徙;此前任何迁徙行为均被最后一次大迁徙淹没。在一系列三篇文章中,与土著居民合作的研究人员收集并分析了生活在世界各个偏远角落的许多人的基因组信息,其中包括此前鲜有采集的澳大利亚、巴布新几内亚和非洲的土著居民的样本。他们跟踪了记录在这些DNA中的人类的古分支。

其中一项研究分析了来自澳大利亚的83个基因组,当地长期被认为是一个与众不同的分批次到达地点。DNA分析表明,与此前的推测相反,澳大利亚最初仅在一次迁徙中被定居下来。此外,澳大利亚土著居民和欧亚大陆居民的祖先大约在相同的间从非洲分散开来,可能是在距今约7万年前,这表明它们是早期人类在分开之前单独一批走出非洲。另一项研究分析了来自142人的基因组,他们也报告了古人是一次性地走出非洲,随后在距今约5万年前分化为在不同地方的“非非洲人”,不过其确切时期并不明确。

第三项研究分析了来自125人的379个基因组,也报告了同样的迁徙模式,仅有一处转折:仅有月2%的巴布新几内亚人的基因组可能源自更早走出非洲的一批人,距今或约10万年前。

9、纳米孔基因测序技术领风骚

今年,由于一种基因测序手持设备可广泛获取,基因测序正在成为生物学领域的一个普遍工具,在实验室、野外均是如此。它已经产生了一系列研究论文。

这种设备利用一种叫作纳米孔测序的突破性技术直接读取DNA信息:当一系列DNA通过一个狭小的孔时,这些基质能够通过一种独特、可读的方式改变离子电流。与传统测序相比的优势在于,这种纳米孔测序仪的启始成本价格相对较低,它在理论上能够解译长度无限的DNA;基因组不需要被切断,这些序列最后可以通过计算机整合。而且因为它快速、便携,该设备能够在几小时内测出序列,可被用于生物监控、临床诊断以及区域疾病疫情调查等领域。

纳米孔测序已经发展了数年,经过一年多的贝塔测试之后,英国牛津纳米孔技术公司今年开始在市场上推动首批设备。目前,基于相关设备的30多篇论文已经被上传到生物预印本网站bioRxiv上。

研究人员可在数小时内分辨出埃博拉病毒和其他病毒、对肠道内的微生物进行测序以及解析5300万的玉米真菌虫害基因组单位等,研究人员在12月初宣布,还用它对人类基因组进行了测序。国际空间站的宇航员甚至也用它对土壤中的微生物混合体进行了测序。长期从事这项工作的研究人员指出非常鲜少见到类似的进展发表于同行评议文章中,但一些人却认为今年是测序技术的转变之年,它让那些从未想过自己可以进行基因研究的人产生了更多的遐想。

10、超透镜带来大前景

玻璃透镜是人类最早期的高科技发明之一。它们让伽利略能够看得到木星的卫星,让安东尼·凡·列文虎可观察微生物,让数以百万计的人可以更清楚地看这个世界。但今天的透镜还在以与几个世纪之前同样的粗糙方式在生产,通过打磨和抛光玻璃以及其他透明材料使其聚光且不产生色差。

现在,透镜技术正在向前迈进一大步。今年,研究人员利用计算机芯片—模式技术制作了首批超级材料透镜或超透镜,它们能够聚焦整个可见光光谱。因为超透镜制造价格低廉,比纸更薄,而且比玻璃轻得多,它们将为从显微镜到虚拟设备、相机(包括你智能手机的相机镜头)等领域带来一场革命。

超材料由一系列微小的柱状、环状及其他材料结构组成,它们可在光波通过时对其产生作用。近年来,研究人员已设计了基于超材料的“隐形盾”,它能让光避开物体,此外还有滤光器和天线等。但超透镜最早获得的成功仅在红外光以及其他较长的光波波段,这种模式技术对于从透明材料到可见光并不能发挥作用。

今年,研究人员弄清了如何用传统的芯片—模式技术,即原子层沉积技术,精确地排列柱状二氧化钛阵列模式,这些柱状物仅有600纳米高,它们在可见光下是透明的,能聚焦并使物体放大170倍。研究团队通过用超透镜制作全息图以及进行详细的光谱学,验证了它们的特性,为其他潜在的应用打开了路径。(冯丽妃)

来源:news.sciencenet.cn

标签:《科学》

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