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《科学》评出2019年十大突破,这一年有哪些铭记时刻

 

《科学》杂志每年会邀请网站的访问者,投票评出在即将过去的一年里最为重要的科学突破(Science Breakthrough)。今年夺得桂冠的是“来自西藏的丹尼索瓦人”。
 
编译 | 杨 枭 责编 | 叶水送
 
01 遇见丹尼索瓦人
大约40年前,一位僧人在西藏高原边缘的白石崖溶洞里,发现了一块奇怪的人类颌骨。这个长着巨大臼齿的下颚很特别,于是他把它送给了当地很有威望的六世贡唐活佛,后者又把它捐给了研究人员。
 
今年5月,科学家用了一种分析古代蛋白质的新方法,鉴定出这个奇怪的下颚属于丹尼索瓦人(Denisovan)——它们生活在约5万年前的亚洲各地。此前,人类学家只在西伯利亚的丹尼索瓦洞穴中发现过尼索瓦人。这意味着,科学家首次在丹尼索瓦洞以外的地方——青藏高原,发现了丹人(见“丹尼索瓦洞之外的丹尼索瓦人,在青藏高原现身了”)。这块神秘的骨头下颌骨保存了右侧的大半,第一和第二臼齿保存较好,第三臼齿(智齿)未萌出,臼齿前部齿列只剩下牙根。如今,在亚洲各地现代人的DNA中仍能找到丹尼索瓦人的痕迹,这表明该群体曾广泛分布,并与尼安德特人和现代智人混在一起。
 
02 埃博拉病毒
刚果民主共和国暴发期间,一名卫生工作者穿戴防护装备
 
1976年,一种新型病毒在刚果民主共和国(当时叫扎伊尔)的雨林中出现。它肆虐了临近的村庄,杀死了280人,从那以后,这种病毒以旁边一条河流命名,同时也成为了致命的、无法治愈的同义词:埃博拉病毒。
 
今年,这一现状终于开始改变。在另一场刚果的疾病爆发期间,科学家最终确定了两种能够显著降低该病死亡率的药物。它们都是抗体,一种是从1996年埃博拉疫情的一名幸存者身上分离而来,另一种是由三种抗体混合而成,这些抗体是在具有人类免疫系统的小鼠体内产生的。
 
在一项随机试验中,四种不同药物相互对照,接受其中一种药物治疗的患者中约有70%存活下来,而接受另外两种药物治疗的患者中约有50%存活下来。在埃博拉病毒威胁出现40多年后,世界终于为应对这种病毒做好了更好的准备。这场胜利的策划者、试验的主要负责人是让-雅克·穆扬贝-塔姆(Jean-Jacques Muyembe-Tamfum),他是刚果的病毒学家,在发现病毒的过程中发挥了重要作用。
 
03 黑洞照片
根据广义相对论,宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体和星体,是由质量足够大的恒星在核聚变反应燃料耗尽后引力坍缩而成。黑洞的质量大,产生的引力场特别强,以致于大量可测物质和辐射都无法逃逸。然而,一直以来,我们却未曾观测到黑洞的存在。
 
直到今年4月,一组国际天文学家公布了一张黑洞“阴影”的特写图像,显示了一颗黑暗的心周围环绕着一圈光,这些光是由环绕它的光子产生的。对于天文学家来说,这张照片是对他们几十年来看不见的神秘物体的验证。斯坦福大学天体物理学家罗杰·布兰福德(Roger Blandford)表示:“我还是有点震惊。直到最近,还很少有天文学家认为我们真的有可能获得黑洞的照片。”
 
以宇宙的标准来衡量,黑洞其实非常小,而且不发光,很难观测到。然而恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。过去的十年多时间里,麻省理工学院的天文学家联合了其他机构的同行,让全球8个天文台同时对银河系中心的黑洞SgrA*和M87星系中的黑洞M87*展开亚毫米波段观测,相隔两地的望远镜通过甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry; VLBI)技术,解决了射电望远镜实现高分辨本领的难题。黑洞照片的获得,是研究胜利的开始而非高潮,之后将有更多有关于它的谜团等待我们解答。
 
参考阅读:http://www.zhishifenzi.com/depth/depth/5708.html
 
04 药物治疗囊性纤维病
今年10月,科学家庆祝了基因药物的一个里程碑:一种有效治疗囊性纤维病(CF)的药物(Trikafta)获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准。
 
囊性纤维病是一种罕见遗传疾病,患者的肺部、消化道和身体其他部位可形成稠厚的黏液,从而导致严重的呼吸和消化系统病变,也可导致感染、糖尿病等其他并发症,患者平均寿命在45岁左右。
 
囊性纤维化的发病机制是名为 CFTR 的基因发生突变,现有的治疗囊性纤维化的药物大多靶向 CFTR 这一缺陷蛋白,但它们只能治疗一部分携带特定基因突变的患者,而这一新药由3种药物组成,共同靶向 CFTR 蛋白,能够使约90%的患者获益。目前,已有两项临床试验验证了该药在12岁以上囊性纤维化患者的疗效。
 
参考阅读:http://www.zhishifenzi.com/news/biology/7318.html
 
05 微生物对抗营养不良
每年都有数百万严重营养不良的儿童无法完全康复,即使后来他们吃饱了,仍然发育不良体弱多病。最近研究者找到了一个根本原因:他们的肠道微生物没有成熟。
 
今年,一个国际团队提出了一种低成本、容易获得的补品,优先刺激有益肠道细菌的生长。这些补品在小规模试验中表现良好,目前正在进行大规模的临床试验,以观察它们在预防发育迟缓方面的效果。
 
研究小组首先确定了15种成熟肠道微生物群落的特征,他们发现奶粉和大米对关键细菌的扩散几乎没有帮助,但含有鹰嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的补充剂能够帮助微生物群成熟。更多的儿童正在接受更长时间的随访,以了解这些变化是否会转化为对发育迟缓起作用,者意味着改善微生物组有助于解决这一世界性问题的最终证据。
 
06 致命的撞击及其后果
6600万年前,一颗巨大的小行星撞击地球后,包括大型恐龙的76%的物种消失了。但这一过程具体细节目前还不清楚。为此,国际海洋探索计划(International Ocean Discovery Program)在直径193公里的希克苏鲁伯陨石坑(Chicxulub crater)中心周围的崎岖山丘上进行了钻探。
 
这次钻探提取了835米的岩芯,其中包括小行星撞击时130米的沉积物。研究表明,撞击发生后,熔化的岩石填满了撞击孔,破碎后海水涌了进来,搅动起沉积物;然后,海啸席卷了更多的物质,包括撞击引发的野火产生的木炭。尽管该地点富含硫,但在地核中几乎不存在,这表明它全部蒸发了,可能导致了全球迅速变冷变暗。
 
在北达科他州的一个新地点捕捉到了地震对生物造成的灾难性影响。在不到1个小时的时间里,撞击引发的地震活动导致海浪冲上了一个古老的河流。鱼化石生动地记录了撞击的痕迹:它们的鳃里充满了来自撞击者自身的、富含铱的微粒。但生命恢复的速度比预期要快,在对另一个遗址科罗拉多,花粉、植物化石、哺乳动物头骨和其他骨骼的分析编年史中可以发现。那次撞击结束了白垩纪,标志着古近纪的开始。
 
07 量子优越性
今年十月,来自谷歌的物理学家声称,他们已经使用量子计算机来计算普通计算机无法计算的东西,从而实现 “量子优越性”。
 
常规计算机处理以0和1编码信息,量子计算机使用量子比特,由于该系统可同时探索大量潜在的解决方案,因此成熟的量子计算机比传统计算机能更快地分解出大量因子,从而使得量子计算机能破解当前的互联网安全协议。
 
谷歌研究人员使用了一个包含53个量子比特的芯片,这些芯片由超导金属的微小电路制成,实现了一组随机选择的相互作用,并从本质上证明了该机器将输出正确的量子态。对该处理器利用量子叠加和量子纠缠实现的计算空间与经典比特所能达到的相比,实现了指数级的增加。研究团队开发的纠错流程可以保证较高的运算保真度。但 IBM研究人员立即质疑谷歌是否真的达到了目标。其他物理学家说,要解决实际问题,量子计算机将必须能够纠正其自己的量子位中的错误,这尚待实现。
 
参考阅读:http://www.zhishifenzi.com/depth/depth/7388.html
 
08 出现 “缺失环节” 微生物
今年,微生物学家朝着解决关于真核生物起源的争议迈出了重要的一步。经过12年的尝试,日本的一个研究小组成功地从深海沉积物中培育出了一种神秘微生物,并对其基因组进行了测序。
 
这种生物为 Prometheoarchaeum syntrophicum 菌株 MK-D1,是最近被认可的 Asgard 微生物群的成员,这些微生物不是细菌,而是一种完全独立的生命分支,称为古细菌。
 
令人惊讶的是,这些片段包含的基因以前被认为仅在真核生物中发现。比较DNA 分析表明,Asgard 甚至可能产生了真核生物。这个激进的想法会将生命领域从三种(古细菌、真核生物和细菌)缩小到两种:细菌和古细菌,而真核生物被简化为古细菌的一个子集。
 
研究还发现,微生物似乎与某些细菌结合在一起生长最好,并且它形成的短触手可能会吞噬细菌伴侣。如果是这样,那可以解释 Asgard 微生物如何获得、并成为线粒体的微生物。今年的其他研究已从 Asgard 研究组其他成员的 DNA 片段中鉴定出更多的真核基因。
 
09 遥远星体的特写
今年,NASA耗资8亿美元的 “新视野” 号飞船在 “天涯海角”(2014 MU69)上空扫过,这是一个距离地球66亿公里的天体,位于海王星以外的一个称为Kuiper 带的区域,它成为了人类探测器至今为止到达的最远的天体,初步发回的数据解释了该星体形状与运动的疑团,这将进一步揭示太阳系起源的奥秘。
 
MU69 的新正式名称为 Arrokoth,它由两个类似块状薄煎饼的原始行星结构组成,并在狭窄的颈部连接。这两瓣在太阳系形成时分别形成,奇特的形状和无瑕的均质表面为行星构造块的形成提供了新观念。
 
它们并非撞击而成,相反在太阳形成后不久,静电将尘埃颗粒聚集到了几厘米大小,然后原始星云的漩涡使这些小块聚在一起,聚集成云团,这些云团在重力作用下坍塌成千米大小的团块。这种 “流动不稳定性” 可以解释为什么Arrokoth 有两块:卵石云塌陷时旋转得更快,产生了使其破裂的湍流。两块靠近,直到它们的轴对齐,并且相互吸引,靠拢在一起。
 
参考阅读:http://www.zhishifenzi.com/news/multiple/4948.html
 
10 人工智能掌握了多人扑克
今年,美国卡内基梅隆大学的 Noam Brown 和 Tuomas Sandholm 设计出了新的智能系统 Pluribus,在无限注德州扑克中击败了最厉害的专业玩家。
 
扑克相比棋类游戏,挑战在于玩家看不到对手的牌,因此获得的信息有限,Pluribus 并未利用纳什均衡找到博弈论上的最优策略,在德州扑克中,由于每一回合可以采取的行动实在太多,为了减少问题的复杂度,研究者采用了行动抽象(Action abstraction)和信息抽象(Information abstraction)的简化技术,Pluribus 因此只会将信息抽象用于对未来几个回合的预想中,而不会用在当前回合的决策上。
 
但通过对自己进行数万亿场比赛,Pluribus 制定了针对各种情况的基本策略。然而,AI还没有玩完所有游戏。即使在扑克方面,仍有改进的空间,像是桥牌这种更复杂的游戏,AI仍未掌握。尽管 Pluribus 可以虚张声势,但它无法调整其策略来利用对手的特殊弱点。
 
参考阅读:http://www.zhishifenzi.com/news/ai/6436.html
 
2019年度崩坏(Breakdown)
 
01 亚马孙大火
今年,森林大火席卷了亚马孙数千平方公里。巴西国家太空研究所(INPE)估计,亚马孙火灾比2018年增加了44%。其中一个因素是森林砍伐的增加,牧场主和农民砍伐出售有价值的树木,然后烧毁森林,以腾出空间种植农作物或养牛。
 
遥感信息表明,今年的大火往往远离种植农作物的地方,这表明牧场主更可能对此负责。自一月份博尔索纳罗(Jair Bolsonaro)担任总统以来,一直在推动亚马孙地区的农业发展,并削减了环境保护预算。这场大火和巴西的回应引起了国际社会的谴责。联合国提供了援助,但博尔索纳罗拒绝了这项援助,德国和挪威也停止向支持森林保护的亚马孙基金会捐款。
 
02 麻疹复活
 
麻疹病毒在今年卷土重来。2018年,全球有142300人死于麻疹病毒,尽管针对麻疹已经有非常有效的疫苗。在美国,截止到12月5日,美国疾病控制与预防中心报告了1276例麻疹病例,这是1992年以来的最高记录。超过75%的病例与纽约的疫情暴发有关,主要是在东正教犹太人未接种疫苗的人群中。此外,世界卫生组织的报告表明,欧洲地区上半年病例达到了92000例,超过了2018年全年的总和,是十年来最糟糕的一年。
 
在全球范围内,截至11月5日,世卫组织收到了超过440000例确诊的麻疹病例报告,比2018年全年多25%,比2017年多两倍。世卫组织估计,报告的病例不到总数的十分之一。
 
参考阅读:http://www.zhishifenzi.com/news/biology/6036.html
 
03 美国鸟类数量正在锐减
自1970年以来,北美鸟类的数量下降了近30%,麻雀和黑鸟等普通鸟类在减少,稀有物种也在减少。美国和加拿大的研究人员结合了年度春季普查以及空中研究等数据,寻找529种鸟类种群的变化。由于保护工作的努力,水禽和猛禽蓬勃发展。但沿海岸线生活的鸟类状况却不太好,三趾滨鹬和鸻的数量减少了约三分之一,在过去50年中,居住在草原上的鸟类数量减少了约50%。
 
自1970年以来,共有19种常见物种损失了超过5000万只鸟类。研究人员表示,北美现在的鸟类减少了30亿只,但情况并非没有解决办法,恢复生态栖息地可以稳定鸟类数量。对于普通民众来说,将猫圈养在室内、种植本地植物都可以为鸟类提供帮助。
 
04 美民众承认政治失策而面临气候威胁
 
民意调查显示,越来越多的美国人认为气候变化是真实的,政府和工业界应采取措施解决这一问题。但舆论的这种转变并未导致国家采取行动。
 
实际上,特朗普政府今年撤回了几项关键的遏制气候变化的法规。由于澳大利亚和北美发生了前所未有的野火,太平洋地区发生了珊瑚白化,欧洲发生了极端高温。
 
现在将近80%的美国人同意人类活动正在助长全球变暖,近40%的人称气候变化为“危机”。然而特朗普政府已经制定了一系列政策,包括退出巴黎气候公约以及降低对发电厂和汽车的排放限值,专家们说这将使美国和世界更加难以遏制温室气体。
 
澳大利亚和巴西等国家也放弃了应对气候变化的努力,加上全球对矿物燃料的持续需求,使人们为实现甚至达成巴黎协定所设定的相对温和的减排目标而付出的努力也蒙上了阴影。
 
尽管风能和太阳能等可再生能源急剧增长,但如果当前的能源趋势继续下去,全球变暖气体的排放量将继续上升。
 
参考阅读:http://www.zhishifenzi.com/depth/depth/7816.html
 



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