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目前,科學(xué)家挑選出2020年全球重大科學(xué)突破,其中包括:AI人工智能技術(shù)、食物領(lǐng)域、太空技術(shù),以及最新新冠病毒響應(yīng),展示了科學(xué)力量如何改變?nèi)蚝笠咔闀r代。

 1、太空旅行

 2020年,太空競賽發(fā)生了顯著變化,今年5月份,SpaceX公司“龍”飛船發(fā)射升空,這是私人飛行器首次將宇航員運(yùn)送至國際空間站。該飛船對人們留下了深刻印象,但其外觀平平……光滑白色內(nèi)壁取代了復(fù)雜的傳統(tǒng)儀表板,很明顯飛船上的兩名試飛員僅是乘客,他們對飛機(jī)沒有直接的控制權(quán)。今年11月,“龍”飛船成為首個獲得美國宇航局認(rèn)證,能夠?qū)⑷祟愃屯鶉H空間站的私人航天器,并在當(dāng)月晚些時候?qū)?名宇航員送往軌道空間站,這種“太空出租車”的費(fèi)用可能不便宜,但是該飛船的技術(shù)正在不斷升級完善。

 今年誰擁有太空管轄權(quán)的問題已處于關(guān)鍵敏感時期,截至4月份,地球軌道上已經(jīng)有2666顆衛(wèi)星,巨大衛(wèi)星群的時代已悄然到來。今年,埃隆·馬斯克的“星鏈”項目已發(fā)射955顆軌道衛(wèi)星,未來6年還將發(fā)射11000-41000顆衛(wèi)星,這些巨大衛(wèi)星群將帶來諸多好處:在偏遠(yuǎn)地區(qū)更好地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接、更均勻地訪問數(shù)據(jù)服務(wù)等。但隨著這張人造衛(wèi)星網(wǎng)包圍著地球,我們將不得不應(yīng)對不斷增加的碰撞、空間碎片、帶寬干擾的風(fēng)險,這些風(fēng)險將影響地球上望遠(yuǎn)鏡和光污染。今年皇家天文臺格林威治天文攝影師大賽最引人注目的獲獎作品是“技術(shù)監(jiān)獄”,它展示了一個由衛(wèi)星軌道覆蓋的壯觀夜空,2021年,誰來決定以及監(jiān)管能否跟上的現(xiàn)實(shí)問題,將變得更加尖銳敏感。

 2、蛋白質(zhì)預(yù)測

 想象一下,人們在讀樂譜,并且知道一個曲調(diào)聽起來像什么,但沒有多少線索揭示如何演奏樂器,這就是我們在生物學(xué)上的研究,直到今年11月,人工智能公司DeepMind突然介入蛋白質(zhì)預(yù)測領(lǐng)域,憑借純粹的計算力,解決了一個原本很難理解的問題。

 這里的樂譜是遺傳學(xué)基礎(chǔ),基因是由DNA構(gòu)成,并編碼蛋白質(zhì),所有生命都由蛋白質(zhì)構(gòu)成,我們可以很容易地閱讀遺傳密碼,將基因翻譯成基本蛋白質(zhì)。但是蛋白質(zhì)在三維空間中起到一定作用,精確地折疊成團(tuán)塊結(jié)構(gòu),這些酶是用于消化,是構(gòu)造骨骼、肌肉和大腦的結(jié)構(gòu),這至關(guān)重要的一步是我們曾經(jīng)努力過的,即理解如何將2D蛋白質(zhì)加工成3D功能結(jié)構(gòu)。DeepMind公司AlphaFold程序于2019年11月獲得驗證,能夠輕松擊敗其他所有已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測技術(shù)。

 這是一項令人驚奇的工作,當(dāng)涉及到設(shè)計藥物,簡單地了解蛋白質(zhì)如何工作或在疾病中出錯時,弄清楚蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。因為這是一項人工智能解決方案,我們?nèi)匀粺o法真正理解該過程,但至少我們可以預(yù)測它將如何展開,科學(xué)家預(yù)測,這將是人工智能獲得的首個諾貝爾獎。

 3、基因編輯技術(shù)

 2020年諾貝爾化學(xué)獎授予了艾曼紐·卡彭特和詹尼弗·杜德納,以表彰他們發(fā)現(xiàn)了Crispr/Cas9基因編輯技術(shù)。Crispr/Cas9最初是一種細(xì)菌免疫系統(tǒng),檢測并破壞感染細(xì)菌的病毒傳播的特定基因序列。

 2012年卡彭特和杜德納首次描述Crispr/Cas9基因編輯技術(shù)之后,全球各地的研究人員迅速意識到該系統(tǒng)的革命潛力,而不是針對病毒DNA,Crispr/Cas9可用于精確地追蹤生物基因組的任何位置,特別是剪切和修改基因組,以適應(yīng)日益多樣性的應(yīng)用。該技術(shù)的通用性和易用性使基因工程成為可能,而傳統(tǒng)的基因操縱工具長期以來無法實(shí)現(xiàn)生物基因工程。

 例如:今年Crispr/Cas9工具箱已經(jīng)擴(kuò)大,允許對水稻和小麥等農(nóng)作物進(jìn)行高精度基因組修改,由于基于Crispr的方法不會在植物基因組中留下疤痕或者多余的遺傳物質(zhì),該方法是引入有利特性的最佳方法,例如:使用傳統(tǒng)品種的基因序列來生產(chǎn)耐旱、抗蟲和其他高性能農(nóng)作物。

 當(dāng)然,Crispr/Cas9也進(jìn)入到治療人類疾病的臨床測試領(lǐng)域,例如:2020年出現(xiàn)首個以Crispr為基礎(chǔ)的人類血細(xì)胞重編程的臨床試驗,從而對抗其他無法治愈的癌癥。最終,Crispr再次回到其根源,作為一種病毒破壞的免疫反應(yīng):多個研究小組正在探索的可能性將Crispr/Cas9系統(tǒng)引入到人類細(xì)胞,特別是肺部的上皮層,摧毀入侵呼吸道病毒的遺傳物質(zhì)。

 4、解決貧困、減少森林砍伐

 幾十年的經(jīng)驗使從事熱帶森林保護(hù)工作的人對“雙贏”(在這種情況下,拯救環(huán)境也有助于減少貧困)持懷疑態(tài)度,一項令人驚訝的最新研究表明,旨在減少貧困的計劃,可顯著減少森林砍伐。

 許多低收入和中等收入的國家向貧困家庭提供福利金的條件是,貧困家庭必須確保其子女上學(xué)、參加健康檢查等,其理念是,這些“有條件現(xiàn)金轉(zhuǎn)移支付”在提高收入的同時,有助于打破貧困循環(huán)。

 研究人員研究了7000多個森林村莊如何引入有條件現(xiàn)金轉(zhuǎn)移,他們發(fā)現(xiàn)這些補(bǔ)償(與環(huán)境目標(biāo)無關(guān))減少了大約30%的森林砍伐,如果該計劃旨在避免森林砍伐,這將是一個非常行之有效的環(huán)保措施。

 解決全球貧困問題和減緩熱帶森林砍伐是我們面臨的兩個重大挑戰(zhàn),雖然這不是“萬靈藥”,但帶來了希望,至少在某些情況下,減輕貧困能有助于減緩森林砍伐,這對于避免災(zāi)難性氣候變化和減少生物多樣性損失是至關(guān)重要的。

 5、溫室氣體零排放

 2019年6月,當(dāng)英國政府將2050年溫室氣體凈零排放目標(biāo)作為法規(guī)時,人們可能懷疑英國首相特里薩·梅的立法舉措是否會帶來環(huán)境改變。事實(shí)證明確實(shí)可以,議會、市長和政府官員不僅開始制定環(huán)保目標(biāo),而且還制定了實(shí)現(xiàn)計劃,到2020年2月,分析數(shù)據(jù)顯示,全球超過一半的國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)遭受氣候危機(jī)威脅,面臨著自然損失風(fēng)險。2019年9月,中國宣布凈零排放目標(biāo),日本和韓國也緊隨其后宣布相應(yīng)的減排計劃。最新氣候科學(xué)為許多國家的凈排目標(biāo)提供了寶貴信息,在同一時期,最新氣候科學(xué)已經(jīng)證實(shí)了對未來氣候變暖的預(yù)測,并詳細(xì)說明了隨著世界日趨變暖,我們面臨的風(fēng)險也將日益增大。這使得零碳排放成為當(dāng)務(wù)之急的全球性目標(biāo),它不再是一個是否存在的問題,而是一個何時存在的問題。下一場戰(zhàn)斗將是汽車,我們不會通過與油耗作斗爭而獲勝,最理想的方案是使小型電動汽車和自行車成為公認(rèn)的交通工具標(biāo)準(zhǔn),這是一場全世界都輸不起的戰(zhàn)斗,而且這需要每個人切實(shí)履行一定的環(huán)保責(zé)任才能實(shí)現(xiàn)。

 6、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)治療的新希望

 童年時期遭受虐待將對成年后造成嚴(yán)重心理健康危害,但更重要的是:我們小時候發(fā)生過什么,或者我們記得什么?2020年,一項針對美國中西部居民的縱向研究得出驚人結(jié)果:同時期法庭記錄證實(shí),曾受到虐待或者疏于照顧的兒童,只有在成年后回憶起創(chuàng)傷時,其心理健康狀況才會發(fā)生惡化。能回憶童年遭受虐待的成年人,無論是否有客觀證據(jù)證明曾被虐待或被忽視,他們成年生活出現(xiàn)抑郁、焦慮、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和藥物濫用的風(fēng)險都將同樣增大,那些曾遭受虐待但20年后不記得的兒童,與從未被虐待或者被忽視的兒童相比,沒有更大的精神問題風(fēng)險。

 童年遭受虐待的回憶是否是成年人心理不健康的結(jié)果,而不是原因嗎?心情抑郁的人可能會對自己的生活感到消極無奈,會有偏見地記住糟糕的事情。然而,研究人員稱,如果他們將回憶時有精神障礙的人排除在外,那么可以證實(shí)童年遭受虐待的回憶會導(dǎo)致成年后心理不健康。

 盡管該研究結(jié)果令人感到吃驚,但研究人員發(fā)現(xiàn)主觀回憶童年虐待和心理危害之間的強(qiáng)烈聯(lián)系或?qū)橹委焺?chuàng)傷后應(yīng)激障礙帶來新的希望。我們的感知和記憶塑造了我們對自己和他人的看法,這些主觀意識是可以被塑造的,就像治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙一樣。研究人員稱,這項最新研究表明,年輕人不應(yīng)被自己消極生活經(jīng)歷所定義,增強(qiáng)主觀意識,淡化過往灰色記憶,對于營造健康生活氛圍是至關(guān)重要的。

 7、金星上有生命嗎?

 今年9月出現(xiàn)許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn),其中包括科學(xué)家宣稱在金星大氣層中發(fā)現(xiàn)有毒氣體磷化氫,這在天文科學(xué)領(lǐng)域引起了相當(dāng)大的轟動,因為磷化氫可以作為生命存在的指示劑。沒人認(rèn)真考慮過在金星上存在外星生命的可能性,這是一個非常可怕的星球,至少對于地球人類而言。事實(shí)上,磷化氫并不一定是由活體生物產(chǎn)生的,畢竟木星表面也有磷化氫,那里的溫度和壓力非常高,完全可以通過簡單古老的化學(xué)過程(非生物學(xué))產(chǎn)生,但是金星的質(zhì)量卻無法發(fā)生該過程,因此這項最新發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家欣喜不已。

 今年11月,最初數(shù)據(jù)被重新分析,發(fā)現(xiàn)金星磷化氫的磷含量(以十億分之一單位進(jìn)行計算)有所降低,但磷化氫仍然存在于金星大氣中,這令人感到不可思議。研究人員稱,很難依據(jù)當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的磷化氫來斷定金星生命的真實(shí)存在性,很有可能磷化氫是金星表面地質(zhì)作用下含磷化合物釋放的,這些含磷化合物進(jìn)入大氣后就可以形成磷化氫。

 盡管這一消息無法證實(shí)金星存在外星人,但如果我們確實(shí)在宇宙某處發(fā)現(xiàn)生命,很可能是這樣的:通過分析穿越大氣層的光,以及光與“生物特征”化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的交互作用,就能發(fā)現(xiàn)某種含量等級“生命物質(zhì)”。

 8、實(shí)驗室人造肉

 預(yù)計到本世紀(jì)中葉,地球人口總數(shù)將達(dá)到90億,怎樣才能在不破壞生物多樣性、不消耗過多能源的情況適當(dāng)?shù)嘏嘤隣I養(yǎng)物質(zhì)呢?現(xiàn)今人工飼養(yǎng)的雞和火雞生物量已超過野生物種,而人類所吃禽類的生物量是野生哺乳動物的10倍以上。

 飲食創(chuàng)新是必要的,其中一些方法無需“前沿”科學(xué)技術(shù),例如:將蛋白質(zhì)營養(yǎng)豐富的昆蟲變成美味的食物,用植物蛋白制作人造肉。2015年,加州一家名為Impossible Foods的公司從2015年開始銷售牛肉漢堡,主要是由小麥、椰子和土豆制成,不過這些漢堡還需要一段時間進(jìn)行驗證,才能獲得美食家的滿意,因為他們認(rèn)為甜菜根汁是血液的糟糕替代品。

 但是生物化學(xué)家一直在取得突破,從動物身體上提取幾個細(xì)胞,然后用適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)刺激生長,就可以培育出“人造肉”。就在11月,新加坡食品監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了這種由美國初創(chuàng)公司Eat Just研制的“人造肉”進(jìn)行市場銷售,可接受的肉類替代品在我們的飲食方式上創(chuàng)造了一個良性變化。它們是一種生態(tài)效益,對我們多數(shù)人而言,也是一種道德進(jìn)步,未來幾代人如果回顧歷史,都會對當(dāng)今工廠化畜牧技術(shù)感到吃驚不已,目前我們在這方面已取得了積極樂觀的進(jìn)展。

 9、首個室溫超導(dǎo)體

 自從人類首次利用電能以來,一個重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)就是尋找室溫超導(dǎo)體,超導(dǎo)體是一種電阻為零的材料,它能為低損耗電線或者磁懸浮列車的開發(fā)帶來質(zhì)的飛躍。但是這些材料通常只有在極冷的溫度下才會顯示這種獨(dú)特屬性——比室溫低50攝氏度的條件。

 今年10月,美國羅徹斯特大學(xué)蘭加·迪亞斯帶領(lǐng)的一支研究小組報道了一個震驚消息——發(fā)現(xiàn)首個室溫超導(dǎo)體,但是關(guān)于室溫超導(dǎo)體存在的條件十分苛刻,需要使用一個金剛石壓腔,大約270億帕的超高壓力,這相當(dāng)于地球大氣壓200多萬倍,通過擠壓碳、硫和氫的化合物來顯示超導(dǎo)性。如此極端的條件意味著我們不能隨意地進(jìn)行任何實(shí)際應(yīng)用,但該發(fā)現(xiàn)仍是一項非常重要的科學(xué)成就。

 室溫超導(dǎo)體的話題將我們帶到了上世紀(jì)80年代末,賽義夫·伊斯蘭還是伊士曼柯達(dá)實(shí)驗室一位面帶稚氣的博士后研究員,當(dāng)時他正在研究氧化銅超導(dǎo)體。他指出,發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體具有重要意義,是科學(xué)領(lǐng)域的一個重要里程碑,現(xiàn)在的希望是不久能發(fā)現(xiàn)一種壓力條件較低環(huán)境下的室溫超導(dǎo)體。