果壳盘点:2017年度十大科学突破,哪个给你印象最深

在人类的历史长河里,一年的光阴也只是短短一瞬。在我们感叹时光飞速离去的时候,未来也正在飞快地向我们靠近。

 

这一年,远在1.3亿光年外的那次撞击,让人类沸腾。正是那短短一个信号的捕捉,开启了多信使天文学时代。

 

这一年,从围棋到德州扑克,再到仅用40天就超越前辈的AlphaGo Zero,人工智能不断传来让人震惊的新消息。

 

还是这一年,基因编辑、人工合成基因组、人造子宫……人类还在不断拓宽对生命的认知。

 

在2017年即将过去的时候,让我们用倒数的方式,回顾这一年中最振奋人心的Top10科学突破,一起期待新一年科学将带来的惊喜与希望。

 

 

 

10. 冷冻电镜标志年——科技让人类看到前所未见的生命过程

 

 

冷冻电镜技术,我们能看到的微观世界从图片左侧这样,变成了右侧这样。

10月4日,诺贝尔化学奖揭晓。来自瑞士、美国和英国的三位科学家因”研发出冷冻电子显微技术用于溶液中生物分子结构的高分辨测定”获得诺贝尔化学奖,2017年成为冷冻电镜技术的重要一年。

 

图像是理解问题的关键,人类理解事物主要依靠通过各种手段去”看”它们。过去,电子显微技术被认为只适合观测部分物质,因为高强度的电子束会摧毁大量表面敏感的材料,导致其图像模糊。然而冷冻电镜的出现打破了桎梏,通过冷冻手段抑制生物大分子的运动,科学家们开始看到此前从未见过的生物过程。三位科学家对冷冻电镜做出了一系列开创性的工作。诸如对模糊图像进行处理合并的算法、在高真空下通过低温使水玻璃化等一系列手段,使得冷冻电镜最终能够实现原子级别的分辨率。此后,人类终于得以一窥作为生命基础的分子机器的真实面目。

 

冷冻电镜的发展给生物化学、材料化学等领域带来了全新的工具,科学家们得以深入过去无法涉足的领域,观测生物大分子、敏感电池材料等表面发生的具体过程,结构生物学等领域得以不断涌现出大量突破性成果。

 

新科诺奖:在这个前所未有的高清世界里,看见生命的细节

 

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9. 卡西尼坠毁——坦然走向死亡的老战士

 

 

9月15日,经过了漫长的旅程之后,卡西尼号终于和人类告别,永远地消失在了土星大气层中。

 

自1997年发射至今,卡西尼号已经在广袤的太空中流浪了20年。20年前,卡西尼借助引力弹弓,掠过了金星、太阳、地球和木星,在经过6年8个月、长达35亿千米的太空旅行后,顺利进入环绕土星转动的轨道,并将惠更斯号带到了土卫六。在这20年里,卡西尼将39万张珍贵的天文图片传给人类,为今后几十年的科学研究提供了素材。它让人类重新认识了土星及其卫星,也使人类在行星科学、生命起源等方面前进了一大步。

 

然而所有的开始终究都会结束。在完成了最后一次与土卫六泰坦的近距离约会后,她踏上了最后22圈环绕土星的旅程,并最终向土星大气层俯冲而去,燃烧殆尽。

 

如今她已安息,在遥远的土星。

 

地球啊,请别为我哭泣:卡西尼号焚毁前最后的22圈

 

一位老战士最后的冲锋:看,那是卡西尼号的一生

8. 人造子宫——早产儿救治的新希望

 

 

早产是新生儿死亡和致残的重要病因,也是无数人不懈钻研的课题。然而目前的医学水平对于早产儿的救治手段,还停留在从源头监控与针对相应器官不足采取治疗措施两个方面。然而,这些治疗手段作为出生后的补救措施,不仅不能媲美成熟器官的功能,还常常会顾此失彼,在解决需求的同时带来不小的副作用。延长胎龄成为了早产儿救治的重要砝码,人造子宫也成为科学家们探索的焦点。

 

4月,美国费城儿童医院的胎儿外科医生在《自然-通讯》(Nature Communication)上发表了他们的研究成果:通过体外模拟子宫的环境,成功使相当于23-24周人类胎儿大小的羔羊宝宝在母体外生存了670小时,并实现了胎儿在母体环境中一样的正常发育。

 

虽然从羊过渡到人类胎儿仍有不小的距离,但这项研究已经在模拟成熟器官功能、预防早产和治疗早产儿方面迈出了一大步。

 

人造子宫滋养了早产的羔羊,也将庇护人类的婴儿

7. 最古老人类化石和新种大猿——人类对祖先和近亲演化的探索

 

 

无论是对历史的追溯还是对新物种的发现,2017年,人类还在不断探寻着自己和近亲的演化本源。

 

6月,在摩洛哥发现了目前已知最古老智人化石。这批在杰贝尔依罗发现的化石测年结果为30万年,是目前我们已知的拥有精确定年的智人在非洲最早期演化的证据。通过对头骨化石的分析,科学家发现了其具有进步与原始特征共存的镶嵌现象,虽然这些古人类拥有较为现代的面部形态,颅内模的形态虽然较为原始,但与中更新世古老型人类又不完全相同。此外,化石发掘于北非这一特殊地理位置,也证明了智人在非洲大陆上演化的复杂性。

 

11月,人类发现了新的近亲:达巴奴里猩猩(Pongo tapanuliensis)。这个在印尼北苏门答腊省达巴奴里被发现的红毛猩猩,是自1929年以来人类首次发现的新种大猿,自此,现生人科物种增加到了8种。此前,科学家们一直把他们当中是苏门答腊猩猩(P. abelii)的一个种群,然而在大规模的研究后,人们发现达巴奴里猩猩的颅骨、牙齿、下颌和其他猩猩有显著区别,毛发更卷,胡子更长,基因也有显著差异,应该独立成种。这种濒危的物种使科学家重新思考了猩猩属的演化轨迹,并思考如何区分物种,制定保护政策,保护古老而特殊的生物类群。

 

我们又发现了新的人类亲戚,但它们已经快要消失了

6. 时间晶体——打破时间的限制

 

 

2012年,诺贝尔物理学奖得主维尔切克(Frank Wilczek)提出了一个疯狂的想法:时间晶体。时间晶体的神奇之处在于,降温后它能在时间上自发地出现周期性的运动,从而打破时间平移对称性。如果我们把空间晶体和时间晶体的概念综合起来,就会得到一种特殊的物质,可以同时在四维时空中结晶,形成所谓的时间-空间晶体。在维尔切克的设想中,未来会有一天,人类可以对时空晶体进行编程,把大脑意识上传到”时空晶体”中,做成时光胶囊。即使地老天荒,即使宇宙热寂,那些美妙的情感仍旧永存。

 

时间晶体引发了广泛的争议,很多人认为它是不可能做到的。但终于还是有人做出来了。

 

今年3月,美国哈佛大学和马里兰大学两个实验组在《自然》(Nature)上发表两篇论文,宣布基于金刚石色心和离子阱系统,在实验中验证了离散时间晶体的存在。实验的成功促使人们在各种物理模型中,研究离散时间晶体,乃至时间准晶体。

 

未来是否还会出现时间玻璃态?谁知道呢,我们期待大自然带来的惊喜。

 

法医秦明、杨永信和泳池里的尿:菠萝科学奖颁给了他们!

5. 针对基因的疗法——CRISPR-Cas9为医学带来新希望

 

 

今年,科学家不断探索着基因治疗的可能性。

 

7月,中国的科学家们意外地发现了通过DNA靶向编辑 CRISPR-Cas9技术治疗染色体遗传病的可能。研究团队发现,利用Y染色体敲除实验的方法,设计专门针对21号染色体的特定CRISPR靶向系统,可以在体外细胞实验中实现多余21号染色体的精确敲除。这项研究首次为唐氏综合征的治疗提供了希望。

 

我的小鼠怎么”变性”了?!一场意外,竟给唐氏患儿带来希望

 

11月,来自德国和意大利的研究人员在《自然》(Nature)杂志发表了一篇利用基因编辑技术治疗单基因遗传病的文章。文章中涉及的病例是一位罹患交界型大疱性表皮松解症(JEB)的男孩,由于LAMB3基因的突变,患者的皮肤会经历频发性的破损、感染以及糜烂,导致患者处于长期的疼痛之中。研究者们通过逆转录病毒结合CRISPR-Cas9技术将完好的LAMB3基因成功地导入患者皮肤细胞,插入细胞的基因组中修复突变的LAMB3基因,治愈了患者。而在此前,这种罕见遗传疾病并没有有效的治疗方法,40%的患者甚至会在青春期前死亡。

 

这个失去皮肤、浑身血红的”蝴蝶男孩”,竟然活下来了

 

在其他研究中,CRISPR-Cas9技术对遗传性心脏病、I型脊髓型肌肉萎缩症等疾病的治疗与治愈也起到了极大的推进作用。CRISPR-Cas9及其相关应用自从面世以来已经连续三年上榜”年度十大科学突破”,这种源自细菌的基因编辑技术究竟还有多少潜力,让我们拭目以待。

 

4. 人工合成酵母基因组——生命的了解再进一步

 

 

3月,《科学》(Science)杂志以专刊的形式介绍了世界上首例人造酵母合成项目的进展。人造酵母项目是深化生命科学研究进展、应用生命科学研究成果的重要一步,通过对比人造酵母与天然酵母的区别,科学家们可以更加准确地了解生命的运作方式,操控生命活动。

 

目前为止,科学家们一共合成了酵母16对目标染色体中的6对半。这并不是个简单的数字:人工化学合成的DNA一直面临着成本高、错误多的问题,合成染色体长度的DNA极具挑战性。在酵母DNA合成的研究中,科学家们通过合成寡核苷酸链(即短的DNA链)再拼接的方式,终于得到了全长的酵母染色体。从合成最简单的病毒、支原体开始,直到合成单细胞真核生物酵母菌,科学家们逐步攻克了基因大小与基因复杂程度上的障碍,为后续合成更加复杂的生命提供了可能。

 

3. 量子技术爆发——通信和计算领域的高速发展

 

 

量子技术经过实验室中的漫长发展,在今年迎来了爆发期。

 

1月,世界上第一颗量子通信卫星”墨子号”正式交付开展科学实验。”墨子号”不仅在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验,更在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态,圆满实现了全部三大既定科学目标。量子密钥是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。”墨子号”的成功,为构建覆盖全球的量子保密通信网络、开展空间尺度量子通信网络研究、空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础;同时,也为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了科学与技术基础。

 

5月,中国科学院在上海召开新闻发布会,宣布世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。IBM于同月发布了17量子比特位的处理器,又在11月宣布了20量子位的量子计算机问世,并构建了50量子比特的量子计算机原理样机,在科学界引起了轩然大波。

 

量子科学的征途任重道远,科学将全力以赴,上下求索。

 

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2. AI技术节节开花——人工智能带来的变化和挑战

 

 

3月,人工智能Libratus在宾夕法尼亚州挑战美国顶尖德州扑克游戏玩家,在12万手比赛后,Libratus完胜全部4个对手。Libratus使用的”强化学习”方式能让计算机生成更具创造性的策略,在信息不完全的情况下作出更好的决策。

 

5月,强化版围棋人工智能AlphaGo在中国乌镇3:0战胜世界第一棋手柯洁,并与八段棋手协同作战在组队战中全胜5位顶尖九段棋手。

 

10月,横空出世的AlphaGo Zero仅通过40天的学习就战胜了自己的双胞胎兄弟AlphaGo Master。AlphaGo Zero采用无监督学习,从零开始,不需要任何人类的经验,并通过强化学习发现了新的围棋定式。AlphaGo Zero还优化了核心算法,将策略网络和值网络结合,并引入深度残差网络,用更少的算力得到了更好的结果。

 

随着技术的发展,人工智能的时代已经到来。除了扑克和围棋,人工智能将会更加深入我们的生活,为人类社会带来新的变化和挑战。

 

碾压全网的神秘”Master”,原来就是AlphaGo!

 

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还记得那个横扫围棋界的AI”阿法狗”吗?现在,它输了……

1. 双中子星并合引力波探测——开启多信使天文学时代

 

 

8月17日,从遥远太空传来的短短一瞬的信号,沸腾了整个天文界;10月16日,全球数十家天文机构同时宣布了一个”前所未有”的重大消息:人类第一次探测到双中子星并合产生的引力波信号。这个信号,让世界各地的望远镜指向了同一个方向,也让全球天文学家空前联手。

 

与黑洞不同,双中子星的并合不但会产生引力波,而且还会抛射物质并产生各种电磁信号,让我们能够”看”到。此前,科学家虽然曾4测探测到引力波,但由于黑洞的并合不会有任何电磁波辐射,人类只能”听”到。而双子星并合事件,则意味着人类首次同时”看到”并”听到”来自宇宙的信号,是一场宇宙展现在人类面前的视听盛宴。

 

双子星并合引力波的成功探测,开启了多信使天文学的时代,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义。在某种程度上,它的意义可以与第一次探测到引力波相提并论。在未来,随着对双中子星并合现象研究的深入,我们对宇宙的了解将翻开新的一页。

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