2020年重大科學突破:太空旅行和實驗室人造肉
2020年12月24日10:02

  12月24日消息,據國外媒體報導,目前,科學家挑選出2020年全球重大科學突破,其中包括:AI人工智能技術、食物領域、太空技術,以及最新新冠病毒響應,展示了科學力量如何改變全球後疫情時代。

  1、太空旅行

  2020年,太空競賽發生了顯著變化,今年5月份,SpaceX公司“龍”飛船發射升空,這是私人飛行器首次將宇航員運送至國際空間站。該飛船對人們留下了深刻印象,但其外觀平平……光滑白色內壁取代了複雜的傳統儀表板,很明顯飛船上的兩名試飛員僅是乘客,他們對飛機沒有直接的控制權。今年11月,“龍”飛船成為首個獲得美國宇航局認證,能夠將人類送往國際空間站的私人航天器,並在當月晚些時候將4名宇航員送往軌道空間站,這種“太空出租車”的費用可能不便宜,但是該飛船的技術正在不斷升級完善。

  今年誰擁有太空管轄權的問題已處於關鍵敏感時期,截至4月份,地球軌道上已經有2666顆衛星,巨大衛星群的時代已悄然到來。今年,埃隆·馬斯克的“星鏈”項目已發射955顆軌道衛星,未來6年還將發射11000-41000顆衛星,這些巨大衛星群將帶來諸多好處:在偏遠地區更好地實現互聯網連接、更均勻地訪問數據服務等。但隨著這張人造衛星網包圍著地球,我們將不得不應對不斷增加的碰撞、空間碎片、帶寬干擾的風險,這些風險將影響地球上望遠鏡和光汙染。今年皇家天文台格林威治天文攝影師大賽最引人注目的獲獎作品是“技術監獄”,它展示了一個由衛星軌道覆蓋的壯觀夜空,2021年,誰來決定以及監管能否跟上的現實問題,將變得更加尖銳敏感。

  2、蛋白質預測

  想像一下,人們在讀樂譜,並且知道一個曲調聽起來像什麼,但沒有多少線索揭示如何演奏樂器,這就是我們在生物學上的研究,直到今年11月,人工智能公司DeepMind突然介入蛋白質預測領域,憑藉純粹的計算力,解決了一個原本很難理解的問題。

  這裏的樂譜是遺傳學基礎,基因是由DNA構成,並編碼蛋白質,所有生命都由蛋白質構成,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。但是蛋白質在三維空間中起到一定作用,精確地摺疊成團塊結構,這些酶是用於消化,是構造骨骼、肌肉和大腦的結構,這至關重要的一步是我們曾經努力過的,即理解如何將2D蛋白質加工成3D功能結構。DeepMind公司AlphaFold程式於2019年11月獲得驗證,能夠輕鬆擊敗其他所有已知的蛋白質結構預測技術。

  這是一項令人驚奇的工作,當涉及到設計藥物,簡單地瞭解蛋白質如何工作或在疾病中出錯時,弄清楚蛋白質的三維結構是至關重要的。因為這是一項人工智能解決方案,我們仍然無法真正理解該過程,但至少我們可以預測它將如何展開,科學家預測,這將是人工智能獲得的首個諾貝爾獎。

  3、基因編輯技術

  2020年諾貝爾化學獎授予了艾曼紐·卡彭特和詹尼弗·杜德納,以表彰他們發現了Crispr/Cas9基因編輯技術。Crispr/Cas9最初是一種細菌免疫系統,檢測並破壞感染細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基因編輯技術之後,全球各地的研究人員迅速意識到該系統的革命潛力,而不是針對病毒DNA,Crispr/Cas9可用於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,以適應日益多樣性的應用。該技術的通用性和易用性使基因工程成為可能,而傳統的基因操縱工具長期以來無法實現生物基因工程。

  例如:今年Crispr/Cas9工具箱已經擴大,允許對水稻和小麥等農作物進行高精度基因組修改,由於基於Crispr的方法不會在植物基因組中留下疤痕或者多餘的遺傳物質,該方法是引入有利特性的最佳方法,例如:使用傳統品種的基因序列來生產耐旱、抗蟲和其他高性能農作物。

  當然,Crispr/Cas9也進入到治療人類疾病的臨床測試領域,例如:2020年出現首個以Crispr為基礎的人類血細胞重編程的臨床試驗,從而對抗其他無法治癒的癌症。最終,Crispr再次回到其根源,作為一種病毒破壞的免疫反應:多個研究小組正在探索的可能性將Crispr/Cas9系統引入到人類細胞,特別是肺部的上皮層,摧毀入侵呼吸道病毒的遺傳物質。

  4、解決貧困、減少森林砍伐

  幾十年的經驗使從事熱帶森林保護工作的人對“雙贏”(在這種情況下,拯救環境也有助於減少貧困)持懷疑態度,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、參加健康檢查等,其理念是,這些“有條件現金轉移支付”在提高收入的同時,有助於打破貧困循環。

  研究人員研究了7000多個森林村莊如何引入有條件現金轉移,他們發現這些補償(與環境目標無關)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,雖然這不是“萬靈藥”,但帶來了希望,至少在某些情況下,減輕貧困能有助於減緩森林砍伐,這對於避免災難性氣候變化和減少生物多樣性損失是至關重要的。

  5、溫室氣體零排放

  2019年6月,當英國政府將2050年溫室氣體淨零排放目標作為法規時,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境改變。事實證明確實可以,議會、市長和政府官員不僅開始製定環保目標,而且還製定了實現計劃,到2020年2月,分析數據顯示,全球超過一半的國內生產總值(GDP)遭受氣候危機威脅,面臨著自然損失風險。2019年9月,中國宣佈淨零排放目標,日本和韓國也緊隨其後宣佈相應的減排計劃。最新氣候科學為許多國家的淨排目標提供了寶貴信息,在同一時期,最新氣候科學已經證實了對未來氣候變暖的預測,並詳細說明了隨著世界日趨變暖,我們面臨的風險也將日益增大。這使得零碳排放成為當務之急的全球性目標,它不再是一個是否存在的問題,而是一個何時存在的問題。下一場戰鬥將是汽車,我們不會通過與油耗作鬥爭而獲勝,最理想的方案是使小型電動汽車和自行車成為公認的交通工具標準,這是一場全世界都輸不起的戰鬥,而且這需要每個人切實履行一定的環保責任才能實現。

  6、創傷後應激障礙(PTSD)治療的新希望

  童年時期遭受虐待將對成年後造成嚴重心理健康危害,但更重要的是:我們小時候發生過什麼,或者我們記得什麼?2020年,一項針對美國中西部居民的縱向研究得出驚人結果:同時期法庭記錄證實,曾受到虐待或者疏於照顧的兒童,只有在成年後回憶起創傷時,其心理健康狀況才會發生惡化。能回憶童年遭受虐待的成年人,無論是否有客觀證據證明曾被虐待或被忽視,他們成年生活出現抑鬱、焦慮、創傷後應激障礙和藥物濫用的風險都將同樣增大,那些曾遭受虐待但20年後不記得的兒童,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險。

  童年遭受虐待的回憶是否是成年人心理不健康的結果,而不是原因嗎?心情抑鬱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,那麼可以證實童年遭受虐待的回憶會導致成年後心理不健康。

  儘管該研究結果令人感到吃驚,但研究人員發現主觀回憶童年虐待和心理危害之間的強烈聯繫或將為治療創傷後應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,就像治療創傷後應激障礙一樣。研究人員稱,這項最新研究表明,年輕人不應被自己消極生活經曆所定義,增強主觀意識,淡化過往灰色記憶,對於營造健康生活氛圍是至關重要的。

  7、金星上有生命嗎?

  今年9月出現許多重大科學發現,其中包括科學家宣稱在金星大氣層中發現有毒氣體磷化氫,這在天文科學領域引起了相當大的轟動,因為磷化氫可以作為生命存在的指示劑。沒人認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,至少對於地球人類而言。事實上,磷化氫並不一定是由活體生物產生的,畢竟木星表面也有磷化氫,那裡的溫度和壓力非常高,完全可以通過簡單古老的化學過程(非生物學)產生,但是金星的質量卻無法發生該過程,因此這項最新發現令科學家欣喜不已。

  今年11月,最初數據被重新分析,發現金星磷化氫的磷含量(以十億分之一單位進行計算)有所降低,但磷化氫仍然存在於金星大氣中,這令人感到不可思議。研究人員稱,很難依據當前發現的磷化氫來斷定金星生命的真實存在性,很有可能磷化氫是金星表面地質作用下含磷化合物釋放的,這些含磷化合物進入大氣後就可以形成磷化氫。

  儘管這一消息無法證實金星存在外星人,但如果我們確實在宇宙某處發現生命,很可能是這樣的:通過分析穿越大氣層的光,以及光與“生物特徵”化學物質產生的交互作用,就能發現某種含量等級“生命物質”。

  8、實驗室人造肉

  預計到本世紀中葉,地球人口總數將達到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地培育營養物質呢?現今人工飼養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。

  飲食創新是必要的,其中一些方法無需“前沿”科學技術,例如:將蛋白質營養豐富的昆蟲變成美味的食物,用植物蛋白製作人造肉。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、椰子和土豆製成,不過這些漢堡還需要一段時間進行驗證,才能獲得美食家的滿意,因為他們認為甜菜根汁是血液的糟糕替代品。

  但是生物化學家一直在取得突破,從動物身體上提取幾個細胞,然後用適當的營養物質刺激生長,就可以培育出“人造肉”。就在11月,新加坡食品監管機構批準了這種由美國初創公司Eat Just研製的“人造肉”進行市場銷售,可接受的肉類替代品在我們的飲食方式上創造了一個良性變化。它們是一種生態效益,對我們多數人而言,也是一種道德進步,未來幾代人如果回顧歷史,都會對當今工廠化畜牧技術感到吃驚不已,目前我們在這方面已取得了積極樂觀的進展。

  9、首個室溫超導體

  自從人類首次利用電能以來,一個重要的科學發現就是尋找室溫超導體,超導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髮帶來質的飛躍。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,美國羅徹斯特大學蘭加·迪亞斯帶領的一支研究小組報導了一個震驚消息——發現首個室溫超導體,但是關於室溫超導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,這相當於地球大氣壓200多萬倍,通過擠壓碳、硫和氫的化合物來顯示超導性。如此極端的條件意味著我們不能隨意地進行任何實際應用,但該發現仍是一項非常重要的科學成就。

  室溫超導體的話題將我們帶到了上世紀80年代末,賽義夫·伊斯蘭還是伊士曼柯達實驗室一位面帶稚氣的博士後研究員,當時他正在研究氧化銅超導體。他指出,發現室溫超導體具有重要意義,是科學領域的一個重要里程碑,現在的希望是不久能發現一種壓力條件較低環境下的室溫超導體。(葉傾城)

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