科普｜2020年十大科學發現和十大科學突破分別是……

廣東科技發布

廣東省科學技術廳

在T2K實驗中，位於日本神岡天文台的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）

日本T2K中微子合作組織的研究發表於4月15日的《自然》雜志，報告了輕子破壞粒子-反粒子鏡像對稱（也稱為CP對稱）的可能發現。輕子的CP破缺難以觀測，卻可以利用中微子進行搜索。中微子有三種"味"，由它們所關聯的帶電輕子（電子、μ子或τ子）決定，並且可以在運動過程中從一種味轉變為另一種味。如果CP對稱守恒，μ中微子到電中微子轉換的振蕩概率將與反μ中微子到反電中微子轉換的振蕩概率相同。在T2K實驗中，位於日本神岡天文台的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）。實驗測量了μ中微子到電中微子轉換的振蕩概率，結果在95%的置信水平上排除了CP守恒，這可能是宇宙中物質-反物質不對稱性起源的最早標志。

原始論文：Nature 580， 339-344（2020）。

02南極上空臭氧層修複使高速氣流停止漂移

20世紀80年代中期，科學家在南極上空發現了春季大氣臭氧層空洞，這揭示了人類制造的臭氧消耗物質（ODSs）對大氣層的威脅。位於海拔10到20公里處的南極臭氧層空洞也影響了南半球大氣環流，進而影響地表的氣候。最明顯的一個趨勢是，夏季的高速氣流開始向極地移動。高速氣流是行星尺度的大氣環流現象，地球上有數條環繞的高速氣流帶。1987年的《蒙特利爾議定書》及其隨後的修正案禁止了臭氧消耗物質的生產和使用。因此，大氣中臭氧消耗物質濃度正在下降，臭氧層已經出現初步的恢複跡象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧層開始恢複以來，空洞相關的環流效應已經停止。以前曾有人注意到這種環流效應停止的趨勢，但Banerjee等人首次正式將其歸因於《蒙特利爾議定書》的影響。

原始論文：Nature 579， 544-548（2020）。

03史前愛爾蘭貴族墓葬遺址發現亂倫證據

紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由複雜的工程技術建造而成

愛爾蘭都柏林三一學院的Cassidy等人研究了農耕社會的社會結構，重點研究了被埋葬在石隧墓（歐洲的一種通道式巨石墓葬建築）中的古代貴族。紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由複雜的工程技術建造而成，墓室在一條很長的石砌通道的盡頭。在陵墓入口上方有一個像窗一樣的開口，在一年中白天最短的那天（冬至），這個開口可以讓陽光照進墓室。研究人員對墓中發現的古代人類遺骸進行了DNA分析，揭示了一場罕見且出人意料的亂倫事件。大約5000年前埋葬在紐格蘭奇墓室的一名男子是一樁亂倫婚姻的後代：他的父母要麼是兄弟姐妹，要麼是父母與子女。這一發現讓研究小組推測，與這座宏偉陵墓有關的貴族們可能是通過亂倫來維持其血統。

原始論文：Nature 582， 384–388 （2020）。

04衛星圖像繪制地球樹木地圖

Brandt等人的論文報道了他們對覆蓋西非西撒哈拉和薩赫勒地區超過130多萬平方公里的高分辨率衛星圖像的分析結果，他們繪制了大約18億棵樹木的位置和大小。在此之前，科學家還從未在如此大的區域內繪制出如此精細的樹木地圖。商業衛星已經開始收集數據，能夠捕捉到大小在1平方米或以下的地面物體。陸地遙感領域因此即將迎來根本性的飛躍：從側重於綜合景觀尺度的測量，到有可能在大範圍或全球尺度上繪制每棵樹的位置和樹冠大小。這一進展無疑也將根本性地改變我們思考、監測、模擬和管理全球陸地生態系統的方式。

原始論文：Nature 587， 78–82 （2020）。

05殺死潛伏的HIV病毒

導致艾滋病的HIV病毒可以長期"潛伏"在宿主細胞中，幾乎不進行轉錄，因此不會被免疫系統發現。在《自然》雜志1月同期發表的兩項研究中，報道了被稱為"激活並殺死"（Shock and kill）的治療策略，旨在扭轉這種潛伏期，通過增加病毒基因的表達（激活），使被感染細胞更容易被免疫系統消滅（殺死）。兩組研究人員都描述了在動物模型中的干預措施，這可能是迄今為止報道的最有效的激活手段，而且是可重複的。Nixon及其同事使用了一種名為AZD5582的藥物，用於激活轉錄因子NF-κB——HIV-1基因表達的主要刺激因子。McBrien等人則將兩種免疫干預措施結合起來，先通過抗體療法耗竭CD8+ T細胞（降低病毒轉錄水平的免疫細胞），再進行N-803藥物治療，該藥物可激活HIV-1的轉錄。除了這些進展，這兩項研究還展示了用藥物逆轉病毒潛伏相關的概念和技術挑戰。

原始論文：Nature 578， 154-159 （2020）；Nature 578， 160–165 （2020）。

06基因編輯破解挑食之謎

一種學名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食，是什麼讓這個物種如此挑食？

一種學名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食。與其他喜歡各種水果的果蠅相比，是什麼讓這個物種如此挑食？Auer等人利用基因組編輯工具CRISPR-Cas9破解了這個謎題。他們發現，相比其他果蠅，D。sechellia體內表達氣味受體22a蛋白（Or22a）的感覺神經元格外豐富，而Or22a氨基酸序列的微小變化正是果蠅D。sechellia偏愛諾麗果的關鍵原因。他們還發現了其他幾種可能導致這種簡單行為轉變的演化改變。即使是喜歡臭水果的小小果蠅，也能有力地揭示大腦如何演化出複雜的行為。

原始論文：Nature 579， 402-408（2020）。

07銀河系中的快速射電暴

發表在11月《自然》雜志上的三篇論文報道了對一個快速射電暴（FRB）現象的探測，顯示其來源位於銀河系內。有趣的是，快速射電暴伴隨著X射線的爆發。這一發現是通過綜合了多台太空望遠鏡和地面望遠鏡的觀測結果得出的。顧名思義，"快速射電暴"是指一種瞬態的無線電波明亮脈沖，爆發持續時間約為毫秒級。研究者於2007年首次發現了這一現象，由於存在時間很短，使得探測它們並確定其在天空中的位置變得異常困難。這是第一個被探測到具有除無線電波外輻射的快速射電暴，也是該現象在銀河系內的首次發現。這三項觀測也首次證實了磁星是快速射電暴的來源之一，這是目前唯一被觀測驗證的可產生快速射電暴的天體。值得一提的是，其中一篇論文來自中國的研究團隊，第一作者為北京師範大學的林琳博士，觀測結果則是來自中國"天眼"——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。

原始論文：Nature 587， 54–58 （2020）；Nature 587， 59–62 （2020）；Nature 587， 63–65 （2020）。

08冷凍電鏡達到原子分辨率

Yip等人和Nakane等人報道了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰圖像，首次確定了蛋白質中單個原子的位置

結構生物學的一個基本原理是，一旦研究人員能夠以足夠的分辨率直接觀察到大分子，就有可能理解其三維結構與生物功能之間的聯系。在今年10月《自然》雜志同期發表的兩項研究中，Yip等人和Nakane等人報道了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰圖像，首次確定了蛋白質中單個原子的位置。兩個小組使用的硬件都經過改良，突破了以往cryo-EM成像在分辨率上的限制。隨著這些技術的發展，cryo-EM圖像信噪比的提高將擴展冷凍電鏡技術的適用性。也許這些技術的融合將使cryo-EM的結構測定達到甚至超越1埃（0.1納米）的分辨率——這在過去幾乎是不可能實現的成就。

原始論文：Nature 587， 157–161 （2020）；Nature 587， 152–156 （2020）。

09干擾素缺乏可導致新冠重症

在9月在線發表於《科學》的兩篇論文中，Zhang等人和Bastard等人闡明了影響感染新冠病毒後是否發展為重症的一個關鍵因素——干擾素尤其是I型干擾素（IFN-I）的缺乏。這種缺乏可能由不同原因導致，比如編碼關鍵抗病毒信號分子的基因發生遺傳突變，或由於抗體與I型干擾素結合並使其"中和"。I型干擾素缺乏如何導致危及生命的重症COVID-19？最直接的解釋是這種缺乏導致病毒不受控制地複制和傳播。另一方面，I型干擾素缺乏也可能對免疫系統功能有其他影響。IFN-I誘導通路基因突變的個體將從提供干擾素的治療中受益。此外，那些對IFN-α和IFN-ω具有中和性抗體的人也可能受益於治療中提供的其他類型的干擾素，如IFN-β和IFN-λ。

原始論文：Science 370， eabd4570 （2020）；Science 370， eabd4585 （2020）。

10壓力為何會使頭發變白？

這是《自然》雜志"新聞與觀點"欄目在2020年讀者瀏覽最多的一項研究報道。目前對壓力對頭發變白的相對作用尚不完全清楚。頭發的顏色由黑素細胞決定，這些細胞來自於毛囊凸起部分的黑色素幹細胞（MeSCs）。這篇發表於1月《自然》雜志的論文是哈佛大學許雅捷團隊的成果，第一作者是張兵博士。研究報告稱，在壓力引起的"戰鬥或逃跑"反應中，交感神經系統的神經元會釋放出神經遞質分子去甲腎上腺素；在極端應激或高水平去甲腎上腺素暴露下，黑色素幹細胞的增殖分化顯著增加，導致黑色素細胞大量遷移，遠離毛囊隆突區，但由於沒有替代的幹細胞，便導致頭發變白。這項研究將有助於了解壓力如何影響其他的幹細胞，也為尋找阻止和逆轉壓力的方法提供了線索。

原始論文：Nature 577， 676-681（2020）。

《Science》：2020年十大科學突破

當地時間12月17日，美國《科學》雜志公布了其評選出的2020年十大科學突破，其中，新冠疫苗的研發居於榜首，另外9項研究則囊括艾滋病、室溫超導、CRISPR治療遺傳性疾病、全球變暖等多個領域。

《科學》雜志在文章中表示，盡管2020年全球多國飽受新冠肺炎疫情重創，但科學家們仍竭盡所能開展研究，而這些研究成果，正是疫情中綻放出的希望之光，將指引著他們未來做出更大貢獻。

無與倫比的一年 圖源science

01新冠疫苗點亮希望之光

圖片說明：疫苗為人類帶來希望之光。

2019年末發現的新型冠狀病毒以驚人的速度席卷全球。當全世界陷入恐慌之時，1月12日，中國科學家向世界公布了新冠病毒的基因組，為全世界科學家尋找應對和治愈新冠肺炎疫情奠定了基礎，研制新冠疫苗的工作也拉開了序幕！　

此後，多名科學家紛紛投身於新冠肺炎疫苗的研制工作！截至12月10日，全球有162種候選疫苗正處於研發階段，其中52種候選疫苗已經進行臨床試驗，有些疫苗已經公布了三期臨床試驗的結果。此外，今年與新冠病毒相關的研究論文激增。截至12月中旬，在同行評審期刊上發表的論文超過20萬篇，而在非同行評審期刊上發表的文章更多。

全球各國仍在為遏制新冠肺炎疫情而努力，超160萬條鮮活生命的離開也凸顯了人類的脆弱性。同時也警醒我們，只有齊心協力，科學才能夠發揮出最大作用。　　

英國惠康基金會主席、前牛津大學熱帶病學教授傑裏米法拉說："我希望人類在凝視深淵後會變得更加聰明，意識到人類是多麼的脆弱，這也將激勵整整一代人投身科學事業。"

02CRISPR首次成功治愈兩種遺傳性血液病

圖片說明：CRISPR技術打敗了鐮狀血細胞。

2012年，顛覆性的基因編輯工具CRISPR橫空出世，它賦予研究人員編輯農作物和動物的強大力量，為科學研究和生物醫學領域帶來新一輪革命，成為《科學》雜志2015年十大科學突破之一，並摘得今年諾貝爾化學獎的桂冠。　　

今年，這一"基因魔剪"再次向世界展示了其"魔力"：首次成功治愈β地中海貧血和鐮刀型細胞貧血症這兩種遺傳性血液病。　　

為治療三名鐮狀細胞病患者，研究人員從每名病人身上采集了不成熟的血細胞——血幹細胞，然後用CRISPR靶向沉默一個"關閉"開關——這個開關在成人體內會停止胎兒形態血紅蛋白的產生，而這種血紅蛋白可對抗鐮狀突變的影響。在病人接受化療清除病血幹細胞後，經過CRISPR處理過的細胞被重新注入患者體內。　　

開展試驗的兩家公司12月報告稱，這些患者17個月前接受治療，現在正產生大量胎兒血紅蛋白。此外，這些公司為7名正常輸血治療β地中海貧血的患者提供這種治療後，這些病患就不需要輸血了。　　

研究人員指出，這種新療法可與向幹細胞中添加血紅蛋白DNA治療這兩種疾病的基因療法相媲美。

03科學家反對種族偏見，支持多樣性

今年5、6月份，反對種族偏見的抗議在美國愈演愈烈，不僅普通民眾，就連科研人員也參與其中。今年6月10日，全球有5000多名科學家罷工，聲援在美國發生的Black Lives Matter（BLM）抗議活動。兩家著名學術期刊《科學》和《自然》與他們一起停止營運。

04全球變暖趨勢日益明晰

圖片說明：全球變暖途徑日益清晰。　

40多年前，全球頂尖氣候科學家齊聚美國馬薩諸塞州，試圖厘清一個簡單的問題：如果人類繼續排放溫室氣體，地球會變得多熱？最基本的氣候模型顯示，如果大氣中的二氧化碳含量比工業化前翻一番，地球最終將變暖1.5到4.5攝氏度。　　

今年，來自世界氣候研究計劃署的25名科學家將氣候敏感區間縮小到2.6到3.9攝氏度之間。這項研究排除了一些最壞的情況，但它幾乎確認氣候變暖會淹沒沿海城市、加劇極端熱浪、使數百萬人流離失所。　　

研究人員期待這些清晰的前景激發我們的行動！大氣中的二氧化碳含量已達到百萬分之420，離560 ppm的翻番點已過半。因此，除非我們在氣候變化問題上采取更積極行動，否則人類可能在2060年達到這一閾值。

05發現快速射電暴來源械

圖片說明：磁星是中子星，其磁場強度是地球磁鐵的1億倍。　　

快速射電暴（FRB）是來自遙遠星系的短而強的無線電波閃爍，其究竟"鄉關何處"？13年來這一問題吸引了無數天文學家"競折腰"。　　

今年11月，中外科學家刊文稱，他們結合多個衛星及地面望遠鏡獲得數據認為，銀河系內的一顆磁星SGR 1935+2154是今年觀測到的一個快速射電暴的起源。這是人類首次確定一個快速射電暴的起源，也是首次在銀河系內觀測到快速射電暴。　　

盡管研究快速射電暴的天文學家相信他們終於找到了一名"肇事者"，但他們仍然不清楚磁星是如何產生快速射電暴。研究人員認為，它們可能來自磁星表面附近，因為磁場線斷裂並重新連接。或者它們可能來自更遠的地方，因為沖擊波撞擊進入帶電粒子雲內，產生了類似激光的無線脈沖。具體是哪種情況？我們目前只能拭目以待。　　

06世界上最古老的狩獵場景面世

圖片說明：世界上最古老的狩獵場景面世。

去年12月，澳大利亞科學家報告了一幅在印度尼西亞發現的洞穴藝術畫作，這幅作品描繪了一些類人形象狩獵豬和水牛的畫面。研究人員使用鈾系法，為這幅4.5米寬的岩石藝術作品進行了測年，結果發現其至少可追溯至4.4萬年以前，是迄今已知的最早狩獵場景。　　

研究人員認為，畫中出現半獸人可能表明，印度尼西亞的洞穴藝術早在人類首次在歐洲進行藝術創作之前，就表現了關於人與動物聯系的宗教式思考。

07AI首次精准預測蛋白質三維結構

圖片說明：人工智能首次精准預測蛋白質三維結構　　

50年來，科學家們一直致力於解決生物學領域最大的挑戰之一：預測一系列氨基酸在"變身"為工作蛋白質時會折疊成何種精確三維形狀。今年，他們實現了這個目標。　　

12月1日，谷歌旗下的"Deepmind"公司宣布，其新一代AlphaFold人工智能系統在國際蛋白質結構預測競賽（CASP）上擊敗了其餘參會選手，精確預測了蛋白質的三維結構，准確性可與冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）、X 射線晶體學等實驗技術相媲美。　　

研究人員指出，鑒於蛋白質的精確形狀決定了它的生化功能，這一新進展可以幫助研究人員發現疾病的發病原理，開發新藥，甚至創造出耐旱植物和更便宜的生物燃料。

08"精英控制員"控制艾滋病病毒

圖片說明：HIV將自己寄生在宿主的DNA內。　　

與所有逆轉錄病毒一樣，艾滋病病毒（HIV）會將其遺傳物質整合到人類染色體內，在那裏創造出"儲存庫"，免疫系統無法檢測到，抗逆轉錄病毒藥物也無能為力。　　

盡管如此，HIV藏身於何處會產生不一樣的結果。今年，一項針對64名HIV精英控制者進行的研究表明，在沒有使用抗逆轉錄病毒藥物的情況下，他們體內的病毒載量仍然非常低，這揭示了病毒在整合到基因組中位置的重要性。　　

研究人員稱，雖然對這些"精英控制者"的新認知不會直接導致治愈艾滋病，但它開啟了一種新策略，可以讓其他感染者在沒有治療的情況下活幾十年。

09首個室溫超導體面世

圖片說明：科學家在一種氫、硫和碳混合物上觀察到室溫超導性。

自1911年超導首次發現以來，尋找能在室溫條件下達到的超導體一直是眾多科學家競相追求的目標。　　

此前研究表明，富氫材料在高壓下可以將超導溫度提高至零下2攝氏度左右。此次，美國科學家在最新研究中將可以實現零電阻的溫度提高到了15攝氏度，但這是在2670億帕斯卡壓力下的一個光化學合成三元含碳硫化氫系統中實現的。這一發現促進了室溫超導體的研究工作——這類材料可以帶來重大技術變革並節約大量能源。

10鳥類的聰明程度超出人們的想象

圖片說明：鳥類的聰明程度超出人們的想象。　　

今年發表的兩項研究表明，鳥類的聰明程度超出我們的想象。其中一項研究表明，鳥類大腦的一部分類似於人類的大腦皮層——人類智力的來源。另一項研究表明，小嘴烏鴉的意識比研究人員想象得還要高，而且其或許能有意識地進行思考。　　

這種"感覺意識"是人類所自我意識的一種基本形式，它在鳥類和哺乳動物中的存在向研究人員表明，某種形式的意識可以追溯到3.2億年前，可以追溯到我們最後的共同祖先。　　

今年全球各國人民一起經曆了一場大疫情，正如加繆在其名著《鼠疫》中寫到的："沒有真知灼見就不會有真正的善和高尚的愛"，而科學正是獲得真知灼見的鑰匙，也是人類打敗疫情的希望。

來源：綜合自新浪探索、科技日報、Nature、Science、銳動源