2021《科学》十大年度突破,哪一项最惊艳?接地气的解读来啦

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不知不觉2021 年又过去了。今天我要盘点一下 2021 年整年最重要的科技新闻。说到这个年度科学突破,很多机构或者媒体都会来评选。不过,《科学》杂志每年评选的年度十大科学突破比较权威,也具有代表性。所以我就把《科学》杂志评选的 2021 年度 10 大科学突破来说道一下。

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10. 人造胚泡有望减少伦理争议

我解释一下,“胚泡”这个词是专门为这条新闻发明的一个新词。你对“胚胎”这个词一定不陌生,所有的动物最初都是由一个受精卵开始发育的,受精卵发育一段时间后,就会变成一个胚胎。胚胎的研究价值很大,可以帮助科学家们解决很多重大问题。但如果用人类胚胎进行科学研究,科学家将面临很多伦理方面的问题,人们接受不了把胚胎当做研究对象,觉得这样很不人道。

毕竟胚胎再往下发育那就是一个婴儿了。而这项新的科学突破,就是科学家们找到一种被称为“胚泡”的胚胎替代品,这样就有可能减少伦理方面带来的争议,这是生物学领域一项非常重大的突破性进展。

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9. CRISPR 基因编辑疗法对人类的疗效首次被证明

这个所谓的 CRISPR 疗法是一种基因编辑疗法,如今这个话题也很热门。就在去年,基因编辑疗法显示出了对镰刀形细胞贫血症和β-地中海贫血症可能有效,但当时医生还不敢在人体上直接使用这种编辑疗法。

道理很简单,所谓的基因编辑,就是利用特殊的基因剪刀对人体的DNA进行修剪拼贴。为了治疗某种疾病,就必须在基因的某个精确的位置进行剪裁拼贴。如果下刀的地方搞错了,剪歪了,那就麻烦大了,你也不知道会造成什么后果,这种情况术语上叫“脱靶”。

但是,今年科学家们对患有“转甲状腺素淀粉样变性病”的病人进行了基因编辑疗法的测试,现在看来,效果很不错,没发生什么脱靶的情况,这次试验意义重大,因为这是CRISPR基因编辑首次在人体内进行测试。

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8. 缪子实验可能突破标准模型

这是属于理论物理学范畴的,物理学中站在金字塔尖的学问。我们并不需要知道太多细节,先大致感受一下气质就可以了。简单来说,就是今年的4月7日,美国费米国家加速器实验室进行了一次缪子反常磁矩实验。科学家们发现缪子的行为与标准模型理论预测不相符。反正就是和现有的写在教科书中的物理理论不太相符

不过你可千万别认为,出现这种情况,科学家们会不爽。恰恰相反,对于这种意外,科学家们简直是喜出望外。因为这也就意味着他们有机会发现新的不寻常的物理机制了。

换句话说,已经拥有 50 年历史的标准模型,也就是教科书中的物理理论有可能面临着新的挑战和突破,而科学家们是最喜欢挑战的一群人了。

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7. 火星内部结构首次被揭示

科学家们主要依靠对火星地震的测量,弄清了火星内部的结构。美国人发射了洞察号探测器,它的任务就是监听火星地下的地震波。它一共记录了733次火星地震。火星的构造其实跟地球属于同一个类型,就像鸡蛋一样。表面有一层薄薄的鸡蛋壳,再往下是蛋清,核心部分是蛋黄。地球的内部也可以大致分为地核、地幔、地壳3部分。

火星比地球小得多,科学家们根据洞察号提供的35次地震数据,大致计算出了火星的外壳有多厚,内核有多大。别看火星半径只有3390千米,大致为地球的一半。但是外壳却比地球还要厚一点,厚的地方有70千米,薄的地方只有24千米。火星有一个半径1830千米的内核,但是核心却很轻,看来火星内部缺少重元素。这就是和地球不一样的地方了。

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6. 单克隆抗体治疗传染病

所谓的单克隆抗体就是人体的一种免疫细胞制造出来的抗体,简称叫单抗。你可以理解为是我们人体自身制造出来的维和警察,专门用来对付各种入侵人体的坏东西。所以,抗体可以用来治病。科学家们用单抗来对付新冠病毒,或艾滋病病毒或疟疾寄生虫方面,都有不错的效果。

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5. “摇头丸”可治疗创伤后应激障碍(PTSD)

有些人遭受了严重的侵害,比如说遭遇了车祸、战争,或者地震海啸。要不就是亲人突然死亡等猝不及防的事,他的生理上和心理上都遭到了巨大的创伤。这种严重的创伤不仅会直接伤害到人的身心健康,而且哪怕伤害已经消除了,事情已经过去了,可是创伤造成的后遗症还会折磨着当事人。PTSD指的就是这些复杂的后遗症。有些人在遭遇严重伤害之后,会经常做噩梦,性格也会出现很大的变化。会长期失眠。他们需要避免会引起回忆的场景。

不过最近科学家们发现,有一种叫“摇头丸”的毒品对患有PTSD的患者很有效。不禁感慨,一个化学物质用不对地方是毒品,用对了地方就能治病救人,关键是看如何正确使用,用在了什么地方。

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4. 抗新冠口服药物问世

新冠病毒仍然肆虐,最近出现的的奥密克戎新变种又一次把大家弄得人仰马翻。所以研发能够对付新冠的药物也就变成了头等大事。

美国默克公司研发出了一种药物叫莫奈拉韦,辉瑞公司研发了一种叫帕罗维德的药物,这两种药物对付新冠肺炎,都很有效。

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3. 核聚变实现历史性突破

2021年8月,美国国家点火装置(NIF)产生了一种核聚变反应,这种反应产生的能量大于点燃它所需的激光能量。

美国的这个国家点火装置拥有世界上最强大的激光器,它会产生192束超强的激光,然后这些激光汇聚到一个点上,也就差不多只有胡椒粒大小的一个小球上。这个小球里面含有氚和氘两种核聚变材料,这些核材料会引发核聚变反应。但是,以前我们做类似的实验都是入不敷出的,也就是激光发出的能量比核聚变产生的能量还要大,这就好像挣钱的速度没有花钱的速度快,那怎么可能存下钱来呢?

这就意味着以前的核聚变实验都是消耗的电力比能发出的电力还要大,所以都不可能有实用价值。

但这次不一样了,这次科学家们终于让产生的能量大于输入的能量了。虽然大了没多少,但这依然是受控核聚变历史上的一个里程碑事件。

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2. 解锁古老泥土中的 DNA 宝库

过去科学家们要分析远古时代的DNA,总要找到点遗骸、毛发之类的东西.现在科学家们发现,有一部分生物的DNA被混进了泥土里,埋在了地下。如果能分析出泥土之中的DNA信息,那么我们就能知道很多远古时代的事儿。

就在今年,研究者从西班牙的一个山洞沉积物之中提取出了DNA信息,他们发现了尼安德特人的踪迹。DNA信息显示,在冰川期结束的那个时代,尼安德特人的一个谱系代替了其他几个谱系。大概的意思就是说,来了一伙外来户,杀死或者赶走了本地人。

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1. 人工智能预测蛋白质结构

蛋白质的样子,从微观上来说,就是一团有机大分子,它是构成生命的基本零件,每一种蛋白质都有一个特定的三维结构,但这种三维结构有一个特殊之处,它一定是由一根长长的链条折叠而成的。

要清楚蛋白质的三维结构,你只需要去玩一种叫“百变魔尺”的玩具,立即就能理解了。不知道大家玩过没有,百变魔尺是一节一节的,每一节都可以做各个角度的翻转,因此,你可以把一根长长的魔尺折叠成各种各样的形状,魔尺的节数越多,能够折叠出的形状数量就会呈指数级的增长。

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组成蛋白质的基本单元是氨基酸,它就像魔尺的一个“节”。蛋白质在刚刚生成的时候,就像一根长长的几十到几百节的魔尺。然后,它会在几微秒到几毫秒的时间内,迅速地折叠成一个特定的形状。因此,在电子显微镜中,每一个蛋白质就像是一团乱麻。

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决定一个蛋白质性状和功能的,就是构成蛋白质的氨基酸序列和蛋白质最终折叠成的形状。比如,我们的免疫系统在面对病毒和细菌入侵时,就会产生一种“Y”字形的抗体蛋白。它们的形状就像是一个抓娃娃机的夹子,能够精确瞄准并夹住这些入侵者。

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所以对于一个蛋白质,科学家们最感兴趣的是两个信息:一是蛋白质的氨基酸序列,你可以想象成魔尺的那些“节”;另一个则是蛋白质的结构,也就是魔尺折叠后的形状。序列信息不难获得,但结构信息却极难获得。但结构信息恰恰又更重要,因为如果知道了一个未知蛋白质的结构,就可以更准确地理解它在细胞中的作用。如果这个蛋白质与某种疾病相联系,那么科学家们就能根据它的结构形状,开发出相应的药物。

以前,科学家想要弄清楚一个蛋白质的三维结构,唯一的办法只能是耗费巨大的人力、物力,用极其笨拙的方法,通过大量的重复性实验来找到蛋白质的三维结构。反正就是做大量的实验。

但后来,一帮计算机科学家找到了一个新的办法,就是利用氨基酸的序列信息来算出蛋白质的结构,不用做实验。不过,它的计算难度很高,计算量也超级巨大。20 多年前,计算机科学家们就在努力完成这项挑战,每年都会前进一些,但计算结果的准确度始终无法超过做实验得出的结果。

但今年,谷歌公司取得了重大突破,他们开发的一个叫 AlphaFold(阿尔法折叠)的计算机程序,可以非常准确地预测蛋白质结构,取得了突破性的进展。这个阿尔法折叠其实就是那个第一次打败围棋世界冠军的阿尔法狗的程序的亲兄弟。

这项革命性突破,解决了持续 50 年的重大生物学难题,难怪科学杂志把它放在了第1位,这个冠军的含金量还是很足的。

尾声

我祝愿科学家们明年能在更多的领域取得突破,最好超过今年,不知道能不能实现。

新年钟声快敲响了,平安喜乐,明年见!

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