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這是由祝融號火星車拍攝的“著巡合影”圖。新華社發(fā)(國家航天局供圖)
2021,新冠疫情盤桓不去,百年變局疊加其上。我們每一個人都在蹣跚前行,也比以往,更加需要光。
這光,是科學。
這一年,疫情并未阻攔科學之光。你看得懂的腦機接口、火星登陸,難以理解的繆子測量、量子糾纏,以及因抗擊新冠而頻出成果的生物醫(yī)藥領域:抗病毒新藥、CRISPR療法、蛋白質預測……
我們堅信,有光在,希望就在。
腦機接口能將腦中“筆跡”轉為字句
這是一個“躺平”的實驗者。
他四肢完全不動,“純靠”想象自己腦海里有一只手在寫字,然后就真的寫出來了。這一場景在一個概念驗證型研究中已經(jīng)出現(xiàn)。
包括美國斯坦福大學科學家在內的聯(lián)合團隊今年宣布,結合人工智能成功開發(fā)出全新系統(tǒng),利用大腦運動皮層的神經(jīng)活動解碼“手寫”筆跡,并使用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡解碼方法將筆跡實時翻譯成文本,以比此前任何時候都要快很多的速度將患者“手寫”的想法轉換為電腦屏幕上的文本。
讓失去行動或說話能力的人恢復與外界的交流,其實是腦機接口技術的重要功能與目標。這個領域的一個主要研究方向是恢復大運動功能,比如拿握或抓取。然而,高度精細的動作,比如手寫或盲打,雖然能加快交流速度,但此前的交流只能通過2D計算機光標進行點選式打字來實現(xiàn),速度一直局限在每分鐘最多40個字符左右。但此次聯(lián)合團隊在研究中發(fā)現(xiàn),一位頸部以下癱瘓的研究對象在使用一種新的“手寫腦機接口”時,寫字速度能達到每分鐘90個字符,準確率為94.1%,表明了“手寫腦機接口”能準確解碼癱瘓多年患者的快速、精細動作。
迄今最精確測量結果揭示繆子行為異常
即使看不懂這一成果的內容,我們也要知道:這是物理學界的一件大事。
在美國費米實驗室進行的繆子反常磁矩實驗顯示,繆子的行為與標準模型理論預測不相符。上海交通大學繆子物理團隊參與的美國費米實驗室繆子反常磁矩實驗(Muon g-2)首批結果4月份公布,以前所未有的測量精度,為新物理的存在提供了強有力證據(jù)。
繆子的“體重”比它的近親電子重200倍,在宇宙射線穿透地球大氣層時自然產生,此外,費米實驗室里的質子加速器也可以大量制造繆子。在最新實驗中,研究人員將費米實驗室的粒子加速器產生的繆子束流送入一個直徑為15米的超導磁鐵存儲環(huán)內,強大的磁鐵使繆子保持在圓形軌道上,利用放在環(huán)內側的探測器,可以精確測量繆子的進動頻率,從而獲得了迄今最精確g-因子值,且與布魯克海文實驗室得出的測量值相吻合。
這兩個實驗結果結合起來,顯示繆子行為與標準模型之間不匹配的置信度為4.2倍標準方差,僅比5倍標準方差(科學家宣布發(fā)現(xiàn)的最終標準)略小,這是一個非常有力的證據(jù)。
而“這兩個實驗結果攜手,為新物理的存在提供了強有力的證據(jù),預示著世界上可能存在新的未知粒子或作用力?！?/p>
宏觀物體量子糾纏證據(jù)確鑿
如果說量子力學有什么令人討厭之處,那第一絕對是太難懂,第二則是“摸不著”。
人們會認為,量子這一領域很大程度上如同“想象”的學科,在現(xiàn)實中幾乎不可能看到。
實際上,量子力學不僅僅是微觀的理論,我們所知的所有物質,從根本上來說都是量子。但不得不承認,奇怪的量子效應在大于幾個原子的任何事物中都很難觀察到。因此,找尋宏觀物體的量子效應的證據(jù),也成為物理學家們的一大目標。
美國《科學》雜志5月發(fā)表兩項量子力學重磅突破:其中一項研究,科學家發(fā)現(xiàn)了宏觀物體量子糾纏的直接證據(jù),美國國家標準技術研究所團隊使用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進入量子糾纏狀態(tài)。該鋁片膜的尺寸為每張長20微米,寬14微米,厚100納米,質量為70皮克,相當于大約1萬億個原子的質量。盡管非常微小,但以量子的標準而言,它們已經(jīng)達到了相當大的尺度。
另一項研究中,芬蘭阿爾托大學等機構在8毫開爾文的溫度下,讓兩個鋁鼓膜進入長時間、相對穩(wěn)定的糾纏態(tài),實現(xiàn)了對不確定性原理的“規(guī)避”,而這正是量子力學的基本定律之一。
這兩項實驗都以確鑿的證據(jù)證明了宏觀物體也可以實現(xiàn)量子糾纏,不但有望在未來量子網(wǎng)絡中提供長期網(wǎng)絡節(jié)點,還能極大地推動暗物質與引力波探測相關技術研發(fā)。
天問一號探測器成功登陸火星
烏托邦平原,科幻中經(jīng)常出現(xiàn)的大本營、太空船的建造基地以及超級太空艦隊駐守的基地。
今年5月15日,中國天問一號探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū),中國成為第二個成功著陸火星的國家。
美國《華爾街日報》刊登標題為《成功登陸火星,中國的加冕時刻》的報道,文章稱:“中方向世界發(fā)出信號,已在星際探索能力上趕上美國,并可取代其太空領導地位?！庇蹲匀弧冯s志評論稱:中國的一次火星計劃,就做到了美國幾十年才完成的三件事:進入火星軌道、在火星表面著陸以及運行火星車。西班牙《國家報》網(wǎng)站報道稱,作為由中國自主進行的火星探測任務,天問一號探測器獲得的成功是引人注目的。英國《金融時報》網(wǎng)站報道指出,中國的太空計劃近年來加速發(fā)展,在幾十年的追趕后逐漸向美國靠攏。
天問一號探測器著陸火星首批科學影像圖,已于6月11日公布,這標志著中國首次火星探測任務取得圓滿成功。
LHC揭秘宇宙誕生瞬間的“第一種物質”
很久很久以前——在大約140億年前,宇宙從遠比現(xiàn)在更熱、更稠密的狀態(tài)轉變?yōu)榧眲∨蛎?科學家將這一過程命名為“大爆炸”。盡管已經(jīng)知道這種快速膨脹創(chuàng)造了粒子、原子、恒星、星系以及生命,但一切是如何發(fā)生的,細節(jié)依然未知。
現(xiàn)在,科學家想告訴你們這一切是如何開始的。
丹麥哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所科學家利用大型強子對撞機(LHC),揭示了宇宙大爆炸第一個0.000001秒內發(fā)生的新細節(jié),即第一個微秒內一種特殊的等離子體發(fā)生了什么。
這是“最開始”的故事?？茖W家們研究了一種叫做夸克—膠子等離子體的物質,它是在大爆炸第一個微秒內存在的唯一物質,它的獨特經(jīng)歷是:首先,等離子體被宇宙熱膨脹所分離;然后,夸克碎片重組為所謂的強子;一個有3個夸克的強子組成一個質子,是原子核的一部分,這些也是構成地球、人類和現(xiàn)今包容著我們的宇宙的基礎核心。
科學家現(xiàn)在能夠看到夸克—膠子等離子體是如何從原來的物質狀態(tài),演變?yōu)樵拥暮诵暮蜕幕?其相關細節(jié)無疑為我們今天所知的宇宙演變提供了一塊重要“拼圖”。
CRISPR基因編輯對人類療效首次證明
能被稱為里程碑的科學事件不多,但今年首個人體內CRISPR基因編輯臨床試驗結果公布,且療法安全有效,這就被認為是一個里程碑式的事件。
治療轉甲狀腺素蛋白(TTR)淀粉樣變性多發(fā)性神經(jīng)病的CRISPR基因編輯療法NTLA-2001,在Ⅰ期臨床試驗中取得積極結果:單劑NTLA-2001導致血清中的TTR水平平均下降87%,最大可達96%。這是首批支持體內CRISPR療法安全性和效果的臨床數(shù)據(jù),被認為有望開啟醫(yī)學新時代。
開展這項研究的公司之一Intellia Therapeutics,就是因CRISPR而獲諾獎的詹妮弗·杜德娜創(chuàng)辦的。NTLA-2001通過非病毒脂質納米顆粒遞送,可以特異性敲除TTR基因,從而降低TTR蛋白的表達,試驗結果令人振奮。
也是在今年,CRISPR技術另一突破是改善了遺傳性失明,美國Cedars-Sinai醫(yī)學中心的一項研究首次證明,一種新技術可通過去除遺傳缺陷治療遺傳性疾病,阻止患有一種遺傳性失明的大鼠的視網(wǎng)膜變性。研究小組專注于遺傳性視網(wǎng)膜色素變性,這種退行性眼病可能導致失明,目前還沒有可治愈的方法,但研究人員使用了一種叫做CRISPR/Cas9的技術,刪除一個可導致失明的遺傳突變。雖然這項研究采用的是大鼠,但它依然對人類有潛在影響。
豬腎首次成功植入人體
為什么是豬?
與靈長類動物猴子、猿相比,豬在器官獲取方面更有優(yōu)勢:容易飼養(yǎng),產仔數(shù)多,成熟得也快,6個月內就可達到成人體型大小,更重要的,在器官移植倫理方面爭議較小。幾十年來,豬的心臟瓣膜已被成功移植到人體內,也有豬胰島細胞注射進人體內治療糖尿病的成功案例。
早期的研究表明,豬的腎臟在非人靈長類動物體內可存活長達一年,但這是第一次在人類患者身上進行嘗試。
9月,在美國紐約大學朗格尼醫(yī)學中心,研究人員進行了一場被稱為異種器官移植的手術。移植器官腎臟來源于一頭轉基因豬,它被移植入一位腦死亡的志愿者體內。移植后的腎臟工作了54小時。在此期間,研究人員觀察到,志愿者的尿液和肌酐水平“正常且與人類腎臟移植手術中的水平相當”,而且未見身體的排異反應。領導這項研究的移植外科醫(yī)生亦表示,移植腎功能的測試結果正常且超出預期。
科學家其實一直在研究使用動物器官進行移植的可能性,但在如何防止人體立即排異的問題上一直受阻。如今,基因編輯技術讓豬的器官不被人體排異成為可能。這是一項潛在的重大突破,這一被稱為“變革時刻”的醫(yī)學進步,未來可能為成千上萬需要器官移植的患者帶來新希望。
可對抗新冠病毒變異的特效藥不斷出現(xiàn)
在今年,幾個佶屈聱牙的希臘字母,每個人都能說得順溜無比。
最早在印度被發(fā)現(xiàn)的新冠病毒變異毒株德爾塔,在2021年快速傳播,這一毒株不但傳染性強,感染者更易發(fā)展成重癥。另一個變種奧密克戎,則最早于11月9日在南非首次檢測到,世界衛(wèi)生組織將其定義為第五種“值得關切的變異株”,其在全球總體風險被評估為“非常高”。
但也是在今年,抗新冠強效藥出現(xiàn),人們看到了疫苗之后的另一線曙光。
數(shù)據(jù)顯示,美國默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋,可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風險降低30%。如果在出現(xiàn)癥狀的3天內開始服用,輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332將使住院率降低89%?？茖W家們強調,抗病毒藥物不能取代疫苗接種,但它們仍然至關重要。如果新的奧密克戎變體導致突破性感染激增,它們的重要性將更加突出。
12月8日,中國首家自主知識產權新冠病毒中和抗體聯(lián)合治療藥物獲批。最新披露的三期臨床試驗最終結果顯示,聯(lián)合治療將門診患者的住院和死亡風險降低了80%。更為獨特的是,該聯(lián)合用藥給出了長達10天的黃金救治期(國際上其他新冠治療用藥臨床試驗多設計為5天內救治)。
首個可自我繁殖活體機器人問世
為圖永續(xù)生存,生命必須繁衍。
數(shù)十億年來,生物體為了延續(xù)生命已經(jīng)進化出多種繁衍方式。但在12月,美國佛蒙特大學和塔夫茨大學研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式,并利用這一發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了有史以來第一個可自我繁殖的活體機器人——Xenobots 3.0。
去年,該研究團隊用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚和心臟細胞組裝成一種全新的生命形式,創(chuàng)造出全球首個活體機器人“Xenobots”。此次全新升級的Xenobots 3.0僅有毫米寬度,既不是傳統(tǒng)的機器人,也不是一種動物,而是活的、可編程的有機體。如果將足夠多的異種機器人放置在培養(yǎng)皿中彼此靠近,它們會聚集并開始將其他漂浮在溶液中的單個干細胞堆疊起來。于是,多達數(shù)百個干細胞在它們如同吃豆人形狀的“嘴”中組裝了“嬰兒”異種機器人。幾天后,這些“嬰兒”就會變成外觀和動作都跟母體一樣的新異種機器人。然后,這些新的Xenobots可再次出去尋找細胞,并建立自己的“副本”,就這樣周而復始,不斷復制。
它完全打破了人們對于機器人這一詞的理解。但這種機器人未來或可為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個性化的藥物治療。
AI能“構想”新蛋白質結構
使用人工智能(AI)預測蛋白質結構的研究,在今年非?；鸨?。但這里我們說的不是預測,而是構想。
半個世紀以來,科學家一直在尋找解決“蛋白質折疊問題”的方法。這是生物學領域的一項重大挑戰(zhàn),難倒了幾代科學家。但現(xiàn)在,AI解決了這一問題。
包括美國華盛頓大學、倫斯勒理工學院和哈佛大學研究人員在內的小組,于12月份描述了一種升級的阿爾法折疊系統(tǒng),其由深度思維公司開發(fā),會“構想”出具有穩(wěn)定結構的新蛋白質。研究人員向AI提供了完全隨機的蛋白質結構的氨基酸序列,并向其中引入一些突變,直到AI神經(jīng)網(wǎng)絡預測到它們能將其折疊成穩(wěn)定的結構為止,最終共產生了2000種全新的蛋白質序列。
全程中,科學家都沒有引導AI得出特定結果,這些新的蛋白質結構完全是計算機“構想”出來的。這是AI網(wǎng)絡在根據(jù)氨基酸序列確定蛋白質三維結構方面取得的巨大飛躍,極大地促進了人們對細胞基本結構的理解。
同樣是在今年,“阿爾法折疊2”還宣布其預測的蛋白質結構能達到原子水平的準確度,這一精準的預測算法可以讓蛋白質結構解析技術跟上基因組革命的發(fā)展步伐。(科技日報 記者張夢然)
