目前,科学家挑选出2020年全球重大科学突破,其中包括:AI人工智能技术、食物领域、太空技术,以及最新新冠病毒响应,展示了科学力量如何改变全球后疫情时代。

 1、太空旅行

 2020年,太空竞赛发生了显著变化,今年5月份,SpaceX公司“龙”飞船发射升空,这是私人飞行器首次将宇航员运送至国际空间站。该飞船对人们留下了深刻印象,但其外观平平……光滑白色内壁取代了复杂的传统仪表板,很明显飞船上的两名试飞员仅是乘客,他们对飞机没有直接的控制权。今年11月,“龙”飞船成为首个获得美国宇航局认证,能够将人类送往国际空间站的私人航天器,并在当月晚些时候将4名宇航员送往轨道空间站,这种“太空出租车”的费用可能不便宜,但是该飞船的技术正在不断升级完善。

 今年谁拥有太空管辖权的问题已处于关键敏感时期,截至4月份,地球轨道上已经有2666颗卫星,巨大卫星群的时代已悄然到来。今年,埃隆·马斯克的“星链”项目已发射955颗轨道卫星,未来6年还将发射11000-41000颗卫星,这些巨大卫星群将带来诸多好处:在偏远地区更好地实现互联网连接、更均匀地访问数据服务等。但随着这张人造卫星网包围着地球,我们将不得不应对不断增加的碰撞、空间碎片、带宽干扰的风险,这些风险将影响地球上望远镜和光污染。今年皇家天文台格林威治天文摄影师大赛最引人注目的获奖作品是“技术监狱”,它展示了一个由卫星轨道覆盖的壮观夜空,2021年,谁来决定以及监管能否跟上的现实问题,将变得更加尖锐敏感。

 2、蛋白质预测

 想象一下,人们在读乐谱,并且知道一个曲调听起来像什么,但没有多少线索揭示如何演奏乐器,这就是我们在生物学上的研究,直到今年11月,人工智能公司DeepMind突然介入蛋白质预测领域,凭借纯粹的计算力,解决了一个原本很难理解的问题。

 这里的乐谱是遗传学基础,基因是由DNA构成,并编码蛋白质,所有生命都由蛋白质构成,我们可以很容易地阅读遗传密码,将基因翻译成基本蛋白质。但是蛋白质在三维空间中起到一定作用,精确地折叠成团块结构,这些酶是用于消化,是构造骨骼、肌肉和大脑的结构,这至关重要的一步是我们曾经努力过的,即理解如何将2D蛋白质加工成3D功能结构。DeepMind公司AlphaFold程序于2019年11月获得验证,能够轻松击败其他所有已知的蛋白质结构预测技术。

 这是一项令人惊奇的工作,当涉及到设计药物,简单地了解蛋白质如何工作或在疾病中出错时,弄清楚蛋白质的三维结构是至关重要的。因为这是一项人工智能解决方案,我们仍然无法真正理解该过程,但至少我们可以预测它将如何展开,科学家预测,这将是人工智能获得的首个诺贝尔奖。

 3、基因编辑技术

 2020年诺贝尔化学奖授予了艾曼纽·卡彭特和詹尼弗·杜德纳,以表彰他们发现了Crispr/Cas9基因编辑技术。Crispr/Cas9最初是一种细菌免疫系统,检测并破坏感染细菌的病毒传播的特定基因序列。

 2012年卡彭特和杜德纳首次描述Crispr/Cas9基因编辑技术之后,全球各地的研究人员迅速意识到该系统的革命潜力,而不是针对病毒DNA,Crispr/Cas9可用于精确地追踪生物基因组的任何位置,特别是剪切和修改基因组,以适应日益多样性的应用。该技术的通用性和易用性使基因工程成为可能,而传统的基因操纵工具长期以来无法实现生物基因工程。

 例如:今年Crispr/Cas9工具箱已经扩大,允许对水稻和小麦等农作物进行高精度基因组修改,由于基于Crispr的方法不会在植物基因组中留下疤痕或者多余的遗传物质,该方法是引入有利特性的最佳方法,例如:使用传统品种的基因序列来生产耐旱、抗虫和其他高性能农作物。

 当然,Crispr/Cas9也进入到治疗人类疾病的临床测试领域,例如:2020年出现首个以Crispr为基础的人类血细胞重编程的临床试验,从而对抗其他无法治愈的癌症。最终,Crispr再次回到其根源,作为一种病毒破坏的免疫反应:多个研究小组正在探索的可能性将Crispr/Cas9系统引入到人类细胞,特别是肺部的上皮层,摧毁入侵呼吸道病毒的遗传物质。

 4、解决贫困、减少森林砍伐

 几十年的经验使从事热带森林保护工作的人对“双赢”(在这种情况下,拯救环境也有助于减少贫困)持怀疑态度,一项令人惊讶的最新研究表明,旨在减少贫困的计划,可显著减少森林砍伐。

 许多低收入和中等收入的国家向贫困家庭提供福利金的条件是,贫困家庭必须确保其子女上学、参加健康检查等,其理念是,这些“有条件现金转移支付”在提高收入的同时,有助于打破贫困循环。

 研究人员研究了7000多个森林村庄如何引入有条件现金转移,他们发现这些补偿(与环境目标无关)减少了大约30%的森林砍伐,如果该计划旨在避免森林砍伐,这将是一个非常行之有效的环保措施。

 解决全球贫困问题和减缓热带森林砍伐是我们面临的两个重大挑战,虽然这不是“万灵药”,但带来了希望,至少在某些情况下,减轻贫困能有助于减缓森林砍伐,这对于避免灾难性气候变化和减少生物多样性损失是至关重要的。

 5、温室气体零排放

 2019年6月,当英国政府将2050年温室气体净零排放目标作为法规时,人们可能怀疑英国首相特里萨·梅的立法举措是否会带来环境改变。事实证明确实可以,议会、市长和政府官员不仅开始制定环保目标,而且还制定了实现计划,到2020年2月,分析数据显示,全球超过一半的国内生产总值(GDP)遭受气候危机威胁,面临着自然损失风险。2019年9月,中国宣布净零排放目标,日本和韩国也紧随其后宣布相应的减排计划。最新气候科学为许多国家的净排目标提供了宝贵信息,在同一时期,最新气候科学已经证实了对未来气候变暖的预测,并详细说明了随着世界日趋变暖,我们面临的风险也将日益增大。这使得零碳排放成为当务之急的全球性目标,它不再是一个是否存在的问题,而是一个何时存在的问题。下一场战斗将是汽车,我们不会通过与油耗作斗争而获胜,最理想的方案是使小型电动汽车和自行车成为公认的交通工具标准,这是一场全世界都输不起的战斗,而且这需要每个人切实履行一定的环保责任才能实现。

 6、创伤后应激障碍(PTSD)治疗的新希望

 童年时期遭受虐待将对成年后造成严重心理健康危害,但更重要的是:我们小时候发生过什么,或者我们记得什么?2020年,一项针对美国中西部居民的纵向研究得出惊人结果:同时期法庭记录证实,曾受到虐待或者疏于照顾的儿童,只有在成年后回忆起创伤时,其心理健康状况才会发生恶化。能回忆童年遭受虐待的成年人,无论是否有客观证据证明曾被虐待或被忽视,他们成年生活出现抑郁、焦虑、创伤后应激障碍和药物滥用的风险都将同样增大,那些曾遭受虐待但20年后不记得的儿童,与从未被虐待或者被忽视的儿童相比,没有更大的精神问题风险。

 童年遭受虐待的回忆是否是成年人心理不健康的结果,而不是原因吗?心情抑郁的人可能会对自己的生活感到消极无奈,会有偏见地记住糟糕的事情。然而,研究人员称,如果他们将回忆时有精神障碍的人排除在外,那么可以证实童年遭受虐待的回忆会导致成年后心理不健康。

 尽管该研究结果令人感到吃惊,但研究人员发现主观回忆童年虐待和心理危害之间的强烈联系或将为治疗创伤后应激障碍带来新的希望。我们的感知和记忆塑造了我们对自己和他人的看法,这些主观意识是可以被塑造的,就像治疗创伤后应激障碍一样。研究人员称,这项最新研究表明,年轻人不应被自己消极生活经历所定义,增强主观意识,淡化过往灰色记忆,对于营造健康生活氛围是至关重要的。

 7、金星上有生命吗?

 今年9月出现许多重大科学发现,其中包括科学家宣称在金星大气层中发现有毒气体磷化氢,这在天文科学领域引起了相当大的轰动,因为磷化氢可以作为生命存在的指示剂。没人认真考虑过在金星上存在外星生命的可能性,这是一个非常可怕的星球,至少对于地球人类而言。事实上,磷化氢并不一定是由活体生物产生的,毕竟木星表面也有磷化氢,那里的温度和压力非常高,完全可以通过简单古老的化学过程(非生物学)产生,但是金星的质量却无法发生该过程,因此这项最新发现令科学家欣喜不已。

 今年11月,最初数据被重新分析,发现金星磷化氢的磷含量(以十亿分之一单位进行计算)有所降低,但磷化氢仍然存在于金星大气中,这令人感到不可思议。研究人员称,很难依据当前发现的磷化氢来断定金星生命的真实存在性,很有可能磷化氢是金星表面地质作用下含磷化合物释放的,这些含磷化合物进入大气后就可以形成磷化氢。

 尽管这一消息无法证实金星存在外星人,但如果我们确实在宇宙某处发现生命,很可能是这样的:通过分析穿越大气层的光,以及光与“生物特征”化学物质产生的交互作用,就能发现某种含量等级“生命物质”。

 8、实验室人造肉

 预计到本世纪中叶,地球人口总数将达到90亿,怎样才能在不破坏生物多样性、不消耗过多能源的情况适当地培育营养物质呢?现今人工饲养的鸡和火鸡生物量已超过野生物种,而人类所吃禽类的生物量是野生哺乳动物的10倍以上。

 饮食创新是必要的,其中一些方法无需“前沿”科学技术,例如:将蛋白质营养丰富的昆虫变成美味的食物,用植物蛋白制作人造肉。2015年,加州一家名为Impossible Foods的公司从2015年开始销售牛肉汉堡,主要是由小麦、椰子和土豆制成,不过这些汉堡还需要一段时间进行验证,才能获得美食家的满意,因为他们认为甜菜根汁是血液的糟糕替代品。

 但是生物化学家一直在取得突破,从动物身体上提取几个细胞,然后用适当的营养物质刺激生长,就可以培育出“人造肉”。就在11月,新加坡食品监管机构批准了这种由美国初创公司Eat Just研制的“人造肉”进行市场销售,可接受的肉类替代品在我们的饮食方式上创造了一个良性变化。它们是一种生态效益,对我们多数人而言,也是一种道德进步,未来几代人如果回顾历史,都会对当今工厂化畜牧技术感到吃惊不已,目前我们在这方面已取得了积极乐观的进展。

 9、首个室温超导体

 自从人类首次利用电能以来,一个重要的科学发现就是寻找室温超导体,超导体是一种电阻为零的材料,它能为低损耗电线或者磁悬浮列车的开发带来质的飞跃。但是这些材料通常只有在极冷的温度下才会显示这种独特属性——比室温低50摄氏度的条件。

 今年10月,美国罗彻斯特大学兰加·迪亚斯带领的一支研究小组报道了一个震惊消息——发现首个室温超导体,但是关于室温超导体存在的条件十分苛刻,需要使用一个金刚石压腔,大约270亿帕的超高压力,这相当于地球大气压200多万倍,通过挤压碳、硫和氢的化合物来显示超导性。如此极端的条件意味着我们不能随意地进行任何实际应用,但该发现仍是一项非常重要的科学成就。

 室温超导体的话题将我们带到了上世纪80年代末,赛义夫·伊斯兰还是伊士曼柯达实验室一位面带稚气的博士后研究员,当时他正在研究氧化铜超导体。他指出,发现室温超导体具有重要意义,是科学领域的一个重要里程碑,现在的希望是不久能发现一种压力条件较低环境下的室温超导体。