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《科学》公布2016十大进展

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-03-19 编辑:经典散文

作者:冯李飞资料来源:科学网发布日期:2016/12/25 2233 6027 336017

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《科学》宣布2016年十大进展

每年12月,《科学》杂志(英文报告原件)宣布年度突破和最终结果。以下是今年的十大突破和赢家,没有按照特定的顺序排列。

1。时空波纹震撼科学

今年发现时空波纹(引力波)震撼科学。它完成了阿尔伯特爱因斯坦100年前所做的预测,结束了40年来对如此微小涟漪的探索。但是故事还没有结束。科学家认为这一发现是一个新领域的诞生:引力波天文学。

1915年,爱因斯坦解释说,重力的产生是因为巨大的天体扭曲了时间和空间(或时间和空间),导致自由落体沿着弯曲的路径运动,例如抛球的弧线或恒星围绕其恒星的椭圆轨道。爱因斯坦随后计算出杠铃形状的质量分布会像指挥棒一样首尾相连地旋转,并在空间和时间上产生以光速运动的波纹。2月11日,在华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的孪生天文台LIGO工作的物理学家宣布,他们观察到了爱因斯坦的预测:当两个离地球13亿光年的黑洞合并时,产生了一系列涟漪。

胜利来之不易。爱因斯坦本人对引力波的存在犹豫了几十年。每个LIGO干涉仪有两个4千米长的臂,臂的末端有镜子。它们位于一个巨大的真空室内。通过在镜子之间反射激光,物理学家可以将手臂的长度与光子直径的十分之一进行比较。LIGO发现,经过的引力波伸展手臂的量不同。第一个信号和计算机模型之间的密切合作,在历史上第一次证明了爱因斯坦的引力理论,即广义相对论。

2。邻近的系外行星正在移动

天文学家在离太阳系最近的比邻星发现了一颗小行星。这个新世界被认为是详细研究系外行星的最佳机会,研究人员正在试图找出它的样子。

半人马座比邻星光频率的微妙变化揭示了这颗名为比邻星的行星。监测这颗恒星的天文学家发现,由于光的多普勒频移,它的光以11.2天的频率周期性地增加和减少,因为这颗看不见的行星不断地将这颗恒星拉离地球。目前,科学家只知道比邻星(Proxima B)相当于至少1.3个地球,它的轨道非常接近它的恒星也许只有太阳和地球之间距离的5%。但这并不意味着它很热,因为这颗恒星是暗红色矮星,天文学家认为它的表面可能冷到足以允许液态水存在。然而,它的可居住性并不理想:比邻星是一颗任性的恒星,可能会用强烈的太阳风、x光和紫外线轰击这颗行星。

天文学家正在观察比邻星B是否会在比邻星之前经过。如果是这样的话,半人马座比邻星亮度的降低可能会揭示行星的半径,从而了解它的质量和密度,而穿过大气层的星光可以告诉我们它是由什么组成的。然而,简单的几何形状使得这种“转变”很难发生只有1.5%的机会,到目前为止还没有获得检测结果。现在,科学家需要等待为未来10年设计更好的空间和地面望远镜。

3,人工智能野外展示技能

今年,人工智能已经走过了一个重要的里程碑。名为“阿尔法围棋(AlphaGo)”的程序在五场比赛中击败了世界第二围棋手。这不是人工智能第一次在游戏中击败人类。20年前,小发猫的深蓝色电脑在围棋比赛中击败了加里卡斯帕罗夫,并在接下来的一年中在六场比赛中击败了世界冠军。然而,相似之处仅限于此。

围棋规则比象棋更直接:你所要做的就是把相同颜色的棋子放在围棋网上,并通过包围对手的棋子来占据地盘。然而,这种简单性和开放性导致参与者考虑的步骤非常多,超过了已知宇宙中的原子。这使得深蓝这样的人工智能需要依靠围棋专家的手动编码策略来评估击败围棋手的每一个可能的步骤。

相反,由谷歌位于伦敦的子组织深度思考(Deep Thinking)设计的阿尔法狗(Alpha Dog)研究了数千万种人类之间玩的围棋游戏,并将这些下落的步伐用作其学习公式的数据。然后“阿尔法狗”会再玩一次,或者玩一些稍微不同的版本,使用一种叫做深度强化学习的策略来反复锻炼象棋策略。最终结果是人工智能不仅克服了蛮力计算,而且采用了类似人类直觉的东西。

4。杀死旧细胞,永远保持年轻

昂贵的整形手术不会阻止你的衰老,声称让你看起来像21岁的膳食补充剂、睾丸素注射液或抗皱霜也不会。但是今年,研究人员已经证明一种方法可以延缓时间造成的损害,至少在老鼠身上。当它们有选择地移除受损细胞时,这些动物会活得更长,随着年龄的增长会更健康。

科学家瞄准的这些衰弱细胞经历了部分关闭,即老化,因此失去了分化能力。研究人员认为,细胞老化可以防止致癌细胞产生肿瘤,但也会加速老化。随着年龄的增长,越来越多的细胞将停止繁殖,从而剥夺了人体组织替换死亡或受伤细胞的能力。老化的细胞也能引起诸如异常细胞生长和炎症等问题。

第一项研究表明,消除衰老细胞可以带来健康和长寿的益处,至少对中年小鼠来说是如此,相关结果于今年2月发表。这些动物心脏和肾脏的退化速度减慢,直到它们生命结束时肿瘤才出现。一些与年龄相关的衰老,如记忆和肌肉协调,并没有得到缓解。然而,这些啮齿动物的寿命比未经治疗的同类动物长20%。10月,该小组集中研究动脉斑块免疫细胞中聚集的老化细胞。去除这些可能导致小鼠动脉粥样硬化的细胞可以减少小鼠动脉中脂肪的积累60%。

5。能读心的巨猿

今年,大猩猩展示了他们的读心术,而在过去,这被认为只有人类才能掌握。这种能力被称为“心理理论”,能够理解他人的欲望、意图和知识。一些测试表明,人类的近亲有足够的洞察力来欺骗相似的大猩猩或理解其他相似大猩猩的动机。但是直到现在,他们还不能完成判断他人错误信仰的任务。

在一个经典的错误信念实验中,一个孩子会看到有人把巧克力藏在盒子里,然后离开房间。然后另一个人溜了进来,把糖果藏在其他地方。那么,第一个人会在哪里寻找目标呢?那些猜测“在第一个盒子里”的孩子会通过测试:通过被称为读心术的能力,他们意识到第一个人有错误的信仰。这项技能被认为对欺骗、同情、启迪和语言的使用非常重要。

今年,研究人员通过大猩猩、倭黑猩猩和猩猩进行了另一个版本的实验。这些灵长类动物看了一部关于金刚的电影,在这部电影中,金刚从一个人身上偷了一块石头,并把它藏在两个盒子中的一个里。一个人知道,但是当金刚威胁他的时候,他逃跑了。当他逃跑的时候,金刚也离开了石头。问题是,当这个人再次回来时,他会在哪里找到这块石头?

研究人员利用红外线眼球运动来观察猩猩的注意力集中在哪里。结果,几乎所有的猩猩都在观察这个人一开始误以为石头藏在哪里。然而,并不是每个人都相信这个研究结果,但是随后的研究可能并不局限于大猩猩。眼睛跟踪方法也可以应用于其他动物的面部。

6。计算软件“人工蛋白质

蛋白质是生命的基础”的设计。它们可以加速重要的化学反应,使肌肉发挥力量,在细胞之间和细胞内部进行交流,并防止细菌滋生。考虑到蛋白质的这些特性,研究人员一直希望培养蛋白质。他们通过对生物体的脱氧核糖核酸编码进行微小的改变来修饰许多现存的蛋白质。今年,研究人员将蛋白质修饰提高到了一个新的水平:他们创造了一套不同于自然界中任何蛋白质的设计蛋白质,为新药和新材料铺平了道路。

从头开始设计一种新的蛋白质一直是一个不确定的“输赢”问题。编写任何想要的脱氧核糖核酸代码都很容易,但是研究人员无法知道由这种脱氧核糖核酸编码的新氨基酸链是如何折叠成复杂的三维形状的。这是一个问题,因为对于蛋白质来说,形状决定功能。然而,最近计算生物学家在设计计算机软件方面取得了令人兴奋的进展,该软件可以准确预测设计蛋白质如何折叠。这些发展使得今年设计蛋白质成为可能。

今年2月,由华盛顿州研究人员领导的一个研究小组利用这个项目设计了一种潜在的通用流感疫苗,它可以同时刺激针对所有流感病毒株的免疫防御。7月,一个包括许多参与上述研究的研究人员的团队创造了一种可以自我组装成空笼子的蛋白质。在未来,它可能会充满药物或脱氧核糖核酸片段来治疗某些疾病。另一个团队使用类似的程序来制作三维可折叠的核糖核酸分子,这就提出了类似蛋白质和核糖核酸蛋白质复合物的折叠问题,为新的研究开辟了可能性。现在,研究人员希望利用这些技术创造新的方法,从新的生物传感器到去除大气二氧化碳。

7。实验室制作老鼠卵

今年,日本研究人员用完全在实验室容器中生长的卵细胞制作小老鼠。这项研究给了“试管婴儿”一个新的含义。这一长期追求的目标为研究人员提供了一种研究卵子发育的新方法,并增加了在实验室用几乎任何种类的细胞(包括基因改变的细胞)制作人类卵子的可能性。这种可能性激发了不孕症治疗的新希望,但也带回了对设计婴儿的恐惧。

2012年,同一组研究人员进行了第一个关键实验:他们利用干细胞制造受精卵细胞。然而,这种方法仍然需要将未成熟的卵子植入活老鼠体内来完成发育。今年,研究人员发现了一种在实验室制作鸡蛋的方法。他们不需要将未成熟的卵植入小鼠体内,而是在从胎鼠卵巢收集的细胞群中培养它们。该小组随后将这些实验室培育的卵子与小鼠精子混合,并将它们的胚胎植入“养母”体内。其中,只有3%的胚胎发育成完整的幼仔,这些幼仔都发育成能够生育后代的健康成年人。

如果科学家能利用人类干细胞进行类似的实验,它将发展成为一些不孕妇女的新疗法。它甚至可以将雄性后代的干细胞培养成卵子。

8。“”一波非洲移民将人类带到这个世界的故事是由流浪的习惯驱动的。现代智人出生在非洲,10万年前传播到地球的偏远角落,与已经生活在这些地方的人相遇并融合。但是研究人员一直在争论现代人何时以及如何离开非洲:是一波移民还是一波又一波移民?

2016年,大量基因组数据显示,生活在非洲以外的大多数人来自一次移民。任何先前的迁徙都被上次大迁徙淹没了。在一系列三篇文章中,研究土着人的研究人员收集并分析了生活在世界偏远角落的许多人的基因组信息,包括澳大利亚、巴布亚新几内亚和非洲以前罕见的土着人样本。他们追踪记录在这些基因中的人类远古分支。

其中一项研究分析了来自澳大利亚的83个基因组,澳大利亚长期以来一直被认为是分批到达的独特地方。脱氧核糖核酸分析显示,与先前的推测相反,澳大利亚最初只在一次移民中定居下来。此外,澳大利亚土着和欧亚混血儿的祖先大约同时从非洲分散开来,大概在7万年前,这表明他们是第一个在分离前离开非洲的人。另一项研究分析了142人的基因组,他们还报告说,大约5万年前,古人曾离开非洲一次,然后在不同的地方分裂成“非非洲人”,但确切的时间还不清楚。

第三项研究分析了来自125人的379个基因组,也报告了相同的迁移模式,只有一个转变:巴布亚新几内亚只有2%的基因组可能来自一群早些时候,或大约10万年前离开非洲的人。

9,纳米孔基因测序技术领先

今年,因为一种用于基因测序的手持设备被广泛使用,基因测序正在成为生物学领域的一种常用工具,无论是在实验室还是在野外。它已经发表了一系列的研究论文。

这个装置使用一种被称为纳米孔测序的突破性技术来直接读取脱氧核糖核酸信息:当一系列脱氧核糖核酸通过一个狭窄的孔时,这些底物可以以一种独特且可读的方式改变离子电流。与传统测序相比,其优势在于这种纳米孔测序仪的启动成本相对较低,可以从理论上解释基因;无限长。基因组不需要被切断,这些序列最终可以被计算机整合。此外,由于该装置快速便携,可在几小时内测量序列,可用于生物监测、临床诊断、区域性疾病流行调查等领域。

纳米孔测序已经发展了几年。经过一年多的beta测试,英国牛津纳米孔技术有限公司今年开始向市场推出第一批设备。目前,已有30多篇基于相关设备的论文上传到预印生物网站bioRxiv。

研究人员可以区分埃博拉病毒和其他病毒,对肠道微生物进行测序,并在数小时内分析5300万个玉米真菌和害虫基因组单位。研究人员在12月初宣布,他们也用它来测序人类基因组。国际空间站的宇航员甚至用它对土壤中的微生物混合物进行测序。从事这项工作很长时间的研究人员指出,在同行评议文章中很少看到类似的进展,但有些人认为今年是测序技术变革的一年,这让从未想过自己能进行基因研究的人有了更多的遐想。

10,超级镜头带来美好前景

玻璃镜头是人类最早的高科技发明之一。它们使伽利略能够看到木星的卫星,安东尼范勒文泰格能够观察微生物,数百万人能够更清楚地看到世界。但是今天的镜头仍然以和几个世纪前一样粗糙的方式生产。玻璃和其他透明材料被抛光和抛光,以集中光线而没有色差。现在,镜头技术向前迈出了一大步。今年,研究人员使用计算机芯片模式技术制造了第一批超材料透镜,这种技术可以聚焦整个可见光谱。因为超级透镜制造成本更低,比纸更薄,比玻璃更轻,它们将彻底改变一切,从显微镜到虚拟设备和相机(包括你智能手机的相机镜头)。

超材料由一系列微小的柱状、环形和其他材料结构组成,当光波通过时,这些结构可以对光波起作用。近年来,研究人员设计了基于超材料的“不可见屏蔽体”,这种屏蔽体可以让光线远离物体,还有滤光器和天线。然而,超透镜最早的成功仅仅是在红外光和其他较长的光波波段,这种模式技术从透明材料到可见光都不起作用。

今年,研究人员发现如何使用传统的芯片模式技术,即原子层沉积技术,精确排列柱状二氧化钛阵列模式。这些柱子只有600纳米高,在可见光下是透明的,可以将物体聚焦和放大170倍。研究小组通过用超透镜制作全息图和进行详细的光谱学验证了它们的特性,为其他潜在的应用开辟了道路。(李冯公主)

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