編者按
馬克斯·普朗克科學促進學會（Max Planck Institute for the Advancement of Science，MPIAS，簡稱馬普學會）是德國政府資助的全國性學術機構，主要從事自然科學和人文科學的基礎研究。為了向公眾及其資助者介紹馬普研究所開展的科學研究狀況，馬普學會每年以年鑑的形式發布科學研究亮點報告，展示其最重要的科學進展。2019年12月，馬普學會官網發布了本年度具有重大社會意義或引起媒體巨大反響的研究亮點，以饗讀者。本報告就其主要內容進行摘編。
一、有史以來最高能量的γ射線爆發
Gamma-ray bursts with a high radiant power
γ射線爆發（GRB）是宇宙中最強大的爆炸。它們以γ射線發出大部分能量，這種射線比我們用眼睛看到的可見光更有活力，持續時間幾秒，最多幾分鐘。γ射線爆發可能是由超新星（大質量恆星的爆發）及中子星或黑洞的融化引起的，其本身通常產生比可見光多幾千到一百萬倍的高能，只能從衛星上觀測到。雖然太空觀測站已經能夠觀測證明具有更多能量的單個光子的存在，但是，脈衝束髮射到什麼能量水平，以及是否包括非常高能量的伽馬射線，迄今仍然是一個謎。
最近，天文學家在《自然》雜誌上發表文章，證明他們已經觀測到兩次能量輸出量無與倫比的γ射線爆發。拉帕爾馬島（La Palma）上的兩臺MAGIC望遠鏡記錄到了迄今最強烈的γ射線爆發GRB 190114x。納米比亞的H.E.S.S.陣列的28米望遠鏡報告了對另一個高能爆發的GRB 180720B的觀測。通過這些觀測，天體物理學家成功證明了長期以來的一個假設：這種在最高能量範圍內的宇宙閃光確實會發光。
二、色塊會使自動駕駛車輛偏離軌道
Color patch could throw self-driving vehicles off track
德國圖賓根大學（Tübingen）的一個研究小組發現，基於深度神經網絡的光流系統容易受到「攻擊」。計算機視覺專家警告全球汽車製造商，一個簡單的顏色模式可能會導致自動駕駛汽車的計算機視覺系統失靈。該發現對自動駕駛行業產生顛覆性影響，它向研發自動駕駛技術的汽車製造商表明，他們需要訓練自己的系統以應對此類「攻擊」。
印在T恤上、保險槓貼紙上或展示在購物袋上的色塊可能成為自動駕駛汽車的一個安全問題。研究人員測試了幾種不同光流系統的穩健性。這些系統被用於自動駕駛汽車、機器人、醫學、視頻遊戲或導航等領域。光流系統描述的是車載攝像機捕捉到的場景中的運動。機器學習的最新進展為計算這種運動提供了更快更好的方法。但這項新的研究表明，這種計算運動的機器算法很容易受到幹擾，只需在場景中放置一個列印的圖案，就可能導致算法認為場景的大部分都在向錯誤的方向移動。
三、博登湖鳥類數量嚴重下降
Birds in serious decline at Lake Constance
博登湖鳥類學工作組和馬普動物行為研究所的一項研究結果表明，在過去的30年裡，博登湖周圍的鳥類數量快速減少，這個地區已經減少了12萬對鳥。1980年，該地區仍生活著約46.5萬對鳥，而到2012年，這一數字已降至34.5萬對，減少了25%。曾經很常見的鳥類，如麻雀、黑鳥和椋鳥，現在也在迅速減少。許多其他種類的種群數量太少，在博登湖地區由於棲息地縮小導致無法生存。
造成這種現象的主要原因是農業、林業等人類生產活動造成鳥類糧食短缺。人類對昆蟲的滅殺對鳥類影響巨大，高效的收割方法幾乎沒有留下任何種子給食草動物。此外，大面積草地的頻繁刈割、單作的農業生產、冬糧的早熟、排水設施的建設及休耕地的短缺，破壞了許多物種的棲息地。科學家呼籲重新考慮農業和林業政策，以應對生物多樣性的迅速喪失。
四、新化石揭示「露西」祖先的臉
A face for Lucy’sancestor
南方古猿湖畔種（A.anamensis）是已知的南方古猿屬（Australopithecus）中最早的一個物種，被認為是「露西」南方古猿的祖先。以往的研究工作主要從下顎和牙齒中了解南方古猿湖畔種。直到克利夫蘭自然歷史博物館和馬普進化人類學研究所的研究小組在衣索比亞Afar地區的Woranso-Mille古生物遺址發現了第一個非常完整的380萬年前的南方古猿湖畔種的頭蓋骨（MRD）。
研究小組開展了15年的現場考古工作，於2016年2月發現了頭蓋骨。古人類學家對其進行了核磁共振成像分析，地質學家則致力於確定標本的年齡和背景。這塊具有380萬年歷史的頭蓋骨化石代表了410萬—360萬年前，南方古猿湖畔種（A.anamensis）進化產生了南方古猿阿法種（A.afarensis）。
MRD及之前從Afar地區獲得的其他化石，顯示了南方古猿湖畔種和南方古猿阿法種共存了約10萬年。這種時間上的重疊挑戰了之前人們普遍接受的這兩個早期人類祖先之間的線性過渡的觀念。
五、全球變暖可能減少植物的遺傳多樣性
Global warming may diminish plant genetic variety
馬普發育生物學研究所、圖賓根大學、馬德裡技術大學和加州大學伯克利分校組成的科研小組研究了從歐洲500多個地理位置收集的擬南芥種群。在西班牙和德國乾燥的條件下種植這些植物，揭示了個別植物對高溫和乾旱的反應。研究人員特別感興趣的是，基因突變的獨特融合如何使同一物種的不同個體抵抗實驗模擬的極端氣候。通過將這些數據與預測未來幾十年溫度和降水量在地理上如何變化的模型結合起來，了解植物生物多樣性將如何受到人類活動引起的氣候變化的影響。研究結果表明，隨著降水量的減少和氣溫的升高，特別是在地中海和北歐之間的所謂過渡地帶，歐洲大陸的許多主要植物種群將不具備生存必需的基因突變條件，只有少數植物物種能夠應對日益嚴重的乾旱環境。
六、老年人健康的生物標誌物
Biomarkers indicate health in old age
當科研人員研究衰老的分子基礎時，通常研究蠕蟲、果蠅或老鼠等模式生物。馬普老齡生物學研究所與萊頓大學醫學中心的老齡化研究人員合作，將模式生物的老齡化研究成果與人類老齡化的原因聯繫起來，利用血液中的一組生物標誌物來確定老年人的疾病易感性。研究人員在44168人的血液樣本中尋找老齡化生物標誌物，經過深入的分析，他們得到了一組由14種物質組成的生物標誌物，包括各種胺基酸和膽固醇水平、脂肪酸平衡水平和炎症指標等。該研究結果可以幫助在臨床研究中評估老年人的疾病易感性，並可能用於模式生物的延緩衰老乾預研究。
七、樺尺蛾幼蟲通過皮膚感知環境顏色
Caterpillars perceive colour through their skin
樺尺蛾（Biston betularia）的幼蟲和植物細枝很難區分。幼蟲不僅模仿樹枝的形狀，而且模仿樹枝的顏色。在一項新的研究中，英國利物浦大學和德國馬普化學生態研究所的研究人員發現，樺尺蛾幼蟲可以通過皮膚感知樹枝的顏色。被蒙上眼睛的幼蟲會改變它們身體的顏色以匹配它們所處的背景。當被賦予可選擇的背景顏色時，蒙著眼睛的幼蟲仍然會移動到與它們相似的背景。研究人員還發現，視覺所需的基因不僅在毛毛蟲的眼睛中表達，而且在它們的皮膚中表達。
八、休息時大腦會重現做決策時的經歷
While resting, our brain replays experiences we made while making decisions
大腦的決策會導致大腦特定的活動模式。近日發表在《科學》雜誌上的一篇文章揭示了海馬體是如何學習，並將某些經歷連接到記憶中的。馬普人類發育研究所和普林斯頓大學的研究人員發現，當大腦在完成決策後休息時，海馬體會「重現」之前同樣的活動模式，直到其被內化。在這類重放事件的過程中，模式被激活的順序與它們在決策過程中發生的順序相同，但可能以更快的速度進行。
海馬體是位於顳葉皮層內邊緣的一個區域，在學習和記憶過程中起關鍵作用。在實驗中，33名受試者躺在核磁共振掃描儀中進行了40分鐘的複雜決策任務。在這一過程中，研究人員記錄了位於大腦最前部的眶額皮質區域和海馬體的活動。每種類型的決策都會出現一種特定的神經模式。每組任務完成後，參與者被告知休息5分鐘，安靜地躺在掃描儀裡。然後，研究人員觀察在一項複雜的決策任務之後，休息時間的大腦中到底發生了什麼。結果顯示，海馬體重新激活或重演，與先前決策任務中觀察到的活動模式相同。
九、火災削弱了熱帶雨林的系統穩定性
Fires weaken tropical rainforests for years
這是第一次研究森林是否能夠從氣候惡化的壓力中恢復，如火災和乾旱。來自伍茲霍爾研究中心、亞馬遜環境研究所和馬普生物地球化學研究所的一組科學家在巴西亞馬遜Tanguro牧場研究站進行了14年的測量，研究了一組熱帶森林在火災後的動態。這幾片森林在2004—2010年被實驗性地燒毀（每年燒毀1次，3年燒毀1次，還有1片未燒毀的對照區），然後在2012年被風暴破壞。研究表明，7年內，森林與大氣之間的碳和水循環已恢復到火災前的水平，但森林本身仍在衰退，大型老樹仍在消失，取而代之的是生長迅速的年輕樹種。不僅樹木總生物量減少了，而且這些地塊更容易遭到風暴的破壞。這項研究的指向遠不止亞馬遜地區，因為農業和伐木業的發展威脅著全世界的森林，氣候變化也阻礙了森林的自我恢復。世衛組織2015年的一項研究顯示，氣候變化預計將增加風暴和乾旱等幹擾的頻率和強度。更頻繁的幹擾將阻礙生物量和生物多樣性的恢復。
十、阿片類藥物危機
The opoid crisis and its children
馬普人口研究所的科研人員發現，近年來，美國因藥物濫用導致的死亡率持續上升，大大降低了美國人的預期壽命。2014—2016年，美國男性的預期壽命下降了約1/4年，女性的預期壽命下降了約一半。其中，47%的男性和36%的女性的死亡可歸因於藥物濫用。這種現象具有強大的隊列群體效應，已蔓延到20—60歲的幾乎所有年齡段的男子。需要採取行動來減少這一部分本可避免的死亡。
十一、邁向常溫超導的又一重大進展
Another major step towards room-temperature superconductivity
超導材料能無損耗傳輸電能，但其應用卻因超導態嚴苛的低溫要求受限。因此，實現室溫超導成為科學家的重要目標。如今，他們離這一目標越來越近。美國和德國科學家組成的研究小組在《自然》雜誌發表論文稱，他們實驗證實高壓下的氫化鑭在250開（開代表絕對溫標開爾文，250開約為-23℃）下中具有超導性。而-23℃是迄今為止超導材料中已證實的最高臨界溫度。在這之前，高溫超導的記錄是-70℃。
十二、第一個黑洞圖像
First-ever image of a black hole
黑洞是具有重力的巨大緻密宇宙物體，以致於它能捕獲並消耗了周圍所有的物體，包括光。由於它不反射任何光線，因此黑洞通常隱藏在清晰的視野中，完美地偽裝在空隙的墨黑色上。但是，通過對周圍的熱氣、明亮發光的氣體雲進行成像，由200多名科學家組成的EHT小組捕獲位於Messier 87 （M87）中心的超大黑洞的輪廓，首次成功拍攝了一個黑洞。這個由8個地面射電望遠鏡組成的全球網絡，聚焦在距地球約5500萬光年的Messier 87星系。為了能夠在這樣非常遙遠的距離捕獲數據並保持讀數同步，共收集了5000TB的數據，計算量非常龐大。馬普射電天文學研究所和毫米射電天文學研究所的研究人員也參與了這次觀測。馬普的研究人員直接觀察了Messier 87星系中的巨大重力陷阱。
十三、飲食結構可能改變了人類的語言
A change in diet may have transformed human language
人類語言的多樣性令人難以置信，從無處不在的「m」和「a」到南部非洲一些語言中罕見的點擊輔音。這一系列的聲音通常被認為是在約30萬年前隨著智人的出現形成的。一項由蘇黎世大學科學家領導，馬普人類歷史科學研究所、馬普心理語言學研究所、裡昂大學和新加坡南洋理工大學的研究人員參與的國際科研小組揭示了語言進化的新路徑。這項研究表明，飲食結構的改變導致了新聲音的產生。在許多現代語言中很常見的「f」和「v」等發音是一種相對較新的發展，源自飲食引起的人類牙齒咬合的變化。
遠古時期，從狩獵和採集獲取的食物很堅硬，所以人類的牙齒都是對齊咬合的，後期農業飲食中的較軟食物使人類成年時能夠保留更多的牙齒，上面的牙齒比下面的稍微靠前。這一轉變導致了一類新的語音的興起，現在，世界上一半的語言中有這種新的語音：唇齒音，即用下唇接觸上齒發出的聲音。
十四、魚是否有自我意識
Are fish aware of themselves?
將反射的鏡像視為自我的感知和識別能力被認為是跨物種認知的標誌。馬普鳥類研究所、康斯坦茨大學和大阪城市大學的研究人員研究發現，裂唇魚（Labroides dimidiatus）對它們的鏡面反射做出反應，並試圖在鏡子測試中去除其身體上的痕跡。這一發現表明，魚類的認知能力遠高於人類此前的想像，並引發了科學家如何評估與人類不同的動物智力的爭論。
來源 | 創新研究
本文由丨學會服務365 xhfw_365丨精編發布
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