2020年一整年，全球幾乎都籠罩在新冠肺炎的陰影下，隨著年末新冠疫苗的上市，或許2021年我們有望在這場戰役中取得勝利。儘管新冠病毒大流行，但這一年的科學並沒有止步，在好奇心的趨勢下，科學家取得了諸多成果，從人工智慧到基因編輯，《科學》雜誌最近羅列了10項成果/事件，年度突破則授予「新冠肺炎」。如果2020年沒有新冠疫情，這一年的科學該是怎樣的？
圖片來自sciencemag.org
1.破局半世紀難題，AlphaFold精準預測蛋白質結構
50年來，科學家一直致力於解決生物學最大的挑戰之一，即預測胺基酸序列在形成蛋白質後會摺疊成怎樣的三維形狀。過去，研究人員通常使用X射線晶體衍射（x-ray crystallography）和冷凍電子顯微鏡（Cryo-electron microscopy）來進行蛋白質結構解析，既費時又費力。計算生物學家則希望通過模擬控制胺基酸的相互作用來預測蛋白質的結構，但由於胺基酸互相作用的方式豐富，單個蛋白質可能存在的結構數量可以說是個天文數字。
為了解決這一問題，結構生物學家自1994年起發起了國際蛋白質結構預測競賽（CASP），每兩年舉行一次。今年，谷歌旗下的人工智慧公司DeepMind所開發的AlphaFold程序就在這屆「蛋白質預測奧運會」中脫穎而出。其測量方法的中位數分值為 92.4分（百分制計數，高於90分則被認為準確性能夠與實驗法所解析的結構媲美）。即使對於那些最具挑戰性的蛋白質，它也以87.25分的中位數高舉榜首，在蛋白質摺疊問題上取得了歷史性突破。
2.CPISPR治療迎來首例臨床成功，遺傳性貧血症或出現轉機
自2012年「基因魔剪」這一革命性的基因編輯工具問世以來，它不斷地引起人們的爭議與討論，但絲毫沒有阻礙它前進的步伐。埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）更是憑藉這一技術斬獲了今年的諾貝爾化學獎。最近，其臨床應用同樣傳來好消息。17個月前，CRISPR技術開始被用以治療β-地中海貧血症和鐮刀狀細胞貧血症這兩類遺傳性血液疾病。經由CRISPR處理過的血液幹細胞被回輸到患者體內，彌補其血紅蛋白的缺陷，緩解疾病困擾。
今年12月有報告稱，目前這兩類患者的母血紅蛋白水平都正在提升，無需依賴於定期輸血來維持生命，生存與生活質量都獲得了明顯改善。一位有3個孩子的年輕母親說，基因治療改變了她的生活。值得注意的是，儘管臨床上取得了可喜的表現，但CRISPR技術要求高科技的醫療護理條件，每個患者需要100萬美元以上的開銷，這使得其在鐮刀狀細胞貧血症高發的非洲地區的普及幾乎毫無實用性。
3.氣候變化形勢再升級，世界氣候研究計劃最新結論出爐
40多年前，世界頂級氣候學家聚集在麻薩諸塞州的伍茲霍爾，回答一個簡單的問題：如果人類繼續排放溫室氣體，地球將會變得有多熱？依據初步的氣候模型，他們得出了一個寬泛的結論。如果二氧化碳含量相對於工業化時代增加一倍，那麼地球將變暖1.5至4.5攝氏度，這也被稱為氣候敏感性。
縮小這些預測的溫度範疇，需要科學的進步。今年，世界氣候研究計劃的25名科學家將氣候敏感性進一步界定到了2.6至3.9攝氏度的範疇。他們的研究排除了一些「我們會完蛋」的最糟糕的情況，也確認了全球變暖淹沒沿海城市、加劇極端熱浪、數百萬人流離失所等情況很可能會成為現實。如果我們不對氣候變化採取更加積極的行動策略，那麼人類很可能會在2060年達到這一門檻，並鎖定可預見的變暖。
4.快速射電暴的來源之謎？磁星或是「罪魁禍首」
圖片來自sciencemag.org
自2007年起，天文學家發現了快速射電暴（FRB）以來，這一來自遙遠星系的短暫而有力的無線電爆發，其起源與原理一直充滿了神秘的色彩。現在，天文學家把尋找「肇事者」的目光鎖定了磁星。這一懷疑由來已久，因為快速射電暴的速度如此之快，科學家認為它必然來自於一個小而強烈的能源，磁星符合這一條件，因而長期處於「嫌疑人」的隊列之中。然而，此前沒有望遠鏡有足夠敏銳的視覺將快速無線電脈衝與磁星連接起來，因而「人贓」無法俱獲。
今年4月，加拿大氫強度測繪實驗（The Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment）將一次在銀河系中爆發的快速射電暴的源頭縮小到一小塊天空。軌道天文臺很快發現，一個被稱為SGR 1935+2154的已知磁星在這裡同時出現，釋放出大量的X射線和伽馬射線。儘管天文學家認為他們可能已經找到了肇事者，但他們仍然不知道磁星是如何產生無線電爆發的。這有可能來自於磁星表面的磁力線斷裂與重連，也有可能來自衝擊波與帶電粒子云的撞擊。這一切還要等待科學家們的進一步研究。
5.4萬餘年前的想像力探索，世界上最古老的狩獵場景揭曉
圖片來自sciencemag.org
4萬多年前，在印度尼西亞的蘇拉威西島上，一位史前的「畢卡索」探身進入洞穴的深處，繪製下了一系列獵人追逐著野豬和水牛的狩獵圖景。多年來，巖壁上形成了被稱之為「洞穴爆米花」（cave popcorn）的礦物沉積，其中的鈾以固定的速度衰變為釷。通過對鈾與釷的比例分析，研究者確定了這一繪畫至少形成於44000年前，比目前任何已知的具象巖石藝術的時間都要長4000年，這也打破了此前歐洲率先發現具象藝術的觀念。
不止如此，這8位手持長矛或繩索的獵人形象並不尋常，他們似乎帶著些動物的特徵，有人的嘴巴像喙，有人還有尾巴，頗具奇幻色彩。研究人員猜測，這位「畢卡索」可能是在描繪戴著面具或者偽裝自己的獵人，還有可能是畫出了神話中的人與動物的「混血兒」。這類「混血兒」形象也曾出現在其他藝術作品中，如德國阿爾卑斯山中發現的3.5萬年的獅人象牙雕像。如果確實如此，這些繪畫的創造者可能已經越過了一個重要的認知裡程碑——想像不存在的生物的能力。
6.新冠疫情之年，科學家為多樣性大聲疾呼
今年五月下旬的紐約中央公園，一名養狗的白人和一位黑人觀鳥者發生了衝突。幾天後，科學家在推特上集體發聲，祝賀並支持黑人自然愛好者。從神經科學到物理學，#BlackBirdersWeek的話題標籤很快被其他學科效仿，致力於在各個平臺建立黑人科學家的社群。在警察槍殺黑人事件與「BLM」運動的持續討論中，科學家也在探討如何為有色人種創設一個更公平、更舒適的環境。
儘管判斷這些事件是否會對種族平等產生持久的影響力還為時尚早，但很多人都懷有這樣的希望。從70年代開始研究多樣性、公平與包容問題的美國科學促進會的高級顧問雪莉·馬爾孔（Shirley Malcom）說，「今年感覺不一樣了，你至少可以引起人們的注意」。然而，正如巴克內爾大學的植物學家塔妮莎·威廉士（Tanisha Williams）所說，「但這不會是一個快速見效的事情，我們還有很長的路要走。」
7、為何有人能免於愛滋病毒侵擾？病毒基因存在區域是關鍵
「精英控制者」在3800萬愛滋病毒感染者中僅佔0.5%。多年來，他們在無需接受抗逆轉錄病毒治療的情況下依然保持健康，HIV病毒也不會發展成愛滋病。今年，一項研究比較了64名「精英控制者」與41名接受治療的愛滋病毒感染者，揭示了前者的不尋常之處。和所有的逆轉錄病毒一樣，HIV病毒可以將自己的遺傳物質整合到人類染色體中，創造出宿主並隱藏起來。在那裡，它可以逃離免疫系統，抗逆轉錄病毒治療藥物也不會傷害到它。然而，它藏在哪裡可能造成完全不同的結局。
如果愛滋病毒停在了「基因沙漠」，也就是染色體中很少進行DNA轉錄的地方，那麼它也只能「無米難為炊」。研究發現，「精英控制者」中45%的可運轉HIV病毒都存在於「基因沙漠」中，需要接受治療的人群的這一比例僅為17.8%。據推測，「精英控制者」的免疫系統以某種方式清除了更危險區域的HIV病毒。儘管這項研究對於「精英控制者」的新發現無法直接帶來愛滋病的治癒，但它開闢了一種新的策略。下一步，科學家將著力於找出幹預措施，訓練絕大多數HIV病毒感染者的免疫系統以類似的方式行動。
8.室溫超導材料問世，15攝氏度超高壓下完成歷史突破
室溫超導體問世，圖片來自sciencemag.org
1911年，物理學家昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）發現，一根冷卻到絕對零度以下4.2K的水銀導線能夠傳導電子。這是物體首次被發現超導性，昂尼斯也憑此獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。從這時候開始，科學家一直沒有停止過在尋找超導材料方面的探索。然而，室溫超導卻是其中久攻不下的一個難點。凡是超導材料，其臨界溫度必在零度以下。今年，科學家終於發現了一種碳-硫-氫化合物，能夠實現室溫超導。
實驗結果最終表明，在達到267萬個大氣壓時，化合物在15攝氏度時的電阻為零。這一發現為超導領域帶來了歷史性突破，不僅是首個實現室溫超導的化合物，同時是超導性首次在三種元素的化合物中出現。但目前為止，每當壓力釋放時，新的超導體就會分解，這意味著目前它還不具有任何的實用價值。突破了溫度的限制，科學家們還需要跨越「高壓」這座難以逾越高山，期待未來能夠找到常壓且穩定的超導體，從而帶來技術的進一步變革。
9.鳥類也能思考？研究證明它比你想像的更聰明
有一句諺語這麼說，「麻雀雖小，五臟俱全。」今年發表的兩項研究表明，鳥類有驚人的智力，可能會再次讓你驚嘆鳥兒的小小身軀，大大能量。在人類大腦中，大腦皮層由水平的神經細胞層組成，這些神經細胞相互連接，允許人們進行複雜的思考。儘管鳥類大腦被認為是由簡單的神經細胞群組成的，但研究者發現其中的神經同樣既水平連接，也垂直連接，它們大腦的一部分與人類類似。
另一組科學家考察了以智力聞名的烏鴉的大腦，當它們看到電腦顯示器上閃爍的特定序列的光時，就會轉過頭來，電極也能夠檢測到從它們看到信號到移動頭部之間的神經活動。即使在光線幾乎無法察覺的情況下，這種活動也會發生，表明這不單單只是一種對於感官輸入的反應，而是一種意識的出現——神經振顫代表了鳥類所看到的心理表徵。這種感覺意識是人類所經歷的自我意識的基本形式，這意味著，鳥類的意識可能比我們想像的還要強，它們甚至可能具有意識的思考能力。
作者：張蒙 來源：賽先生