近日,頂級科學期刊Science公布了2019年度十大科學突破。其中,人類史上首張黑洞照片無疑成為了今年全球矚目的一大科學焦點。此外,其他入選的2019年科學突破關鍵事件還包括:首次描繪出丹尼索瓦人樣貌、谷歌宣布實現量子霸權、開發微生物補充劑對抗營養不良、分析小行星撞擊地球及其后果、柯伊伯帶發現早期“太陽系”殘骸、改變了著名“三域學說”的全新古細菌、可治療大多數囊性纖維化病例的藥物誕生、終于有了治療埃博拉病毒的藥物、AI首次在多人德州撲克中戰勝頂級玩家……

《科學》公布2019年度十大突破:黑洞照片、量子霸權、德撲AI、古細菌……

#1 人類史上首張黑洞照片

對于天文學家來說,這張照片是數十年來他們對看不見的神秘物體進行理論研究的一次突破性驗證。今年4月,一個國際射電天文學家小組發布了一張令人震撼的黑洞“陰影”的高清特寫照片,顯示了一個黑色中心被光子在其周圍形成的光環圍繞著。這張照片的團隊的成員海諾·法爾克(Heino Falcke)表示,自己第一眼看到這張照片的感覺就像是“看著地獄的大門”。

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(第一張黑洞“高清照” 圖源:EHT)

“我還是很震驚,”斯坦福大學的天體物理學家羅杰·布蘭福德(Roger Blandford)表示,“我認為我們沒有人想象過所產生的標志性圖像。”實際上,直到最近,很少有天文學家認為這種圖像的誕生是可能的。根據宇宙標準,黑洞非常小,并且從定義上講不會發光。當它們形成巨大的質量時,就像在銀河系中心發生的那樣,氣體、塵埃和恒星的渦動混亂被它們的極端引力攪動,形成了額外的屏障。

但是20年前,少數天文學家開始懷疑靠近巨大黑洞邊緣或事件視界的熱旋流氣體是否可能使其可見。它們以多種波長發出光芒,包括毫米波,即可以穿透銀河系中心周圍的氣體和塵埃的短波無線電波。一項被稱為超長基線干涉測量(VLBI)的技術可以將許多相隔數十萬公里的獨立天線的實時同步數據結合起來,以模擬更大的虛擬望遠鏡,從而可以更精細地顯示遠處的物體。接收器、天線設計和數字電子技術的改進,使射電天文學家可以捕獲毫米波。

大約在12年前,在夏威夷和美國本土使用望遠鏡進行的早期嘗試揭示了Sgr A *附近的過熱氣體的細節碎片。望遠鏡還瞥見了第二個潛在目標:附近星系Messier 87中心的超大質量黑洞。

隨著觀察結果的積累,供資機構開始介入,國際事件地平線望遠鏡(EHT)誕生了。

盡管它的名字叫事件地平線望遠鏡(EHT),但它不是望遠鏡,而是一個由全球200多名科學家組成的團體。在大多數望遠鏡中,EHT成員必須安裝自己的設備,包括高數據速率數字處理器和原子鐘,以使該儀器能夠與VLBI測量更為匹配。

當EHT征募Atacama大毫米/亞毫米陣列(ALMA)時,出現了一個轉折點——加上ALMA,使得EHT的靈敏度提高了10倍。2017年4月,一場為期10晚的大型觀測活動已經萬事俱備。ALMA與美國、墨西哥、智利、西班牙和南極的其他7個天文臺一起,對Sgr A*和M87*進行了連續整夜的觀測。兩年之后,他們終于得到了第一張M87*的圖像。

值得一提的是,中國科學家參與了這個黑洞觀測全球合作項目,為捕獲首張黑洞照片做出了貢獻。在此次EHT合作中,中國科學家在早期共同推動了EHT的合作并參與了EHT望遠鏡觀測時間的申請,同時協助JCMT望遠鏡開展觀測并參與數據處理和結果理論分析等,為EHT黑洞成像做出了積極的貢獻。

斯坦福大學天體物理學家羅杰·布蘭福德補充說,今年的勝利“是這個研究項目的起點,而不是高潮。”

#2 首次描繪出丹尼索瓦人樣貌

大約40年前,一位佛教僧侶在青藏高原邊緣的白石崖巖溶洞穴中發現了一個奇怪的人類顎骨。他意識到下頜巨大的臼齒很特別,就把它交給了另一個和尚,后者又把它捐贈給了學者。

知道今年5月,科學家運用了一種新的方法來分析古代蛋白質,并將奇怪的下顎識別為丹尼索瓦人(Denisovan)的下顎,丹尼索瓦人是一個神秘的人類祖先,他在整個亞洲一直到大約50,000年前都與尼安德特人同時出沒。這項工作使這些神秘的古代人成為焦點,并預示著在理解古代生活方面潛在的基于蛋白質的革命。

對丹尼索瓦人的認知困擾著人類進化研究人員已有10年了。早在2010年,研究人員通過對在西伯利亞Denisova洞穴中發現的化石小骨頭的DNA進行測序,就鑒定出了它們:來自一名丹尼索瓦女孩的DNA,竟與尼安德特人和現代人的DNA不同。

如今,丹尼索瓦人的特征仍存在于亞洲各地的人種DNA之中——這表明該團體曾經是廣泛存在的,并與尼安德特人和現代人類混合在一起。

擁有16萬年歷史的白石下顎并沒能提取出DNA。但是中國和歐洲的研究小組設法從骨骼中提取出一種膠原蛋白(一種常見的蛋白質),并與Denisova洞穴女孩的膠原蛋白進行匹配。從下頜驗出這個女孩正是丹尼索瓦人,這些神秘的人下頜健壯,臼齒大,牙齒有三根連接基。

9月,另一個小組通過對Denisova洞穴女孩的基因組應用新技術,來完善這張照片。結果表明女孩DNA的甲基化模式如何塑造她的身體。研究小組得出結論,她看上去很像尼安德特人:骨盆寬,前額傾斜,下頜突出。但是她的臉也比現代人或尼安德特人的臉寬,下頜骨的牙齒弓更長。在配對驗證時,它幾乎與丹尼索瓦人的特征完全匹配。

#3 谷歌宣布實現量子霸權

今年10月,谷歌的物理學家聲稱,他們已經使用量子計算機來得出普通計算機無法計算的結果,從而達到了量子霸權的里程碑。盡管一個競爭對手IBM對此主張提出異議,但它被廣泛贊譽為一項重大成就。但是,能夠解決實際問題的量子計算機仍然需要數十年的時間。

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(為谷歌量子處理器準備的用于測試的芯片陣列 圖源:Google)

他們使用了一個包含53個量子比特的芯片,這些芯片由超導金屬的微小電路制成,實現了一組隨機選擇的相互作用,并從本質上證明了該機器可以輸出正確的量子態。對于需要幾個量子位的計算,他們使用超級計算機仿真檢查了結果。對于更大數量的量子位,他們采用了統計方法來幫助確認結果。研究小組表示,比較結果表明,量子計算機在200秒內就能計算出一臺超級計算機需要10,000年才能完成的計算。

IBM研究人員則質疑Google是否真的達到了目標。他們聲稱,使用正確的算法,一臺超級計算機可以在短短兩天內解決該問題。其他物理學家說,要解決實際問題,量子計算機將必須能夠糾正其自己的量子位中的錯誤,這尚待實現。從一臺包含幾十個量子比特的機器擴展到包含一億量子比特的眾多機器(破解互聯網加密所需的數量),研究人員還面臨著巨大的實際挑戰。量子計算時代可能已經來臨,但我們可能還需要等一等。

#4 開發微生物補充劑對抗營養不良

每年,數百萬嚴重營養不良的兒童無法完全康復,即使他們飽食后仍會發育不良和患病。歷經10年的研究指出了根本原因——他們的腸道微生物尚未成熟。今年,一個國際團隊在這項研究的基礎上,提出了一種低成本、易于獲得的補品,該補品可以針對性地、優先刺激有益腸道細菌的生長。補充劑在一個小型試驗中表現良好,并且正在進行大規模臨床試驗,以了解該補充劑如何防止發育遲緩。

較早的研究確定,營養不良的無法康復的兒童具有腸道微生物群落或嬰兒的微生物群落特征,而更成熟的微生物群落是對營養做出良好反應的關鍵。研究小組首先確定了代表成熟腸道微生物組的15種細菌。他們還確定了包括蛋白質在內的血液標志物,這些標志物標志著營養不良的影響得以恢復。然后,他們測試了發展中國家容易找到的各種食物組合,以觀察微生物組的反應:首先是小鼠的反應,然后是豬身上的反應,最后是一小群營養不良的兒童的反應。

奶粉和大米是食品援助的標準成分,卻幾乎沒有促進關鍵細菌的繁殖。但含有鷹嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的補品,則有助于微生物群成熟。經過簡短的臨床試驗后,接受補充劑的兒童體內產生了更多的血液蛋白和代謝產物——這是正常生長的標志。

更多的孩子將被長期跟蹤,以觀察這些變化是否會從發育遲緩中恢復過來,這是改善微生物組可以幫助解決這一全球性問題的最終證據。伊利諾伊州芝加哥大學的醫學家埃里克·帕默(Eric Pamer)表示,如果成功,尤其是如果可以在醫院以外的家中提供治療,這是解決該問題的最新趨勢,那么帶來的“影響可能是巨大的”。

#5 分析小行星撞擊地球及其后果

在6600萬年前,一顆巨大的小行星撞擊地球后,世界上76%的物種(包括大型恐龍)消失了。但是還不清楚它們到底是如何死亡,何時死亡以及生態系統恢復的速度如何。現在,從對墨西哥尤卡坦半島(YucatánPeninsula)受影響的地點提取的沉積物核心,再加上在美國發現的一些豐富的化石,使這一災難及其后果成為人們關注的焦點。

2016年,國際海洋發現計劃(nternational Ocean Discovery Program)在193公里寬的希克蘇魯伯隕石坑中心周圍的崎嶇山丘上進行了鉆探。該火山口現在主要位于尤卡坦海岸的水下。鉆探提取了一個835米的巖心,其中包括小行星撞擊當天形成的130米沉積物部分。今年發布的核心檢查報告幾乎提供了撞擊發生后的情況進行了復原、重建,甚至精確到了每分鐘。動態模型顯示,先是熔巖填滿了撞擊孔,隨后是碎冰雹。接著海洋涌入,攪動沉積物。然后,在第一天結束時,海嘯席卷了更多的物質,包括撞擊造成的野火中的木炭。即使該地點富含硫的物質豐富,但巖心中幾乎沒有存在,這表明所有物質都已蒸發,并有可能導致全球快速冷卻和變得黑暗。

在北達科他州的一個新地點,捕捉到了對生物造成的災難性影響。在不到1小時的時間內,由地震引起的地震活動導致水浪沖向該地點的一條古老的河流系統,將生物席卷為坍塌的沉積物。已經成為化石的魚類身上帶有強烈的撞擊痕跡,并且它們的鰓里充滿了來自撞擊者自身的富含銥的玻璃微粒。

但是生命的恢復比預期的要快,這是對另一處科羅拉多州科拉夫布拉夫斯的花粉、植物化石、哺乳動物的頭骨和其他骨骼的分析記錄下來的。蕨類和不大于大鼠的哺乳動物在撞擊中幸存下來,結束了白堊紀,標志著古近紀的開始,創造了K-Pg邊界。棕櫚樹在1000年內取代了蕨類植物;在30萬年以前,核桃樣物種占主導地位;到發生撞擊70萬年后,出現了豆類。在最初的100,000年中,哺乳動物的大小和多樣性增加了一倍,這種趨勢一直在加速和持續,特別是在豆科植物出現之后。到70萬年前,一些哺乳動物的體重超過了50公斤。

去年,對希克蘇魯伯隕石坑鉆芯中有孔小浮游生物進行了分析,結果表明,隕石坑內的海洋生態系統已經恢復并在30,000年內運轉,比預期的要快得多。但是其他地方的恢復速度較慢。今年,對鉆芯和全球各地有孔蟲的分析表明,撞擊后海洋迅速酸化,并顯示到達海底的有機物質減少50%,這可能對海洋生物產生1萬年的抑制性影響。

斯德哥爾摩瑞典自然歷史博物館的古生物學家維維·瓦伊達(Vivi Vajda)說,所有這些結果使對K-Pg物種滅絕的研究成為了“超級年”。

#6 柯伊伯帶發現早期“太陽系”殘骸

天文學家發現的Arrokoth在去年還只是太空中的一個很小的灰色斑點。今年的第一天,NASA耗資8億美元的“新視野”號飛船在2014年掃過MU69的上空——MU69是一個距離地球約66億公里的36公里寬的天體,位于海王星以外的一個稱為“柯伊伯帶”(Kuiper belt)的區域。天文學家發現了潛伏在這個地帶的數千個天體,這些天體包含的物質組成與太陽系早期相比并沒有什么改變。但尚未近距離觀測過。

《新視野》雜志透露,MU69(也就是Arrokoth)由兩個像塊狀薄煎餅的原始行星結構組成,并在狹窄的頸部連接。的兩個冰瓣在太陽系開始時分別形成,可能從同一團塵埃中凝結。它們奇特的形狀和無瑕的均質表面為行星構造塊的形成提供了新的概念。

科學家們發現,它們不會在碰撞后“生長”。相反,在太陽形成后不久,靜電將多塵埃顆粒聚集到了幾厘米大小的鵝卵石中。然后,原始星云的漩渦使這些小卵石聚集在一起,聚集成云團,這些云團在重力作用下坍塌成千米大小的團塊。這種“流動不穩定性”可以解釋為什么Arrokoth有兩個裂片:卵石云塌陷時旋轉得更快,形成湍流使其破裂。兩塊靠近,直到它們的軸對齊,并且相互吸引,將它們拉成了一個“溫柔的吻”。

還有很多工作要做。航天器預計最早也得到2020奶奶底才會完成對Arrokoth的所有觀測。即使那樣,它的任務也可能還沒有結束:New Horizons團隊現在正在使用探測器的望遠鏡搜索新的“柯伊伯帶”目標——它們太小了,地球上的任何望遠鏡都看不到。

#7 全新古細菌揭秘人類終極起源真相

今年,微生物學家朝著解決關于真核生物起源的爭議邁出了重要的一步,真核生物的起源涵蓋了包括人類在內的所有動植物。經過12年的嘗試,日本的一個研究小組成功地從深海沉積物中培育出了一種神秘微生物,并對其基因組進行了測序。它可以揭示我們所有人的最終血統。

這種生物,即Prometheoarchaeum syntrophicum菌株MK-D1,是最近被認可的Asgard微生物群的成員,這些微生物不是細菌,而是一種完全獨立的生命分支,稱為“古細菌”。研究人員們從深海沉積物和其他極端環境中分離出的DNA片段,才得以一窺Asgards的細節。

令人驚訝的是,這些片段包含的基因以前被認為僅在真核生物中發現,而真核生物是具有細胞核和細胞器的細胞,例如線粒體。比較的DNA分析表明,Asgards或遠古親戚甚至可能產生了真核生物。這個激進的想法會將生活領域從三種(古細菌,真核生物和細菌)縮小到兩種:細菌和古細菌,而真核生物被簡化為古細菌的一個子集。但是鑒于證據不足,許多研究人員對此表示懷疑。

通過在培養皿中培育一種Asgard,日本研究小組可以對其全基因組進行測序,并確認其攜帶真核基因。研究人員還發現,它似乎與某些細菌結合生長最好,并且形成了可能會吞噬細菌伴侶的短觸角。如果是這樣,那可以解釋一個Asgard如何獲得成為線粒體的微生物。

今年的其他研究已從Asgard研究組其他成員的DNA片段中鑒定出更多的真核基因。來自DNA的有關Asgard代謝的信息也支持兩域假說,而不是三域假說。

但是,將近30億年前發生的事件將難以重構,而且隨著對Asgards的研究(也許是對文化的培養),新的思想可能會浮出水面。但是現在有了研究人員,研究人員可以更清晰地了解遙遠的過去。

#8 可治療大多數囊性纖維化病例的藥物誕生

10月,科學家慶祝了基于基因的藥物的里程碑:批準了對大多數囊性纖維化(CF)病例有效的治療方法。這種被稱為Trikafta的三藥組合治療可以糾正肺部疾病背后最常見的突變的影響。對于那些發生突變的人(約占所有CF患者的90%),它可以將CF從進行性疾病轉變為更易于控制的慢性疾病。這是自引起CF的基因CFTR被發現以來近30年研究的最新成果。

當一個孩子繼承了該基因的兩個突變拷貝時,CF就會發作,如今出生的患者的平均壽命在45左右。Trikafta以Vertex Pharmaceuticals公司生產的其他CF藥物為基礎,這些藥物針對CFTR蛋白中的不同缺陷。第一個是Kalydeco,它被稱為一種名為G551D的罕見突變,該突變影響美國約4%的患者。在這些患者中,CFTR蛋白無法打開其“門”并讓氯化物通過,這與CFTR中的其他缺陷一樣,會導致肺部粘液堆積。Kalydeco修復了這一缺陷,并于2012年獲得批準。

Vertex隨后將Kalydeco與另一種旨在修復另一種突變F508del的藥物結合使用,該突變錯折疊了CFTR并阻止了其到達細胞表面。但是事實證明,這種兩種藥物的結合配方Symdeko,效果并不如預期。

Trikafta在混合物中添加了第三種藥物,以增強該策略的有效性。三重組合針對攜帶至少一份F508del的CF患者,可幫助CFTR到達細胞膜并打開“大門”。在臨床試驗中,該藥物使肺活量增加了10%-15%,并緩解了CF并發癥。

關于開始治療有多早仍存在疑問(目前已批準該治療方法適用于12歲及以上的年齡段,但正在對年幼的孩子進行測試),以及如何為Trikafta并非針對10%疾病的患者設計新藥。

然而,在興奮之中籠罩著陰影:Trikafta的標價每年超過30萬美元,大概必須終身使用。也就是說,這種藥現在還只有富人用得起。

#9 終于有了治療埃博拉病毒的藥物

1976年,從剛果民主共和國(DRC,當時稱為扎伊爾)的雨林中出現了一種新病毒。它在Yambuku村殺害了280人,并造成了破壞性影響。從那時起,這種病毒就以取自附近的一條河流命名,而且一直是致命、無法治愈的感染的代名詞:埃博拉病毒。今年,這種特征開始發生變化。

在剛果民主共和國歷史上最致命的一次疫情爆發中,科學家們最終確定了兩種藥物,可以大大降低該病的死亡率。兩種都是抗體,一種是從1996年埃博拉疫情的幸存者中分離出來的,另一種是在具有人源化免疫系統的小鼠中產生的三種抗體的混合物。在一項使四種不同藥物相互抗衡的隨機試驗中,接受這兩種藥物之一的患者中約有70%幸存下來,而使用其他兩種藥物中的任一種的患者中約有50%存活了下來。結果如此令人信服,以至于該試驗被提早終止。簡單地進行審判本身就是一個顯著的成就:它是在災難性爆發和暴力沖突地區的臨時治療單位中進行的。

結果不僅可以通過提高患者的生存機會,而且可以通過鼓勵人們及早尋求治療來幫助抵抗該疾病。在沒有有效藥物的情況下,有癥狀的人經常試圖逃避檢測,并尋找傳統的治療辦法,這加劇了疾病的爆發。

埃博拉病毒威脅出現40多年后,世界終于為應對這種病毒做好了更好的準備。這次勝利的設計師,也是試驗的主要研究員,是剛果病毒學家Jean-Jacques Muyembe-Tamfum,他在Yambuku發現了這種病毒。

#10 AI首次在多人德州撲克中戰勝頂級玩家

今年,人工智能(AI)程序在最受歡迎的撲克版本(無限注德州撲克)中擊敗了一些世界上最好的玩家。具有里程碑意義的結果標志著AI在多人游戲競賽中首次獲勝,在該競賽中,玩家僅擁有關于游戲狀態的不完善信息。

人工智能在游戲中以驚人的速度壓制人類。在2007年,計算機科學家開發了一個程序,保證不會在檢查程序中丟失。在2016年,另一個團隊開發了一個AI程序,該程序在Go上擊敗了最優秀的棋手,這是一種棋盤游戲,其配置比跳棋要復雜得多。

撲克提出了更嚴峻的挑戰,因為玩家看不到對手的牌,因此信息有限。在2017年,計算機科學家開發了一款無人值守的AI程序,該程序在Hold'em的兩人游戲版本中發揮作用,其中每位玩家由面對桌上擺放的五張紙牌組成一手,每張紙上另外兩張都是由私人持有。

通過對自己進行1萬億場比賽,他們的程序Pluribus開發了針對各種情況的基本策略,例如,進行內部比賽。對于每只特定的手,它也可以考慮如何玩牌。以每手平均獲利來衡量,它在6個玩家的20,000手牌中勝過15個頂級玩家。

Pluribus的玩法不同于兩人游戲的程序。這些計劃尋求一種不輸策略,即納什均衡,這種策略保證了對手平均而言會變得更糟,除非他們也使用完全相同的策略。在有多個對手的情況下,沒有這樣的保證,因此Pluribus只是了解了在給定情況下最有效的方法。該程序還自學可在具有64個處理器的單個服務器上運行時進行播放——而Go-playing程序需要1200個以上的處理器。

人工智能開發人員還在繼續挑戰這個游戲。在撲克方面,仍有改進的空間。盡管Pluribus可以虛張聲勢,但它無法調整其策略來利用對手的特殊弱點。一些更復雜的游戲(例如合同橋)仍未掌握。盡管如此,現在可能已經到了人類兌現籌碼,趕緊離場的時候了。

2019年四大科學災難事件

除了上述的十大突破,Science還公布了今年的4大科學界災難性事件,包括:

1)亞馬遜大火

今年,森林大火席卷了亞馬遜數千平方公里,許多人將矛頭指向了巴西新總統賈爾·博爾索納羅(Jair Bolsonaro)。巴西國家太空研究所(INPE)估計,亞馬遜火災比2018年增加了44%。其中一個因素是森林砍伐的增加,在截至7月的12個月中,森林砍伐面積約為9700平方公里,是2007年以來的最大面積。

2)麻疹“復活”

麻疹今年再次在美國咆哮,并在全球范圍內持續高漲。尤其是在美國和歐洲,疫苗的錯誤信息都在病毒的復活中發揮作用,該病毒在2018年估計殺死了142,300人,并且是在有一種非常有效的疫苗的情況下。

截至11月5日,世衛組織收到了44萬多份確診的麻疹病例報告,比2018年全年增加25%,是2017年的兩倍多。實際數字可能要大得多。

3)鳥類數量驟降

一項清醒的研究表明,自1970年以來,北美鳥類的數量下降了近30%,麻雀和黑鳥等普通鳥類在減少,而稀有物種也在減少。污染,氣候變化和發展壓力的生境喪失和生態系統是主要原因。

4)氣候變化協議進展滯緩

提倡美國在氣候變化方面采取更強有力的行動的倡導者今年從公眾輿論正在搖擺的跡象中振奮。許多民意調查顯示,越來越多的美國人認為氣候變化是真實的,人類需要對此負責,政府和工業界應采取措施解決這一問題。

澳大利亞和北美發生了史無前例的野火,太平洋地區發生了珊瑚白化,歐洲發生了致命的熱浪,使變暖的成本變得顯而易見,各國政府未能遏制全球溫室氣體的排放引發了全世界的抗議。

加上世界對化石燃料的持續需求,使遏制氣候變暖的努力蒙上了陰影。巴黎國際能源署(IEA)表示,盡管風能和太陽能等可再生能源激增,但如果當前的能源趨勢繼續下去,全球溫室氣體排放量將繼續上升。