2021《科學》十大年度突破，哪一項最驚豔？接地氣的解讀來啦
不知不覺2021 年又過去了。今天我要盤點一下 2021 年整年最重要的科技新聞。說到這個年度科學突破，很多機構或者媒體都會來評選。不過，《科學》雜志每年評選的年度十大科學突破比較權威，也具有代表性。所以我就把《科學》雜志評選的 2021 年度 10 大科學突破來說道一下。
10. 人造胚泡有望減少倫理争議
我解釋一下，“胚泡”這個詞是專門為這條新聞發明的一個新詞。你對“胚胎”這個詞一定不陌生，所有的動物最初都是由一個受精卵開始發育的，受精卵發育一段時間後，就會變成一個胚胎。胚胎的研究價值很大，可以幫助科學家們解決很多重大問題。但如果用人類胚胎進行科學研究，科學家将面臨很多倫理方面的問題，人們接受不了把胚胎當做研究對象，覺得這樣很不人道。 畢竟胚胎再往下發育那就是一個嬰兒了。而這項新的科學突破，就是科學家們找到一種被稱為“胚泡”的胚胎替代品，這樣就有可能減少倫理方面帶來的争議，這是生物學領域一項非常重大的突破性進展。
9. CRISPR 基因編輯療法對人類的療效首次被證明
這個所謂的 CRISPR 療法是一種基因編輯療法，如今這個話題也很熱門。就在去年，基因編輯療法顯示出了對鐮刀形細胞貧血症和β-地中海貧血症可能有效，但當時醫生還不敢在人體上直接使用這種編輯療法。 道理很簡單，所謂的基因編輯，就是利用特殊的基因剪刀對人體的DNA進行修剪拼貼。為了治療某種疾病，就必須在基因的某個精确的位置進行剪裁拼貼。如果下刀的地方搞錯了，剪歪了，那就麻煩大了，你也不知道會造成什麼後果，這種情況術語上叫“脫靶”。 但是，今年科學家們對患有“轉甲狀腺素澱粉樣變性病”的病人進行了基因編輯療法的測試，現在看來，效果很不錯，沒發生什麼脫靶的情況，這次試驗意義重大，因為這是CRISPR基因編輯首次在人體内進行測試。
8. 缪子實驗可能突破标準模型
這是屬于理論物理學範疇的，物理學中站在金字塔尖的學問。我們并不需要知道太多細節，先大緻感受一下氣質就可以了。簡單來說，就是今年的4月7日，美國費米國家加速器實驗室進行了一次缪子反常磁矩實驗。科學家們發現缪子的行為與标準模型理論預測不相符。反正就是和現有的寫在教科書中的物理理論不太相符 不過你可千萬别認為，出現這種情況，科學家們會不爽。恰恰相反，對于這種意外，科學家們簡直是喜出望外。因為這也就意味着他們有機會發現新的不尋常的物理機制了。 換句話說，已經擁有 50 年曆史的标準模型，也就是教科書中的物理理論有可能面臨着新的挑戰和突破，而科學家們是最喜歡挑戰的一群人了。
7. 火星内部結構首次被揭示
科學家們主要依靠對火星地震的測量，弄清了火星内部的結構。美國人發射了洞察号探測器，它的任務就是監聽火星地下的地震波。它一共記錄了733次火星地震。火星的構造其實跟地球屬于同一個類型，就像雞蛋一樣。表面有一層薄薄的雞蛋殼，再往下是蛋清，核心部分是蛋黃。地球的内部也可以大緻分為地核、地幔、地殼3部分。 火星比地球小得多，科學家們根據洞察号提供的35次地震數據，大緻計算出了火星的外殼有多厚，内核有多大。别看火星半徑隻有3390千米，大緻為地球的一半。但是外殼卻比地球還要厚一點，厚的地方有70千米，薄的地方隻有24千米。火星有一個半徑1830千米的内核，但是核心卻很輕，看來火星内部缺少重元素。這就是和地球不一樣的地方了。
6. 單克隆抗體治療傳染病
所謂的單克隆抗體就是人體的一種免疫細胞制造出來的抗體，簡稱叫單抗。你可以理解為是我們人體自身制造出來的維和警察，專門用來對付各種入侵人體的壞東西。所以，抗體可以用來治病。科學家們用單抗來對付新冠病毒，或艾滋病病毒或瘧疾寄生蟲方面，都有不錯的效果。
5. “搖頭丸”可治療創傷後應激障礙（PTSD）
有些人遭受了嚴重的侵害，比如說遭遇了車禍、戰争，或者地震海嘯。要不就是親人突然死亡等猝不及防的事，他的生理上和心理上都遭到了巨大的創傷。這種嚴重的創傷不僅會直接傷害到人的身心健康，而且哪怕傷害已經消除了，事情已經過去了，可是創傷造成的後遺症還會折磨着當事人。PTSD指的就是這些複雜的後遺症。有些人在遭遇嚴重傷害之後，會經常做噩夢，性格也會出現很大的變化。會長期失眠。他們需要避免會引起回憶的場景。 不過最近科學家們發現，有一種叫“搖頭丸”的毒品對患有PTSD的患者很有效。不禁感慨，一個化學物質用不對地方是毒品，用對了地方就能治病救人，關鍵是看如何正确使用，用在了什麼地方。
4. 抗新冠口服藥物問世
新冠病毒仍然肆虐，最近出現的的奧密克戎新變種又一次把大家弄得人仰馬翻。所以研發能夠對付新冠的藥物也就變成了頭等大事。 美國默克公司研發出了一種藥物叫莫奈拉韋，輝瑞公司研發了一種叫帕羅維德的藥物，這兩種藥物對付新冠肺炎，都很有效。
3. 核聚變實現曆史性突破
2021年8月，美國國家點火裝置(NIF)産生了一種核聚變反應，這種反應産生的能量大于點燃它所需的激光能量。 美國的這個國家點火裝置擁有世界上最強大的激光器，它會産生192束超強的激光，然後這些激光彙聚到一個點上，也就差不多隻有胡椒粒大小的一個小球上。這個小球裡面含有氚和氘兩種核聚變材料，這些核材料會引發核聚變反應。但是，以前我們做類似的實驗都是入不敷出的，也就是激光發出的能量比核聚變産生的能量還要大，這就好像掙錢的速度沒有花錢的速度快，那怎麼可能存下錢來呢？ 這就意味着以前的核聚變實驗都是消耗的電力比能發出的電力還要大，所以都不可能有實用價值。 但這次不一樣了，這次科學家們終于讓産生的能量大于輸入的能量了。雖然大了沒多少，但這依然是受控核聚變曆史上的一個裡程碑事件。
2. 解鎖古老泥土中的 DNA 寶庫
過去科學家們要分析遠古時代的DNA，總要找到點遺骸、毛發之類的東西.現在科學家們發現，有一部分生物的DNA被混進了泥土裡，埋在了地下。如果能分析出泥土之中的DNA信息，那麼我們就能知道很多遠古時代的事兒。 就在今年，研究者從西班牙的一個山洞沉積物之中提取出了DNA信息，他們發現了尼安德特人的蹤迹。DNA信息顯示，在冰川期結束的那個時代，尼安德特人的一個譜系代替了其他幾個譜系。大概的意思就是說，來了一夥外來戶，殺死或者趕走了本地人。
1. 人工智能預測蛋白質結構
蛋白質的樣子，從微觀上來說，就是一團有機大分子，它是構成生命的基本零件，每一種蛋白質都有一個特定的三維結構，但這種三維結構有一個特殊之處，它一定是由一根長長的鍊條折疊而成的。 要清楚蛋白質的三維結構，你隻需要去玩一種叫“百變魔尺”的玩具，立即就能理解了。不知道大家玩過沒有，百變魔尺是一節一節的，每一節都可以做各個角度的翻轉，因此，你可以把一根長長的魔尺折疊成各種各樣的形狀，魔尺的節數越多，能夠折疊出的形狀數量就會呈指數級的增長。 組成蛋白質的基本單元是氨基酸，它就像魔尺的一個“節”。蛋白質在剛剛生成的時候，就像一根長長的幾十到幾百節的魔尺。然後，它會在幾微秒到幾毫秒的時間内，迅速地折疊成一個特定的形狀。因此，在電子顯微鏡中，每一個蛋白質就像是一團亂麻。 決定一個蛋白質性狀和功能的，就是構成蛋白質的氨基酸序列和蛋白質最終折疊成的形狀。比如，我們的免疫系統在面對病毒和細菌入侵時，就會産生一種“Y”字形的抗體蛋白。它們的形狀就像是一個抓娃娃機的夾子，能夠精确瞄準并夾住這些入侵者。 所以對于一個蛋白質，科學家們最感興趣的是兩個信息：一是蛋白質的氨基酸序列，你可以想象成魔尺的那些“節”；另一個則是蛋白質的結構，也就是魔尺折疊後的形狀。序列信息不難獲得，但結構信息卻極難獲得。但結構信息恰恰又更重要，因為如果知道了一個未知蛋白質的結構，就可以更準确地理解它在細胞中的作用。如果這個蛋白質與某種疾病相聯系，那麼科學家們就能根據它的結構形狀，開發出相應的藥物。 以前，科學家想要弄清楚一個蛋白質的三維結構，唯一的辦法隻能是耗費巨大的人力、物力，用極其笨拙的方法，通過大量的重複性實驗來找到蛋白質的三維結構。反正就是做大量的實驗。 但後來，一幫計算機科學家找到了一個新的辦法，就是利用氨基酸的序列信息來算出蛋白質的結構，不用做實驗。不過，它的計算難度很高，計算量也超級巨大。20 多年前，計算機科學家們就在努力完成這項挑戰，每年都會前進一些，但計算結果的準确度始終無法超過做實驗得出的結果。 但今年，谷歌公司取得了重大突破，他們開發的一個叫 AlphaFold（阿爾法折疊）的計算機程序，可以非常準确地預測蛋白質結構，取得了突破性的進展。這個阿爾法折疊其實就是那個第一次打敗圍棋世界冠軍的阿爾法狗的程序的親兄弟。 這項革命性突破，解決了持續 50 年的重大生物學難題，難怪科學雜志把它放在了第1位，這個冠軍的含金量還是很足的。
尾聲
我祝願科學家們明年能在更多的領域取得突破，最好超過今年，不知道能不能實現。 新年鐘聲快敲響了，平安喜樂，明年見！
10. 人造胚泡有望減少倫理争議
我解釋一下，“胚泡”這個詞是專門為這條新聞發明的一個新詞。你對“胚胎”這個詞一定不陌生，所有的動物最初都是由一個受精卵開始發育的，受精卵發育一段時間後，就會變成一個胚胎。胚胎的研究價值很大，可以幫助科學家們解決很多重大問題。但如果用人類胚胎進行科學研究，科學家将面臨很多倫理方面的問題，人們接受不了把胚胎當做研究對象，覺得這樣很不人道。 畢竟胚胎再往下發育那就是一個嬰兒了。而這項新的科學突破，就是科學家們找到一種被稱為“胚泡”的胚胎替代品，這樣就有可能減少倫理方面帶來的争議，這是生物學領域一項非常重大的突破性進展。
9. CRISPR 基因編輯療法對人類的療效首次被證明
這個所謂的 CRISPR 療法是一種基因編輯療法，如今這個話題也很熱門。就在去年，基因編輯療法顯示出了對鐮刀形細胞貧血症和β-地中海貧血症可能有效，但當時醫生還不敢在人體上直接使用這種編輯療法。 道理很簡單，所謂的基因編輯，就是利用特殊的基因剪刀對人體的DNA進行修剪拼貼。為了治療某種疾病，就必須在基因的某個精确的位置進行剪裁拼貼。如果下刀的地方搞錯了，剪歪了，那就麻煩大了，你也不知道會造成什麼後果，這種情況術語上叫“脫靶”。 但是，今年科學家們對患有“轉甲狀腺素澱粉樣變性病”的病人進行了基因編輯療法的測試，現在看來，效果很不錯，沒發生什麼脫靶的情況，這次試驗意義重大，因為這是CRISPR基因編輯首次在人體内進行測試。
8. 缪子實驗可能突破标準模型
這是屬于理論物理學範疇的，物理學中站在金字塔尖的學問。我們并不需要知道太多細節，先大緻感受一下氣質就可以了。簡單來說，就是今年的4月7日，美國費米國家加速器實驗室進行了一次缪子反常磁矩實驗。科學家們發現缪子的行為與标準模型理論預測不相符。反正就是和現有的寫在教科書中的物理理論不太相符 不過你可千萬别認為，出現這種情況，科學家們會不爽。恰恰相反，對于這種意外，科學家們簡直是喜出望外。因為這也就意味着他們有機會發現新的不尋常的物理機制了。 換句話說，已經擁有 50 年曆史的标準模型，也就是教科書中的物理理論有可能面臨着新的挑戰和突破，而科學家們是最喜歡挑戰的一群人了。
7. 火星内部結構首次被揭示
科學家們主要依靠對火星地震的測量，弄清了火星内部的結構。美國人發射了洞察号探測器，它的任務就是監聽火星地下的地震波。它一共記錄了733次火星地震。火星的構造其實跟地球屬于同一個類型，就像雞蛋一樣。表面有一層薄薄的雞蛋殼，再往下是蛋清，核心部分是蛋黃。地球的内部也可以大緻分為地核、地幔、地殼3部分。 火星比地球小得多，科學家們根據洞察号提供的35次地震數據，大緻計算出了火星的外殼有多厚，内核有多大。别看火星半徑隻有3390千米，大緻為地球的一半。但是外殼卻比地球還要厚一點，厚的地方有70千米，薄的地方隻有24千米。火星有一個半徑1830千米的内核，但是核心卻很輕，看來火星内部缺少重元素。這就是和地球不一樣的地方了。
6. 單克隆抗體治療傳染病
所謂的單克隆抗體就是人體的一種免疫細胞制造出來的抗體，簡稱叫單抗。你可以理解為是我們人體自身制造出來的維和警察，專門用來對付各種入侵人體的壞東西。所以，抗體可以用來治病。科學家們用單抗來對付新冠病毒，或艾滋病病毒或瘧疾寄生蟲方面，都有不錯的效果。
5. “搖頭丸”可治療創傷後應激障礙（PTSD）
有些人遭受了嚴重的侵害，比如說遭遇了車禍、戰争，或者地震海嘯。要不就是親人突然死亡等猝不及防的事，他的生理上和心理上都遭到了巨大的創傷。這種嚴重的創傷不僅會直接傷害到人的身心健康，而且哪怕傷害已經消除了，事情已經過去了，可是創傷造成的後遺症還會折磨着當事人。PTSD指的就是這些複雜的後遺症。有些人在遭遇嚴重傷害之後，會經常做噩夢，性格也會出現很大的變化。會長期失眠。他們需要避免會引起回憶的場景。 不過最近科學家們發現，有一種叫“搖頭丸”的毒品對患有PTSD的患者很有效。不禁感慨，一個化學物質用不對地方是毒品，用對了地方就能治病救人，關鍵是看如何正确使用，用在了什麼地方。
4. 抗新冠口服藥物問世
新冠病毒仍然肆虐，最近出現的的奧密克戎新變種又一次把大家弄得人仰馬翻。所以研發能夠對付新冠的藥物也就變成了頭等大事。 美國默克公司研發出了一種藥物叫莫奈拉韋，輝瑞公司研發了一種叫帕羅維德的藥物，這兩種藥物對付新冠肺炎，都很有效。
3. 核聚變實現曆史性突破
2021年8月，美國國家點火裝置(NIF)産生了一種核聚變反應，這種反應産生的能量大于點燃它所需的激光能量。 美國的這個國家點火裝置擁有世界上最強大的激光器，它會産生192束超強的激光，然後這些激光彙聚到一個點上，也就差不多隻有胡椒粒大小的一個小球上。這個小球裡面含有氚和氘兩種核聚變材料，這些核材料會引發核聚變反應。但是，以前我們做類似的實驗都是入不敷出的，也就是激光發出的能量比核聚變産生的能量還要大，這就好像掙錢的速度沒有花錢的速度快，那怎麼可能存下錢來呢？ 這就意味着以前的核聚變實驗都是消耗的電力比能發出的電力還要大，所以都不可能有實用價值。 但這次不一樣了，這次科學家們終于讓産生的能量大于輸入的能量了。雖然大了沒多少，但這依然是受控核聚變曆史上的一個裡程碑事件。
2. 解鎖古老泥土中的 DNA 寶庫
過去科學家們要分析遠古時代的DNA，總要找到點遺骸、毛發之類的東西.現在科學家們發現，有一部分生物的DNA被混進了泥土裡，埋在了地下。如果能分析出泥土之中的DNA信息，那麼我們就能知道很多遠古時代的事兒。 就在今年，研究者從西班牙的一個山洞沉積物之中提取出了DNA信息，他們發現了尼安德特人的蹤迹。DNA信息顯示，在冰川期結束的那個時代，尼安德特人的一個譜系代替了其他幾個譜系。大概的意思就是說，來了一夥外來戶，殺死或者趕走了本地人。
1. 人工智能預測蛋白質結構
蛋白質的樣子，從微觀上來說，就是一團有機大分子，它是構成生命的基本零件，每一種蛋白質都有一個特定的三維結構，但這種三維結構有一個特殊之處，它一定是由一根長長的鍊條折疊而成的。 要清楚蛋白質的三維結構，你隻需要去玩一種叫“百變魔尺”的玩具，立即就能理解了。不知道大家玩過沒有，百變魔尺是一節一節的，每一節都可以做各個角度的翻轉，因此，你可以把一根長長的魔尺折疊成各種各樣的形狀，魔尺的節數越多，能夠折疊出的形狀數量就會呈指數級的增長。 組成蛋白質的基本單元是氨基酸，它就像魔尺的一個“節”。蛋白質在剛剛生成的時候，就像一根長長的幾十到幾百節的魔尺。然後，它會在幾微秒到幾毫秒的時間内，迅速地折疊成一個特定的形狀。因此，在電子顯微鏡中，每一個蛋白質就像是一團亂麻。 決定一個蛋白質性狀和功能的，就是構成蛋白質的氨基酸序列和蛋白質最終折疊成的形狀。比如，我們的免疫系統在面對病毒和細菌入侵時，就會産生一種“Y”字形的抗體蛋白。它們的形狀就像是一個抓娃娃機的夾子，能夠精确瞄準并夾住這些入侵者。 所以對于一個蛋白質，科學家們最感興趣的是兩個信息：一是蛋白質的氨基酸序列，你可以想象成魔尺的那些“節”；另一個則是蛋白質的結構，也就是魔尺折疊後的形狀。序列信息不難獲得，但結構信息卻極難獲得。但結構信息恰恰又更重要，因為如果知道了一個未知蛋白質的結構，就可以更準确地理解它在細胞中的作用。如果這個蛋白質與某種疾病相聯系，那麼科學家們就能根據它的結構形狀，開發出相應的藥物。 以前，科學家想要弄清楚一個蛋白質的三維結構，唯一的辦法隻能是耗費巨大的人力、物力，用極其笨拙的方法，通過大量的重複性實驗來找到蛋白質的三維結構。反正就是做大量的實驗。 但後來，一幫計算機科學家找到了一個新的辦法，就是利用氨基酸的序列信息來算出蛋白質的結構，不用做實驗。不過，它的計算難度很高，計算量也超級巨大。20 多年前，計算機科學家們就在努力完成這項挑戰，每年都會前進一些，但計算結果的準确度始終無法超過做實驗得出的結果。 但今年，谷歌公司取得了重大突破，他們開發的一個叫 AlphaFold（阿爾法折疊）的計算機程序，可以非常準确地預測蛋白質結構，取得了突破性的進展。這個阿爾法折疊其實就是那個第一次打敗圍棋世界冠軍的阿爾法狗的程序的親兄弟。 這項革命性突破，解決了持續 50 年的重大生物學難題，難怪科學雜志把它放在了第1位，這個冠軍的含金量還是很足的。
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