不知不覺(jué)2021 年又過(guò)去了。今天我要盤(pán)點(diǎn)一下 2021 年整年最重要的科技新聞。說(shuō)到這個(gè)年度科學(xué)突破，很多機(jī)構(gòu)或者媒體都會(huì)來(lái)評(píng)選。不過(guò)，《科學(xué)》雜志每年評(píng)選的年度十大科學(xué)突破比較權(quán)威，也具有代表性。所以我就把《科學(xué)》雜志評(píng)選的 2021 年度 10 大科學(xué)突破來(lái)說(shuō)道一下。

10. 人造胚泡有望減少倫理爭(zhēng)議

我解釋一下，“胚泡”這個(gè)詞是專門(mén)為這條新聞發(fā)明的一個(gè)新詞。你對(duì)“胚胎”這個(gè)詞一定不陌生，所有的動(dòng)物最初都是由一個(gè)受精卵開(kāi)始發(fā)育的，受精卵發(fā)育一段時(shí)間后，就會(huì)變成一個(gè)胚胎。胚胎的研究?jī)r(jià)值很大，可以幫助科學(xué)家們解決很多重大問(wèn)題。但如果用人類(lèi)胚胎進(jìn)行科學(xué)研究，科學(xué)家將面臨很多倫理方面的問(wèn)題，人們接受不了把胚胎當(dāng)做研究對(duì)象，覺(jué)得這樣很不人道。

畢竟胚胎再往下發(fā)育那就是一個(gè)嬰兒了。而這項(xiàng)新的科學(xué)突破，就是科學(xué)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(lái)的爭(zhēng)議，這是生物學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)非常重大的突破性進(jìn)展。

9. CRISPR 基因編輯療法對(duì)人類(lèi)的療效首次被證明

這個(gè)所謂的 CRISPR 療法是一種基因編輯療法，如今這個(gè)話題也很熱門(mén)。就在去年，基因編輯療法顯示出了對(duì)鐮刀形細(xì)胞貧血癥和β-地中海貧血癥可能有效，但當(dāng)時(shí)醫(yī)生還不敢在人體上直接使用這種編輯療法。

道理很簡(jiǎn)單，所謂的基因編輯，就是利用特殊的基因剪刀對(duì)人體的DNA進(jìn)行修剪拼貼。為了治療某種疾病，就必須在基因的某個(gè)精確的位置進(jìn)行剪裁拼貼。如果下刀的地方搞錯(cuò)了，剪歪了，那就麻煩大了，你也不知道會(huì)造成什么后果，這種情況術(shù)語(yǔ)上叫“脫靶”。

但是，今年科學(xué)家們對(duì)患有“轉(zhuǎn)甲狀腺素淀粉樣變性病”的病人進(jìn)行了基因編輯療法的測(cè)試，現(xiàn)在看來(lái)，效果很不錯(cuò)，沒(méi)發(fā)生什么脫靶的情況，這次試驗(yàn)意義重大，因?yàn)檫@是CRISPR基因編輯首次在人體內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

8. 繆子實(shí)驗(yàn)可能突破標(biāo)準(zhǔn)模型

這是屬于理論物理學(xué)范疇的，物理學(xué)中站在金字塔尖的學(xué)問(wèn)。我們并不需要知道太多細(xì)節(jié)，先大致感受一下氣質(zhì)就可以了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是今年的4月7日，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一次繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)繆子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測(cè)不相符。反正就是和現(xiàn)有的寫(xiě)在教科書(shū)中的物理理論不太相符

不過(guò)你可千萬(wàn)別認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況，科學(xué)家們會(huì)不爽。恰恰相反，對(duì)于這種意外，科學(xué)家們簡(jiǎn)直是喜出望外。因?yàn)檫@也就意味著他們有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)新的不尋常的物理機(jī)制了。

換句話說(shuō)，已經(jīng)擁有 50 年歷史的標(biāo)準(zhǔn)模型，也就是教科書(shū)中的物理理論有可能面臨著新的挑戰(zhàn)和突破，而科學(xué)家們是最喜歡挑戰(zhàn)的一群人了。

7. 火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)首次被揭示

科學(xué)家們主要依靠對(duì)火星地震的測(cè)量，弄清了火星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。美國(guó)人發(fā)射了洞察號(hào)探測(cè)器，它的任務(wù)就是監(jiān)聽(tīng)火星地下的地震波。它一共記錄了733次火星地震?；鹦堑臉?gòu)造其實(shí)跟地球?qū)儆谕粋€(gè)類(lèi)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。地球的內(nèi)部也可以大致分為地核、地幔、地殼3部分。

火星比地球小得多，科學(xué)家們根據(jù)洞察號(hào)提供的35次地震數(shù)據(jù)，大致計(jì)算出了火星的外殼有多厚，內(nèi)核有多大。別看火星半徑只有3390千米，大致為地球的一半。但是外殼卻比地球還要厚一點(diǎn)，厚的地方有70千米，薄的地方只有24千米?；鹦怯幸粋€(gè)半徑1830千米的內(nèi)核，但是核心卻很輕，看來(lái)火星內(nèi)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(xì)胞制造出來(lái)的抗體，簡(jiǎn)稱叫單抗。你可以理解為是我們?nèi)梭w自身制造出來(lái)的維和警察，專門(mén)用來(lái)對(duì)付各種入侵人體的壞東西。所以，抗體可以用來(lái)治病?？茖W(xué)家們用單抗來(lái)對(duì)付新冠病毒，或艾滋病病毒或瘧疾寄生蟲(chóng)方面，都有不錯(cuò)的效果。

5. “搖頭丸”可治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）

有些人遭受了嚴(yán)重的侵害，比如說(shuō)遭遇了車(chē)禍、戰(zhàn)爭(zhēng)，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(chuàng)傷。這種嚴(yán)重的創(chuàng)傷不僅會(huì)直接傷害到人的身心健康，而且哪怕傷害已經(jīng)消除了，事情已經(jīng)過(guò)去了，可是創(chuàng)傷造成的后遺癥還會(huì)折磨著當(dāng)事人。PTSD指的就是這些復(fù)雜的后遺癥。有些人在遭遇嚴(yán)重傷害之后，會(huì)經(jīng)常做噩夢(mèng)，性格也會(huì)出現(xiàn)很大的變化。會(huì)長(zhǎng)期失眠。他們需要避免會(huì)引起回憶的場(chǎng)景。

不過(guò)最近科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有一種叫“搖頭丸”的毒品對(duì)患有PTSD的患者很有效。不禁感慨，一個(gè)化學(xué)物質(zhì)用不對(duì)地方是毒品，用對(duì)了地方就能治病救人，關(guān)鍵是看如何正確使用，用在了什么地方。

4. 抗新冠口服藥物問(wèn)世

新冠病毒仍然肆虐，最近出現(xiàn)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(fā)能夠?qū)Ω缎鹿诘乃幬镆簿妥兂闪祟^等大事。

美國(guó)默克公司研發(fā)出了一種藥物叫莫奈拉韋，輝瑞公司研發(fā)了一種叫帕羅維德的藥物，這兩種藥物對(duì)付新冠肺炎，都很有效。

3. 核聚變實(shí)現(xiàn)歷史性突破

2021年8月，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)產(chǎn)生了一種核聚變反應(yīng)，這種反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于點(diǎn)燃它所需的激光能量。

美國(guó)的這個(gè)國(guó)家點(diǎn)火裝置擁有世界上最強(qiáng)大的激光器，它會(huì)產(chǎn)生192束超強(qiáng)的激光，然后這些激光匯聚到一個(gè)點(diǎn)上，也就差不多只有胡椒粒大小的一個(gè)小球上。這個(gè)小球里面含有氚和氘兩種核聚變材料，這些核材料會(huì)引發(fā)核聚變反應(yīng)。但是，以前我們做類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)都是入不敷出的，也就是激光發(fā)出的能量比核聚變產(chǎn)生的能量還要大，這就好像掙錢(qián)的速度沒(méi)有花錢(qián)的速度快，那怎么可能存下錢(qián)來(lái)呢？

這就意味著以前的核聚變實(shí)驗(yàn)都是消耗的電力比能發(fā)出的電力還要大，所以都不可能有實(shí)用價(jià)值。

但這次不一樣了，這次科學(xué)家們終于讓產(chǎn)生的能量大于輸入的能量了。雖然大了沒(méi)多少，但這依然是受控核聚變歷史上的一個(gè)里程碑事件。

2. 解鎖古老泥土中的 DNA 寶庫(kù)

過(guò)去科學(xué)家們要分析遠(yuǎn)古時(shí)代的DNA，總要找到點(diǎn)遺骸、毛發(fā)之類(lèi)的東西.現(xiàn)在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有一部分生物的DNA被混進(jìn)了泥土里，埋在了地下。如果能分析出泥土之中的DNA信息，那么我們就能知道很多遠(yuǎn)古時(shí)代的事兒。

就在今年，研究者從西班牙的一個(gè)山洞沉積物之中提取出了DNA信息，他們發(fā)現(xiàn)了尼安德特人的蹤跡。DNA信息顯示，在冰川期結(jié)束的那個(gè)時(shí)代，尼安德特人的一個(gè)譜系代替了其他幾個(gè)譜系。大概的意思就是說(shuō)，來(lái)了一伙外來(lái)戶，殺死或者趕走了本地人。

1. 人工智能預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的樣子，從微觀上來(lái)說(shuō)，就是一團(tuán)有機(jī)大分子，它是構(gòu)成生命的基本零件，每一種蛋白質(zhì)都有一個(gè)特定的三維結(jié)構(gòu)，但這種三維結(jié)構(gòu)有一個(gè)特殊之處，它一定是由一根長(zhǎng)長(zhǎng)的鏈條折疊而成的。

要清楚蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，你只需要去玩一種叫“百變魔尺”的玩具，立即就能理解了。不知道大家玩過(guò)沒(méi)有，百變魔尺是一節(jié)一節(jié)的，每一節(jié)都可以做各個(gè)角度的翻轉(zhuǎn)，因此，你可以把一根長(zhǎng)長(zhǎng)的魔尺折疊成各種各樣的形狀，魔尺的節(jié)數(shù)越多，能夠折疊出的形狀數(shù)量就會(huì)呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。

組成蛋白質(zhì)的基本單元是氨基酸，它就像魔尺的一個(gè)“節(jié)”。蛋白質(zhì)在剛剛生成的時(shí)候，就像一根長(zhǎng)長(zhǎng)的幾十到幾百節(jié)的魔尺。然后，它會(huì)在幾微秒到幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，迅速地折疊成一個(gè)特定的形狀。因此，在電子顯微鏡中，每一個(gè)蛋白質(zhì)就像是一團(tuán)亂麻。

決定一個(gè)蛋白質(zhì)性狀和功能的，就是構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸序列和蛋白質(zhì)最終折疊成的形狀。比如，我們的免疫系統(tǒng)在面對(duì)病毒和細(xì)菌入侵時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種“Y”字形的抗體蛋白。它們的形狀就像是一個(gè)抓娃娃機(jī)的夾子，能夠精確瞄準(zhǔn)并夾住這些入侵者。

所以對(duì)于一個(gè)蛋白質(zhì)，科學(xué)家們最感興趣的是兩個(gè)信息：一是蛋白質(zhì)的氨基酸序列，你可以想象成魔尺的那些“節(jié)”；另一個(gè)則是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，也就是魔尺折疊后的形狀。序列信息不難獲得，但結(jié)構(gòu)信息卻極難獲得。但結(jié)構(gòu)信息恰恰又更重要，因?yàn)槿绻懒艘粋€(gè)未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，就可以更準(zhǔn)確地理解它在細(xì)胞中的作用。如果這個(gè)蛋白質(zhì)與某種疾病相聯(lián)系，那么科學(xué)家們就能根據(jù)它的結(jié)構(gòu)形狀，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的藥物。

以前，科學(xué)家想要弄清楚一個(gè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，唯一的辦法只能是耗費(fèi)巨大的人力、物力，用極其笨拙的方法，通過(guò)大量的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)來(lái)找到蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。反正就是做大量的實(shí)驗(yàn)。

但后來(lái)，一幫計(jì)算機(jī)科學(xué)家找到了一個(gè)新的辦法，就是利用氨基酸的序列信息來(lái)算出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，不用做實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，它的計(jì)算難度很高，計(jì)算量也超級(jí)巨大。20 多年前，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們就在努力完成這項(xiàng)挑戰(zhàn)，每年都會(huì)前進(jìn)一些，但計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度始終無(wú)法超過(guò)做實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。

但今年，谷歌公司取得了重大突破，他們開(kāi)發(fā)的一個(gè)叫 AlphaFold（阿爾法折疊）的計(jì)算機(jī)程序，可以非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，取得了突破性的進(jìn)展。這個(gè)阿爾法折疊其實(shí)就是那個(gè)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(xiàng)革命性突破，解決了持續(xù) 50 年的重大生物學(xué)難題，難怪科學(xué)雜志把它放在了第1位，這個(gè)冠軍的含金量還是很足的。

尾聲

我祝愿科學(xué)家們明年能在更多的領(lǐng)域取得突破，最好超過(guò)今年，不知道能不能實(shí)現(xiàn)。

新年鐘聲快敲響了，平安喜樂(lè)，明年見(jiàn)！

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