Science雜誌評出2016年十大科學突破

導語

12月23日，Science公布了Breakthrough of the Year, 2016，其中引力波獲得Science評審的年度最佳突破，而從AI到蛋白質設計的九大研究並列第二。

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最佳突破：時空漣漪引力波

引力波獲得最佳突破可謂當之無愧，之前自然等各大網站的年度盤點，引力波都榜上有名。美國加州理工學院、麻省理工學院以及「激光干涉引力波天文台（LIGO）」的研究人員2月宣布，他們利用LIGO探測器在2015年9月14日探測到來自於兩個黑洞合并的引力波信號，證明了愛因斯坦廣義相對論預言中的引力波。來自中國清華大學的研究者也參與了這項研究。時隔四個月，美國激光干涉儀引力波天文台(LIGO)再次放出重磅消息，宣布「又探測到了一個引力波事件」。人類第二次探測到被稱為「時空漣漪」的引力波，此消息一出，立刻在學界激起「千層浪」。科學家稱，這次探測進一步印證了愛因斯坦廣義相對論的正確性，同時也是天文學的一個里程碑。

九大亞軍突破：從AI到蛋白質摺疊

這九個科學發展進步經科學雜誌編輯們的一致評審，沒有特定的成就順序，並列第二。

1

比鄰星

發現這顆「地球2.0」類地行星的天文學家團隊(包括來自8個國家的31位科學家)利用歐洲南方天文台的望遠鏡以及其他天文觀測設施，確鑿地證明有一顆類地行星「比鄰星b」正圍繞著距離太陽最近的恆星——半人馬座的比鄰星運轉。比鄰星b的質量只比地球略重一點，或許是離地球最近的系外行星的系外生命可能存在的地方。

這一發現8月25日發表在《自然》雜誌上。研究結果稱，比鄰星b是恆星比鄰星的行星之一，它有著岩石地表，大概是地球體積的1.3倍，距離地球僅4.22光年。比鄰星b與比鄰星之間的距離比較接近，僅僅是太陽與地球之間距離的1/20，它圍繞比鄰星轉一圈的時間是11.2天，這意味著在比鄰星b上的「一年」是11.2天。

如果比鄰星b的「太陽」——比鄰星像我們的太陽發出那麼強熱的光，那麼比鄰星b上也不可能有生命，但比鄰星屬紅矮星，所散發的紅外幅射遠不及太陽，液態水不易蒸發也不易冰凍，所以比鄰星b仍處於宜居帶，「只不過比鄰星b的天空不是藍的，而是暗橙紅色的，永遠像日落時那樣。」

參考文獻：

G. Anglada-Escudé, 「A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri,」 Nature 536 437 (25 August 2016)

2

人工智慧阿法狗

要說在2016年人工智慧領域最震驚世界的一件事，那就是3月份的阿法狗大戰世界圍棋高手李世石了，最終李世石以1:4的成績敗給阿法狗，阿法狗也因此進入世界圍棋榜，取代李世石排名第四，距世界圍棋第一我國天才少年柯潔僅不足百分，而柯潔也表示沒有百分百的把握戰勝阿法狗，這次狗的勝利可謂是人工智慧發展的一個里程碑。 這不是第一次AI超越了人類對遊戲的掌握。 畢竟，20年前，IBM的Deep Blue在一場國際象棋比賽中第一次擊敗Garry Kasparov，第二年在一場六場比賽中推翻了世界冠軍。

阿法狗由倫敦的Google子公司DeepMind設計，研究了成千上萬的在人類之間玩的在線遊戲，使用這些序列的移動作為機器學習演算法的數據。 然後，阿法狗反對自己 - 或者說，稍微不同的版本的自己 - 一遍又一遍，用一種稱為深加強學習的技術微調其策略。 最終的結果是AI不僅勝過暴力計算，而且還有一些看起來非常像人類的東西。

參考文獻：

D. Silver, 「Mastering the game of Go with deep neural networks and tree search,」 Nature 589 224 (28 January 2016)

3

殺死舊細胞重返青春

延長壽命是人類的歷史夢想和願望，延長壽命的有效策略是延緩衰老，科學家們一直在探尋延緩衰老的方法，但有效的卻寥寥無幾。二月份發表在《自然》（Nature）的一項里程碑式的新研究，讓我們看到了希望。通過刪除「衰老的」細胞（隨著我們衰老而不斷積累的功能失調細胞，這些細胞會導致組織損傷），研究人員成功地將小鼠的壽命延長了25%。關鍵是，這些小鼠壽命變長的原因是它們變得更健康了。

10月份，Unity Biotechnology 宣布獲得 1.16 億美元 B 輪融資。公司計劃利用本輪融資擴大目前正在進行中的細胞衰老研究計劃，並推進公司首個臨床前項目進入人體試驗階段。Unity 致力於尋找方法來幫助人體選擇性清除這些會引發炎症和其他衰老相關疾病的老化細胞，從而幫助人體減緩年齡相關疾病的影響。

參考文獻：

D. J. Baker et al., 「Naturally occurring p16Ink4a-positive cells shorten healthy lifespan,」 Nature530, 184 (11 February 2016)

4

人類不是唯一會讀心術的

《科學》雜誌11月7日發表的一項新研究顯示，猿類可能也能揣測他人心思，甚至知道他人的看法是不正確的，這意味著猿類可能比我們此前認為的更像人類。

研究人員製作了兩個簡短視頻，讓黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩三種猿類觀看，並用眼紅外跟蹤器對它們的注視焦點進行追蹤。結果發現，猿類能對人類認為假猩猩或石頭藏在什麼地方做出正確的判斷，它們了解人的想法。研究人員在一份聲明中說：「這是非人類動物第一次通過『錯誤信念』測試。」

這項發現表明，了解別人想法不正確的能力並不是人類所獨有，而是至少從1300萬至1800萬年前人類與黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩的最後共同祖先就可能開始擁有。如果能有進一步實驗證實這些發現，那麼科學家可能需要重新思考猿類對彼此的了解有多深。

參考文獻

1.C. Krupenye et al., 「Great apes anticipate that other individuals will act according to false beliefs,」 Science 354, 110 (7 October 2016)

2.F. de Waal, 「Apes know what others believe,」 Science 354, 39 (7 October 2016)

5

定製蛋白質

蛋白質是生命的主力。 它們加速重要的化學反應，使肌肉能夠牽引，在細胞之間和細胞內進行通訊，並防禦入侵者。 鑒於蛋白質的天賦，研究人員一直想創建自己的版本。 他們通過對生物體的DNA代碼進行小調整，修改了許多現有的蛋白質，但今年，他們將蛋白質修飾改造成了一個全新的水平：他們創造了一套不同於自然界中發現的設計蛋白，為新葯設計提供了材料和方向。

編寫任何所需的DNA代碼很容易，但研究人員無從了解如何由這種DNA編碼的氨基酸的新型字元串將摺疊成複雜的3D形狀。這是一個問題，因為對於蛋白質，形狀決定功能。 然而，最近計算生物學家在設計計算機程序方面取得了令人矚目的進展，設計者準確預測了蛋白質將如何摺疊。這些進展使今年設計蛋白質的增長成為可能。

今年2月，由華盛頓州的研究人員領導的一個團隊使用一個這樣的程序設計了可能成為普遍流感疫苗的蛋白質，這個蛋白質能夠同時為所有流感病毒引發免疫防禦。 7月，包括許多相同研究人員的團隊創建了自組裝成中空籠子的蛋白質，或許在未來某一天，它們可以裝滿藥物或DNA片段以治療一系列疾病。 另一個團隊使用類似的程序來產生3D，摺疊的RNA分子，其呈現類似於蛋白質的摺疊問題，以及RNA-蛋白複合物，開闢新的研究可能性。

參考文獻：

1.H. Yang et al., 「Design of a hyperstable 60-subunit protein icosahedron,」 Nature 535, 136 (15 June 2016)

2.J. Bale et al., 「Accurate design of megadalton-scale two-component icosahedral protein complexes,」 Science 353, 389 (22 July 2016)

6

實驗室做的老鼠卵子

給「試管嬰兒」一詞帶來新的意義，今年，日本的研究人員從完全在實驗室盤中生長的卵細胞中產生小鼠幼崽。 這個長期追求的成就為研究人員提供了一種新的方法來研究卵子的發展，並提出了在實驗室中從幾乎任何類型的細胞（包括遺傳改變的細胞）製造人類卵的更遠的前景。 這種可能性激發了新的不育治療的希望，但它也恢復了對嬰兒設計師的恐懼。

在2012年，同樣的研究人員採取了第一個關鍵步驟：他們從幹細胞製作卵細胞。然而，該方法仍然需要將未成熟的卵植入到活的小鼠中以完成它們的發育。 今年，研究人員發現了一種在實驗室中完全生產卵細胞的方法。 不是將未成熟的卵植入小鼠，而是將它們培養在取自胎兒小鼠卵巢的細胞簇中。然後，團隊將實驗室生長的卵與小鼠精子混合，並將所得胚胎植入寄養母親。 只有3％的成長為足月幼仔，但那些幼崽成長為肥沃，表面健康的成年人。

如果科學家可以將人類幹細胞執行類似的壯舉，它可能導致一些女性不育症的新選擇。甚至可能將來自人的幹細胞轉化為卵子。 這種可能性距離實現還有很長的路要走。

參考文獻：

1.K. Morohaku et al., 「Complete in vitro generation of fertile oocytes from mouse primordial germ cells,」 PNAS 113, 9021 (9 August 2016)

2.K. Hayashi et al., 「Offspring from Oocytes Derived from in Vitro Primordial Germ Cell–like Cells in Mice,」 Science 338, 971 (16 November 2012)

3.O. Hikabe et al., 「Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line,」 Nature 539, 299 (10 November 2016)

7

非洲移民如何落戶全世界

10月在Nature上發表的四篇文章，試圖探究人類是如何從非洲移民到全世界的。

其中三項新研究擴大了目前人口的已經分析的DNA列表。 結果表明，大多數非非洲人的基因遺傳自誰約75,000至50,000年前之間離開非洲的一個單脈衝人。 一個研究小組，從142個不同的人群中研究DNA，提出了非洲移民在分裂成歐洲或亞洲組之前與尼安德特人在中東異種繁殖。 其他科學家的數據集包括148人口的結論是，大約在12萬年前，非洲有一個大遷徙，這段時間擦除了大多數遺傳痕迹[。第三個論文發現， 土著澳大利亞人和新幾內亞的原生巴布亞人被一個獨特組合的歐亞人群突然造訪，這些歐亞人群像其他的非非洲人祖先，追溯到約72000年前非洲人離開了故土。

但是，這些遷移的時間可能會關閉。 第四個研究，根據氣候和海平面的數據， 確定了從72,000到 60,000年以前這段時間，是沙漠基本上阻斷了人類走出非洲的時間。 計算機模型表明了洲際旅行的幾個有利時期，其中一個是大約從59,000年前開始。 但考古研究表明，當時人類已經在亞洲蔓延。

參考文獻：

1.S. Mallick et al., 「The Simons Genome Diversity Project: 300 genomes from 142 diverse populations,」 Nature 538, 201 (13 October 2016)

2.A.-S. Malaspinas et al., 「A genomic history of Aboriginal Australia,」 Nature 538, 207 (13 October 2016)

3.L. Pagani et al., 「Genomic analyses inform on migration events during the peopling of Eurasia,」 Nature 538, 238 (13 October 2016)

4.A. Timmermann and T. Friedrich, 「Late Pleistocene climate drivers of early human migration,」 Nature538, 92 (13 October 2016)

8

納米孔基因測序

基因組測序可能即將成為生物學中無處不在的工具。 它在今年首次廣泛使用。並且已經產生了數十篇研究論文。

該裝置使用稱為納米孔測序的突破性技術直接讀取DNA的字母：當DNA鏈通過窄孔時，鹼基以獨特的，可讀的方式改變離子電流。與傳統測序相比，大的優點是納米孔測序儀的啟動成本相對較低，並且理論上可以解碼不限長度的DNA; 基因組不必被切碎，並且隨後通過計算機將序列拼接在一起。 並且因為它是快速和便攜的 - 該設備可以在幾個小時內攪拌序列 - 它可以潛在地用於生物監測，臨床診斷和現場疾病爆發的調查。

基於該設備已經產生了30多篇論文。研究人員在短短几個小時內就發現了埃博拉和其他病毒，在腸道中對微生物進行了測序，解讀了玉米真菌害蟲的5300萬基因組基因組，正如他們在本月早些時候宣布的，測序了一個人類基因組。 甚至宇航員在國際空間站使用它來排序土壤中的微生物的混合物。 該領域的Longtimers指出，這些進展已經很少記錄在同行評議的出版物。

參考文獻：

1.K. Schmidt et al., 「Identification of bacterial pathogens and antimicrobial resistance directly from clinical urines by nanopore-based metagenomic sequencing,」 J. Antimicrob Chemother. Epub ahead of print(25 September 2016)

2.M. Loose et al., 「Real-time selective sequencing using nanopore technology,」 Nature Methods 13, 751 (September 2016)

S. Deschamps et al., 「Characterization, correction and de novo assembly of an Oxford Nanopore genomic dataset from Agrobacterium tumefaciens.」 Sci Rep 6 28625 (28 June 2016)

3.H. Lu et al., 「Oxford Nanopore MinION Sequencing and Genome Assembly.」 Genomics Proteomics Bioinformatics 14(5), 265 (17 September 2016)

NASA press release, 「First DNA Sequencing in Space a Game Changer,」 (29 August 2016)

4.E. Datema et al., 「The megabase-sized fungal genome of Rhizoctonia solani assembled from nanopore reads only,」 BioRxiv (1 November 2016)

5.A. Edwards et al., 「Extreme metagenomics using nanopore DNA sequencing: a field report from Svalbard, 78 N,」 BioRxiv (7 September 2016)

6.J. Quick et al., 「Real-time, portable genome sequencing for Ebola surveillance,」 Nature 530, 228 (11 February 2016)

9

金屬鏡片

玻璃鏡片是人類最早的高科技創新之一。 他們讓Galileo看見木星的衛星，Antonie van Leeuwenhoek去監視微生物，和數以百萬計的人都清楚地看到。 但鏡頭仍然是幾乎相同的方式，因為他們幾個世紀前 - 通過研磨和拋光玻璃和其他透明材料，使他們聚焦光無差異。 現在，鏡頭技術準備邁出一大步。 今年，研究人員使用計算機晶元圖案化技術來創建第一個超材料透鏡，或金屬，可以聚焦全光譜的可見光。 因為金屬製品生產成本低，比一張紙薄，並且遠比玻璃輕，所以這是顯微鏡，虛擬現實顯示器到攝像機（包括智能手機中的顯示器）進步的一次革命性技術。

超材料由微小柱，環和其他材料排列組成，它們共同工作以在光波通過時操縱光波。 近年來，研究人員已經設計了基於超材料的「隱形屏蔽」，其在物體周圍引導光，以及濾光器和天線。 但以前的努力，只對紅外和其他長波長的光可行; 圖案化技術不能用對可見光透明的材料工作。

今年，研究人員提出了如何使用稱為原子層沉積的傳統晶元圖案化技術，精確地圖案化二氧化鈦柱陣列。 只有600納米高，柱子對可見光是透明的，這種技術可以聚焦它產生高達170倍的放大 - 與最先進的玻璃光學一樣好。 該團隊通過使用它們製作全息圖並進行詳細的光譜學測試其金屬技術，為其他潛在應用開闢了道路。探索高科技光學，使手機甚至更時尚，導致新的科學儀器，並改造虛擬現實耳機。

參考資料：

1.M. Khorasaninejad et al., 「Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging,」 Science 352, 1190 (3 June 2016)