《自然》盘点年度科学事件 塑造2016那些事儿

从唐纳德•特朗普出人意料地成功当选美国总统到太空灾难性技术故障,2016年对科研人员而言是暗流汹涌的一年。但今年,仍有瞩目的研究成果出现:引力波现身、“三亲”婴儿诞生和人工智能击败李世石……

近日,《自然》杂志网络版公布了其评出的2016年产生重大影响的科学事件,中国在航天、基因技术和气候变化等领域的多项重要成果也被纳入其中。

“抓住”引力波

今年,物理学家有了大发现。2月11日,美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的研究人员宣布,LIGO探测器在2015年9月14日探测到来自于10亿年前两个黑洞合并的引力波信号,证明了爱因斯坦广义相对论预言中的引力波。

广义相对论中有一个重要预言,即大质量天体发生碰撞、超新星爆发等极端宇宙事件会产生强大的引力波。这是一种时空涟漪,就像波一样传递开来。科学家一直在寻找引力波,但都没有发现。

在爱因斯坦发表广义相对论将近100年后,科学家终于以让人惊叹的方式证实了它。这也给黑洞的存在提供了最直接的证据,而黑洞也曾被爱因斯坦的理论预言过。为LIGO的胜利欢呼的天体物理学家表示,这为宇宙观测带来了新方法。“这是一个新时代的开始。”LIGO发言人、路易斯安那州立大学物理学家Gabriela González说。

就在LIGO宣布发现引力波数周后,欧洲空间局(ESA)的LISA探测项目测验了三重探测技术,该技术将探测来自比LIGO观测到的更大、更远天体的引力波。LISA探路者航天器定点在拉格朗日点L1上,距离地球大约150万公里,主要任务就是寻找宇宙中的引力波。

但粒子物理学家的运气似乎就没那么好了。在大型强子对撞机上开展的两个独立实验都在2015年底报告了一些异常迹象,研究人员曾推测这可能是一种新粒子,并且质量是希格斯玻色子的6倍,但2016年8月更多数据公布后,研究人员确认这只是统计上的偏差,并不是真的发现了新粒子。

世界“新秩序”

11月,美国共和党候选人特朗普的成功当选,让2016年的美国大选在一片哗然中落下帷幕。研究人员认为,这对美国科学而言并不是一个好消息,部分原因是在竞选活动中,特朗普团队并未突出科学的重要性。

另外,特朗普的一些观点也让科学家感到失望,例如他宣称气候变化只是一个“恶作剧”,并承诺美国将退出巴黎气候变化协议。他还认为孤独症和儿童期注射疫苗有关。

随着特朗普政府开始成型,该国研究人员也对新总统对科学的“漠不关心”表示反对。11月底,包括22位诺奖得主在内的2300多名科学家,提交给特朗普一封信,呼吁他“坚守科学诚信和独立性的高标准,以应对目前出现的公共健康和环境威胁”。

另一方面,英国宣布脱离欧盟也震惊了当地科学界。6月23日出炉的英国全民公决结果显示,有52%的投票者支持该国离开欧盟。没有人确定英国退欧将如何影响科学,但很多研究人员担心其产生的长期冲击。除了直接的经济影响和可能失去欧盟资助外,科学家还担心退欧会使该国丧失同欧洲大陆之间的流动性。

过去10年间,欧盟的研究资助为英国提供了约80亿欧元的经费。目前,依靠欧盟资助的英国机构正眼看着员工从计划好的合作性欧盟资助申请项目中被解雇或者降职。不过,让英国学界略感欣慰的是,该国政府宣布,从现在到退欧结束,将为英国科学家从欧盟获得的研究经费提供担保金。

7月,土耳其的一场失败的军事政变也引起了学术界的“巨变”。在7月15日未遂政变之后,土耳其1500多名大学员工被要求离职或面临被解雇。据悉,为了给政治反对派施加压力,土耳其高等教育委员会要求各大学校长厘清与居伦运动(被认为是隐藏在此次政变背后的宗教和社会组织)有关的教职人员。

今年,委内瑞拉、巴西和南非遭遇政治经济危机,而这些国家的研究人员也未幸免。失业、饥饿和愈演愈烈的暴力行为,让委内瑞拉数百位科学家被迫逃离。而巴西研究人员也面临经费剧烈削减、联邦科学预算冻结和环境法规削弱等。南非大学生则举行游行示威,要求政府加大教育补贴,而且游行活动逐步演变为校园暴力,许多大学不得不暂停授课。抗议活动成为研究工作的“灾难”,南非大学正处于“水深火热”中。

挺进太空

2016年是《星际迷航》公映50周年,但小技术故障使得若干空间项目宣布失败。不过,这一年,航天领域仍收获了丰硕成果。

3月,日本宇宙航空研究开发机构的旗舰项目X射线天文卫星“瞳”与地面失去联系。经过详细调查之后,日本方面宣布这颗卫星的失控情况极可能是由一项基础工程失误造成的。据报道,“瞳”的姿控系统可能对于星体在太空中的指向感知产生混乱,于是自动启动了一台反推发动机试图阻止自身继续翻滚,但系统的发动机喷射方向却弄反了,因此启动姿控发动机的后果是加速了卫星的翻滚。

无独有偶,7月美国宇航局的“朱诺”探测器到达木星,但由于主发动机故障,火箭点火延迟,将探测器轨道缩减为更接近木星的椭圆轨道。不过,幸运的是,“朱诺”仍会收集木星的大气和磁场数据,只是比原先计划的更慢。

但ESA可能就没有这么幸运了。10月,作为ESA的ExoMars项目一部分的斯基亚帕雷利着陆器坠毁。ESA推测,斯基亚帕雷利有可能是从距离火星表面两千米至4千米高的空中开始下坠,并以超过300公里的时速撞向火星。初步分析结果显示,斯基亚帕雷利打开降落伞和防热罩后,有部件出现了故障。用于减缓登陆器下落速度的推进器只点燃了3 秒,而原定的点燃时间应该为30 秒。

而斯基亚帕雷利坠毁让工程师感到“压力山大”。因为,ExoMars 2020探测器及其着陆系统的许多部件完全“复制”了斯基亚帕雷利,并在明年需要运到俄罗斯进行集成。实际上,ExoMars一直命途多舛,之前,由于ESA建造的探测器与俄罗斯减速伞的匹配问题,该项目就从2018年推迟到2020年。

不过,令人欣慰的是,中国航天在今年取得了不俗的成绩。8月,中国成功将世界首颗量子卫星“墨子号”发射升空。由中科院自主研制的“墨子号”的主要科学目标是进行星地高速量子密钥分发和广域量子密钥网络实验,并在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态等实验研究。量子卫星的成功发射和在轨运行,在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子通信,构建了天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

500米口径球面射电望远镜也于9月在中国贵州省正式落成启用,这是目前世界上最大的单口径射电望远镜。11月,中国成功发射新一代大推力运载火箭长征五号。10月与11月间,中国两名航天员在天宫二号空间实验室工作生活了30天,创造了中国航天员太空驻留时间新纪录。

备受争议的CRISPR

新基因编辑工具CRISPR-Cas9的发展仍然迅速。中国四川大学华西医院肿瘤学教授卢铀领衔的科研团队有望开展全球第一例CRISPR-Cas9基因编辑人体临床试验。10月28日,首名患者在这里接受了经CRISPR技术改造的T细胞治疗。

卢铀团队从志愿者体内分离出T细胞,并利用CRISPR-Cas9技术对这些细胞进行基因编辑。他们将敲除这些细胞中的PD-1基因,并在体外进行细胞扩增。当细胞达到一定量后,再将它们输回患者体内,以便杀死肿瘤。《自然》杂志预计未来在美国和中国会有更多基于这一技术的临床治疗应用。

但CRISPR-Cas9疗法的商业前景依然不明确。随着美国专利与商标局1月宣布“干涉”两个研究团队间的诉讼时,围绕该国基因编辑技术的争论达到白热化。专利竞争的两方分别是加州大学伯克利分校的生物学家詹妮弗•杜德纳以及麻省理工学院博德研究所的张锋。

1月11日,专利与商标局宣布启动抵触审查程序,重新审核CRISPR-Cas9技术的专利。而专利申请对该技术的商业化应用至关重要。

同时,今年更多的研究者使用CRISPR-Cas9编辑人类胚胎。该研究领域一直以来颇受争议,人们担忧这可能会出现“设计”婴儿。不过,一些国家的监管机构为这些项目亮了绿灯。中国、英国和瑞典等国的研究组宣布将利用该技术研究人类发展。

气候危机

4月22日是世界地球日,174个国家及欧盟代表聚集在美国纽约联合国总部签署《巴黎协定》。各国承诺要将本世纪全球平均升温控制在两摄氏度以内,以减少气候变化造成的严重影响,保护脆弱的发展中国家。甚至各国领导人还雄心勃勃地为控温1.5℃而努力。

而最大的进步是9月中美两国正式宣布加入该协议。几周后,巴西等30多个国家也加入其中,10月5日,欧盟正式通过该协议。11月4日,《巴黎协定》正式生效。

这并非今年人们应对全球气候变化的唯一努力。10月6日,联合国国际民航组织宣布将抑制国际航班的碳排放。10月15日,197个国家同意修改《蒙特利尔议定书》,以逐渐淘汰氢氟碳化物。相关国家还打破长达4年的僵局,于10月28日宣布在南极洲罗斯海建立世界最大的海洋保护区。

即便如此,全球变暖的警报仍未解除。出现在热带太平洋海域的“史诗般”的厄尔尼诺,使得今年前5个月的全球气温达到历史高点。世界气象组织(WMO)11月14日在联合国马拉喀什气候大会上发布报告说,2016年“很可能”成为有气象记录以来最热一年。相关报告显示,今年全球气温比工业化以前升高1.2℃,比1961年至1990年(这是WMO的参考期限)的平均温度升高0.88℃。

寨卡病毒肆虐

寨卡病毒是2016年的一大焦点。世界卫生组织(WHO)2月将与寨卡病毒相关的新生儿小头症病例和其他神经系统病变升级为“国际关注的突发公共卫生事件”。自寨卡病毒病例在巴西出现以来,疫情迅速蔓延至美洲地区的数十国家和地区。孕妇感染后可能导致新生儿小头畸形或死亡。

不过幸运的是,小头症和其他与寨卡相关的新生儿畸形并未像之前想象的那样大规模暴发。即便在巴西,小头症高发病率仍主要集中在东北地区——研究人员怀疑是多种因素导致了该疾病。

直到11月,WHO宣布这不再构成“国际关注的突发公共卫生事件”。但此举并不意味着将寨卡病毒及其并发症降级。全球多个团队正加紧开展针对寨卡病毒的研究,以解开有关寨卡病毒的不少谜题。

例如,一项针对哥伦比亚寨卡疫情的新研究指出,孕妇在怀孕前三四个月感染寨卡病毒最容易引发胎儿小头症。值得注意的是,前不久,中科院微生物所研究人员从中国第一例寨卡康复病人体内鉴定出高效、特异的寨卡病毒单克隆抗体,并对其治病机理进行了解析,这在全球尚属首次。

斗智游戏

2016年的一个大热概念无疑是人工智能。今年1月,谷歌下属的“深度思维”公司利用人工智能程序“阿尔法围棋”(AlphaGo)在围棋人机大战中击败了韩国九段棋手、世界冠军李世石。

10月,深度思维公司的另一个人工智能设备闪亮登场。它能不经过预先学习而操纵伦敦地铁。这个复杂的程序能结合记忆,从之前的经验中学习新能力。这使得人工智能又向人类迈进了一步。

除了围棋,人工智能还可以让机器语言翻译的错误率降低60%左右,并帮助物理学家探寻新的超级材料。而这些很大程度上得益于机器的深度学习。

争议中的“三亲”

一直备受争议的细胞核移植“三亲”技术在2016年也取得突破。

美国纽约市新希望生殖诊所医生张进(John Zhang)宣布,世界首个细胞核移植“三亲”婴儿已在4月诞生,手术是在未限制该技术的墨西哥完成的。拥有3人脱氧核糖核酸的男婴健康状况良好。

婴儿母亲1/4的线粒体携带有亚急性坏死性脑病基因,曾经4次流产,为此张进团队采用了“三亲”技术,即利用捐赠者卵子的健康线粒体替换其有缺陷的线粒体,再实施体外受精,最终获得的婴儿除了拥有父母的基因外,还拥有捐赠女子的线粒体遗传物质。

实际上,“三亲”婴儿技术一直遭遇伦理困境。去年年初,英国政府的评估结果显示,公众对这项做法持有广泛的敌视态度。不过,今年12月15日,英国人工授精与胚胎学管理局发布声明说,经过审慎评估,该局已正式认可了这项技术。(张章编译)