Nature, Science分别公布年度十大科学发现和突破

Nature, Science分别公布年度十大科学发现和突破

《Nature》：2020年10大科学发现

在2020年即将结束之际，《自然》（Nature）杂志盘点了今年发表的科学新闻和研究观点，从中选出了十项最为重大的科学发现，既包括新冠病毒研究、压力如何导致白发、HIV治疗等医学方面的研究，也有银河系快速射电暴等天文学发现，甚至有一项研究在古代陵墓中发现了乱lun的证据。

这十大科学发现涉及14篇研究论文，其中12篇发表于《自然》杂志，另两篇发表于《科学》（Science）杂志。

01、打破物质-反物质的镜像对称性

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在T2K实验中，位于日本神冈天文台的地下探测器探测到穿过地球295公里的中微子（或反中微子）

日本T2K中微子合作组织的研究发表于4月15日的《自然》杂志，报告了轻子破坏粒子-反粒子镜像对称（也称为CP对称）的可能发现。轻子的CP破缺难以观测，却可以利用中微子进行搜索。中微子有三种“味”，由它们所关联的带电轻子（电子、μ子或τ子）决定，并且可以在运动过程中从一种味转变为另一种味。如果CP对称守恒，μ中微子到电中微子转换的振荡概率将与反μ中微子到反电中微子转换的振荡概率相同。在T2K实验中，位于日本神冈天文台的地下探测器探测到穿过地球295公里的中微子（或反中微子）。实验测量了μ中微子到电中微子转换的振荡概率，结果在95%的置信水平上排除了CP守恒，这可能是宇宙中物质-反物质不对称性起源的最早标志。

原始论文：Nature 580， 339-344（2020）。

02、南极上空臭氧层修复使高速气流停止漂移

20世纪80年代中期，科学家在南极上空发现了春季大气臭氧层空洞，这揭示了人类制造的臭氧消耗物质（ODSs）对大气层的威胁。位于海拔10到20公里处的南极臭氧层空洞也影响了南半球大气环流，进而影响地表的气候。最明显的一个趋势是，夏季的高速气流开始向极地移动。高速气流是行星尺度的大气环流现象，地球上有数条环绕的高速气流带。1987年的《蒙特利尔议定书》及其随后的修正案禁止了臭氧消耗物质的生产和使用。因此，大气中臭氧消耗物质浓度正在下降，臭氧层已经出现初步的恢复迹象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧层开始恢复以来，空洞相关的环流效应已经停止。以前曾有人注意到这种环流效应停止的趋势，但Banerjee等人首次正式将其归因于《蒙特利尔议定书》的影响。

原始论文：Nature 579， 544-548（2020）。

03、史前爱尔兰贵族墓葬遗址发现乱lun证据

纽格莱奇墓（Newgrange）是爱尔兰最著名的石隧墓，也是该国最著名的史前墓地之一，由复杂的工程技术建造而成

爱尔兰都柏林三一学院的Cassidy等人研究了农耕社会的社会结构，重点研究了被埋葬在石隧墓（欧洲的一种通道式巨石墓葬建筑）中的古代贵族。纽格莱奇墓（Newgrange）是爱尔兰最著名的石隧墓，也是该国最著名的史前墓地之一，由复杂的工程技术建造而成，墓室在一条很长的石砌通道的尽头。在陵墓入口上方有一个像窗一样的开口，在一年中白天最短的那天（冬至），这个开口可以让阳光照进墓室。研究人员对墓中发现的古代人类遗骸进行了DNA分析，揭示了一场罕见且出人意料的乱lun事件。大约5000年前埋葬在纽格兰奇墓室的一名男子是一桩乱lun婚姻的后代：他的父母要么是兄弟姐妹，要么是父母与子女。这一发现让研究小组推测，与这座宏伟陵墓有关的贵族们可能是通过乱lun来维持其血统。

原始论文：Nature 582， 384–388 （2020）。

04、卫星图像绘制地球树木地图

Brandt等人的论文报道了他们对覆盖西非西撒哈拉和萨赫勒地区超过130多万平方公里的高分辨率卫星图像的分析结果，他们绘制了大约18亿棵树木的位置和大小。在此之前，科学家还从未在如此大的区域内绘制出如此精细的树木地图。商业卫星已经开始收集数据，能够捕捉到大小在1平方米或以下的地面物体。陆地遥感领域因此即将迎来根本性的飞跃：从侧重于综合景观尺度的测量，到有可能在大范围或全球尺度上绘制每棵树的位置和树冠大小。这一进展无疑也将根本性地改变我们思考、监测、模拟和管理全球陆地生态系统的方式。

原始论文：Nature 587， 78–82 （2020）。

05、杀死潜伏的HIV病毒

导致艾滋病的HIV病毒可以长期“潜伏”在宿主细胞中，几乎不进行转录，因此不会被免疫系统发现。在《自然》杂志1月同期发表的两项研究中，报道了被称为“激活并杀死”（Shock and kill）的治疗策略，旨在扭转这种潜伏期，通过增加病毒基因的表达（激活），使被感染细胞更容易被免疫系统消灭（杀死）。两组研究人员都描述了在动物模型中的干预措施，这可能是迄今为止报道的最有效的激活手段，而且是可重复的。Nixon及其同事使用了一种名为AZD5582的药物，用于激活转录因子NF-κB——HIV-1基因表达的主要刺激因子。McBrien等人则将两种免疫干预措施结合起来，先通过抗体疗法耗竭CD8+ T细胞（降低病毒转录水平的免疫细胞），再进行N-803药物治疗，该药物可激活HIV-1的转录。除了这些进展，这两项研究还展示了用药物逆转病毒潜伏相关的概念和技术挑战。

原始论文：Nature 578， 154-159 （2020）；Nature 578， 160–165 （2020）。

06、基因编辑破解挑食之谜

一种学名为Drosophila sechellia的果蝇只以有毒的诺丽果柑（Morinda citrifolia）为食，是什么让这个物种如此挑食？

一种学名为Drosophila sechellia的果蝇只以有毒的诺丽果柑（Morinda citrifolia）为食。与其他喜欢各种水果的果蝇相比，是什么让这个物种如此挑食？Auer等人利用基因组编辑工具CRISPR-Cas9破解了这个谜题。他们发现，相比其他果蝇，D。sechellia体内表达气味受体22a蛋白（Or22a）的感觉神经元格外丰富，而Or22a氨基酸序列的微小变化正是果蝇D。sechellia偏爱诺丽果的关键原因。他们还发现了其他几种可能导致这种简单行为转变的演化改变。即使是喜欢臭水果的小小果蝇，也能有力地揭示大脑如何演化出复杂的行为。

原始论文：Nature 579， 402-408（2020）。

07、银河系中的快速射电暴

发表在11月《自然》杂志上的三篇论文报道了对一个快速射电暴（FRB）现象的探测，显示其来源位于银河系内。有趣的是，快速射电暴伴随着X射线的爆发。这一发现是通过综合了多台太空望远镜和地面望远镜的观测结果得出的。顾名思义，“快速射电暴”是指一种瞬态的无线电波明亮脉冲，爆发持续时间约为毫秒级。研究者于2007年首次发现了这一现象，由于存在时间很短，使得探测它们并确定其在天空中的位置变得异常困难。这是第一个被探测到具有除无线电波外辐射的快速射电暴，也是该现象在银河系内的首次发现。这三项观测也首次证实了磁星是快速射电暴的来源之一，这是目前唯一被观测验证的可产生快速射电暴的天体。值得一提的是，其中一篇论文来自中国的研究团队，第一作者为北京师范大学的林琳博士，观测结果则是来自中国“天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）。

原始论文：Nature 587， 54–58 （2020）；Nature 587， 59–62 （2020）；Nature 587， 63–65 （2020）。

08、冷冻电镜达到原子分辨率

Yip等人和Nakane等人报道了迄今为止使用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）的方法获得的最清晰图像，首次确定了蛋白质中单个原子的位置

结构生物学的一个基本原理是，一旦研究人员能够以足够的分辨率直接观察到大分子，就有可能理解其三维结构与生物功能之间的联系。在今年10月《自然》杂志同期发表的两项研究中，Yip等人和Nakane等人报道了迄今为止使用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）的方法获得的最清晰图像，首次确定了蛋白质中单个原子的位置。两个小组使用的硬件都经过改良，突破了以往cryo-EM成像在分辨率上的限制。随着这些技术的发展，cryo-EM图像信噪比的提高将扩展冷冻电镜技术的适用性。也许这些技术的融合将使cryo-EM的结构测定达到甚至超越1埃（0.1纳米）的分辨率——这在过去几乎是不可能实现的成就。

原始论文：Nature 587， 157–161 （2020）；Nature 587， 152–156 （2020）。

09、干扰素缺乏可导致新冠重症

在9月在线发表于《科学》的两篇论文中，Zhang等人和Bastard等人阐明了影响感染新冠病毒后是否发展为重症的一个关键因素——干扰素尤其是I型干扰素（IFN-I）的缺乏。这种缺乏可能由不同原因导致，比如编码关键抗病毒信号分子的基因发生遗传突变，或由于抗体与I型干扰素结合并使其“中和”。I型干扰素缺乏如何导致危及生命的重症COVID-19？最直接的解释是这种缺乏导致病毒不受控制地复制和传播。另一方面，I型干扰素缺乏也可能对免疫系统功能有其他影响。IFN-I诱导通路基因突变的个体将从提供干扰素的治疗中受益。此外，那些对IFN-α和IFN-ω具有中和性抗体的人也可能受益于治疗中提供的其他类型的干扰素，如IFN-β和IFN-λ。

原始论文：Science 370， eabd4570 （2020）；Science 370， eabd4585 （2020）。

10、 压力为何会使头发变白？

这是《自然》杂志“新闻与观点”栏目在2020年读者浏览最多的一项研究报道。目前对压力对头发变白的相对作用尚不完全清楚。头发的颜色由黑素细胞决定，这些细胞来自于毛囊凸起部分的黑色素干细胞（MeSCs）。这篇发表于1月《自然》杂志的论文是哈佛大学许雅捷团队的成果，第一作者是张兵博士。研究报告称，在压力引起的“战斗或逃跑”反应中，交感神经系统的神经元会释放出神经递质分子去甲肾上腺素；在极端应激或高水平去甲肾上腺素暴露下，黑色素干细胞的增殖分化显著增加，导致黑色素细胞大量迁移，远离毛囊隆突区，但由于没有替代的干细胞，便导致头发变白。这项研究将有助于了解压力如何影响其他的干细胞，也为寻找阻止和逆转压力的方法提供了线索。

原始论文：Nature 577， 676-681（2020）。

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《Science》：2020年十大科学突破

当地时间12月17日，在《Nature》公布了“2020年度十大发现”后，《Science》杂志也紧随其后，按照惯例评选了本年度十大科学突破，其中，生命科学领域占得一半席位，新冠肺炎（COVID-19）疫苗的研发居于榜首。

COVID-19疫苗带来希望之光

2019年末发现的新型冠状病毒以惊人的速度席卷全球。当全世界陷入恐慌之时，1月12日中国科学家向世界公布了这种病毒的基因组，为全世界科学家寻找应对和治愈COVID-19的方法奠定了基础。

2020年2月，国药集团、科兴中维、Moderna等企业纷纷启动COVID-19疫苗项目，利用各类令人眼花缭乱的技术生产疫苗。其中，Moderna和辉瑞/BioNTech大胆尝试了一种从未向市场推出过mRNA疫苗，这类疫苗在临床实验中表现出的效力大约为95%，令全世界惊喜。

今年，与COVID-19相关的研究论文激增。截至12月中旬，在同行评审期刊上发表的论文有200,000多篇，而在非同行评审期刊上有更多文章。

全球各国仍在为遏制COVID-19而努力，超160万人死亡的数据凸显了人类的脆弱性，同时也警醒我们，只有齐心协力，科学才能够发挥出最大作用。

CRISPR的首个基因治疗

2012年，颠覆性的基因编辑工具CRISPR横空出世，为科学研究和医疗工作带来了新一轮革命，并获得了今年的诺贝尔化学奖。不久前，这一“基因魔剪”再次震撼世界，在临床治疗β地中海贫血和镰刀型细胞贫血症这两种遗传性血液病方面取得了首次成功。

通过CPRSPR-Cas9技术编辑自体CD34+细胞，特异性靶向沉默BCL11A基因，研究人员重新激活了胎儿血红蛋白的产生。12个月内患者骨髓和血液中的等位基因编辑效率仍保持较高，并且血液循环中超99%的血红细胞表达胎儿血红蛋白。目前患者均反馈已不需要接受输血治疗。

AI预测蛋白质折叠结构

5年来，科学家们一直在努力解决生物学上最大的挑战之一：预测精确的蛋白质3D形状。今年，他们实现了这一目标，开发了一个人工智能（AI）程序，该程序可以预测大多数蛋白质结构。

由于蛋白质的精确形状决定了其生化功能，因此该新计划可以帮助研究人员发现疾病的机理，开发新药物，甚至可以创建耐旱植物和廉价的生物燃料。

“精英控制者”如何控制艾滋病

与所有逆转录病毒一样，HIV具有令人讨厌的特征，即将其遗传物质整合到人类染色体中，从而在其中藏匿，但是每个人隐藏的地方可能会有所不同。今年，一项针对64名HIV精英控制者的研究表明，在没有使用抗逆转录病毒药物的情况下，他们体内的病毒载量仍然非常低，这揭示了病毒在整合到基因组中位置的重要性。

通过比较64位HIV精英控制者与41位接受治疗的HIV感染者，科研人员发现，当将自身置于高频转录基因中时，HIV发挥最佳功能，可以产生感染其他细胞的新病毒。但如果它停在“基因沙漠”中，即很少转录DNA的染色体部分，那么原病毒就像一辆功能齐全的汽车停在不出售汽油的地方，无法行驶。而这些精英控制者只占3800万艾滋病毒感染者中的0.5％。

鸟比你想象的要聪明

鸟类眼睛类似于珠子，大脑也不比核桃大。但今年发表的两项研究表明，鸟类具有惊人的智力。一项结果表明，禽脑的一部分类似于人类新大脑皮层，这是人类智力的来源。另一项结果表明，小嘴乌鸦比研究人员所了解的多，可能具有一些自觉的思想。

这种“感官意识”是人类经历的自我意识的基本形式。它在鸟类和哺乳动物中的类似存在的研究表明，这种意识形式可追溯到三亿二千万年前，直到我们的上一个共同祖先。

实现室温下的超导

科学家们花费了数十年的时间来寻找在室温下不会产生电阻的导电材料。今年，他们发现了第一个被压缩到接近地球中心压力的含氢、硫和碳的化合物，这种材料可以改变技术，并节省电能通过电线时的大量能源。

但到目前为止，当压力释放时，新的超导体就会破裂。但是，并非所有高压材料都一样：例如，在地球压碎深度中出生的钻石在上升到地面后仍然可以生存。现在，研究人员希望为自己的领域找到同样持久的宝石。

揭露世界上最古老的狩猎景象

2017年，一名印尼研究员偶然发现印度尼西亚洞穴墙上的一幅画。经过确认，这是4万多年前，一位史前文明的“画家”在印度尼西亚的苏拉威西岛（Subloesi）上冒险闯入山洞深处，并勾勒出的一系列奇妙的、以动物为首的猎人围捕野猪和野牛的图像。这也是现代人类知道的最早的具象艺术。

研究人员表示，画家可能在描绘猎人戴着口罩或伪装的行为，但他们也可能代表神话中的动物与人类的混合体。如果这些图像确实描绘了神话中的人类动物猎人，那么他们的创造者可能已经超越了当时的认知：想象不存在的生物的能力。而这正是大多数现代宗教和古老宗教的根源。

反对种族偏见，呼吁多样性

今年5、6月份，关于种族偏见的抗议在美国愈演愈烈，不仅是普通民众，就连科研人员也参与到这一场呼唤正义的活动中来，Chanda Prescod-Weinstein甚至在今年6月与其他科学家一起组织了“学术停摆一天”的抗议活动，呼吁在整个社会中应对科学中的种族主义和反黑人种族主义。

全球变暖预测更加清晰

40多年前，全球顶尖的气候科学家齐聚马萨诸塞州，共同商讨气候变暖问题。他们发现，1.5°C到4.5°C是一个带来麻烦和灾难的气候敏感度范围。

今年，隶属于世界气候研究计划署的25名科学家将气候敏感性缩小到2.6°C到3.9°C之间。人们必须采取行动，否则2060年大气中的二氧化碳含量将达到阈值。

快速射电暴的来源

快速射电暴（FRB），即来自遥远星系的短而强的无线电波闪烁，13年来吸引了无数天文学家对其开展研究。现在，宇宙侦探们发现了一个可能的来源——磁星。尽管研究FRB的科学家们相信他们终于找到了FRB的起源，但他们仍不确定磁星是如何产生FRB的，并且仍在继续探讨这一问题。