制作：李瑞（大阪大學(xué)）
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
2020年新冠肺炎疫情席卷全球，人們的生活和工作很大程度上被疫情所左右。不過各國科學(xué)家們在如此困難的局面下，仍然為我們帶來了多項重大的科技進(jìn)展。下面選出的這些科技新聞，都可以說是本年度科學(xué)界令人印象深刻的瞬間，快來看看有沒有你還沒了解的內(nèi)容吧。
TESS傳來新發(fā)現(xiàn)
1月6日，美國國家航空航天局（NASA）宣布，經(jīng)由凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）的觀測結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了一個位于宜居帶的地球大小的系外行星。該行星被命名為TOI 700 d，與地球相距約100光年，它圍繞的恒星TOI 700是一個相當(dāng)于太陽四成大小的紅矮星。TOI 700 d的大小約為地球的兩成，公轉(zhuǎn)周期37天，它所接受到的來自恒星的能量，大約是地球接受到來自太陽能量的86%。
此外，本次NASA還公布了另外一組來自TESS的最新觀測結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞著雙星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星，這是TESS首次發(fā)現(xiàn)類似的行星。該行星被命名為TOI1338 b，是TOI1338星系的唯一行星，大小約是地球的7倍，生命存在的可能性非常低，距離地球1300光年。
TESS不斷傳來的新發(fā)現(xiàn)豐富了人們對于宇宙和自身的認(rèn)知，只是這動輒幾百上千光年的距離，對于現(xiàn)世的人類來說，也就只能遠(yuǎn)觀了。
TOI 700 d與TESS的想象圖
圖片來源：NASA
太陽觀測史的兩大里程碑
1月31日，美國國立太陽天文臺公開了由井上建太陽望遠(yuǎn)鏡（DKIST）拍攝的太陽表面照片，分辨率達(dá)到了30千米。這張照片中，太陽表面布滿了細(xì)胞一樣的小團(tuán)塊，然而每個“細(xì)胞”實(shí)際上都有美國得克薩斯州那么大。“細(xì)胞”的形成與太陽表面的熱對流有關(guān)，明亮的中央部分是上升的灼熱等離子體，在冷卻后它們就會落到“細(xì)胞”周邊的黑線處。好像煮開的水同時有多處沸騰的小突起，而相鄰的小突起間又會形成互相沖撞的界限。
7月20日，歐洲航天局領(lǐng)導(dǎo)的太陽軌道飛行器任務(wù)也發(fā)布了第一張?zhí)栒掌m然它的照片看起來沒有DKIST在一月份的作品那么令人印象深刻，但它的拍攝地點(diǎn)離太陽非常近（7500萬公里），只有大約地球到太陽距離的一半。而且，該飛行器還在調(diào)整軌道，不斷向著離太陽更近的方向前進(jìn)，到2022年初，它將飛到離太陽4800萬公里的地方。到那時，我們才能領(lǐng)略它的真正威力。
在地球上給太陽拍照固然可以動用更加大型、更加復(fù)雜的設(shè)備，但卻無法實(shí)現(xiàn)太陽軌道飛行器那樣的“上帝視角”，相信我們很快就能得到更多關(guān)于太陽的最新研究成果。
DKIST觀察到的太陽表面（左）和太陽黑子（右）
圖片來源：NASA
Space X載人飛行有得有失
5月30日，獵鷹9號運(yùn)載火箭搭載載人龍飛船先行2號升空，5月31日，飛船與國際空間站成功對接。先行2號是民營航天制造商Space X發(fā)射的首艘載人飛船，也是美國自2011年航天飛機(jī)退役后的首次本土載人任務(wù)。2名航天員搭載該飛船前往國際空間站，并于8月3日成功返回地球。完成載人任務(wù)標(biāo)志著獵鷹9號系列載具和龍系列飛船的性能與可靠性達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，從此載人航天的主要玩家在中美俄三大國之外，又多了Space X這家民營企業(yè)。
載人龍飛船先行2號的兩名成員
圖片來源：NASA
12月9日，Space X的星艦航天系統(tǒng)完成了第一次真正意義上的高空測試。這架被命名為SN8的原型機(jī)從南得克薩斯州起飛后，上升到了12公里左右的高空，并在空中進(jìn)行了一系列飛行測試項目。雖然12公里距離各種航天器的地球軌道高度還有一定距離，但這與真正的太空任務(wù)僅有量的區(qū)別，并非質(zhì)的不同。在飛船回收環(huán)節(jié)，Space X試驗(yàn)了一種新穎的高難度落地方式。飛船將一直以腹部與地面平行的姿態(tài)向地表下落，然后在最后一瞬間點(diǎn)火啟動火箭，讓體態(tài)轉(zhuǎn)為豎直并著陸。遺憾的是，飛船的著地速度過快，以至于撞上無人回收船后猛烈爆炸。
不過，馬斯克仍然聲稱這次實(shí)驗(yàn)非常成功，雖然飛船沒能實(shí)現(xiàn)成功著陸，但完成了既定的高空飛行課目，落地即便失敗也取得了有意義的數(shù)據(jù)。馬斯克更是在推特上喊出了“火星，我們來了！”。馬斯克隨后稱，如果2024年NASA的阿爾忒彌斯項目能夠成功讓星艦飛船在月球表面著陸，2026年Space X將進(jìn)行首次載人火星任務(wù)。
小行星探險計劃扎堆
登陸月球火星之外，人類今年也讓宇宙探測器的足跡踏上了小行星。10月20日，NASA旗下的小行星探測器OSIRIS-Rex與其探測了數(shù)個月的小行星“貝努”進(jìn)行交會。貝努距離地球大約3億3千萬公里，直徑大約490米，是科學(xué)家重點(diǎn)監(jiān)測的可能給地球帶來威脅的小行星之一。OSIRIS-Rex于2016年9月升空，直到2018年底才抵達(dá)貝努，進(jìn)入距離其2千米的軌道，進(jìn)行每61小時一周的繞星運(yùn)動。
10月20日，OSIRIS-Rex下降到僅僅距離貝努表面幾米遠(yuǎn)處，然后將搭載的機(jī)械臂伸向貝努表面。機(jī)械臂的前端是一個像吸塵器一樣的吸盤，吸盤會抵住土壤表面，但采樣時并非使用吸力，而是透過機(jī)械臂向貝努表面發(fā)射壓縮氮?dú)?。氣流會裹挾吹起的巖石和塵土進(jìn)入到吸盤內(nèi)側(cè)布置的樣品室中，這種方法預(yù)計將采集數(shù)十克樣品。成功采樣后，OSIRIS-Rex將在2021年3月21日踏上歸途，由于距離遙遠(yuǎn)，它回到地球也將是2023年9月了。
OSIRIS-Rex采樣示意圖
圖片來源：NASA
與OSIRIS-Rex僅僅維持16秒的軟著陸式采樣不同，日本的隼鳥2號探測器則是扎扎實(shí)實(shí)地在小行星“龍宮”表面進(jìn)行了登陸和探測，然后再進(jìn)行采樣，并從龍宮表面起飛返回。2020年12月6日，經(jīng)過一年多飛行的隼鳥2號返回了地球，返回艙在澳大利亞南部沙漠地帶著陸，并在澳大利亞空軍的協(xié)助下進(jìn)行了回收。
2020年12月15日，日本宇航機(jī)構(gòu)JAXA對隼鳥2號返回艙中的密封樣品室進(jìn)行了開封，令研究人員喜出望外的是，隼鳥2號帶回了大量的龍宮土壤樣品，這比最初計劃的0.1克多了許多倍。由于在樣品室打開之前，誰也不知道采樣是否成功，因此參與項目的科學(xué)家們心情必然十分忐忑。據(jù)最早看到樣品室內(nèi)部的澤田宏崇研究員稱，他當(dāng)時的心情是“激動到失語”。
日美兩國間關(guān)于這兩個小行星探測計劃還有著一項樣品互換的約定，OSIRIS-Rex將向JAXA提供0.3克貝努土壤樣品，而隼鳥2號則需要向NASA提供龍宮帶回樣品的10%，且這一約定不會因某一方項目失敗而中止。雖然看起來各取所需，但OSIRIS-Rex預(yù)期帶回的樣品約為60克到2千克，而隼鳥2號預(yù)計則只有0.1克（雖然實(shí)際上大大超過了這一數(shù)值）。這樣算來，我等中立吃瓜群眾只能說這個協(xié)議實(shí)在堪稱是不平等條約。
隼鳥2號的實(shí)機(jī)大?。ㄗ螅┘胺祷嘏撁芊饽z囊內(nèi)部（右）
圖片來源：JAXA
生物工程領(lǐng)域“黑科技”頻頻現(xiàn)身
6月29日，美國研究團(tuán)隊發(fā)表研究成果稱他們利用細(xì)胞工程學(xué)方法，成功修復(fù)了重度損傷的家兔子宮。具體來說，研究人員首先從家兔體內(nèi)提取干細(xì)胞，然后將其培養(yǎng)成類似“補(bǔ)丁”的薄膜組織，之后再移植到缺損的家兔子宮。這些來自家兔自身的“補(bǔ)丁”，不僅能在數(shù)個月后與原有子宮完美融合，還不會激發(fā)免疫反應(yīng)。10只接受了移植手術(shù)的家兔中，有4只順利懷孕生產(chǎn)，作為對比，不進(jìn)行手術(shù)的家兔則完全無法生育后代。這項研究為那些由于子宮異常而無法懷孕的女性帶來了新的希望。
6月18日，美國環(huán)保署批準(zhǔn)了生物工程公司牛津科技（Oxitec）的一項實(shí)驗(yàn)計劃。這家公司于今年夏天在美國多地釋放基因編輯蚊子，以評估其對于削減野生蚊子種群數(shù)量的效果。基因編輯蚊子的體內(nèi)攜帶著某些缺陷，從而會在與野生種交配后出現(xiàn)早夭、無法產(chǎn)生后代或者后代同樣存在缺陷等后果。在已經(jīng)進(jìn)行的大部分實(shí)驗(yàn)中，瞬間釋放的海量“問題”蚊子都讓當(dāng)?shù)赝N蚊子的數(shù)量下降了百分之八十以上。當(dāng)然，出廠之前雌蚊都會被篩選出來并加以消滅，實(shí)際上所釋放的都是不會叮咬人的雄蚊。
9月16日，以沃爾巴克氏體為技術(shù)核心的滅蚊方法也在今年夏天完成了數(shù)次大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家將寄生細(xì)菌沃爾巴克氏體導(dǎo)入蚊子體內(nèi)，該細(xì)菌將通過蚊子的交配行為在蚊子種群中廣泛傳播。而這種細(xì)菌的寄生行為會導(dǎo)致雌蚊死亡或者失去生育能力。沃爾巴克氏體之前在多種昆蟲身上皆有發(fā)現(xiàn)，它們與其宿主的關(guān)系非常復(fù)雜，大部分情形下會造成宿主的壽命縮短以及生殖行為異常。當(dāng)雄蚊被沃爾巴克氏體感染后，這種寄生菌會放出毒素污染被感染雄性的精子。當(dāng)健康雌性的卵子與這些“毒精子”相遇后，將產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)不相容效應(yīng)，無法正常發(fā)育。當(dāng)大量被感染的雄蚊被釋放到環(huán)境中后，雌蚊與其交配將無法產(chǎn)生后代。此外，最新的滅蚊技術(shù)還有更加玄幻的“基因驅(qū)動”等，可以毫不夸張地說，人類想讓蚊子絕種的辦法可不止一種。
12月4日，荷蘭神經(jīng)研究所的團(tuán)隊在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，報道了一種通過在猴子大腦植入電極，然后不經(jīng)過視網(wǎng)膜就能形成一定視覺的方法。雖然這可能并不是類似技術(shù)的首次運(yùn)用，但這次研究人員在數(shù)個關(guān)鍵參數(shù)方面都取得了前所未有的進(jìn)步。猴腦中植入的傳感器擁有1024個電極，其產(chǎn)生的模擬視覺信號具有很高的分辨率，可以達(dá)到讓猴子識別屏幕上英文字母的水平。這項技術(shù)為失去視覺的人帶來了不小的希望，只要在腦中植入特殊的傳感器，就可能不依靠眼睛來感受視覺信號。當(dāng)然，這項技術(shù)眼下距離應(yīng)用還有一定距離，例如植入大腦的傳感器最多只能維持1年左右的功能，之后就將被腦組織所包覆侵蝕而失效。
腦部刺激產(chǎn)生人工視覺示意圖
圖片來源：《科學(xué)》
AI不光會下圍棋，還能計算蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
12月1日，DeepMind對外宣布，其開發(fā)的人工智能系統(tǒng)AlphaFold2基本解決了“蛋白質(zhì)折疊”問題。該問題的解決意味著人類對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析和預(yù)測進(jìn)入了新的紀(jì)元，是科學(xué)史上的重大成就。如果要評選今年的年度科學(xué)大新聞，AI解決蛋白質(zhì)折疊問題很可能會被列在頭名。蛋白質(zhì)好比是一部精心組裝的機(jī)器，空間結(jié)構(gòu)就是它的組裝方式，組裝方式一旦不正確，即便零件都完好，機(jī)器也無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對人類而言，破解組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列并不算特別困難，難點(diǎn)在于如何破解它的空間結(jié)構(gòu)。
在AI時代到來之前，人類已經(jīng)有不少巧妙的辦法來窺探蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘。但這些方法并不能滿足人類對于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)生理功能研究的全部需求，這其中最大的問題就在于，這些分析手段說起來簡單，但是實(shí)際操作起來卻相當(dāng)勞神費(fèi)力，解析一個蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)很可能要花好幾年時間。利用AI解決蛋白質(zhì)折疊問題的本質(zhì)其實(shí)可以理解為讓AI在僅僅知道氨基酸序列的前提下預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
本次取得重大進(jìn)展的AlphaFold2其實(shí)早在2018年就初露鋒芒了，當(dāng)時它的前代型號AlphaFold在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的世界性大賽CASP中奪冠，準(zhǔn)確地從43種蛋白質(zhì)中預(yù)測出了25種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，而第二名的獲獎團(tuán)隊僅準(zhǔn)確預(yù)測出3種。當(dāng)時AlphaFold參加的也是允許人與算法共同合作的humans and servers組別，最終AlphaFold獲得了“前所未有的進(jìn)步”這樣的高評價。
本次大賽，AlphaFold2更是以壓倒性的成績點(diǎn)數(shù)，讓人們直接喊出了“蛋白質(zhì)折疊問題已經(jīng)被AI解決”這樣的豪言。AlphaFold2預(yù)測出的多種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，僅僅與實(shí)驗(yàn)測出的真實(shí)結(jié)構(gòu)存在原子尺度上的細(xì)微差異，已經(jīng)可以說達(dá)到了與傳統(tǒng)手段類似的精度。
AlphaFold2里程碑性質(zhì)的進(jìn)展，讓人類有望在多個領(lǐng)域得到來自AI的切實(shí)助力。例如，阿爾茨海默癥、帕金森綜合征、亨廷頓綜合征等神經(jīng)系統(tǒng)病變都與蛋白質(zhì)的錯誤折疊有關(guān)，這直接導(dǎo)致蛋白質(zhì)本該有的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生異常。AI的介入將讓人類更有效地了解這些錯誤折疊背后的機(jī)理，從而更加有效地提出治療方案。
AlphaFold預(yù)測的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)（藍(lán)色）與實(shí)際結(jié)構(gòu)（綠色）對比
圖片來源：AlphaFold
2020馬上就要過去，在即將到來的2021年，相信我們大家除了希望能盡快驅(qū)散疫情的陰霾，也希望能看到更多科技成就的誕生。