2021，新冠疫情盤桓不去，百年變局疊加其上。我們每一個人都在蹣跚前行，也比以往，更加需要光。
這光，是科學(xué)。
這一年，疫情并未阻攔科學(xué)之光。你看得懂的腦機接口、火星登陸，難以理解的繆子測量、量子糾纏，以及因抗擊新冠而頻出成果的抗病毒新藥、CRISPR療法、蛋白質(zhì)預(yù)測……
我們堅信，有光在，希望就在。
01
腦機接口能將腦中“筆跡”轉(zhuǎn)為字句
這是一個“躺平”的實驗者。
他四肢完全不動，“純靠”想象自己腦海里有一只手在寫字，然后就真的寫出來了。這一場景在一個概念驗證型研究中已經(jīng)出現(xiàn)。
腦機接口新技術(shù)示意圖。圖片來源：《自然》雜志/Erika Woodrum
包括美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的聯(lián)合團(tuán)隊今年宣布，結(jié)合人工智能成功開發(fā)出全新系統(tǒng)，利用大腦運動皮層的神經(jīng)活動解碼“手寫”筆跡，并使用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼方法將筆跡實時翻譯成文本，以比此前任何時候都要快很多的速度將患者“手寫”的想法轉(zhuǎn)換為電腦屏幕上的文本。
讓失去行動或說話能力的人恢復(fù)與外界的交流，其實是腦機接口技術(shù)的重要功能與目標(biāo)。這個領(lǐng)域的一個主要研究方向是恢復(fù)大運動功能，比如拿握或抓取。然而，高度精細(xì)的動作，比如手寫或盲打，雖然能加快交流速度，但此前的交流只能通過2D計算機光標(biāo)進(jìn)行點選式打字來實現(xiàn)，速度一直局限在每分鐘最多40個字符左右。但此次聯(lián)合團(tuán)隊在研究中發(fā)現(xiàn)，一位頸部以下癱瘓的研究對象在使用一種新的“手寫腦機接口”時，寫字速度能達(dá)到每分鐘90個字符，準(zhǔn)確率為94.1%，表明了“手寫腦機接口”能準(zhǔn)確解碼癱瘓多年患者的快速、精細(xì)動作。
02迄今最精確測量結(jié)果揭示繆子行為異常
即使看不懂這一成果的內(nèi)容，我們也要知道：這是物理學(xué)界的一件大事。
在美國費米實驗室進(jìn)行的繆子反常磁矩實驗顯示，繆子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測不相符。上海交通大學(xué)繆子物理團(tuán)隊參與的美國費米實驗室繆子反常磁矩實驗（Muon g-2）首批結(jié)果4月份公布，以前所未有的測量精度，為新物理的存在提供了強有力證據(jù)。
美國費米實驗室繆子反常磁矩實驗使用了這種存儲環(huán)磁鐵。圖片來源：《自然》網(wǎng)站
繆子的“體重”比它的近親電子重200倍，在宇宙射線穿透地球大氣層時自然產(chǎn)生，此外，費米實驗室里的質(zhì)子加速器也可以大量制造繆子。在最新實驗中，研究人員將費米實驗室的粒子加速器產(chǎn)生的繆子束流送入一個直徑為15米的超導(dǎo)磁鐵存儲環(huán)內(nèi)，強大的磁鐵使繆子保持在圓形軌道上，利用放在環(huán)內(nèi)側(cè)的探測器，可以精確測量繆子的進(jìn)動頻率，從而獲得了迄今最精確g-因子值，且與布魯克海文實驗室得出的測量值相吻合。
這兩個實驗結(jié)果結(jié)合起來，顯示繆子行為與標(biāo)準(zhǔn)模型之間不匹配的置信度為4.2倍標(biāo)準(zhǔn)方差，僅比5倍標(biāo)準(zhǔn)方差（科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)的最終標(biāo)準(zhǔn)）略小，這是一個非常有力的證據(jù)。
而“這兩個實驗結(jié)果攜手，為新物理的存在提供了強有力的證據(jù)，預(yù)示著世界上可能存在新的未知粒子或作用力。”
03
宏觀物體量子糾纏證據(jù)確鑿
如果說量子力學(xué)有什么令人討厭之處，那第一絕對是太難懂，第二則是“摸不著”。
人們會認(rèn)為，量子這一領(lǐng)域很大程度上如同“想象”的學(xué)科，在現(xiàn)實中幾乎不可能看到。
圖片來源：視覺中國
實際上，量子力學(xué)不僅僅是微觀的理論，我們所知的所有物質(zhì)，從根本上來說都是量子。但不得不承認(rèn)，奇怪的量子效應(yīng)在大于幾個原子的任何事物中都很難觀察到。因此，找尋宏觀物體的量子效應(yīng)的證據(jù)，也成為物理學(xué)家們的一大目標(biāo)。
美國《科學(xué)》雜志5月發(fā)表兩項量子力學(xué)重磅突破：其中一項研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宏觀物體量子糾纏的直接證據(jù)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所團(tuán)隊使用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進(jìn)入量子糾纏狀態(tài)。該鋁片膜的尺寸為每張長20微米，寬14微米，厚100納米，質(zhì)量為70皮克，相當(dāng)于大約1萬億個原子的質(zhì)量。盡管非常微小，但以量子的標(biāo)準(zhǔn)而言，它們已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)大的尺度。
另一項研究中，芬蘭阿爾托大學(xué)等機構(gòu)在8毫開爾文的溫度下，讓兩個鋁鼓膜進(jìn)入長時間、相對穩(wěn)定的糾纏態(tài)，實現(xiàn)了對不確定性原理的“規(guī)避”，而這正是量子力學(xué)的基本定律之一。
這兩項實驗都以確鑿的證據(jù)證明了宏觀物體也可以實現(xiàn)量子糾纏，不但有望在未來量子網(wǎng)絡(luò)中提供長期網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，還能極大地推動暗物質(zhì)與引力波探測相關(guān)技術(shù)研發(fā)。
04天問一號探測器成功登陸火星
烏托邦平原，科幻中經(jīng)常出現(xiàn)的大本營、太空船的建造基地以及超級太空艦隊駐守的基地。
今年5月15日，中國天問一號探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，中國成為第二個成功著陸火星的國家。
天問一號探測器成功著陸火星。這是由祝融號火星車拍攝的“著巡合影”圖。新華社發(fā)，國家航天局供圖
美國《華爾街日報》刊登標(biāo)題為《成功登陸火星，中國的加冕時刻》的報道，文章稱：“中方向世界發(fā)出信號，已在星際探索能力上趕上美國，并可取代其太空領(lǐng)導(dǎo)地位。”英國《自然》雜志評論稱：中國的一次火星計劃，就做到了美國幾十年才完成的三件事：進(jìn)入火星軌道、在火星表面著陸以及運行火星車。西班牙《國家報》網(wǎng)站報道稱，作為由中國自主進(jìn)行的火星探測任務(wù)，天問一號探測器獲得的成功是引人注目的。英國《金融時報》網(wǎng)站報道指出，中國的太空計劃近年來加速發(fā)展，在幾十年的追趕后逐漸向美國靠攏。
天問一號探測器著陸火星首批科學(xué)影像圖，已于6月11日公布，這標(biāo)志著中國首次火星探測任務(wù)取得圓滿成功。
05
LHC揭秘宇宙誕生瞬間的“第一種物質(zhì)”
很久很久以前——在大約140億年前，宇宙從遠(yuǎn)比現(xiàn)在更熱、更稠密的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲∨蛎?，科學(xué)家將這一過程命名為“大爆炸”。盡管已經(jīng)知道這種快速膨脹創(chuàng)造了粒子、原子、恒星、星系以及生命，但一切是如何發(fā)生的，細(xì)節(jié)依然未知。
現(xiàn)在，科學(xué)家想告訴你們這一切是如何開始的。
丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所科學(xué)家利用大型強子對撞機（LHC），揭示了宇宙大爆炸第一個0.000001秒內(nèi)發(fā)生的新細(xì)節(jié)，即第一個微秒內(nèi)一種特殊的等離子體發(fā)生了什么。
揭秘“第一種物質(zhì)”研究示意圖。圖片來源：每日科學(xué)網(wǎng)
這是“最開始”的故事。科學(xué)家們研究了一種叫做夸克—膠子等離子體的物質(zhì)，它是在大爆炸第一個微秒內(nèi)存在的唯一物質(zhì)，它的獨特經(jīng)歷是：首先，等離子體被宇宙熱膨脹所分離；然后，夸克碎片重組為所謂的強子；一個有3個夸克的強子組成一個質(zhì)子，是原子核的一部分，這些也是構(gòu)成地球、人類和現(xiàn)今包容著我們的宇宙的基礎(chǔ)核心。
科學(xué)家現(xiàn)在能夠看到夸克—膠子等離子體是如何從原來的物質(zhì)狀態(tài)，演變?yōu)樵拥暮诵暮蜕幕?，其相關(guān)細(xì)節(jié)無疑為我們今天所知的宇宙演變提供了一塊重要“拼圖”。
06
CRISPR基因編輯對人類療效首次證明
能被稱為里程碑的科學(xué)事件不多，但今年首個人體內(nèi)CRISPR基因編輯臨床試驗結(jié)果公布，且療法安全有效，這就被認(rèn)為是一個里程碑式的事件。
CRISPR-Cas9復(fù)合物（白色和藍(lán)色）可以切割DNA（綠色），使導(dǎo)致疾病的基因失效。圖片來源：《自然》網(wǎng)站
治療轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白（TTR）淀粉樣變性多發(fā)性神經(jīng)病的CRISPR基因編輯療法NTLA-2001，在Ⅰ期臨床試驗中取得積極結(jié)果：單劑NTLA-2001導(dǎo)致血清中的TTR水平平均下降87%，最大可達(dá)96%。這是首批支持體內(nèi)CRISPR療法安全性和效果的臨床數(shù)據(jù)，被認(rèn)為有望開啟醫(yī)學(xué)新時代。
開展這項研究的公司之一Intellia Therapeutics，就是因CRISPR而獲諾獎的詹妮弗·杜德娜創(chuàng)辦的。NTLA-2001通過非病毒脂質(zhì)納米顆粒遞送，可以特異性敲除TTR基因，從而降低TTR蛋白的表達(dá)，試驗結(jié)果令人振奮。
也是在今年，CRISPR技術(shù)另一突破是改善了遺傳性失明，美國Cedars-Sinai醫(yī)學(xué)中心的一項研究首次證明，一種新技術(shù)可通過去除遺傳缺陷治療遺傳性疾病，阻止患有一種遺傳性失明的大鼠的視網(wǎng)膜變性。研究小組專注于遺傳性視網(wǎng)膜色素變性，這種退行性眼病可能導(dǎo)致失明，目前還沒有可治愈的方法，但研究人員使用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，刪除了一個可導(dǎo)致失明的遺傳突變。雖然這項研究采用的是大鼠，但它依然對人類有潛在影響。
07
豬腎首次成功植入人體
為什么是豬？
與靈長類動物猴子、猿相比，豬在器官獲取方面更有優(yōu)勢：容易飼養(yǎng)，產(chǎn)仔數(shù)多，成熟得也快，6個月內(nèi)就可達(dá)到成人體型大小，更重要的，在器官移植倫理方面爭議較小。幾十年來，豬的心臟瓣膜已被成功移植到人體內(nèi)，也有豬胰島細(xì)胞注射進(jìn)人體內(nèi)治療糖尿病的成功案例。
圖片來源：視覺中國
早期的研究表明，豬的腎臟在非人靈長類動物體內(nèi)可存活長達(dá)一年，但這是第一次在人類患者身上進(jìn)行嘗試。
9月，在美國紐約大學(xué)朗格尼醫(yī)學(xué)中心，研究人員進(jìn)行了一場被稱為異種器官移植的手術(shù)。移植器官腎臟來源于一頭轉(zhuǎn)基因豬，它被移植入一位腦死亡的志愿者體內(nèi)。移植后的腎臟工作了54小時。在此期間，研究人員觀察到，志愿者的尿液和肌酐水平“正常且與人類腎臟移植手術(shù)中的水平相當(dāng)”，而且未見身體的排異反應(yīng)。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的移植外科醫(yī)生亦表示，移植腎功能的測試結(jié)果正常且超出預(yù)期。
科學(xué)家其實一直在研究使用動物器官進(jìn)行移植的可能性，但在如何防止人體立即排異的問題上一直受阻。如今，基因編輯技術(shù)讓豬的器官不被人體排異成為可能。這是一項潛在的重大突破，這一被稱為“變革時刻”的醫(yī)學(xué)進(jìn)步，未來可能為成千上萬需要器官移植的患者帶來新希望。
08可對抗新冠病毒變異的特效藥不斷出現(xiàn)
在今年，幾個佶屈聱牙的希臘字母，每個人都能說得順溜無比。
最早在印度被發(fā)現(xiàn)的新冠病毒變異毒株德爾塔，在2021年快速傳播，這一毒株不但傳染性強，感染者更易發(fā)展成重癥。另一個變種奧密克戎，則最早于11月9日在南非首次檢測到，世界衛(wèi)生組織將其定義為第五種“值得關(guān)切的變異株”，其在全球總體風(fēng)險被評估為“非常高”。
但也是在今年，抗新冠強效藥出現(xiàn)，人們看到了疫苗之后的另一線曙光。
中國首家獲批的自主知識產(chǎn)權(quán)新冠病毒中和抗體聯(lián)合治療藥物安巴韋單抗注射液及及羅米司韋單抗注射液。圖片來源：中國新聞網(wǎng)
數(shù)據(jù)顯示，美國默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋，可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風(fēng)險降低30%。如果在出現(xiàn)癥狀的3天內(nèi)開始服用，輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332將使住院率降低89%?？茖W(xué)家們強調(diào)，抗病毒藥物不能取代疫苗接種，但它們?nèi)匀恢陵P(guān)重要。如果新的奧密克戎變體導(dǎo)致突破性感染激增，它們的重要性將更加突出。
12月8日，中國首家自主知識產(chǎn)權(quán)新冠病毒中和抗體聯(lián)合治療藥物（安巴韋單抗注射液及羅米司韋單抗注射液）獲批。最新披露的三期臨床試驗最終結(jié)果顯示，聯(lián)合治療將門診患者的住院和死亡風(fēng)險降低了80%。更為獨特的是，該聯(lián)合用藥給出了長達(dá)10天的黃金救治期（國際上其他新冠治療用藥臨床試驗多設(shè)計為5天內(nèi)救治）。
09
首個可自我繁殖活體機器人問世
為圖永續(xù)生存，生命必須繁衍。
數(shù)十億年來，生物體為了延續(xù)生命已經(jīng)進(jìn)化出多種繁衍方式。但在12月，美國佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，并利用這一發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了有史以來第一個可自我繁殖的活體機器人——Xenobots 3.0。
AI設(shè)計的吃豆人形狀的“母體”生物（紅色），旁邊是被壓縮成球狀的干細(xì)胞——“后代”（綠色）。圖片來源：道格拉斯·布萊克斯頓和山姆·克雷格曼
去年，該研究團(tuán)隊用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚和心臟細(xì)胞組裝成一種全新的生命形式，創(chuàng)造出全球首個活體機器人“Xenobots”。此次全新升級的Xenobots 3.0僅有毫米寬度，既不是傳統(tǒng)的機器人，也不是一種動物，而是活的、可編程的有機體。如果將足夠多的異種機器人放置在培養(yǎng)皿中彼此靠近，它們會聚集并開始將其他漂浮在溶液中的單個干細(xì)胞堆疊起來。于是，多達(dá)數(shù)百個干細(xì)胞在它們?nèi)缤远谷诵螤畹?/span>“嘴”中組裝了“嬰兒”異種機器人。幾天后，這些“嬰兒”就會變成外觀和動作都跟母體一樣的新異種機器人。然后，這些新的Xenobots可再次出去尋找細(xì)胞，并建立自己的“副本”，就這樣周而復(fù)始，不斷復(fù)制。
它完全打破了人們對于機器人這一詞的理解。而這種機器人未來或可為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個性化的藥物治療。
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AI能“構(gòu)想”新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
使用人工智能（AI）預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，在今年非?；鸨?。但這里我們說的不是預(yù)測，而是構(gòu)想。
半個世紀(jì)以來，科學(xué)家一直在尋找解決“蛋白質(zhì)折疊問題”的方法。這是生物學(xué)領(lǐng)域的一項重大挑戰(zhàn)，難倒了幾代科學(xué)家。但現(xiàn)在，AI解決了這一問題。
包括美國華盛頓大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和哈佛大學(xué)研究人員在內(nèi)的小組，于12月份描述了一種升級的阿爾法折疊系統(tǒng)，其由深度思維公司開發(fā)，會“構(gòu)想”出具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的新蛋白質(zhì)。研究人員向AI提供了完全隨機的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的氨基酸序列，并向其中引入一些突變，直到AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測到它們能將其折疊成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)為止，最終共產(chǎn)生了2000種全新的蛋白質(zhì)序列。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“構(gòu)想”的新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖片來源：美國倫斯勒理工學(xué)院
全程中，科學(xué)家都沒有引導(dǎo)AI得出特定結(jié)果，這些新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)完全是計算機“構(gòu)想”出來的。這是AI網(wǎng)絡(luò)在根據(jù)氨基酸序列確定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)方面取得的巨大飛躍，極大地促進(jìn)了人們對細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)的理解。
同樣是在今年，“阿爾法折疊2”還宣布其預(yù)測的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)能達(dá)到原子水平的準(zhǔn)確度，這一精準(zhǔn)的預(yù)測算法可以讓蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析技術(shù)跟上基因組革命的發(fā)展步伐。
來源 | 科技日報
