《科学》公布2016十大进展

每年12月，《科学》杂志(原版英文报道)都会公布其年度突破和入围结果。以下是今年十大突破和赢家，没有特别的顺序。

1.时间和空间的涟漪震撼了科学界

今年时空波动(引力波)的发现震动了科学界。它完成了阿尔伯特·爱因斯坦100年前所做的预测，结束了40年来对如此微小波纹的探索。但是故事还没有结束。科学家将这一发现视为一个新领域的诞生:引力波天文学。

1915年，爱因斯坦解释说，重力是由大质量天体造成的时间和空间(或时间和空间)的扭曲造成的，导致*落体沿着弯曲的路径运动，例如投掷的球的弧度或恒星围绕其恒星的椭圆轨道。爱因斯坦随后计算出杠铃形状的质量分布会像指挥棒一样首尾相连地旋转，并在空间和时间上产生以光速运动的波纹。2月11日，在华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双天文台LIGO工作的物理学家宣布，他们已经观测到了爱因斯坦的预测:当两个距离地球13亿光年的黑洞融合时，产生了一系列的涟漪。

胜利来之不易。爱因斯坦自己对引力波的存在犹豫了几十年。每个LIGO干涉仪有两个4千米长的臂，臂的末端有镜子。它们位于一个巨大的真空室内。通过在镜子之间反射激光，物理学家可以将一只手臂的长度与光子直径的十分之一进行比较。LIGO发现，经过的引力波会以不同的量伸展手臂。第一个信号和计算机模型之间的密切合作在历史上第一次证明了爱因斯坦的引力理论，即广义相对论。

2.邻近的系外行星现在正在移动

天文学家在距离太阳系最近的恒星比邻星发现了一颗小行星。这个新世界被认为是详细研究系外行星的最佳机会，研究人员正试图找出它的样子。

半人马座比邻星光频率的细微变化揭示了这颗名为比邻星的行星。天文学家监测这颗恒星，发现由于光的多普勒频移，它的光以11.2天的频率周期性地增加和减少，因为这颗不可见的行星不断地将这颗恒星拖离地球。目前，科学家只知道比邻星B相当于至少1.3个地球，它的轨道非常接近它的恒星——也许只有太阳和地球之间距离的5%。但这并不意味着它非常热，因为这颗恒星是一颗暗红色的矮星，天文学家认为它的表面可能足够冷，可以让液态水存在。然而，它的可居住性并不理想:半人马座比邻星是一颗任性的恒星，可能会用强烈的太阳风、x光和紫外线轰击这颗行星。

天文学家正在观察比邻星B是否会从比邻星的前方经过。如果是这样的话，半人马座比邻星亮度的降低可能会揭示行星的半径，从而了解其质量和密度，而穿过其大气层的星光可以告诉我们它是由什么组成的。然而，简单的几何结构使得这种“转变”很难发生——只有1.5%的机会，到目前为止还没有获得检测结果。现在，科学家需要等待为未来10年设计的更好的太空和地面望远镜。

3、人工智能野外表演技巧

今年，人工智能已经走过了一个重要的里程碑。名为“AlphaGo”的程序在五场比赛中击败了世界第二名围棋选手。这不是人工智能第一次在游戏中打败人类。20年前，IBM的深蓝电脑在围棋比赛中击败了加里·卡斯帕罗夫，并在接下来的一年中六次击败世界冠军。然而，相似之处仅限于此。

围棋的规则比象棋更直接:你所要做的就是把相同颜色的棋子放在围棋网上，并通过包围对手的棋子来占领地盘。然而，这种简单性和开放性导致参与者考虑非常多的步骤，超过已知宇宙中的原子。这使得人工智能像深蓝一样需要依靠围棋专家的手动编码策略来评估每一个可能的步骤，当它采取一种方法来击败围棋手时。

相反，由谷歌伦敦分支机构Deep Thinking设计的阿尔法狗(Alpha Dog)研究了数以千万计的人与人之间玩的围棋游戏，并将这些落下的步骤作为其学习公式的数据。然后“阿尔法狗”会再玩一次，或者玩一些稍微不同的版本，使用一种叫做深度强化学习的策略反复调整象棋策略。最终的结果是人工智能不仅克服了暴力计算，还采用了类似人类直觉的东西。

4.杀死旧细胞，永远保持年轻

昂贵的整形手术不会阻止你的衰老，声称让你看起来像21岁的膳食补充剂、睾酮注射或抗皱霜也不会。但是今年，研究人员已经证明了一种方法可以延缓时间造成的伤害，至少在老鼠身上。当它们有选择地移除受损细胞时，这些动物会活得更久，并且随着年龄的增长会变得更健康。

科学家瞄准的这些衰弱细胞经历了部分关闭，即老化，因此失去了分化能力。研究人员认为，细胞老化可以防止致癌细胞产生肿瘤，但它也会加速老化。随着年龄的增长，越来越多的细胞将停止繁殖，从而剥夺了人们的组织替换死亡或受伤细胞的能力。老化的细胞也会引起诸如异常细胞生长和炎症等问题。

第一项研究表明，消除老化细胞可以带来健康和长寿的好处，至少对中年老鼠来说是这样，相关结果于今年2月公布。这些动物的心脏和肾脏退化速度减缓，肿瘤直到它们的生命结束才出现。一些与年龄相关的衰老，如记忆和肌肉协调，并没有得到缓解。然而，这些啮齿动物的寿命比未经处理的同类要长20%。10月，该小组集中研究动脉斑块免疫细胞中聚集的衰老细胞。去除这些可能导致小鼠动脉粥样硬化的细胞可以减少小鼠动脉中60%的脂肪积累。

5.能读懂心灵的巨猿

今年，大猩猩展示了它们的读心术，过去人们认为只有人类才能掌握。这种能力被称为“心灵理论”，能够理解他人的欲望、意图和知识。一些测试表明，人类的近亲有足够的洞察力来欺骗类似的大猩猩或理解其他类似大猩猩的动机。但是直到现在，他们还不能胜任判断他人错误信仰的任务。

在一个经典的错误信念实验中，一个孩子会看到有人把巧克力藏在盒子里，然后离开房间。然后另一个人溜了进来，把糖果藏在了别处。那么，第一个人会在哪里寻找目标呢？那些“在第一个盒子里”猜测的孩子将通过测试:通过被称为读心术的能力，他们意识到第一个人有错误的信仰。这种技能被认为对欺骗、同情、启迪和语言的使用非常重要。

今年，研究人员通过大猩猩、倭黑猩猩和猩猩进行了另一个版本的实验。这些灵长类动物看了一部关于金刚的电影，在电影中，金刚从一个人身上偷了一块石头，藏在两个盒子中的一个里。一个人知道，但是当金刚威胁他时，他逃跑了。当他逃跑的时候，金刚也离开了这块石头。问题是，当这个人再次回来时，他会在哪里找到那块石头？

研究人员使用红外线眼球运动来观察猩猩的注意力集中在哪里。结果，几乎所有的猩猩都在观察这个人起初误以为石头藏在哪里的地方。然而，并不是每个人都相信这个研究结果，但随后的研究可能不仅限于大猩猩。眼睛跟踪方法也可以应用于其他动物的面部。

6.用计算软件设计人工蛋白质

蛋白质是生命的基础。它们可以加速重要的化学反应，使肌肉发挥力量，进行细胞间和细胞内的交流，防止细菌滋生。考虑到蛋白质的这些特性，研究人员一直希望培养蛋白质。他们通过对生物体的DNA编码进行微小的改变，已经改变了许多现有的蛋白质。今年，研究人员将蛋白质修饰提高到了一个新的水平:他们创造了一套不同于自然界中任何蛋白质的设计蛋白质，为新药和新材料铺平了道路。

从头设计一种新蛋白质一直是一个不确定的“输赢”问题。编写任何想要的DNA代码都很容易，但是研究人员无法知道这种DNA编码的新氨基酸链是如何折叠成复杂的三维形状的。这是一个问题，因为对于蛋白质来说，形状决定功能。然而，最近计算生物学家在设计计算机软件方面取得了令人兴奋的进展，这种软件可以准确地预测设计蛋白质是如何折叠的。这些发展使得今年设计蛋白质成为可能。

今年2月，由华盛顿州研究人员领导的一个研究小组利用这个项目设计了一种潜在的通用流感疫苗，它可以同时刺激针对所有流感病毒株的免疫防御。7月，一个包括许多参与上述研究的研究人员的团队创造了一种可以在空笼子里自我组装的蛋白质。将来，它可能会被药物或脱氧核糖核酸片段填充来治疗某些疾病。另一个团队使用类似的程序来制造三维可折叠的核糖核酸分子，这提出了类似蛋白质和核糖核酸蛋白质复合物的折叠问题，开辟了新研究的可能性。现在，研究人员希望利用这些技术来创造新的方法，从新的生物传感器到去除大气中的二氧化碳。

7.小鼠卵的实验室生产

今年，日本研究人员用完全在实验室器皿中培养的卵细胞制造了小老鼠。这项研究给“试管婴儿”一个新的含义。这一长期追求的目标为研究人员提供了一种研究卵子发育的新方法，并增加了在实验室用几乎任何种类的细胞(包括那些经过基因改造的细胞)制作人类卵子图像的可能性。这种可能性激发了不孕症治疗的新希望，但也带回了对设计婴儿的恐惧。

2012年，同一组研究人员进行了第一个关键实验:他们用干细胞制造受精卵细胞。然而，这种方法仍然需要将未成熟的卵子植入活老鼠体内来完成发育。今年，研究人员发现了一种在实验室制造鸡蛋的方法。他们不需要将未成熟的卵子植入小鼠体内，而是在从胚胎小鼠卵巢收集的细胞群中培养它们。然后，该小组将这些实验室中培育的卵子与老鼠精子混合，并将它们的胚胎植入“养母体内”其中，只有3%的胚胎发育成完整的幼仔，这些幼仔都发育成健康的成年人，能够生育后代。

如果科学家能利用人类干细胞进行类似的实验，它将发展成为一些不孕妇女的新疗法。它甚至可以将雄性后代的干细胞培育成卵子。

8.单一的非洲移民潮将人类带到了世界

种族的故事是由流浪者的习惯驱动的。现代智人诞生于非洲，10万年前传播到地球的偏远角落，与已经生活在这些地方的人相遇并融合。但是研究人员一直在争论现代人何时以及如何离开非洲:是一波移民还是一波又一波的移民？

2016年，大量基因组数据显示，大多数生活在非洲以外的人来自单一移民。任何先前的迁徙都被最后一次大迁徙淹没了。在一系列的三篇文章中，研究土著人的研究人员收集并分析了生活在世界偏远角落的许多人的基因组信息，包括澳大利亚、巴布亚新几内亚和非洲土著人的罕见样本。他们追踪记录在这些DNA中的古代人类分支。

其中一项研究分析了来自澳大利亚的83个基因组，澳大利亚长期以来被认为是成批到达的独特地方。DNA分析显示，与之前的猜测相反，澳大利亚最初只在一次移民中定居。此外，澳大利亚土著和欧亚混血儿的祖先大约在同一时间，大概在7万年前，从非洲分散开来，这表明他们是第一个在分离之前离开非洲的人。另一项研究分析了142个人的基因组，他们还报告说，大约5万年前，古人离开非洲一次，然后在不同的地方分裂成“非非洲人”，但是具体时间还不清楚。

第三项研究分析了125个人的379个基因组，也报道了同样的迁移模式，只有一个转变:巴布亚新几内亚人的基因组中只有2%可能来自早于或大约10万年前离开非洲的一群人。

9.纳米孔基因测序技术引领潮流

今年，由于用于基因测序的手持设备广泛可用，基因测序正在成为生物学领域的常用工具，无论是在实验室还是在野外。它已经产生了一系列的研究论文。

该设备使用一种被称为纳米孔测序的突破性技术来直接读取DNA信息:当一系列的DNA通过一个狭窄的孔时，这些底物能够以一种独特且可读的方式改变离子电流。与传统测序相比，其优点是这种纳米孔测序仪的启动成本相对较低，并且可以从理论上解释DNA无限长。基因组不需要被切断，这些序列最终可以被计算机整合。此外，由于其快速和便携，该装置可在几个小时内测量序列，并可用于生物监测、临床诊断、区域疾病流行调查等领域。

纳米孔测序已经发展了几年。经过一年多的测试，英国牛津纳米孔技术公司今年开始将第一批设备推向市场。目前，基于相关设备的30多篇论文已经上传到预先打印的生物网站bioRxiv。

研究人员可以将埃博拉病毒与其他病毒区分开来，对肠道微生物进行测序，并在数小时内分析5300万个玉米真菌和害虫的基因组单位。研究人员在12月初宣布，他们也用它来对人类基因组进行测序。国际空间站的宇航员甚至用它对土壤中的微生物混合物进行测序。长期从事这项工作的研究人员指出，在同行评议文章中看到类似的进展是非常罕见的，但有些人认为今年是测序技术变革的一年，这使得从未想过自己可以进行基因研究的人有了更多的遐想。

10.超级镜头带来美好前景

玻璃透镜是人类最早的高科技发明之一。他们让伽利略看到木星的卫星，让安东尼·范·列文·泰格观察微生物，让数百万人更清楚地看到世界。但是今天的镜片仍然以和几个世纪前一样的粗糙方式生产。玻璃和其他透明材料经过抛光和抛光，以集中光线而不产生色差。现在，镜头技术向前迈出了一大步。今年，研究人员利用计算机芯片模式技术制造了第一批超级材料透镜或超级透镜，这种透镜可以聚焦整个可见光谱。因为超级透镜制造成本更低，比纸薄，比玻璃轻得多，它们将彻底改变一切，从显微镜到虚拟设备和相机(包括你智能手机的相机镜头)。

超材料由一系列微小的柱状、环状和其他材料结构组成，当光波通过时，这些结构可以对光波起作用。近年来，研究人员已经设计了基于超材料的“隐形屏蔽”，这种材料可以使光线远离物体，还有滤光器和天线。然而，超透镜最早的成功仅在于红外光和其他较长的光波波段，这种模式技术从透明材料到可见光都不起作用。

今年，研究人员发现如何使用传统的芯片模式技术，即原子层沉积技术，来精确排列柱状二氧化钛阵列模式。这些柱子只有600纳米高，在可见光下是透明的，可以聚焦和放大物体170倍。研究小组通过用超级透镜制作全息图和进行详细的光谱分析来验证它们的特性，为其他潜在的应用开辟了道路。(李冯公主)