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《Science》2016年十大科学突破

《Science》2016年十大科学突破

12月23日,Science公布了Breakthrough of the Year, 2016,其中引力波获得Science评审的年度最佳突破,而从AI到蛋白质设计的九大研究并列第二。[1]


最佳突破:时空涟漪引力波

引力波获得最佳突破可谓当之无愧,之前自然等各大网站的年度盘点,引力波都榜上有名。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2月宣布,他们利用LIGO探测器在2015年9月14日探测到来自于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。来自中国清华大学的研究者也参与了这项研究。时隔四个月,美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)再次放出重磅消息,宣布“又探测到了一个引力波事件”。人类第二次探测到被称为“时空涟漪”的引力波,此消息一出,立刻在学界激起“千层浪”。科学家称,这次探测进一步印证了爱因斯坦广义相对论的正确性,同时也是天文学的一个里程碑。


九大亚军突破:从AI到蛋白质折叠

这九个科学发展进步经科学杂志编辑们的一致评审,没有特定的成就顺序,并列第二。


比邻星

发现这颗“地球2.0”类地行星的天文学家团队(包括来自8个国家的31位科学家)利用欧洲南方天文台的望远镜以及其他天文观测设施,确凿地证明有一颗类地行星“比邻星b”正围绕着距离太阳最近的恒星——半人马座的比邻星运转。比邻星b的质量只比地球略重一点,或许是离地球最近的系外行星的系外生命可能存在的地方。

这一发现8月25日发表在《自然》杂志上。研究结果称,比邻星b是恒星比邻星的行星之一,它有着岩石地表,大概是地球体积的1.3倍,距离地球仅4.22光年。比邻星b与比邻星之间的距离比较接近,仅仅是太阳与地球之间距离的1/20,它围绕比邻星转一圈的时间是11.2天,这意味着在比邻星b上的“一年”是11.2天。

如果比邻星b的“太阳”——比邻星像我们的太阳发出那么强热的光,那么比邻星b上也不可能有生命,但比邻星属红矮星,所散发的红外幅射远不及太阳,液态水不易蒸发也不易冰冻,所以比邻星b仍处于宜居带,“只不过比邻星b的天空不是蓝的,而是暗橙红色的,永远像日落时那样。”

参考文献:

G. Anglada-Escudé, “A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri,” Nature 536 437 (25 August 2016)


人工智能阿法狗

要说在2016年人工智能领域最震惊世界的一件事,那就是3月份的阿法狗大战世界围棋高手李世石了,最终李世石以1:4的成绩败给阿法狗,阿法狗也因此进入世界围棋榜,取代李世石排名第四,距世界围棋第一我国天才少年柯洁仅不足百分,而柯洁也表示没有百分百的把握战胜阿法狗,这次狗的胜利可谓是人工智能发展的一个里程碑。 这不是第一次AI超越了人类对游戏的掌握。 毕竟,20年前,IBM的Deep Blue在一场国际象棋比赛中第一次击败Garry Kasparov,第二年在一场六场比赛中推翻了世界冠军。

阿法狗由伦敦的Google子公司DeepMind设计,研究了成千上万的在人类之间玩的在线游戏,使用这些序列的移动作为机器学习算法的数据。 然后,阿法狗反对自己 - 或者说,稍微不同的版本的自己 - 一遍又一遍,用一种称为深加强学习的技术微调其策略。 最终的结果是AI不仅胜过暴力计算,而且还有一些看起来非常像人类的东西。

参考文献:

D. Silver, “Mastering the game of Go with deep neural networks and tree search,” Nature 589 224 (28 January 2016)


杀死旧细胞重返青春

延长寿命是人类的历史梦想和愿望,延长寿命的有效策略是延缓衰老,科学家们一直在探寻延缓衰老的方法,但有效的却寥寥无几。二月份发表在《自然》(Nature)的一项里程碑式的新研究,让我们看到了希望。通过删除“衰老的”细胞(随着我们衰老而不断积累的功能失调细胞,这些细胞会导致组织损伤),研究人员成功地将小鼠的寿命延长了25%。关键是,这些小鼠寿命变长的原因是它们变得更健康了。

10月份,Unity Biotechnology 宣布获得 1.16 亿美元 B 轮融资。公司计划利用本轮融资扩大目前正在进行中的细胞衰老研究计划,并推进公司首个临床前项目进入人体试验阶段。Unity 致力于寻找方法来帮助人体选择性清除这些会引发炎症和其他衰老相关疾病的老化细胞,从而帮助人体减缓年龄相关疾病的影响。

参考文献:

D. J. Baker et al., “Naturally occurring p16Ink4a-positive cells shorten healthy lifespan,” Nature530, 184 (11 February 2016)


人类不是唯一会读心术的

《科学》杂志11月7日发表的一项新研究显示,猿类可能也能揣测他人心思,甚至知道他人的看法是不正确的,这意味着猿类可能比我们此前认为的更像人类。

研究人员制作了两个简短视频,让黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩三种猿类观看,并用眼红外跟踪器对它们的注视焦点进行追踪。结果发现,猿类能对人类认为假猩猩或石头藏在什么地方做出正确的判断,它们了解人的想法。研究人员在一份声明中说:“这是非人类动物第一次通过‘错误信念’测试。”

这项发现表明,了解别人想法不正确的能力并不是人类所独有,而是至少从1300万至1800万年前人类与黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩的最后共同祖先就可能开始拥有。如果能有进一步实验证实这些发现,那么科学家可能需要重新思考猿类对彼此的了解有多深。

参考文献

1.C. Krupenye et al., “Great apes anticipate that other individuals will act according to false beliefs,” Science 354, 110 (7 October 2016)

2.F. de Waal, “Apes know what others believe,” Science 354, 39 (7 October 2016)


定制蛋白质

蛋白质是生命的主力。 它们加速重要的化学反应,使肌肉能够牵引,在细胞之间和细胞内进行通讯,并防御入侵者。 鉴于蛋白质的天赋,研究人员一直想创建自己的版本。 他们通过对生物体的DNA代码进行小调整,修改了许多现有的蛋白质,但今年,他们将蛋白质修饰改造成了一个全新的水平:他们创造了一套不同于自然界中发现的设计蛋白,为新药设计提供了材料和方向。

编写任何所需的DNA代码很容易,但研究人员无从了解如何由这种DNA编码的氨基酸的新型字符串将折叠成复杂的3D形状。这是一个问题,因为对于蛋白质,形状决定功能。 然而,最近计算生物学家在设计计算机程序方面取得了令人瞩目的进展,设计者准确预测了蛋白质将如何折叠。这些进展使今年设计蛋白质的增长成为可能。

今年2月,由华盛顿州的研究人员领导的一个团队使用一个这样的程序设计了可能成为普遍流感疫苗的蛋白质,这个蛋白质能够同时为所有流感病毒引发免疫防御。 7月,包括许多相同研究人员的团队创建了自组装成中空笼子的蛋白质,或许在未来某一天,它们可以装满药物或DNA片段以治疗一系列疾病。 另一个团队使用类似的程序来产生3D,折叠的RNA分子,其呈现类似于蛋白质的折叠问题,以及RNA-蛋白复合物,开辟新的研究可能性。

参考文献:

1.H. Yang et al., “Design of a hyperstable 60-subunit protein icosahedron,” Nature 535, 136 (15 June 2016)

2.J. Bale et al., “Accurate design of megadalton-scale two-component icosahedral protein complexes,” Science 353, 389 (22 July 2016)


实验室做的老鼠卵子

给“试管婴儿”一词带来新的意义,今年,日本的研究人员从完全在实验室盘中生长的卵细胞中产生小鼠幼崽。 这个长期追求的成就为研究人员提供了一种新的方法来研究卵子的发展,并提出了在实验室中从几乎任何类型的细胞(包括遗传改变的细胞)制造人类卵的更远的前景。 这种可能性激发了新的不育治疗的希望,但它也恢复了对婴儿设计师的恐惧。

在2012年,同样的研究人员采取了第一个关键步骤:他们从干细胞制作卵细胞。然而,该方法仍然需要将未成熟的卵植入到活的小鼠中以完成它们的发育。 今年,研究人员发现了一种在实验室中完全生产卵细胞的方法。 不是将未成熟的卵植入小鼠,而是将它们培养在取自胎儿小鼠卵巢的细胞簇中。然后,团队将实验室生长的卵与小鼠精子混合,并将所得胚胎植入寄养母亲。 只有3%的成长为足月幼仔,但那些幼崽成长为肥沃,表面健康的成年人。

如果科学家可以将人类干细胞执行类似的壮举,它可能导致一些女性不育症的新选择。甚至可能将来自人的干细胞转化为卵子。 这种可能性距离实现还有很长的路要走。

参考文献:

1.K. Morohaku et al., “Complete in vitro generation of fertile oocytes from mouse primordial germ cells,” PNAS 113, 9021 (9 August 2016)

2.K. Hayashi et al., “Offspring from Oocytes Derived from in Vitro Primordial Germ Cell–like Cells in Mice,” Science 338, 971 (16 November 2012)

3.O. Hikabe et al., “Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line,” Nature 539, 299 (10 November 2016)


非洲移民如何落户全世界

10月在Nature上发表的四篇文章,试图探究人类是如何从非洲移民到全世界的。

其中三项新研究扩大了目前人口的已经分析的DNA列表。 结果表明,大多数非非洲人的基因遗传自谁约75,000至50,000年前之间离开非洲的一个单脉冲人。 一个研究小组,从142个不同的人群中研究DNA,提出了非洲移民在分裂成欧洲或亚洲组之前与尼安德特人在中东异种繁殖。 其他科学家的数据集包括148人口的结论是,大约在12万年前,非洲有一个大迁徙,这段时间擦除了大多数遗传痕迹[。第三个论文发现, 土著澳大利亚人和新几内亚的原生巴布亚人被一个独特组合的欧亚人群突然造访,这些欧亚人群像其他的非非洲人祖先,追溯到约72000年前非洲人离开了故土。

但是,这些迁移的时间可能会关闭。 第四个研究,根据气候和海平面的数据, 确定了从72,000到 60,000年以前这段时间,是沙漠基本上阻断了人类走出非洲的时间。 计算机模型表明了洲际旅行的几个有利时期,其中一个是大约从59,000年前开始。 但考古研究表明,当时人类已经在亚洲蔓延。

参考文献:

1.S. Mallick et al., “The Simons Genome Diversity Project: 300 genomes from 142 diverse populations,” Nature 538, 201 (13 October 2016)

2.A.-S. Malaspinas et al., “A genomic history of Aboriginal Australia,” Nature 538, 207 (13 October 2016)

3.L. Pagani et al., “Genomic analyses inform on migration events during the peopling of Eurasia,” Nature 538, 238 (13 October 2016)

4.A. Timmermann and T. Friedrich, “Late Pleistocene climate drivers of early human migration,” Nature538, 92 (13 October 2016)


纳米孔基因测序

基因组测序可能即将成为生物学中无处不在的工具。 它在今年首次广泛使用。并且已经产生了数十篇研究论文。

该装置使用称为纳米孔测序的突破性技术直接读取DNA的字母:当DNA链通过窄孔时,碱基以独特的,可读的方式改变离子电流。与传统测序相比,大的优点是纳米孔测序仪的启动成本相对较低,并且理论上可以解码不限长度的DNA; 基因组不必被切碎,并且随后通过计算机将序列拼接在一起。 并且因为它是快速和便携的 - 该设备可以在几个小时内搅拌序列 - 它可以潜在地用于生物监测,临床诊断和现场疾病爆发的调查。

基于该设备已经产生了30多篇论文。研究人员在短短几个小时内就发现了埃博拉和其他病毒,在肠道中对微生物进行了测序,解读了玉米真菌害虫的5300万基因组基因组,正如他们在本月早些时候宣布的,测序了一个人类基因组。 甚至宇航员在国际空间站使用它来排序土壤中的微生物的混合物。 该领域的Longtimers指出,这些进展已经很少记录在同行评议的出版物。

参考文献:

1.K. Schmidt et al., “Identification of bacterial pathogens and antimicrobial resistance directly from clinical urines by nanopore-based metagenomic sequencing,” J. Antimicrob Chemother. Epub ahead of print(25 September 2016)

2.M. Loose et al., “Real-time selective sequencing using nanopore technology,” Nature Methods 13, 751 (September 2016)

S. Deschamps et al., “Characterization, correction and de novo assembly of an Oxford Nanopore genomic dataset from Agrobacterium tumefaciens.” Sci Rep 6 28625 (28 June 2016)

3.H. Lu et al., “Oxford Nanopore MinION Sequencing and Genome Assembly.” Genomics Proteomics Bioinformatics 14(5), 265 (17 September 2016)

NASA press release, “First DNA Sequencing in Space a Game Changer,” (29 August 2016)

4.E. Datema et al., “The megabase-sized fungal genome of Rhizoctonia solani assembled from nanopore reads only,” BioRxiv (1 November 2016)

5.A. Edwards et al., “Extreme metagenomics using nanopore DNA sequencing: a field report from Svalbard, 78 N,” BioRxiv (7 September 2016)

6.J. Quick et al., “Real-time, portable genome sequencing for Ebola surveillance,” Nature 530, 228 (11 February 2016)


金属镜片

玻璃镜片是人类最早的高科技创新之一。 他们让Galileo看见木星的卫星,Antonie van Leeuwenhoek去监视微生物,和数以百万计的人都清楚地看到。 但镜头仍然是几乎相同的方式,因为他们几个世纪前 - 通过研磨和抛光玻璃和其他透明材料,使他们聚焦光无差异。 现在,镜头技术准备迈出一大步。 今年,研究人员使用计算机芯片图案化技术来创建第一个超材料透镜,或金属,可以聚焦全光谱的可见光。 因为金属制品生产成本低,比一张纸薄,并且远比玻璃轻,所以这是显微镜,虚拟现实显示器到摄像机(包括智能手机中的显示器)进步的一次革命性技术。

超材料由微小柱,环和其他材料排列组成,它们共同工作以在光波通过时操纵光波。 近年来,研究人员已经设计了基于超材料的“隐形屏蔽”,其在物体周围引导光,以及滤光器和天线。 但以前的努力,只对红外和其他长波长的光可行; 图案化技术不能用对可见光透明的材料工作。

今年,研究人员提出了如何使用称为原子层沉积的传统芯片图案化技术,精确地图案化二氧化钛柱阵列。 只有600纳米高,柱子对可见光是透明的,这种技术可以聚焦它产生高达170倍的放大 - 与最先进的玻璃光学一样好。 该团队通过使用它们制作全息图并进行详细的光谱学测试其金属技术,为其他潜在应用开辟了道路。探索高科技光学,使手机甚至更时尚,导致新的科学仪器,并改造虚拟现实耳机。

参考资料:

1.M. Khorasaninejad et al., “Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging,” Science 352, 1190 (3 June 2016)



来自生物360[2]
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