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12月26日，由科技日报社主办、部分两院院士和媒体人士共同评选出的2021年国际十大科技新闻揭晓。 2021，新冠疫情盘桓不去，百年变局叠加其上。我们每一个人都在踉跄前行，也比以往，愈加需求光。 这光，是科学。 这一年，疫情并未阻拦科学之光。你看得懂的脑机接口、火星登陆，难以了解的缪子丈量、量子纠缠，以及因抗击新冠而频出成果的抗病毒新药、CRISPR疗法、蛋白质预测…… 我们深信，有光在，希望就在。 01.脑机接口能将脑中“字迹”转为字句 这是一个“躺平”的实验者。 他四肢完整不动，“纯靠”想象自己脑海里有一只手在写字，然后就真的写出来了。这一场景在一个概念考证型研讨中曾经呈现。
脑机接口新技术表示图。 图片来源：《自然》 包含美国斯坦福大学科学家在内的分离团队今年宣布，分离人工智能胜利开发出全新系统，应用大脑运动皮层的神经活动解码“手写”字迹，并运用递归神经网络解码措施将字迹实时翻译成文本，以比此前任何时分都要快很多的速度将患者“手写”的想法转换为电脑屏幕上的文本。 让失去行动或说话才干的人恢复与外界的交流，其实是脑机接口技术的重要功用与目的。这个范畴的一个主要研讨方向是恢复大运动功用，好比拿握或抓取。但是，高度精密的动作，好比手写或盲打，固然能加快交流速度，但此前的交流只能经过2D计算机光标中止点选式打字来完成，速度不时局限在每分钟最多40个字符左右。但此次分离团队在研讨中发现，一位颈部以下瘫痪的研讨对象在运用一种新的“手写脑机接口”时，写字速度能抵达每分钟90个字符，精确率为94.1%，表明了“手写脑机接口”能精确解码瘫痪多年患者的快速、精密动作。 02.迄今最精确丈量结果提示缪子行为异常 即便看不懂这一成果的内容，我们也要知道：这是物理学界的一件大事。 在美国费米实验室中止的缪子反常磁矩实验显现，缪子的行为与规范模型理论预测不相符。上海交通大学缪子物理团队参与的美国费米实验室缪子反常磁矩实验（Muon g-2）首批结果4月份发布，以史无前例的丈量精度，为新物理的存在提供了强有力证据。
美国费米实验室缪子反常磁矩实验运用了这种存储环磁铁。 图片来源：《自然》 缪子的“体重”比它的近亲电子重200倍，在宇宙射线穿透地球大气层时自然产生，此外，费米实验室里的质子加速器也能够大量制造缪子。在最新实验中，研讨人员将费米实验室的粒子加速器产生的缪子束流送入一个直径为15米的超导磁铁存储环内，强大的磁铁使缪子坚持在圆形轨道上，应用放在环内侧的探测器，能够精确丈量缪子的进动频率，从而取得了迄今最精确g-因子值，且与布鲁克海文实验室得出的丈量值相吻合。 这两个实验结果分离起来，显现缪子行为与规范模型之间不匹配的置信度为4.2倍规范方差，仅比5倍规范方差（科学家宣布发现的最终规范）略小，这是一个十分有力的证据。 而“这两个实验结果携手，为新物理的存在提供了强有力的证据，预示着世界上可能存在新的未知粒子或作用力。” 03.宏观物体量子纠缠证据确凿 假如说量子力学有什么令人厌恶之处，那第一绝对是太难懂，第二则是“摸不着”。 人们会以为，量子这一范畴很大水平上好像“想象”的学科，在理想中简直不可能看到。
图片来源：视觉中国 实践上，量子力学不只仅是微观的理论，我们所知的一切物质，从基本上来说都是量子。但不得不招认，奇特的量子效应在大于几个原子的任何事物中都很难察看到。因而，找寻宏观物体的量子效应的证据，也成为物理学家们的一大目的。 美国《科学》杂志5月发表两项量子力学重磅突破：其中一项研讨，科学家发现了宏观物体量子纠缠的直接证据，美国国度规范技术研讨所团队运用微波脉冲让两张小的铝片膜进入量子纠缠状态。该铝片膜的尺寸为每张长20微米，宽14微米，厚100纳米，质量为70皮克，相当于大约1万亿个原子的质量。固然十分微小，但以量子的规范而言，它们曾经抵达了相当大的尺度。 另一项研讨中，芬兰阿尔托大学等机构在8毫开尔文的温度下，让两个铝鼓膜进入长时间、相对稳定的纠缠态，完成了对不肯定性原理的“规避”，而这正是量子力学的基本定律之一。 这两项实验都以确凿的证据证明了宏观物体也能够完成量子纠缠，岂但有望在未来量子网络中提供长期网络节点，还能极大地推进暗物质与引力波探测相关技术研发。 04.天问一号探测器胜利登陆火星 乌托邦平原，科幻中经常呈现的大本营、太空船的建造基地以及超级太空舰队驻守的基地。 今年5月15日，中国天问一号探测器胜利着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国成为第二个胜利着陆火星的国度。
天问一号探测器胜利着陆火星。 这是由祝融号火星车拍摄的“着巡合影”图。 新华社发，国度航天局供图 美国《华尔街日报》刊登题目为《胜利登陆火星，中国的加冕时辰》的报道，文章称：“中方向世界发出信号，已在星际探求才干上赶上美国，并可取代其太空指导位置。”英国《自然》杂志评论称：中国的一次火星计划，就做到了美国几十年才完成的三件事：进入火星轨道、在火星名义着陆以及运转火星车。西班牙《国度报》网站报道称，作为由中国自主中止的火星探测任务，天问一号探测器取得的胜利是引人注目的。英国《金融时报》网站报道指出，中国的太空计划近年来加速展开，在几十年的追逐后逐步向美国靠拢。 天问一号探测器着陆火星首批科学影像图，已于6月11日发布，这标记着中国初次火星探测任务取得圆满胜利。 05.LHC揭秘宇宙降生瞬间的“第一种物质” 很久很久以前——在大约140亿年前，宇宙从远比往常更热、更稠密的状态转变为急剧收缩，科学家将这一过程命名为“大爆炸”。固然曾经知道这种快速收缩发明了粒子、原子、恒星、星系以及生命，但一切是如何发作的，细节依然未知。 往常，科学家想通知你们这一切是如何开端的。 丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研讨所科学家应用大型强子对撞机（LHC），提示了宇宙大爆炸第一个0.000001秒内发作的新细节，即第一个微秒内一种特殊的等离子体发作了什么。
揭秘“第一种物质”研讨表示图。 图片来源：每日科学网 这是“最开端”的故事。科学家们研讨了一种叫做夸克—胶子等离子体的物质，它是在大爆炸第一个微秒内存在的独一物质，它的共同阅历是：首先，等离子体被宇宙热收缩所分别；然后，夸克碎片重组为所谓的强子；一个有3个夸克的强子组成一个质子，是原子核的一部分，这些也是构成地球、人类和现今容纳着我们的宇宙的基础中心。 科学家往常能够看到夸克—胶子等离子体是如何从原来的物质状态，演化为原子的中心和生命的基石，其相关细节无疑为我们今天所知的宇宙演化提供了一块重要“拼图”。 06.CRISPR基因编辑对人类疗效初次证明 能被称为里程碑的科学事情未几，但今年首个人体内CRISPR基因编辑临床实验结果发布，且疗法保险有效，这就被以为是一个里程碑式的事情。
CRISPR-Cas9复合物（白色和蓝色）能够切割DNA（绿色），使招致疾病的基因失效。 图片来源：《自然》网站 治疗转甲状腺素蛋白（TTR）淀粉样变性多发性神经病的CRISPR基因编辑疗法NTLA-2001，在Ⅰ期临床实验中取得积极结果：单剂NTLA-2001招致血清中的TTR水平平均降落87%，最大可达96%。这是首批支持体内CRISPR疗法保险性和效果的临床数据，被以为有望开启医学新时期。 展开这项研讨的公司之一Intellia Therapeutics，就是因CRISPR而获诺奖的詹妮弗·杜德娜兴办的。NTLA-2001经过非病毒脂质纳米颗粒递送，能够特异性敲除TTR基因，从而降低TTR蛋白的表白，实验结果令人振奋。 也是在今年，CRISPR技术另一突破是改善了遗传性失明，美国Cedars-Sinai医学中心的一项研讨初次证明，一种新技术可经过去除遗传缺陷治疗遗传性疾病，阻止患有一种遗传性失明的大鼠的视网膜变性。研讨小组专注于遗传性视网膜色素变性，这种退行性眼病可能招致失明，目前还没有可治愈的措施，但研讨人员运用CRISPR/Cas9基因编辑技术，删除了一个可招致失明的遗传突变。固然这项研讨采用的是大鼠，但它依然对人类有潜在影响。 07.猪肾初次胜利植入人体 为什么是猪？ 与灵长类动物猴子、猿相比，猪在器官获取方面更有优势：容易饲养，产仔数多，成熟得也快，6个月内就可抵达成人体型大小，更重要的，在器官移植伦理方面争议较小。几十年来，猪的心脏瓣膜已被胜利移植到人体内，也有猪胰岛细胞注射进人体内治疗糖尿病的胜利案例。
图片来源：视觉中国 早期的研讨表明，猪的肾脏在非人灵长类动物体内可存活长达一年，但这是第一次在人类患者身上中止尝试。 9月，在美国纽约大学朗格尼医学中心，研讨人员中止了一场被称为异种器官移植的手术。移植器官肾脏来源于一头转基因猪，它被移植入一位脑死亡的意愿者体内。移植后的肾脏工作了54小时。在此期间，研讨人员察看到，意愿者的尿液和肌酐水平“正常且与人类肾脏移植手术中的水平相当”，而且未见身体的排异反响。指导这项研讨的移植外科医生亦表示，移植肾功用的测试结果正常且超出预期。 科学家其实不时在研讨运用动物器官中止移植的可能性，但在如何避免人体立刻排异的问题上不时受阻。往常，基因编辑技术让猪的器官不被人体排异成为可能。这是一项潜在的严重突破，这一被称为“改造时辰”的医学进步，未来可能为成千上万需求器官移植的患者带来新希望。 08.可对立新冠病毒变异的特效药不时呈现 在今年，几个佶屈聱牙的希腊字母，每个人都能说得顺溜无比。 最早在印度被发现的新冠病毒变异毒株德尔塔，在2021年快速传播，这一毒株岂但传染性强，感染者更易展开成重症。另一个变种奥密克戎，则最早于11月9日在南非初次检测到，世界卫生组织将其定义为第五种“值得关切的变异株”，其在全球总体风险被评价为“十分高”。 但也是在今年，抗新冠强效药呈现，人们看到了疫苗之后的另一线曙光。
中国首家获批的自主学问产权新冠病毒中和抗体分离治疗药物安巴韦单抗注射液及及罗米司韦单抗注射液。 图片来源：中国新闻网 数据显现，美国默克公司的抗病毒药物莫奈拉韦，可将未接种疫苗的高危人群的住院或死亡风险降低30%。假如在呈现病症的3天内开端服用，辉瑞公司的抗病毒药物PF-07321332将使住院率降低89%。科学家们强调，抗病毒药物不能取代疫苗接种，但它们依旧至关重要。假如新的奥密克戎变体招致突破性感染激增，它们的重要性将愈加突出。 12月8日，中国首家自主学问产权新冠病毒中和抗体分离治疗药物（安巴韦单抗注射液及罗米司韦单抗注射液）获批。最新披露的三期临床实验最终结果显现，分离治疗将门诊患者的住院和死亡风险降低了80%。更为共同的是，该分离用药给出了长达10天的黄金救治期（国际上其他新冠治疗用药临床实验多设计为5天内救治）。 09.首个可自我繁衍活体机器人问世 为图永续生存，生命必须繁衍。 数十亿年来，生物体为了持续生命曾经进化出多种繁衍方式。但在12月，美国佛蒙特大学和塔夫茨大学研讨团队发现了一种全新的生物繁衍方式，并应用这一发现发明了有史以来第一个可自我繁衍的活体机器人——Xenobots 3.0。
AI设计的吃豆人外形的“母体”生物（红色），旁边是被紧缩成球状的干细胞——“后代”（绿色）。 图片来源：道格拉斯·布莱克斯顿和山姆·克雷格曼 去年，该研讨团队用非洲爪蟾早期胚胎中的皮肤和心脏细胞组装成一种全新的生命方式，发明出全球首个活体机器人“Xenobots”。此次全新升级的Xenobots 3.0仅有毫米宽度，既不是传统的机器人，也不是一种动物，而是活的、可编程的有机体。假如将足够多的异种机器人放置在培育皿中彼此靠近，它们集汇集并开端将其他漂浮在溶液中的单个干细胞堆叠起来。于是，多达数百个干细胞在它们好像吃豆人外形的“嘴”中组装了“婴儿”异种机器人。几天后，这些“婴儿”就会变成外观和动作都跟母体一样的新异种机器人。然后，这些新的Xenobots可再次进来寻觅细胞，并树立自己的“副本”，就这样循环往复，不时复制。 它完整突破了人们关于机器人这一词的了解。而这种机器人未来或可为外伤、先天缺陷、癌症、衰老等提供更直接、更个性化的药物治疗。 10.AI能“想象”新蛋白质结构 运用人工智能（AI）预测蛋白质结构的研讨，在今年十分火爆。但这里我们说的不是预测，而是想象。 半个世纪以来，科学家不时在寻觅处置“蛋白质折叠问题”的措施。这是生物学范畴的一项严重应战，难倒了几代科学家。但往常，AI处置了这一问题。 包含美国华盛顿大学、伦斯勒理工学院和哈佛大学研讨人员在内的小组，于12月份描画了一种升级的阿尔法折叠系统，其由深度思想公司开发，会“想象”出具有稳定结构的新蛋白质。研讨人员向AI提供了完整随机的蛋白质结构的氨基酸序列，并向其中引入一些突变，直到AI神经网络预测到它们能将其折叠成稳定的结构为止，最终共产生了2000种全新的蛋白质序列。
神经网络“想象”的新蛋白质结构。图片来源：美国伦斯勒理工学院 全程中，科学家都没有引导AI得出特定结果，这些新的蛋白质结构完整是计算机“想象”出来的。这是AI网络在依据氨基酸序列肯定蛋白质三维结构方面取得的庞大飞跃，极大地促进了人们对细胞基本结构的了解。 同样是在今年，“阿尔法折叠2”还宣布其预测的蛋白质结构能抵达原子水平的精确度，这一精准的预测算法能够让蛋白质结构解析技术跟上基因组反动的展开步伐。 来源：科技日报 编辑：小强大生物、彭草 |
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