Science 2020年十大科學(xué)突破解讀-肽度TIMEDOO

《中國(guó)科學(xué)基金》2021年第35卷第2期封面

Science 2020年十大科學(xué)突破解讀
【編者按】2020年12月17日，Science公布了其評(píng)選出的2020年十大科學(xué)突破。為了讓廣大科技工作者和讀者更深入地了解這十大科學(xué)突破的重大意義，《中國(guó)科學(xué)基金》編輯部特邀各領(lǐng)域著名科學(xué)家對(duì)其中9個(gè)自然科學(xué)相關(guān)突破進(jìn)行深入解讀，以更廣泛、有效地向社會(huì)公眾傳播科學(xué)發(fā)展前沿與最新進(jìn)展，促進(jìn)我國(guó)科技創(chuàng)新能力的提升。
1 新冠疫苗點(diǎn)亮希望之光網(wǎng)
2019年末發(fā)現(xiàn)的新型冠狀病毒以驚人的速度席卷全球。當(dāng)全世界陷入恐慌之時(shí)，2020年1月12日，中國(guó)科學(xué)家向世界公布了新冠病毒的基因組，為全世界科學(xué)家尋找應(yīng)對(duì)和治愈新冠肺炎疫情奠定了基礎(chǔ)，研制新冠疫苗的工作也拉開(kāi)了序幕。此后，多名科學(xué)家紛紛投身于新冠肺炎疫苗的研制工作。截至2020年12月10日，全球有162種候選疫苗正處于研發(fā)階段，其中52種候選疫苗已經(jīng)進(jìn)行臨床試驗(yàn)，有些疫苗已經(jīng)公布了三期臨床試驗(yàn)的結(jié)果。此外，今年與新冠病毒相關(guān)的研究論文激增。截至12月中旬，在同行評(píng)審期刊上發(fā)表的論文超過(guò)20萬(wàn)篇，而在非同行評(píng)審期刊上發(fā)表的文章更多。
全球各國(guó)仍在為遏制新冠肺炎疫情而努力，超數(shù)百萬(wàn)條鮮活生命的離開(kāi)也凸顯了人類(lèi)的脆弱性。同時(shí)也警醒我們，只有齊心協(xié)力，科學(xué)才能夠發(fā)揮出最大作用。
英國(guó)惠康基金會(huì)主席、前牛津大學(xué)熱帶病學(xué)教授杰里米法拉說(shuō)：“我希望人類(lèi)在凝視深淵后會(huì)變得更加聰明，意識(shí)到人類(lèi)是多么的脆弱，這也將激勵(lì)整整一代人投身科學(xué)事業(yè)。”
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新冠疫苗點(diǎn)亮希望之光（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)：
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夏寧邵??教授，廈門(mén)大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院院長(zhǎng)、分子疫苗學(xué)和分子診斷學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)家傳染病診斷試劑與疫苗工程技術(shù)研究中心主任。研制出全球首個(gè)戊肝疫苗、首個(gè)國(guó)產(chǎn)宮頸癌疫苗，在The New England Journal of Medicine、Lancet、Science Translational Medicine、Nature Microbiology、Cell Host & Microbe等高水平期刊發(fā)表論文20余篇.獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，入選中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)部委員、Nature Biotechnology全球轉(zhuǎn)化研究者TOP20。
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張?zhí)煊??博士，廈門(mén)大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院助理教授，專(zhuān)注于乙型肝炎病毒、新型冠狀病毒等人類(lèi)病原體的治療靶標(biāo)、抗體和疫苗相關(guān)基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)化研究，以第一或通訊作者在Gut、Cell Research、Nature Communications等刊物發(fā)表研究論文10余篇，獲中、美、歐等專(zhuān)利授權(quán)10余項(xiàng)。
由新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）感染引起的2019冠狀病毒?。–OVID-19）全球大流行對(duì)人類(lèi)社會(huì)造成巨大影響。截至2021年4月2日，全球已確診COVID-19病例超過(guò)1.3億，造成約280萬(wàn)人死亡。史無(wú)前例的公共衛(wèi)生負(fù)擔(dān)迫使人類(lèi)迅速做出反應(yīng)，一方面，非藥物干預(yù)作為構(gòu)建病毒防御的傳統(tǒng)策略在我國(guó)發(fā)揮了巨大作用，強(qiáng)有力的防控措施迅速將疫情的威脅降至最低，讓人民群眾的生活回歸平靜；另一方面，疫苗作為控制傳染病最經(jīng)濟(jì)有效的手段，寄托著人們徹底消滅疫情的愿景，疫苗研發(fā)在第一時(shí)間被作為戰(zhàn)略性工作緊急開(kāi)展。“以創(chuàng)紀(jì)錄的速度開(kāi)發(fā)和測(cè)試急需的新冠疫苗”被選為Science雜志2020年十大科學(xué)突破之首。
多種技術(shù)路線(xiàn)并行，多單位同步研發(fā)是新冠疫苗科研攻關(guān)的一大特點(diǎn)。根據(jù)WHO的匯總數(shù)據(jù)，目前共有超過(guò)200項(xiàng)候選疫苗研發(fā)正在進(jìn)行，其中超過(guò)80項(xiàng)已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。得益于對(duì)基礎(chǔ)研究的長(zhǎng)期投入和創(chuàng)新技術(shù)的不斷積累，之前鮮有應(yīng)用的核酸疫苗、病毒載體疫苗都在新冠疫苗競(jìng)賽中走到了前列。數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)入臨床階段的候選疫苗中，近一半是核酸疫苗或病毒載體疫苗等新型疫苗，在疫情面前，人類(lèi)的科研積累與潛力被充分釋放。
在“飽和式”研發(fā)的大背景下，新冠疫苗的研發(fā)速度同樣史無(wú)前例。眾所周知，疫苗的研發(fā)不僅是產(chǎn)品走出實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程，在人群中的臨床試驗(yàn)往往是疫苗開(kāi)發(fā)中最復(fù)雜與限速的步驟。疫苗上市前通常要經(jīng)歷I～I(xiàn)II期臨床試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品的安全性、免疫原性以及有效性進(jìn)行驗(yàn)證，以獲取充分的數(shù)據(jù)證明疫苗在足夠安全的同時(shí)能在機(jī)體內(nèi)高效誘導(dǎo)免疫應(yīng)答，最終達(dá)到避免機(jī)體發(fā)病或感染的目的?；仡櫲祟?lèi)歷史，疫苗的研發(fā)周期通常以十年為單位，即使是既往研發(fā)速度最快的麻疹疫苗，也花費(fèi)了十年時(shí)間。而在新冠肺炎疫情面前，政府、科研單位、企業(yè)和審評(píng)審批機(jī)構(gòu)攜手共進(jìn)、協(xié)同創(chuàng)新的應(yīng)急研發(fā)組織模式，使得新冠疫苗研發(fā)的速度、成功率以及產(chǎn)品可及性都得到了保障。自新冠病毒被發(fā)現(xiàn)到疫苗獲準(zhǔn)上市或緊急使用，僅歷經(jīng)不到一年。如此迅速的研發(fā)過(guò)程，新冠疫苗無(wú)愧為疫苗史、乃至于科學(xué)史上的豐碑。
我國(guó)在新冠疫苗研發(fā)上同樣具有數(shù)量多、速度快的特點(diǎn)。滅活疫苗、腺病毒載體疫苗、蛋白質(zhì)亞單位疫苗、核酸疫苗、鼻噴流感病毒載體疫苗五條技術(shù)路線(xiàn)同步推進(jìn)，我國(guó)在新冠疫苗攻關(guān)上實(shí)現(xiàn)了新老技術(shù)的“飽和式”研發(fā)。截至目前，我國(guó)已有5款新冠疫苗附條件上市或緊急使用，在研發(fā)速度上也保持了世界第一流水準(zhǔn)。
在新冠疫苗研發(fā)迅速取得階段性重大成功之后，全球疫情防控仍面臨挑戰(zhàn)。首先，短期內(nèi)疫苗的產(chǎn)能是在全球構(gòu)建有效免疫屏障的主要挑戰(zhàn)；目前獲準(zhǔn)使用的疫苗多采用多劑免疫程序，多次間隔接種對(duì)疫苗的大規(guī)?？焖俑采w與生產(chǎn)都造成了巨大挑戰(zhàn)，單劑次、具有高強(qiáng)度保護(hù)效果的疫苗或可對(duì)疫情緊急防控帶來(lái)較大助益。其次，疫苗分配中難以實(shí)現(xiàn)的公平性也成為橫亙?cè)谌蚍揽刂械囊淮笞璧K。數(shù)據(jù)顯示，目前已有超過(guò)94%的高收入國(guó)家已啟動(dòng)疫苗接種，但在低收入國(guó)家中，這一數(shù)字僅為14%；如何實(shí)現(xiàn)疫苗的公平發(fā)放，是構(gòu)建全球免疫屏障需解決的一大難題。第三，在疫情仍在全球肆虐之時(shí)，突變毒株為撲滅疫情蒙上了一層陰影。目前南非突變株（B.1. 351）及巴西突變株（P.1）是主要的免疫逃逸毒株，目前數(shù)據(jù)均表明這兩種毒株會(huì)對(duì)現(xiàn)有疫苗的保護(hù)效果造成影響；阿斯利康疫苗以及Novavax疫苗在南非的臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示，這兩種疫苗在B.1.351肆虐的南非均未達(dá)到令人滿(mǎn)意的保護(hù)效果。對(duì)于提高疫苗保護(hù)廣譜性、便捷性的新疫苗或疫苗免疫策略的研究，是接下來(lái)新冠疫苗研究的重中之重。與之同等重要的是，繼續(xù)密切追蹤各類(lèi)疫苗接種后的中長(zhǎng)期安全性和有效性。
總之，新冠疫苗研發(fā)取得了史無(wú)前例的巨大成就，我國(guó)也在其中貢獻(xiàn)了不可或缺的“中國(guó)力量”。在疫苗構(gòu)建起全球免疫屏障的道路上，仍有待全人類(lèi)共同努力，以最終擺脫新冠病毒的影響，讓世界人民的生活回歸平靜。
2 CRISPR首次成功治愈兩種遺傳性血液病
2012年，顛覆性的基因編輯工具CRISPR橫空出世，它賦予研究人員編輯農(nóng)作物和動(dòng)物的強(qiáng)大力量，為科學(xué)研究和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)新一輪革命，成為Science雜志2015年十大科學(xué)突破之一，并摘得今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。2020年，這一“基因魔剪”再次向世界展示了其“魔力”：首次成功治愈β地中海貧血和鐮刀型細(xì)胞貧血癥這兩種遺傳性血液病。
為治療三名鐮狀細(xì)胞病患者，研究人員從每名病人身上采集了不成熟的血細(xì)胞——血干細(xì)胞，然后用CRISPR靶向沉默一個(gè)“關(guān)閉”開(kāi)關(guān)——這個(gè)開(kāi)關(guān)在成人體內(nèi)會(huì)停止胎兒形態(tài)血紅蛋白的產(chǎn)生，而這種血紅蛋白可對(duì)抗鐮狀突變的影響。在病人接受化療清除病血干細(xì)胞后，經(jīng)過(guò)CRISPR處理過(guò)的細(xì)胞被重新注入患者體內(nèi)。
開(kāi)展試驗(yàn)的兩家公司12月報(bào)告稱(chēng)，這些患者17個(gè)月前接受治療，現(xiàn)在正產(chǎn)生大量胎兒血紅蛋白。此外，這些公司為7名正常輸血治療β地中海貧血的患者提供這種治療后，這些病患就不需要輸血了。研究人員指出，這種新療法可與向干細(xì)胞中添加血紅蛋白DNA治療這兩種疾病的基因療法相媲美。
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鐮貧患者經(jīng)過(guò)CRISPR基因治療后紅細(xì)胞形態(tài)開(kāi)始恢復(fù)正常（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
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劉明耀??華東師范大學(xué)生命醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)，上海市調(diào)控生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，曾任華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)。國(guó)家首批特聘專(zhuān)家教授，教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人，獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，上海市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，上海市白玉蘭獎(jiǎng)。曾主持或參與國(guó)家或省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目10余項(xiàng)、國(guó)家“973”計(jì)劃、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家。已在Science、Nature、Nature Medicine、Nature Biotechnology等國(guó)際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI論文350多篇。申請(qǐng)專(zhuān)利100多項(xiàng)，獲得授權(quán)專(zhuān)利40多項(xiàng)。
Science雜志2020年度世界十大科學(xué)突破于近日揭曉，憑借“首次成功治愈兩種遺傳性血液病”（圖2），CRISPR技術(shù)作為亞軍第四次躋身十大科學(xué)突破，使該技術(shù)繼2020年10月獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)后，再次成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。CRISPR技術(shù)是2012年Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna率先從細(xì)菌和古細(xì)菌的獲得性免疫防疫機(jī)制中開(kāi)發(fā)出來(lái)的基因編輯技術(shù)。通過(guò)可人工設(shè)計(jì)的單一向?qū)NA（single guide RNA，sgRNA）將核酸內(nèi)切酶Cas9蛋白定位到特定的DNA序列進(jìn)行切割產(chǎn)生雙鏈斷裂，CRISPR技術(shù)憑借極高的基因編輯效率、靈活性和可操作性被評(píng)為2013年十大科技突破。隨后，該技術(shù)再次展現(xiàn)強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)62個(gè)位點(diǎn)的精準(zhǔn)改變、在蚊子中產(chǎn)生了基因驅(qū)動(dòng)效應(yīng)以及首次編輯了人類(lèi)胚胎DNA，這些應(yīng)用使CRISPR榮膺2015年Science雜志十大年度突破之首的稱(chēng)號(hào)。兩年后，通過(guò)將胞嘧啶或腺嘌呤脫氨酶與突變的Cas9蛋白融合形成的堿基編輯技術(shù)被評(píng)為2017年十大科技突破，該技術(shù)無(wú)需產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂而直接通過(guò)堿基脫氨反應(yīng)實(shí)現(xiàn)堿基的精確高效轉(zhuǎn)換，在遺傳疾病治療等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。
而這一次CRISPR技術(shù)更是成功地應(yīng)用于臨床研究，攻克了兩種相關(guān)的血液遺傳病：β地中海貧血（β地貧）與鐮刀狀貧血（鐮貧）。在致病機(jī)理上這兩種疾病都是由于編碼β珠蛋白的基因發(fā)生突變而導(dǎo)致貧血癥狀。由于遺傳突變，β地貧患者無(wú)法表達(dá)或者只能產(chǎn)生少量的β珠蛋白，導(dǎo)致沒(méi)有足夠的β珠蛋白與α珠蛋白結(jié)合形成正常的成人血紅蛋白（HbA）?；颊咭环矫姹憩F(xiàn)為由血紅蛋白不足而導(dǎo)致的貧血，另一方面由于過(guò)量的α珠蛋白堆積產(chǎn)生氧化毒性，造成溶血或紅細(xì)胞發(fā)育不成熟；鐮貧患者的β珠蛋白6號(hào)位的谷氨酸突變?yōu)槔i氨酸，突變的β珠蛋白不僅會(huì)導(dǎo)致溶血，還會(huì)發(fā)生多聚現(xiàn)象，造成紅細(xì)胞變?yōu)殓牭缎?，異形紅細(xì)胞會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致血管堵塞、急性胸痛等癥狀。在世界范圍內(nèi)，目前約有 8 000 萬(wàn)β地貧，4 300萬(wàn)鐮貧攜帶者，而在我國(guó)廣東、廣西地區(qū)，β地貧的攜帶率分別高達(dá)2.54%與6.43%。而目前唯一的常規(guī)療法是進(jìn)行規(guī)律輸血結(jié)合充分除鐵。在我國(guó)，由于家庭經(jīng)濟(jì)狀況等原因，許多患者無(wú)法堅(jiān)持規(guī)律治療導(dǎo)致各種并發(fā)癥甚至夭折。隨著對(duì)兩種疾病的深入認(rèn)識(shí)，研究發(fā)現(xiàn)部分β地貧或鐮貧的純合攜帶者并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的癥狀，而他們血液中胎兒血紅蛋白（HbF）的含量卻大大高于常人。與HbA不同，HbF由γ珠蛋白與α珠蛋白組成。正常人的γ珠蛋白基因在出生后不久就會(huì)被BCL11A轉(zhuǎn)錄抑制因子復(fù)合物沉默。而上述無(wú)癥狀患者由于基因突變，在出生后體內(nèi)γ珠蛋白始終保持著高表達(dá)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)暗示通過(guò)操縱造血干細(xì)胞的基因組，重新激活γ珠蛋白或可緩解甚至完全治愈β地貧和鐮貧患者。目前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)能夠重新開(kāi)啟γ珠蛋白表達(dá)的基因調(diào)控區(qū)域。而CRISPR技術(shù)的出現(xiàn)正好給了研究人員一個(gè)強(qiáng)有力的基因編輯工具。本次臨床試驗(yàn)中，CRISPR靶向的調(diào)控區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)錄抑制因子BCL11A的紅系增強(qiáng)子位點(diǎn)，對(duì)于該位點(diǎn)的編輯能夠特異性地關(guān)閉BCL11A在紅系細(xì)胞中的表達(dá)，從而阻止其對(duì)γ珠蛋白的沉默。在通過(guò)單采獲得患者的造血干細(xì)胞后，科學(xué)家們?cè)隗w外對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了基因編輯，然后重新回輸至患者體內(nèi)。上述研究已于2020年12月5日在線(xiàn)發(fā)表在The New England Journal of Medicine。截至Science雜志發(fā)文，β地貧患者與鐮貧患者已經(jīng)分別完成造血干細(xì)胞回輸22個(gè)月與17個(gè)月。期間兩位患者雖然經(jīng)歷過(guò)一些與移植相關(guān)的不良反應(yīng)，但最后都已緩解。目前，他們均已脫離輸血依賴(lài)，可以說(shuō)在表型上已經(jīng)被治愈。
從誕生之初學(xué)界就對(duì)CRISPR保持著很高的關(guān)注度，同時(shí)也對(duì)她寄予了厚望，希望能夠通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于遺傳疾病的基因治療從而造福人類(lèi)。一般來(lái)說(shuō)藥物的研發(fā)需要一段漫長(zhǎng)的歲月，十年、二十年甚至更長(zhǎng)。而CRISPR從誕生到臨床試驗(yàn)成功僅僅用了8年時(shí)間，這項(xiàng)速度在醫(yī)學(xué)發(fā)展史上是相當(dāng)驚人的，甚至可以說(shuō)是絕無(wú)僅有的，足以顯示出這項(xiàng)技術(shù)的強(qiáng)大和特殊。另一方面，此次試驗(yàn)的成功也證明了該技術(shù)在臨床上的可行性與可靠性，為其在其他疾病的臨床運(yùn)用打下了基礎(chǔ)，具有重要的參考價(jià)值。所以“CRISPR治愈兩種血液遺傳疾病”也就理所當(dāng)然再次入圍了2020年的十大年度突破。就目前的病例數(shù)據(jù)來(lái)看，還有一些醫(yī)學(xué)問(wèn)題有待回答，特別是長(zhǎng)期的安全性和有效性。而B(niǎo)CL11A位點(diǎn)是否適合所有的β地貧或是鐮貧患者仍然需要更多的試驗(yàn)者數(shù)據(jù)以及更長(zhǎng)時(shí)間的臨床觀察。所以相信科學(xué)界會(huì)對(duì)后續(xù)結(jié)果保持時(shí)刻的關(guān)注。
在CRISPR誕生至今的8年里，我國(guó)的基因編輯技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在動(dòng)物模型構(gòu)建領(lǐng)域，我國(guó)率先構(gòu)建了CRISPR基因編輯大鼠、豬、基因工程猴等世界領(lǐng)先的模式動(dòng)物。在植物育種領(lǐng)域也頗有建樹(shù)，首次利用CRISPR獲得了白化水稻；在小麥、水稻和玉米中進(jìn)行單堿基編輯等工作。在臨床研究方面，2019年我國(guó)科學(xué)家鄧宏魁、陳虎、吳昊同樣通過(guò)CRISPR技術(shù)對(duì)造血干細(xì)胞（CCR5基因）的編輯，成功治療了一位罹患HIV與急性淋巴細(xì)胞白血病的患者，初步證明了基因編輯造血干細(xì)胞的安全性與可行性，并為未來(lái)艾滋病的治療做了初步的探索，受到了學(xué)界廣泛的關(guān)注與正面的評(píng)價(jià)。2020年7月，湘雅醫(yī)學(xué)院和華東師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)在中國(guó)報(bào)道用CRISPR技術(shù)治療2例中國(guó)兒童地貧病人，包括世界首例重度地貧患者（beta0/beta0)，并在短期內(nèi)擺脫了輸血依賴(lài)。不過(guò)我國(guó)在基因編輯領(lǐng)域上的原創(chuàng)性成果與美國(guó)還存在不少差距，造成這種差距的原因有很多。總體來(lái)說(shuō)我們還需要加大基礎(chǔ)科研領(lǐng)域的投入，同時(shí)給予科研人員足夠的時(shí)間與信任，在臨床上，鼓勵(lì)對(duì)源頭科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入探索。雖然CRISPR技術(shù)從機(jī)理大致明確到成藥只用了8年時(shí)間，但CRISPR結(jié)構(gòu)首次被報(bào)道卻可以追溯到1987年，在之后的25年里，匯聚了生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生化分子學(xué)、生物信息學(xué)等眾多領(lǐng)域杰出科研人員的不懈努力，才慢慢抽絲剝繭獲得Cas9如何切割DNA的答案。
總體來(lái)說(shuō)，CRISPR技術(shù)基因編輯治療的成功具有劃時(shí)代的意義。這是人類(lèi)首次通過(guò)編輯基因組達(dá)到治療疾病的目的。它標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)基因組操控能力上升到了一個(gè)新的臺(tái)階，而在這之后更是隱藏著無(wú)限的可能。從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，以堿基編輯器等為代表的CRISPR衍生技術(shù)在遺傳疾病治療等方面也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；從治療的目標(biāo)疾病來(lái)看，β地貧與鐮貧只是一個(gè)開(kāi)始，很多遺傳疾病或者如心血管疾病，帕金森病以及癌癥等常見(jiàn)病也有望很快成為CRISPR技術(shù)突破的新方向。
3 全球變暖趨勢(shì)日益明晰
40多年前，在美國(guó)馬薩諸塞州的伍茲霍爾，全球知名的氣候?qū)W家聚在一起。他們討論了一個(gè)重要而簡(jiǎn)單的問(wèn)題：如果人類(lèi)不斷排放溫室氣體，地球?qū)?huì)變得有多熱？根據(jù)基本的氣候模式，他們給出了這樣的答案：如果大氣中的二氧化碳（CO2）比工業(yè)化前的水平增加一倍，地球表面氣溫將會(huì)增加1.5~4.5 ℃。這個(gè)被稱(chēng)作氣候敏感性的指標(biāo)范圍寬泛，低值1.5 ℃意味著變暖的影響不大，而高值4.5 ℃可能引起巨大的災(zāi)難。
為了縮小氣候敏感性的范圍，科學(xué)界花費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間。2020年，這一領(lǐng)域的研究終于取得了突破，科學(xué)家能夠在多項(xiàng)證據(jù)鏈基礎(chǔ)上將氣候敏感性的范圍縮小到2.6~3.9 ℃之間。這些證據(jù)中一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)是了解云對(duì)全球氣溫的影響：如何捕獲或反射熱量？根據(jù)云的厚度、位置和組成，云可以放大或抑制變暖?，F(xiàn)在，在衛(wèi)星證據(jù)的支持下，高分辨的云模式表明：全球變暖使得可以遮光的低云變得稀薄了。更熱的空氣使得這些云變干，并抑制了驅(qū)動(dòng)云形成的湍流。
這一對(duì)氣候敏感性更加清晰的認(rèn)識(shí)結(jié)論將會(huì)促使社會(huì)開(kāi)展應(yīng)對(duì)全球氣候變化的行動(dòng)。持續(xù)的變暖會(huì)淹沒(méi)沿海城市，加劇極端的熱浪，并使數(shù)百萬(wàn)人流離失所。除非對(duì)氣候變化采取更積極的行動(dòng)，否則人類(lèi)排放的溫室氣體可能會(huì)在2060年達(dá)到工業(yè)化前的2倍，并鎖定可預(yù)見(jiàn)的變暖。
Science 2020年十大科學(xué)突破解讀-肽度TIMEDOO
云不再被認(rèn)為能顯著抑制全球變暖（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)：
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孫 穎??研究員，國(guó)家氣候中心首席科學(xué)家。國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，國(guó)家百千萬(wàn)人才工程“有突出貢獻(xiàn)中青年專(zhuān)家”。IPCC第六次評(píng)估報(bào)告主要作者。主要從事氣候變化研究，包括溫室氣體排放等人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響，重大極端事件的檢測(cè)歸因等。曾獲得世界氣象組織青年科學(xué)家研究獎(jiǎng)等。
關(guān)于全球氣候敏感性的研究被選為2020年十大科學(xué)突破并不意外。地球的全球“氣候敏感性”是衡量地球氣候?qū)厥覛怏w排放等人類(lèi)活動(dòng)敏感性的基本度量指標(biāo)，一般指大氣中二氧化碳（CO2）濃度持續(xù)增加達(dá)到2倍時(shí)的輻射強(qiáng)度所產(chǎn)生的全球平均溫度變化。但對(duì)于這樣一個(gè)重要的指標(biāo)，自1979年Charney領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最早提出這個(gè)值存在 1.5~4.5 ℃的范圍以來(lái)，40多年科學(xué)界的認(rèn)識(shí)一直存在著較大的不確定性。這意味著我們對(duì)于溫室氣體排放對(duì)全球氣溫的影響程度是不確定的，如果氣候敏感性的值很高，就意味著地球氣溫對(duì)溫室氣體排放的響應(yīng)很大，減排非常緊迫；如果值很低，就意味著響應(yīng)很小，溫室氣體排放的影響不大。
2020年，在世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）支持下，全球25位該領(lǐng)域的頂級(jí)科學(xué)家，在綜合近年多項(xiàng)研究的各種證據(jù)鏈的基礎(chǔ)上，對(duì)氣候敏感性的范圍進(jìn)行了估計(jì)。他們發(fā)現(xiàn)，最新的研究成果已經(jīng)可以證明，氣候敏感性的可能范圍可以縮小至2.6~3.9 ℃。這項(xiàng)工作是一個(gè)里程碑似的工作。最重要的意義在于，它排除了CO2倍增情況的下限增溫1.5 ℃，該數(shù)值已經(jīng)變?yōu)?.6 ℃。
這一評(píng)估是在過(guò)去多年研究的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有證據(jù)鏈的全面評(píng)估。主要的三條證據(jù)鏈包括：（1） 現(xiàn)代氣候的變暖程度；（2） 對(duì)氣候反饋過(guò)程的最新理解；（3） 來(lái)自古氣候記錄的信息。其中第一條證據(jù)鏈?zhǔn)乾F(xiàn)代氣候的變暖。自1800年代開(kāi)始有觀測(cè)記錄以來(lái)，全球平均氣溫已經(jīng)上升了1.1 ℃。如果保持這個(gè)變暖趨勢(shì)不變，未來(lái)將會(huì)產(chǎn)生較低的變暖值。但是最近的觀測(cè)表明，地球的變暖并不均勻。尤其是，東太平洋和南大洋的部分冷水區(qū)還沒(méi)開(kāi)始變暖，那些地方的深冷水流會(huì)不斷上升并吸收熱量。最終，模式和古氣候記錄表明，這些水會(huì)變暖—不僅作為熱匯的作用減弱，而且還會(huì)促使上方云層的形成，這些云層會(huì)捕獲更多的熱量，導(dǎo)致更多的變暖。針對(duì)這一觀測(cè)事實(shí)調(diào)整溫度預(yù)測(cè)值可以排除低敏感性的估計(jì)。第二條證據(jù)鏈?zhǔn)菍?duì)反饋過(guò)程的理解，氣候系統(tǒng)的反饋過(guò)程可能減慢或者加速氣候變化。其中云反饋過(guò)程被認(rèn)為是氣候敏感性不確定范圍的重要來(lái)源。云反射陽(yáng)光或者捕獲熱量，以此冷卻或者加熱地球溫度。特別是，在遠(yuǎn)離海岸線(xiàn)形成的大量的層積云，如果變暖背景下這些云繼續(xù)增加，他們可能會(huì)產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。近幾年的研究通過(guò)高分辨的云模式發(fā)現(xiàn)，存在相反作用的兩種反饋過(guò)程，使云變薄和使變暖更厲害。在模式里，更高的氣溫使得更多的干空氣滲透薄的云，阻止他們變厚。同時(shí)，更多的CO2捕獲了云頂附近的熱量較高的CO2含量將熱量滯留在云層的頂部，從而抑制了使得更多云層形成的湍流。衛(wèi)星證據(jù)已經(jīng)在變暖更嚴(yán)重的區(qū)域部分證實(shí)了這些云動(dòng)力學(xué)。更多的證據(jù)表明，云反饋是正反饋，但不是超級(jí)反饋。第三條證據(jù)鏈?zhǔn)菑墓艢夂蛴涗浿蝎@得的信息。研究小組查看了過(guò)去兩種氣候的記錄，包括2萬(wàn)年前末次冰期的盛期和300萬(wàn)年前的溫暖期，最后一次大氣中CO2的濃度水平與現(xiàn)代氣候相似。最近的工作表明，氣候敏感性不是地球的固定屬性，而是隨時(shí)間變化的。例如，在溫暖的時(shí)期，冰蓋的缺乏可能會(huì)提高靈敏度。古代溫度和CO2水平的記錄使團(tuán)隊(duì)能夠確定寒冷和溫暖的時(shí)期的靈敏度分別在2.5 ℃和3.2 ℃。也就是說(shuō)，即使對(duì)于最冷的氣候狀態(tài)，低于2 ℃的敏感性似乎也可以忽略不計(jì)。
氣候敏感性是全球氣候變化科學(xué)研究中非常核心的科學(xué)問(wèn)題。2020年發(fā)表的這項(xiàng)工作在多項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，利用貝葉斯方法進(jìn)行了綜合評(píng)估，終于縮小了氣候敏感性的不確定性范圍，排除了CO2倍增情況下最溫和的升溫情況。相比于工業(yè)化前 280 ppm 的CO2濃度水平，現(xiàn)在地球大氣中CO2的濃度已經(jīng)達(dá)到了420 ppm，距離工業(yè)化前濃度的倍增值已經(jīng)只有一半的上升空間，這意味著減排已經(jīng)勢(shì)在必行。從另一方面講，這項(xiàng)研究也排除了最糟糕的情況，CO2倍增以后升溫達(dá)到4 ℃以上的可能性變小。這一研究成果給出了全球變暖的一個(gè)更清晰的圖像，可以為海平面上升、經(jīng)濟(jì)損失和其他許多預(yù)測(cè)提供信息。這一關(guān)鍵指標(biāo)不確定性范圍的減小將為更多地區(qū)采取減排行動(dòng)提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)，促進(jìn)地方政府減少排放和適應(yīng)氣候變暖。
中國(guó)目前在氣候變化研究領(lǐng)域開(kāi)展了大量工作，對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)氣候系統(tǒng)對(duì)溫室氣體的響應(yīng)和反饋?zhàn)龀隽素暙I(xiàn)。鑒于氣候敏感性研究主要涉及的領(lǐng)域包括現(xiàn)代變暖、氣候模式和各種反饋機(jī)制以及古氣候信息，未來(lái)需要加強(qiáng)的方向包括：對(duì)現(xiàn)代氣候變暖原因的理解和分析，如對(duì)區(qū)域氣候變化的原因、東太平洋和南大洋海溫作用的深入認(rèn)識(shí)；對(duì)氣候模式中物理過(guò)程的理解，一些重要的反饋過(guò)程，包括云反饋等機(jī)制的理解；對(duì)古氣候信息的理解，尤其是理解其對(duì)現(xiàn)代和未來(lái)氣候變化的意義。?
4 發(fā)現(xiàn)快速射電暴來(lái)源
快速射電暴這一全新的極端射電爆發(fā)現(xiàn)象，自2007年首次被美國(guó)科學(xué)家Lorimer等人發(fā)現(xiàn)并報(bào)道之后便很快成為當(dāng)前天文物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，經(jīng)過(guò)十幾年的研究，快速射電暴的產(chǎn)生機(jī)制和物理起源至今仍是未解之謎。鑒于快速射電暴極短的爆發(fā)時(shí)標(biāo)、極高的亮溫度等特征，很多天文學(xué)家猜測(cè)磁陀星（magnetar）是產(chǎn)生快速射電暴的最佳候選體。磁陀星一般認(rèn)為是磁場(chǎng)極強(qiáng)的中子星（也可能是奇異夸克星），其磁場(chǎng)可以達(dá)到十億特斯拉，是地球表面磁場(chǎng)的百萬(wàn)億倍。2020年4月28日，加拿大氫強(qiáng)度測(cè)繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）射電望遠(yuǎn)鏡首先探測(cè)到了來(lái)自于銀河系內(nèi)的一顆名為SGR 1935+2154磁陀星的毫秒射電爆發(fā)。這一重大觀測(cè)突破，一方面證實(shí)了磁陀星是快速射電暴的一種起源，另一方面卻給天文學(xué)家?guī)?lái)了更多的困惑：磁陀星如何產(chǎn)生快速射電暴？快速射電暴是否存在不同的分類(lèi)？具有重復(fù)爆發(fā)特征的快速射電暴的起源是什么？等等。依托國(guó)內(nèi)外一系列地面和空間天文觀測(cè)設(shè)施，特別是中國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，我國(guó)科研人員正在引領(lǐng)解答這些謎團(tuán)。
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磁陀星藝術(shù)圖（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
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吳雪峰??中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博導(dǎo)，中國(guó)天文學(xué)會(huì)空間天文和高能天體物理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任。入選中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員和“百人計(jì)劃”，獲得國(guó)家自然科學(xué)優(yōu)秀青年科學(xué)基金和杰出青年科學(xué)基金、青海省重大科技專(zhuān)項(xiàng)等資助。
（1） 研究背景
快速射電暴（Fast Radio Burst，簡(jiǎn)稱(chēng)FRB）是宇宙空間中一種持續(xù)時(shí)標(biāo)為毫秒量級(jí)的射電脈沖信號(hào)，瞬時(shí)輻射流量可達(dá)數(shù)十央斯基，爆發(fā)的總能量相當(dāng)于太陽(yáng)幾天甚至幾個(gè)月內(nèi)輻射的總能量。FRB的高色散量（低頻相對(duì)于高頻的時(shí)間延遲，表征傳播路徑上穿過(guò)的電子柱密度）表明它們可能起源于銀河系以外的遙遠(yuǎn)宇宙，部分FRB宿主星系的觀測(cè)和定位已經(jīng)證實(shí)了這一推論。絕大多數(shù)FRB都是一次性爆發(fā)，轉(zhuǎn)瞬即逝，僅在射電望遠(yuǎn)鏡的歷史數(shù)據(jù)中留下痕跡，難以進(jìn)行后隨追蹤。幸運(yùn)的是，有些FRB能在同一個(gè)位置以同樣的色散量多次爆發(fā)，提供了對(duì)其持續(xù)監(jiān)測(cè)的可能，這一類(lèi)暴被稱(chēng)為重復(fù)暴。至今已有幾百例FRB被觀測(cè)到，其中約20例為重復(fù)暴，然而FRB的起源依然迷霧重重。近年來(lái)天文學(xué)家已經(jīng)提出了一百多種FRB起源假說(shuō)，其中包括雙中子星的并合、磁陀星的耀發(fā)、黑洞的蒸發(fā)、中子星與小行星的碰撞等。由于FRB的持續(xù)時(shí)標(biāo)很短（表明其輻射區(qū)域尺度非常小）、亮溫度達(dá)到了1036開(kāi)爾文（高于脈沖星磁層里的相干輻射過(guò)程），因此磁陀星可以產(chǎn)生（至少部分）FRB是當(dāng)前的一個(gè)主流觀點(diǎn)。

（2） 積累與運(yùn)氣

加拿大氫強(qiáng)度測(cè)繪實(shí)驗(yàn)（CHIME）射電望遠(yuǎn)鏡由四個(gè)100米長(zhǎng)、20米寬的網(wǎng)狀弧形天線(xiàn)組成，能夠隨著地球的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)天空進(jìn)行漂移掃描，視場(chǎng)遠(yuǎn)大于其它單口徑的射電望遠(yuǎn)鏡。設(shè)計(jì)之初是用于探測(cè)宇宙中性氫原子的分布規(guī)律。后來(lái)經(jīng)過(guò)改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束合成，可對(duì)FRB進(jìn)行搜尋，至今探測(cè)到的FRB大多數(shù)由它貢獻(xiàn)。
2020年4月28日，CHIME探測(cè)到來(lái)自銀河系內(nèi)磁陀星（SGR 1935+2154，距離地球約3萬(wàn)光年）方向產(chǎn)生的快速射電暴FRB 200428。同時(shí)，美國(guó)瞬態(tài)天文射電輻射探測(cè)2號(hào)（STARE-2）項(xiàng)目的三個(gè)射電天線(xiàn)也捕捉到了該事件。在射電脈沖信號(hào)之前約8.62 秒，我國(guó)的“慧眼”號(hào)硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Insight-HXMT）和歐洲航天局的國(guó)際伽瑪射線(xiàn)天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室（INTEGRAL）等空間伽瑪射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了與FRB 200428成協(xié)的X射線(xiàn)爆發(fā)現(xiàn)象。FRB脈沖與X射線(xiàn)暴存在8.62秒的時(shí)間延遲，與等離子體色散對(duì)射電波傳播的影響高度吻合。時(shí)間和空間上的一致性，充分表明了這次FRB與X射線(xiàn)暴之間成協(xié)的可靠性。
FRB 200428一系列的觀測(cè)事實(shí)給天文學(xué)家?guī)?lái)三個(gè)驚喜：1） 首次在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)快速射電暴；2） 明確磁陀星可以產(chǎn)生FRB；3） 首次證實(shí)FRB在瞬時(shí)輻射階段存在其它電磁波段的對(duì)應(yīng)體，即X射線(xiàn)爆發(fā)。每一個(gè)驚喜，都顯而易見(jiàn)地帶來(lái)人們對(duì)FRB這一現(xiàn)象新的認(rèn)知。這次觀測(cè)大豐收，是天文學(xué)家們不錯(cuò)的運(yùn)氣（成協(xié)事件率低），更是長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外各研究團(tuán)隊(duì)對(duì)FRB觀測(cè)持續(xù)投入的必然結(jié)果。

（3） 迷霧中的光芒

基于FRB 200428的發(fā)現(xiàn)，理論學(xué)家們得出兩個(gè)主要結(jié)論：1） 至少部分FRB是來(lái)自于磁陀星；2） FRB的能量供給來(lái)源于磁能釋放，而非轉(zhuǎn)動(dòng)能釋放。后續(xù)觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)，磁陀星起源的FRB與X射線(xiàn)爆發(fā)成協(xié)比例極低。造成成協(xié)事件率低的可能原因包括：FRB存在高度相對(duì)論性或特殊幾何位形導(dǎo)致的集束效應(yīng)；FRB的能譜很窄并且在主流觀測(cè)波段之外；FRB的產(chǎn)生條件很特殊——大多數(shù)X射線(xiàn)爆發(fā)過(guò)程中不會(huì)伴隨FRB產(chǎn)生。
雖然FRB 200428的觀測(cè)給FRB研究帶來(lái)了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是一些重要問(wèn)題依然困擾著我們：是否存在本征的非重復(fù)FRB，以及這些非重復(fù)FRB的來(lái)源是什么？除了磁陀星，還有哪些源可以產(chǎn)生FRB？還有一直以來(lái)最難回答的——產(chǎn)生FRB的空間位置在何處（靠近磁層，還是遠(yuǎn)離磁層），以及相干輻射通過(guò)何種機(jī)制產(chǎn)生的？不過(guò)，本次觀測(cè)為將來(lái)的研究指明了一個(gè)方向，即對(duì)磁陀星的持續(xù)監(jiān)測(cè)將很有希望揭示FRB更多的觀測(cè)特征，從而給理論模型提供更多限制。

（4） 初露鋒芒

在此次觀測(cè)發(fā)現(xiàn)中，中國(guó)學(xué)者利用中國(guó)自己建立的大科學(xué)裝置，做出了重要貢獻(xiàn)。我國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）靈敏度極高，但是視場(chǎng)較小，適合對(duì)單一源進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。在FRB 200428被探測(cè)到的前后，F(xiàn)AST對(duì)SGR 1935+2154進(jìn)行了四個(gè)時(shí)間段共計(jì)8小時(shí)的監(jiān)測(cè)，雖然觀測(cè)到了劇烈的X射線(xiàn)爆發(fā)，但沒(méi)有觀測(cè)到射電脈沖輻射。借助FAST 超高的靈敏度，結(jié)合CHIME望遠(yuǎn)鏡和STARE-2的探測(cè)，F(xiàn)AST實(shí)現(xiàn)了對(duì)8個(gè)數(shù)量級(jí)亮度空間的覆蓋，給出了這一銀河系內(nèi)快速射電暴源迄今最嚴(yán)格的射電流量限制。我國(guó)的Insight-HXMT“慧眼”衛(wèi)星憑借其優(yōu)異的性能，給出了此次X射線(xiàn)爆發(fā)最佳的時(shí)間分辨率光變曲線(xiàn)，并且展示了詳細(xì)的能譜演化。近期，F(xiàn)AST 還揭示了另外一個(gè)快速射電暴FRB 180301若干個(gè)重復(fù)暴的偏振位置角存在“搖擺”的特征。這一特征普遍存在于脈沖星中，從而在理論上支持FRB起源于旋轉(zhuǎn)的中子星磁層。
目前FAST在進(jìn)行相關(guān)擴(kuò)展陣列的籌建與實(shí)時(shí)探測(cè)方法的升級(jí)，以期能夠提升對(duì)快速射電暴的定位精度與探測(cè)能力。預(yù)計(jì)將來(lái)能夠取得更多的突破性成果。

（5） 前景展望

FRB研究已經(jīng)由最初的機(jī)遇性發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)為利用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性巡天，并且有選擇性地進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。因此，各大設(shè)備目前亟待建設(shè)、升級(jí)以提升對(duì)FRB的觀測(cè)能力。隨著FRB樣本數(shù)目的大幅度提高，人們將不斷發(fā)現(xiàn)高紅移或者高色散量的FRB，從而利用快速射電暴揭示宇宙重子物質(zhì)分布，檢驗(yàn)基本物理假設(shè)，開(kāi)拓FRB的宇宙學(xué)應(yīng)用。對(duì)大量重復(fù)暴的觀測(cè)，得到其輻射能量和等待時(shí)間分布，能夠有效限制起源模型。同時(shí)，監(jiān)測(cè)FRB的多波段電磁對(duì)應(yīng)體（如X射線(xiàn)或光學(xué)）甚至中微子對(duì)應(yīng)體，對(duì)甄別FRB的起源模型極為關(guān)鍵。不久的未來(lái)，多波段多信使望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測(cè)將是FRB研究取得重大突破的一個(gè)主要途徑。
5 世界上最古老的狩獵場(chǎng)景面世
2020年12月，澳大利亞科學(xué)家報(bào)告了一幅在印度尼西亞發(fā)現(xiàn)的洞穴藝術(shù)畫(huà)作，這幅作品描繪了一些類(lèi)人形象狩獵豬和水牛的畫(huà)面。研究人員使用鈾系法，為這幅4.5米寬的巖石藝術(shù)作品進(jìn)行了測(cè)年，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其至少可追溯至4.4萬(wàn)年以前，是迄今已知的最早狩獵場(chǎng)景。
研究人員認(rèn)為，畫(huà)中出現(xiàn)半獸人可能表明，印度尼西亞的洞穴藝術(shù)早在人類(lèi)首次在歐洲進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作之前，就表現(xiàn)了關(guān)于人與動(dòng)物聯(lián)系的宗教式思考。
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壁畫(huà)的一部分?！癟her”指“半人”，“Anoa”指倭水牛（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
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Science 2020年十大科學(xué)突破解讀-肽度TIMEDOO
高 星??中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所研究員，中國(guó)考古學(xué)會(huì)舊石器專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任。主要研究領(lǐng)域是東亞人類(lèi)起源、演化和史前先民行為與生存模式。提出現(xiàn)代人類(lèi)起源與演化的“區(qū)域性多樣化模式”和“舊石器時(shí)代東方行為模式”，榮獲中國(guó)考古學(xué)會(huì)金鼎獎(jiǎng)，獲選中國(guó)科學(xué)院2018中國(guó)科學(xué)年度新聞人物。
現(xiàn)代人類(lèi)的起源與擴(kuò)散及其行為方式是最近30多年來(lái)學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。其中早期現(xiàn)代人行為現(xiàn)代性（Behavioral Modernity）的發(fā)端、認(rèn)知能力的躍變和社會(huì)關(guān)系的復(fù)雜化是焦點(diǎn)與難點(diǎn)。由于人類(lèi)思想意識(shí)和社會(huì)關(guān)系很難留下物化證據(jù)，考古學(xué)界對(duì)該領(lǐng)域的研究長(zhǎng)期飽受證據(jù)缺失或多解性的困擾。2019年12月11日，Science在線(xiàn)首發(fā)在印度尼西亞蘇拉威西島上發(fā)現(xiàn)的距今至少4.4萬(wàn)年前的一組洞穴壁畫(huà)，認(rèn)為該壁畫(huà)第一次以繪畫(huà)敘事的方式展現(xiàn)了目前所知最古老的人類(lèi)狩獵場(chǎng)景，并將其中的一些形象解釋成半人半獸，顯示了人類(lèi)與動(dòng)物的復(fù)雜關(guān)系，據(jù)此推斷當(dāng)時(shí)人類(lèi)對(duì)并不真實(shí)存在的事物已有幻想與創(chuàng)作的能力，指向現(xiàn)代人類(lèi)認(rèn)知能力的出現(xiàn)和宗教意識(shí)的萌芽。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)和對(duì)其意義的闡釋引起學(xué)術(shù)界高度關(guān)注，被Science選為2020年“十大科學(xué)突破”之一。
該幅壁畫(huà)發(fā)現(xiàn)于一個(gè)灰?guī)r洞穴后部的洞壁上，在4.5米寬的范圍內(nèi)用單色勾畫(huà)了至少6個(gè)動(dòng)物形象，可辨識(shí)出疣豬和倭水牛，這兩類(lèi)動(dòng)物在該地區(qū)目前仍然生存著。在這些動(dòng)物的旁邊出現(xiàn)至少8個(gè)可辨識(shí)的“半人”（Herianthrope）形象，繪制簡(jiǎn)約，與動(dòng)物造型相比纖細(xì)、渺小，既有人的形態(tài)又有動(dòng)物特點(diǎn)，包括長(zhǎng)而突甚至呈鳥(niǎo)喙?fàn)畹奈遣俊Ｓ械摹鞍肴恕背治占?xì)長(zhǎng)物件，像是長(zhǎng)矛或繩子。
對(duì)于研究史前壁畫(huà)，一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是測(cè)年。研究者揭取了四個(gè)覆蓋在壁畫(huà)上的珊瑚狀次生碳酸鹽樣品做鈾系測(cè)年。這些樣品被分成18份以做交叉驗(yàn)證。經(jīng)測(cè)定分析，四個(gè)樣品分別給出43.9 ka、41 ka、40.9 ka和35.1 ka的數(shù)據(jù)。由于這些次生碳酸鹽是在壁畫(huà)生成后經(jīng)過(guò)水的淋漓作用而形成，因而壁畫(huà)繪制的年代要早于測(cè)年樣品的年代，據(jù)此斷定該組壁畫(huà)創(chuàng)作的時(shí)間早于距今4.4萬(wàn)年。
考古學(xué)的要義是透物見(jiàn)人。對(duì)這些古老壁畫(huà)所表達(dá)的人類(lèi)行為與思維如何解釋是研究的關(guān)鍵。研究者認(rèn)為不排除這些“半人”是獵人披著獸皮、帶著面具偽裝成動(dòng)物以利狩獵，獸群由另外一些人驅(qū)趕至設(shè)伏的獵者附近被宰殺。誠(chéng)如是，則該壁畫(huà)形象地描繪了目前所知最古老的人類(lèi)集體狩獵的方式與策略。作者還指出，如果畫(huà)中的細(xì)長(zhǎng)物件是繩索，則表明該地更新世晚期的獵人已在從事生擒成年野豬和水牛的活動(dòng)，一項(xiàng)具有冒險(xiǎn)精神的生計(jì)活動(dòng)。?
但文章的作者并不十分認(rèn)可“偽裝狩獵”的解釋?zhuān)J(rèn)為那些人形過(guò)于微小，人類(lèi)將自己偽裝成像鳥(niǎo)一樣的小動(dòng)物的可能性很低；這些“人”兼具人與動(dòng)物的形態(tài)，應(yīng)該是有意表達(dá)一種半人半獸的思想?！鞍肴恕痹诂F(xiàn)實(shí)世界中并不存在，因而它應(yīng)該來(lái)自創(chuàng)作者的想象與認(rèn)知活動(dòng)。史前藝術(shù)作品中的“半人”形象通常被認(rèn)為與薩滿(mǎn)信仰和幻象有關(guān)，希冀借助動(dòng)物“通靈”以求得幫助。這些“半人”是否有這樣的寓意，或者這些形象意味著畫(huà)者將人類(lèi)視作動(dòng)物界中不可分割的一部分，表達(dá)一種類(lèi)似“天人合一”的意念，作者并不能確定。
該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與意義。這幅壁畫(huà)作為目前最早的象征性藝術(shù)遺作對(duì)于研究舊石器時(shí)代（至少是其晚期）人類(lèi)狩獵方式、想象能力、認(rèn)知發(fā)展和宗教起源，提供了珍貴的資料，對(duì)研究早期人類(lèi)對(duì)自己在自然界中的定位和與其他動(dòng)物關(guān)系的思考提供了重要信息與啟示。這幅作品是目前發(fā)現(xiàn)最早的用圖畫(huà)敘事方式記述生產(chǎn)生活情形與事件的文化證據(jù)，對(duì)于追溯人類(lèi)以“講故事”的方式口傳歷史這一傳統(tǒng)的起源和語(yǔ)言發(fā)展、社會(huì)關(guān)系演進(jìn)具有重要研究潛力。此外，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)還表明，最早具有宗教色彩的藝術(shù)表達(dá)出現(xiàn)在印尼的蘇拉威西島，而不是被認(rèn)作人類(lèi)思想與宗教的發(fā)源地—?dú)W洲，這顛覆了長(zhǎng)久以來(lái)史學(xué)界以歐洲為中心的狹隘認(rèn)知和偏見(jiàn)。
當(dāng)然，對(duì)于壁畫(huà)中若干形象的角色確定和寓意闡釋?zhuān)隙〞?huì)智者見(jiàn)智仁者見(jiàn)仁。將那些乍看像螳螂一樣的微小生物解釋為“半人”，并進(jìn)而演繹出創(chuàng)作者超越現(xiàn)實(shí)的想象力乃至宗教、巫術(shù)的萌發(fā)，肯定會(huì)受到一些學(xué)界人士的質(zhì)疑；相反，被作者認(rèn)為可能性不大的“偽裝狩獵”假說(shuō)，對(duì)一些研究者來(lái)說(shuō)可能更具合理性。好在作者并非異想天開(kāi)，也不是無(wú)中生有。多年來(lái)考古學(xué)家在非洲、歐洲、亞洲、澳洲孜孜以求遠(yuǎn)古人類(lèi)行為方式、藝術(shù)起源、認(rèn)知發(fā)展和社會(huì)關(guān)系的考古證據(jù)，已經(jīng)積累了很多素材，取得了關(guān)聯(lián)性的認(rèn)識(shí)。蘇拉威西島的新發(fā)現(xiàn)是這項(xiàng)探索與努力進(jìn)程中的新里程碑，會(huì)引來(lái)更多的發(fā)現(xiàn)和更深入的認(rèn)識(shí)。
相對(duì)于其他地區(qū)，中國(guó)在舊石器時(shí)代藝術(shù)與認(rèn)知研究方面還鮮有重要發(fā)現(xiàn)和成果。雖然在寧夏、新疆、內(nèi)蒙古、西藏、云南、廣西乃至大興安嶺地區(qū)發(fā)現(xiàn)很多先民的巖畫(huà)、壁畫(huà)（以前者為多），但絕大多被認(rèn)定為新石器時(shí)代乃至青銅時(shí)代、早期歷史時(shí)代的作品，還未有確定的此類(lèi)舊石器時(shí)代藝術(shù)品被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。究其原因，一方面是針對(duì)這類(lèi)遺存測(cè)年技術(shù)等研究手段滯后（在此方面我們正在迎頭趕上），另一方面是考古調(diào)查與研究的欠缺，很多區(qū)域還未被系統(tǒng)勘察過(guò)，尤其是貴州、廣西、福建等巖溶洞穴發(fā)育的喀斯特地區(qū)，有很多舊石器時(shí)代人類(lèi)生存的線(xiàn)索，未來(lái)取得類(lèi)似重要發(fā)現(xiàn)的可能性是存在的。當(dāng)然，人類(lèi)的行為與意念表達(dá)方式是多種多樣的，現(xiàn)在如此，史前亦然。因而也有一種可能性，即生活在華夏大地的舊石器時(shí)代人類(lèi)的認(rèn)知與表達(dá)有自己的方式與特點(diǎn)，所留下的遺存與蘇拉威西等地的壁畫(huà)不同。無(wú)論如何，我們應(yīng)該花更大的氣力去尋找、去辨識(shí)，以期對(duì)破譯遠(yuǎn)古人類(lèi)生存行為與精神世界的諸多謎團(tuán)取得更大的成就。
6 AI首次精準(zhǔn)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)
50年來(lái)，科學(xué)家們一直致力于解決生物學(xué)領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一：預(yù)測(cè)一系列氨基酸在“變身”為工作蛋白質(zhì)時(shí)會(huì)折疊成何種精確三維形狀。今年，他們實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。
2020年12月1日，谷歌旗下的DeepMind公司宣布，其新一代AlphaFold人工智能系統(tǒng)在國(guó)際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)競(jìng)賽上擊敗了其余參會(huì)選手，精確預(yù)測(cè)了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確性可與冷凍電子顯微鏡、X射線(xiàn)晶體學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)相媲美。
研究人員指出，鑒于蛋白質(zhì)的精確形狀決定了它的生化功能，這一新進(jìn)展可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)疾病的發(fā)病原理，開(kāi)發(fā)新藥，甚至創(chuàng)造出耐旱植物和更便宜的生物燃料。
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AI首次精準(zhǔn)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)：
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盧培龍??現(xiàn)任西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向是蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)。精確設(shè)計(jì)了多次跨膜蛋白以及納米孔膜蛋白的三維結(jié)構(gòu)。在Nature、Science等重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇研究論文。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。
蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)在分子水平上的執(zhí)行者，它們的功能是由其三維結(jié)構(gòu)決定的。通過(guò)解析蛋白質(zhì)的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，不僅可以清晰地闡釋蛋白質(zhì)執(zhí)行功能的分子機(jī)理，還可以根據(jù)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)的藥物。在過(guò)去幾十年里，人們主要通過(guò)X 射線(xiàn)晶體學(xué)、冷凍電子顯微鏡或核磁共振等實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段來(lái)解析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，然而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往會(huì)有多種技術(shù)難關(guān)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也需要依賴(lài)昂貴的大型儀器和大科學(xué)設(shè)施。
有沒(méi)有快速、便捷的方法獲得蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)呢？在20世紀(jì)60年代早期，Christian B. Anfinsen通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是由其一級(jí)序列決定的，即蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)信息已經(jīng)包含在序列信息中。一直以來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)計(jì)算生物學(xué)的方法，從蛋白質(zhì)的序列出發(fā)，預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，也取得了很大的進(jìn)展。如果蛋白質(zhì)序列在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中有同源的結(jié)構(gòu)存在，科學(xué)家使用基于模板的算法，可以很好地預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。如果沒(méi)有同源結(jié)構(gòu)，盡管對(duì)于少部分蛋白質(zhì)，可以精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)；但是整體而言，對(duì)于大多數(shù)蛋白質(zhì)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的精確度并不高、魯棒性較差，所以蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)技術(shù)很難與實(shí)驗(yàn)技術(shù)相媲美。
2020年12月1日，谷歌旗下的DeepMind公司宣布，其開(kāi)發(fā)的新一代人工智能系統(tǒng)AlphaFold2在第14屆國(guó)際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)競(jìng)賽（CASP14）上精確預(yù)測(cè)了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，大幅提高了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的競(jìng)賽紀(jì)錄。AlphaFold2的成功主要體現(xiàn)在其準(zhǔn)確性和魯棒性：對(duì)于90余個(gè)蛋白質(zhì)序列，有接近三分之二的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头浅＝咏湔w距離測(cè)試—總分（GDT-TS）都超過(guò)90分（90分意味基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)精度）；對(duì)所有蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的中位GDT-TS分?jǐn)?shù)為92.4分；針對(duì)困難蛋白靶點(diǎn)，中位GDT-TS評(píng)分也可以達(dá)到87分，大幅領(lǐng)先第二名達(dá)25分之多；作為鮮明的對(duì)比，之前競(jìng)賽的中位GDT-TS分?jǐn)?shù)紀(jì)錄約為60分。這是人類(lèi)首次可以較穩(wěn)定地進(jìn)行蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，是一個(gè)里程碑式的突破，因此被Science雜志評(píng)選為 2020 年十大科學(xué)突破之一。
這一突破無(wú)疑會(huì)對(duì)生物學(xué)研究和應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的影響。成熟的、普適的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)工具將極大加速解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程，高通量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)將破解結(jié)構(gòu)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于序列數(shù)量的難題，也會(huì)為通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段解析超大、動(dòng)態(tài)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)提供模板，進(jìn)而促進(jìn)人們對(duì)于蛋白質(zhì)功能的理解和相關(guān)藥物的開(kāi)發(fā)。三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)上的成功，也將惠及蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以提高設(shè)計(jì)的精確度和成功率，也可以基于人工智能開(kāi)發(fā)新方法，快速高效進(jìn)行新結(jié)構(gòu)、新功能的設(shè)計(jì)。
蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的問(wèn)題并沒(méi)有完全解決，仍然需要很多工作。盡管AlphaFold2可以高精度預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，但值得注意的是，在結(jié)果中還有超過(guò)三分之一的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)精度；而且蛋白質(zhì)折疊過(guò)程和原理也有待進(jìn)一步研究。此外，對(duì)于蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化以及蛋白質(zhì)—生物分子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)也需要新的方法來(lái)預(yù)測(cè)。生物學(xué)同物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等學(xué)科的進(jìn)一步交叉融合將會(huì)為這些問(wèn)題與挑戰(zhàn)的解決帶來(lái)新的思路。
蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)具有的巨大科學(xué)意義和影響，這使它成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)：谷歌、IBM、微軟、臉書(shū)等企業(yè)爭(zhēng)相加大投入，參與這方面的競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)科學(xué)家在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域中非常活躍，不斷取得具有國(guó)際影響力的研究成果：如開(kāi)發(fā)I-TASSER算法，率先引入卷積殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高接觸圖譜計(jì)算準(zhǔn)確度（這也是AlphaFold1成功的基石），開(kāi)發(fā)trRosetta算法等。騰訊公司等團(tuán)隊(duì)積極參加CASP競(jìng)賽，排名位于前列。國(guó)內(nèi)人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，有較好基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域的研究還需要努力，在國(guó)家的大力支持下，希望較快達(dá)到并超過(guò)AlphaFold2水平。
7 “精英控制者”開(kāi)啟治療艾滋病新策略
一小部分罕見(jiàn)的群體，在感染艾滋病毒后，能夠長(zhǎng)期在不使用抗病毒藥物的情況下，控制艾滋病毒感染的進(jìn)展，他們被稱(chēng)為“精英控制者”。
2020年，一項(xiàng)針對(duì)64名艾滋病毒感染者的研究，揭示了他們的不尋常成功與病毒在其基因組中的定位之間的聯(lián)系。這些“特殊患者”多年來(lái)未曾使用抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物，并一直保持健康狀態(tài)。這些新的理解雖然暫時(shí)無(wú)法達(dá)到治愈艾滋病的目標(biāo)，但開(kāi)辟了一種新的策略，使感染者能在不服用藥物的情況下生存數(shù)十年。
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“精英控制者”開(kāi)啟治療艾滋病新策略（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
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張 輝??中山大學(xué)人類(lèi)病毒學(xué)研究所教授、所長(zhǎng)。以第一和通訊作者在Nature、The New England Journal of Medicine、Nature Medicine、Immunity等高影響力雜志上發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。主持“十三五”國(guó)家傳染病重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等。最近主要研究工作方向有：針對(duì)新冠病毒的分子病毒學(xué)和納米顆粒疫苗研究；艾滋病毒潛伏感染的機(jī)理；抗病毒免疫反應(yīng)。
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周 末??中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院博士研究生，目前從事HIV-1潛伏相關(guān)工作研究。
HIV-1感染者中存在著一小部分群體，在沒(méi)有聯(lián)合抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法（Combination Antiretroviral Therapy，cART）或其它抗病毒手段介入的情況下，可以自行長(zhǎng)期控制體內(nèi)的病毒復(fù)制和疾病進(jìn)展，其血漿病毒濃度常常在常規(guī)檢測(cè)之下，我們通常稱(chēng)這些感染者為精英控制者。這部分特殊群體的存在證明了人體可以通過(guò)自身免疫反應(yīng)長(zhǎng)期控制HIV-1復(fù)制。精英控制者控制病毒復(fù)制的能力是多因素免疫監(jiān)控綜合在一起導(dǎo)致的，用單一因素?zé)o法解釋這種現(xiàn)象。其中HIV-1特異性細(xì)胞免疫反應(yīng)是影響HIV-1控制能力的重要因素。
HIV-1可以將自身的基因組整合進(jìn)人體基因組中，整合進(jìn)宿主基因組中的“前病毒”可以長(zhǎng)期潛伏，形成了HIV-1的病毒儲(chǔ)藏庫(kù)。關(guān)于精英控制者的免疫學(xué)特征已被研究報(bào)道，但是其病毒儲(chǔ)藏庫(kù)的結(jié)構(gòu)特征卻一直沒(méi)有被闡明。這篇關(guān)于精英患者病毒儲(chǔ)藏庫(kù)的論文詳細(xì)報(bào)道了這部分人群病毒儲(chǔ)藏庫(kù)的特點(diǎn)——多分布于異染色質(zhì)區(qū)域的“深層”儲(chǔ)藏庫(kù)。不同的前病毒分布在不同的染色質(zhì)區(qū)域，根據(jù)整合區(qū)域的染色質(zhì)狀態(tài)，我們可以將病毒儲(chǔ)藏庫(kù)分為“可激活的儲(chǔ)藏庫(kù)（淺層）”和“深層儲(chǔ)藏庫(kù)”。所謂“可激活的儲(chǔ)藏庫(kù)”指前病毒整合的染色質(zhì)區(qū)域在自然狀態(tài)下處于開(kāi)放或轉(zhuǎn)錄活躍狀態(tài)，或者在抗原或激活劑等外界刺激的情況下染色質(zhì)結(jié)構(gòu)打開(kāi)或驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)錄。這部分儲(chǔ)藏庫(kù)容易被激活而逆轉(zhuǎn)潛伏的狀態(tài)，因此常常處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。在暫停藥物治療后，這部分儲(chǔ)藏庫(kù)會(huì)造成體內(nèi)病毒迅速反彈。當(dāng)前HIV-1的熱點(diǎn)研究“shock and kill”的策略，就是利用潛伏激活劑來(lái)激活這部分HIV-1前病毒，再通過(guò)免疫系統(tǒng)識(shí)別消滅被感染的細(xì)胞，達(dá)到清除儲(chǔ)藏庫(kù)的目的。
然而也有研究發(fā)現(xiàn)，即使再?gòu)?qiáng)力的潛伏激活劑，也無(wú)法激活所有的病毒儲(chǔ)藏庫(kù)，這些不能被誘導(dǎo)表達(dá)的儲(chǔ)藏庫(kù)，我們可以稱(chēng)之為“深層儲(chǔ)藏庫(kù)”。這一科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了精英控制者體內(nèi)的HIV-1病毒儲(chǔ)藏庫(kù)更傾向于形成一個(gè)“深層儲(chǔ)藏庫(kù)”的狀態(tài)，其前病毒整合大多位于基因沙漠或轉(zhuǎn)錄不活躍的異染色質(zhì)區(qū)域，這部分的前病毒很難被誘導(dǎo)表達(dá)，處于一個(gè)長(zhǎng)期甚至永久潛伏的狀態(tài)。精英控制者體內(nèi)的深層儲(chǔ)藏庫(kù)應(yīng)該是在有效的免疫監(jiān)控這一長(zhǎng)期選擇壓力下的結(jié)果：即體內(nèi)可被誘導(dǎo)表達(dá)的“可激活的儲(chǔ)藏庫(kù)（淺層）”被精英控制者強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)不停地識(shí)別和清除，達(dá)到了一個(gè)類(lèi)似于功能性治愈的狀態(tài)。
不同的治療HIV-1策略需要一定的檢測(cè)手段來(lái)評(píng)估治療效果，除了常規(guī)的臨床指標(biāo)外，治療前后的HIV-1潛伏儲(chǔ)藏庫(kù)大小也是很重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，是利用各種高通量的測(cè)序分析技術(shù)，精確測(cè)量評(píng)估HIV-1前病毒潛伏儲(chǔ)藏庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。精準(zhǔn)診斷HIV-1病毒潛伏儲(chǔ)藏庫(kù)的大小和鑒定病毒儲(chǔ)藏庫(kù)的狀態(tài)，對(duì)于評(píng)估臨床治療效果有很好的指示作用。因此，可激活儲(chǔ)藏庫(kù)的清除是否可以作為功能性治愈HIV的標(biāo)準(zhǔn)之一？如何診斷鑒定可激活和深層儲(chǔ)藏庫(kù)的區(qū)別，是否有方法學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)？這些都是未來(lái)HIV-1病毒儲(chǔ)藏庫(kù)研究領(lǐng)域需要回答的重要問(wèn)題。尤其重要的是，一般的HIV-1患者不具有在自然狀態(tài)下控制HIV-1的能力，強(qiáng)力的HIV-1特異性細(xì)胞免疫有可能是精英控制者控制病毒復(fù)制的關(guān)鍵。通過(guò)深入了解精英控制者的HIV特異性免疫機(jī)制和潛伏儲(chǔ)藏庫(kù)結(jié)構(gòu)特征，我們可以更好地設(shè)計(jì)治療策略，誘導(dǎo)大部分患者在停藥情況下可以控制HIV-1病毒血癥，從而達(dá)到功能性治愈艾滋病的目標(biāo)。
8 首個(gè)室溫超導(dǎo)體面世
自1911年超導(dǎo)首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，尋找能在室溫條件下達(dá)到的超導(dǎo)體一直是眾多科學(xué)家競(jìng)相追求的目標(biāo)。2020年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了首個(gè)實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料，在被擠壓到接近地球中心的壓力的條件下，一種含氫和碳的化合物。此前研究表明，富氫材料在高壓下可以將超導(dǎo)溫度提高至-2 ℃左右。此次，美國(guó)科學(xué)家在最新研究中將可以實(shí)現(xiàn)零電阻的溫度提高到了15 ℃，但這是在2.67×1012 pa 壓力下的一個(gè)光化學(xué)合成三元含碳硫化氫系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了室溫超導(dǎo)體的研究工作——這類(lèi)材料可以帶來(lái)重大技術(shù)變革并節(jié)約大量能源。
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首個(gè)室溫超導(dǎo)體面世（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)：
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謝心澄??中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家院士，美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士?，F(xiàn)任國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)副主任，《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》主編。長(zhǎng)期從事凝聚態(tài)物理理論研究。主要研究領(lǐng)域包括量子霍爾效應(yīng)、電荷及自旋輸運(yùn)、低維量子體系，及強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系等。
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王楠林??北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心講席教授，美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士。主要從事超導(dǎo)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的低溫物性研究。
超導(dǎo)電性是具有巨大應(yīng)用前景和重要科學(xué)意義的研究課題。但是長(zhǎng)期以來(lái)人們所發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體其臨界轉(zhuǎn)變溫度都很低，基本上都需要在液氦溫區(qū)才能獲得有效的應(yīng)用，這使得超導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。為了克服低溫條件的限制，人們一直期望發(fā)現(xiàn)臨界溫度更高的超導(dǎo)體。1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)體和2008年鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，都在世界范圍內(nèi)掀起了研究和探索高溫超導(dǎo)電性的熱潮，但是這些超導(dǎo)體的臨界溫度常壓下最高只達(dá)到 135 K，高壓下可至164 K。在室溫下即可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料一直是超導(dǎo)和材料科學(xué)領(lǐng)域人們夢(mèng)想和追逐的目標(biāo)之一。2020年首個(gè)室溫超導(dǎo)體終于在高壓條件下得以合成，這一重要發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展入選Science雜志2020年度的“十大科學(xué)突破”之一自然是預(yù)料之中的。
該成果是由來(lái)自美國(guó)羅徹斯特大學(xué)Dias領(lǐng)導(dǎo)的小組與英特爾公司和內(nèi)華達(dá)大學(xué)的研究人員合作努力所取得的。他們將碳和硫元素以1比1摩爾比率混合，球磨成直徑5微米以下的顆粒，隨后裝載到金剛石頂砧中。氫分子充入其中，扮演反應(yīng)物和傳壓介質(zhì)的雙重角色。整個(gè)樣品隨后被施加4 Gpa（1 GPa≈1萬(wàn)大氣壓）的壓強(qiáng)，并用波長(zhǎng)532納米的激光加熱進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。合成的樣品在寬廣的壓力范圍140~275 Gpa內(nèi)呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，并在267±10 Gpa 壓力下觀察到臨界溫度為288 K（約攝氏15 ℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。
該重要突破并非源自偶然的發(fā)現(xiàn)，而是建立在對(duì)氫元素體系高壓下量子物性長(zhǎng)期研究積累基礎(chǔ)之上，特別是和近年來(lái)富氫結(jié)構(gòu)材料高壓條件下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)電性密切相關(guān)。人們熟知通常條件下單獨(dú)的氫原子不會(huì)形成金屬體系，兩個(gè)氫原子會(huì)牢固結(jié)合成氫分子（結(jié)合能在4 eV以上），在低溫下形成的固體是絕緣體。1935年Wigner和Huntington預(yù)言在足夠高的壓力下，絕緣的分子氫將轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)的原子氫。后來(lái)估算所需壓強(qiáng)大約為500 Gpa。在這樣高的壓強(qiáng)下，氫之間距離很短，加上氫原子質(zhì)量最輕，因此其聲子頻率很高并且電聲子耦合很強(qiáng)。1968年Ashcroft依據(jù)BCS超導(dǎo)理論預(yù)言高壓下的金屬氫應(yīng)該是高溫超導(dǎo)體，之后的估算給出轉(zhuǎn)變溫度在室溫以上。2004年Ashcroft進(jìn)一步指出富氫的材料體系可能在較低的外加壓力下實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)，因材料本身氫原子之間已經(jīng)存在強(qiáng)的化學(xué)壓力。最近幾年在這方面的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究更是取得許多突破性進(jìn)展。2014年，吉林大學(xué)的馬琰銘和崔田兩個(gè)團(tuán)隊(duì)基于對(duì)BSC理論的計(jì)算，各自做出了關(guān)鍵預(yù)言，前者預(yù)言H2S在160 GPa下超導(dǎo)臨界溫度為80 K，后者則認(rèn)為H2S與H2復(fù)合成的H3S結(jié)構(gòu)在200 GPa附近超導(dǎo)臨界溫度在191 K至204 K之間。2015年德國(guó)馬普化學(xué)研究所的Eremets研究組首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)155 GPa高壓條件下硫化氫材料在203 K發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。2019年美國(guó)華盛頓大學(xué)Hemley研究組和Eremets研究組分別獨(dú)立報(bào)道超高壓下合成的籠型富氫材料LaH10具有215~260 K的近室溫超導(dǎo)。
Dias小組的工作是在先前Eremets研究組關(guān)于硫化氫材料體系中添加了額外的碳元素構(gòu)成三元化合物，并且加壓到了更高的壓力，從而把超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)一步提升至室溫。但是目前所形成的室溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尚不清楚，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也還需要其他研究組的重復(fù)和驗(yàn)證。最近北京理工大學(xué)的姚裕貴和羅徹斯特大學(xué)的Xu等研究人員分別對(duì)其可能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和討論。
我國(guó)在該研究領(lǐng)域已經(jīng)具備良好的積累和基礎(chǔ)，上面提到的我國(guó)理論計(jì)算為實(shí)驗(yàn)探索高壓下高溫超導(dǎo)材料體系做出了有效的理論預(yù)言，為實(shí)現(xiàn)高壓下高溫超導(dǎo)做出了重要貢獻(xiàn)；中國(guó)科學(xué)院物理研究所的實(shí)驗(yàn)工作者也在金剛石對(duì)頂壓砧腔內(nèi)利用激光加熱方法制備出轉(zhuǎn)變溫度為240~250 K的LaH10高溫超導(dǎo)體，展現(xiàn)了在超高壓力下合成富氫材料高溫超導(dǎo)體的能力，為探索新的高壓下高溫超導(dǎo)體奠定了基礎(chǔ)。
應(yīng)該指出，上述室溫超導(dǎo)體是在金剛石對(duì)頂壓砧中實(shí)現(xiàn)的，樣品尺寸也極其微?。ㄖ辉趲资蚪傥⒚祝嚯x應(yīng)用尚且非常遙遠(yuǎn)。上述高壓下的工作如果能啟發(fā)探索和制備出無(wú)需高壓且穩(wěn)定的高溫超導(dǎo)體，那將是意義非凡的工作，也是未來(lái)努力的目標(biāo)之一。
9 鳥(niǎo)類(lèi)的聰明程度超出人們的想象
今年發(fā)表的兩項(xiàng)研究表明，鳥(niǎo)類(lèi)的聰明程度超出想象。其中一項(xiàng)研究表明，鳥(niǎo)類(lèi)大腦的一部分類(lèi)似于人類(lèi)的大腦皮層。另一項(xiàng)研究表明，小嘴烏鴉的意識(shí)比研究人員想象得還要高，而且其或許能有意識(shí)地進(jìn)行思考。
這種“感覺(jué)意識(shí)”是人類(lèi)自我意識(shí)的一種基本形式，它在鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物中的存在表明，某種形式的意識(shí)可以追溯到3.2億年前，可以追溯到我們最后的共同祖先。
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鳥(niǎo)類(lèi)的聰明程度超出人們的想象（圖片來(lái)源：Science官網(wǎng)）
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孫悅?cè)A??中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所鳥(niǎo)類(lèi)生態(tài)學(xué)研究組組長(zhǎng)，研究員，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期主要從事鳥(niǎo)類(lèi)生態(tài)學(xué)、行為學(xué)和保護(hù)生物學(xué)研究。2019年關(guān)于虎皮鸚鵡認(rèn)知表現(xiàn)和性選擇的相關(guān)論文在Science發(fā)表?，F(xiàn)任中國(guó)動(dòng)物學(xué)會(huì)鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)分會(huì)副理事長(zhǎng)。
2020年，兩項(xiàng)關(guān)于鳥(niǎo)類(lèi)意識(shí)與認(rèn)知的神經(jīng)機(jī)制的論文在Science發(fā)表并入選2020年度十大科學(xué)突破。動(dòng)物的意識(shí)指對(duì)自己和環(huán)境的覺(jué)知，它在生命科學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象。作為動(dòng)物個(gè)體主觀的一種感知，科學(xué)家很難從外部觀察和研究意識(shí)的形成和機(jī)制。因此，在2005年Science特刊中公布的125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題中，“意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)”亦位列其中。而探究這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵就是尋找與意識(shí)相關(guān)的神經(jīng)元，并最終找到意識(shí)是如何產(chǎn)生的。
意識(shí)的神經(jīng)相關(guān)機(jī)制是指能夠產(chǎn)生任何一個(gè)特定的意識(shí)知覺(jué)的最小的神經(jīng)元機(jī)制，其研究之前主要來(lái)自于靈長(zhǎng)類(lèi)的端腦皮層。鳥(niǎo)類(lèi)的弓狀皮質(zhì)尾外側(cè)（NCL）與哺乳動(dòng)物的前額葉皮質(zhì)層功能相似，并被認(rèn)為與復(fù)雜的認(rèn)知能力相關(guān)。Nieder等（2020）訓(xùn)練兩只小嘴烏鴉完成視覺(jué)檢測(cè)任務(wù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)烏鴉NCL腦區(qū)神經(jīng)元的活動(dòng)。通過(guò)分析對(duì)比神經(jīng)元的活動(dòng)發(fā)現(xiàn)表明鳥(niǎo)類(lèi)具有表現(xiàn)意識(shí)的能力，在任務(wù)過(guò)程中烏鴉NCL腦區(qū)的神經(jīng)元參與了意識(shí)的形成，從而為意識(shí)的系統(tǒng)發(fā)育起源提供了證據(jù)。同時(shí)，這項(xiàng)研究證明了不僅擁有分層大腦皮層（Cerebral Cortex）的哺乳動(dòng)物擁有感覺(jué)意識(shí)，缺少分層大腦皮層的鳥(niǎo)類(lèi)也有這樣的能力。
認(rèn)知是指動(dòng)物為對(duì)外界信息獲得、處理、維持和利用的精神過(guò)程，它使動(dòng)物能夠感知環(huán)境中的改變并發(fā)展解決新問(wèn)題的辦法，對(duì)動(dòng)物的生存和繁殖尤為重要。近期的研究表明鳥(niǎo)類(lèi)擁有與哺乳動(dòng)物相似的認(rèn)知能力，包括制作工具和計(jì)數(shù)能力等。而且動(dòng)物認(rèn)知能力在動(dòng)物性選擇中具有重要作用。鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物的前腦組織截然不同，兩者的大腦組織在連接和分子特性等方面僅有很小部分是同源的。Stacho等（2020）使用三維偏振光成像（3D-PLI）技術(shù)分析了鳥(niǎo)類(lèi)Wulst腦區(qū)和感覺(jué)背側(cè)室嵴（sensory DVR）的神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)是由橫向板狀纖維和正交縱向柱狀纖維迭代組成的回路。這種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物產(chǎn)生認(rèn)知的一種特殊的神經(jīng)回路。這表明鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物的端腦雖然看似完全不同，但是因?yàn)榫邆湎嗨频奈㈦娐?，處理信息的策略也相同，所以具有相似的認(rèn)知能力。
這兩項(xiàng)工作都對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)認(rèn)知能力的研究做出了重大的突破，但是兩者的觀點(diǎn)并不相同。Nieder等（2020）的研究結(jié)果表明盡管鳥(niǎo)類(lèi)缺少像哺乳動(dòng)物特有的分層的大腦皮層，但是仍然存在意識(shí)，因此認(rèn)為意識(shí)可能是獨(dú)立于大腦皮層（Cerebral Cortex）而存在。正如文中所說(shuō)，很多觀點(diǎn)依然認(rèn)為鳥(niǎo)類(lèi)平滑的大腦皮層相較于哺乳動(dòng)物的大腦皮層更加簡(jiǎn)單，甚至使用的術(shù)語(yǔ)都不相同?！癈erebral Cortex”是用來(lái)描述哺乳動(dòng)物的大腦皮層，而鳥(niǎo)類(lèi)和爬行動(dòng)物的大腦皮層則使用“pallium”。然而，Stacho等（2020）的研究則證明，盡管鳥(niǎo)類(lèi)大腦皮層看似平滑簡(jiǎn)單且與哺乳動(dòng)物相差較大，但是觀察其細(xì)微結(jié)構(gòu)則存在相似的神經(jīng)回路。研究發(fā)現(xiàn)，鳥(niǎo)類(lèi)大腦的絕對(duì)體積小于靈長(zhǎng)類(lèi)，但鸚鵡和鳴禽大腦包含的神經(jīng)元數(shù)量是同等質(zhì)量靈長(zhǎng)類(lèi)大腦的兩倍。因此，認(rèn)為“鳥(niǎo)類(lèi)沒(méi)有大腦皮層（Cerebral Cortex）”的觀點(diǎn)并不準(zhǔn)確，這兩項(xiàng)研究體現(xiàn)了動(dòng)物大腦神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展，以至于不同分支領(lǐng)域的專(zhuān)家都不熟悉彼此的發(fā)現(xiàn)。但無(wú)論如何它們都說(shuō)明鳥(niǎo)類(lèi)在意識(shí)和認(rèn)知方面擁有很強(qiáng)的能力，并將進(jìn)一步促進(jìn)鳥(niǎo)類(lèi)和動(dòng)物意識(shí)與認(rèn)知領(lǐng)域研究的發(fā)展。
來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)