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《过去十年最大的科技突破是什么?》

  • 来源专题：人类遗传资源和特殊生物资源流失
  • 编译者： yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间：2019-12-30

  • 随着2019年接近尾声，我们告别的不仅是一年，还有十年——这是科学多么非凡的十年啊!基因组测序变得更快、更便宜，计算能力达到了前所未有的水平，数据集增长巨大——所有这些都导致了科学发现在广泛领域的爆炸。

    我们询问了布罗德研究社区的成员，请他们谈谈在过去10年里，无论是在他们的领域，还是在整个生物医学科学领域，最大的突破是什么。这是他们告诉我们的。这只是一些观点的样本，并不是对2010年以来所有伟大科学的全面回顾。

    Paul Blainey，核心成员

    我主张使用“分子条形码”(一小段DNA或RNA序列，用于在样本中唯一地标记每个分子)。条形码对高通量的单细胞基因组学有多方面的重要性:1)标记细胞;2)精确量化RNA; 3)跟踪细胞的命运和发育轨迹(如谱系追踪);4)使用CITE-seq收集蛋白质丰度等信息。单细胞条形码也与CRISPR技术结合使用，例如，用于扰动seq。

    史蒂文·卡尔，研究所科学家，蛋白质组学平台高级主任

    我认为科学上最大的突破之一就是旅行者1号突破了日光层。作为第一个离开太阳系的人造物体，它标志着人类第一次真正的星际旅行。在生物医学方面，我认为免疫疗法是最大也是最重要的突破。

    斯泰西·加布里尔，研究所科学家和基因组平台的高级主任

    我将投票支持基因编辑，既因为它对功能上描述DNA变异的能力的影响，也因为它具有潜在的临床应用价值。

    艾丽西娅·马丁，斯坦利精神病学研究中心的联合科学家

    基因研究和相关技术的发展令人震惊。鉴于CRISPR是如何改变游戏规则的一个工具，我可能不得不投它一票，因为它可以进行精心控制的生物扰动和梳理疾病机制。

    海蒂·雷姆，医学和人口遗传学研究所成员

    在我的研究领域，过去十年最重要的突破是建立了临床实用的公共基因变异数据库。这包括从ExAC开始的高质量人群数据库，现在被gnomAD所取代，gnomAD存储了近20万人的数据，还包括ClinVar和ClinGen等资源，其中包含世界各地数千个实验室提交的临床解释的变异。这些资源极大地提高了我们向疑似遗传疾病患者提供准确和有临床意义的答案的能力。

    斯图尔特·施赖伯，化学生物学和治疗学科学项目核心成员

    排序古代基因组的能力以及对人类历史的深刻理解。

    摩根·盛，核心学会会员，斯坦利中心联席主任

    利用免疫系统治疗癌症，使用检查点抑制剂(如抗pd1、抗pdl1)和基因工程免疫细胞(如CAR-T细胞)。这些疗法不仅在临床上取得了成功——在相当一部分难以治疗的癌症患者身上取得了持久的疗效——而且它们还提醒我们，免疫系统具有超越一切的力量，可以调节疾病的进程，而不管驱动疾病的突变或细胞自主机制如何。

    Geraldine Van der Auwera，数据科学平台推广与传播主任

    从数据生成的角度来看，我推荐单细胞测序，这是革命性的，因为它给我们提供了这样一个基因表达的颗粒视图。

    在处理这些新技术所产生的海量数据时，我的票投给了云计算。它彻底改变了我们合作的方式，并确保了跨组织的计算重现性。我预测，它将在普及对高功率基础设施和大型数据集的访问方面发挥巨大作用，这样即使是小的研究小组也能做大事。它还帮助推动了机器学习的重生，而机器学习实际上是一种陈旧的思想，过去曾受到大规模基础设施需求的阻碍。但是，云计算的兴起使机器学习的研究、开发和应用蓬勃发展，而机器学习已经开始在数据分析方面带来下一波突破。

    Jane Wilkinson，基因组平台联盟和项目管理高级总监

    2010年代带来了新的测序机器，使我们最终实现了价值1000美元的基因组覆盖30倍。这对布罗德的研究团体和测序实验室来说都是一个巨大的转折点。这使得许多新的倡议成为可能，包括美国国立卫生研究院所有人项目和世界各地的许多生物银行项目，包括英国生物银行。随着我们继续努力改进技术和降低成本，我期待在未来十年看到100美元的基因组!

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    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2023-12-29
    • 2023年12月14日,Science杂志的编辑团队评选出年度十大科学突破，其中包括一项科学突破冠军奖以及九项科学突破入围奖。它们代表这一年中最重大的科学发现、科学进展及未来趋势。 2023年度十大科学突破之首： 减肥药GLP-1有望战胜肥胖 Jennifer Couzin-Frankel 在一项大型试验中，GLP-1药物被证明也能改善心脏健康，其有望治疗更广泛的疾病。 肥胖既是一场个人的战斗，也是一场全民健康危机。在美国和欧洲，分别有大约70%和超过50%的成年人受到超重的影响，而在中国，这一数字约为34.8%。对脂肪的“指控”可能是致命的——肥胖被认为是2型糖尿病、心脏病、关节炎、脂肪肝和某些癌症的诱因。（体重指数BMI=体重（kg）/身高（m）的平方，指数大于25和30分别被定义为超重与肥胖；而针对中国人群体质，这一标准则为24与28。） 然而，针对肥胖的药物治疗却有着一段令人遗憾的过去。它往往与减肥的社会压力以及人们普遍认为肥胖反映了意志力薄弱交织在一起。从20世纪40年代针对女性销售的含有安非他命和利尿剂的“彩虹减肥药”，到20世纪90年代引发了灾难性的心脏和肺部疾病的减肥药芬芬（fen-phen）的兴起和衰落。历史上人们一直未能找到安全且成功的减肥药。但现在，一类新的疗法正在打破陈规，人们对其可能降低肥胖率及治疗相关慢性疾病抱有极大希望。这些药物模拟了一种名为胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的肠道激素，它们正在以令人兴奋和不安的方式重塑医学、流行文化，甚至影响全球股市。 GLP-1最初是为治疗糖尿病开发的，它可显著减轻体重，且副作用大多可控。GLP-1的减肥机制是通过与胃肠道GLP-1受体结合，抑制胃肠蠕动、延缓胃排空；并通过与中枢GLP-1受体结合，增强饱腹感、抑制食欲。今年，临床试验发现，它们还可以减轻心力衰竭的症状以及降低心脏病发作和中风的风险。这是迄今最令人信服的证据，证明这些药物除了减肥之外还有其他主要的健康益处。基于这些原因，《科学》杂志将GLP-1药物评选为2023年度十大科学突破之首！ GLP-1的起源与迭代 GLP-1的故事经过了几十年的发展，起初，它与对抗脂肪无关。20世纪80年代初，研究人员在研究糖尿病和血糖调节时发现了GLP-1。第一种GLP-1药物是艾塞那肽（Byetta），2005年被批准用于治疗2型糖尿病。令人惊讶的是，它的来源并不是人类激素，而是从巨型蜥蜴的毒液中提取的一种类似肽。大约5年后，诺和诺德公司发布了利拉鲁肽（Victoza），以人类GLP-1激素为模型。它最初也是一种糖尿病药物，但后来在2014年末，美国食药监局批准其可用于治疗肥胖。 直到2年前，诺和诺德的下一代产品，司美格鲁肽在美国获批用于体重管理，这类药物才真正火了起来。与其上一代产品相比，司美格鲁肽仅需每周注射一次，而无需每天注射。在一项关键的试验中，使用该药物的人在大约16个月内体重减轻了15%，这是前所未有的。自此，这种狂热愈演愈烈。根据美国的电子健康记录，今年美国有1.7%的人使用了Wegovy或Ozempic（二者主要有效活性成分均为司美格鲁肽）。诺和诺德公司的市值现已超过了其所在国丹麦的国内生产总值。但在这些飙升的销售额中，隐藏着一个至关重要的问题：GLP-1药物真的能保护肥胖患者的健康吗？在今年，我们得到了答案：是的。 今年8月，一项针对529名肥胖和心力衰竭患者的试验发现，使用司美格鲁肽的患者在1年后心脏的改善是安慰剂对照组的几乎两倍。与此同时，诺和诺德宣布，在一项针对17,000名超重和心血管疾病患者的更大规模试验中，使用司美格鲁肽的患者的心脏病发作和中风的风险比安慰剂组低20%；这项研究发表在今年11月的《新英格兰医学杂志》上。这些试验首次表明，GLP-1药物对健康的益处超出了减肥本身。 探索潜能与警惕副作用 GLP-1药物的使用范围正在以其发明者无法想象的方式迅速扩大。因用药患者描述他们在接受治疗时对于酒精和烟草的渴望减少，研究人员开展了其针对药物成瘾的试验。而基于GLP-1药物可针对大脑炎症的证明，临床试验也在测试其用于治疗阿尔茨海默病和帕金森病的潜能。但医学上的突破很少是直截了当的，围绕GLP-1的热情也带有不确定性，人们甚至发现了一些不祥之兆。就像几乎所有的药物一样，这些畅销药也有副作用和未知因素，包括恶心和其他胃肠道问题在内的并发症导致一些患者放弃用药。9月，美国监管机构更新了Ozenpic的药品标签，以表明其存在导致肠梗阻的潜在风险。10月，一个加拿大研究团队报告称，出现这种并发症以及胰腺炎的几率增加。 2022年的一项研究报告称，司美格鲁肽促进了肥胖青少年群体平均16%的体重降低。这项研究带来了希望，但也令人担忧。医生们担心那些不超重不肥胖的人群也会通过药物治疗来减肥。并且我们还有一个重要的问题是：GLP-1是必须终身服用的药物吗？目前看来，尽管没有定论，但答案也许是肯定的。研究人员报告称，在人们停止治疗一年后，其减轻的体重的三分之二又反弹了回来。对于越来越多将肥胖视为慢性疾病的研究人员来说，持续治疗的必要性并不奇怪。但这些药物高昂的价格也令人望而却步——每月用药的价格超过1,000美元。 下一个展望 在这种背景下，下一章已经展开：模拟多种激素的疗法似乎具有更显著的减肥效果。其中一种是礼来公司的替尔泊肽。在2022年获批治疗糖尿病后，又于今年11月在美国获得减肥批准。一项大型临床试验报告称，使用该药的人体重最多减轻了21%。随着GLP-1故事的继续，有一件事是明确的：这些新疗法不仅重塑了肥胖的治疗方式，而且重塑了人们对肥胖的理解：将其视为一种源于生物学的慢性疾病，而不仅仅是简单的意志力薄弱——这一崭新的理解与药物研发同等重要。 其他9项Science年度科学突破分别为： 抗体疗法在减缓阿尔茨海默病方面取得进展 Jennifer Couzin-Frankel 医学对全世界数千万阿尔茨海默病患者而言几乎没有什么帮助，为数不多的获批疗法也只针对于症状。但在今年1月，美国监管机构批准了第一种药物，该药物通过解决疾病的潜在生物学问题，明显减缓了患者认知能力的下降；相关的第二种治疗方案也紧随其后。虽然二者都不能彻底治愈该疾病，且都存在严重风险，但它们还是为患者和家人带来了新的希望。 阿尔茨海默病患者的大脑中有一种名为β淀粉样蛋白的缠结蛋白质团，多年来，科学家们一直在争论去除它们是否有助于患者。此前的各种疗法均以失败告终。但在一项新的为期18个月的关键试验中，与安慰剂组相比，这种名为lecanemab的抗淀粉样单克隆抗体，将认知能力的丧失减缓了27%。这足以说服美国和之后的日本监管机构批准它。而在今年夏天的试验结果中，另一种同样针对脑淀粉样蛋白的抗体治疗药物多奈单抗，在略有不同的患者群体中，与安慰剂组相比，将认知能力下降的速度减缓了35%，美国随时可能批准其上市。这两种疗法均为静脉注射。 尽管阿尔茨海默病的研究人员、医生和患者都在庆祝，但他们也看到了黑暗的一面：药物治疗带来的脑肿胀和脑出血的风险，在极少数情况下将会是致命的。在阿尔茨海默病患者群体权衡抗淀粉样药物的益处和风险的同时，人们也渴望获得更多的数据和信息。认知迟钝的适度改善能随着治疗的时间而增长吗？还有，如果这些治疗足够早地给予疾病高危人群，是否可以延缓症状的出现呢？ 寻找天然氢源的热潮 Eric Hand 1859 年，Edwin Drake将20米的铸铁管插入了美国宾夕法尼亚州泰特斯维尔城（Titusville）的地下，找到了石油。这口井开启了美国寻找石油的热潮并改变了世界。今年我们则见证了另一场能源热潮的开始。与石油不同，这场热潮基于地球内部自然产生的氢气，这种气体可能会成为气候的解药，而不是毒药。 传统的地质学认为地球上不应储存着任何氢气。由于氢气富含化学能且具有反应性，研究人员认为在地球地壳中，大部分氢气将被微生物消耗或转化为其他化合物。但令人惊讶的是它竟然存在于这么多地方，这也引发了新的假设。一些人认为它是从地球核心泄漏出来的，或者是因地壳中放射性元素将水分子打破而产生的。但许多研究人员相信，在高温高压下，当水与富含铁的矿物质发生反应时，氢气就会生成。 这场能源热潮的诞生还可以追溯到另一个不起眼的城镇：马里共和国的布拉克布古（Bourakébougou）。2012年，工程师们拔掉了在1987年由一根香烟引发爆炸后用水泥封闭的一个钻孔，发现它喷出的气体98%是氢气。人们由此连了一台发电机，为该村庄提供了第一批电力，而产生的废物只有水。奇怪的是，经过十年的抽取后，钻孔中的气体压力并没有下降，这表明地底深层正源源不断地补充氢气。 受这一发现的启发，勘探队现在在除南极洲以外的每个大陆都发现了大量氢气储备的迹象。风险投资正涌向如Koloma这样的初创公司。该公司七月份手握9,100万美元的资金走向市场，其中包括比尔·盖茨设立的突破能源基金的投资。九月份，美国地质调查局在雪佛龙和英国石油公司的支持下启动了一个研究联盟，而美国能源高级研究署也启动了一项价值2,000万美元的天然氢研发计划。美国地质调查局一项未发表的研究表明，地球上可能储存有1万亿吨氢气，足以满足未来数千年燃料和肥料不断增长的需求。 在全球机构中系统性改变职业早期科学家的待遇 Katie Langin 几十年来，研究生和博士后一直抱怨工资低和工作条件不佳。而在过去的一年里，世界多地的职业早期科研人员联合起来要求改变现状，为其所在群体争取应得的利益与权利。 去年冬天，加州大学系统的48,000名学术工作者举行了美国历史上最大的学术罢工，为研究生和博士后赢得了可观的加薪。在加拿大，数千名学术工作者于5月举行了为期一天的大规模抗议活动，要求增加联邦对研究生和博士后的资助。在德国，职业早期科研人员为改革博士后合同而奔走。“我们需要为未来一代科学家提供更好的条件。”——哥伦比亚大学分子生物学家álvaro Cuesta Domínguez 越来越多的人在毕业后选择前往利润更丰厚的行业工作，这使得近年来越发难以填补空缺的博士后职位。许多教职员工和大学管理人员都认为变革是必要的，但应对预算的压力也很有挑战性。教授们通常用研究经费支付职业早期科研人员的工资，或者他们可能被迫雇佣更少人数的研究生和博士后。资助机构是否会增加拨款支持，以支付职业早期科学家的加薪，还有待观察。与此同时，一些大学已经采取行动，帮助院系适应不断上涨的人事成本。例如，加州大学伯克利分校的研究人员希望将帮助教授支付加薪费用的短期措施与长期战略规划和财政预算相结合，最终将形成一个人人都能茁壮成长的科研生态系统。 接近美洲远古人类定居的历史真相 Lizzie Wade 美洲的人类历史故事可能迎来了新的起点。此前人们认为，最早的美洲移民是通过曾经连接白令海峡的陆地从亚洲迁徙而来，大约在16,000年前沿着太平洋海岸向南行进。但在今年，研究人员验证了另一个引人注目的结论，将这一时间提前了至少5,000年。此前就有一些遗址暗示人类可能在标准理论所认定的时间之前进行了迁徙。例如，来自智利南部的削制石器和烧焦的动物骨头可以追溯到18,500年前，而墨西哥一个洞穴中的疑似石器可以追溯到26,000年前。但是这些发现并没有提供有人类活动的明确证据，因此大多数考古学家仍对此持怀疑态度。 在2021年，在美国新墨西哥州白沙国家公园工作的研究人员宣布了一个或许是颠覆性的发现：在一座古老湖泊泥泞的岸边留存有明显的人类足迹，其可追溯到21,000到23,000年前。这些足迹周围的相同地层中留存有一些草本水生植物的种子，研究人员通过放射性碳测年法推断了其年代。但这些种子可能从溶解在湖水中的沉积物里吸收了更为古老的碳元素而增加了它们的测量年代，因此学界仍存在疑虑。于是，白沙团队使用了来自陆生植物的花粉和嵌入在足迹之间以及下方的沉积物中的石英颗粒重新确定了足迹的年代。他们在十月份报告称，新的测定年代与最初论文完全吻合。 如果这一时间是正确的，这些足迹则是在上一冰河时代的顶峰时期留下的。当时冰川覆盖了加拿大，这说明人类必定是在这些冰川形成之前进入了美洲。今年对这一足迹年代的重新确定可能引发考古学家对其他有争议的遗址重新进行评估，并可能促使人们更快地挖掘其他冰河时代的沉积物，以寻找更多的证据和惊喜。 地球的碳泵正在减速运行 Paul Voosen 如果说海洋拥有一颗心脏，那么它就位于南冰洋。在南极洲海岸附近的一些偏远地区，海洋的表层水向底部沉淀，下沉的水带走了大气中的热量、氧气和二氧化碳，并将它们储存在深渊中，再慢慢向北扩散。这是地球翻转环流的主要过程之一，连接着世界上所有的海洋，帮助捕获了人类每年排放的三分之一的碳。许多研究人员认为，当这个碳泵涌动或减速时，它可能会进一步放大气候变化。 今年，一些研究明确指出这个碳泵面临着迫切的危机。令人不安的迹象首次出现在几年前，最值得注意的是深海阿尔戈机器人采集到的数据，它的探测器可以自主漂游到4,000米的海洋深处。人们发现南极底部水温升高，体积缩小，这两个迹象表明洋流的流速减缓，且使得上方较温暖的水体能够侵入。更直接的证据来自一项于今年3月发表在《通讯-地球与环境》杂志的研究。研究人员将该地区历史船只测量的有限记录输入到气候模型中，结果显示自上世纪70年代以来，环流流速已减缓了多达20%。随后在五月，一项发表在《自然气候变化》上的研究利用船只和浮标的测量数据，认为从1992年到2017年深层水流速度减缓了近30%。传统气候模型曾预测环流可能会减缓，但没有这么快。新数据表明，曾被认为是遥不可及的威胁现在已经迫在眉睫。 目前，对于为什么会发生环流减速的现象、到底有多少是人类活动导致的以及它如何影响气候，这些问题还没有明确的答案。但南极洲冰川融化产生的淡水很可能是主要原因，增加的淡水使周围的水变得更轻，不容易下沉。随着全球变暖的持续，冰川融化和洋流减速将进一步加剧。 巨型黑洞合并产生的星际信号在无声轰鸣 Daniel Clery 今年，天体物理学家捕捉到了人们长期寻找的一种微弱的宇宙轰鸣声。它事实上是宇宙中两个超大质量的黑洞相互环绕、紧密摩擦所产生的引力波。这一观测是迄今为止对这些庞大黑洞双星系统存在的最有力支持，其也体现了利用来自遥远恒星的信号来探测引力波是一种强有力的观测手段。星系的中心有重达太阳质量数百万倍或数十亿倍的巨型黑洞。当星系合并时，它们中心的黑洞可能最终被引力锁定在一个越来越紧密的轨道上。在这一堪称 “死亡螺旋”的最初阶段，地面的仪器还没有能力监测其发出的信号。但当两颗黑洞彼此接近到几光年的距离时，它们的环形运动会释放出低频但高强的引力波。这些引力波无法被激光干涉引力波天文台（LIGO）捕捉到。LIGO在2015年首次探测到了由两颗恒星大小的黑洞合并产生的引力波，当时被评选为2016 Science年度科学突破。为了探测那些持续几毫秒的引力波，LIGO测量了激光束在4公里长的真空管中传播的距离。但要捕捉由超大质量黑洞产生的长达数年的波则需要更长的距离。 为此，天文学家转向了对脉冲星的观测。这些是已经燃烧殆尽的星星，每秒会自转数百次，同时喷射出发射无线电波的粒子束流。当这些犹如灯塔光束的波掠过地球时，射电望远镜会记录这些波中像原子钟一样规律的脉冲。在过去的20年里，天文学家长期地监测了几十颗最有规律的脉冲星，寻找它们脉冲节奏中微小的变化。若某引力波经过，其会压缩或拉伸脉冲星与地球之间的空间，细微地改变脉冲到达地球的时间。 今年6月，全球范围内负责监测不同组脉冲星的5个团队共同宣布，通过15年的观测，他们已经将数据中的噪音降到了足够低的程度，使得剩下的数据反映了宇宙中超大质量黑洞双星所引发的合鸣，数目可能多达几百万个。这些团队现在正在寻找更多的脉冲星以便能够绘制这种轰鸣声的波形，并聚焦观测缓慢舞动的巨型黑洞所在的星系。 AI辅助天气预报的发展 Paul Voosen 气象学家用现代计算机模拟未来的大气状态，创造了现代的数值天气预测学科。尽管现在这门学科变得越发复杂且精密，可以提前几周时间做出可靠的天气预测，但它的原理仍与从前一样：使用大量的计算能力来求解控制大气的流体动力学方程。 在过去的一年里，人工智能（AI）已经开始改变这一现状。包括谷歌、华为和英伟达在内的科技公司已经训练了人工智能模型，可以提前10天预测天气，其准确性可与传统模型相媲美，甚至超过传统模型，而且计算开销要小得多。这些“深度学习”模型不是求解方程，而是基于来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的数值模型在40年间的观测数据所训练出的模型。一旦经过训练，模型可在台式电脑上仅用时1分钟做出天气预测，而无需在超级计算机上运行2小时。 ECMWF已经开始制作自己的人工智能预报，其他气象机构也在争先恐后地追赶。新模型并不完美，它们很难预测某些基本特征，例如飓风强度。但研究人员预计，随着人工智能预报开始从传感器收集的直接天气观测中学习，而不仅仅是通过现有模型传递的数据，该技术会得到进一步发展。它们的速度也支持多次运行，以捕捉到所有在大气蝴蝶效应中产生的不确定因素。没有人期望传统的数值天气预报消失；例如，气候模型依赖于相同的方程求解范式，人工智能可能很难接管这些预测，因为其模型模拟的未来变化可能与过去的训练数据不同。但从长远来看，超级计算机驱动的气候模型的输出本身可能会成为气候预测人工智能的训练数据，后者最终可能会超过其导师。 抗击疟疾的新希望 Gretchen Vogel 今年，在通过疫苗来抗击疟疾的道路上有两个振奋人心的消息。经过大规模的评估，全球第一种抗疟疾疫苗Mosquirix确能显著降低幼儿的死亡率。幼儿是面对该疾病最脆弱的群体之一，仅在撒哈拉以南的非洲地区每年就有近47万幼儿因疟疾而死。现在，随着世界卫生组织的批准，名为R21 (或MatrixM) 的第二种疫苗也加入了抗击疟疾的行列。它的设计与Mosquirix类似，但生产成本更低、产量更大。它有助于填补疟疾疫苗供需之间的巨大缺口，每年能防止数万名儿童的死亡。 Mosquirix疫苗也被称为RTS,S，其功效有限，且其保护作用会随着时间很快减弱。在2019年，人们开启了对该疫苗的一个长年试点研究，加纳、肯尼亚和马拉维的近200万婴幼儿接种了该疫苗。到2021年，初步的测试结果使得世卫组织的官员相信该药物足够安全有效，可以批准其在更广的范围内使用。10月，世卫组织官员报告了试点阶段接受疫苗与未接受疫苗地区之间的对照。该疫苗使严重疟疾的发病率降低了22%。更意想不到的是，在接受了疫苗的地区，符合接种疫苗年龄的儿童死亡率 (事故除外) 比未提供疫苗的地区低了13%，这表明即使这一不完美的疫苗也可以挽救生命。但从现在到2025年，生产Mosquirix疫苗的葛兰素史克公司 (GSK) 只能产出1,800万剂疫苗，这仅可以为每年受疟疾影响地区出生的4,000万儿童中的450万提供疫苗接种 R21疫苗的问世则可以帮助填补这一空白。它由牛津大学开发，授权给了大型疫苗制造商印度血清研究所予以生产。该公司表示，它每年可以生产1亿剂疫苗，每剂价格在2至4美元之间，不到Mosquirix价格的一半。9月，饱受期待的R21 3期临床试验数据作为预印本发表。该试验涉及四个国家的4,800名儿童，其结果表明，尽管尚未对这两种疫苗进行直接的比较，在接种的前18个月内，R21至少与RTS,S同等有效，甚至可能更为有效。世卫组织表示R21有望在2024年为人们提供广泛接种。 百亿亿次超级计算时代的来临 Robert F. Service 经过十多年的努力，今年终于迎来了百亿亿次级的计算科学时代。美国橡树岭国家实验室的Frontier计算机成为首台向科学用户开放的公认百亿亿次级计算机，它能以每秒一百亿亿次运算的速度解决从气候到材料等领域的挑战 密歇根大学材料科学家所领导的项目便是成果之一。通过Frontier，研究人员能够将两个理论框架联合起来，以几乎完美的精度预测材料中多达60万个电子的行为，而以前的计算大约只能处理1,000个电子。这使得该团队能够模拟镁合金中缺陷的形成、生长和移动，这一进展有助于推动超轻材料的发展，用于研发更节能的汽车和飞机。 美国的两个国家实验室的研究人员也利用Frontier提高了美国能源部全球气候模型的分辨率。这是有史以来第一个能够融入整个地球范围内云的形成的物理模型，预计这一进展将极大提升气象预测人们对超级计算的探索才刚刚开始。美国阿贡国家实验室的一台百亿亿次级计算机目前正在进行向用户开放之前的最后调试。明年，新的百亿亿次级超级计算机预计将在美国加利福尼亚州和德国上线，法国和日本的其他超级计算机也将紧随其后，人们正以前所未有的规模打开科学之门。
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  • 《《科学》公布 2019 年度“十大突破”与“四个退步”》
    • 来源专题：科技大数据监测服务平台
    • 编译者：zhoujie
    • 发布时间：2019-12-20
    • 12月20日，《科学》公布了2019年十大科学突破。 凝视深渊 首张黑洞照片 巨大的、无处不在的黑洞，在某些情况下甚至像我们的太阳系一样大，隐藏在我们的视线中。它们的引力对周围物体的影响，及其最近碰撞时发出的引力波都揭示了它们的存在。但在4月份之前，还没有人直接看到过。就在那时，一个国际射电天文学家团队发布了一张令人震惊的黑洞特写图像，显示了一个黑暗的中心被围绕它旋转的光子产生的光环所包围。荷兰奈梅亨大学的Heino Falcke是制作这张照片的团队成员之一。他说：“第一眼的感觉就像是看见了地狱的大门。”这张令人回味的图片是《Science》评选的2019年年度突破冠军。 与丹尼索瓦人“面对面” 大约40年前，一位佛教僧人在青藏高原边的白石崖岩溶洞穴中发现了一个奇怪的人类颚骨。他意识到这个长着巨大臼齿的下颚很特别，就把它交给了另一个和尚，后者把它捐赠给了学者。但没人知道这到底是什么。 　　今年五月，中国科学院青藏高原研究所、兰州大学和德国马普进化人类学研究所学者领衔、多家境内外科研院所参与的青藏高原丹尼索瓦人研究发表于《Nature》上。研究揭示，一件发现于中国甘肃省甘南州夏河县白石崖溶洞的古人类下颌骨化石距今已有16万年，是除西伯利亚阿尔泰山地区丹尼索瓦洞以外发现的首例丹尼索瓦人化石，也是目前青藏高原的最早人类活动证据。 　　在古DNA高度降解的情况下，研究团队运用古蛋白质分析方法，通过分子学信息来判断古老化石的归属。蛋白质中的氨基酸序列蕴含了个体演化一些信息，尽管这种遗传信息相较DNA信息是非常小的，但在夏河人化石中发现了丹尼索瓦人特有的蛋白质，这为确定其为丹尼索瓦人提供了最主要的证据。 　　兰州大学资源环境学院张东菊副教授说：“这块下颌骨表明，丹尼索瓦人的地理分布区域比我们以前认为的要广泛得多，海拔也更高。”化石仅保存了古人类下颌骨的右侧，下颌骨附着第一臼齿和第二臼齿，其他的牙齿仅保留牙根部分，颌骨形态粗壮原始，臼齿较大，可以很清楚看到它没有下巴，这说明它不是现代人化石。 　　早期研究表明，丹尼索瓦人的遗传物质已经发生了一种突变，该突变有助于在青藏高原这种高海拔-低氧环境中的生存。今天的西藏人群基因中也有同样的突变，这可能证实了丹尼索瓦人对青藏高原上的藏族人群和夏尔巴人群有基因贡献——高寒缺氧环境基因(EPAS1)。 “量子霸权” 这或许是计算机领域的一个里程碑事件：谷歌宣称「量子霸权」已经实现，他们首次在实验中证明了量子计算机对于传统架构计算机的优越性：在世界第一超算 Summit 需要计算 1 万年的实验中，谷歌的量子计算机只用了 3 分 20 秒。 　　在最近提交的一份论文中，研究人员提出了这一主张，它也是迄今为止表明量子计算机超越传统架构计算机，并走向实用化最为强烈的迹象。在未来，我们或许可以使用这种全新工具解决此前无法解决的数学问题。 　　量子霸权是指量子计算拥有的超越所有传统计算机的计算能力。谷歌的研究人员声称已经实现量子霸权，这意味着最新的量子计算机能力已经达到了目前最为强大的超算也无法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒内完成特定任务的运算，而目前世界排名第一的超级计算机、美国能源部橡树岭国家实验室的「Summit」执行同样任务需要大约一万年时间。 肠道微生物对抗营养不良 每年都有数百万严重营养不良的儿童无法完全康复，即使他们吃饱了，仍然会发育不良和体弱多病。十年的研究已经找到了一个根本原因：他们的肠道微生物尚未成熟。今年，一个国际团队在这项研究的基础上，提出了一种低成本且易于获得的补充剂，可以优先刺激有益肠道细菌的生长。这些补充剂在小规模试验中表现良好，目前正在进行更大规模的临床试验，以观察其在预防发育迟缓方面的效果。 　　早期的研究发现，营养不良无法康复儿童的肠道微生物组具有婴儿微生物组的特征，而更成熟的微生物组是对营养做出良好反应的关键。研究小组首先确定了代表成熟肠道菌群的15种细菌。他们还确定了包括蛋白质在内的血液标志物，这些标志物标志着营养不良的影响得以恢复。然后，他们测试了发展中国家容易找到的各种食物组合，以观察微生物组的反应，首先是对小鼠的反应，然后是对猪的反应，最后是对一小群营养不良儿童的反应。 　　作为食品补充剂的标准成分，奶粉和大米对关键细菌的扩散几乎没有什么帮助，但含有鹰嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的补充剂有助于肠道菌群的成熟。经过短暂的临床试验后，服用补充剂的儿童血液中含有更多的蛋白质和代谢物，这些都是正常生长的标志。 　　更多的儿童正在接受更长时间的随访，以观察这些变化是否会从发育迟缓中恢复过来，这是改善微生物组可以帮助解决这一全球性问题的最终证据。美国芝加哥大学的医学家Eric Pamer表示，如果可以，尤其是如果可以在医院以外的家中提供治疗，这是解决该问题的最新趋势，那么影响可能是巨大的。 陨石的冲击 希克苏鲁伯陨石坑的形成，据推测是在6500万年前。与白垩纪-第三纪灭绝事件的年代相吻合。在20世纪70年代晚期，地质学家Glen Penfield在尤卡坦半岛从事石油探勘工作时，发现此陨石坑。目前已在该地区发现冲击石英、重力异常、玻璃陨石等地质证据，可证明希克苏鲁伯陨石坑是由撞击事件造成。从岩石的同位素研究得知，希克苏鲁伯陨石坑的年代约为6,500万年前，时当白垩纪与古近纪交接时期。 　　由于该陨石坑的规模与年代，希克苏鲁伯陨石坑常被认为是造成白垩纪-第三纪灭绝事件的成因，并造成恐龙等生物的灭绝；但也有科学家提出当时另有其他的灭绝因素。近年来，另有多重撞击理论，认为当时有许多颗陨石在短时间内撞击地球，而希克苏鲁伯陨石坑仅是其中一颗。另有天文研究指出，这些陨石是在1亿6,000万年前分裂而成。一个国际研究小组在《Science》杂志上发表研究报告，确认在6500万年前，一颗小行星撞击今天墨西哥境内的希克苏鲁伯地区是造成白垩纪-第三纪恐龙大灭绝的原因。 最遥远天体的特写 11月13日，NASA宣布今年年初首次拍摄并回传了人类所探测到的最遥远天体的官方名字为“Arrokoth”。在印第安部落波瓦坦/阿拉贡琴语中，Arrokoth意为“天空” “缺失环节”的微生物？ 今年，微生物学家朝着解决有关真核生物起源的争议问题迈出了重要一步，真核生物的起源涵盖了包括人类在内的所有动植物。经过12年的尝试，日本的一个研究团队成功地从深海沉积物中培育出一种神秘微生物，并对其基因组进行了测序。它似乎可以揭示我们所有人的最终祖先。 　　这种生物名为Prometheoarocum syntroicum菌株MK-D1，是最近发现的Asgard微生物群的成员。这些微生物不是细菌，而是一种完全独立的生命分支，称为古细菌。只有从深海沉积物和其他极端环境中分离出的DNA片段才知道Asgards。令人惊讶的是，这些片段包含的基因以前被认为仅在真核生物中发现，而真核生物是具有细胞核和细胞器的细胞。比较的DNA分析表明，Asgards或远古亲戚甚至可能产生了真核生物。这个激进的想法会将微生物从三种（古细菌，真核生物和细菌）缩小到两种：细菌和古细菌，而真核生物被简化为古细菌的一个子集。但是鉴于证据不足，许多研究人员对此表示怀疑。 　　日本研究小组通过在培养基中培养这种微生物，对其全基因组进行测序，并确认其携带真核基因。他们还发现，它似乎与某些细菌结合生长最好，并且形成了可能会吞噬细菌伴侣的短触角。如果是这样，那可以解释一个Asgard如何获得成为线粒体的微生物客体的。（一份详细描述发现的论文发表在bioRxiv） 　　今年的其他研究已从Asgard研究组其他成员的DNA片段中鉴定出更多的真核基因。来自DNA有关Asgard代谢的信息也支持双域而非三域假说。然而，将近30亿年前发生的事件难以重构，并且随着对Asgards的研究的深入，可能会出现新的概念。但现有的研究，可以更清晰地了解遥远的过去。 第一次，有药物可以治疗大多数囊性纤维化病例 10月，科学家庆祝了基因药物的里程碑成果：FDA批准了对大多数囊性纤维化（CF）病例有效的治疗方法。 　　这种被称为Trikafta的三药组合治疗可以纠正肺部疾病中最常见的突变。Trikafta可以帮助CF患者从进行性疾病转变为更易于控制的慢性疾病。自从CF基因CFTR被发现以来，Trikafta是30年研究的产物。 　　囊性纤维化是一种罕见的、进行性的、危及生命的疾病，其结果是在肺部、消化道和身体其他部位形成厚粘液。它会导致严重的呼吸和消化问题以及其他并发症，如感染和糖尿病。囊性纤维化是由CFTR基因突变带来的缺陷蛋白引起的，已知的CFTR基因突变约有2000个，但其中最常见是F508del突变。 　　Trikafta以Vertex Pharmaceuticals公司生产的其他CF药物为基础，这些药物针对CFTR蛋白中的不同缺陷，例如第一个药物Kalydeco，它靶向的是一种名为G551D的罕见突变，还有一种药物：Vertex（也组合了Kalydeco），它修复另一种突变：F508del，该突变错误折叠了CFTR，并阻止了其到达细胞表面。但是事实证明，这两种药物不如预期。 　　Trikafta在混合物中添加了第三种药物，增强了该策略的有效性。三重组合针对携带至少一份F508del的CF患者，可帮助CFTR到达细胞膜。在临床试验中，该药物使肺活量增加了10％至15％，并使CF并发症减缓出现。 　　然而，在兴奋之中笼罩着阴影：Trikafta的标价每年超过30万美元，大概必须终身使用。 埃博拉患者终于有了希望 1976年，从刚果民主共和国（DRC，当时称为扎伊尔）的雨林中出现了一种新病毒。它在Yambuku村杀害了280人，然后就消失了。后来，只是偶而出现，但却造成了毁灭性的影响。从那以后，这种取自附近一条河流的病毒的名字就成了致命的、无法治愈感染的代名词——埃博拉。今年，情况开始发生变化。 　　在DRC历史上最致命的一次疫情爆发中，科学家们最终确定了两种可显著降低该病死亡率的药物。两者都是抗体，一种是从1996年埃博拉疫情的幸存者中分离出来的，另一种是在具有人源化免疫系统的小鼠中产生的三种单克隆抗体的混合物。在一项将四种不同药物相互对抗的随机试验中，接受这两种药物之一的患者中约有70％幸存，而使用其他两种药物中的任何一种的患者中约有50％存活了下来。结果如此令人信服，以至于该试验被提早终止。简单地进行这项试验本身就是一项值得注意的成就：它是在一场毁灭性的疾病暴发期间，和一个暴力冲突地区的临时治疗单位中进行的。 　　研究结果不仅可以通过提高患者的生存机会，而且可以通过鼓励人们尽早寻求治疗来帮助抗击该疾病。在没有有效药物的情况下，有症状的人经常试图逃避检测，并寻找传统的治疗师，这加剧了疾病的爆发。 　　埃博拉病毒威胁出现40多年后，世界终于为应对这种病毒做好了更好的准备。埃博拉病毒的共同发现者：刚果国家生物医学研究所所长Jean-Jacques Muyemub Tamfum今年8月在新闻发布会上说：“今天，我们翻开了新的篇章。从现在开始，我们将不再说埃博拉是无法治愈的。这一进步将在未来帮助拯救成千上万人的生命。” AI战胜多人扑克 今年，美国宾夕法尼亚匹兹堡的Rivers赌场，卡耐基梅隆大学开发的人工智能系统Libratus战胜了四位德州扑克的顶级选手，取得了胜利。 　　此次比赛赛程为20天，一共进行了12万手牌的比赛，人工智能程序Libratus需要对战4名人类职业玩家Jason Les、Dong Kim、Daniel McAulay 和Jimmy Chou，尽管听起来不可思议，但是AI最终“打败”了他们。 　　参加比赛的人类选手表示，Libratus的胜利“名副其实”，因为它灵活掌握了各种对战策略，有时候明明牌很好，却偏偏下最低的赌注。 　　相较于AI在围棋领域的胜利，此次AI在扑克牌领域的胜利其实是一个更大的进步。 　　围棋对弈双方的信息是完整、对称的，但是在扑克牌的对战中，由于对方的底牌是隐藏信息，因此对计算机来说，其实是在处理一种“非完整信息博弈”。 　　从这个角度来看，Libratus此次战胜顶级人类德州扑克选手，其实表明AI已经越来越“聪明”了。 此外，亚马孙大火、麻疹复活、鸟类锐减、气候变化危机加剧被评为2019年四个退步事件。
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