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《《科学》杂志发布2018年度十大科学突破》

  • 来源专题：科技大数据监测服务平台
  • 编译者： dingxq
  • 发布时间：2018-12-21

  • 12月20日，美国《科学》杂志发布2018年度十大科学突破。

    其中，在单细胞水平上追踪生物体发育被列为十大突破之首，理由是相关技术“将改变未来10年的研究”。

    此外，今年《科学》还列出了3大科学“崩坏”事件，“基因编辑婴儿，道德红线在哪？”入选。

    1. 单细胞水平追踪生物体发育

    至少从希波克拉底时代开始，生物学家便对单个细胞如何发育成拥有多个器官和数十亿细胞的成年动物之谜感到震惊。

    古希腊医生猜测，母亲呼出的湿气帮助塑造了正在生长的婴儿。

    但现在，我们知道，是DNA最终精心安排了细胞增殖和分化的过程。

    如今，正如乐谱会显示弦乐器、铜管乐器、打击乐器和木管乐器何时插入以创建交响乐一样，3种技术的组合正在揭示单个细胞中的基因何时启动，从而暗示细胞发挥其专门的作用。

    由此，科学家能以惊人的细节——按照逐个细胞并随着时间推移，追踪生物体和器官的发育。

    《科学》杂志将这些技术的组合及其在推动基础研究和医学进化方面的潜力列为2018年度十大突破之首。

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  • 《美国《科学新闻》杂志2019年度十大新闻》
    • 来源专题：科技大数据监测服务平台
    • 编译者：zhoujie
    • 发布时间：2019-12-19
    • 科学善于衡量进步，也能够让我们了解自身的不足。美国《科学新闻》（Science News）评选出的2019年十大科学新闻就反映了这种二元性。我们既要祝贺科学家们取得了突破性的成就，也希望能够避免一些棘手的问题。 在这一年里，世界各地的数百位科学家通过一架全球规模的“望远镜”观测到了以前无法观测到的东西。事件视界望远镜捕捉到了黑洞的第一张图像。这张标志性的图片证实了宇宙运行的基本理论（爱因斯坦仍然是对的正确），并开启了一个全新的探索时代，这使其成为2019年最重要的的科学新闻。 这并不是今年唯一的重大里程碑。基因编辑工具CRISPR/Cas9开发仅仅7年后，就在美国进入了人体临床试验阶段。研究人员想知道这种方法能否用于治疗癌症、血液疾病和遗传性失明。谷歌实现了量子霸权，宣称他们已经创造了一种基于量子比特的计算机，可以快速解决经典超级计算机需要数千年才能解决的问题。这一声明立即引来了反对声音，但也表明量子计算可能将迎来下一个重大飞跃。 然而，每一次进步都伴随着挫折。在2019年，一些国家正式失去了来之不易的公共卫生成就——“消除麻疹”，即一年没有发生持续的传播感染。自2000年实现消除麻疹以来，美国的麻疹病例在今年达到最多，但仍勉强维持了这一状态：一场积极的公共卫生运动在一年周期结束前阻止了麻疹疫情的爆发。 2019年还创造了许多我们从未想过要看到的纪录，比如北半球数百个地区的气温飙升至历史最高水平，导致致命的热浪、火灾和干旱。多年来，科学家一直在警告，气候变化导致的灾难正在逼近。也许2019年将会被人们记住，因为这条警告在这一年终于引起了公众的关注。许多地方都发生了与气候变化有关的抗议活动，不少是由青少年活动家领导的，在全球范围内的参与者达到数百万人。只有时间才能告诉我们，要求采取行动应对气候变化的浪潮是否会成为我们在未来几年值得记住的转折点。 就让我们来了解一下2019年这十个最受关注的科学新闻。 黑洞的肖像 两百多年前，就有科学家设想宇宙中存在一种具有极大质量，引力强到连光也无法逃脱的天体。爱因斯坦提出的广义相对论就可用于计算这种天体的若干性质。20世纪60年代，美国天体物理学家约翰·惠勒首次提出了“黑洞”这一术语。经过十多年的努力，2019年事件视界望远镜的观测结果震惊了世界。这是人类首次直接拍摄到了黑洞的事件视界。 为了拍摄遥远的黑洞，科学家使用了一架口径相当于整个地球的望远镜——事件视界望远镜，它集合了世界各地的8台射电望远镜，成功拍摄到人类历史上首张黑洞照片。这项研究是全球超过200名研究人员合作的成果，中国科学院的天文学家也参与其中。2020年4月，事件视界望远镜将再次启动，届时将汇集11个天文台。参与该项目的科学家还在考虑向太空发射一架望远镜，将事件视界望远镜扩展到地球轨道，从而减少地面天气对观测结果的影响，有助于拍摄到更多、更清晰的黑洞图像。 麻疹死灰复燃 2019年，美国麻疹患病人数超过了1992年以来的任何一年。截至12月5日，美国31个州共报告了1276人患病，其中超过75%的病例来自纽约的两次疫情。 始于2018年秋季的纽约麻疹疫情持续时间之长，几乎使美国失去2000年获得的“麻疹消除”资格。要获得世界卫生组织认可的这一称号，一个国家必须有一年的时间不让这种疾病在其境内持续蔓延。美国疾病控制与预防中心主任罗伯特·雷德菲尔德在10月4日的声明中宣布，美国保住了麻疹消除的地位。他还指出，阻止麻疹等疫苗可预防疾病的最好方法，就是接受疫苗接种。 在2019年，其他许多国家也在与麻疹疫情作斗争。截至11月17日，刚果爆发了最大规模的麻疹疫情，估计有25万人感染麻疹，5000多人死亡，其中大多数是5岁以下的儿童。萨摩亚的免疫接种率低至31%，在2019年底受到严重打击，出现了3700多病例，数十人死亡。 气候行动 今年，夏季气温打破了数百项历史记录，给格陵兰岛带来了前所未有的融化，助长了肆虐整个北极的野火。一份严峻的报告警告说，地球上的海洋和冰冻地区前景黯淡。不过，气候科学家表示，这并不是2019年的唯一收获：今年还出现了创纪录的气候抗议行动浪潮。 在今年9月份在纽约举行的联合国气候行动峰会期间，发生了席卷全球的气候游行，并以气候罢课达到高潮。许多罢课是由学生领导的，特别是16岁的瑞典气候活动家格蕾塔·通贝里。她的“周五为未来”运动始于2018年8月，她个人承诺将在每周五进行抗议，直到瑞典政府加快原定于2045年前实现完全碳中和（碳释放总量为零）的计划。她表示自己将一直抗议，直到瑞典政府同意每年减少15%的碳排放，在大约10年内实现碳中和。 通贝里抗议的消息通过社交媒体传播，使气候抗议运动走向全球。据估计，来自120多个国家的160万名学生于3月15日参加了一场协调一致的气候罢课。第二波由学生领导的抗议活动与9月份的联合国气候行动峰会同时举行，参加全球气候罢课的人数达到创纪录的760万人。 电子烟的危险 电子烟在公众当中一直享有相对无害的名声，但这种情况在2019年开始改变，今年首次有报道称，电子烟与肺损伤和死亡有关。美国疾病控制与预防中心的数据显示，截至12月10日，全美共有2409人因使用电子烟而住院治疗，很多人都很年轻，身体也很健康。其中有52人死亡，包括一名17岁的少年。联邦卫生官员宣布了一个潜在的罪魁祸首：维生素E醋酸酯，它主要作为一种增稠剂添加到含有四氢大麻酚（THC）的蒸汽产品中。电子烟用户应该避免吸入四氢大麻酚，但调查仍在进行中，他们的这些疾病可能由多种蒸汽成分引起。 研究表明，从蒸汽中吸入的化学物质会影响大脑、心脏和肺。尼古丁会影响青少年的大脑发育，增加对其他药物上瘾的风险。电子烟中的化学物质会损害血管细胞的功能，从而增加患心血管疾病的风险。与不吸电子烟的同龄人相比，吸电子烟的青少年患慢性呼吸道疾病的风险更高。发现电子烟如何影响长期健康需要时间，而电子烟在美国市场上只出现了大约十年，而且其技术变化很快。 丹尼索瓦人的发现 2019年的多项进展使名为丹尼索瓦人的古人类进入了人们的视野，但也留下了大量的谜题。十多年前，科学家在西伯利亚的丹尼索瓦洞穴中发现了一小块女孩的小指骨，其DNA与任何已知原始人类的DNA都不匹配。另外几块化石——三颗牙齿和一块肢体碎片——的发现，加上基因分析表明，丹尼索瓦人是数万年前尼安德特人和智人的近亲，偶尔也是他们的配偶。但几乎没有证据表明丹尼索瓦人长什么样，他们的行为如何。 随着化石的积累，研究人员将了解丹尼索瓦人的解剖结构是如何影响其人属交配伙伴的骨骼构成的。通过丹尼索瓦人的发现，“我们现在可以看到，杂交促成了我们自身的起源”。今年公布的古代DNA证据表明，丹尼索瓦人在基因上分散成三个独立的支系，与亚洲不同的人类群体有过交配。一个新观点认为，人类演化就像交织的溪流，密切相关的物种不断进行着基因交流。 临床试验中的CRISPR 当CRISPR/Cas9技术在2012年问世时，人们曾对其寄予厚望，希望它能治疗甚至治愈成百上千种基因疾病。今年，美国研究人员开始在人体上测试这种基因编辑技术，这是决定其能否实现医学前景的关键第一步。 这些首批临床试验正在测试CRISPR/Cas9对癌症、血液疾病和一种遗传性失明症的安全性和有效性。与2018年引发争议的人类胚胎编辑不同，在这些试验中引入的基因变化不会被后代继承。 CRISPR在非常短的时间内就崛起成为潜在的医疗工具，相关的技术专利申请出现了爆发性增长。许多人正在投资这项技术，并认为它具有巨大的商业价值。首批测试CRISPR/Cas9技术的人体试验很可能决定了该技术的未来，只有继续投资这项技术，患者才会受益，而这种投资可能取决于这些早期临床试验是否成功。 量子霸权 就像薛定谔的猫一样，2019年宣称的量子霸权似乎同时处于存在和死亡这两种相互矛盾的状态。 今年10月，谷歌的研究人员声称，他们已经达到了被称为量子霸权的里程碑。他们创造了第一台量子计算机，可以进行典型标准计算机无法进行的运算。但是，IBM的研究人员反驳称，谷歌并没有做任何特殊的事情。这场冲突凸显了量子计算领域浓厚的商业兴趣，各家公司都在争夺这一领域的前沿地位。例如，IBM已经打造了可以云访问的14台量子计算机，最大的一台具有53个量子位。谷歌最新的量子计算机Sycamore也有53个量子位。 遭遇火灾威胁的生物多样性 2019年，《自然》杂志的一些令人震惊的数据成为了新闻，人们开始谈论植物、动物和其他生命多样性的减少，以及应该如何应对。最引人注目的消息来自亚马逊雨林，卫星捕捉到了火灾季节异常活跃的迹象。破纪录的火灾再次引发了人们对地球上这一生物多样性宝库的担忧。 仅在8月份，卫星成像设备MODIS就在巴西西北部的亚马逊州录得11516次火灾。火灾探测专家解释称，这一数字不是指单个火灾，而是“像素”的数量，每个像素至少测量了一平方公里内的火灾活动。一些新闻媒体报道的较高数字记录的是从像素较小的仪器上探测到的信号。 火灾季在10月下旬接近尾声。尽管2019年南美大部分地区的火灾风险“非常平均”，但亚马逊却陷入混乱。8月份探测到的火灾数量超过了近20年来的MODIS当月的所有记录。2019年6月下旬至10月的火灾季堪称是仅次于2005年的第二严重火灾季。 重返月球 月球登陆任务似乎正重新流行起来。“嫦娥四号”着陆成功，成为首次探访月球背面的人类探测器。相比之下，其他任务的结果不尽人意。以色列非营利组织SpaceIL和印度空间研究组织发射的两架探测器都在月球紧急着陆，此后一直没有音讯。 登月计划的复苏才刚刚开始。欧洲空间局正在与俄罗斯宇航局合作，进行一系列的月任务。美国国家航空航天局希望将2020年代的几次月球之旅作为把宇航员送往火星的跳板。 现在，不仅是一些大国能够实现登月，随着导航技术和机器人技术的进步，以及发射成本的降低，一些私人公司也开始计划前往月球的旅行。 新的抑郁症药物 几十年来第一种全新机制的抗抑郁药物终于在今年上市。这种名为Spravato的鼻腔喷雾剂为重度抑郁症患者提供了新的治疗方法。但是，该药物的有效性和安全性仍然存在很大问题。 今年3月，美国食品和药物管理局批准了Spravato的申请。这种药物含有艾氯胺酮（esketamine ），这是构成药物氯胺酮（ketamine，又称“克他命”）的两种镜像分子之一。氯胺酮是几十年前开发出来的一种强效麻醉剂，同时也是一种迷幻剂，被狂欢者用来制造令人眩晕的灵魂出窍的快感。 许多现有的抗抑郁药物针对的是血清素，一种大脑中与情绪有关的化学信使。科学家认为，氯胺酮和艾氯胺酮会在数小时内影响另一种化学信使谷氨酸。 尽管新闻媒体对Spravato获得批准大肆宣传，但多年来，氯胺酮快速扭转某些人严重抑郁症的能力已为人所知。独立诊所和学术医疗中心会为重度抑郁症患者提供氯胺酮静脉注射。对一些患者来说，这种治疗改变了他们的生活，但这并不一定适合其他人。
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  • 《2023 Science年度十大科学突破》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 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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