浩瀚的人類歷史長河裡,這一年只是短短的一瞬。每年的盤點與回望,都讓我們振奮也迷茫,科學的突破與進展,還會把人類帶向何方?

中國春節正月初四,一個由1000多位科學家組成的LIGO科學合作組織宣布:“We did it!”,在世界的一片驚詫和驚喜之中,拉開了2016年科學大發現的序幕:人類第一次捕捉到了來自13億光年外雙黑洞合併引發的時空「漣漪」。

除了接收到來自宇宙的新訊息,這一年,人類撒向太空的種子遍地開花,科學家們探索了遙遠星球大氣的成分,「看」見了「暗物質星系」,發現了衛星冰殼下的海洋,還找到了離人類更近的宜居星球。

這一年,一隻被暱稱為「阿法狗」的AI,打敗了兩位人類頂級圍棋手,人類用失敗宣告了勝利,人工智能的崛起邁出了里程碑式的一步。

這一年,科學家在謹慎中嘗試著對人類自身生命的探索,升級版的人工合成生命體問世,第一個「三親」寶寶降生,對人類胚胎基因的編輯也獲得了批准。

浩瀚的人類歷史長河裡,這一年只是短短的一瞬。每年的盤點與回望,都讓我們振奮也迷茫,科學的突破與進展,還會把人類帶向何方?

科學早已為2017年準備好了下一段征途。

 

10. 4個新元素被發現:化學元素週期表第七行被填滿

本月初,國際純化學暨應用化學聯合會(IUPAC)正式通過決議,將113號新元素命名為Nihonium(元素記號Nh)。自此,元素週期表中正式迎來了首位由非歐美國家命名的元素。/ 圖片來源:www.visionlearning.com

2015年12月30日,國際純化學暨應用化學聯合會(IUPAC)確認了113號、115號、117號和118號四個新元素的發現。2016年6月,IUPAC宣布這四個新元素被正式加入到元素週期表中。自此,元素週期表第七行被填滿。

依照命名傳統,發現者對新元素有命名決定權。IUPAC將115、117和118號元素的發現歸功給了一支來自俄羅斯和美國的合作團隊,將113號元素的發現歸功給了一支日本團隊。最終,這4個新元素被命名為:

•第113號元素Nihonium,元素符號Nh
•第115號元素Moscovium,元素符號Mc
•第117號元素Tennessine,元素符號Ts
•第118號元素Oganesson,元素符號Og

新元素的發現,再一次用觀察數據證實了科學理論,讓人類依據元素週期表所做的預測更為可信;同時,也為將來製造更重、更有用的新元素打下了堅實的基礎。

 

9. 琥珀裡的真恐龍:鏈接鳥類和恐龍的新證據

琥珀中的恐龍標本(左)和該標本所屬的恐龍復原圖(右,局部)。/ 圖片來源:左:Royal Saskatchewan Museum (RSM/ RC McKellar);右:Cheung Chung-tat

2016年12月,一條來自琥珀中的恐龍尾巴,震驚了世界。來自多個國家的古生物學研究團隊,第一次找到了非鳥類恐龍的標本。這項由中國和加拿大研究者合作的研究,在一塊琥珀中發現一截毛茸茸的尾巴。這段尾巴展開後長約6公分,包含了至少8枚完整的尾椎。科學家們推測尾巴的主人是手盜龍類,生活於距今約9900萬年前。不同於以往發現的骨骼化石,琥珀中的動物標本能夠提供大量的細節,像是恐龍尾巴上的羽毛。這為探索羽毛演化發展模式提供了線索。

 

8. CRISPR-Cas9和「三親」嬰兒:人類胚胎基因研究技術在爭議中謹慎前行

體外人工授精。接受線粒體置換的胚胎,將具有父母及線粒體捐獻者三方的DNA,因而被成為「三親嬰兒」。/ 圖片來源:Alamy/Telegraph

2月,英國人類生育和胚胎學管理局(HFEA)宣布,倫敦的科學家已獲得以研究為目的編輯人類胚胎基因組的授權。英國成為第一個允許人類胚胎基因編輯的國家。獲得批准的科學家為倫敦弗朗西斯.克里克研究所發育生物學家尼亞坎(Kathy Niakan)的團隊,他們希望利用CRISPR-Cas9技術對健康人類胚胎進行編輯,以了解為什麼一些妊娠會終止。

4月,世界上第一個「三親」寶寶在墨西哥誕生。「三親」嬰兒,指嬰兒同時帶有三個人的遺傳物質。嬰兒除攜帶父母的DNA外,還擁有來自捐獻者的線粒體DNA。「創造」這個「三親」寶寶的團隊負責人是紐約新希望生殖醫學中心(New Hope Fertility Clinic)的醫師張進,他說這名男嬰健康狀況良好,但並沒有透露多少其他訊息。健康「三親」寶寶的誕生令人欣慰,但研究團隊的做法也引來了廣泛的倫理爭議。干預人類胚胎的技術可以拯救生命,但在臨床應用之前,也必須經過謹慎的評估與審視。

 

7. 最近普適共同祖先攜帶的355種基因確定:生命起源探索的重要一環

細菌,古菌,和真核生物最早的共同祖先,被稱為「LUCA」,即最近普適共同祖先。/ 圖片來源:revistatransilvania.ro

2016年7月,科學家宣布找到了最近普適共同祖先LUCA(Last Universal Common Ancestor)的355個基因。LUCA可能是生活在40億年前無氧環境中的喜熱微生物,並且依賴氫氣為生。這有力地支持了先前的假說:地球生命起源於類似海底火山周圍的那些深海熱泉。目前為止的遺傳學研究發現了有關LUCA一些十分誘人的線索。大部分證據都暗示,LUCA也和現代細胞一樣,用DNA儲存遺傳訊息;也會製造蛋白質,並使用ATP作為能量來源。加州大學洛杉磯分校的進化生物學家萊克(James Lake)稱這一新研究「令人矚目」,「往前邁了重要一步」。儘管LUCA早已仙逝,與它最為鄰近的親戚們也許仍和我們一起生存在這地球上。

 

6. 成功誘導活細胞生成碳-矽鍵

矽基生命會長成什麼樣?上圖為一個大膽的矽基生命想像圖,生活在火山口溫泉中類似水熊蟲的生物。/ 圖片來源:陳磊、美麗化學

2016年11月,科學家成功誘導活細胞生成碳-矽鍵產物,第一次證明矽元素能夠參與到自然界的生命活動中。

矽與碳雖然性質相似,但對絕大多數生物而言,並沒什麼用。即便像矽藻這樣可以利用矽酸鹽或二氧化矽構建自己外骨骼的生物,也不能把矽元素分離出來加以利用。誘導活細胞生成碳-矽鍵,不僅大大提高了合成碳-矽鍵的效率與安全性,也為藉助自然之力提升化工生產技術水平打開了新的思路。這項研究也展示了演化中,自然適應新挑戰的速度之快。這或許就意味著,如果某一天環境劇變,地球上突然多出了很多有機矽小分子,那麼也許只需幾年時間,實驗中所用到的海洋紅嗜熱鹽菌,就能演化出利用矽的能力——而工具是一種功能原本與此八竿子打不著的蛋白質。

 

5. 從超級地球到土星衛星:空間探索大突破

距離地球40光年的巨蟹座55e,大氣主要由氫和氦構成,不含水蒸氣,卻可能含有一定的氰化氫。這是天文學家首次測出了一顆超級地球的大氣成分。/ 圖片來源:ESA/Hubble, M. Kornmesser

2月,天文學家在《天體物理》期刊(Astrophysical Journal)上發表了對太陽系外行星巨蟹座55e大氣成分的分析結果,這是人類第一次有能力分析一顆超級地球的大氣層成分。5月,NASA的研究團隊宣布SOFIA(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy)天文台在火星大氣層中探測到氧原子,這距離上世紀70年代首次探測到氧原子已有40年之久。8月,天文學家們在距離地球3億光年外的蜻蜓44星系中發現了大量暗物質的存在,這是目前天文學家發現的質量最大、暗物質比例最高的星系。同月,歐洲南方天文台(ESO)宣布,在半人馬座比鄰星(Proxima Centauri)周圍發現了一顆位於宜居帶內的行星。9月,比利時皇家天文台發布公告稱,根據數據推測,在土衛四(Dione)冰殼下存在一個深度達數萬公尺的地下海洋。這是繼土衛二和土衛六後,第三顆被發現有海洋存在的土星衛星。人類撒向太空的種子,正在逐漸開花。

 

4. 最新療法延長早衰小鼠壽命

普通衰老小鼠的肌肉細胞狀態(左)和接受了重編程的衰老小鼠肌肉細胞狀態(右)。/ 圖片來源:Juan Carlos Izpisua Belmonte Lab /Salk Institute

2016年12月,索爾克研究所的科學家宣布了一種新的基因療法,使得早衰小鼠的壽命延長了30%。這項發表在《細胞》上的研究表明,通過週期性誘導Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc四種「山中因子(Yamanaka factor)」的短期表達,研究者能夠減輕早衰症小鼠模型的衰老症狀,並延長牠們的壽命。在年齡較老的野生型小鼠中,類似的操作也能夠減輕代謝疾病和肌肉損傷的症狀。

 

3. AlphaGo戰勝世界頂級圍棋選手:人工智能里程碑的一步

1月28日,名為「阿爾法圍棋」(AlphaGo)的人工智能,在沒有任何讓子的情況下以5:0完勝歐洲冠軍、職業圍棋二段的樊麾。面對谷歌圍棋AI,人類最後的智力驕傲即將崩塌。上圖為AlphaGo與歐洲圍棋冠軍樊麾的5局較量。/ 圖片來源:David Silver, et al. “Mastering the game of Go with deep neural networks and tree search.” Nature doi:10.1038/nature16961

2016年3月,人工智能程式AlphaGo戰勝圍棋世界冠軍李世乭。這是人工智能程式對弈人類職業棋手的又一次勝利。AlphaGo是Google旗下DeepMind公司開發的計算機程式,開發團隊將改進的蒙特卡洛樹搜索演算法與深度神經網絡算法相結合的方法構建了AlphaGo最終的學習系統。其中,深度神經網絡由一個多達12層的包含上百萬個神經元節點的神經網絡構成。可以說AlphaGo的研發是當今人工智能領域各類技術的集大成者,體現了人工智能技術的最高水平。

 

2. 科學家製造出最簡單的人工合成生命體:人類成為造物者的第一步

在Syn3.0的473個基因中,159個基因與基因組訊息的表達(藍色)有關,34個基因與基因組訊息的維持(紅色)有關,84個基因涉及細胞膜結構和功能(黃色),81個基因涉及細胞代謝(紫色),79個基因的功能則無法歸類(藍綠色)。/ 圖片來源:Clyde A. Hutchison III, et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science Vol. 351, Issue 6280, DOI: 10.1126/science.aad6253

2016年3月,遺傳生物學家文特爾宣布他的團隊在實驗室中用473個基因創造了一種新的生物——細菌JCVI-syn3.0。這種細菌所包含的是目前已知維持生命活動所需最少數量的基因。這是目前人類能夠製造出最簡單的生命體。

JCVI-syn3.0已經不是人類第一次創造生物了。2010年,JCVI-syn1.0誕生。文特爾和他的同事就彷佛扮演了一回上帝的角色,構造出從未存在過的生命形式。JCVI-syn1.0的基因組有901個基因,以當時的技術,沒有辦法一次合成。經過不斷地精簡,他們最終成功,得到了僅僅含有473個基因的JCVI-syn3.0——最接近「生命基石」的基因組。

 

1. LIGO引力波探測:人類認識宇宙的新方式

在愛因斯坦提出廣義相對論整整一個世紀的歷史性時刻,我們站在了一個新時代的起點:透過位於美國列文斯頓和漢福德的高新重力波探測器,人類有望在不遠的將來,捕捉到時空的漣漪,用一種前所未有的方式看待這個世界。/ 圖片來源:tech.qq.com

2016年2月,重力波天文台LIGO的科學家們宣布,人類首次直接探測到宇宙中的重力波訊號及首次觀測到雙黑洞碰撞合併。這個被命名為GW150914的重力波於2015年9月14日被探測到。經過1000多位LIGO科學家連續數月對訊號的分析,科學家們發現GW150914來自南天球,產生於13億年前兩個黑洞的合併,在合併的瞬間大約有三倍太陽質量的物質轉化為能量。重力波的發現證實了黑洞的存在,也是對廣義相對論的重要檢驗。

如果說電磁波望遠鏡是人類的眼睛,那麼重力波探測器就像人類的耳朵,從此,人類終於可以聆聽來自宇宙的聲音。

撰文:果殼科技評論

編輯:婉君 / 明天 / 吳歐

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