宇宙正在緩慢死去,科學依舊飛速前行。2015年,科學一如既往地加深著人類對世界的理解。它一邊繼續推動著技術的發展,一邊繼續充當著討論與合作的基石,同時也不忘反思自己,將前進的步伐調整得更加踏實。以下是果殼網科學人評選出的2015年度十大科學突破,它們讓科學在2015熠熠生輝,也為2016留下一片展望。

 

1. 征程:新視野號

2015年7月14日,旅程已近十年的新視野號探測器近距離飛越冥王星,完成了人類對這顆矮行星的首次探測。在此之前,即使是哈伯太空望遠鏡,也無法分辨冥王星上的細節地貌。這顆曾經的第九大行星一直徘徊在太陽系的週邊,除了軌道以外,沒有人確切知道冥王星的一切,就連大小都存在持久的爭議。

如今,依靠新視野號陸續傳回地球的資料,我們不僅測出了冥王星的精確大小,還第一次看清了它的真實模樣。科學家在冥王星上發現了形成年代不足1億年的高大冰山,被氮冰覆蓋的巨大雪原,最近的過去可能噴發過的兩座冰火山。種種證據表明,冥王星上存在著持續至今的活躍地質活動,甚至發生著類似地球上冰川活動的氮冰迴圈。新視野號還發現,冥王星大氣層的規模遠遠超過預期,那裡的大氣中甚至有多層藍色的霧霾。

MCDrsnDTSIaG8qKg3nEllGfzh2JWspZS9Mu8Dnx_M37sBAAATwUAAFBO
新視野號發回的冥王星最清晰照片,可以看到冥王星上冰殼的巨大碎塊擠壓在一起形成了高聳的冰山,而低窪區域則被氮冰覆蓋形成一片雪原。圖片來源:NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

除了冥王星本身,新視野號還對它的衛星進行了探測。新視野號沒有在冥王星周圍發現新的衛星,這一點出乎了科學家的意料。冥王星大衛星——冥衛一上則發現了巨大的裂谷,暗示了這顆衛星過去發生的複雜地質歷史。對其他小衛星的探測,則對研究太陽系週邊其他的柯伊伯帶小天體提供了更多有價值的線索,對於揭露太陽系自身的形成歷史也有幫助。

越過冥王星之後,新視野號飛向了宇宙深處,預計將於2019年飛越下個目標,一顆柯伊伯帶小天體。而由於距離遙遠,它在飛越冥王星時記錄的資料,要花16個月的時間才能全部傳回地球。有關冥王星系統的新發現,將繼續震撼2016年的我們。

相關文章:

 

 

2.革命:CRISPR/Cas9

對當今的分子生物學界而言,CRISPR/Cas9不只是一種基因剪輯技術,更是一場革命。由於它在基因剪輯方面不可思議的高效和便捷,曾經僅存於科幻小說中的情節如今已幾乎成為事實。

2015年4月,中國的中山大學副教授黃軍就實現了剪輯人類胚胎基因零的突破——他們用CRISPR/Cas9剪輯了三原核受精卵中編碼血紅蛋白β亞基的基因HBB。在這項前無古人的創舉引發的爭議尚未平息之際,哈佛大學喬治•徹奇(George Church)和楊璐菡的研究小組又利用這種CRISPR/Cas9對豬基因組進行批量剪輯,一次性徹底解決了豬內源性病毒的問題,為尋找器官移植的替代資源掃除了一大障礙。

去年,CRISPR/Cas9技術先驅張鋒的團隊成功破解了Cas9蛋白的結構,從而在更堅實的基礎上引爆了一系列技術突破。借助於SgRNA與Cas9蛋白結合時產生的特殊構象,張鋒的團隊設計出了一種利用Cas9調控基因表達的新技術。他們還開發出了一種「迷你型」的CRISPR新體系。

11月,另一位CRISPR/Cas9技術的先驅詹妮弗•杜德娜(Jennifer A. Doudna)使用即時成像的方法揭示了CRISPR系統運作的過程。而最大的突破出現在不久前,通過對Cas9蛋白的優化改造,張鋒團隊幾乎完全掃除了CRISPR系統的「脫靶」缺陷。

AIt4zG-2dLy7dt8yCDIeLw_Oq8y_ptPpA6hP1NEG3X6AAgAArAEAAEpQ
12月,基因剪輯領域的眾多科學家在美國華盛頓參加人類基因剪輯國際峰會。圖片來源:Pam Risdon/Risdon Photography/National Academy of Sciences

以CRISPR/Cas9為代表的新基因剪輯技術將無可避免地走向臨床。但在此之前,充足的研究與討論是必要的。12月,人類基因剪輯國際峰會在美國華盛頓展開,各國研究者與倫理學家、律師和相關公眾共聚一堂,深入探討了發展迅速的基因剪輯所可能帶來的科學及倫理問題。這股技術革命將把我們引向何方,我們拭目以待。

相關文章:

 

 

3.自省:可重複性專案

科學研究的可重複性一直是研究者共同關注的問題。去年,小保方晴子的「STAP細胞」結果之所以引起懷疑並最終證偽,相當一部分原因就在於她的結果無法被有效再現。在其他領域,研究者在試圖再現某些研究的結果時也常常遭遇困難。當前,已發表的研究結果可重複性究竟如何?我們又該怎麼提高它?

今年,一項旨在驗證科研成果可重複性的研究成為了引發熱烈討論的學界熱點。在開放科學中心的號召下,超過270名研究者參與了名為「可重複性專案:心理學篇」的研究專案。在他們的努力下,發表在三份頂級心理學期刊上的100項研究接受了重複實驗的考驗。8月,這一專案的結果發表在《科學》上:按照研究者制定的可再現標準,100項研究中有61項的結果無法再現。當然,研究者也強調,這一次重複沒有得到與原研究一致的結果,並不意味著原研究必然是錯的——科學並不能靠一個研究給出定論,只能一點點地去除不確定性。

_8MW5LkVG65qDf7vLHgWZqN3GkVF3sEoy-NCxLgZznzoCAAA8AUAAEpQ
開放科學中心的創始人之一,維吉尼亞大學心理學教授布萊恩·諾賽克(Brian Nosek)。圖片來源:news.virginia.edu

另一方面,由於重複實驗的成本與時間投入極高,「可重複性項目:癌症生物學」課題在12月宣佈將其原預期重複的50項研究減少到37項。不過,在這個向度上的努力仍將為評估癌症生物學領域的結果可重複性提供參考。

新的研究結果每時每刻都在往外發表,而可重複性項目的意義,正在於使研究者這些研究的可重複性問題。當我們目睹一種新觀點的誕生,我們必須有意識地先問一下:支持這種觀點的結果,能被再現嗎?為什麼?

 

 

 

4.顛覆:腦部淋巴管

解剖學是現代醫學中相對「穩定」的領域。自維薩里於16世紀開創了現代人體解剖學,到20世紀初,解剖學知識似乎就已「凝固」了。而根據2015年6月一項發表于《自然》的發現,解剖學教科書恐怕要更新了。

在此前大家熟知的知識裡,流淌著淋巴液的淋巴管道遍佈全身,但並不存在於腦部。而由美國維吉尼亞大學喬納森•基普尼斯(Jonathan Kipnis)教授實驗室報告的這項發現則得出了驚人結論:大腦會通過淋巴管道與免疫系統直接相連。

43a4H8NuelYLAWz5xnfFTKh2UfdIfG4DJlVxZ5se_J6RAgAAvQEAAEpQ
小鼠腦膜中隱蔽存在於血管(綠)旁側的淋巴管(紅)。圖片來源:Antonie Louveau

實驗室的博士後安東尼•盧沃(Antonie Louveau)在解剖小鼠腦膜時發現,玻片上的免疫細胞呈管狀分佈,隨後就在那裡發現了根本不可能存在的淋巴管。也許是因為位置實在太隱蔽,此前的研究從未發現中樞神經系統中的淋巴管。基普尼斯堅信,他們也會在人類大腦中發現同樣的結構。

這一發現在業界激起了極大反響。有研究者認為這會改寫教科書,也會改變我們對大腦運作機制和阿茲海默症、多發性硬化症等多種腦部疾病的理解。不過也有研究者對發現的具體意義持保留態度,表示要等待人體中的研究結果。進一步的研究將帶領我們迫近更確切的真相。

 

 

 

5.驗證:無漏洞貝爾測試

10月29日,荷蘭台夫特理工大學的科學家在《自然》雜誌上撰文,宣稱他們在實驗中無漏洞地驗證了貝爾不等式。

所謂貝爾不等式,本質上是量子力學與愛因斯坦的觀念之爭。量子力學認為,粒子的狀態在觀測前是不確定的,直到觀測的那一刻才會確定下來。對於一對相互糾纏的粒子而言,對其中一個粒子進行觀測,另一個粒子的狀態也會在一瞬間確定下來,無論兩者相距多遠。在愛因斯坦看來,這種超距作用明顯超過光速,違背了相對論,是不可思議的。他堅持認為,粒子的性質在測量之前就確定好了,只不過量子力學並不完整,所以無法預測出它的性質。貝爾不等式為兩種觀點提供了一個可以測量的判據,能夠分辨這兩個觀點誰對誰錯。

F5cfYfzOlszKXckblxJsAjVE0KL7uZZOl-Q3NdzgOdPiBAAAVgMAAFBO
荷蘭台夫特理工大學的科學家在檢查貝爾不等式實驗裝置。圖片來源:台夫特理工大學漢森實驗室

過去30多年來,已經有多項實驗檢驗過貝爾不等式,實驗結果都支持量子力學的觀點。然而,所有那些實驗或多或少都存在漏洞,有些沒有排除局域性漏洞,有些則沒有排除測量漏洞。荷蘭的科學家在金剛石色心系統中完成的貝爾不等式實驗,首次同時避免了這兩種漏洞,從而證偽了愛因斯坦提出的量子力學不完整的觀點,更確鑿地支持了量子力學。

不過,也有科學家指出,這一實驗並未排除第三個漏洞,也就是「自由意志選擇」漏洞。未來,如果能夠在地球和月亮之間進行實驗,才能真正做到毫無漏洞地驗證貝爾不等式。

 

 

 

6.觸碰:人造皮膚

人的手部皮膚和大腦之間的互動異常精細複雜,一隻手上就有上萬感受器負責接收不同的資訊。這讓義肢很難模擬真實肢體的感覺。但為了讓更多因故無法用手體會物體質感的人重獲觸覺,一些研究者決定迎刃而解。2015年10月發表於《科學》的一項研究,就首次成功將人造皮膚將感知到的壓力傳遞到人造皮膚佩戴者的神經系統。

VZbBExwdV6-m5FEMVRwEzJ94q8MUoNxsbTL6F9G48keAAgAA4AEAAEpQ
可延展塑膠皮膚和裡面的人造機械感受器。圖片來源:Bao Research Group, Stanford University

這項工作由史丹福大學華裔科學家鮑哲楠帶領的研究小組完成,他們借助光遺傳學,成功地讓人造皮膚感受壓力並將觸覺傳遞給了小鼠的大腦切片。技術的核心是一種名為「DiTact」的人造機械感受器,在這個感受器的上層,具有延展性的壓力感受材料能夠模擬皮膚,「區分」施加其上的不同壓力,並轉化成不同的電壓信號;下層的積體電路則能將電壓信號轉換成電脈衝。電脈衝隨後被轉化為光脈衝,再傳到小鼠的神經元。

這項工作的重要之處在於,這種壓力感受器能產生與神經元工作方式相容的信號,為以後在義肢中整合應用打下了基礎。研究者未來的目標是讓人造皮膚能感知並傳遞溫度、質地等其他觸覺感受,最終致力於向需要的人提供完善的「人造觸覺」。

 

 

 

7.驚異:最亮類星體

2月26日,北京大學科維理天文與天體物理研究所的吳學兵教授率領的團隊,在《自然》雜誌上發表論文,宣佈發現了目前已知的遙遠宇宙中發光最亮、中心黑洞品質最大的類星體。

所謂類星體,是星系中心超大黑洞吞噬物質釋放巨大能量的一種現象。吳學兵等人利用中國雲南口徑2.4米的天文望遠鏡,發現一顆距離我們128億光年、發光強度是太陽的430萬億倍、中心黑洞品質約為太陽120億倍的超亮類星體。

V9UcALJcCt507KbV6JDfMSUUtYE6dnUeEDHbzPsYQkToAwAAnAIAAFBO
遙遠宇宙中擁有巨大黑洞的類星體示意圖。圖片製作人:李兆聿/上海天文臺;背景圖片來源:NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory

這一超級黑洞的發現,對宇宙早期黑洞的形成與增長理論提出了嚴峻的挑戰。按照目前主流的大爆炸理論,我們的宇宙形成於138億年前。天文學家現在必須思考,如何在短短9億年的時間裡,讓一個黑洞長到120億倍太陽品質!這種增長方式一定是非常特別的,至少目前的理論是難以解釋的。

同時,這一類星體又是遙遠宇宙中最亮的類星體,比太陽亮430萬億倍。它就像遙遠夜空中一盞最明亮的燈塔,其耀眼的光芒可幫助天文學家瞭解很多以前無法瞭解的宇宙早期的資訊。在觀測得到的近紅外光譜中,天文學家已發現了從這一遙遠類星體到地球的漫漫長路上,光所經過的在不同距離上分佈的宇宙物質的「腳印」,這也為以後利用更多的遙遠類星體來研究早期宇宙的結構提供了最好的示範。

相關文章:

 

 

8.我們的新祖先:納萊蒂人

人類進化樹枝繁葉茂,近30種古人類曾先後生活在這個世界上,而在2015年9月,這個名單又增加了一位新成員。但這個新的祖先有些不同尋常:也許在他們那裡,誕生了最初的葬禮。

這個新的人屬物種發現於南非約翰尼斯堡西部的升星洞,按照當地索托語「星」一詞而命名為納萊蒂人(Homo naledi)。他看起來是南方古猿和人之間的過渡。腦容量很小,但是顱骨的各種形態都更加和人相似;軀幹和骨盆較為原始,但手部靈活,應是出色的工具使用者;趾骨彎曲形成足弓,這是直立行走的證據。

uIbQ83oaOpenBTGhyGAi8ooNsMKroeVChxHnQNlTtRroAwAANAIAAEpQ
納萊蒂人的臉部和骨骼復原圖。圖片來源:nationalgeographic.com

但真正奇特的是這個洞穴的其他特點。這裡有多達1500塊人骨,對應至少15個人,卻沒有任何石器或者其他生活痕跡;人骨上沒有野獸咬痕,周圍也沒有對應著洪水的碎石或者植物體。排除別的選項,留下的最大可能是:這是一處納萊蒂人用來埋葬同伴的墓穴。

當然,我們無從猜測埋葬行為的起源,但如果將來我們能順利得出他們生存的時代,那這也許就是最初的文明火花之一。

相關文章:

 

 

9.舊命:宇宙正死去

宇宙正在死去。當然這早就不是什麼新聞了,萬事萬物都在死去——但現在我們知道了它死去的速度。

在分析了20萬個恆星系的能量產出之後,巡天調查(GAMA)的天文學家發現,它們的光和熱只有20億年前的一半了,並且還在持續下跌。

我們宇宙中的一切都來源於大爆炸,但是爆炸的餘暉將不可避免地逐漸消退。恆星系依然在誕生中,只是新的恆星系趕不上舊星系衰退的速度而已。而四台天文望遠鏡從紅外到紫外的21個波段資料顯示,這一衰退同時發生在所有的頻段上。23億年前,我們宇宙產生的能量還是(2.5±0.2)*1035h70 W Mpc-3,15億年前的能量產率已經降到了88%,7.5億年前是60%,今天只有50.4%。

ajcxSZmh49D9pFUcnTbaeeIJ409QFG_LIj3iNEkowFyAAgAArQEAAEpQ
藝術家筆下描繪宇宙終結場景的概念圖。圖片來源:Moonrunner Design/ science.nationalgeographic.com

當然,23億年前地球上甚至都沒有真核生物,也沒有充足的理由相信人類能存活到23億年之後。但是,當太陽最終熄滅,我們終於被逼無奈要尋找另一顆太陽的時候,如果突然發現四周一無所有,我們也不應該感到驚訝。

 

 

 

10.合作:巴黎協定

2015年12月14日,在巴黎氣候峰會上,世界歷史性地達成了一個普遍性的、具有法律約束力的氣候變化協定。自《京都議定書》以來氣候峰會未能促成廣泛性協議的歷史,在2015年末終結了。

v6ugAAlMo2M3OXIGGeKXKP7OKurszPRTbb_GTRqR6ntQAgAA7gEAAEpQ
巴黎氣候峰會與會者共同慶祝巴黎協議的通過。從左至右:聯合國氣候變化首席克利斯蒂安娜·菲格雷斯、聯合國秘書長潘基文、法國外交部長法比尤斯和法國總統歐蘭德。圖片來源:nytimes

氣候資料顯示,自工業革命以來,人類因燃燒化石燃料排放了大量溫室氣體。如果不加以遏制,全球平均溫度會在2100年上升4.5℃。極地冰川融化、海平面上升、許多沿海地區將被海水吞噬。同時,氣候變化引發的風暴、洪水、乾旱等極端天氣越發頻繁猛烈。除此以外,中國還經歷著化石燃料為主的能源結構帶來的影響——空氣污染。世界迫切需要共同應對氣候變化的挑戰。

在此背景下,協議制定了應對氣候變化的目標及措施:1、相較前工業水準,全球變暖應「遠低於」2℃,並「努力」使變暖的溫度低於1.5℃;2、減少化石燃料的使用;3、每五年對國家進行審查,並根據情況提高減排目標。此外,富裕國家將對貧窮國家提供資助,幫助後者發展更為綠色的能源。

具體到中國的計畫,將是穩步用可再生能源替代化石燃料,從而減少二氧化碳排放並減少空氣污染,並在2030年前達到二氧化碳排放的峰值。

雖然仍面臨著協定目標過高難以達到、沒有規定各國的減排指標以及沒有包括進國際航運和航空等一系列問題,但巴黎氣候峰會無異給世界人民傳達了一個有力信號:在氣候變化上,全球將相互合作,引導人類走向更安全的未來。

相關文章:

 

撰文:果殼科技評論

編輯:Calo

 

本文來源於果殼網(微信公眾號:Guokr42),這是一個開放、多元的泛科技主題網站,提供負責任、有智趣的科技主題內容,歡迎關注他們。如需轉載請直接聯系media@guokr.com