2020年新冠肺炎疫情席卷全球，人們的生活和工作很大程度上被疫情所左右。不過(guò)各國(guó)科學(xué)家們?cè)谌绱死щy的局面下，仍然為我們帶來(lái)了多項(xiàng)重大的科技進(jìn)展。下面選出的這些科技新聞，都可以說(shuō)是本年度科學(xué)界令人印象深刻的瞬間，快來(lái)看看有沒(méi)有你還沒(méi)了解的內(nèi)容吧。
TESS傳來(lái)新發(fā)現(xiàn)
1月6日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）宣布，經(jīng)由凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）的觀測(cè)結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)位于宜居帶的地球大小的系外行星。該行星被命名為T(mén)OI 700 d，與地球相距約100光年，它圍繞的恒星TOI 700是一個(gè)相當(dāng)于太陽(yáng)四成大小的紅矮星。TOI 700 d的大小約為地球的兩成，公轉(zhuǎn)周期37天，它所接受到的來(lái)自恒星的能量，大約是地球接受到來(lái)自太陽(yáng)能量的86%。
此外，本次NASA還公布了另外一組來(lái)自TESS的最新觀測(cè)結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞著雙星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星，這是TESS首次發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的行星。該行星被命名為T(mén)OI1338 b，是TOI1338星系的唯一行星，大小約是地球的7倍，生命存在的可能性非常低，距離地球1300光年。
TESS不斷傳來(lái)的新發(fā)現(xiàn)豐富了人們對(duì)于宇宙和自身的認(rèn)知，只是這動(dòng)輒幾百上千光年的距離，對(duì)于現(xiàn)世的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，也就只能遠(yuǎn)觀了。
TOI 700 d與TESS的想象圖 圖片來(lái)源：NASA
太陽(yáng)觀測(cè)史的兩大里程碑
1月31日，美國(guó)國(guó)立太陽(yáng)天文臺(tái)公開(kāi)了由井上建太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（DKIST）拍攝的太陽(yáng)表面照片，分辨率達(dá)到了30千米。這張照片中，太陽(yáng)表面布滿了細(xì)胞一樣的小團(tuán)塊，然而每個(gè)“細(xì)胞”實(shí)際上都有美國(guó)得克薩斯州那么大。“細(xì)胞”的形成與太陽(yáng)表面的熱對(duì)流有關(guān)，明亮的中央部分是上升的灼熱等離子體，在冷卻后它們就會(huì)落到“細(xì)胞”周邊的黑線處。好像煮開(kāi)的水同時(shí)有多處沸騰的小突起，而相鄰的小突起間又會(huì)形成互相沖撞的界限。
7月20日，歐洲航天局領(lǐng)導(dǎo)的太陽(yáng)軌道飛行器任務(wù)也發(fā)布了第一張?zhí)?yáng)照片，雖然它的照片看起來(lái)沒(méi)有DKIST在一月份的作品那么令人印象深刻，但它的拍攝地點(diǎn)離太陽(yáng)非常近（7500萬(wàn)公里），只有大約地球到太陽(yáng)距離的一半。而且，該飛行器還在調(diào)整軌道，不斷向著離太陽(yáng)更近的方向前進(jìn)，到2022年初，它將飛到離太陽(yáng)4800萬(wàn)公里的地方。到那時(shí)，我們才能領(lǐng)略它的真正威力。
在地球上給太陽(yáng)拍照固然可以動(dòng)用更加大型、更加復(fù)雜的設(shè)備，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)軌道飛行器那樣的“上帝視角”，相信我們很快就能得到更多關(guān)于太陽(yáng)的最新研究成果。
DKIST觀察到的太陽(yáng)表面（左）和太陽(yáng)黑子（右）圖片來(lái)源：NASA
Space X載人飛行有得有失
5月30日，獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭搭載載人龍飛船先行2號(hào)升空，5月31日，飛船與國(guó)際空間站成功對(duì)接。先行2號(hào)是民營(yíng)航天制造商Space X發(fā)射的首艘載人飛船，也是美國(guó)自2011年航天飛機(jī)退役后的首次本土載人任務(wù)。2名航天員搭載該飛船前往國(guó)際空間站，并于8月3日成功返回地球。完成載人任務(wù)標(biāo)志著獵鷹9號(hào)系列載具和龍系列飛船的性能與可靠性達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，從此載人航天的主要玩家在中美俄三大國(guó)之外，又多了Space X這家民營(yíng)企業(yè)。
載人龍飛船先行2號(hào)的兩名成員 圖片來(lái)源：NASA
12月9日，Space X的星艦航天系統(tǒng)完成了第一次真正意義上的高空測(cè)試。這架被命名為SN8的原型機(jī)從南得克薩斯州起飛后，上升到了12公里左右的高空，并在空中進(jìn)行了一系列飛行測(cè)試項(xiàng)目。雖然12公里距離各種航天器的地球軌道高度還有一定距離，但這與真正的太空任務(wù)僅有量的區(qū)別，并非質(zhì)的不同。在飛船回收環(huán)節(jié)，Space X試驗(yàn)了一種新穎的高難度落地方式。飛船將一直以腹部與地面平行的姿態(tài)向地表下落，然后在最后一瞬間點(diǎn)火啟動(dòng)火箭，讓體態(tài)轉(zhuǎn)為豎直并著陸。遺憾的是，飛船的著地速度過(guò)快，以至于撞上無(wú)人回收船后猛烈爆炸。
不過(guò)，馬斯克仍然聲稱(chēng)這次實(shí)驗(yàn)非常成功，雖然飛船沒(méi)能實(shí)現(xiàn)成功著陸，但完成了既定的高空飛行課目，落地即便失敗也取得了有意義的數(shù)據(jù)。馬斯克更是在推特上喊出了“火星，我們來(lái)了！”。馬斯克隨后稱(chēng)，如果2024年NASA的阿爾忒彌斯項(xiàng)目能夠成功讓星艦飛船在月球表面著陸，2026年Space X將進(jìn)行首次載人火星任務(wù)。
小行星探險(xiǎn)計(jì)劃扎堆
登陸月球火星之外，人類(lèi)今年也讓宇宙探測(cè)器的足跡踏上了小行星。10月20日，NASA旗下的小行星探測(cè)器OSIRIS-Rex與其探測(cè)了數(shù)個(gè)月的小行星“貝努”進(jìn)行交會(huì)。貝努距離地球大約3億3千萬(wàn)公里，直徑大約490米，是科學(xué)家重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的可能給地球帶來(lái)威脅的小行星之一。OSIRIS-Rex于2016年9月升空，直到2018年底才抵達(dá)貝努，進(jìn)入距離其2千米的軌道，進(jìn)行每61小時(shí)一周的繞星運(yùn)動(dòng)。
10月20日，OSIRIS-Rex下降到僅僅距離貝努表面幾米遠(yuǎn)處，然后將搭載的機(jī)械臂伸向貝努表面。機(jī)械臂的前端是一個(gè)像吸塵器一樣的吸盤(pán)，吸盤(pán)會(huì)抵住土壤表面，但采樣時(shí)并非使用吸力，而是透過(guò)機(jī)械臂向貝努表面發(fā)射壓縮氮?dú)狻饬鲿?huì)裹挾吹起的巖石和塵土進(jìn)入到吸盤(pán)內(nèi)側(cè)布置的樣品室中，這種方法預(yù)計(jì)將采集數(shù)十克樣品。成功采樣后，OSIRIS-Rex將在2021年3月21日踏上歸途，由于距離遙遠(yuǎn)，它回到地球也將是2023年9月了。
OSIRIS-Rex采樣示意圖 圖片來(lái)源：NASA
與OSIRIS-Rex僅僅維持16秒的軟著陸式采樣不同，日本的隼鳥(niǎo)2號(hào)探測(cè)器則是扎扎實(shí)實(shí)地在小行星“龍宮”表面進(jìn)行了登陸和探測(cè)，然后再進(jìn)行采樣，并從龍宮表面起飛返回。2020年12月6日，經(jīng)過(guò)一年多飛行的隼鳥(niǎo)2號(hào)返回了地球，返回艙在澳大利亞南部沙漠地帶著陸，并在澳大利亞空軍的協(xié)助下進(jìn)行了回收。
2020年12月15日，日本宇航機(jī)構(gòu)JAXA對(duì)隼鳥(niǎo)2號(hào)返回艙中的密封樣品室進(jìn)行了開(kāi)封，令研究人員喜出望外的是，隼鳥(niǎo)2號(hào)帶回了大量的龍宮土壤樣品，這比最初計(jì)劃的0.1克多了許多倍。由于在樣品室打開(kāi)之前，誰(shuí)也不知道采樣是否成功，因此參與項(xiàng)目的科學(xué)家們心情必然十分忐忑。據(jù)最早看到樣品室內(nèi)部的澤田宏崇研究員稱(chēng)，他當(dāng)時(shí)的心情是“激動(dòng)到失語(yǔ)”。
日美兩國(guó)間關(guān)于這兩個(gè)小行星探測(cè)計(jì)劃還有著一項(xiàng)樣品互換的約定，OSIRIS-Rex將向JAXA提供0.3克貝努土壤樣品，而隼鳥(niǎo)2號(hào)則需要向NASA提供龍宮帶回樣品的10%，且這一約定不會(huì)因某一方項(xiàng)目失敗而中止。雖然看起來(lái)各取所需，但OSIRIS-Rex預(yù)期帶回的樣品約為60克到2千克，而隼鳥(niǎo)2號(hào)預(yù)計(jì)則只有0.1克（雖然實(shí)際上大大超過(guò)了這一數(shù)值）。這樣算來(lái)，我等中立吃瓜群眾只能說(shuō)這個(gè)協(xié)議實(shí)在堪稱(chēng)是不平等條約。
隼鳥(niǎo)2號(hào)的實(shí)機(jī)大小（左）及返回艙密封膠囊內(nèi)部（右） 圖片來(lái)源：JAXA
生物工程領(lǐng)域“黑科技”頻頻現(xiàn)身
6月29日，美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表研究成果稱(chēng)他們利用細(xì)胞工程學(xué)方法，成功修復(fù)了重度損傷的家兔子宮。具體來(lái)說(shuō)，研究人員首先從家兔體內(nèi)提取干細(xì)胞，然后將其培養(yǎng)成類(lèi)似“補(bǔ)丁”的薄膜組織，之后再移植到缺損的家兔子宮。這些來(lái)自家兔自身的“補(bǔ)丁”，不僅能在數(shù)個(gè)月后與原有子宮完美融合，還不會(huì)激發(fā)免疫反應(yīng)。10只接受了移植手術(shù)的家兔中，有4只順利懷孕生產(chǎn)，作為對(duì)比，不進(jìn)行手術(shù)的家兔則完全無(wú)法生育后代。這項(xiàng)研究為那些由于子宮異常而無(wú)法懷孕的女性帶來(lái)了新的希望。
6月18日，美國(guó)環(huán)保署批準(zhǔn)了生物工程公司牛津科技（Oxitec）的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。這家公司于今年夏天在美國(guó)多地釋放基因編輯蚊子，以評(píng)估其對(duì)于削減野生蚊子種群數(shù)量的效果。基因編輯蚊子的體內(nèi)攜帶著某些缺陷，從而會(huì)在與野生種交配后出現(xiàn)早夭、無(wú)法產(chǎn)生后代或者后代同樣存在缺陷等后果。在已經(jīng)進(jìn)行的大部分實(shí)驗(yàn)中，瞬間釋放的海量“問(wèn)題”蚊子都讓當(dāng)?shù)赝N蚊子的數(shù)量下降了百分之八十以上。當(dāng)然，出廠之前雌蚊都會(huì)被篩選出來(lái)并加以消滅，實(shí)際上所釋放的都是不會(huì)叮咬人的雄蚊。
9月16日，以沃爾巴克氏體為技術(shù)核心的滅蚊方法也在今年夏天完成了數(shù)次大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家將寄生細(xì)菌沃爾巴克氏體導(dǎo)入蚊子體內(nèi)，該細(xì)菌將通過(guò)蚊子的交配行為在蚊子種群中廣泛傳播。而這種細(xì)菌的寄生行為會(huì)導(dǎo)致雌蚊死亡或者失去生育能力。沃爾巴克氏體之前在多種昆蟲(chóng)身上皆有發(fā)現(xiàn)，它們與其宿主的關(guān)系非常復(fù)雜，大部分情形下會(huì)造成宿主的壽命縮短以及生殖行為異常。當(dāng)雄蚊被沃爾巴克氏體感染后，這種寄生菌會(huì)放出毒素污染被感染雄性的精子。當(dāng)健康雌性的卵子與這些“毒精子”相遇后，將產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)不相容效應(yīng)，無(wú)法正常發(fā)育。當(dāng)大量被感染的雄蚊被釋放到環(huán)境中后，雌蚊與其交配將無(wú)法產(chǎn)生后代。此外，最新的滅蚊技術(shù)還有更加玄幻的“基因驅(qū)動(dòng)”等，可以毫不夸張地說(shuō)，人類(lèi)想讓蚊子絕種的辦法可不止一種。
12月4日，荷蘭神經(jīng)研究所的團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，報(bào)道了一種通過(guò)在猴子大腦植入電極，然后不經(jīng)過(guò)視網(wǎng)膜就能形成一定視覺(jué)的方法。雖然這可能并不是類(lèi)似技術(shù)的首次運(yùn)用，但這次研究人員在數(shù)個(gè)關(guān)鍵參數(shù)方面都取得了前所未有的進(jìn)步。猴腦中植入的傳感器擁有1024個(gè)電極，其產(chǎn)生的模擬視覺(jué)信號(hào)具有很高的分辨率，可以達(dá)到讓猴子識(shí)別屏幕上英文字母的水平。這項(xiàng)技術(shù)為失去視覺(jué)的人帶來(lái)了不小的希望，只要在腦中植入特殊的傳感器，就可能不依靠眼睛來(lái)感受視覺(jué)信號(hào)。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)眼下距離應(yīng)用還有一定距離，例如植入大腦的傳感器最多只能維持1年左右的功能，之后就將被腦組織所包覆侵蝕而失效。
腦部刺激產(chǎn)生人工視覺(jué)示意圖 圖片來(lái)源：《科學(xué)》
AI不光會(huì)下圍棋，還能計(jì)算蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
12月1日，DeepMind對(duì)外宣布，其開(kāi)發(fā)的人工智能系統(tǒng)AlphaFold2基本解決了“蛋白質(zhì)折疊”問(wèn)題。該問(wèn)題的解決意味著人類(lèi)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析和預(yù)測(cè)進(jìn)入了新的紀(jì)元，是科學(xué)史上的重大成就。如果要評(píng)選今年的年度科學(xué)大新聞，AI解決蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題很可能會(huì)被列在頭名。蛋白質(zhì)好比是一部精心組裝的機(jī)器，空間結(jié)構(gòu)就是它的組裝方式，組裝方式一旦不正確，即便零件都完好，機(jī)器也無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)人類(lèi)而言，破解組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列并不算特別困難，難點(diǎn)在于如何破解它的空間結(jié)構(gòu)。
在AI時(shí)代到來(lái)之前，人類(lèi)已經(jīng)有不少巧妙的辦法來(lái)窺探蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘。但這些方法并不能滿足人類(lèi)對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)生理功能研究的全部需求，這其中最大的問(wèn)題就在于，這些分析手段說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但是實(shí)際操作起來(lái)卻相當(dāng)勞神費(fèi)力，解析一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)很可能要花好幾年時(shí)間。利用AI解決蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題的本質(zhì)其實(shí)可以理解為讓AI在僅僅知道氨基酸序列的前提下預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。
本次取得重大進(jìn)展的AlphaFold2其實(shí)早在2018年就初露鋒芒了，當(dāng)時(shí)它的前代型號(hào)AlphaFold在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的世界性大賽CASP中奪冠，準(zhǔn)確地從43種蛋白質(zhì)中預(yù)測(cè)出了25種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，而第二名的獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)僅準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出3種。當(dāng)時(shí)AlphaFold參加的也是允許人與算法共同合作的humans and servers組別，最終AlphaFold獲得了“前所未有的進(jìn)步”這樣的高評(píng)價(jià)。
本次大賽，AlphaFold2更是以壓倒性的成績(jī)點(diǎn)數(shù)，讓人們直接喊出了“蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題已經(jīng)被AI解決”這樣的豪言。AlphaFold2預(yù)測(cè)出的多種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，僅僅與實(shí)驗(yàn)測(cè)出的真實(shí)結(jié)構(gòu)存在原子尺度上的細(xì)微差異，已經(jīng)可以說(shuō)達(dá)到了與傳統(tǒng)手段類(lèi)似的精度。
AlphaFold2里程碑性質(zhì)的進(jìn)展，讓人類(lèi)有望在多個(gè)領(lǐng)域得到來(lái)自AI的切實(shí)助力。例如，阿爾茨海默癥、帕金森綜合征、亨廷頓綜合征等神經(jīng)系統(tǒng)病變都與蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊有關(guān)，這直接導(dǎo)致蛋白質(zhì)本該有的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生異常。AI的介入將讓人類(lèi)更有效地了解這些錯(cuò)誤折疊背后的機(jī)理，從而更加有效地提出治療方案。
動(dòng)圖：AlphaFold預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)（藍(lán)色）與實(shí)際結(jié)構(gòu)（綠色）對(duì)比 圖片來(lái)源：AlphaFold
2020馬上就要過(guò)去，在即將到來(lái)的2021年，相信我們大家除了希望能盡快驅(qū)散疫情的陰霾，也希望能看到更多科技成就的誕生。