北京時(shí)間12月20日，《Science》公布了今年的十大突破。
一、“直視”黑洞
圖片來(lái)源：UNIVERSITY OF ARIZONA/INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY
圖片來(lái)源：EHT COLLABORATION/CC 4.0
巨大的、無(wú)處不在的黑洞，在某些情況下甚至像我們的太陽(yáng)系一樣大，隱藏在我們的視線中。它們的引力對(duì)周圍物體的影響，及其最近碰撞時(shí)發(fā)出的引力波都揭示了它們的存在。但在4月份之前，還沒(méi)有人直接看到過(guò)。就在那時(shí)，一個(gè)國(guó)際射電天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一張令人震驚的黑洞特寫圖像，顯示了一個(gè)黑暗的中心被圍繞它旋轉(zhuǎn)的光子產(chǎn)生的光環(huán)所包圍。荷蘭奈梅亨大學(xué)的Heino Falcke是制作這張照片的團(tuán)隊(duì)成員之一。他說(shuō)：“第一眼的感覺(jué)就像是看見(jiàn)了地獄的大門。”這張令人回味的圖片是《Science》評(píng)選的2019年年度突破冠軍。
二、與丹尼索瓦人“面對(duì)面”
一位藝術(shù)家基于從DNA推斷身體特征的新方法復(fù)原丹尼索瓦女孩的樣貌。圖片來(lái)源：MAAYAN HAREL
大約40年前，一位佛教僧人在青藏高原邊的白石崖巖溶洞穴中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的人類顎骨。他意識(shí)到這個(gè)長(zhǎng)著巨大臼齒的下顎很特別，就把它交給了另一個(gè)和尚，后者把它捐贈(zèng)給了學(xué)者。但沒(méi)人知道這到底是什么。
今年五月，中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所、蘭州大學(xué)和德國(guó)馬普進(jìn)化人類學(xué)研究所學(xué)者領(lǐng)銜、多家境內(nèi)外科研院所參與的青藏高原丹尼索瓦人研究發(fā)表于《Nature》上。研究揭示，一件發(fā)現(xiàn)于中國(guó)甘肅省甘南州夏河縣白石崖溶洞的古人類下頜骨化石距今已有16萬(wàn)年，是除西伯利亞阿爾泰山地區(qū)丹尼索瓦洞以外發(fā)現(xiàn)的首例丹尼索瓦人化石，也是目前青藏高原的最早人類活動(dòng)證據(jù)。
在古DNA高度降解的情況下，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用古蛋白質(zhì)分析方法，通過(guò)分子學(xué)信息來(lái)判斷古老化石的歸屬。蛋白質(zhì)中的氨基酸序列蘊(yùn)含了個(gè)體演化一些信息，盡管這種遺傳信息相較DNA信息是非常小的，但在夏河人化石中發(fā)現(xiàn)了丹尼索瓦人特有的蛋白質(zhì)，這為確定其為丹尼索瓦人提供了最主要的證據(jù)。
蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院張東菊副教授說(shuō)：“這塊下頜骨表明，丹尼索瓦人的地理分布區(qū)域比我們以前認(rèn)為的要廣泛得多，海拔也更高。”化石僅保存了古人類下頜骨的右側(cè)，下頜骨附著第一臼齒和第二臼齒，其他的牙齒僅保留牙根部分，頜骨形態(tài)粗壯原始，臼齒較大，可以很清楚看到它沒(méi)有下巴，這說(shuō)明它不是現(xiàn)代人化石。
早期研究表明，丹尼索瓦人的遺傳物質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了一種突變，該突變有助于在青藏高原這種高海拔-低氧環(huán)境中的生存。今天的西藏人群基因中也有同樣的突變，這可能證實(shí)了丹尼索瓦人對(duì)青藏高原上的藏族人群和夏爾巴人群有基因貢獻(xiàn)——高寒缺氧環(huán)境基因(EPAS1)。
參考文獻(xiàn)：
F. Chen et al., A late Middle Pleistocene Denisovan mandible from the Tibetan Plateau, Nature, Vol. 569, p. 409, 1 May 2019
D. Gokhman et al., Reconstructing Denisovan Anatomy Using DNA Methylation Maps, Cell, Vol. 179, p. 180, 19 September 2019
A. Gibbons, First fossil jaw of Denisovans finally puts a face on elusive human relatives, Science, 1 May 2019
M. Price, Ancient DNA puts a face on the mysterious Denisovans, extinct cousins of Neanderthals, Science, 19 September 2019
三、“量子霸權(quán)”
Google的量子處理器芯片 圖片來(lái)源：Google
這或許是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑事件：谷歌宣稱「量子霸權(quán)」已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，他們首次在實(shí)驗(yàn)中證明了量子計(jì)算機(jī)對(duì)于傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性：在世界第一超算 Summit 需要計(jì)算 1 萬(wàn)年的實(shí)驗(yàn)中，谷歌的量子計(jì)算機(jī)只用了 3 分 20 秒。
在最近提交的一份論文中，研究人員提出了這一主張，它也是迄今為止表明量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)，并走向?qū)嵱没顬閺?qiáng)烈的跡象。在未來(lái)，我們或許可以使用這種全新工具解決此前無(wú)法解決的數(shù)學(xué)問(wèn)題。
量子霸權(quán)是指量子計(jì)算擁有的超越所有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。谷歌的研究人員聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，這意味著最新的量子計(jì)算機(jī)能力已經(jīng)達(dá)到了目前最為強(qiáng)大的超算也無(wú)法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒內(nèi)完成特定任務(wù)的運(yùn)算，而目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)、美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的「Summit」執(zhí)行同樣任務(wù)需要大約一萬(wàn)年時(shí)間。
四、腸道微生物對(duì)抗?fàn)I養(yǎng)不良
每年都有數(shù)百萬(wàn)嚴(yán)重營(yíng)養(yǎng)不良的兒童無(wú)法完全康復(fù)，即使他們吃飽了，仍然會(huì)發(fā)育不良和體弱多病。十年的研究已經(jīng)找到了一個(gè)根本原因：他們的腸道微生物尚未成熟。今年，一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本且易于獲得的補(bǔ)充劑，可以優(yōu)先刺激有益腸道細(xì)菌的生長(zhǎng)。這些補(bǔ)充劑在小規(guī)模試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，目前正在進(jìn)行更大規(guī)模的臨床試驗(yàn)，以觀察其在預(yù)防發(fā)育遲緩方面的效果。
早期的研究發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)不良無(wú)法康復(fù)兒童的腸道微生物組具有嬰兒微生物組的特征，而更成熟的微生物組是對(duì)營(yíng)養(yǎng)做出良好反應(yīng)的關(guān)鍵。研究小組首先確定了代表成熟腸道菌群的15種細(xì)菌。他們還確定了包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的血液標(biāo)志物，這些標(biāo)志物標(biāo)志著營(yíng)養(yǎng)不良的影響得以恢復(fù)。然后，他們測(cè)試了發(fā)展中國(guó)家容易找到的各種食物組合，以觀察微生物組的反應(yīng)，首先是對(duì)小鼠的反應(yīng)，然后是對(duì)豬的反應(yīng)，最后是對(duì)一小群營(yíng)養(yǎng)不良兒童的反應(yīng)。
作為食品補(bǔ)充劑的標(biāo)準(zhǔn)成分，奶粉和大米對(duì)關(guān)鍵細(xì)菌的擴(kuò)散幾乎沒(méi)有什么幫助，但含有鷹嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的補(bǔ)充劑有助于腸道菌群的成熟。經(jīng)過(guò)短暫的臨床試驗(yàn)后，服用補(bǔ)充劑的兒童血液中含有更多的蛋白質(zhì)和代謝物，這些都是正常生長(zhǎng)的標(biāo)志。
更多的兒童正在接受更長(zhǎng)時(shí)間的隨訪，以觀察這些變化是否會(huì)從發(fā)育遲緩中恢復(fù)過(guò)來(lái)，這是改善微生物組可以幫助解決這一全球性問(wèn)題的最終證據(jù)。美國(guó)芝加哥大學(xué)的醫(yī)學(xué)家Eric Pamer表示，如果可以，尤其是如果可以在醫(yī)院以外的家中提供治療，這是解決該問(wèn)題的最新趨勢(shì)，那么影響可能是巨大的。
參考文獻(xiàn)：
A. Raman et al., A sparse covarying unit that describes healthy and impaired human gut microbiota development, Science, Vol. 365, 12 July 2019
J. Gehrig et al., J Effects of microbiota-directed foods in gnotobiotic animals and undernourished children, Science, Vol. 365, 12 July 2019
E. Pennisi, Gut microbes may help malnourished children, Science, Vol. 365, p. 109, 12 July 2019
五、隕石的沖擊
墨西哥尤卡坦半島上的希克蘇魯伯隕石撞擊的遺跡。圖片來(lái)源：SCIENCE
希克蘇魯伯隕石坑的形成，據(jù)推測(cè)是在6500萬(wàn)年前。與白堊紀(jì)-第三紀(jì)滅絕事件的年代相吻合。在20世紀(jì)70年代晚期，地質(zhì)學(xué)家Glen Penfield在尤卡坦半島從事石油探勘工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)此隕石坑。目前已在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)沖擊石英、重力異常、玻璃隕石等地質(zhì)證據(jù)，可證明希克蘇魯伯隕石坑是由撞擊事件造成。從巖石的同位素研究得知，希克蘇魯伯隕石坑的年代約為6,500萬(wàn)年前，時(shí)當(dāng)白堊紀(jì)與古近紀(jì)交接時(shí)期。
由于該隕石坑的規(guī)模與年代，希克蘇魯伯隕石坑常被認(rèn)為是造成白堊紀(jì)-第三紀(jì)滅絕事件的成因，并造成恐龍等生物的滅絕；但也有科學(xué)家提出當(dāng)時(shí)另有其他的滅絕因素。近年來(lái)，另有多重撞擊理論，認(rèn)為當(dāng)時(shí)有許多顆隕石在短時(shí)間內(nèi)撞擊地球，而希克蘇魯伯隕石坑僅是其中一顆。另有天文研究指出，這些隕石是在1億6,000萬(wàn)年前分裂而成。一個(gè)國(guó)際研究小組在《Science》雜志上發(fā)表研究報(bào)告，確認(rèn)在6500萬(wàn)年前，一顆小行星撞擊今天墨西哥境內(nèi)的希克蘇魯伯地區(qū)是造成白堊紀(jì)-第三紀(jì)恐龍大滅絕的原因。
六、最遙遠(yuǎn)天體的特寫
Arrokoth 圖片來(lái)源：NASA
11月13日，NASA宣布今年年初首次拍攝并回傳了人類所探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)天體的官方名字為“Arrokoth”。在印第安部落波瓦坦/阿拉貢琴語(yǔ)中，Arrokoth意為“天空”
七、“缺失環(huán)節(jié)”的微生物？
科學(xué)家培養(yǎng)這種深海微生物（淺色）花了12年的時(shí)間。圖片來(lái)源：IMACHI AND NOBU ET AL.
今年，微生物學(xué)家朝著解決有關(guān)真核生物起源的爭(zhēng)議問(wèn)題邁出了重要一步，真核生物的起源涵蓋了包括人類在內(nèi)的所有動(dòng)植物。經(jīng)過(guò)12年的嘗試，日本的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)成功地從深海沉積物中培育出一種神秘微生物，并對(duì)其基因組進(jìn)行了測(cè)序。它似乎可以揭示我們所有人的最終祖先。
這種生物名為Prometheoarocum syntroicum菌株MK-D1，是最近發(fā)現(xiàn)的Asgard微生物群的成員。這些微生物不是細(xì)菌，而是一種完全獨(dú)立的生命分支，稱為古細(xì)菌。只有從深海沉積物和其他極端環(huán)境中分離出的DNA片段才知道Asgards。令人驚訝的是，這些片段包含的基因以前被認(rèn)為僅在真核生物中發(fā)現(xiàn)，而真核生物是具有細(xì)胞核和細(xì)胞器的細(xì)胞。比較的DNA分析表明，Asgards或遠(yuǎn)古親戚甚至可能產(chǎn)生了真核生物。這個(gè)激進(jìn)的想法會(huì)將微生物從三種（古細(xì)菌，真核生物和細(xì)菌）縮小到兩種：細(xì)菌和古細(xì)菌，而真核生物被簡(jiǎn)化為古細(xì)菌的一個(gè)子集。但是鑒于證據(jù)不足，許多研究人員對(duì)此表示懷疑。
日本研究小組通過(guò)在培養(yǎng)基中培養(yǎng)這種微生物，對(duì)其全基因組進(jìn)行測(cè)序，并確認(rèn)其攜帶真核基因。他們還發(fā)現(xiàn)，它似乎與某些細(xì)菌結(jié)合生長(zhǎng)最好，并且形成了可能會(huì)吞噬細(xì)菌伴侶的短觸角。如果是這樣，那可以解釋一個(gè)Asgard如何獲得成為線粒體的微生物客體的。（一份詳細(xì)描述發(fā)現(xiàn)的論文發(fā)表在bioRxiv）
今年的其他研究已從Asgard研究組其他成員的DNA片段中鑒定出更多的真核基因。來(lái)自DNA有關(guān)Asgard代謝的信息也支持雙域而非三域假說(shuō)。然而，將近30億年前發(fā)生的事件難以重構(gòu)，并且隨著對(duì)Asgards的研究的深入，可能會(huì)出現(xiàn)新的概念。但現(xiàn)有的研究，可以更清晰地了解遙遠(yuǎn)的過(guò)去。
參考文獻(xiàn)：
H. Imachi et al., Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface, bioRxiv, 6 August 2019
E. Pennisi, Tentacled microbe hints at how simple cells became complex, Science, Vol. 365, p. 631, 16 August 2019
八、第一次，有藥物可以治療大多數(shù)囊性纖維化病例
CFTR蛋白（綠色）的模型，在細(xì)胞表面存在囊性纖維化缺陷。圖片來(lái)源：ROCKEFELLER UNIVERSITY
10月，科學(xué)家慶祝了基因藥物的里程碑成果：FDA批準(zhǔn)了對(duì)大多數(shù)囊性纖維化（CF）病例有效的治療方法。
這種被稱為Trikafta的三藥組合治療可以糾正肺部疾病中最常見(jiàn)的突變。Trikafta可以幫助CF患者從進(jìn)行性疾病轉(zhuǎn)變?yōu)楦子诳刂频穆约膊 Ｗ詮腃F基因CFTR被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，Trikafta是30年研究的產(chǎn)物。
囊性纖維化是一種罕見(jiàn)的、進(jìn)行性的、危及生命的疾病，其結(jié)果是在肺部、消化道和身體其他部位形成厚粘液。它會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的呼吸和消化問(wèn)題以及其他并發(fā)癥，如感染和糖尿病。囊性纖維化是由CFTR基因突變帶來(lái)的缺陷蛋白引起的，已知的CFTR基因突變約有2000個(gè)，但其中最常見(jiàn)是F508del突變。
Trikafta以Vertex Pharmaceuticals公司生產(chǎn)的其他CF藥物為基礎(chǔ)，這些藥物針對(duì)CFTR蛋白中的不同缺陷，例如第一個(gè)藥物Kalydeco，它靶向的是一種名為G551D的罕見(jiàn)突變，還有一種藥物：Vertex（也組合了Kalydeco），它修復(fù)另一種突變：F508del，該突變錯(cuò)誤折疊了CFTR，并阻止了其到達(dá)細(xì)胞表面。但是事實(shí)證明，這兩種藥物不如預(yù)期。
Trikafta在混合物中添加了第三種藥物，增強(qiáng)了該策略的有效性。三重組合針對(duì)攜帶至少一份F508del的CF患者，可幫助CFTR到達(dá)細(xì)胞膜。在臨床試驗(yàn)中，該藥物使肺活量增加了10％至15％，并使CF并發(fā)癥減緩出現(xiàn)。
然而，在興奮之中籠罩著陰影：Trikafta的標(biāo)價(jià)每年超過(guò)30萬(wàn)美元，大概必須終身使用。
參考文獻(xiàn)：
U.S. Food and Drug Administration, FDA approves new breakthrough therapy for cystic fibrosis, 21 October 2019
P. Middleton et al., Elexacaftor–Tezacaftor–Ivacaftor for Cystic Fibrosis with a Single Phe508del Allele, The New England Journal of Medicine, Vol. 381, p. 1809, 7 November 2019
H. Heijerman et al., Efficacy and safety of the elexacaftor plus tezacaftor plus ivacaftor combination regimen in people with cystic fibrosis homozygous for the F508del mutation: a double-blind, randomised, phase 3 trial, The Lancet, Vol. 394, p. 1940, 23 November 2019
九、埃博拉患者終于有了希望
1976年，從剛果民主共和國(guó)（DRC，當(dāng)時(shí)稱為扎伊爾）的雨林中出現(xiàn)了一種新病毒。它在Yambuku村殺害了280人，然后就消失了。后來(lái)，只是偶而出現(xiàn)，但卻造成了毀滅性的影響。從那以后，這種取自附近一條河流的病毒的名字就成了致命的、無(wú)法治愈感染的代名詞——埃博拉。今年，情況開(kāi)始發(fā)生變化。
在DRC歷史上最致命的一次疫情爆發(fā)中，科學(xué)家們最終確定了兩種可顯著降低該病死亡率的藥物。兩者都是抗體，一種是從1996年埃博拉疫情的幸存者中分離出來(lái)的，另一種是在具有人源化免疫系統(tǒng)的小鼠中產(chǎn)生的三種單克隆抗體的混合物。在一項(xiàng)將四種不同藥物相互對(duì)抗的隨機(jī)試驗(yàn)中，接受這兩種藥物之一的患者中約有70％幸存，而使用其他兩種藥物中的任何一種的患者中約有50％存活了下來(lái)。結(jié)果如此令人信服，以至于該試驗(yàn)被提早終止。簡(jiǎn)單地進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)本身就是一項(xiàng)值得注意的成就：它是在一場(chǎng)毀滅性的疾病暴發(fā)期間，和一個(gè)暴力沖突地區(qū)的臨時(shí)治療單位中進(jìn)行的。
研究結(jié)果不僅可以通過(guò)提高患者的生存機(jī)會(huì)，而且可以通過(guò)鼓勵(lì)人們盡早尋求治療來(lái)幫助抗擊該疾病。在沒(méi)有有效藥物的情況下，有癥狀的人經(jīng)常試圖逃避檢測(cè)，并尋找傳統(tǒng)的治療師，這加劇了疾病的爆發(fā)。
埃博拉病毒威脅出現(xiàn)40多年后，世界終于為應(yīng)對(duì)這種病毒做好了更好的準(zhǔn)備。埃博拉病毒的共同發(fā)現(xiàn)者：剛果國(guó)家生物醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)Jean-Jacques Muyemub Tamfum今年8月在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“今天，我們翻開(kāi)了新的篇章。從現(xiàn)在開(kāi)始，我們將不再說(shuō)埃博拉是無(wú)法治愈的。這一進(jìn)步將在未來(lái)幫助拯救成千上萬(wàn)人的生命。”
參考文獻(xiàn)：
National Institute of Allergy and Infectious diseases, Independent Monitoring Board Recommends Early Termination of Ebola Therapeutics Trial in DRC Because of Favorable Results with Two of Four Candidates, 12 August 2019
K. Kupferschmidt, Successful Ebola treatments promise to tame outbreaks, Science, Vol. 365, p. 628, 16 August 2019
十、AI戰(zhàn)勝多人撲克
今年，美國(guó)賓夕法尼亞匹茲堡的Rivers賭場(chǎng)，卡耐基梅隆大學(xué)開(kāi)發(fā)的人工智能系統(tǒng)Libratus戰(zhàn)勝了四位德州撲克的頂級(jí)選手，取得了勝利。
此次比賽賽程為20天，一共進(jìn)行了12萬(wàn)手牌的比賽，人工智能程序Libratus需要對(duì)戰(zhàn)4名人類職業(yè)玩家Jason Les、Dong Kim、Daniel McAulay 和Jimmy Chou，盡管聽(tīng)起來(lái)不可思議，但是AI最終“打敗”了他們。
參加比賽的人類選手表示，Libratus的勝利“名副其實(shí)”，因?yàn)樗`活掌握了各種對(duì)戰(zhàn)策略，有時(shí)候明明牌很好，卻偏偏下最低的賭注。
相較于AI在圍棋領(lǐng)域的勝利，此次AI在撲克牌領(lǐng)域的勝利其實(shí)是一個(gè)更大的進(jìn)步。
圍棋對(duì)弈雙方的信息是完整、對(duì)稱的，但是在撲克牌的對(duì)戰(zhàn)中，由于對(duì)方的底牌是隱藏信息，因此對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，其實(shí)是在處理一種“非完整信息博弈”。
從這個(gè)角度來(lái)看，Libratus此次戰(zhàn)勝頂級(jí)人類德州撲克選手，其實(shí)表明AI已經(jīng)越來(lái)越“聰明”了。