2020年,全球有影响力的重大科学突破都有啥

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  2月6日,世界顶尖科学家协会(WLA)首次面向全球发布年度报告《WLA年度发布》(以下简称报告)。该报告以《希望之光,疫情下的科学突破》为主题,立足对过去一年全球范围内的科学热点、科学大事件,特别是科学突破进行盘点;在此基础上,包括15位诺贝尔奖得主在内的30位世界顶尖科学家对此进行了深度点评。

  参与盘点的世界顶尖科学家指出,在过去一年,“科学”一词从未如此频繁被提及。科学家们也旗帜鲜明地强调,基础科学影响人类未来。正如2012年诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什所说,这么短时间里获得疫苗成功,与物理学无关。但科学是一个整体,它可以提醒所有科学家,一旦基础科学为创新蓬勃发展奠定了基础并形成科学方法,这种科学方法将具有可以解决许多重要问题的力量。

  世界顶尖科学家协会是全球汇聚顶尖科学家最多的科学家组织之一。该协会目前有获奖者会员163位,其中诺贝尔奖获得者68位、沃尔夫奖27位、拉斯克奖15位、图灵奖9位、菲尔兹奖6位、科学突破奖15位、盖尔德纳奖11位、京都奖4位、麦克阿瑟天才奖3位、杰出科学家4位、世界粮食奖1位,会员覆盖全球 25 个国家、80 所顶尖实验室和研究机构。

  这份近3万字的报告共分三大部分,涵括了24个科学热点。其中,世界顶尖科学家评价2020年度有影响力的科学突破——

  1、mRNA疫苗 

  2020是极不寻常的一年,新冠肺炎(COVID-19)疫情暴发,以人类始料未及的方式深刻改变了人类的生活,包括科研生态。尽管世界多国饱受新冠肺炎疫情重创,但全球科学家正以惊人速度开展应对这一严重公共卫生危机的相关研究,围绕病毒探源、临床诊疗、疫情防控进行科研攻关,产出海量研究成果。疫苗更是以前所未见的速度经历研发、临床至投产应用。 

  mRNA疫苗(信使核糖核酸疫苗),当之无愧入选报告。据介绍,mRNA技术可精确调控,以提供几乎完全的保护,并能广泛应用于其他医疗领域,象征着一个全新医疗时代的来临,突显了基础生物医学研究对医学突破的重大意义。

  2013年诺贝尔生理学或医学奖得主兰迪·谢克曼表示,COVID-19大流行释放了世界各地生物医学科学力量来设计疫苗,以阻止致命SARS-CoV-2病毒的传播。1987年诺贝尔化学奖得主让-马里·莱恩强调,mRNA疫苗开发是应对COVID-19疫情中最重大的突破。2004年诺贝尔化学奖得主阿夫拉姆·赫什科则认为,尽管针对COVID-19基于RNA疫苗的快速和极高效率开发,在当前受到普遍称赞,但人们还未能充分了解基于基础生物医学科学的重大发现,而在医学领域取得重要突破的科学意义。1997年加拿大盖尔德纳国际奖获奖科学家理查德·海因斯的观点更加直截了当:“显然,不需要复杂冷链的单一剂量疫苗,在对抗这种‘大流行’中将非常重要。”

  2、人类历史上首次实现室温超导 

  自超导被发现以来,室温超导一直是该领域的终极梦想,人类历史上首次实现室温超导,是非常大的进步。不过,达成这次室温超导的代价是高达260万个大气压的高压,可实用的室温超导材料依然前路漫漫。

  2006年诺贝尔物理学奖得主乔治·斯穆特三世表示,超导体因其可以零电阻无损耗地导电,被广泛应用于各种先进的实验仪器,如核磁共振扫描仪使用的高场磁体以及粒子加速器。但降至极低温才能出现超导特性导致成本高昂,无法用于现实生活。2020年,美国罗切斯特大学的兰加·迪亚斯等人在温度高达15℃的高压富氢材料中观察到了超导现象,发表于当年10月《科学》上。迪亚斯等人制作的碳硫氢化材料将此前的超导温度纪录提升了大约35℃,第一次在室温下成功观测到了超导现象。科学家们认为,改变材料的化学组成或许能减小所需的压力,朝着真正的日常应用更进一步。

  2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆点评道,尽管研究人员经常怀疑室温超导性是否可以实现,但在从未预料到或被认为不可能实现的温度下反复发现了超导性,这是非常大的跃进。让研究人员备感兴奋的是,有可能在正常的环境压力下实现室温超导体,这将使许多事情变得可行,并且实际应用很可能在日常生活中司空见惯。找到一种室温超导体“将具有巨大的技术重要性,例如,有助于解决世界的能源问题,提供更快的计算机,产生新颖的存储器和存储设备以及启用超灵敏传感器等”。

  3、AI 首次精准预测蛋白质三维结构 

  AI对蛋白质折叠的极近准确预测,是2020年生物医学领域最重要的科学进展之一,它对结构生物学意义重大,并有望进一步扩展到蛋白质精准结构预测的层面,对生物学发展产生深远影响。

  2009年诺贝尔化学奖得主文卡·拉马克里希南指出,在过去一年中,DeepMind的一个小组开发了一种名为AlphaFold的机器学习算法,该算法能够从序列中预测出很大一部分以前未知的结构。这些结构的准确性接近于实验方法的准确性,并且它们可用于多达1000个基团的相当大的蛋白质。这是一项重大突破,对结构生物学具有重要意义。如果可以扩展到预测蛋白质之间的界面结构,它就可以预测细胞内的相互作用,从而生成描述这种相互作用的一个全面图谱,对生物学产生深远影响。

  1997年加拿大盖尔德纳国际奖获奖科学家理查德·海因斯强调,结合冷冻电镜的结构表征,将在理解蛋白质的结构特征并可能对其进行修饰方面取得巨大进展。在2019年生命科学突破奖获奖科学家陈志坚看来,2020年在生物医学领域两个最重要的科学进展分别是AlphaFold对蛋白质折叠的近准确预测和COVID-19疫苗以创纪录的惊人速度被开发出来。

  2020其他科学突破: 

  报告指出,2020年各领域均有颠覆性、突破性新发现。这些新方法与新技术,不断拓宽着人类认知边界,充分体现了科学家的智慧、创造力与研究力。

  CRISPR基因编辑技术首次成功治愈两种遗传性血液病 

  点评:CRISPR基因编辑技术为治愈不治之症提供了有效解决方案,其发展空间广阔,并将促使相关新技术大量涌现。但在关注技术价值的同时,它的公平性、可控性和伦理性也应特别注意。

  在原子尺度上首次拍摄到化学键的形成与断裂的动态影像 

  点评:利用碳纳米管作为纳米催化剂,通过透射电子显微镜(TEM)在单分子水平上让人类首次观察到了化学键形成与断裂的实时动态过程,为人类全面理解化学键提供了全新视角。

  首次获取“从头到尾”完整的人类 X 染色体序列 

  点评: 研究人员首次“从头到尾”确认了人类 X 染色体的完整序列,其中不存在任何缺口,它的精确度达到了前所未有的水平。这一成就开启了基因组学研究的新时代,人类离揭秘遗传信息又进了一步。

  冷冻电镜达到原子分辨率 

  点评:人类突破了冷冻电镜成像在分辨率上的限制,将分辨率提高到单个原子水平,超越了0.1纳米的极限——这在过去几乎是不可能实现的成就。利用冷冻电镜这一强大工具,成功观测到了COVID-19病毒刺突蛋白融合前的结构构象及作用状态,为疫苗的成功接种打下了基础。

  量子波动可在宏观尺度上摇动实物 

  点评:麻省理工学院在2020年用LIGO引力波探测器做出了令人印象深刻的发现——“通过压缩真空来超越标准量子极限”。它标志着人类在宏观尺度上对超越标准量子极限的操控日趋成熟,将使引力天线能够更加准确地探测到由黑洞和中子星坍缩事件引发的弱信号。未来,科学家们可以通过它探索宇宙与时空深处更多未知的地带。

  给量子测量过程拍快照 

  点评:“拍摄量子测量的快照”这个主题相当重要,它表明量子跃迁是连续不间断地进行着,而不是瞬时的。这使我们对量子力学的内部运作有了更深入的了解,并且能给量子计算带来一些新的启示。

  绝对声速极限受基本常数制约 

  点评:科学家发现声音在固态和液态物质中传播速度的上限仅与两个无量纲量有关。声音在理论上的金属氢中可能达到的最快速度为大约每秒 36 公里,约是钻石中音速的两倍,空气中音速的100倍。

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