Science 2020年十大科學突破解讀-肽度TIMEDOO

《中國科學基金》2021年第35卷第2期封面

Science 2020年十大科學突破解讀
【編者按】2020年12月17日，Science公布了其評選出的2020年十大科學突破。為了讓廣大科技工作者和讀者更深入地了解這十大科學突破的重大意義，《中國科學基金》編輯部特邀各領域著名科學家對其中9個自然科學相關突破進行深入解讀，以更廣泛、有效地向社會公眾傳播科學發(fā)展前沿與最新進展，促進我國科技創(chuàng)新能力的提升。
1 新冠疫苗點亮希望之光網
2019年末發(fā)現的新型冠狀病毒以驚人的速度席卷全球。當全世界陷入恐慌之時，2020年1月12日，中國科學家向世界公布了新冠病毒的基因組，為全世界科學家尋找應對和治愈新冠肺炎疫情奠定了基礎，研制新冠疫苗的工作也拉開了序幕。此后，多名科學家紛紛投身于新冠肺炎疫苗的研制工作。截至2020年12月10日，全球有162種候選疫苗正處于研發(fā)階段，其中52種候選疫苗已經進行臨床試驗，有些疫苗已經公布了三期臨床試驗的結果。此外，今年與新冠病毒相關的研究論文激增。截至12月中旬，在同行評審期刊上發(fā)表的論文超過20萬篇，而在非同行評審期刊上發(fā)表的文章更多。
全球各國仍在為遏制新冠肺炎疫情而努力，超數百萬條鮮活生命的離開也凸顯了人類的脆弱性。同時也警醒我們，只有齊心協(xié)力，科學才能夠發(fā)揮出最大作用。
英國惠康基金會主席、前牛津大學熱帶病學教授杰里米法拉說：“我希望人類在凝視深淵后會變得更加聰明，意識到人類是多么的脆弱，這也將激勵整整一代人投身科學事業(yè)?！?/section>
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新冠疫苗點亮希望之光（圖片來源：Science官網）
專家點評：
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夏寧邵??教授，廈門大學公共衛(wèi)生學院院長、分子疫苗學和分子診斷學國家重點實驗室主任、國家傳染病診斷試劑與疫苗工程技術研究中心主任。研制出全球首個戊肝疫苗、首個國產宮頸癌疫苗，在The New England Journal of Medicine、Lancet、Science Translational Medicine、Nature Microbiology、Cell Host & Microbe等高水平期刊發(fā)表論文20余篇.獲國家技術發(fā)明獎二等獎、國家科技進步獎二等獎，入選中國醫(yī)學科學院學部委員、Nature Biotechnology全球轉化研究者TOP20。
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張?zhí)煊??博士，廈門大學公共衛(wèi)生學院助理教授，專注于乙型肝炎病毒、新型冠狀病毒等人類病原體的治療靶標、抗體和疫苗相關基礎與轉化研究，以第一或通訊作者在Gut、Cell Research、Nature Communications等刊物發(fā)表研究論文10余篇，獲中、美、歐等專利授權10余項。
由新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）感染引起的2019冠狀病毒?。–OVID-19）全球大流行對人類社會造成巨大影響。截至2021年4月2日，全球已確診COVID-19病例超過1.3億，造成約280萬人死亡。史無前例的公共衛(wèi)生負擔迫使人類迅速做出反應，一方面，非藥物干預作為構建病毒防御的傳統(tǒng)策略在我國發(fā)揮了巨大作用，強有力的防控措施迅速將疫情的威脅降至最低，讓人民群眾的生活回歸平靜；另一方面，疫苗作為控制傳染病最經濟有效的手段，寄托著人們徹底消滅疫情的愿景，疫苗研發(fā)在第一時間被作為戰(zhàn)略性工作緊急開展?！耙詣?chuàng)紀錄的速度開發(fā)和測試急需的新冠疫苗”被選為Science雜志2020年十大科學突破之首。
多種技術路線并行，多單位同步研發(fā)是新冠疫苗科研攻關的一大特點。根據WHO的匯總數據，目前共有超過200項候選疫苗研發(fā)正在進行，其中超過80項已進入臨床試驗階段。得益于對基礎研究的長期投入和創(chuàng)新技術的不斷積累，之前鮮有應用的核酸疫苗、病毒載體疫苗都在新冠疫苗競賽中走到了前列。數據顯示，進入臨床階段的候選疫苗中，近一半是核酸疫苗或病毒載體疫苗等新型疫苗，在疫情面前，人類的科研積累與潛力被充分釋放。
在“飽和式”研發(fā)的大背景下，新冠疫苗的研發(fā)速度同樣史無前例。眾所周知，疫苗的研發(fā)不僅是產品走出實驗室的過程，在人群中的臨床試驗往往是疫苗開發(fā)中最復雜與限速的步驟。疫苗上市前通常要經歷I～III期臨床試驗，對產品的安全性、免疫原性以及有效性進行驗證，以獲取充分的數據證明疫苗在足夠安全的同時能在機體內高效誘導免疫應答，最終達到避免機體發(fā)病或感染的目的?；仡櫲祟悮v史，疫苗的研發(fā)周期通常以十年為單位，即使是既往研發(fā)速度最快的麻疹疫苗，也花費了十年時間。而在新冠肺炎疫情面前，政府、科研單位、企業(yè)和審評審批機構攜手共進、協(xié)同創(chuàng)新的應急研發(fā)組織模式，使得新冠疫苗研發(fā)的速度、成功率以及產品可及性都得到了保障。自新冠病毒被發(fā)現到疫苗獲準上市或緊急使用，僅歷經不到一年。如此迅速的研發(fā)過程，新冠疫苗無愧為疫苗史、乃至于科學史上的豐碑。
我國在新冠疫苗研發(fā)上同樣具有數量多、速度快的特點。滅活疫苗、腺病毒載體疫苗、蛋白質亞單位疫苗、核酸疫苗、鼻噴流感病毒載體疫苗五條技術路線同步推進，我國在新冠疫苗攻關上實現了新老技術的“飽和式”研發(fā)。截至目前，我國已有5款新冠疫苗附條件上市或緊急使用，在研發(fā)速度上也保持了世界第一流水準。
在新冠疫苗研發(fā)迅速取得階段性重大成功之后，全球疫情防控仍面臨挑戰(zhàn)。首先，短期內疫苗的產能是在全球構建有效免疫屏障的主要挑戰(zhàn)；目前獲準使用的疫苗多采用多劑免疫程序，多次間隔接種對疫苗的大規(guī)模快速覆蓋與生產都造成了巨大挑戰(zhàn)，單劑次、具有高強度保護效果的疫苗或可對疫情緊急防控帶來較大助益。其次，疫苗分配中難以實現的公平性也成為橫亙在全球防控中的一大阻礙。數據顯示，目前已有超過94%的高收入國家已啟動疫苗接種，但在低收入國家中，這一數字僅為14%；如何實現疫苗的公平發(fā)放，是構建全球免疫屏障需解決的一大難題。第三，在疫情仍在全球肆虐之時，突變毒株為撲滅疫情蒙上了一層陰影。目前南非突變株（B.1. 351）及巴西突變株（P.1）是主要的免疫逃逸毒株，目前數據均表明這兩種毒株會對現有疫苗的保護效果造成影響；阿斯利康疫苗以及Novavax疫苗在南非的臨床試驗結果顯示，這兩種疫苗在B.1.351肆虐的南非均未達到令人滿意的保護效果。對于提高疫苗保護廣譜性、便捷性的新疫苗或疫苗免疫策略的研究，是接下來新冠疫苗研究的重中之重。與之同等重要的是，繼續(xù)密切追蹤各類疫苗接種后的中長期安全性和有效性。
總之，新冠疫苗研發(fā)取得了史無前例的巨大成就，我國也在其中貢獻了不可或缺的“中國力量”。在疫苗構建起全球免疫屏障的道路上，仍有待全人類共同努力，以最終擺脫新冠病毒的影響，讓世界人民的生活回歸平靜。
2 CRISPR首次成功治愈兩種遺傳性血液病
2012年，顛覆性的基因編輯工具CRISPR橫空出世，它賦予研究人員編輯農作物和動物的強大力量，為科學研究和生物醫(yī)學領域帶來新一輪革命，成為Science雜志2015年十大科學突破之一，并摘得今年諾貝爾化學獎的桂冠。2020年，這一“基因魔剪”再次向世界展示了其“魔力”：首次成功治愈β地中海貧血和鐮刀型細胞貧血癥這兩種遺傳性血液病。
為治療三名鐮狀細胞病患者，研究人員從每名病人身上采集了不成熟的血細胞——血干細胞，然后用CRISPR靶向沉默一個“關閉”開關——這個開關在成人體內會停止胎兒形態(tài)血紅蛋白的產生，而這種血紅蛋白可對抗鐮狀突變的影響。在病人接受化療清除病血干細胞后，經過CRISPR處理過的細胞被重新注入患者體內。
開展試驗的兩家公司12月報告稱，這些患者17個月前接受治療，現在正產生大量胎兒血紅蛋白。此外，這些公司為7名正常輸血治療β地中海貧血的患者提供這種治療后，這些病患就不需要輸血了。研究人員指出，這種新療法可與向干細胞中添加血紅蛋白DNA治療這兩種疾病的基因療法相媲美。
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鐮貧患者經過CRISPR基因治療后紅細胞形態(tài)開始恢復正常（圖片來源：Science官網）
專家點評：
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劉明耀??華東師范大學生命醫(yī)學研究所所長，上海市調控生物學重點實驗室主任，曾任華東師范大學生命科學學院院長。國家首批特聘專家教授，教育部創(chuàng)新團隊帶頭人，獲得國家科學技術進步獎一等獎，上海市科學技術進步獎一等獎，上海市白玉蘭獎。曾主持或參與國家或省部級重點項目10余項、國家“973”計劃、科技部重點研發(fā)計劃首席科學家。已在Science、Nature、Nature Medicine、Nature Biotechnology等國際學術刊物上發(fā)表SCI論文350多篇。申請專利100多項，獲得授權專利40多項。
Science雜志2020年度世界十大科學突破于近日揭曉，憑借“首次成功治愈兩種遺傳性血液病”（圖2），CRISPR技術作為亞軍第四次躋身十大科學突破，使該技術繼2020年10月獲得諾貝爾化學獎后，再次成為全球關注的焦點。CRISPR技術是2012年Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna率先從細菌和古細菌的獲得性免疫防疫機制中開發(fā)出來的基因編輯技術。通過可人工設計的單一向導RNA（single guide RNA，sgRNA）將核酸內切酶Cas9蛋白定位到特定的DNA序列進行切割產生雙鏈斷裂，CRISPR技術憑借極高的基因編輯效率、靈活性和可操作性被評為2013年十大科技突破。隨后，該技術再次展現強大功能，實現細胞內62個位點的精準改變、在蚊子中產生了基因驅動效應以及首次編輯了人類胚胎DNA，這些應用使CRISPR榮膺2015年Science雜志十大年度突破之首的稱號。兩年后，通過將胞嘧啶或腺嘌呤脫氨酶與突變的Cas9蛋白融合形成的堿基編輯技術被評為2017年十大科技突破，該技術無需產生DNA雙鏈斷裂而直接通過堿基脫氨反應實現堿基的精確高效轉換，在遺傳疾病治療等領域展現了巨大的潛力。
而這一次CRISPR技術更是成功地應用于臨床研究，攻克了兩種相關的血液遺傳?。害碌刂泻Ｘ氀é碌刎殻┡c鐮刀狀貧血（鐮貧）。在致病機理上這兩種疾病都是由于編碼β珠蛋白的基因發(fā)生突變而導致貧血癥狀。由于遺傳突變，β地貧患者無法表達或者只能產生少量的β珠蛋白，導致沒有足夠的β珠蛋白與α珠蛋白結合形成正常的成人血紅蛋白（HbA）?；颊咭环矫姹憩F為由血紅蛋白不足而導致的貧血，另一方面由于過量的α珠蛋白堆積產生氧化毒性，造成溶血或紅細胞發(fā)育不成熟；鐮貧患者的β珠蛋白6號位的谷氨酸突變?yōu)槔i氨酸，突變的β珠蛋白不僅會導致溶血，還會發(fā)生多聚現象，造成紅細胞變?yōu)殓牭缎停愋渭t細胞會進一步導致血管堵塞、急性胸痛等癥狀。在世界范圍內，目前約有 8 000 萬β地貧，4 300萬鐮貧攜帶者，而在我國廣東、廣西地區(qū)，β地貧的攜帶率分別高達2.54%與6.43%。而目前唯一的常規(guī)療法是進行規(guī)律輸血結合充分除鐵。在我國，由于家庭經濟狀況等原因，許多患者無法堅持規(guī)律治療導致各種并發(fā)癥甚至夭折。隨著對兩種疾病的深入認識，研究發(fā)現部分β地貧或鐮貧的純合攜帶者并沒有表現出明顯的癥狀，而他們血液中胎兒血紅蛋白（HbF）的含量卻大大高于常人。與HbA不同，HbF由γ珠蛋白與α珠蛋白組成。正常人的γ珠蛋白基因在出生后不久就會被BCL11A轉錄抑制因子復合物沉默。而上述無癥狀患者由于基因突變，在出生后體內γ珠蛋白始終保持著高表達，這項發(fā)現暗示通過操縱造血干細胞的基因組，重新激活γ珠蛋白或可緩解甚至完全治愈β地貧和鐮貧患者。目前科學家已經發(fā)現多個能夠重新開啟γ珠蛋白表達的基因調控區(qū)域。而CRISPR技術的出現正好給了研究人員一個強有力的基因編輯工具。本次臨床試驗中，CRISPR靶向的調控區(qū)域為轉錄抑制因子BCL11A的紅系增強子位點，對于該位點的編輯能夠特異性地關閉BCL11A在紅系細胞中的表達，從而阻止其對γ珠蛋白的沉默。在通過單采獲得患者的造血干細胞后，科學家們在體外對細胞進行了基因編輯，然后重新回輸至患者體內。上述研究已于2020年12月5日在線發(fā)表在The New England Journal of Medicine。截至Science雜志發(fā)文，β地貧患者與鐮貧患者已經分別完成造血干細胞回輸22個月與17個月。期間兩位患者雖然經歷過一些與移植相關的不良反應，但最后都已緩解。目前，他們均已脫離輸血依賴，可以說在表型上已經被治愈。
從誕生之初學界就對CRISPR保持著很高的關注度，同時也對她寄予了厚望，希望能夠通過這項技術實現對于遺傳疾病的基因治療從而造福人類。一般來說藥物的研發(fā)需要一段漫長的歲月，十年、二十年甚至更長。而CRISPR從誕生到臨床試驗成功僅僅用了8年時間，這項速度在醫(yī)學發(fā)展史上是相當驚人的，甚至可以說是絕無僅有的，足以顯示出這項技術的強大和特殊。另一方面，此次試驗的成功也證明了該技術在臨床上的可行性與可靠性，為其在其他疾病的臨床運用打下了基礎，具有重要的參考價值。所以“CRISPR治愈兩種血液遺傳疾病”也就理所當然再次入圍了2020年的十大年度突破。就目前的病例數據來看，還有一些醫(yī)學問題有待回答，特別是長期的安全性和有效性。而BCL11A位點是否適合所有的β地貧或是鐮貧患者仍然需要更多的試驗者數據以及更長時間的臨床觀察。所以相信科學界會對后續(xù)結果保持時刻的關注。
在CRISPR誕生至今的8年里，我國的基因編輯技術也取得了長足的進步。在動物模型構建領域，我國率先構建了CRISPR基因編輯大鼠、豬、基因工程猴等世界領先的模式動物。在植物育種領域也頗有建樹，首次利用CRISPR獲得了白化水稻；在小麥、水稻和玉米中進行單堿基編輯等工作。在臨床研究方面，2019年我國科學家鄧宏魁、陳虎、吳昊同樣通過CRISPR技術對造血干細胞（CCR5基因）的編輯，成功治療了一位罹患HIV與急性淋巴細胞白血病的患者，初步證明了基因編輯造血干細胞的安全性與可行性，并為未來艾滋病的治療做了初步的探索，受到了學界廣泛的關注與正面的評價。2020年7月，湘雅醫(yī)學院和華東師范大學團隊在中國報道用CRISPR技術治療2例中國兒童地貧病人，包括世界首例重度地貧患者（beta0/beta0)，并在短期內擺脫了輸血依賴。不過我國在基因編輯領域上的原創(chuàng)性成果與美國還存在不少差距，造成這種差距的原因有很多。總體來說我們還需要加大基礎科研領域的投入，同時給予科研人員足夠的時間與信任，在臨床上，鼓勵對源頭科學問題進行深入探索。雖然CRISPR技術從機理大致明確到成藥只用了8年時間，但CRISPR結構首次被報道卻可以追溯到1987年，在之后的25年里，匯聚了生態(tài)學、微生物學、結構生物學、生化分子學、生物信息學等眾多領域杰出科研人員的不懈努力，才慢慢抽絲剝繭獲得Cas9如何切割DNA的答案。
總體來說，CRISPR技術基因編輯治療的成功具有劃時代的意義。這是人類首次通過編輯基因組達到治療疾病的目的。它標志著人類對基因組操控能力上升到了一個新的臺階，而在這之后更是隱藏著無限的可能。從技術層面上來說，以堿基編輯器等為代表的CRISPR衍生技術在遺傳疾病治療等方面也有獨特優(yōu)勢；從治療的目標疾病來看，β地貧與鐮貧只是一個開始，很多遺傳疾病或者如心血管疾病，帕金森病以及癌癥等常見病也有望很快成為CRISPR技術突破的新方向。
3 全球變暖趨勢日益明晰
40多年前，在美國馬薩諸塞州的伍茲霍爾，全球知名的氣候學家聚在一起。他們討論了一個重要而簡單的問題：如果人類不斷排放溫室氣體，地球將會變得有多熱？根據基本的氣候模式，他們給出了這樣的答案：如果大氣中的二氧化碳（CO2）比工業(yè)化前的水平增加一倍，地球表面氣溫將會增加1.5~4.5 ℃。這個被稱作氣候敏感性的指標范圍寬泛，低值1.5 ℃意味著變暖的影響不大，而高值4.5 ℃可能引起巨大的災難。
為了縮小氣候敏感性的范圍，科學界花費了數十年的時間。2020年，這一領域的研究終于取得了突破，科學家能夠在多項證據鏈基礎上將氣候敏感性的范圍縮小到2.6~3.9 ℃之間。這些證據中一個非常大的挑戰(zhàn)是了解云對全球氣溫的影響：如何捕獲或反射熱量？根據云的厚度、位置和組成，云可以放大或抑制變暖。現在，在衛(wèi)星證據的支持下，高分辨的云模式表明：全球變暖使得可以遮光的低云變得稀薄了。更熱的空氣使得這些云變干，并抑制了驅動云形成的湍流。
這一對氣候敏感性更加清晰的認識結論將會促使社會開展應對全球氣候變化的行動。持續(xù)的變暖會淹沒沿海城市，加劇極端的熱浪，并使數百萬人流離失所。除非對氣候變化采取更積極的行動，否則人類排放的溫室氣體可能會在2060年達到工業(yè)化前的2倍，并鎖定可預見的變暖。
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云不再被認為能顯著抑制全球變暖（圖片來源：Science官網）
專家點評：
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孫 穎??研究員，國家氣候中心首席科學家。國家杰出青年科學基金獲得者，國家百千萬人才工程“有突出貢獻中青年專家”。IPCC第六次評估報告主要作者。主要從事氣候變化研究，包括溫室氣體排放等人類活動對氣候變化的影響，重大極端事件的檢測歸因等。曾獲得世界氣象組織青年科學家研究獎等。
關于全球氣候敏感性的研究被選為2020年十大科學突破并不意外。地球的全球“氣候敏感性”是衡量地球氣候對溫室氣體排放等人類活動敏感性的基本度量指標，一般指大氣中二氧化碳（CO2）濃度持續(xù)增加達到2倍時的輻射強度所產生的全球平均溫度變化。但對于這樣一個重要的指標，自1979年Charney領導的研究小組最早提出這個值存在 1.5~4.5 ℃的范圍以來，40多年科學界的認識一直存在著較大的不確定性。這意味著我們對于溫室氣體排放對全球氣溫的影響程度是不確定的，如果氣候敏感性的值很高，就意味著地球氣溫對溫室氣體排放的響應很大，減排非常緊迫；如果值很低，就意味著響應很小，溫室氣體排放的影響不大。
2020年，在世界氣候研究計劃（WCRP）支持下，全球25位該領域的頂級科學家，在綜合近年多項研究的各種證據鏈的基礎上，對氣候敏感性的范圍進行了估計。他們發(fā)現，最新的研究成果已經可以證明，氣候敏感性的可能范圍可以縮小至2.6~3.9 ℃。這項工作是一個里程碑似的工作。最重要的意義在于，它排除了CO2倍增情況的下限增溫1.5 ℃，該數值已經變?yōu)?.6 ℃。
這一評估是在過去多年研究的基礎上對現有證據鏈的全面評估。主要的三條證據鏈包括：（1） 現代氣候的變暖程度；（2） 對氣候反饋過程的最新理解；（3） 來自古氣候記錄的信息。其中第一條證據鏈是現代氣候的變暖。自1800年代開始有觀測記錄以來，全球平均氣溫已經上升了1.1 ℃。如果保持這個變暖趨勢不變，未來將會產生較低的變暖值。但是最近的觀測表明，地球的變暖并不均勻。尤其是，東太平洋和南大洋的部分冷水區(qū)還沒開始變暖，那些地方的深冷水流會不斷上升并吸收熱量。最終，模式和古氣候記錄表明，這些水會變暖—不僅作為熱匯的作用減弱，而且還會促使上方云層的形成，這些云層會捕獲更多的熱量，導致更多的變暖。針對這一觀測事實調整溫度預測值可以排除低敏感性的估計。第二條證據鏈是對反饋過程的理解，氣候系統(tǒng)的反饋過程可能減慢或者加速氣候變化。其中云反饋過程被認為是氣候敏感性不確定范圍的重要來源。云反射陽光或者捕獲熱量，以此冷卻或者加熱地球溫度。特別是，在遠離海岸線形成的大量的層積云，如果變暖背景下這些云繼續(xù)增加，他們可能會產生冷卻效應。近幾年的研究通過高分辨的云模式發(fā)現，存在相反作用的兩種反饋過程，使云變薄和使變暖更厲害。在模式里，更高的氣溫使得更多的干空氣滲透薄的云，阻止他們變厚。同時，更多的CO2捕獲了云頂附近的熱量較高的CO2含量將熱量滯留在云層的頂部，從而抑制了使得更多云層形成的湍流。衛(wèi)星證據已經在變暖更嚴重的區(qū)域部分證實了這些云動力學。更多的證據表明，云反饋是正反饋，但不是超級反饋。第三條證據鏈是從古氣候記錄中獲得的信息。研究小組查看了過去兩種氣候的記錄，包括2萬年前末次冰期的盛期和300萬年前的溫暖期，最后一次大氣中CO2的濃度水平與現代氣候相似。最近的工作表明，氣候敏感性不是地球的固定屬性，而是隨時間變化的。例如，在溫暖的時期，冰蓋的缺乏可能會提高靈敏度。古代溫度和CO2水平的記錄使團隊能夠確定寒冷和溫暖的時期的靈敏度分別在2.5 ℃和3.2 ℃。也就是說，即使對于最冷的氣候狀態(tài)，低于2 ℃的敏感性似乎也可以忽略不計。
氣候敏感性是全球氣候變化科學研究中非常核心的科學問題。2020年發(fā)表的這項工作在多項研究的基礎上，利用貝葉斯方法進行了綜合評估，終于縮小了氣候敏感性的不確定性范圍，排除了CO2倍增情況下最溫和的升溫情況。相比于工業(yè)化前 280 ppm 的CO2濃度水平，現在地球大氣中CO2的濃度已經達到了420 ppm，距離工業(yè)化前濃度的倍增值已經只有一半的上升空間，這意味著減排已經勢在必行。從另一方面講，這項研究也排除了最糟糕的情況，CO2倍增以后升溫達到4 ℃以上的可能性變小。這一研究成果給出了全球變暖的一個更清晰的圖像，可以為海平面上升、經濟損失和其他許多預測提供信息。這一關鍵指標不確定性范圍的減小將為更多地區(qū)采取減排行動提供重要的科學基礎，促進地方政府減少排放和適應氣候變暖。
中國目前在氣候變化研究領域開展了大量工作，對科學認識氣候系統(tǒng)對溫室氣體的響應和反饋做出了貢獻。鑒于氣候敏感性研究主要涉及的領域包括現代變暖、氣候模式和各種反饋機制以及古氣候信息，未來需要加強的方向包括：對現代氣候變暖原因的理解和分析，如對區(qū)域氣候變化的原因、東太平洋和南大洋海溫作用的深入認識；對氣候模式中物理過程的理解，一些重要的反饋過程，包括云反饋等機制的理解；對古氣候信息的理解，尤其是理解其對現代和未來氣候變化的意義。?
4 發(fā)現快速射電暴來源
快速射電暴這一全新的極端射電爆發(fā)現象，自2007年首次被美國科學家Lorimer等人發(fā)現并報道之后便很快成為當前天文物理領域的研究熱點。然而，經過十幾年的研究，快速射電暴的產生機制和物理起源至今仍是未解之謎。鑒于快速射電暴極短的爆發(fā)時標、極高的亮溫度等特征，很多天文學家猜測磁陀星（magnetar）是產生快速射電暴的最佳候選體。磁陀星一般認為是磁場極強的中子星（也可能是奇異夸克星），其磁場可以達到十億特斯拉，是地球表面磁場的百萬億倍。2020年4月28日，加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）射電望遠鏡首先探測到了來自于銀河系內的一顆名為SGR 1935+2154磁陀星的毫秒射電爆發(fā)。這一重大觀測突破，一方面證實了磁陀星是快速射電暴的一種起源，另一方面卻給天文學家?guī)砹烁嗟睦Щ螅捍磐有侨绾萎a生快速射電暴？快速射電暴是否存在不同的分類？具有重復爆發(fā)特征的快速射電暴的起源是什么？等等。依托國內外一系列地面和空間天文觀測設施，特別是中國500米口徑球面射電望遠鏡FAST，我國科研人員正在引領解答這些謎團。
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磁陀星藝術圖（圖片來源：Science官網）
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吳雪峰??中國科學院紫金山天文臺研究員，中國科學技術大學教授、博導，中國天文學會空間天文和高能天體物理專業(yè)委員會主任。入選中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員和“百人計劃”，獲得國家自然科學優(yōu)秀青年科學基金和杰出青年科學基金、青海省重大科技專項等資助。
（1） 研究背景
快速射電暴（Fast Radio Burst，簡稱FRB）是宇宙空間中一種持續(xù)時標為毫秒量級的射電脈沖信號，瞬時輻射流量可達數十央斯基，爆發(fā)的總能量相當于太陽幾天甚至幾個月內輻射的總能量。FRB的高色散量（低頻相對于高頻的時間延遲，表征傳播路徑上穿過的電子柱密度）表明它們可能起源于銀河系以外的遙遠宇宙，部分FRB宿主星系的觀測和定位已經證實了這一推論。絕大多數FRB都是一次性爆發(fā)，轉瞬即逝，僅在射電望遠鏡的歷史數據中留下痕跡，難以進行后隨追蹤。幸運的是，有些FRB能在同一個位置以同樣的色散量多次爆發(fā)，提供了對其持續(xù)監(jiān)測的可能，這一類暴被稱為重復暴。至今已有幾百例FRB被觀測到，其中約20例為重復暴，然而FRB的起源依然迷霧重重。近年來天文學家已經提出了一百多種FRB起源假說，其中包括雙中子星的并合、磁陀星的耀發(fā)、黑洞的蒸發(fā)、中子星與小行星的碰撞等。由于FRB的持續(xù)時標很短（表明其輻射區(qū)域尺度非常?。?、亮溫度達到了1036開爾文（高于脈沖星磁層里的相干輻射過程），因此磁陀星可以產生（至少部分）FRB是當前的一個主流觀點。

（2） 積累與運氣

加拿大氫強度測繪實驗（CHIME）射電望遠鏡由四個100米長、20米寬的網狀弧形天線組成，能夠隨著地球的轉動對天空進行漂移掃描，視場遠大于其它單口徑的射電望遠鏡。設計之初是用于探測宇宙中性氫原子的分布規(guī)律。后來經過改造升級，實現數字波束合成，可對FRB進行搜尋，至今探測到的FRB大多數由它貢獻。
2020年4月28日，CHIME探測到來自銀河系內磁陀星（SGR 1935+2154，距離地球約3萬光年）方向產生的快速射電暴FRB 200428。同時，美國瞬態(tài)天文射電輻射探測2號（STARE-2）項目的三個射電天線也捕捉到了該事件。在射電脈沖信號之前約8.62 秒，我國的“慧眼”號硬X射線調制望遠鏡（Insight-HXMT）和歐洲航天局的國際伽瑪射線天體物理學實驗室（INTEGRAL）等空間伽瑪射線望遠鏡探測到了與FRB 200428成協(xié)的X射線爆發(fā)現象。FRB脈沖與X射線暴存在8.62秒的時間延遲，與等離子體色散對射電波傳播的影響高度吻合。時間和空間上的一致性，充分表明了這次FRB與X射線暴之間成協(xié)的可靠性。
FRB 200428一系列的觀測事實給天文學家?guī)砣齻€驚喜：1） 首次在銀河系內發(fā)現快速射電暴；2） 明確磁陀星可以產生FRB；3） 首次證實FRB在瞬時輻射階段存在其它電磁波段的對應體，即X射線爆發(fā)。每一個驚喜，都顯而易見地帶來人們對FRB這一現象新的認知。這次觀測大豐收，是天文學家們不錯的運氣（成協(xié)事件率低），更是長期以來國內外各研究團隊對FRB觀測持續(xù)投入的必然結果。

（3） 迷霧中的光芒

基于FRB 200428的發(fā)現，理論學家們得出兩個主要結論：1） 至少部分FRB是來自于磁陀星；2） FRB的能量供給來源于磁能釋放，而非轉動能釋放。后續(xù)觀測還發(fā)現，磁陀星起源的FRB與X射線爆發(fā)成協(xié)比例極低。造成成協(xié)事件率低的可能原因包括：FRB存在高度相對論性或特殊幾何位形導致的集束效應；FRB的能譜很窄并且在主流觀測波段之外；FRB的產生條件很特殊——大多數X射線爆發(fā)過程中不會伴隨FRB產生。
雖然FRB 200428的觀測給FRB研究帶來了長足的進展，但是一些重要問題依然困擾著我們：是否存在本征的非重復FRB，以及這些非重復FRB的來源是什么？除了磁陀星，還有哪些源可以產生FRB？還有一直以來最難回答的——產生FRB的空間位置在何處（靠近磁層，還是遠離磁層），以及相干輻射通過何種機制產生的？不過，本次觀測為將來的研究指明了一個方向，即對磁陀星的持續(xù)監(jiān)測將很有希望揭示FRB更多的觀測特征，從而給理論模型提供更多限制。

（4） 初露鋒芒

在此次觀測發(fā)現中，中國學者利用中國自己建立的大科學裝置，做出了重要貢獻。我國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）靈敏度極高，但是視場較小，適合對單一源進行長期監(jiān)測。在FRB 200428被探測到的前后，FAST對SGR 1935+2154進行了四個時間段共計8小時的監(jiān)測，雖然觀測到了劇烈的X射線爆發(fā)，但沒有觀測到射電脈沖輻射。借助FAST 超高的靈敏度，結合CHIME望遠鏡和STARE-2的探測，FAST實現了對8個數量級亮度空間的覆蓋，給出了這一銀河系內快速射電暴源迄今最嚴格的射電流量限制。我國的Insight-HXMT“慧眼”衛(wèi)星憑借其優(yōu)異的性能，給出了此次X射線爆發(fā)最佳的時間分辨率光變曲線，并且展示了詳細的能譜演化。近期，FAST 還揭示了另外一個快速射電暴FRB 180301若干個重復暴的偏振位置角存在“搖擺”的特征。這一特征普遍存在于脈沖星中，從而在理論上支持FRB起源于旋轉的中子星磁層。
目前FAST在進行相關擴展陣列的籌建與實時探測方法的升級，以期能夠提升對快速射電暴的定位精度與探測能力。預計將來能夠取得更多的突破性成果。

（5） 前景展望

FRB研究已經由最初的機遇性發(fā)現，轉為利用專用設備進行針對性巡天，并且有選擇性地進行持續(xù)監(jiān)測。因此，各大設備目前亟待建設、升級以提升對FRB的觀測能力。隨著FRB樣本數目的大幅度提高，人們將不斷發(fā)現高紅移或者高色散量的FRB，從而利用快速射電暴揭示宇宙重子物質分布，檢驗基本物理假設，開拓FRB的宇宙學應用。對大量重復暴的觀測，得到其輻射能量和等待時間分布，能夠有效限制起源模型。同時，監(jiān)測FRB的多波段電磁對應體（如X射線或光學）甚至中微子對應體，對甄別FRB的起源模型極為關鍵。不久的未來，多波段多信使望遠鏡協(xié)同觀測將是FRB研究取得重大突破的一個主要途徑。
5 世界上最古老的狩獵場景面世
2020年12月，澳大利亞科學家報告了一幅在印度尼西亞發(fā)現的洞穴藝術畫作，這幅作品描繪了一些類人形象狩獵豬和水牛的畫面。研究人員使用鈾系法，為這幅4.5米寬的巖石藝術作品進行了測年，結果發(fā)現其至少可追溯至4.4萬年以前，是迄今已知的最早狩獵場景。
研究人員認為，畫中出現半獸人可能表明，印度尼西亞的洞穴藝術早在人類首次在歐洲進行藝術創(chuàng)作之前，就表現了關于人與動物聯(lián)系的宗教式思考。
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壁畫的一部分?！癟her”指“半人”，“Anoa”指倭水牛（圖片來源：Science官網）
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高 星??中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員，中國考古學會舊石器專業(yè)委員會主任。主要研究領域是東亞人類起源、演化和史前先民行為與生存模式。提出現代人類起源與演化的“區(qū)域性多樣化模式”和“舊石器時代東方行為模式”，榮獲中國考古學會金鼎獎，獲選中國科學院2018中國科學年度新聞人物。
現代人類的起源與擴散及其行為方式是最近30多年來學術研究的熱點。其中早期現代人行為現代性（Behavioral Modernity）的發(fā)端、認知能力的躍變和社會關系的復雜化是焦點與難點。由于人類思想意識和社會關系很難留下物化證據，考古學界對該領域的研究長期飽受證據缺失或多解性的困擾。2019年12月11日，Science在線首發(fā)在印度尼西亞蘇拉威西島上發(fā)現的距今至少4.4萬年前的一組洞穴壁畫，認為該壁畫第一次以繪畫敘事的方式展現了目前所知最古老的人類狩獵場景，并將其中的一些形象解釋成半人半獸，顯示了人類與動物的復雜關系，據此推斷當時人類對并不真實存在的事物已有幻想與創(chuàng)作的能力，指向現代人類認知能力的出現和宗教意識的萌芽。這項發(fā)現和對其意義的闡釋引起學術界高度關注，被Science選為2020年“十大科學突破”之一。
該幅壁畫發(fā)現于一個灰?guī)r洞穴后部的洞壁上，在4.5米寬的范圍內用單色勾畫了至少6個動物形象，可辨識出疣豬和倭水牛，這兩類動物在該地區(qū)目前仍然生存著。在這些動物的旁邊出現至少8個可辨識的“半人”（Herianthrope）形象，繪制簡約，與動物造型相比纖細、渺小，既有人的形態(tài)又有動物特點，包括長而突甚至呈鳥喙狀的吻部。有的“半人”持握細長物件，像是長矛或繩子。
對于研究史前壁畫，一項重大挑戰(zhàn)是測年。研究者揭取了四個覆蓋在壁畫上的珊瑚狀次生碳酸鹽樣品做鈾系測年。這些樣品被分成18份以做交叉驗證。經測定分析，四個樣品分別給出43.9 ka、41 ka、40.9 ka和35.1 ka的數據。由于這些次生碳酸鹽是在壁畫生成后經過水的淋漓作用而形成，因而壁畫繪制的年代要早于測年樣品的年代，據此斷定該組壁畫創(chuàng)作的時間早于距今4.4萬年。
考古學的要義是透物見人。對這些古老壁畫所表達的人類行為與思維如何解釋是研究的關鍵。研究者認為不排除這些“半人”是獵人披著獸皮、帶著面具偽裝成動物以利狩獵，獸群由另外一些人驅趕至設伏的獵者附近被宰殺。誠如是，則該壁畫形象地描繪了目前所知最古老的人類集體狩獵的方式與策略。作者還指出，如果畫中的細長物件是繩索，則表明該地更新世晚期的獵人已在從事生擒成年野豬和水牛的活動，一項具有冒險精神的生計活動。?
但文章的作者并不十分認可“偽裝狩獵”的解釋，認為那些人形過于微小，人類將自己偽裝成像鳥一樣的小動物的可能性很低；這些“人”兼具人與動物的形態(tài)，應該是有意表達一種半人半獸的思想?！鞍肴恕痹诂F實世界中并不存在，因而它應該來自創(chuàng)作者的想象與認知活動。史前藝術作品中的“半人”形象通常被認為與薩滿信仰和幻象有關，希冀借助動物“通靈”以求得幫助。這些“半人”是否有這樣的寓意，或者這些形象意味著畫者將人類視作動物界中不可分割的一部分，表達一種類似“天人合一”的意念，作者并不能確定。
該項發(fā)現具有重要的學術價值與意義。這幅壁畫作為目前最早的象征性藝術遺作對于研究舊石器時代（至少是其晚期）人類狩獵方式、想象能力、認知發(fā)展和宗教起源，提供了珍貴的資料，對研究早期人類對自己在自然界中的定位和與其他動物關系的思考提供了重要信息與啟示。這幅作品是目前發(fā)現最早的用圖畫敘事方式記述生產生活情形與事件的文化證據，對于追溯人類以“講故事”的方式口傳歷史這一傳統(tǒng)的起源和語言發(fā)展、社會關系演進具有重要研究潛力。此外，這項發(fā)現還表明，最早具有宗教色彩的藝術表達出現在印尼的蘇拉威西島，而不是被認作人類思想與宗教的發(fā)源地—歐洲，這顛覆了長久以來史學界以歐洲為中心的狹隘認知和偏見。
當然，對于壁畫中若干形象的角色確定和寓意闡釋，肯定會智者見智仁者見仁。將那些乍看像螳螂一樣的微小生物解釋為“半人”，并進而演繹出創(chuàng)作者超越現實的想象力乃至宗教、巫術的萌發(fā)，肯定會受到一些學界人士的質疑；相反，被作者認為可能性不大的“偽裝狩獵”假說，對一些研究者來說可能更具合理性。好在作者并非異想天開，也不是無中生有。多年來考古學家在非洲、歐洲、亞洲、澳洲孜孜以求遠古人類行為方式、藝術起源、認知發(fā)展和社會關系的考古證據，已經積累了很多素材，取得了關聯(lián)性的認識。蘇拉威西島的新發(fā)現是這項探索與努力進程中的新里程碑，會引來更多的發(fā)現和更深入的認識。
相對于其他地區(qū)，中國在舊石器時代藝術與認知研究方面還鮮有重要發(fā)現和成果。雖然在寧夏、新疆、內蒙古、西藏、云南、廣西乃至大興安嶺地區(qū)發(fā)現很多先民的巖畫、壁畫（以前者為多），但絕大多被認定為新石器時代乃至青銅時代、早期歷史時代的作品，還未有確定的此類舊石器時代藝術品被學術界認可。究其原因，一方面是針對這類遺存測年技術等研究手段滯后（在此方面我們正在迎頭趕上），另一方面是考古調查與研究的欠缺，很多區(qū)域還未被系統(tǒng)勘察過，尤其是貴州、廣西、福建等巖溶洞穴發(fā)育的喀斯特地區(qū)，有很多舊石器時代人類生存的線索，未來取得類似重要發(fā)現的可能性是存在的。當然，人類的行為與意念表達方式是多種多樣的，現在如此，史前亦然。因而也有一種可能性，即生活在華夏大地的舊石器時代人類的認知與表達有自己的方式與特點，所留下的遺存與蘇拉威西等地的壁畫不同。無論如何，我們應該花更大的氣力去尋找、去辨識，以期對破譯遠古人類生存行為與精神世界的諸多謎團取得更大的成就。
6 AI首次精準預測蛋白質三維結構
50年來，科學家們一直致力于解決生物學領域最大的挑戰(zhàn)之一：預測一系列氨基酸在“變身”為工作蛋白質時會折疊成何種精確三維形狀。今年，他們實現了這個目標。
2020年12月1日，谷歌旗下的DeepMind公司宣布，其新一代AlphaFold人工智能系統(tǒng)在國際蛋白質結構預測競賽上擊敗了其余參會選手，精確預測了蛋白質的三維結構，準確性可與冷凍電子顯微鏡、X射線晶體學等實驗技術相媲美。
研究人員指出，鑒于蛋白質的精確形狀決定了它的生化功能，這一新進展可以幫助研究人員發(fā)現疾病的發(fā)病原理，開發(fā)新藥，甚至創(chuàng)造出耐旱植物和更便宜的生物燃料。
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AI首次精準預測蛋白質三維結構（圖片來源：Science官網）
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盧培龍??現任西湖大學生命科學學院特聘研究員，博士生導師。主要研究方向是蛋白質設計。精確設計了多次跨膜蛋白以及納米孔膜蛋白的三維結構。在Nature、Science等重要學術期刊發(fā)表多篇研究論文。主持國家重點研發(fā)計劃等多項科研項目。
蛋白質是生命活動在分子水平上的執(zhí)行者，它們的功能是由其三維結構決定的。通過解析蛋白質的高分辨率三維結構，不僅可以清晰地闡釋蛋白質執(zhí)行功能的分子機理，還可以根據蛋白質的結構來設計相關的藥物。在過去幾十年里，人們主要通過X 射線晶體學、冷凍電子顯微鏡或核磁共振等實驗技術手段來解析蛋白質的三維結構，然而在實驗過程中往往會有多種技術難關，費時費力，也需要依賴昂貴的大型儀器和大科學設施。
有沒有快速、便捷的方法獲得蛋白質的三維結構呢？在20世紀60年代早期，Christian B. Anfinsen通過實驗證明，蛋白質的三維結構是由其一級序列決定的，即蛋白質三維結構信息已經包含在序列信息中。一直以來，科學家們通過計算生物學的方法，從蛋白質的序列出發(fā)，預測蛋白質的三維結構，也取得了很大的進展。如果蛋白質序列在蛋白質結構數據庫中有同源的結構存在，科學家使用基于模板的算法，可以很好地預測蛋白質的三維結構。如果沒有同源結構，盡管對于少部分蛋白質，可以精準地預測其結構；但是整體而言，對于大多數蛋白質，預測結構的精確度并不高、魯棒性較差，所以蛋白質三維結構的預測技術很難與實驗技術相媲美。
2020年12月1日，谷歌旗下的DeepMind公司宣布，其開發(fā)的新一代人工智能系統(tǒng)AlphaFold2在第14屆國際蛋白質結構預測競賽（CASP14）上精確預測了蛋白質的三維結構，大幅提高了預測準確性的競賽紀錄。AlphaFold2的成功主要體現在其準確性和魯棒性：對于90余個蛋白質序列，有接近三分之二的預測結構同實驗模型非常接近，其整體距離測試—總分（GDT-TS）都超過90分（90分意味基本達到實驗精度）；對所有蛋白結構預測的中位GDT-TS分數為92.4分；針對困難蛋白靶點，中位GDT-TS評分也可以達到87分，大幅領先第二名達25分之多；作為鮮明的對比，之前競賽的中位GDT-TS分數紀錄約為60分。這是人類首次可以較穩(wěn)定地進行蛋白質的三維結構的精準預測，是一個里程碑式的突破，因此被Science雜志評選為 2020 年十大科學突破之一。
這一突破無疑會對生物學研究和應用有著深遠的影響。成熟的、普適的蛋白質結構預測工具將極大加速解析蛋白質結構的過程，高通量的蛋白質結構預測將破解結構數量遠遠落后于序列數量的難題，也會為通過實驗技術手段解析超大、動態(tài)的蛋白質結構提供模板，進而促進人們對于蛋白質功能的理解和相關藥物的開發(fā)。三維結構預測上的成功，也將惠及蛋白質設計領域，可以提高設計的精確度和成功率，也可以基于人工智能開發(fā)新方法，快速高效進行新結構、新功能的設計。
蛋白質結構預測的問題并沒有完全解決，仍然需要很多工作。盡管AlphaFold2可以高精度預測蛋白質結構，但值得注意的是，在結果中還有超過三分之一的蛋白質的結構預測沒有達到實驗精度；而且蛋白質折疊過程和原理也有待進一步研究。此外，對于蛋白質—蛋白質相互作用、蛋白質動態(tài)結構變化以及蛋白質—生物分子復合物的結構也需要新的方法來預測。生物學同物理學、化學、數學、計算機學等學科的進一步交叉融合將會為這些問題與挑戰(zhàn)的解決帶來新的思路。
蛋白質結構預測具有的巨大科學意義和影響，這使它成為國際競爭的焦點：谷歌、IBM、微軟、臉書等企業(yè)爭相加大投入，參與這方面的競爭。我國科學家在蛋白質結構預測領域中非?；钴S，不斷取得具有國際影響力的研究成果：如開發(fā)I-TASSER算法，率先引入卷積殘差神經網絡提高接觸圖譜計算準確度（這也是AlphaFold1成功的基石），開發(fā)trRosetta算法等。騰訊公司等團隊積極參加CASP競賽，排名位于前列。國內人工智能技術迅猛發(fā)展，有較好基礎。國內蛋白質結構預測領域的研究還需要努力，在國家的大力支持下，希望較快達到并超過AlphaFold2水平。
7 “精英控制者”開啟治療艾滋病新策略
一小部分罕見的群體，在感染艾滋病毒后，能夠長期在不使用抗病毒藥物的情況下，控制艾滋病毒感染的進展，他們被稱為“精英控制者”。
2020年，一項針對64名艾滋病毒感染者的研究，揭示了他們的不尋常成功與病毒在其基因組中的定位之間的聯(lián)系。這些“特殊患者”多年來未曾使用抗逆轉錄病毒藥物，并一直保持健康狀態(tài)。這些新的理解雖然暫時無法達到治愈艾滋病的目標，但開辟了一種新的策略，使感染者能在不服用藥物的情況下生存數十年。
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“精英控制者”開啟治療艾滋病新策略（圖片來源：Science官網）
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張 輝??中山大學人類病毒學研究所教授、所長。以第一和通訊作者在Nature、The New England Journal of Medicine、Nature Medicine、Immunity等高影響力雜志上發(fā)表多篇學術論文。主持“十三五”國家傳染病重大專項、國家自然科學基金重點項目等。最近主要研究工作方向有：針對新冠病毒的分子病毒學和納米顆粒疫苗研究；艾滋病毒潛伏感染的機理；抗病毒免疫反應。
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周 末??中山大學中山醫(yī)學院博士研究生，目前從事HIV-1潛伏相關工作研究。
HIV-1感染者中存在著一小部分群體，在沒有聯(lián)合抗逆轉錄病毒療法（Combination Antiretroviral Therapy，cART）或其它抗病毒手段介入的情況下，可以自行長期控制體內的病毒復制和疾病進展，其血漿病毒濃度常常在常規(guī)檢測之下，我們通常稱這些感染者為精英控制者。這部分特殊群體的存在證明了人體可以通過自身免疫反應長期控制HIV-1復制。精英控制者控制病毒復制的能力是多因素免疫監(jiān)控綜合在一起導致的，用單一因素無法解釋這種現象。其中HIV-1特異性細胞免疫反應是影響HIV-1控制能力的重要因素。
HIV-1可以將自身的基因組整合進人體基因組中，整合進宿主基因組中的“前病毒”可以長期潛伏，形成了HIV-1的病毒儲藏庫。關于精英控制者的免疫學特征已被研究報道，但是其病毒儲藏庫的結構特征卻一直沒有被闡明。這篇關于精英患者病毒儲藏庫的論文詳細報道了這部分人群病毒儲藏庫的特點——多分布于異染色質區(qū)域的“深層”儲藏庫。不同的前病毒分布在不同的染色質區(qū)域，根據整合區(qū)域的染色質狀態(tài)，我們可以將病毒儲藏庫分為“可激活的儲藏庫（淺層）”和“深層儲藏庫”。所謂“可激活的儲藏庫”指前病毒整合的染色質區(qū)域在自然狀態(tài)下處于開放或轉錄活躍狀態(tài)，或者在抗原或激活劑等外界刺激的情況下染色質結構打開或驅動轉錄。這部分儲藏庫容易被激活而逆轉潛伏的狀態(tài)，因此常常處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。在暫停藥物治療后，這部分儲藏庫會造成體內病毒迅速反彈。當前HIV-1的熱點研究“shock and kill”的策略，就是利用潛伏激活劑來激活這部分HIV-1前病毒，再通過免疫系統(tǒng)識別消滅被感染的細胞，達到清除儲藏庫的目的。
然而也有研究發(fā)現，即使再強力的潛伏激活劑，也無法激活所有的病毒儲藏庫，這些不能被誘導表達的儲藏庫，我們可以稱之為“深層儲藏庫”。這一科學研究發(fā)現了精英控制者體內的HIV-1病毒儲藏庫更傾向于形成一個“深層儲藏庫”的狀態(tài)，其前病毒整合大多位于基因沙漠或轉錄不活躍的異染色質區(qū)域，這部分的前病毒很難被誘導表達，處于一個長期甚至永久潛伏的狀態(tài)。精英控制者體內的深層儲藏庫應該是在有效的免疫監(jiān)控這一長期選擇壓力下的結果：即體內可被誘導表達的“可激活的儲藏庫（淺層）”被精英控制者強大的免疫系統(tǒng)不停地識別和清除，達到了一個類似于功能性治愈的狀態(tài)。
不同的治療HIV-1策略需要一定的檢測手段來評估治療效果，除了常規(guī)的臨床指標外，治療前后的HIV-1潛伏儲藏庫大小也是很重要的評價標準。這項科學研究的重要內容之一，是利用各種高通量的測序分析技術，精確測量評估HIV-1前病毒潛伏儲藏庫的結構特點。精準診斷HIV-1病毒潛伏儲藏庫的大小和鑒定病毒儲藏庫的狀態(tài)，對于評估臨床治療效果有很好的指示作用。因此，可激活儲藏庫的清除是否可以作為功能性治愈HIV的標準之一？如何診斷鑒定可激活和深層儲藏庫的區(qū)別，是否有方法學上的標準？這些都是未來HIV-1病毒儲藏庫研究領域需要回答的重要問題。尤其重要的是，一般的HIV-1患者不具有在自然狀態(tài)下控制HIV-1的能力，強力的HIV-1特異性細胞免疫有可能是精英控制者控制病毒復制的關鍵。通過深入了解精英控制者的HIV特異性免疫機制和潛伏儲藏庫結構特征，我們可以更好地設計治療策略，誘導大部分患者在停藥情況下可以控制HIV-1病毒血癥，從而達到功能性治愈艾滋病的目標。
8 首個室溫超導體面世
自1911年超導首次發(fā)現以來，尋找能在室溫條件下達到的超導體一直是眾多科學家競相追求的目標。2020年，科學家們發(fā)現了首個實現室溫超導的材料，在被擠壓到接近地球中心的壓力的條件下，一種含氫和碳的化合物。此前研究表明，富氫材料在高壓下可以將超導溫度提高至-2 ℃左右。此次，美國科學家在最新研究中將可以實現零電阻的溫度提高到了15 ℃，但這是在2.67×1012 pa 壓力下的一個光化學合成三元含碳硫化氫系統(tǒng)中實現的。這一發(fā)現促進了室溫超導體的研究工作——這類材料可以帶來重大技術變革并節(jié)約大量能源。
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首個室溫超導體面世（圖片來源：Science官網）
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謝心澄??中國科學院院士，發(fā)展中國家院士，美國物理學會會士?，F任國家自然科學基金委員會副主任，《中國科學：物理學 力學 天文學》主編。長期從事凝聚態(tài)物理理論研究。主要研究領域包括量子霍爾效應、電荷及自旋輸運、低維量子體系，及強關聯(lián)電子體系等。
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王楠林??北京大學物理學院量子材料科學中心講席教授，美國物理學會會士。主要從事超導和強關聯(lián)電子體系的低溫物性研究。
超導電性是具有巨大應用前景和重要科學意義的研究課題。但是長期以來人們所發(fā)現的超導體其臨界轉變溫度都很低，基本上都需要在液氦溫區(qū)才能獲得有效的應用，這使得超導的大規(guī)模應用受到嚴重限制。為了克服低溫條件的限制，人們一直期望發(fā)現臨界溫度更高的超導體。1986年銅氧化物高溫超導體和2008年鐵基高溫超導體的發(fā)現，都在世界范圍內掀起了研究和探索高溫超導電性的熱潮，但是這些超導體的臨界溫度常壓下最高只達到 135 K，高壓下可至164 K。在室溫下即可實現超導的材料一直是超導和材料科學領域人們夢想和追逐的目標之一。2020年首個室溫超導體終于在高壓條件下得以合成，這一重要發(fā)現和進展入選Science雜志2020年度的“十大科學突破”之一自然是預料之中的。
該成果是由來自美國羅徹斯特大學Dias領導的小組與英特爾公司和內華達大學的研究人員合作努力所取得的。他們將碳和硫元素以1比1摩爾比率混合，球磨成直徑5微米以下的顆粒，隨后裝載到金剛石頂砧中。氫分子充入其中，扮演反應物和傳壓介質的雙重角色。整個樣品隨后被施加4 Gpa（1 GPa≈1萬大氣壓）的壓強，并用波長532納米的激光加熱進行化學反應。合成的樣品在寬廣的壓力范圍140~275 Gpa內呈現超導特性，并在267±10 Gpa 壓力下觀察到臨界溫度為288 K（約攝氏15 ℃）的超導轉變，從而實現了室溫超導。
該重要突破并非源自偶然的發(fā)現，而是建立在對氫元素體系高壓下量子物性長期研究積累基礎之上，特別是和近年來富氫結構材料高壓條件下已經實現的高溫超導電性密切相關。人們熟知通常條件下單獨的氫原子不會形成金屬體系，兩個氫原子會牢固結合成氫分子（結合能在4 eV以上），在低溫下形成的固體是絕緣體。1935年Wigner和Huntington預言在足夠高的壓力下，絕緣的分子氫將轉變?yōu)榻饘賾B(tài)的原子氫。后來估算所需壓強大約為500 Gpa。在這樣高的壓強下，氫之間距離很短，加上氫原子質量最輕，因此其聲子頻率很高并且電聲子耦合很強。1968年Ashcroft依據BCS超導理論預言高壓下的金屬氫應該是高溫超導體，之后的估算給出轉變溫度在室溫以上。2004年Ashcroft進一步指出富氫的材料體系可能在較低的外加壓力下實現高溫超導，因材料本身氫原子之間已經存在強的化學壓力。最近幾年在這方面的計算和實驗研究更是取得許多突破性進展。2014年，吉林大學的馬琰銘和崔田兩個團隊基于對BSC理論的計算，各自做出了關鍵預言，前者預言H2S在160 GPa下超導臨界溫度為80 K，后者則認為H2S與H2復合成的H3S結構在200 GPa附近超導臨界溫度在191 K至204 K之間。2015年德國馬普化學研究所的Eremets研究組首次實驗發(fā)現155 GPa高壓條件下硫化氫材料在203 K發(fā)生超導轉變。2019年美國華盛頓大學Hemley研究組和Eremets研究組分別獨立報道超高壓下合成的籠型富氫材料LaH10具有215~260 K的近室溫超導。
Dias小組的工作是在先前Eremets研究組關于硫化氫材料體系中添加了額外的碳元素構成三元化合物，并且加壓到了更高的壓力，從而把超導轉變溫度進一步提升至室溫。但是目前所形成的室溫超導體結構尚不清楚，實驗結果也還需要其他研究組的重復和驗證。最近北京理工大學的姚裕貴和羅徹斯特大學的Xu等研究人員分別對其可能穩(wěn)定的結構進行了計算和討論。
我國在該研究領域已經具備良好的積累和基礎，上面提到的我國理論計算為實驗探索高壓下高溫超導材料體系做出了有效的理論預言，為實現高壓下高溫超導做出了重要貢獻；中國科學院物理研究所的實驗工作者也在金剛石對頂壓砧腔內利用激光加熱方法制備出轉變溫度為240~250 K的LaH10高溫超導體，展現了在超高壓力下合成富氫材料高溫超導體的能力，為探索新的高壓下高溫超導體奠定了基礎。
應該指出，上述室溫超導體是在金剛石對頂壓砧中實現的，樣品尺寸也極其微小（只在幾十或近百微米），距離應用尚且非常遙遠。上述高壓下的工作如果能啟發(fā)探索和制備出無需高壓且穩(wěn)定的高溫超導體，那將是意義非凡的工作，也是未來努力的目標之一。
9 鳥類的聰明程度超出人們的想象
今年發(fā)表的兩項研究表明，鳥類的聰明程度超出想象。其中一項研究表明，鳥類大腦的一部分類似于人類的大腦皮層。另一項研究表明，小嘴烏鴉的意識比研究人員想象得還要高，而且其或許能有意識地進行思考。
這種“感覺意識”是人類自我意識的一種基本形式，它在鳥類和哺乳動物中的存在表明，某種形式的意識可以追溯到3.2億年前，可以追溯到我們最后的共同祖先。
Science 2020年十大科學突破解讀-肽度TIMEDOO
鳥類的聰明程度超出人們的想象（圖片來源：Science官網）
專家點評：
Science 2020年十大科學突破解讀-肽度TIMEDOO
孫悅華??中國科學院動物研究所鳥類生態(tài)學研究組組長，研究員，博士生導師。長期主要從事鳥類生態(tài)學、行為學和保護生物學研究。2019年關于虎皮鸚鵡認知表現和性選擇的相關論文在Science發(fā)表?，F任中國動物學會鳥類學分會副理事長。
2020年，兩項關于鳥類意識與認知的神經機制的論文在Science發(fā)表并入選2020年度十大科學突破。動物的意識指對自己和環(huán)境的覺知，它在生命科學領域是一個復雜的現象。作為動物個體主觀的一種感知，科學家很難從外部觀察和研究意識的形成和機制。因此，在2005年Science特刊中公布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題中，“意識的生物學基礎”亦位列其中。而探究這個問題的關鍵就是尋找與意識相關的神經元，并最終找到意識是如何產生的。
意識的神經相關機制是指能夠產生任何一個特定的意識知覺的最小的神經元機制，其研究之前主要來自于靈長類的端腦皮層。鳥類的弓狀皮質尾外側（NCL）與哺乳動物的前額葉皮質層功能相似，并被認為與復雜的認知能力相關。Nieder等（2020）訓練兩只小嘴烏鴉完成視覺檢測任務，同時監(jiān)測烏鴉NCL腦區(qū)神經元的活動。通過分析對比神經元的活動發(fā)現表明鳥類具有表現意識的能力，在任務過程中烏鴉NCL腦區(qū)的神經元參與了意識的形成，從而為意識的系統(tǒng)發(fā)育起源提供了證據。同時，這項研究證明了不僅擁有分層大腦皮層（Cerebral Cortex）的哺乳動物擁有感覺意識，缺少分層大腦皮層的鳥類也有這樣的能力。
認知是指動物為對外界信息獲得、處理、維持和利用的精神過程，它使動物能夠感知環(huán)境中的改變并發(fā)展解決新問題的辦法，對動物的生存和繁殖尤為重要。近期的研究表明鳥類擁有與哺乳動物相似的認知能力，包括制作工具和計數能力等。而且動物認知能力在動物性選擇中具有重要作用。鳥類和哺乳動物的前腦組織截然不同，兩者的大腦組織在連接和分子特性等方面僅有很小部分是同源的。Stacho等（2020）使用三維偏振光成像（3D-PLI）技術分析了鳥類Wulst腦區(qū)和感覺背側室嵴（sensory DVR）的神經纖維結構，結果發(fā)現這兩個區(qū)域的結構是由橫向板狀纖維和正交縱向柱狀纖維迭代組成的回路。這種結構被認為是哺乳動物產生認知的一種特殊的神經回路。這表明鳥類和哺乳動物的端腦雖然看似完全不同，但是因為具備相似的微電路，處理信息的策略也相同，所以具有相似的認知能力。
這兩項工作都對鳥類認知能力的研究做出了重大的突破，但是兩者的觀點并不相同。Nieder等（2020）的研究結果表明盡管鳥類缺少像哺乳動物特有的分層的大腦皮層，但是仍然存在意識，因此認為意識可能是獨立于大腦皮層（Cerebral Cortex）而存在。正如文中所說，很多觀點依然認為鳥類平滑的大腦皮層相較于哺乳動物的大腦皮層更加簡單，甚至使用的術語都不相同?！癈erebral Cortex”是用來描述哺乳動物的大腦皮層，而鳥類和爬行動物的大腦皮層則使用“pallium”。然而，Stacho等（2020）的研究則證明，盡管鳥類大腦皮層看似平滑簡單且與哺乳動物相差較大，但是觀察其細微結構則存在相似的神經回路。研究發(fā)現，鳥類大腦的絕對體積小于靈長類，但鸚鵡和鳴禽大腦包含的神經元數量是同等質量靈長類大腦的兩倍。因此，認為“鳥類沒有大腦皮層（Cerebral Cortex）”的觀點并不準確，這兩項研究體現了動物大腦神經科學的快速發(fā)展，以至于不同分支領域的專家都不熟悉彼此的發(fā)現。但無論如何它們都說明鳥類在意識和認知方面擁有很強的能力，并將進一步促進鳥類和動物意識與認知領域研究的發(fā)展。
來源：國家自然科學基金委員會