《科學》：2016年度十大科學突破

方陵生/編譯

《科學》：2016年度十大科學突破

方陵生/編譯

美國華盛頓州和路易斯安那州的LIGO發現了宇宙早期活動的余波：引力波信號

● 《科學》雜志公布的2016年十大科學突破中，引力波的發現名列榜首。它證明了愛因斯坦100年前的一項預測，并預示了一種天文學家竊聽宇宙最暴力事件的新途徑。2016年另外9項亞軍級突破所取得的成就也毫不遜色：從納米世界到行星世界，從人工智能到蛋白質工程，同樣給世人帶來極大震撼，令人眼花繚亂，嘆為觀止。

引力波開創天文學新時代

2016年，被稱為時空漣漪的引力波的發現震驚了科學界。科學家經過40年對引力波的探尋，終于證明了100年前愛因斯坦所做的一個預測。但引力波的發現不是這一探索的結束，而是一個新的開始。在科學家看來，這一發現將誕生一個新的科學探索領域：引力波天文學。

1915年，愛因斯坦對引力的解釋是：巨大的天體導致時空扭曲，導致自由落體沿曲線前進，如扔出的皮球沿弧線前行，行星沿橢圓形軌道繞恒星運行。根據愛因斯坦的計算，兩個巨大天體碰撞會產生快速旋轉的旋渦，形成以光速向外擴散的時空漣漪，即我們所稱的引力波。

2016年2月11日，物理學家宣稱，他們在美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的激光干涉引力波天文臺（LIGO）發現了愛因斯坦預言的引力波信號：13億光年之外兩個巨大黑洞激烈碰撞所產生的引力波信號。

這一勝利來之不易。引力波是否存在，愛因斯坦自己在幾十年的時間里也一直處于搖擺不定的狀態中。即使引力波確實存在，愛因斯坦可以想象到的唯一來源是兩個互相繞軌道運行的恒星所產生的引力波，但也因其太過微弱而無法檢測到。

20世紀60年代末，天體物理學家發現了中子星，并想象到黑洞的存在，當這些大質量天體崩潰時，會留下超強大的引力場。從理論上來說，巨大天體碰撞會產生可觀測到的引力波。1972年，麻省理工學院物理學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）提出以一種稱為干涉儀的L型光學儀器來檢測引力波，為LIGO的誕生播下了種子。

每個LIGO干涉儀都有兩個4公里的長臂，兩端配有鏡子，通過激光在兩端鏡子間的反射，物理學家可以對臂長變化進行比較，檢測到相當于1/10 000質子直徑的誤差。若有引力波通過，會導致臂長以不同長度延伸，這也正是LIGO團隊所檢測到的結果。首次引力波信號的發現完全符合為驗證愛因斯坦被稱為廣義相對論的引力理論的計算機模擬結果。引力波的發現是前所未有的。

引力波的發現為物理學家窺探宇宙奧秘提供了一個全新的視角，物理學家熱切期盼接下來可能會有什么樣的新驚喜。首先，物理學家希望發現更多的引力波事件。LIGO已經檢測到第二個黑洞合并和第三個較弱的信號。2016年11月干涉儀恢復采集數據，如果可以達到設計的敏感度，最終將有可能平均每天看到一次黑洞合并。

其他一些探測儀器也將很快加入引力波的“狩獵”活動中。意大利升級后的VIRGO探測器將在年初開始運行；日本的物理學家建造了一個被稱為Kamioka的引力波探測器；LIGO物理學家計劃2020年后在印度新增加一個探測器。3個或更多的探測器組合起來，通過三角測量，應該能夠在空中確定一個引力波源。這些努力還將有助于望遠鏡跟蹤到同一事件，或許還可能檢測到其他的信號。例如，如果引力波探測器發現了兩個中子星的合并，望遠鏡就可以檢測到這種合并產生的光線或X射線，將這些信號綜合起來，就有可能為科學家提供中子星上特異物質的線索。

探測器甚至有可能檢測到關于黑洞的更多信息。量子理論表明，黑洞可能包含一個隱藏的“防火墻”，這道“防火墻”可湮滅掉任何掉落其間的物質。一些理論學家推測，如果是這樣，黑洞合并應該會產生引力波回聲。其他一些人推測，旋轉的黑洞可能會生成大量叫作軸粒子的假想粒子，通過劇烈的互相湮滅產生引力波。

與此同時，一些天文學家正試圖以不同的方式探測引力波。在一些大型星系的中心潛伏著超大質量的黑洞，它們的質量是太陽質量的數百萬倍甚至數十億倍。當兩個這樣的太空龐然大物合并時，會發出波長以光年計的極為強大的引力波，比LIGO這樣的儀器能夠檢測到的長數千倍。要發現這樣的引力波，天文學家需要求助于被稱為毫秒脈沖星的恒星計時器。

脈沖星——旋轉著的中子星——會定期發出強大的脈沖無線電波。當長波長的引力波沖擊地球時，會將地球推向某些脈沖星，遠離另一些脈沖星。這種運動反過來也將會縮短或延長脈沖星脈沖向各個方向傳播的時間。類似于多普勒頻移的效應導致脈沖星脈沖發射時間變動和調整，這將有助于發現長波長引力波的“雜音”，長波和短波的差異也有助于物理學家追蹤宇宙歷史上星系形成和合并的速率。美國、歐洲和澳大利亞的團隊希望在今后的兩到三年時間里再發現一個引力波信號，雖然美國的計劃會因國家科學基金會打算抽回兩個射電望遠鏡的資金而受到影響。

物理學家希望稍后啟動激光干涉儀太空天線（LISA）計劃，3個圍繞太陽旋轉的LISA航天器形成臂長達數百萬公里的三角形干涉儀，可在長達數千公里范圍的LIGO和以光年計的脈沖星時之間，探測到波長達數百萬至數十億公里的引力波。

通過這些引力波，LISA還可以比脈沖星計時設備更精確地追蹤到較小的超大質量黑洞合并，并能夠先于像LIGO這樣的地面儀器發現兩個黑洞盤繞在一起的漫長而緩慢的最終崩潰結局。LISA還可以檢測到我們銀河系中心擁有恒星質量的黑洞落入超級黑洞的事件，令物理學家有機會探察到這些宇宙大事件的詳細情況。

幾十年前，LISA最初是美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）提出的一個合作計劃，但美國于2011年因預算限制退出，如今NASA希望重新加入該計劃。ESA官員希望能于2034年推出約15億美元的新任務，物理學家計劃構建的下一代陸地探測器大約也在同一時期啟動。

用微波望遠鏡繪制太空圖，科學家甚至可能會間接地發現最長最古老的引力波痕跡，穿過嬰兒宇宙并跨越現在宇宙的引力波。這些原始引力波有可能留下大爆炸余輝的印跡：宇宙微波背景。發現原始引力波將有助于證實新誕生宇宙所經歷的被稱為宇宙膨脹的指數級暴脹過程。

引力波的發現改變了現代科學的景觀，一個新的科學時代即將到來。

發現系外行星比鄰星b

天文學家已經發現了一顆繞著離我們最近的恒星比鄰星運行的小行星，據他們所稱，這顆新發現的行星是我們詳細研究太陽系外行星的最佳機會。

比鄰星星光頻率的微小變化揭示了這顆被稱為比鄰星b的行星的存在，天文學家監測和觀察到了這顆恒星發出的光線以11.2天的周期增強或減弱，這是因為有顆看不見的行星在反復拖曳著這顆恒星或接近地球、或遠離地球而導致的多普勒頻移效應。

但是，除了知道其質量至少是地球的1.3倍以及其運行軌道非常接近其繞行的恒星（只有地球和太陽之間距離的5%）之外，對于比鄰星b我們所知甚少。雖然它與其恒星的距離相當接近，但并不意味著這顆行星上的溫度極高、酷熱難當，因為比鄰星只是一顆暗淡的紅矮星，天文學家認為比鄰星b上的表面溫度甚至低到足以有液態水的存在。但它是否是一顆可居住的星球，目前還只是一個大膽的推測，比鄰星是一顆極不穩定的恒星，有可能太陽風、強烈X射線和紫外線的一陣暴發就毀了這顆繞它運行的行星。

天文學家一直在觀察比鄰星b是否會從它所環繞的恒星面前經過，如果會的話，在恒星之光的照耀下，就可以顯示這顆行星的半徑大小，加上已知的質量，就能得知其密度。另外，通過穿過大氣層的星光，還可以得知這顆行星的構成物質是什么。但這種“穿越恒星”的機會只有1.5%，天文學家至今為止還一無所獲。

科學家現在只有期待下一個十年里會有更好的太空望遠鏡和地面望遠鏡問世。但也有些人已經沒有了這個等待的耐心，2016年4月，私人資助的“突破攝星”項目宣布計劃發送一個小型飛船艦隊，在20年的時間里穿越40萬億公里的太空抵達半人馬座阿爾法星系，比鄰星就在這個星系中。另一個叫作藍光計劃的私人項目希望建造一個專門在半人馬座阿爾法星拍攝行星照片的太空望遠鏡。

“阿爾法圍棋”戰勝人類圍棋高手

2016年，被稱為“阿爾法圍棋”的計算機程序在5局圍棋比賽中以4：1的成績擊敗了世界排名第二的韓國棋手李世石，人工智能再次跨越了一個重要的里程碑。人工智能在棋類比賽中超越人類已不是第一次了，20年前IBM的計算機“深藍”首次在象棋賽中擊敗了俄國選手、棋王卡斯帕羅夫，并于次年在6場比賽中戰勝了世界冠軍。

圍棋的比賽規則比象棋更簡單：只需將相同顏色的棋子在棋盤上布局，通過圍堵對手棋子占據更多地盤，但這看似簡單而開放性的規則卻可產生呈爆炸式增長的千變萬化的棋步走法，其數量之龐大足以超過已知宇宙中所有原子的數量。這也是曾經擊敗人類象棋棋手的計算機程序無法以同樣的方式擊敗圍棋選手的原因，“深藍”計算機程序依靠的是由人類棋手大師評估每一步可能的走法后制定的策略編制而成的。

倫敦谷歌子公司DeepMind設計的“阿爾法圍棋”人工智能則完全不同，在研究了成百上千盤人類在線圍棋比賽，并以這些比賽中的走法作為機器學習算法的基礎數據后，讓“阿爾法圍棋”人工智能反復地自己與自己（或與另一個略有不同的人工智能版本）下棋，通過一種叫作深度學習的方式進行下棋策略的調整，最終人工智能不僅能夠占據強大計算能力的優勢，甚至在一定程度上似乎還擁有了與人類非常相似的直覺能力。

我們想要人工智能掌握的東西都涉及在大量的各種可能性中做決定的能力，例如：機器人如何安全通過一個擁擠的房間；如何在無人駕駛汽車中做出行車路線的選擇；如何與乘客交流等。以硬性規則編碼的計算機程序已無法勝任這類任務，“阿爾法圍棋”的勝利則向我們顯示，人工智能深度學習的能力會是多么強大。

清除衰老細胞保持年輕

昂貴的整形手術無法阻止衰老過程，膳食補充劑、注射睪丸素或使用那些暗示能讓你重返21歲年輕態的去皺霜同樣也無法阻止衰老。但是，2016年研究人員發現了一種可以延緩時間催人老的辦法，至少在老鼠試驗中已獲得了成功，通過有選擇性地淘汰陳舊細胞，可延長動物壽命，并讓年老動物仍保持健康。

科學家的目標是那些失去了分裂能力的衰老細胞。研究認為，衰老機制可阻止有致癌傾向的細胞產生癌變，但它同時也在促進老化進程，衰老細胞釋放的分子還可能導致細胞生長異常和炎癥等問題。

初步研究表明，消除衰老細胞對健康長壽大有好處。中年老鼠試驗結果顯示，心臟和腎臟的退化和惡化過程開始放緩，腫瘤的發病期也推遲到更晚。但一些與年齡相關的退化過程，如記憶能力和肌肉協調能力等的退化沒有減輕。盡管如此，這些試驗鼠比它們同齡同伴的壽命增長了20%。

研究團隊瞄準了免疫系統的衰老細胞，這些細胞積聚在動脈斑塊中，有可能成為促使斑塊形成的因素。把這些衰老細胞從有動脈粥樣硬化傾向老鼠的體內清除后，即使給它們喂食高脂肪食物，堆積在動脈中的脂肪也還是減少了60%。

重要的問題是：去除衰老細胞能幫助人類在更長的時間里保持年輕嗎？這兩項研究都利用了基因修飾清除了老鼠體內的衰老細胞，衰老細胞會對某種特定化合物產生反應，但這些技術在人類身上并不可行。目前研究人員已研究開發了好幾種不需要經過基因修飾就可直接殺死衰老細胞的新型藥物Senolytic，2017年科學家將首次推出治療關節炎的臨床試驗藥物。

去除老化細胞有可能延緩動脈斑塊的積累

猿類動物也有“讀心術”

2016年，猿類動物實驗顯示，它們擁有之前被認為只有人類才擁有的一種能力，這種能力被稱為“心理理論”或“心智理論”，擁有這種能力，就能夠辨別他人的欲望和意圖等。一些測試表明，我們的近親猿類動物在這方面也有足夠的洞察力。例如，欺騙同伴或識破同伴的意圖。但在此之前，它們一直未能完成確定他人錯誤想法的任務。

在經典的錯誤信念辨別試驗中，一個孩子看到有人將一塊巧克力藏在盒子里，然后離開房間，之后又有別的人偷偷進來將巧克力藏到了別的地方。那么第一個人會到哪里去找巧克力呢？猜測“會到原來的盒子”里去找的孩子通過了測試。通過所謂的讀心術，他們意識到，第一個人會以錯誤的想法去尋找巧克力。推測別人心思的這種技能被認為是欺騙、移情、教導，甚至是語言使用等行為所不可缺少的。

研究人員用了一種新的方法來測試黑猩猩、倭黑猩猩和大型樹棲類人猿是否擁有這種能力。他們先讓這些猿類動物看了一場電影，影片顯示像電影《金剛》中主角的家伙從一個人類那里偷了一塊石頭，然后將它藏在兩個盒子中的其中一個里面，這個人目睹了偷竊行為，但當類似金剛的家伙做出威脅狀將這人嚇跑后，拿出石頭也離開了。這人還會返回來尋找他的石頭嗎？

研究人員利用紅外眼球追蹤技術來觀察這些猿類動物的注意力集中點，幾乎所有的猿類動物的目光都看向那個重新返回的人錯誤認為他的石頭還藏在里面的那個盒子。研究顯示，猿類動物可能也會揣測“他人”心思，甚至知道“他人”的看法是不正確的，這意味著猿類與人類的相似之處超出了我們此前的認知。

但并不是所有人都信服這個試驗結果，后續研究可能不僅限于類人猿，眼球追蹤方法也適用于觀察其他動物的面部表情。

人工設計蛋白質開創新可能

蛋白質是生命生存不可缺少的動力，蛋白質可加速至關重要的化學反應，令肌肉具有活力，在細胞內和細胞間進行通信，抵御外來入侵等。鑒于蛋白質“多才多藝”的特性，研究人員一直想要創造出自己的蛋白質來，他們對許多現有蛋白質進行了修改，從小的調整到修改有機體的DNA編碼。但2016年，他們將蛋白質研究推向了一個全新的高度：為新型藥物和材料的開發創造出一整套與自然界中發現的蛋白質迥然不同的人工設計蛋白質。

從頭開始設計全新的蛋白質是一種“中或不中”的隨機性活動，編寫任何所需的DNA代碼很容易，但研究人員卻沒有辦法知道這種由DNA編碼的新氨基酸如何折疊成復雜的三維形狀。這是一個問題，因為對于蛋白質來說，形態決定功能。然而，計算生物學家設計的計算機程序，在準確預測人工設計的蛋白質如何折疊的問題上已經取得了令人振奮的進展，這些進步有可能導致人工設計蛋白質的數量激增。

2016年2月，美國華盛頓州的一個研究小組就利用這樣的程序設計了一種通用型的流感疫苗，可觸發免疫防御系統，并適用于所有的流感病毒株。7月，另一組研究人員創建了可自行組裝的中空籠狀蛋白質，中空部分可用來填充治療一系列疾病的藥物或DNA片段。還有一個研究小組使用相類似的程序產生3D可折疊的RNA分子，其類似于蛋白質的折疊問題以及RNA蛋白復合物，都可為蛋白質設計研究開創新的可能性。

現在，研究人員打算利用這一技術創建出更多的東西，從新穎的生物傳感器，到消除大氣中CO2的新方法等。這是因為生命構成所用到的只是其中一小部分蛋白質，蛋白質設計師將要探索的是一個新的龐大的領域。

實驗室純體外培育卵子獲得成功

2016年，日本的研究人員用完全在實驗室培養皿里生長的卵細胞獲得健康的老鼠后代，“試管嬰兒”將被賦予新的含義。這個久被期待的成就為研究人員提供了研究卵子發育的新途徑，并展現了從包括基因修改細胞在內的幾乎所有類型細胞中培育出人類卵子的更遙遠的前景，這一可能性為不孕癥的治療點燃了新的希望，但同時也引起了人們對設計嬰兒的擔憂。

2012年這個研究小組采取的第一個關鍵步驟是利用干細胞產生受精卵細胞，但是仍然需要將不成熟的卵子植回老鼠體內來完成發育過程。如今研究人員發現了可以完全在實驗室里產生卵子的方法，而不用將不成熟的卵子重新植回老鼠體內發育，他們將卵子放在從卵巢中取出的一叢細胞中培養，然后將實驗室培養成熟的卵子與老鼠精子混合，再將產生的胚胎植入代養母親體內，雖然只有3%的卵子能生長成為足月生下的幼崽，但這些幼崽都能成長為具有生育能力的、健康的成鼠。

如果科學家的人類干細胞試驗能夠成功，它將成為某些類型女性不孕癥的新選擇，甚至有可能從來自男子的干細胞中產生卵子。目前這種可能性離我們還很遙遠，但培養皿中培育卵子的成功對于實驗室培育人類嬰兒的未來前景將產生重要影響。

利用胚胎干細胞在實驗室培養皿中培養小鼠卵細胞

非洲大遷徙一次性移民后裔遍布全球

我們人類是一個喜歡遷徙的物種，智人本源于非洲，但在過去的10萬年里，走出非洲的一波移民的后裔已遍布全球，并散布到了世界上的一些偏遠角落，在這個過程中不斷地與當地更古老的人種相遇和融合。但現代人如何以及何時離開非洲，研究人員對此一直存有爭議：這樣的大遷徙是一次性的？還是多次分批的呢？

2016年，大量的基因組數據幾乎達成了一致結果，生活在非洲以外的大多數人都是一次性非洲移民的后裔，在此之前的遷移活動幾乎都被淹沒在這最后一波大規模的移民潮中。在3項獨立研究中，研究人員與當地原住民合作，收集和分析了生活在世界偏遠角落里數以百計人們的基因組，包括之前一些來自前澳大利亞、巴布亞新幾內亞和非洲地區的稀缺樣本，根據樣本中的DNA跟蹤古老人類分支的演變過程。

一項研究對長期以來一直被認為沒有任何交集地方的83個基因組樣本的DNA進行分析后表明：與之前普遍認識不同的是，澳大利亞最初來此定居的移民只有一波，此外，澳大利亞原住民和歐亞人的祖先大約在同一時間離開非洲，這個時間可能是在7萬年前，這表明人類祖先是在一次性的大規模移民中離開非洲的。一項獨立研究對源自142個群落的300個基因組的分析結果表明，他們的祖先都是在同一波大移民中走出非洲的，大約從5萬年前開始開枝散葉，成為如今生活在世界各地的非非洲人族群的祖先。

第三項研究對來自125個族群的379個基因組進行分析后報道稱，大約2%的巴布亞新幾內亞人的基因組可能來自于大約10萬年前走出非洲的一次性人口大遷移。化石資料也顯示，一些現代人類大約也在這一時期抵達中東地區，阿拉伯地區和印度發現的石器遺跡也證實了人類早期的這次走出非洲大遷徙活動。但大量新的基因組數據表明，大多數人幾乎都漸漸消失在這次早期遷移活動中，只在至今活著的后裔身上留下了些許痕跡。

方便快捷的手持式測序儀

2016年因手持式測序儀的首次廣泛使用，基因組測序將可能成為一種無處不在的生物學手段，包括在實驗室里和在野外現場探測中，對于后者可能更為重要。

手持式測序儀的突破性進展是使用了一種可直接讀取DNA字母的納米孔測序的技術，當一串DNA鏈穿過微小的納米孔時，堿基對以獨特的可讀取的方式改變離子電流。手持式測序儀優于傳統測序工具的最大優勢在于納米孔測序裝置的啟動成本相對較低，在理論上它可以破譯無限長度的DNA，而不一定要將基因組分割開來測序，然后再通過電腦程序拼接起來。由于手持式測序儀快速便捷的特點，在生物監控、臨床診斷、流行病爆發現場調查領域內有廣泛的應用前景。

納米孔測序技術經過多年研究終獲成功，之后經過一年多的數據測試，英國的牛津納米孔技術公司于2016年首次推出了手持式測序儀。研究人員用這種手持式測序儀可在短短幾個小時內確認埃博拉病毒和其他病毒，對腸道微生物進行測序，破譯擁有5 300萬堿基對的玉米真菌類害蟲的基因組等。此外如他們最近所宣布的，還能對人類基因組進行測序。國際空間站的宇航員還可用它來對土壤中的微生物混合物進行測序。2016年是基因組測序手段一個具有重大意義的轉折點，基因組研究人員認為，超乎想象的這種測序工具將成為他們研究工作的一大助力。

光線向上通過超材料鏡頭后聚焦

超材料鏡頭問世

玻璃鏡片是人類最早的高科技創新之一。玻璃鏡片的發明讓伽利略看到了木星的衛星，讓列文虎克在顯微鏡下發現了微生物世界，讓數以百萬計有視力障礙的人看得更清晰。但幾個世紀以來，顯微鏡鏡頭始終沒有什么大的改變，都是通過研磨和拋光玻璃等透明材料以達到更好地聚焦光線、消除偏差的目的。2016年，研究人員創建的首個超材料鏡頭可聚焦全光譜可見光，令透鏡技術邁出了一大步。由于超強材料鏡頭價格低廉、比紙更薄且遠輕于玻璃，可導致許多領域產生革命性變化，包括從顯微鏡鏡頭到虛擬現實顯示到攝像鏡頭，甚至還有人們手機上的攝像頭。

2016年，研究人員利用原子層沉積技術，用約600納米高的二氧化鈦納米磚塊“堆砌”成了纖薄如紙的超材料聚光鏡片，可通過不同的排列方式控制光波的通過狀態，其有效放大倍數高達170倍，并且放大后的圖像分辨率能完全媲美常規的玻璃透鏡。

超材料鏡頭的問世為其他潛在的應用開辟了道路，如未來更輕更薄的時尚手機、新穎的科學儀器和虛擬現實耳機等。

[資料來源：Science][責任編輯：彥 隱]