《科學》評選2023年十大突破

新的抗體療法可能會減緩阿爾茨海默病患者大腦的神經(jīng)退行性病變。圖片來源：JAMES CAVALLINI

美國新墨西哥州一個古老湖泊上的腳印可能比考古學家認為的人類到達美洲的時間早5000年。圖片來源： NATIONAL PARK SERVICE

像美國橡樹嶺國家實驗室Frontier這樣的百億億次計算機正在為許多科學領域帶來前所未有的計算能力。圖片來源：橡樹嶺國家實驗室

12月14日，《科學》雜志公布了編輯團隊評選的2023年度十大科學突破，其中包括獲得科學突破冠軍獎的GLP1減肥藥和9項科學突破入圍獎。

肥胖遇到了對手

肥胖既是一場個人的戰(zhàn)斗，也是一場公共健康危機。在美國，大約70%的成年人受超重的影響，而在歐洲，這個數(shù)字超過了一半。當身體質量指數(shù)為30或以上時就被定義為肥胖，肥胖可能是2型糖尿病、心臟病、關節(jié)炎、脂肪肝和某些癌癥的誘因。

然而，令人遺憾的是，人們一直以來未能找到安全有效的減肥藥物。但現(xiàn)在，一類新的療法帶給人們很大希望，有望降低肥胖和相關慢性疾病的發(fā)病率。

這些藥物模仿了一種名為胰高血糖素樣肽1（GLP1）的腸道促胰素，它們正在以令人興奮的方式重塑醫(yī)學、流行文化，甚至全球股市。這些GLP1受體激動劑最初是為糖尿病開發(fā)的，可顯著減輕體重，副作用大多可控。今年，臨床試驗發(fā)現(xiàn)，它們還可以減輕心力衰竭的癥狀以及降低心臟病發(fā)作和中風的風險，這是迄今最令人信服的證據(jù)，證明這些藥物除了減肥之外還有其他重要的好處。

基于這些原因，《科學》雜志授予GLP1藥物年度突破冠軍獎。

正在減速的地球碳泵

如果世界上的海洋有一顆心臟，那它一定在南大洋。在南極洲海岸附近，含鹽的表層水直接沉入海底。下沉的水從大氣中吸收熱量、氧氣和二氧化碳，并將它們隔離在深淵中。在那里，水慢慢向北擴散。它是全球翻轉環(huán)流的主要組成部分之一，這種大規(guī)模的環(huán)流連接著世界所有的海洋，幫助它們捕獲1/3的人類年碳排放量。許多研究人員認為，當它激增或減速時，這個碳泵會影響氣候變化。

今年，幾項研究表明，該碳泵處于極度危險的狀態(tài)。第一個令人不安的跡象出現(xiàn)在幾年前，自主漫游到4000米深處的深海Argo機器人發(fā)現(xiàn)，南極底層的海水正在變暖、體積正在縮小，這兩個跡象均表明洋流正在放緩，使得上層的溫暖海水得以侵入。

更直接的證據(jù)來自今年3月發(fā)表于《通訊地球與環(huán)境》的一項研究，美國研究人員將該地區(qū)歷史船只測量的記錄輸入到一個氣候模型中，后者顯示，自20世紀70年代以來，環(huán)流已經(jīng)放緩了20%。5月，由澳大利亞科學家領導的一項發(fā)表于《自然氣候變化》的研究表明，從1992年到2017年，深海水流減緩了近30%。

目前還不太確定為什么會出現(xiàn)這種減速、人類在多大程度上推動了這種減速以及它將如何影響氣候。南極冰蓋融化帶來的淡水增加可能是一個主要原因，而隨著全球變暖的持續(xù)，冰川融化以及碳泵減速肯定會加劇。

尋找天然氫氣的熱潮

1859年，第一口油井的挖掘開啟了美國的石油熱，并改變了世界。今年，世界興起了另一場能源熱潮，這次是基于地球內(nèi)部自然產(chǎn)生的氫。與石油不同，天然氫氣對氣候而言是一種“滋補品”，而非“毒素”。

2012年，在西非國家馬里的一個城鎮(zhèn)，工程師拆除了一個被水泥封死的井眼——1987年，一個煙頭在井中引發(fā)爆炸。它噴出的氣體98%是氫氣。人們利用井內(nèi)的氫氣發(fā)電，為村莊提供了第一次電力，而這個過程只產(chǎn)生了水這個“廢棄物”。奇怪的是，經(jīng)過10年的開采，井內(nèi)的氣體壓力并沒有減少，表明有深層資源在補充氫氣。

受這一發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，勘探者在除南極洲外的每個大陸都發(fā)現(xiàn)了大量氫氣沉積的跡象。今年9月，美國地質調(diào)查局（USGS）在美國雪佛龍公司和英國石油公司的支持下成立了一個研究聯(lián)盟，美國能源高級研究計劃署則啟動了一項2000萬美元的天然氫氣研發(fā)計劃。

USGS的一項未發(fā)表研究表明，地球上可能蘊藏著1萬億噸氫氣，足以滿足未來數(shù)千年對燃料和肥料日益增長的需求。

人工智能天氣預報員來了

現(xiàn)代計算機自出現(xiàn)以來，就一直被用于預測天氣。盡管數(shù)值天氣預報變得越來越復雜——現(xiàn)在依然可以提前幾周作出可靠的預測，但其使用的方法與從前一樣：使用大量算力求解控制大氣的流體動力學方程。

2023年，人工智能已經(jīng)開始改變這種狀況。包括谷歌、華為和英偉達在內(nèi)的科技公司已經(jīng)訓練了人工智能模型，使其提前10天預測天氣，其準確性可與傳統(tǒng)模型媲美，甚至超過傳統(tǒng)模型，而且運算負擔要小得多。

這些“深度學習”模型不是求解方程，而是根據(jù)對過去40年天氣數(shù)據(jù)的訓練獲得的模式預測不久的將來，這些天氣數(shù)據(jù)則是世界頂級天氣預報機構——歐洲中期天氣預報中心數(shù)值模型的觀測結果。

經(jīng)過訓練，這些模型可以于1分鐘內(nèi)在臺式電腦上作出預測，而無須在超級計算機上運行2小時。

研究人員預計，當人工智能天氣預報員開始從傳感器收集的直接天氣數(shù)據(jù)中學習，而不僅是通過現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)進行學習時，該技術會得到進一步發(fā)展。

抗擊瘧疾的新希望

今年，利用疫苗對抗瘧疾的努力有兩個振奮人心的進展。對世界上第一種瘧疾疫苗Mosquirix的大規(guī)模評估顯示，它顯著降低了幼兒的死亡率，而幼兒是受瘧疾危害最重的群體，僅在撒哈拉以南非洲每年就有近47萬名幼兒死亡。今年，世界衛(wèi)生組織（WHO）還批準了第二種瘧疾疫苗R21/MatrixM。它與Mosquirix的設計相似，但成本更低、產(chǎn)量更大，應該有助于填補瘧疾疫苗供需之間的巨大缺口，有可能每年防止數(shù)萬名兒童死亡。

2019年，一項關于Mosquirix的多年試點研究開啟，加納、肯尼亞和馬拉維的近200萬名嬰幼兒接種了該疫苗。初步結果顯示，這種疫苗將嚴重瘧疾的發(fā)病率降低了22%。在接種疫苗的地區(qū)，接種疫苗年齡范圍內(nèi)的兒童死亡率（除意外事故外）比未接種疫苗地區(qū)低13%，表明即使這種疫苗不完美，也可以挽救生命。但是從現(xiàn)在到2025年，生產(chǎn)這種疫苗的英國葛蘭素史克公司只能生產(chǎn)1800萬劑疫苗，僅能為450萬名兒童接種，而在瘧疾流行地區(qū)，每年約出生4000萬名兒童。

R21可以幫助填補這一空白。該疫苗由英國牛津大學開發(fā)，授權給大型疫苗生產(chǎn)商印度血清研究所使用。該公司表示，它每年可生產(chǎn)1億劑疫苗，每劑價格在2美元到4美元之間，不到Mosquirix的一半。R21三期試驗數(shù)據(jù)于今年9月公布，涉及4個國家的4800名兒童。結果表明，在接種的前18個月，該疫苗至少與Mosquirix一樣有效，甚至可能更有效。WHO表示，到2024年中期，R21有望廣泛使用。

阿爾茨海默病的新療法

今年1月，美國監(jiān)管機構批準了第一種藥物，可以明顯減緩阿爾茨海默病患者的認知能力下降速度，第二種相關的治療方法緊隨其后。這兩種方法都無法治愈阿爾茨海默病，而且有嚴重風險，但依然為患者和家屬帶來了新希望。

阿爾茨海默病患者大腦中有一種名為β淀粉樣蛋白的纏結蛋白質團，多年來，科學家一直在爭論去除它們是否對患者有所幫助。在一項為期18個月的關鍵試驗中，與安慰劑相比，一種名為lecanemab的抗淀粉樣蛋白單克隆抗體，將患者認知能力的喪失減緩了27%。這足以說服美國和日本的監(jiān)管機構批準它。另一種同樣針對淀粉樣蛋白的名為donanemab的抗體治療方法與安慰劑相比，在略有不同的患者群體中，使患者認知能力下降速度減緩了35%。美國隨時可能批準這種療法。這兩種療法都是由靜脈注射的。

值得注意的是，上述治療會產(chǎn)生腦腫脹和腦出血的風險，在極少數(shù)情況下，這是致命的。攜帶易患阿爾茨海默病的基因變異APOE4的人尤其容易出現(xiàn)這種副作用。服用藥物預防或溶解血栓的阿爾茨海默病患者可能面臨更高的風險。

當阿爾茨海默病患者權衡抗淀粉樣蛋白藥物的益處和風險時，他們渴望獲得更多數(shù)據(jù)。一個問題是，認知能力減退的適度減緩是否會隨治療時間的推移而增加；另一個問題是，如果這些治療盡早給到高風險人群，能否延緩癥狀的出現(xiàn)。

關于美洲早期人類的新發(fā)現(xiàn)

美洲人的故事可能開啟了新的一章。在主流觀點中，美洲的第一批移民來自亞洲，途經(jīng)曾經(jīng)連接白令海峽的陸地，在大約1.6萬年前沿太平洋海岸南下。今年，研究人員更接近于證實了一個說法，后者將這個日期往前推了至少5000年。

此前，一些遺跡暗示，人們開始這段旅程的時間可能比普遍看法更早。但沒人能夠提供明確的人類活動證據(jù)，因此大多數(shù)考古學家對此持懷疑態(tài)度。

2021年，美國新墨西哥州白沙國家公園的研究人員發(fā)現(xiàn)，早在2.3萬年前至2.1萬年前，人類就在一個古老湖泊的泥濘岸邊留下了確切的足跡。研究人員使用放射性碳測年方法對發(fā)現(xiàn)于足跡周圍地層中的一種水生植物種子進行了測定，得到了這一時間的數(shù)據(jù)。但這些種子可能從溶解于湖水中的沉積物中吸收了更古老的碳元素，從而影響了測定年代的準確性。因此，研究人員利用陸地植物的花粉與嵌在足跡之間和下方的沉積物中的石英顆粒重新確定足跡的年代。今年10月，他們報告說，新的測定時間與最初的測定結果吻合。

如果這個時間是正確的，那么這些腳印是在上一個冰河時代的頂峰時期留下的，當時冰蓋覆蓋了加拿大，表明人類一定是在這些冰蓋形成之前進入美洲的。

巨大黑洞合并的聲音

今年，天體物理學家發(fā)現(xiàn)了一種微弱的、被人們尋找已久的宇宙轟鳴聲。這是宇宙中的超大質量黑洞相互摩擦產(chǎn)生的引力波。這一觀測結果是迄今對它們存在的最有力支持，也是一種利用遙遠恒星信號探測引力波方法的有力證明。

超大質量黑洞位于星系的中心，其質量是太陽的數(shù)百萬倍或數(shù)十億倍。當星系合并時，它們中心的黑洞最終可能會被引力鎖定在一個不斷收縮的軌道上。在這一被稱為“死亡螺旋”的最初階段，地面的儀器無法探測到相關信號，但當黑洞彼此接近到幾光年以內(nèi)時，它們的相互運動會釋放引力波。

這些引力波無法被激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）探測到，LIGO在2015年首次探測到兩個恒星大小的黑洞合并產(chǎn)生的引力波。為了感知這些毫秒級的波，LIGO測量了激光束沿著4千米長的真空管傳播的距離。但捕獲超大質量黑洞產(chǎn)生的波需要測量更長的距離。

因此，天文學家轉向脈沖星，這是一種燃盡的恒星，每秒旋轉數(shù)百次，同時噴射出攜帶無線電波的粒子射流。當燈塔般的波掠過地球時，射電望遠鏡會記錄下像原子鐘一樣規(guī)律的脈沖。過去20年間，天文學家定期監(jiān)測幾十顆最具節(jié)律性的脈沖星，以尋找脈沖節(jié)律的微小變化。經(jīng)過的引力波會壓縮或拉伸脈沖星和地球之間的空間，細微地改變脈沖到達地球的時間。

今年6月，全球5個團隊聯(lián)合宣布，經(jīng)過15年的觀測，他們已經(jīng)將數(shù)據(jù)中的噪聲降到了足夠低的水平，剩下的數(shù)據(jù)反映的是宇宙中超大質量黑洞合并所引起的轟鳴聲。

初出茅廬的科學家崛起

幾十年來，研究生和博士后一直抱怨工資低和工作條件差。在過去的一年里，當職業(yè)早期科學家聯(lián)合起來要求改變現(xiàn)狀時，他們的沮喪情緒成為了焦點。

去年冬天，美國加利福尼亞大學系統(tǒng)的4.8萬人發(fā)起了美國歷史上最大規(guī)模的學術罷工，為研究生和博士后爭取到了大幅加薪。今年5月，加拿大數(shù)千名學術工作者舉行了為期一天的大規(guī)模抗議活動，要求增加對研究生和博士后的資助。在德國，職業(yè)早期研究人員為改變博士后合同而抗爭。

職業(yè)早期科研人員以完全離開學術界的方式向大學施加壓力，越來越多的人在畢業(yè)后進入收入更高的行業(yè)工作。

許多教職員和大學管理者認為有必要進行改革，但是應對預算壓力也很有挑戰(zhàn)性。資助機構是否會增加資助以支付職業(yè)早期科研人員的薪水還有待觀察。同時，一些大學已經(jīng)采取措施幫助教師平復不斷上漲的人事成本。

百億億次計算的曙光

經(jīng)過10多年的醞釀，百億億次計算科學的時代終于在今年到來了。美國橡樹嶺國家實驗室的Frontier成為首臺向科學用戶開放的百億億次計算機，它能夠以每秒百億億（1018）次的運算速度應對從氣候到材料等各領域的挑戰(zhàn)。

百億億次計算的威力已經(jīng)顯現(xiàn)。美國密歇根大學材料科學家使用Frontier將兩個理論框架合并在一起，以近乎完美的精度預測材料中多達60萬個電子的運動，而以前的計算只能處理大約1000個電子。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室和桑迪亞國家實驗室使用Frontier提高了美國能源部主要全球氣候模型的分辨率，有望大幅提高氣候變化預測精度。

預計明年將有約60個團隊使用Frontier。

百億億次的計算探索才剛剛開始。美國阿貢國家實驗室的百億億次計算機目前正在進行最后的調(diào)試，準備向用戶開放。明年，新的百億億次超級計算機將在美國和德國啟用，法國和日本的其他超級計算機也將緊隨其后，它們將以前所未有的規(guī)模打開科學之門。（文樂樂）

來源： 中國科學報