2017十大科學(xué)突破

讓我們用倒數(shù)的方式，回顧2017年那些振奮人心的科學(xué)突破，一起期待新一年科學(xué)將帶來的驚喜與希望

在人類歷史長河里，一年的光陰也只是短短一瞬。在我們感嘆時(shí)光飛速離去的時(shí)候，未來也正在飛快地向我們靠近。

10 冷凍電鏡標(biāo)志年：科技讓人類看到前所未見的生命過程

2017年，遠(yuǎn)在1.3億光年外的那次撞擊，讓人類沸騰。正是那短短一個(gè)信號(hào)的捕捉，開啟了多信使天文學(xué)時(shí)代。這一年，從圍棋到德州撲克，再到僅用40天就超越前輩的AlphaGo Zero，人工智能不斷傳來讓人震驚的新消息。還是這一年，基因編輯、人工合成基因組、人造子宮……人類在不斷拓寬對(duì)生命的認(rèn)知?，F(xiàn)在，讓我們用倒數(shù)的方式，回顧這一年中那些振奮人心的科學(xué)突破，一起期待新一年科學(xué)將帶來的驚喜與希望。

2017年10月4日，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉。來自瑞士、美國和英國的三位科學(xué)家因“研發(fā)出冷凍電子顯微技術(shù)用于溶液中生物分子結(jié)構(gòu)的高分辨測(cè)定”獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，2017年成為冷凍電鏡技術(shù)的重要一年。

圖像是理解問題的關(guān)鍵，人類理解事物主要依靠通過各種手段去“看”它們。過去，電子顯微技術(shù)被認(rèn)為只適合觀測(cè)部分物質(zhì)，因?yàn)楦邚?qiáng)度的電子束會(huì)摧毀大量表面敏感的材料，導(dǎo)致其圖像模糊。然而冷凍電鏡的出現(xiàn)打破了桎梏，通過冷凍手段抑制生物大分子的運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家們開始看到此前從未見過的生物過程。三位科學(xué)家對(duì)冷凍電鏡做出了一系列開創(chuàng)性的工作。諸如對(duì)模糊圖像進(jìn)行處理合并的算法、在高真空下通過低溫使水玻璃化等一系列手段，使得冷凍電鏡最終能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的分辨率。此后，人類終于得以一窺作為生命基礎(chǔ)的分子機(jī)器的真實(shí)面目。冷凍電鏡的發(fā)展給生物化學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域帶來了全新的工具，科學(xué)家們得以深入過去無法涉足的領(lǐng)域，觀測(cè)生物大分子、敏感電池材料等表面發(fā)生的具體過程，結(jié)構(gòu)生物學(xué)等領(lǐng)域得以不斷涌現(xiàn)出大量突破性成果。

9 卡西尼墜毀：坦然走向死亡的老戰(zhàn)士

2017年9月15日，經(jīng)過了漫長的旅程之后，卡西尼號(hào)終于和人類告別，永遠(yuǎn)地消失在土星大氣層中。

自1997年發(fā)射至今，卡西尼號(hào)已經(jīng)在廣袤的太空中流浪了20年。20年前，卡西尼借助引力彈弓，掠過了金星、太陽、地球和木星，在經(jīng)過6年8個(gè)月、長達(dá)35億千米的太空旅行后，順利進(jìn)入環(huán)繞土星轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道，并將惠更斯號(hào)帶到了土衛(wèi)六泰坦。在這20年里，卡西尼將39萬張珍貴的天文圖片傳給人類，讓人類重新認(rèn)識(shí)了土星及其衛(wèi)星，也使人類在行星科學(xué)、生命起源等方面前進(jìn)了一大步。

然而所有的開始終究都會(huì)結(jié)束。在完成了最后一次與土衛(wèi)六的近距離約會(huì)后，它踏上了最后22圈環(huán)繞土星的旅程，并最終向土星大氣層俯沖而去，燃燒殆盡。

8人造子宮：早產(chǎn)兒救治的新希望

早產(chǎn)是新生兒死亡和致殘的重要病因，也是無數(shù)人不懈鉆研的課題。然而目前的醫(yī)學(xué)水平對(duì)早產(chǎn)兒的救治手段，還停留在從源頭監(jiān)控與針對(duì)相應(yīng)器官不足采取治療措施的兩個(gè)方面。這些治療手段作為出生后的補(bǔ)救措施，不僅不能媲美成熟器官的功能，還常常會(huì)帶來不小的副作用。延長胎齡成為早產(chǎn)兒救治的重要砝碼，人造子宮也成為科學(xué)家們探索的焦點(diǎn)。

2017年4月，美國費(fèi)城兒童醫(yī)院的胎兒外科醫(yī)生在《自然-通訊》（Nature-Communication）上發(fā)表了他們的研究成果：通過體外模擬子宮的環(huán)境，使相當(dāng)于23-24周人類胎兒大小的羔羊?qū)殞氃谀阁w外生存了670個(gè)小時(shí)，并實(shí)現(xiàn)了胎兒在母體環(huán)境中一樣的正常發(fā)育。雖然從羊過渡到人類胎兒仍有不小的距離，但這項(xiàng)研究已經(jīng)在模擬成熟器官功能、預(yù)防早產(chǎn)和治療早產(chǎn)兒方面邁出了一大步。

7最古老人類化石和新種大猿：人類對(duì)祖先和近親演化的探索

2017年6月，在摩洛哥發(fā)現(xiàn)了目前已知最古老的智人化石，這批化石測(cè)年結(jié)果為30萬年。通過對(duì)頭骨化石的分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了其具有進(jìn)步與原始特征共存的鑲嵌現(xiàn)象，這些古人類擁有較為現(xiàn)代的面部形態(tài)，顱內(nèi)模的形態(tài)雖然較為原始，但與中更新世古老型人類又不完全相同。此外，化石發(fā)掘于北非這一特殊地理位置，也證明了智人在非洲大陸上演化的復(fù)雜性。

同年11月，人類發(fā)現(xiàn)了新的近親：達(dá)班奴里猩猩（Pongo Tapanuliensis）。這個(gè)在印尼北蘇門答臘省達(dá)班奴里發(fā)現(xiàn)的紅毛猩猩，是自1929年以來人類首次發(fā)現(xiàn)的新種大猿。自此，現(xiàn)存人科物種增加到8種。此前，科學(xué)家們一直把它們當(dāng)作是蘇門答臘猩猩的一個(gè)種群，然而在大規(guī)模的研究后，人們發(fā)現(xiàn)達(dá)班奴里猩猩的顱骨、牙齒、下頜和其他猩猩有著顯著區(qū)別，毛發(fā)更卷，胡子更長，基因也有顯著差異，應(yīng)該獨(dú)立成種。這種瀕危的物種使科學(xué)家重新思考了猩猩屬的演化軌跡，并思考如何區(qū)分物種，制定保護(hù)政策，保護(hù)古老而特殊的生物類群。

6時(shí)間晶體：打破時(shí)間的限制

早在2012年，2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）提出了一個(gè)瘋狂的想法：時(shí)間晶體。它的神奇之處在于，降溫后能在時(shí)間上自發(fā)地出現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)，從而打破時(shí)間平移對(duì)稱性。如果我們把空間晶體和時(shí)間晶體的概念綜合起來，就會(huì)得到一種特殊的物質(zhì)，可以同時(shí)在四維時(shí)空中結(jié)晶，形成所謂的時(shí)間-空間晶體，即時(shí)空晶體。在維爾澤克的設(shè)想中，未來人類可以對(duì)時(shí)空晶體進(jìn)行編程，把大腦意識(shí)上傳到時(shí)空晶體中，做成時(shí)光膠囊。即使地老天荒，即使宇宙熱寂，那些美妙的情感仍舊永存。

時(shí)間晶體引發(fā)了廣泛的爭(zhēng)議，很多人認(rèn)為它是不可能做到的，但終于還是有人做出來了。2017年3月，美國哈佛大學(xué)和馬里蘭大學(xué)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表兩篇論文，宣布基于金剛石色心和離子阱系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了離散時(shí)間晶體的存在。實(shí)驗(yàn)的成功促使人們?cè)诟鞣N物理模型中，研究離散時(shí)間晶體，乃至?xí)r間準(zhǔn)晶體。

未來是否還會(huì)出現(xiàn)時(shí)間玻璃態(tài)？誰知道呢，我們期待大自然帶來的驚喜。

5針對(duì)基因的療法：CRISPR-Cas9為醫(yī)學(xué)帶來新希望endprint

科學(xué)家不斷探索基因治療的可能性。2017年7月，中國科學(xué)家們意外發(fā)現(xiàn)了通過DNA靶向編輯 CRISPR-Cas9技術(shù)治療染色體遺傳病的可能。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用Y染色體敲除實(shí)驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)專門針對(duì)21號(hào)染色體的特定CRISPR靶向系統(tǒng)，可以在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)多余21號(hào)染色體的精確敲除。這項(xiàng)研究首次為唐氏綜合征的治療提供了希望。

同年11月，來自德國和意大利的研究人員在《自然》雜志發(fā)表了一篇利用基因編輯技術(shù)治療單基因遺傳病的文章。文章中涉及的病例是一位罹患交界型大皰性表皮松解癥（JEB）的男孩，由于LAMB3基因的突變，患者的皮膚會(huì)經(jīng)歷頻發(fā)性的破損、感染以及糜爛，導(dǎo)致患者長期處于疼痛之中。研究者們通過逆轉(zhuǎn)錄病毒結(jié)合CRISPR-Cas9技術(shù)將完好的LAMB3基因成功導(dǎo)入患者皮膚細(xì)胞，治愈了患者。而在此前，這種罕見遺傳疾病并無有效治療方法，40%的患者甚至?xí)谇啻浩谇八劳觥?/p>

在其他研究中，CRISPR-Cas9技術(shù)對(duì)遺傳性心臟病、I型脊髓型肌肉萎縮癥等疾病的治療與治愈也起到了極大的推進(jìn)作用。CRISPR-Cas9及其相關(guān)應(yīng)用自面世以來已經(jīng)連續(xù)三年上榜“年度十大科學(xué)突破”，這種源自細(xì)菌的基因編輯技術(shù)究竟還有多少潛力，讓我們拭目以待。

4人工合成酵母基因組：對(duì)生命的了解再進(jìn)一步

2017年3月，《科學(xué)》（Science）雜志以專刊的形式介紹了世界上首例人造酵母合成項(xiàng)目的進(jìn)展。人造酵母項(xiàng)目是深化生命科學(xué)研究進(jìn)展、應(yīng)用生命科學(xué)研究成果的重要一步。通過對(duì)比人造酵母與天然酵母的區(qū)別，科學(xué)家們可以更加準(zhǔn)確地了解生命的運(yùn)作方式，操控生命活動(dòng)。

到目前為止，科學(xué)家們共合成了酵母16對(duì)目標(biāo)染色體中的6對(duì)半。這并不是個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字，人工化學(xué)合成的DNA一直面臨著成本高、錯(cuò)誤多的問題，合成染色體長度的DNA極具挑戰(zhàn)性。在酵母DNA合成的研究中，科學(xué)家們通過合成寡核苷酸鏈（即短的DNA鏈）再拼接的方式，終于得到了全長的酵母染色體。從合成最簡(jiǎn)單的病毒、支原體開始，直到合成單細(xì)胞真核生物酵母菌，科學(xué)家們逐步攻克了基因大小與基因復(fù)雜程度上的障礙，為后續(xù)合成更加復(fù)雜的生命提供了可能。

3量子技術(shù)爆發(fā)：通信和計(jì)算領(lǐng)域的高速發(fā)展

量子技術(shù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室中的漫長發(fā)展，在2017年迎來了爆發(fā)期。

2017年1月，世界上第一顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”正式交付開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)?！澳犹?hào)”不僅在國際上率先實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，更在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)，圓滿實(shí)現(xiàn)了全部三大既定科學(xué)目標(biāo)。量子密鑰是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式?！澳犹?hào)”的成功，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)、開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究、空間量子物理學(xué)和量子引力檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，也為中國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

2017年5月，中國科學(xué)院宣布世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生。IBM于同月發(fā)布了17量子比特的處理器，又在11月宣布了20量子比特的量子計(jì)算機(jī)問世，并構(gòu)建了50量子比特的量子計(jì)算機(jī)原理樣機(jī)，在科學(xué)界引起了軒然大波。量子科學(xué)的征途依舊任重而道遠(yuǎn)。

2AI技術(shù)節(jié)節(jié)開花：人工智能帶來的變化和挑戰(zhàn)

2017年3月，人工智能Libratus在美國賓夕法尼亞州挑戰(zhàn)頂尖德州撲克游戲玩家，在12萬手比賽后，Libratus完勝全部4個(gè)對(duì)手。Libratus使用的“強(qiáng)化學(xué)習(xí)”方式能讓計(jì)算機(jī)生成更具創(chuàng)造性的策略，在信息不完全的情況下作出更好的決策。

同年5月，強(qiáng)化版圍棋人工智能AlphaGo在中國烏鎮(zhèn)3：0戰(zhàn)勝世界第一棋手柯潔，并與八段棋手協(xié)同作戰(zhàn)在組隊(duì)?wèi)?zhàn)中全勝5位頂尖九段棋手。10月，橫空出世的AlphaGo Zero僅通過40天的學(xué)習(xí)就戰(zhàn)勝了自己的雙胞胎兄弟AlphaGo Master。AlphaGo Zero采用無監(jiān)督學(xué)習(xí)，從零開始，不需要任何人類的經(jīng)驗(yàn)，并通過“強(qiáng)化學(xué)習(xí)”發(fā)現(xiàn)了新的圍棋定式。AlphaGo Zero還優(yōu)化了核心算法，將策略網(wǎng)絡(luò)和值網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，并引入深度殘差網(wǎng)絡(luò)，用更少的算力得到了更好的結(jié)果。

隨著技術(shù)的發(fā)展，人工智能時(shí)代已經(jīng)到來。除了撲克和圍棋，人工智能將會(huì)更加深入我們的生活，為人類社會(huì)帶來新的變化和挑戰(zhàn)。

1雙中子星并合引力波探測(cè)：開啟多信使天文學(xué)時(shí)代

2017年8月17日，從遙遠(yuǎn)太空傳來短短一瞬的信號(hào)，沸騰了整個(gè)天文界。10月16日，全球數(shù)十家天文機(jī)構(gòu)同時(shí)宣布了一個(gè)前所未有的重大消息：人類第一次探測(cè)到雙中子星并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)。這個(gè)信號(hào)，讓世界各地的望遠(yuǎn)鏡指向了同一個(gè)方向。

與黑洞不同，雙中子星的并合不但會(huì)產(chǎn)生引力波，而且還會(huì)拋射物質(zhì)并產(chǎn)生各種電磁信號(hào)，讓我們能夠“看”到。此前，科學(xué)家雖然曾4次探測(cè)到引力波，但由于黑洞的并合不會(huì)有任何電磁波輻射，人類只能“聽”到。而雙中子星并合事件，則意味著人類首次同時(shí)“看到”并“聽到”來自宇宙的信號(hào)，是一場(chǎng)宇宙展現(xiàn)在人類面前的視聽盛宴。

雙中子星并合引力波的成功探測(cè)，開啟了多信使天文學(xué)的時(shí)代，在天文學(xué)以及物理學(xué)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。在某種程度上，它的意義可以與第一次探測(cè)到引力波相提并論。在未來，隨著對(duì)雙中子星并合現(xiàn)象的深入研究，我們對(duì)宇宙的了解將翻開新的一頁。endprint