展望2020 年重大科學(xué)事件

2020年伊始，《自然》網(wǎng)站梳理了2020年科學(xué)領(lǐng)域值得期待的大事件。從浩淼的銀河系到微塵般的酵母、從龐大的巨型對撞機(jī)到小小的固態(tài)電池；從消除登革熱的小心愿到遏制氣候變暖的大愿景……無不凝聚著科學(xué)家們的心血。

諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎獲得者、俄羅斯科學(xué)家伊萬·彼德羅維奇·巴甫洛夫曾說：“感謝科學(xué)，它不僅使生命充溢快樂和歡欣，并且給生活以支柱和自尊心。”這些前沿科技雖然看起來距離遙遠(yuǎn)，卻蘊(yùn)藏著改變?nèi)祟惷\的潛力。

超級航天，與火星的“親密接觸”

火星是離我們最近的行星之一，一顆太陽系中除地球外最有可能出現(xiàn)生命的行星，一顆我們既熟悉又陌生的火紅色星球。“火星沖日”每隔約26個月發(fā)生一次，在此期間地球與火星距離5500多萬公里，可用較小花費和較短時間將探測器送往火星，而最近的“火星沖日”將在2020年7月發(fā)生。有鑒于此，中美歐爭先恐后于2020年發(fā)射航天器與火星來一次“親密接觸”，40多億年來一向“孤寂沙洲冷”的火星也將變得熱鬧非凡。

中國首臺火星探測器“火星一號”將于2020年擇機(jī)發(fā)射。據(jù)了解，我國的火星探測計劃同時攜帶“環(huán)繞器”“著陸器”和“巡視器”，在一次火星探測過程中可實現(xiàn)“繞”“落”“巡”三大任務(wù)，火星著陸巡視器是環(huán)繞火星不久后，就要與環(huán)繞器分離并降落，這對于著落后的火星車自主能力提出更高要求。美國國家航空航天局（NASA）也將于夏天發(fā)射“火星2020”火星車，在火星上采集并存儲巖石樣本，留待未來的火星探測器帶回地球，與它一同抵達(dá)的是一款小型可拆卸無人直升機(jī)。假如能夠解決著陸下降傘的問題，歐洲航天局（ESA）的“羅薩琳德·富蘭克林”火星車將搭載俄羅斯火箭升空，它將利用一個能鉆探到地表以下2米深處的鉆頭提取未受強(qiáng)烈輻射的物質(zhì)，這種物質(zhì)中或許含有火星上曾存在生命的證據(jù)。阿拉伯聯(lián)合酋長國也計劃朝火星發(fā)射一臺軌跡器，這將是阿拉伯國家的首個火星飛行任務(wù)，該任務(wù)目標(biāo)包括通過追蹤氫氣和氧氣的逃逸來理解火星為什么會失去大氣層，以更好地了解火星大氣層。

強(qiáng)大對撞機(jī)，有望再一次飛躍

近日，歐洲核子研究中心（CERN）公布了建造新型加速器的大膽設(shè)想。作為目前全球最大的對撞機(jī)，大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）全長27公里。CERN希望更上一層樓，制作一臺100公里長的對撞機(jī)，長度接近大型強(qiáng)子對撞機(jī)的4倍，能量更是其的6倍多，成本可能高達(dá)234億美元。這是一次巨大的飛躍，就好像一場跳過火星，直奔天王星的星際旅行。

在2020年1月15日CERN發(fā)布的技術(shù)報告中給出了計劃藍(lán)圖。報告披露了建造未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC）的幾個初步設(shè)計方案。按照計劃，未來環(huán)形對撞機(jī)將成為有史以來最強(qiáng)大的粒子粉碎機(jī)。

在大西洋彼岸，美國費米國家實驗室將在2020年發(fā)布“繆子g-2”實驗的成果，很多科學(xué)家對此翹首以盼。該實驗旨在對繆子（電子更重的“表親”）在磁場中的行為進(jìn)行高精度丈量。物理學(xué)家希望能發(fā)現(xiàn)小小的異?，F(xiàn)象，揭示出以前未知的基本粒子，從而拉開新物理學(xué)的前奏。

能源領(lǐng)域，新秀層出不窮

2020年，能源領(lǐng)域?qū)〉貌簧傩鲁晒?。其中，最值得期待的是鈣鈦礦太陽能電池。與目前大多數(shù)電池板使用的硅相比，鈣鈦礦吸光效率更高、成本更低且制造工藝更簡單,因此，鈣鈦礦太陽能電池已成為行業(yè)“新寵”，不少公司計劃于2020年開始銷售這種電池。

此外，在2020年7月的東京奧運會上，豐田汽車公司有望發(fā)布首款固態(tài)電池動力汽車原型，這種電池用固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)電池內(nèi)的液態(tài)電解質(zhì)。在過度充電等異常情況下，液態(tài)電解質(zhì)電池容易發(fā)熱，可能會造成自燃甚至爆炸。相比于液態(tài)電解質(zhì)電池，固態(tài)電解質(zhì)電池在提高電池能量密度的同時，還能解決安全問題。

超導(dǎo)專家也將在2020年迎來重大突破。他們一直希望研制出能在室溫下工作的超導(dǎo)體，這種超導(dǎo)體一旦問世，將徹底改變電力的傳輸方式，并節(jié)省大量能源。2018年，一個國際團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在極高壓力下，超氫化鑭可在零下23攝氏度表現(xiàn)出超導(dǎo)性，朝室溫超導(dǎo)體邁進(jìn)了一大步。研究人員計劃在2020年再接再厲，合成出超氫化釔，這一材料有望在53攝氏度實現(xiàn)超導(dǎo)。

阻止氣候變暖，迎來關(guān)鍵時刻

2020年8月，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）將發(fā)布一份針對地球工程科學(xué)和技術(shù)的重要報告。地球工程辦法旨在應(yīng)對氣候變化，相關(guān)辦法包含削減大氣中的二氧化碳，阻擋陽光等。世界海底管理局也將于2020年發(fā)布相關(guān)法規(guī)，使海底開采成為可能，但科學(xué)家憂慮這種做法會損壞海洋生態(tài)系統(tǒng)，甚至對已飽受重創(chuàng)的環(huán)境帶來災(zāi)難性影響。

第26屆聯(lián)合國氣候變化大會（COP26）將于2020年11月在英國格拉斯哥拉開帷幕，這次會議將是自2015年《巴黎協(xié)議》簽署以來最重要的氣候變化會議。屆時，各國有必要提出減少本國溫室氣體排放的新目標(biāo)，以完成《巴黎協(xié)議》設(shè)定的目標(biāo),即到2100年將全球升溫控制在工業(yè)化前水平2攝氏度內(nèi)。

合成酵母，帶來工業(yè)應(yīng)用新前景

酵母菌廣泛應(yīng)用于人類生活，比如制作面包、釀造啤酒、合成青蒿素等。一群合成生物學(xué)家打算從頭構(gòu)建面包酵母的“合成酵母2.0”項目，從而打造更符合人類需求的產(chǎn)品，該項目預(yù)計2020年完成，這一雄心勃勃的計劃由全球的15個實驗室聯(lián)袂實施。

此前，研究人員已將更簡單有機(jī)物（如絲狀支原體）的遺傳密碼全部用人造版本替換，但酵母細(xì)胞更復(fù)雜，對其改造也更具挑戰(zhàn)性。目前，研究小組已用合成DNA替換面包酵母16條染色體中的所有DNA，也重組并編輯了其基因組，以了解其如何進(jìn)化和發(fā)生突變。

這種合成基因組技術(shù)可以設(shè)計新型微生物用于生產(chǎn)燃料、食物和化學(xué)藥品等，或者用于吞噬降解有毒化學(xué)物質(zhì)。如果將實驗室制造的生物投放應(yīng)用——比如在工廠里利用藻類制造汽油，或者在嚴(yán)重污染區(qū)吞噬污染物——它們必須與野生種群之間存在生殖隔離。導(dǎo)入的染色體數(shù)目對此具有決定性的影響：除非生物體含有的染色體數(shù)目相同，否則它們無法產(chǎn)生可以存活的后代。因此，僅有1條或2條染色體的酵母無法與野生酵母進(jìn)行有性繁殖。

除了有必要的“生殖隔離”之外，人工組裝的酵母比天然酵母的環(huán)境適應(yīng)性要差，使得產(chǎn)生“超級菌株”入侵的可能性也很小。

神奇細(xì)菌，向蚊子和蒼蠅宣戰(zhàn)

在新一年里，科學(xué)家除了關(guān)注星辰大海，對身邊的小小敵人也不會忽視。

在印度尼西亞日惹市，針對一項可阻止登革熱傳播的技術(shù)開展的重大測試將得出結(jié)論。研究人員已將感染了沃爾巴克氏菌（會抑制引起登革熱和寨卡病毒等的蚊媒病毒的復(fù)制）的埃及伊蚊釋放到野外，使這種細(xì)菌在蚊群中傳播。

1926年發(fā)現(xiàn)的沃巴赫氏菌，在南美和中美超過16%的蚊子身上發(fā)現(xiàn)過，科學(xué)家認(rèn)為，世界上60%的蚊子都有可能感染這種細(xì)菌。沃巴赫氏菌能夠積極影響宿主的生命，包括性別和生殖功能，從而抑制引起登革熱和寨卡病毒等的蚊媒病毒的復(fù)制?？纤髮W(xué)昆蟲學(xué)系制定一個用專門研制的WB1沃巴赫氏菌菌株感染雄性埃及伊蚊的計劃，這不會影響蚊子的生命，但這種蚊子與雌蚊交配后，產(chǎn)的卵會在早期發(fā)育階段死亡?？茖W(xué)家此前在印度尼西亞、越南和巴西進(jìn)行的小規(guī)模測試顯示，這一技術(shù)極具前景。

一種治療瘧疾的疫苗也將給人們帶來好消息，該疫苗將在赤道幾內(nèi)亞的比科島進(jìn)行試驗。世界衛(wèi)生組織也希望到2020年消除昏睡病。這是一種由采采蠅傳播的疾病，不僅能導(dǎo)致嚴(yán)重的睡眠紊亂，還會讓人產(chǎn)生攻擊性、精神錯亂，最終導(dǎo)致死亡。