你知道2020年,科学家们背着你都干了哪些大事吗?

2020 年新冠肺炎疫情席卷全球,人们的生活和工作很大程度上被疫情所左右。不过各国科学家们在如此困难的局面下,仍然为我们带来了多项重大的科技进展。下面选出的这些科技新闻,都可以说是本年度科学界令人印象深刻的瞬间,快来看看有没有你还没了解的内容吧。

TESS 传来新发现

1 月 6 日,美国国家航空航天局(NASA)宣布,经由凌日系外行星巡天卫星(TESS)的观测结果,他们发现了一个位于宜居带的地球大小的系外行星。该行星被命名为 TOI 700 d,与地球相距约 100 光年,它围绕的恒星 TOI 700 是一个相当于太阳四成大小的红矮星。TOI 700 d 的大小约为地球的两成,公转周期 37 天,它所接受到的来自恒星的能量,大约是地球接受到来自太阳能量的 86%。

此外,本次 NASA 还公布了另外一组来自 TESS 的最新观测结果,他们发现了一颗围绕着双星运转的系外行星,这是 TESS 首次发现类似的行星。该行星被命名为 TOI1338 b,是 TOI1338 星系的唯一行星,大小约是地球的 7 倍,生命存在的可能性非常低,距离地球 1300 光年。

TESS 不断传来的新发现丰富了人们对于宇宙和自身的认知,只是这动辄几百上千光年的距离,对于现世的人类来说,也就只能远观了。

TOI 700 d 与 TESS 的想象图

图片来源:NASA

太阳观测史的两大里程碑

1 月 31 日,美国国立太阳天文台公开了由井上建太阳望远镜(DKIST)拍摄的太阳表面照片,分辨率达到了 30 千米。这张照片中,太阳表面布满了细胞一样的小团块,然而每个 ” 细胞 ” 实际上都有美国得克萨斯州那么大。” 细胞 ” 的形成与太阳表面的热对流有关,明亮的中央部分是上升的灼热等离子体,在冷却后它们就会落到 ” 细胞 ” 周边的黑线处。好像煮开的水同时有多处沸腾的小突起,而相邻的小突起间又会形成互相冲撞的界限。

7 月 20 日,欧洲航天局领导的太阳轨道飞行器任务也发布了第一张太阳照片,虽然它的照片看起来没有 DKIST 在一月份的作品那么令人印象深刻,但它的拍摄地点离太阳非常近(7500 万公里),只有大约地球到太阳距离的一半。而且,该飞行器还在调整轨道,不断向着离太阳更近的方向前进,到 2022 年初,它将飞到离太阳 4800 万公里的地方。到那时,我们才能领略它的真正威力。

在地球上给太阳拍照固然可以动用更加大型、更加复杂的设备,但却无法实现太阳轨道飞行器那样的 ” 上帝视角 “,相信我们很快就能得到更多关于太阳的最新研究成果。

DKIST 观察到的太阳表面(左)和太阳黑子(右)

Space X 载人飞行有得有失

5 月 30 日,猎鹰 9 号运载火箭搭载载人龙飞船先行 2 号升空,5 月 31 日,飞船与国际空间站成功对接。先行 2 号是民营航天制造商 Space X 发射的首艘载人飞船,也是美国自 2011 年航天飞机退役后的首次本土载人任务。2 名航天员搭载该飞船前往国际空间站,并于 8 月 3 日成功返回地球。完成载人任务标志着猎鹰 9 号系列载具和龙系列飞船的性能与可靠性达到了相当高的水准,从此载人航天的主要玩家在中美俄三大国之外,又多了 Space X 这家民营企业。

载人龙飞船先行 2 号的两名成员

12 月 9 日,Space X 的星舰航天系统完成了第一次真正意义上的高空测试。这架被命名为 SN8 的原型机从南得克萨斯州起飞后,上升到了 12 公里左右的高空,并在空中进行了一系列飞行测试项目。虽然 12 公里距离各种航天器的地球轨道高度还有一定距离,但这与真正的太空任务仅有量的区别,并非质的不同。在飞船回收环节,Space X 试验了一种新颖的高难度落地方式。飞船将一直以腹部与地面平行的姿态向地表下落,然后在最后一瞬间点火启动火箭,让体态转为竖直并着陆。遗憾的是,飞船的着地速度过快,以至于撞上无人回收船后猛烈爆炸。

不过,马斯克仍然声称这次实验非常成功,虽然飞船没能实现成功着陆,但完成了既定的高空飞行课目,落地即便失败也取得了有意义的数据。马斯克更是在推特上喊出了 ” 火星,我们来了!”。马斯克随后称,如果 2024 年 NASA 的阿尔忒弥斯项目能够成功让星舰飞船在月球表面着陆,2026 年 Space X 将进行首次载人火星任务。

小行星探险计划扎堆

登陆月球火星之外,人类今年也让宇宙探测器的足迹踏上了小行星。10 月 20 日,NASA 旗下的小行星探测器 OSIRIS-Rex 与其探测了数个月的小行星 ” 贝努 ” 进行交会。贝努距离地球大约 3 亿 3 千万公里,直径大约 490 米,是科学家重点监测的可能给地球带来威胁的小行星之一。OSIRIS-Rex 于 2016 年 9 月升空,直到 2018 年底才抵达贝努,进入距离其 2 千米的轨道,进行每 61 小时一周的绕星运动。

10 月 20 日,OSIRIS-Rex 下降到仅仅距离贝努表面几米远处,然后将搭载的机械臂伸向贝努表面。机械臂的前端是一个像吸尘器一样的吸盘,吸盘会抵住土壤表面,但采样时并非使用吸力,而是透过机械臂向贝努表面发射压缩氮气。气流会裹挟吹起的岩石和尘土进入到吸盘内侧布置的样品室中,这种方法预计将采集数十克样品。成功采样后,OSIRIS-Rex 将在 2021 年 3 月 21 日踏上归途,由于距离遥远,它回到地球也将是 2023 年 9 月了。

OSIRIS-Rex 采样示意图

与 OSIRIS-Rex 仅仅维持 16 秒的软着陆式采样不同,日本的隼鸟 2 号探测器则是扎扎实实地在小行星 ” 龙宫 ” 表面进行了登陆和探测,然后再进行采样,并从龙宫表面起飞返回。2020 年 12 月 6 日,经过一年多飞行的隼鸟 2 号返回了地球,返回舱在澳大利亚南部沙漠地带着陆,并在澳大利亚空军的协助下进行了回收。

2020 年 12 月 15 日,日本宇航机构 JAXA 对隼鸟 2 号返回舱中的密封样品室进行了开封,令研究人员喜出望外的是,隼鸟 2 号带回了大量的龙宫土壤样品,这比最初计划的 0.1 克多了许多倍。由于在样品室打开之前,谁也不知道采样是否成功,因此参与项目的科学家们心情必然十分忐忑。据最早看到样品室内部的泽田宏崇研究员称,他当时的心情是 ” 激动到失语 “。

日美两国间关于这两个小行星探测计划还有着一项样品互换的约定,OSIRIS-Rex 将向 JAXA 提供 0.3 克贝努土壤样品,而隼鸟 2 号则需要向 NASA 提供龙宫带回样品的 10%,且这一约定不会因某一方项目失败而中止。虽然看起来各取所需,但 OSIRIS-Rex 预期带回的样品约为 60 克到 2 千克,而隼鸟 2 号预计则只有 0.1 克(虽然实际上大大超过了这一数值)。这样算来,我等中立吃瓜群众只能说这个协议实在堪称是不平等条约。

隼鸟 2 号的实机大小(左)及返回舱密封胶囊内部(右)

图片来源:JAXA

生物工程领域 ” 黑科技 ” 频频现身

6 月 29 日,美国研究团队发表研究成果称他们利用细胞工程学方法,成功修复了重度损伤的家兔子宫。具体来说,研究人员首先从家兔体内提取干细胞,然后将其培养成类似 ” 补丁 ” 的薄膜组织,之后再移植到缺损的家兔子宫。这些来自家兔自身的 ” 补丁 “,不仅能在数个月后与原有子宫完美融合,还不会激发免疫反应。10 只接受了移植手术的家兔中,有 4 只顺利怀孕生产,作为对比,不进行手术的家兔则完全无法生育后代。这项研究为那些由于子宫异常而无法怀孕的女性带来了新的希望。

6 月 18 日,美国环保署批准了生物工程公司牛津科技(Oxitec)的一项实验计划。这家公司于今年夏天在美国多地释放基因编辑蚊子,以评估其对于削减野生蚊子种群数量的效果。基因编辑蚊子的体内携带着某些缺陷,从而会在与野生种交配后出现早夭、无法产生后代或者后代同样存在缺陷等后果。在已经进行的大部分实验中,瞬间释放的海量 ” 问题 ” 蚊子都让当地同种蚊子的数量下降了百分之八十以上。当然,出厂之前雌蚊都会被筛选出来并加以消灭,实际上所释放的都是不会叮咬人的雄蚊。

9 月 16 日,以沃尔巴克氏体为技术核心的灭蚊方法也在今年夏天完成了数次大规模实验。科学家将寄生细菌沃尔巴克氏体导入蚊子体内,该细菌将通过蚊子的交配行为在蚊子种群中广泛传播。而这种细菌的寄生行为会导致雌蚊死亡或者失去生育能力。沃尔巴克氏体之前在多种昆虫身上皆有发现,它们与其宿主的关系非常复杂,大部分情形下会造成宿主的寿命缩短以及生殖行为异常。当雄蚊被沃尔巴克氏体感染后,这种寄生菌会放出毒素污染被感染雄性的精子。当健康雌性的卵子与这些 ” 毒精子 ” 相遇后,将产生细胞质不相容效应,无法正常发育。当大量被感染的雄蚊被释放到环境中后,雌蚊与其交配将无法产生后代。此外,最新的灭蚊技术还有更加玄幻的 ” 基因驱动 ” 等,可以毫不夸张地说,人类想让蚊子绝种的办法可不止一种。

12 月 4 日,荷兰神经研究所的团队在《科学》杂志上发表论文,报道了一种通过在猴子大脑植入电极,然后不经过视网膜就能形成一定视觉的方法。虽然这可能并不是类似技术的首次运用,但这次研究人员在数个关键参数方面都取得了前所未有的进步。猴脑中植入的传感器拥有 1024 个电极,其产生的模拟视觉信号具有很高的分辨率,可以达到让猴子识别屏幕上英文字母的水平。这项技术为失去视觉的人带来了不小的希望,只要在脑中植入特殊的传感器,就可能不依靠眼睛来感受视觉信号。当然,这项技术眼下距离应用还有一定距离,例如植入大脑的传感器最多只能维持 1 年左右的功能,之后就将被脑组织所包覆侵蚀而失效。

脑部刺激产生人工视觉示意图

图片来源:《科学》

AI 不光会下围棋,还能计算蛋白质结构

12 月 1 日,DeepMind 对外宣布,其开发的人工智能系统 AlphaFold2 基本解决了 ” 蛋白质折叠 ” 问题。该问题的解决意味着人类对蛋白质结构的解析和预测进入了新的纪元,是科学史上的重大成就。如果要评选今年的年度科学大新闻,AI 解决蛋白质折叠问题很可能会被列在头名。蛋白质好比是一部精心组装的机器,空间结构就是它的组装方式,组装方式一旦不正确,即便零件都完好,机器也无法正常运转。对人类而言,破解组成蛋白质的氨基酸序列并不算特别困难,难点在于如何破解它的空间结构。

在 AI 时代到来之前,人类已经有不少巧妙的办法来窥探蛋白质结构的奥秘。但这些方法并不能满足人类对于蛋白质结构及其相关生理功能研究的全部需求,这其中最大的问题就在于,这些分析手段说起来简单,但是实际操作起来却相当劳神费力,解析一个蛋白质的结构很可能要花好几年时间。利用 AI 解决蛋白质折叠问题的本质其实可以理解为让 AI 在仅仅知道氨基酸序列的前提下预测蛋白质结构。

本次取得重大进展的 AlphaFold2 其实早在 2018 年就初露锋芒了,当时它的前代型号 AlphaFold 在蛋白质结构预测的世界性大赛 CASP 中夺冠,准确地从 43 种蛋白质中预测出了 25 种蛋白质结构,而第二名的获奖团队仅准确预测出 3 种。当时 AlphaFold 参加的也是允许人与算法共同合作的 humans and servers 组别,最终 AlphaFold 获得了 ” 前所未有的进步 ” 这样的高评价。

本次大赛,AlphaFold2 更是以压倒性的成绩点数,让人们直接喊出了 ” 蛋白质折叠问题已经被 AI 解决 ” 这样的豪言。AlphaFold2 预测出的多种蛋白质结构,仅仅与实验测出的真实结构存在原子尺度上的细微差异,已经可以说达到了与传统手段类似的精度。

AlphaFold2 里程碑性质的进展,让人类有望在多个领域得到来自 AI 的切实助力。例如,阿尔茨海默症、帕金森综合征、亨廷顿综合征等神经系统病变都与蛋白质的错误折叠有关,这直接导致蛋白质本该有的结构和功能发生异常。AI 的介入将让人类更有效地了解这些错误折叠背后的机理,从而更加有效地提出治疗方案。

AlphaFold 预测的蛋白质结构(蓝色)与实际结构(绿色)对比

图片来源:AlphaFold

2020 马上就要过去,在即将到来的 2021 年,相信我们大家除了希望能尽快驱散疫情的阴霾,也希望能看到更多科技成就的诞生。

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