2015十大科技事件

2016-05-08 05:02:47


2015年,科学一如既往地加深人类对世界的理解。它一边继续推动技术的进步,一边继续充当讨论与合作的基石,同时也不忘反思自己,将前进的步伐调整得更加踏实

□果壳科技评论小组

10 合作:巴黎协议

2015年12月14日,在巴黎气候大会上,全世界历史性地达成了一个普遍性的、具有法律约束力的气候变化协议。自《京都议定书》以来,气候大会未能促成广泛性协议的历史,在2015年末终结了。

自工业革命以来,人类因燃烧化石燃料排放了大量温室气体,如果不加以遏制,全球平均温度会在2100年上升4.5℃,导致极地冰川融化、海平面上升,许多沿海地区将被海水吞噬。目前,气候变化引发的风暴、洪水、干旱等极端天气越发频繁猛烈。除此以外,中国还经历着以化石燃料为主的能源结构所带来的影响——空气污染。

在此背景下,协议制定出应对气候变化的目标及措施:(1)相较前工业水平,全球变暖应远低于2℃,并努力使变暖的温度低于1.5℃;(2)减少化石燃料的使用;(3)每五年对国家进行审查,并根据情况提高减排目标。

此外,富裕国家将对贫穷国家提供资助,帮助后者发展更为绿色的能源。

虽然仍面临着协议目标过高难以达到、没有规定各国的减排指标,以及没有涵盖国际航运和航空等一系列问题,但巴黎气候会议无疑给世界人民传达了一个有力信号:在气候变化上,全球将相互合作,引导人类走向更安全的未来。


现代人类的活动诱致物种减少。图为美丽蘑菇云下的恐怖能量。图片来源:资料图

9 我们正在引导第六次物种大灭绝

在过去的4.5亿年里,地球见证了五次“大规模灭绝事件”。其中最严重的一次是6600万年前,恐龙和近四分之三物种的灭绝。

科学家认为我们现在正处于第六次大灭绝事件的边缘。2015年6月,一项发表在《科学进展》杂志的研究显示:生物学家发现地球上的动物灭绝的速率比正常情况下要快20—100倍,而且这个速度还在加快。“生物灭绝的罪魁祸首,确凿无疑,就是人类自身。”托德帕尔默,佛罗里达大学生物学家和研究报告的共同作者这么说道。

8 新祖:纳勒迪人

在人类进化历程中,近三十种古人类曾先后生活在这个世界上,而在2015年9月,这个名单又增加了一位新成员。但这个新的祖先有些不同寻常:也许在他们那里,诞生了最初的葬礼。

2015年9月,在南非约翰内斯堡附近的一个洞穴深处,专家们从1500根骨头中拼凑出一个智人“纳勒迪”(naledi),他们声称,这是可以代表人类祖先的一个新物种。这个消息一发表就引起了巨大轰动。这些骨头能告诉我们很多他的信息,他看起来是南方古猿和人之间的过渡。他脑容量很小,但是颅骨的各种形态都更加和人相似;躯干和骨盆较为原始,但手部灵活,应是出色的工具使用者;趾骨弯曲形成足弓,这是直立行走的证据。

但真正奇特的是这个洞穴的其他特点。这里有多达1500块人骨,对应至少15个人,却没有任何石器或者其他生活痕迹;人骨上没有野兽咬痕,周围也没有对应着洪水的碎石或者植物体。排除别的选项,留下的最大可能是:这是一处纳勒迪人用来埋葬同伴的墓穴。

当然,我们无从猜测埋葬行为的起源,但如果将来我们能顺利得出他们生存的时代,那这也许就是最初的文明火花之一。


荷兰代尔夫特理工大学的科学家在检查贝尔不等式实验装置。图片来源:代尔夫特理工大学汉森实验室

6 确认了“鬼魅般的超距作用”是真的

量子世界又有了神奇的发现:两个量子即使离得很远,也可以相互“纠缠”。当两个量子纠缠,测量一个量子的性质时,无论它们距离有多远,会立即可以给出另一个的信息。“纠缠”的概念可以追溯到20世纪30年代,出自爱因斯坦和他两位同事发表的一篇论文,尽管后来他驳斥了这个“鬼魅般的超距作用”的想法。

1965年,北爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出贝尔不等式,为隐变量理论提供了实验验证方法。从20世纪70年代至今,对贝尔不等式的验证给出的大多数结果是否定的,这意味着隐变量理论不成立。过去30多年来,已经有多项实验检验过贝尔不等式,实验结果都支持量子力学的观点。然而,所有那些实验或多或少都存在漏洞,有些没有排除局域性漏洞,有些则没有排除测量漏洞。2015年10月,荷兰物理学家设法使两个电子相距一英里,在金刚石色心系统中完成了贝尔不等式实验,首次同时避免了这两种漏洞,从而证伪了爱因斯坦提出的量子力学不完整的观点,更确凿地支持了量子力学。

不过,也有科学家指出,这一实验并未排除第三个漏洞,也就是“自由意志选择”漏洞。未来,如果能够在地球和月亮之间进行实验,才能真正做到毫无漏洞地验证贝尔不等式。虽然这一切听起来遥不可及,但科学家们说,这项研究可能最终导致发展出超高速的“量子计算机”,这有可能改变应用在医学、密码学和人工智能上的游戏规则。

7颠覆:脑部存在淋巴管

解剖学是现代医学中相对“稳定”的领域。自维萨里于16世纪开创现代人体解剖学,到20世纪初,解剖学知识似乎就已“凝固”。而现在,解剖学教科书恐怕要更新了。

在此前大家熟知的知识里,流淌着淋巴液的淋巴管道遍布全身,但并不存在于脑部。而由美国弗吉尼亚大学乔纳森·基普尼斯教授实验室报告的这项发现则得出了惊人结论:大脑会通过淋巴管道与免疫系统直接相连。

实验室的博士后安东尼·卢沃在解剖小鼠脑膜时发现,玻片上的免疫细胞呈管状分布,随后就在那里发现了本不可能存在的淋巴管。也许是因为位置实在太隐蔽,此前的研究从未发现中枢神经系统中的淋巴管。基普尼斯坚信,他们也会在人类大脑中发现同样的结构。

这一发现在业内激起了极大反响。有研究者认为这会改写教科书,也会改变我们对大脑的运作机制和阿尔茨海默病、多发性硬化症等多种脑部疾病的理解。不过也有研究者对该发现持保留态度,表示要等待人体中的研究结果。

5 火星“大新闻”丰收

2015年9月29日,美国国家航空航天局(NASA)召开新闻发布会,公布一项与火星有关的大发现。与以往NASA宣布“大发现”的节奏一样,这场发布会的预告被各类媒体疯狂炒作,甚至一度流出了发现火星生命的传言。其实,NASA发现的是现今火星上仍然存在液态水的证据。可惜,这种液态水不能直接饮用,因为其中富含盐份,是名副其实的卤水。

尽管发现了液态水,但今天的火星仍然比地球上最干旱的沙漠还要干燥。曾经的火星就大不一样了,在40多亿年前,这些海水足够将火星的全部地表淹没在140米深的水下。

为什么曾经的水世界变成了红色沙漠?2015年11月6日,NASA公布了美国“火星大气与挥发演化”探测器的最新结果:由于火星上缺乏全球性的磁场,太阳风暴能够迅速剥离火星的大气,导致这颗行星在30多亿年前就几乎流失了全部大气。这样的气候变化,使火星沦为不毛之地。

不过,这并不能阻止人类总有一天将要踏足火星的决心。2015年5月,美国喷气推进实验室提出了新的载人登陆火星方案;当年10月,NASA又公布了分三个阶段登陆火星的报告。在可预期的未来,《火星救援》里宇航员前往红色行星实地考察的场景,将变为现实。

4 屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖

2015年10月5日,诺贝尔生理学或医学奖颁出。屠呦呦因为发现抗疟疾药物青蒿素而与发现抗线虫病药物阿维菌素的威廉·坎贝尔和大村智共享此奖,成为首个获得这一奖项的中国科学家。

1967年,为了寻找新型抗疟疾药物,中国政府启动了“523项目”。项目组对大量传统草药进行了筛选,发现植物黄花蒿的提取物具有抗疟疾效用。1971年9月,屠呦呦重新设计了提取方法,获得了抗疟药效突出的黄花蒿提取物。后来,她和同事成功从中分离出抗疟有效单体化合物“青蒿素”。后续研究明确了青蒿素的化学结构。投入临床使用后,青蒿素及其衍生物使众多疟疾患者得到救治。

屠呦呦的获奖引起了中国社会的热切关注。从对中国学术评价体制的反思到关于传统医学地位的争论,一系列观点碰撞也伴随这个奖项出现。“我们是把奖项颁给受传统医学启发而创造出新药的研究者。”诺贝尔奖委员会成员汉斯·弗斯伯格说。正因为有了这些新药,更多被寄生虫病折磨的生命才得以存活。喧嚣之上,我们应当看到,这一奖项的最根本意义,仍在于表彰拯救生命的人。

3已打开定制DNA的大门

一直以来,DNA支配着生命的生长发育,而现在我们能随心所欲地篡改特定DNA,定制“基因编辑”的时代已经开始。“CRISPR-Cas9”的出现,让科学家比以前更快更方便地替换部分基因组。对当今的分子生物学界而言,CRISPR-Cas9不只是一种基因编辑技术,更是一场革命。由于它在基因编辑方面不可思议的高效和便捷,曾经仅存于科幻小说中的情节如今几乎成为事实。早些时候,科学家实验出经基因改造的抗疟疾蚊子和抗猪瘟疫的非洲猪。与此同时,美国食品药品监督管理局批准了基因改造的速生鲑鱼供我们食用。

2015年4月,中山大学副教授黄军就实现了编辑人类胚胎基因零的突破——他们用CRISPR-Cas9改造了能导致β型地中海贫血的缺陷基因。在这项前无古人的创举引发的争议尚未平息之际,哈佛大学乔治·彻奇和杨璐菡的研究小组又利用这种CRISPR-Cas9对猪基因组进行批量编辑,一次性彻底解决了猪内源性病毒的问题,为寻找器官移植的替代资源扫除了一大障碍。

2015年,CRISPR-Cas9技术先驱麻省理工学院的张锋团队成功破解了Cas9蛋白的结构,从而在更坚实的基础上引爆了一系列技术突破。张锋的团队设计出了一种利用Cas9调控基因表达的新技术,他们还开发出一种“迷你型”的CRISPR新体系。

2015年11月,另一位CRISPR-Cas9技术的先驱詹妮弗·杜德娜使用实时成像的方法揭示了CRISPR系统运作的过程。而最大的突破出现在不久前,通过对Cas9蛋白的优化改造,张锋团队几乎完全扫除了CRISPR系统的“脱靶”缺陷。

那么,基因工程的下一个目标会是人类吗?中国的科学家已经在将实验应用在人胚胎上迈出了第一步,他们在已经不能发育成人的“死”胚胎上研究如何改造能引起遗传病的基因。即便如此,该实验还是引起了巨大的争议。一些人主张人类基因的修饰是有益的,希望将其应用于一些易感性和毁灭性的疾病,如癌症和老年痴呆;另外一些人认为这样的研究是导致世界基因多样性被破坏的开始。以CRISPR-Cas9为代表的新基因编辑技术将无可避免地走向临床,但在此之前,充足的研究与讨论是必要的。

2 与冥王星的近距离接触

2015年7月14日,旅程已近十年的新视野号探测器近距离飞掠冥王星,完成了人类对这颗矮行星的首次探测,并发送回冥王星及其卫星的高清照片。飞掠途中,飞船与地表的最近距离仅有7800米——这个距离足以展现出奇异巨大的冰山和自由分布的火山口,它们像“细胞”一样分布在几英里宽的地方。这些照片让科学家们感到十分惊讶,他们原以为在过去的一亿年中,冥王星早已“死去”,不再有地质活动。而现在科学家在冥王星上发现了形成年代不足1亿年的高大冰山,被氮冰覆盖的巨大雪原以及过去可能喷发过的两座冰火山。种种证据表明,冥王星上存在着持续至今的活跃地质活动,甚至发生着类似地球上冰川活动的氮冰循环。

在此之前,即使是哈勃空间望远镜,也无法分辨冥王星上的细节地貌。这颗曾经的第九大行星一直徘徊在太阳系的外围,除了轨道以外,没有人确切知道冥王星的一切,就连大小都存在持久的争议。如今,依靠新视野号陆续传回地球的数据,我们不仅测出了冥王星的精确大小,还第一次看清了它的真实模样。新视野号还发现,冥王星大气层的规模远远超过预期,那里的大气中甚至有多层蓝色的雾霾。

除了冥王星本身,新视野号还对它的卫星进行了探测。新视野号没有在冥王星周围发现新的卫星,这一点出乎科学家的意料。冥王星大卫星——冥卫一卡戎(Charon)上则发现了巨大的裂谷,暗示了这颗卫星过去发生的复杂地质历史。对其他小卫星的探测,则对研究太阳系外围其他的柯伊伯带小天体提供了更多有价值的线索,对于揭露太阳系自身的形成历史也有帮助。

掠过冥王星之后,新视野号飞向了宇宙深处,预计将于2019年飞掠下一个目标:一颗柯伊伯带小天体。由于距离遥远,它在飞掠冥王星时记录的数据,要花16个月的时间才能全部传回地球。有关冥王星系统的新发现,将继续震撼2016年的我们。


猎鹰9号火箭发射和一级火箭回收的光迹照片。图片来源:SpaceX公司

1SpaceX火箭回收成功 开启航天新纪元 

2015年12月22日,美国太空探索科技公司(SpaceX)发射猎鹰9号火箭,将美国轨道通信Orbcomm公司的11颗通讯卫星送入预定轨道。火箭升空9分40秒后,一级火箭顺利返回发射场附近,稳稳着陆在预定的1号着陆区。至此,SpaceX的一级火箭回收试验终于取得成功。

2015年,SpaceX的火箭回收之路可谓一波三折:1月10日,猎鹰9号火箭在一级火箭分离后受控落向事先停泊在大西洋上的改装驳船。虽然准确命中驳盘,但下落速度过快导致一级火箭砸在甲板上爆炸损毁,首次尝试失败。2月12日,猎鹰9号火箭搭载“深空气候观测天文台”卫星成功发射升空。但回收时,驳船因海上风浪太大被迫撤回,一级火箭最终落入水中。4月14日,猎鹰9号在执行任务后,一级火箭着陆时未能站稳,最终倾覆爆炸。而就在SpaceX打算第三次尝试一级火箭海上回收时,6月28日,猎鹰9号遭遇发射失利,火箭连同货运飞船全部在高空解体。为此,SpaceX暂停了所有火箭发射任务,调查失利原因。

就在SpaceX蛰伏期间,11月23日,美国蓝色起源公司的新谢泼德飞行器实现了火箭从太空返回的垂直软着陆。不过,与猎鹰9号相比,新谢泼德飞行器只能进行亚轨道飞行,没有能力将航天器发射入轨。直到12月22日,重整旗鼓的SpaceX复飞猎鹰9号,并首次尝试在陆地上回收一级火箭,终于取得成功。SpaceX的最终目标,是将运载火箭由一次性使用转变为多次复用——此举将大幅度降低航天发射的费用。可以说,SpaceX回收火箭的成功,将开启航天产业新的纪元。

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