2021，新冠疫情盤(pán)桓不去，百年變局疊加其上。我們每一個(gè)人都在蹣跚前行，也比以往，更加需要光。

　　這光，是科學(xué)。

　　這一年，疫情并未阻攔科學(xué)之光。你看得懂的腦機(jī)接口、火星登陸，難以理解的繆子測(cè)量、量子糾纏，以及因抗擊新冠而頻出成果的抗病毒新藥、CRISPR療法、蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)……

　　我們堅(jiān)信，有光在，希望就在。

　　◎本報(bào)記者 張夢(mèng)然

　　1 腦機(jī)接口能將腦中“筆跡”轉(zhuǎn)為字句

　　這是一個(gè)“躺平”的實(shí)驗(yàn)者。

　　他四肢完全不動(dòng)，“純靠”想象自己腦海里有一只手在寫(xiě)字，然后就真的寫(xiě)出來(lái)了。這一場(chǎng)景在一個(gè)概念驗(yàn)證型研究中已經(jīng)出現(xiàn)。

　　包括美國(guó)斯坦福大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)今年宣布，結(jié)合人工智能成功開(kāi)發(fā)出全新系統(tǒng)，利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)活動(dòng)解碼“手寫(xiě)”筆跡，并使用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼方法將筆跡實(shí)時(shí)翻譯成文本，以比此前任何時(shí)候都要快很多的速度將患者“手寫(xiě)”的想法轉(zhuǎn)換為電腦屏幕上的文本。

　　讓失去行動(dòng)或說(shuō)話能力的人恢復(fù)與外界的交流，其實(shí)是腦機(jī)接口技術(shù)的重要功能與目標(biāo)。這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)主要研究方向是恢復(fù)大運(yùn)動(dòng)功能，比如拿握或抓取。然而，高度精細(xì)的動(dòng)作，比如手寫(xiě)或盲打，雖然能加快交流速度，但此前的交流只能通過(guò)2D計(jì)算機(jī)光標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)選式打字來(lái)實(shí)現(xiàn)，速度一直局限在每分鐘最多40個(gè)字符左右。但此次聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，一位頸部以下癱瘓的研究對(duì)象在使用一種新的“手寫(xiě)腦機(jī)接口”時(shí)，寫(xiě)字速度能達(dá)到每分鐘90個(gè)字符，準(zhǔn)確率為94.1%，表明了“手寫(xiě)腦機(jī)接口”能準(zhǔn)確解碼癱瘓多年患者的快速、精細(xì)動(dòng)作。

　　2 迄今最精確測(cè)量結(jié)果揭示繆子行為異常

　　即使看不懂這一成果的內(nèi)容，我們也要知道：這是物理學(xué)界的一件大事。

　　在美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)顯示，繆子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測(cè)不相符。上海交通大學(xué)繆子物理團(tuán)隊(duì)參與的美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)（Muon g-2）首批結(jié)果4月份公布，以前所未有的測(cè)量精度，為新物理的存在提供了強(qiáng)有力證據(jù)。

　　繆子的“體重”比它的近親電子重200倍，在宇宙射線穿透地球大氣層時(shí)自然產(chǎn)生，此外，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室里的質(zhì)子加速器也可以大量制造繆子。在最新實(shí)驗(yàn)中，研究人員將費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的粒子加速器產(chǎn)生的繆子束流送入一個(gè)直徑為15米的超導(dǎo)磁鐵存儲(chǔ)環(huán)內(nèi)，強(qiáng)大的磁鐵使繆子保持在圓形軌道上，利用放在環(huán)內(nèi)側(cè)的探測(cè)器，可以精確測(cè)量繆子的進(jìn)動(dòng)頻率，從而獲得了迄今最精確g-因子值，且與布魯克海文實(shí)驗(yàn)室得出的測(cè)量值相吻合。

　　這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，顯示繆子行為與標(biāo)準(zhǔn)模型之間不匹配的置信度為4.2倍標(biāo)準(zhǔn)方差，僅比5倍標(biāo)準(zhǔn)方差（科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)的最終標(biāo)準(zhǔn)）略小，這是一個(gè)非常有力的證據(jù)。

　　而“這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果攜手，為新物理的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，預(yù)示著世界上可能存在新的未知粒子或作用力�！�

　　3 宏觀物體量子糾纏證據(jù)確鑿

　　如果說(shuō)量子力學(xué)有什么令人討厭之處，那第一絕對(duì)是太難懂，第二則是“摸不著”。

　　人們會(huì)認(rèn)為，量子這一領(lǐng)域很大程度上如同“想象”的學(xué)科，在現(xiàn)實(shí)中幾乎不可能看到。

　　實(shí)際上，量子力學(xué)不僅僅是微觀的理論，我們所知的所有物質(zhì)，從根本上來(lái)說(shuō)都是量子。但不得不承認(rèn)，奇怪的量子效應(yīng)在大于幾個(gè)原子的任何事物中都很難觀察到。因此，找尋宏觀物體的量子效應(yīng)的證據(jù)，也成為物理學(xué)家們的一大目標(biāo)。

　　美國(guó)《科學(xué)》雜志5月發(fā)表兩項(xiàng)量子力學(xué)重磅突破：其中一項(xiàng)研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宏觀物體量子糾纏的直接證據(jù)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)使用微波脈沖讓兩張小的鋁片膜進(jìn)入量子糾纏狀態(tài)。該鋁片膜的尺寸為每張長(zhǎng)20微米，寬14微米，厚100納米，質(zhì)量為70皮克，相當(dāng)于大約1萬(wàn)億個(gè)原子的質(zhì)量。盡管非常微小，但以量子的標(biāo)準(zhǔn)而言，它們已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)大的尺度。

　　另一項(xiàng)研究中，芬蘭阿爾托大學(xué)等機(jī)構(gòu)在8毫開(kāi)爾文的溫度下，讓兩個(gè)鋁鼓膜進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間、相對(duì)穩(wěn)定的糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不確定性原理的“規(guī)避”，而這正是量子力學(xué)的基本定律之一。

　　這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都以確鑿的證據(jù)證明了宏觀物體也可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏，不但有望在未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)中提供長(zhǎng)期網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，還能極大地推動(dòng)暗物質(zhì)與引力波探測(cè)相關(guān)技術(shù)研發(fā)。

　　4 天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功登陸火星

　　烏托邦平原，科幻中經(jīng)常出現(xiàn)的大本營(yíng)、太空船的建造基地以及超級(jí)太空艦隊(duì)駐守的基地。

　　今年5月15日，中國(guó)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，中國(guó)成為第二個(gè)成功著陸火星的國(guó)家。

　　美國(guó)《華爾街日?qǐng)?bào)》刊登標(biāo)題為《成功登陸火星，中國(guó)的加冕時(shí)刻》的報(bào)道，文章稱(chēng)：“中方向世界發(fā)出信號(hào)，已在星際探索能力上趕上美國(guó)，并可取代其太空領(lǐng)導(dǎo)地位�！庇�國(guó)《自然》雜志評(píng)論稱(chēng)：中國(guó)的一次火星計(jì)劃，就做到了美國(guó)幾十年才完成的三件事：進(jìn)入火星軌道、在火星表面著陸以及運(yùn)行火星車(chē)。西班牙《國(guó)家報(bào)》網(wǎng)站報(bào)道稱(chēng)，作為由中國(guó)自主進(jìn)行的火星探測(cè)任務(wù)，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器獲得的成功是引人注目的。英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》網(wǎng)站報(bào)道指出，中國(guó)的太空計(jì)劃近年來(lái)加速發(fā)展，在幾十年的追趕后逐漸向美國(guó)靠攏。

　　天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器著陸火星首批科學(xué)影像圖，已于6月11日公布，這標(biāo)志著中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿成功。

　　5 LHC揭秘宇宙誕生瞬間的“第一種物質(zhì)”

　　很久很久以前——在大約140億年前，宇宙從遠(yuǎn)比現(xiàn)在更熱、更稠密的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲∨蛎�，科學(xué)家將這一過(guò)程命名為“大爆炸”。盡管已經(jīng)知道這種快速膨脹創(chuàng)造了粒子、原子、恒星、星系以及生命，但一切是如何發(fā)生的，細(xì)節(jié)依然未知。

　　現(xiàn)在，科學(xué)家想告訴你們這一切是如何開(kāi)始的。

　　丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所科學(xué)家利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），揭示了宇宙大爆炸第一個(gè)0.000001秒內(nèi)發(fā)生的新細(xì)節(jié)，即第一個(gè)微秒內(nèi)一種特殊的等離子體發(fā)生了什么。

　　這是“最開(kāi)始”的故事�？茖W(xué)家們研究了一種叫做夸克—膠子等離子體的物質(zhì)，它是在大爆炸第一個(gè)微秒內(nèi)存在的唯一物質(zhì)，它的獨(dú)特經(jīng)歷是：首先，等離子體被宇宙熱膨脹所分離；然后，夸克碎片重組為所謂的強(qiáng)子；一個(gè)有3個(gè)夸克的強(qiáng)子組成一個(gè)質(zhì)子，是原子核的一部分，這些也是構(gòu)成地球、人類(lèi)和現(xiàn)今包容著我們的宇宙的基礎(chǔ)核心。

　　科學(xué)家現(xiàn)在能夠看到夸克—膠子等離子體是如何從原來(lái)的物質(zhì)狀態(tài)，演變?yōu)樵�子的核心和生命的基石，其相關(guān)細(xì)節(jié)無(wú)疑為我們今天所知的宇宙演變提供了一塊重要“拼圖”。

　　6 CRISPR基因編輯對(duì)人類(lèi)療效首次證明

　　能被稱(chēng)為里程碑的科學(xué)事件不多，但今年首個(gè)人體內(nèi)CRISPR基因編輯臨床試驗(yàn)結(jié)果公布，且療法安全有效，這就被認(rèn)為是一個(gè)里程碑式的事件。

　　治療轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白（TTR）淀粉樣變性多發(fā)性神經(jīng)病的CRISPR基因編輯療法NTLA-2001，在Ⅰ期臨床試驗(yàn)中取得積極結(jié)果：?jiǎn)蝿㎞TLA-2001導(dǎo)致血清中的TTR水平平均下降87%，最大可達(dá)96%。這是首批支持體內(nèi)CRISPR療法安全性和效果的臨床數(shù)據(jù)，被認(rèn)為有望開(kāi)啟醫(yī)學(xué)新時(shí)代。

　　開(kāi)展這項(xiàng)研究的公司之一Intellia Therapeutics，就是因CRISPR而獲諾獎(jiǎng)的詹妮弗·杜德娜創(chuàng)辦的。NTLA-2001通過(guò)非病毒脂質(zhì)納米顆粒遞送，可以特異性敲除TTR基因，從而降低TTR蛋白的表達(dá)，試驗(yàn)結(jié)果令人振奮。

　　也是在今年，CRISPR技術(shù)另一突破是改善了遺傳性失明，美國(guó)Cedars-Sinai醫(yī)學(xué)中心的一項(xiàng)研究首次證明，一種新技術(shù)可通過(guò)去除遺傳缺陷治療遺傳性疾病，阻止患有一種遺傳性失明的大鼠的視網(wǎng)膜變性。研究小組專(zhuān)注于遺傳性視網(wǎng)膜色素變性，這種退行性眼病可能導(dǎo)致失明，目前還沒(méi)有可治愈的方法，但研究人員使用了一種叫做CRISPR/Cas9的技術(shù)，刪除一個(gè)可導(dǎo)致失明的遺傳突變。雖然這項(xiàng)研究采用的是大鼠，但它依然對(duì)人類(lèi)有潛在影響。

　　7 豬腎首次成功植入人體

　　為什么是豬？

　　與靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物猴子、猿相比，豬在器官獲取方面更有優(yōu)勢(shì)：容易飼養(yǎng)，產(chǎn)仔數(shù)多，成熟得也快，6個(gè)月內(nèi)就可達(dá)到成人體型大小，更重要的，在器官移植倫理方面爭(zhēng)議較小。幾十年來(lái)，豬的心臟瓣膜已被成功移植到人體內(nèi)，也有豬胰島細(xì)胞注射進(jìn)人體內(nèi)治療糖尿病的成功案例。

　　早期的研究表明，豬的腎臟在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)可存活長(zhǎng)達(dá)一年，但這是第一次在人類(lèi)患者身上進(jìn)行嘗試。

　　9月，在美國(guó)紐約大學(xué)朗格尼醫(yī)學(xué)中心，研究人員進(jìn)行了一場(chǎng)被稱(chēng)為異種器官移植的手術(shù)。移植器官腎臟來(lái)源于一頭轉(zhuǎn)基因豬，它被移植入一位腦死亡的志愿者體內(nèi)。移植后的腎臟工作了54小時(shí)。在此期間，研究人員觀察到，志愿者的尿液和肌酐水平“正常且與人類(lèi)腎臟移植手術(shù)中的水平相當(dāng)”，而且未見(jiàn)身體的排異反應(yīng)。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的移植外科醫(yī)生亦表示，移植腎功能的測(cè)試結(jié)果正常且超出預(yù)期。

　　科學(xué)家其實(shí)一直在研究使用動(dòng)物器官進(jìn)行移植的可能性，但在如何防止人體立即排異的問(wèn)題上一直受阻。如今，基因編輯技術(shù)讓豬的器官不被人體排異成為可能。這是一項(xiàng)潛在的重大突破，這一被稱(chēng)為“變革時(shí)刻”的醫(yī)學(xué)進(jìn)步，未來(lái)可能為成千上萬(wàn)需要器官移植的患者帶來(lái)新希望。

　　8 可對(duì)抗新冠病毒變異的特效藥不斷出現(xiàn)

　　在今年，幾個(gè)佶屈聱牙的希臘字母，每個(gè)人都能說(shuō)得順溜無(wú)比。

　　最早在印度被發(fā)現(xiàn)的新冠病毒變異毒株德?tīng)査�，�?021年快速傳播，這一毒株不但傳染性強(qiáng)，感染者更易發(fā)展成重癥。另一個(gè)變種奧密克戎，則最早于11月9日在南非首次檢測(cè)到，世界衛(wèi)生組織將其定義為第五種“值得關(guān)切的變異株”，其在全球總體風(fēng)險(xiǎn)被評(píng)估為“非常高”。

　　但也是在今年，抗新冠強(qiáng)效藥出現(xiàn)，人們看到了疫苗之后的另一線曙光。

　　數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋，可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡風(fēng)險(xiǎn)降低30%。如果在出現(xiàn)癥狀的3天內(nèi)開(kāi)始服用，輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332將使住院率降低89%�？茖W(xué)家們強(qiáng)調(diào)，抗病毒藥物不能取代疫苗接種，但它們?nèi)匀恢陵P(guān)重要。如果新的奧密克戎變體導(dǎo)致突破性感染激增，它們的重要性將更加突出。

　　12月8日，中國(guó)首家自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)新冠病毒中和抗體聯(lián)合治療藥物獲批。最新披露的三期臨床試驗(yàn)最終結(jié)果顯示，聯(lián)合治療將門(mén)診患者的住院和死亡風(fēng)險(xiǎn)降低了80%。更為獨(dú)特的是，該聯(lián)合用藥給出了長(zhǎng)達(dá)10天的黃金救治期（國(guó)際上其他新冠治療用藥臨床試驗(yàn)多設(shè)計(jì)為5天內(nèi)救治）。

　　9 首個(gè)可自我繁殖活體機(jī)器人問(wèn)世

　　為圖永續(xù)生存，生命必須繁衍。

　　數(shù)十億年來(lái)，生物體為了延續(xù)生命已經(jīng)進(jìn)化出多種繁衍方式。但在12月，美國(guó)佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，并利用這一發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了有史以來(lái)第一個(gè)可自我繁殖的活體機(jī)器人——Xenobots 3.0。

　　去年，該研究團(tuán)隊(duì)用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚和心臟細(xì)胞組裝成一種全新的生命形式，創(chuàng)造出全球首個(gè)活體機(jī)器人“Xenobots”。此次全新升級(jí)的Xenobots 3.0僅有毫米寬度，既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是一種動(dòng)物，而是活的、可編程的有機(jī)體。如果將足夠多的異種機(jī)器人放置在培養(yǎng)皿中彼此靠近，它們會(huì)聚集并開(kāi)始將其他漂浮在溶液中的單個(gè)干細(xì)胞堆疊起來(lái)。于是，多達(dá)數(shù)百個(gè)干細(xì)胞在它們?nèi)缤�吃豆人形狀的“嘴”中組裝了“嬰兒”異種機(jī)器人。幾天后，這些“嬰兒”就會(huì)變成外觀和動(dòng)作都跟母體一樣的新異種機(jī)器人。然后，這些新的Xenobots可再次出去尋找細(xì)胞，并建立自己的“副本”，就這樣周而復(fù)始，不斷復(fù)制。

　　它完全打破了人們對(duì)于機(jī)器人這一詞的理解。但這種機(jī)器人未來(lái)或可為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個(gè)性化的藥物治療。

　　10 AI能“構(gòu)想”新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

　　使用人工智能（AI）預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，在今年非�；鸨�。但這里我們說(shuō)的不是預(yù)測(cè)，而是構(gòu)想。

　　半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家一直在尋找解決“蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題”的方法。這是生物學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，難倒了幾代科學(xué)家。但現(xiàn)在，AI解決了這一問(wèn)題。

　　包括美國(guó)華盛頓大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和哈佛大學(xué)研究人員在內(nèi)的小組，于12月份描述了一種升級(jí)的阿爾法折疊系統(tǒng)，其由深度思維公司開(kāi)發(fā)，會(huì)“構(gòu)想”出具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的新蛋白質(zhì)。研究人員向AI提供了完全隨機(jī)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的氨基酸序列，并向其中引入一些突變，直到AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)到它們能將其折疊成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)為止，最終共產(chǎn)生了2000種全新的蛋白質(zhì)序列。

　　全程中，科學(xué)家都沒(méi)有引導(dǎo)AI得出特定結(jié)果，這些新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)完全是計(jì)算機(jī)“構(gòu)想”出來(lái)的。這是AI網(wǎng)絡(luò)在根據(jù)氨基酸序列確定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)方面取得的巨大飛躍，極大地促進(jìn)了人們對(duì)細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)的理解。

　　同樣是在今年，“阿爾法折疊2”還宣布其預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)能達(dá)到原子水平的準(zhǔn)確度，這一精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)算法可以讓蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析技術(shù)跟上基因組革命的發(fā)展步伐。