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人工智能預測蛋白質結構、古老泥土是DNA寶庫、火星內部結構露出真容……2021年盡管疫情依舊，科學界仍收獲滿滿。

日前，《科學》發布2021年十大科學突破，讓人們一窺科學碩果。

人工智能——蛋白質結構預測好幫手

曾幾何時，蛋白質結構只能通過艱難的實驗室分析獲得。如今，利用人工智能這個好幫手，科學家可以快速計算出成千上萬的蛋白質精確結構。相關研究更如坐了火箭般超速發展：7月中旬，DeepMind團隊研發的人工智能程序RoseTTAFold已經解析了數百種常見藥物靶點蛋白質結構；1周后，他們報告說，已經對人體內發現的35萬種蛋白質（占已知人類蛋白質的44%）進行了同樣的研究。

而在疫情中，其研發的AlphaFold2也成為各國研究人員解析病毒、抗擊疫情的“利器”

洞穴土壤——古代DNA的寶庫

來自化石的DNA為人類和動物進化研究帶來了變革。今年，科學家解鎖了一個更加巨大的古代DNA寶庫——古代洞穴地面的土壤。研究人員在其中發現了人類DNA，并利用“泥土DNA”重建了世界各地古代洞穴居民的身份。

研究人員分別對在西班牙Estatuas洞穴、美國Satsurblia洞穴、墨西哥奇基維特洞穴土壤內發現的人類和動物DNA進行了分析，繪制了3個洞穴中人類和動物的分布圖譜，并期望利用“泥土DNA”回答更多關于古代物種興衰的問題。

激光聚變裝置——達到“收支平衡”

核聚變是太陽和其他恒星的能量來源，長期以來一直被視為解決地球能源問題的路徑之一，但要在地球上實現它卻極為困難。

美國國家點火裝置（NIF），即激光聚變裝置通過使用世界上能量最高的激光脈沖壓縮氫同位素氘和氚膠囊，產生能量。

今年年初，該方法每次可產生170千焦的聚變能量，仍遠低于1.9兆焦的激光輸入能量。但8月8日的記錄顯示，其產生的能量飆升至1.35兆焦，幾乎達到了官方期望的產出與消耗平衡點。

研究人員認為這是燃燒等離子體的結果，意味著聚變反應產生了足夠的熱量，可以像火焰一樣通過壓縮燃料傳播。

強效藥——抗擊新冠的“利器”

疫苗在抗擊新冠疫情中發揮著重要作用。現在一個新“玩家”——抗病毒藥物正在加入抗疫大軍，有望避免早期感染患者的癥狀發展和死亡。

其中，美國默克公司的抗病毒藥物莫奈拉韋據稱可將未接種疫苗的高危人群的住院或死亡率降低30%；輝瑞公司的抗病毒藥物PF-07321332，如果在出現癥狀的3天內開始服用，可使住院率降低89%。目前還有多款抗病毒藥物在試驗中，并有望投入抗疫“戰場”。

搖頭丸——創傷后應激障礙的“解藥”

迷幻藥的精神改變能力讓人們對用其緩解精神疾病產生了期望，比如搖頭丸的主要成分——3,4—亞甲二氧基甲基苯丙胺（MDMA），但很少有大型、嚴格的試驗證明其效用。

今年一項多中心、隨機、對照試驗，共招募了76名受試者，其中一部分接受了3次MDMA治療，另一部分接受了安慰劑指導治療課程。兩個月后，67%的接受MDMA治療的患者不再符合創傷后應激障礙診斷標準（即擺脫PTSD癥狀），而安慰劑組這一比例為32%。這表明，MDMA治療能顯著緩解PTSD患者的癥狀。

隨后其他研究小組也對類似的藥物成分進行了試驗，期待找到更多緩解精神疾病的方法。

單克隆抗體——馴服傳染性疾病的良方

實驗室中制備出的單克隆抗體已經徹底改變了某些癌癥和自身免疫性疾病的治療方法，但它們在對抗傳染病方面的能力仍然有限。

今年，單克隆抗體展現出了不一樣的一面。研究人員發現，它能夠侵入新冠病毒和其他威脅生命的病原體中，比如呼吸道合胞病毒、艾滋病病毒和瘧原蟲等。

昂貴的成本和必須在診所注射單克隆抗體，使許多人無法從這種治療方式中獲益。但隨著價格暴跌、注射劑取代輸液、更有效的單克隆抗體上市，它們可能成為傳染病武器庫中的標準常備武器。

“洞察”號——“傾聽”火星內部的聲音

2018年，美國宇航局的“洞察”號火星探測器抵達火星，試圖挖掘其內部埋藏的“秘密”。但多次嘗試都未能穿透這顆行星的黏性沉積物。

但是地震給了“洞察”號機會。科學家基于其探測到的約733次地震中的35次地震數據，揭示了火星內部結構，估計了火星地核大小、地幔結構和地殼厚度。這是科學家首次通過地震數據探測地球以外行星的內部情況，以進一步了解火星形成和熱演化。

預計到2022年底，“洞察”號的電力將耗盡，但在此之前，它將繼續等待并傾聽火星的“秘密”。

μ介子實驗——敲開物理學變革之門

巨大的、不穩定的類電子粒子—— μ介子的磁性為科學家提供了一種間接尋找更多未被發現粒子的途徑。

今年4月，美國費米國家加速器實驗室進行的μ介子反常磁矩實驗顯示，μ介子的行為與標準模型理論預測不符——它比最初預測的更具磁性。

對標準模型預測中的微小偏差的進一步研究，可能會為新物理學提供更多線索，有望推開物理學變革之門。

CRISPR——“修理”人體基因

2020年，科學家首次發現，基因編輯工具CRISPR或可治愈鐮狀細胞病和β—地中海貧血。但該實驗是在實驗室培養皿中進行的。研究人員從患者體內取出有缺陷的造血干細胞，對其進行編輯，然后將這些細胞重新融合到患者體內。

今年，科學家在此基礎上更進一步，在人體內部署了CRISPR-Cas9，成功減少了一種有毒的肝臟蛋白質，并在一定程度上改善了遺傳性失明患者的視力。

美國一家藥物公司同樣開展了在體內運用基因編輯工具的實驗，使患有轉甲狀腺素淀粉樣變性病的患者體內畸形蛋白質水平下降。

胚胎替代品為研究早期發育打開窗口

對早期胚胎發育的深入研究，可以幫助科學家了解流產和出生缺陷問題，改善體外受精方案。但人類胚胎研究存在諸多限制和倫理上的爭議。

今年，科學家找到了人類胚胎潛在的替代品——體外生長時間長達11天的小鼠胚胎，以及由人類干細胞或重編程成年細胞制成的“胚泡”。其中，后者并非真正的胚胎，但不失為某些研究有益且倫理爭議較少的方案。

此外，國際干細胞學會放寬人類胚胎培養“14天規則”，也為該領域研究帶來了助益。

來源：《中國科學報》