《科学》：2016年度十大科学突破

方陵生/编译

《科学》：2016年度十大科学突破

方陵生/编译

美国华盛顿州和路易斯安那州的LIGO发现了宇宙早期活动的余波：引力波信号

● 《科学》杂志公布的2016年十大科学突破中，引力波的发现名列榜首。它证明了爱因斯坦100年前的一项预测，并预示了一种天文学家窃听宇宙最暴力事件的新途径。2016年另外9项亚军级突破所取得的成就也毫不逊色：从纳米世界到行星世界，从人工智能到蛋白质工程，同样给世人带来极大震撼，令人眼花缭乱，叹为观止。

引力波开创天文学新时代

2016年，被称为时空涟漪的引力波的发现震惊了科学界。科学家经过40年对引力波的探寻，终于证明了100年前爱因斯坦所做的一个预测。但引力波的发现不是这一探索的结束，而是一个新的开始。在科学家看来，这一发现将诞生一个新的科学探索领域：引力波天文学。

1915年，爱因斯坦对引力的解释是：巨大的天体导致时空扭曲，导致自由落体沿曲线前进，如扔出的皮球沿弧线前行，行星沿椭圆形轨道绕恒星运行。根据爱因斯坦的计算，两个巨大天体碰撞会产生快速旋转的旋涡，形成以光速向外扩散的时空涟漪，即我们所称的引力波。

2016年2月11日，物理学家宣称，他们在美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台（LIGO）发现了爱因斯坦预言的引力波信号：13亿光年之外两个巨大黑洞激烈碰撞所产生的引力波信号。

这一胜利来之不易。引力波是否存在，爱因斯坦自己在几十年的时间里也一直处于摇摆不定的状态中。即使引力波确实存在，爱因斯坦可以想象到的唯一来源是两个互相绕轨道运行的恒星所产生的引力波，但也因其太过微弱而无法检测到。

20世纪60年代末，天体物理学家发现了中子星，并想象到黑洞的存在，当这些大质量天体崩溃时，会留下超强大的引力场。从理论上来说，巨大天体碰撞会产生可观测到的引力波。1972年，麻省理工学院物理学家雷纳·韦斯（Rainer Weiss）提出以一种称为干涉仪的L型光学仪器来检测引力波，为LIGO的诞生播下了种子。

每个LIGO干涉仪都有两个4公里的长臂，两端配有镜子，通过激光在两端镜子间的反射，物理学家可以对臂长变化进行比较，检测到相当于1/10 000质子直径的误差。若有引力波通过，会导致臂长以不同长度延伸，这也正是LIGO团队所检测到的结果。首次引力波信号的发现完全符合为验证爱因斯坦被称为广义相对论的引力理论的计算机模拟结果。引力波的发现是前所未有的。

引力波的发现为物理学家窥探宇宙奥秘提供了一个全新的视角，物理学家热切期盼接下来可能会有什么样的新惊喜。首先，物理学家希望发现更多的引力波事件。LIGO已经检测到第二个黑洞合并和第三个较弱的信号。2016年11月干涉仪恢复采集数据，如果可以达到设计的敏感度，最终将有可能平均每天看到一次黑洞合并。

其他一些探测仪器也将很快加入引力波的“狩猎”活动中。意大利升级后的VIRGO探测器将在年初开始运行；日本的物理学家建造了一个被称为Kamioka的引力波探测器；LIGO物理学家计划2020年后在印度新增加一个探测器。3个或更多的探测器组合起来，通过三角测量，应该能够在空中确定一个引力波源。这些努力还将有助于望远镜跟踪到同一事件，或许还可能检测到其他的信号。例如，如果引力波探测器发现了两个中子星的合并，望远镜就可以检测到这种合并产生的光线或X射线，将这些信号综合起来，就有可能为科学家提供中子星上特异物质的线索。

探测器甚至有可能检测到关于黑洞的更多信息。量子理论表明，黑洞可能包含一个隐藏的“防火墙”，这道“防火墙”可湮灭掉任何掉落其间的物质。一些理论学家推测，如果是这样，黑洞合并应该会产生引力波回声。其他一些人推测，旋转的黑洞可能会生成大量叫作轴粒子的假想粒子，通过剧烈的互相湮灭产生引力波。

与此同时，一些天文学家正试图以不同的方式探测引力波。在一些大型星系的中心潜伏着超大质量的黑洞，它们的质量是太阳质量的数百万倍甚至数十亿倍。当两个这样的太空庞然大物合并时，会发出波长以光年计的极为强大的引力波，比LIGO这样的仪器能够检测到的长数千倍。要发现这样的引力波，天文学家需要求助于被称为毫秒脉冲星的恒星计时器。

脉冲星——旋转着的中子星——会定期发出强大的脉冲无线电波。当长波长的引力波冲击地球时，会将地球推向某些脉冲星，远离另一些脉冲星。这种运动反过来也将会缩短或延长脉冲星脉冲向各个方向传播的时间。类似于多普勒频移的效应导致脉冲星脉冲发射时间变动和调整，这将有助于发现长波长引力波的“杂音”，长波和短波的差异也有助于物理学家追踪宇宙历史上星系形成和合并的速率。美国、欧洲和澳大利亚的团队希望在今后的两到三年时间里再发现一个引力波信号，虽然美国的计划会因国家科学基金会打算抽回两个射电望远镜的资金而受到影响。

物理学家希望稍后启动激光干涉仪太空天线（LISA）计划，3个围绕太阳旋转的LISA航天器形成臂长达数百万公里的三角形干涉仪，可在长达数千公里范围的LIGO和以光年计的脉冲星时之间，探测到波长达数百万至数十亿公里的引力波。

通过这些引力波，LISA还可以比脉冲星计时设备更精确地追踪到较小的超大质量黑洞合并，并能够先于像LIGO这样的地面仪器发现两个黑洞盘绕在一起的漫长而缓慢的最终崩溃结局。LISA还可以检测到我们银河系中心拥有恒星质量的黑洞落入超级黑洞的事件，令物理学家有机会探察到这些宇宙大事件的详细情况。

几十年前，LISA最初是美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）提出的一个合作计划，但美国于2011年因预算限制退出，如今NASA希望重新加入该计划。ESA官员希望能于2034年推出约15亿美元的新任务，物理学家计划构建的下一代陆地探测器大约也在同一时期启动。

用微波望远镜绘制太空图，科学家甚至可能会间接地发现最长最古老的引力波痕迹，穿过婴儿宇宙并跨越现在宇宙的引力波。这些原始引力波有可能留下大爆炸余辉的印迹：宇宙微波背景。发现原始引力波将有助于证实新诞生宇宙所经历的被称为宇宙膨胀的指数级暴胀过程。

引力波的发现改变了现代科学的景观，一个新的科学时代即将到来。

发现系外行星比邻星b

天文学家已经发现了一颗绕着离我们最近的恒星比邻星运行的小行星，据他们所称，这颗新发现的行星是我们详细研究太阳系外行星的最佳机会。

比邻星星光频率的微小变化揭示了这颗被称为比邻星b的行星的存在，天文学家监测和观察到了这颗恒星发出的光线以11.2天的周期增强或减弱，这是因为有颗看不见的行星在反复拖曳着这颗恒星或接近地球、或远离地球而导致的多普勒频移效应。

但是，除了知道其质量至少是地球的1.3倍以及其运行轨道非常接近其绕行的恒星（只有地球和太阳之间距离的5%）之外，对于比邻星b我们所知甚少。虽然它与其恒星的距离相当接近，但并不意味着这颗行星上的温度极高、酷热难当，因为比邻星只是一颗暗淡的红矮星，天文学家认为比邻星b上的表面温度甚至低到足以有液态水的存在。但它是否是一颗可居住的星球，目前还只是一个大胆的推测，比邻星是一颗极不稳定的恒星，有可能太阳风、强烈X射线和紫外线的一阵暴发就毁了这颗绕它运行的行星。

天文学家一直在观察比邻星b是否会从它所环绕的恒星面前经过，如果会的话，在恒星之光的照耀下，就可以显示这颗行星的半径大小，加上已知的质量，就能得知其密度。另外，通过穿过大气层的星光，还可以得知这颗行星的构成物质是什么。但这种“穿越恒星”的机会只有1.5%，天文学家至今为止还一无所获。

科学家现在只有期待下一个十年里会有更好的太空望远镜和地面望远镜问世。但也有些人已经没有了这个等待的耐心，2016年4月，私人资助的“突破摄星”项目宣布计划发送一个小型飞船舰队，在20年的时间里穿越40万亿公里的太空抵达半人马座阿尔法星系，比邻星就在这个星系中。另一个叫作蓝光计划的私人项目希望建造一个专门在半人马座阿尔法星拍摄行星照片的太空望远镜。

“阿尔法围棋”战胜人类围棋高手

2016年，被称为“阿尔法围棋”的计算机程序在5局围棋比赛中以4：1的成绩击败了世界排名第二的韩国棋手李世石，人工智能再次跨越了一个重要的里程碑。人工智能在棋类比赛中超越人类已不是第一次了，20年前IBM的计算机“深蓝”首次在象棋赛中击败了俄国选手、棋王卡斯帕罗夫，并于次年在6场比赛中战胜了世界冠军。

围棋的比赛规则比象棋更简单：只需将相同颜色的棋子在棋盘上布局，通过围堵对手棋子占据更多地盘，但这看似简单而开放性的规则却可产生呈爆炸式增长的千变万化的棋步走法，其数量之庞大足以超过已知宇宙中所有原子的数量。这也是曾经击败人类象棋棋手的计算机程序无法以同样的方式击败围棋选手的原因，“深蓝”计算机程序依靠的是由人类棋手大师评估每一步可能的走法后制定的策略编制而成的。

伦敦谷歌子公司DeepMind设计的“阿尔法围棋”人工智能则完全不同，在研究了成百上千盘人类在线围棋比赛，并以这些比赛中的走法作为机器学习算法的基础数据后，让“阿尔法围棋”人工智能反复地自己与自己（或与另一个略有不同的人工智能版本）下棋，通过一种叫作深度学习的方式进行下棋策略的调整，最终人工智能不仅能够占据强大计算能力的优势，甚至在一定程度上似乎还拥有了与人类非常相似的直觉能力。

我们想要人工智能掌握的东西都涉及在大量的各种可能性中做决定的能力，例如：机器人如何安全通过一个拥挤的房间；如何在无人驾驶汽车中做出行车路线的选择；如何与乘客交流等。以硬性规则编码的计算机程序已无法胜任这类任务，“阿尔法围棋”的胜利则向我们显示，人工智能深度学习的能力会是多么强大。

清除衰老细胞保持年轻

昂贵的整形手术无法阻止衰老过程，膳食补充剂、注射睾丸素或使用那些暗示能让你重返21岁年轻态的去皱霜同样也无法阻止衰老。但是，2016年研究人员发现了一种可以延缓时间催人老的办法，至少在老鼠试验中已获得了成功，通过有选择性地淘汰陈旧细胞，可延长动物寿命，并让年老动物仍保持健康。

科学家的目标是那些失去了分裂能力的衰老细胞。研究认为，衰老机制可阻止有致癌倾向的细胞产生癌变，但它同时也在促进老化进程，衰老细胞释放的分子还可能导致细胞生长异常和炎症等问题。

初步研究表明，消除衰老细胞对健康长寿大有好处。中年老鼠试验结果显示，心脏和肾脏的退化和恶化过程开始放缓，肿瘤的发病期也推迟到更晚。但一些与年龄相关的退化过程，如记忆能力和肌肉协调能力等的退化没有减轻。尽管如此，这些试验鼠比它们同龄同伴的寿命增长了20%。

研究团队瞄准了免疫系统的衰老细胞，这些细胞积聚在动脉斑块中，有可能成为促使斑块形成的因素。把这些衰老细胞从有动脉粥样硬化倾向老鼠的体内清除后，即使给它们喂食高脂肪食物，堆积在动脉中的脂肪也还是减少了60%。

重要的问题是：去除衰老细胞能帮助人类在更长的时间里保持年轻吗？这两项研究都利用了基因修饰清除了老鼠体内的衰老细胞，衰老细胞会对某种特定化合物产生反应，但这些技术在人类身上并不可行。目前研究人员已研究开发了好几种不需要经过基因修饰就可直接杀死衰老细胞的新型药物Senolytic，2017年科学家将首次推出治疗关节炎的临床试验药物。

去除老化细胞有可能延缓动脉斑块的积累

猿类动物也有“读心术”

2016年，猿类动物实验显示，它们拥有之前被认为只有人类才拥有的一种能力，这种能力被称为“心理理论”或“心智理论”，拥有这种能力，就能够辨别他人的欲望和意图等。一些测试表明，我们的近亲猿类动物在这方面也有足够的洞察力。例如，欺骗同伴或识破同伴的意图。但在此之前，它们一直未能完成确定他人错误想法的任务。

在经典的错误信念辨别试验中，一个孩子看到有人将一块巧克力藏在盒子里，然后离开房间，之后又有别的人偷偷进来将巧克力藏到了别的地方。那么第一个人会到哪里去找巧克力呢？猜测“会到原来的盒子”里去找的孩子通过了测试。通过所谓的读心术，他们意识到，第一个人会以错误的想法去寻找巧克力。推测别人心思的这种技能被认为是欺骗、移情、教导，甚至是语言使用等行为所不可缺少的。

研究人员用了一种新的方法来测试黑猩猩、倭黑猩猩和大型树栖类人猿是否拥有这种能力。他们先让这些猿类动物看了一场电影，影片显示像电影《金刚》中主角的家伙从一个人类那里偷了一块石头，然后将它藏在两个盒子中的其中一个里面，这个人目睹了偷窃行为，但当类似金刚的家伙做出威胁状将这人吓跑后，拿出石头也离开了。这人还会返回来寻找他的石头吗？

研究人员利用红外眼球追踪技术来观察这些猿类动物的注意力集中点，几乎所有的猿类动物的目光都看向那个重新返回的人错误认为他的石头还藏在里面的那个盒子。研究显示，猿类动物可能也会揣测“他人”心思，甚至知道“他人”的看法是不正确的，这意味着猿类与人类的相似之处超出了我们此前的认知。

但并不是所有人都信服这个试验结果，后续研究可能不仅限于类人猿，眼球追踪方法也适用于观察其他动物的面部表情。

人工设计蛋白质开创新可能

蛋白质是生命生存不可缺少的动力，蛋白质可加速至关重要的化学反应，令肌肉具有活力，在细胞内和细胞间进行通信，抵御外来入侵等。鉴于蛋白质“多才多艺”的特性，研究人员一直想要创造出自己的蛋白质来，他们对许多现有蛋白质进行了修改，从小的调整到修改有机体的DNA编码。但2016年，他们将蛋白质研究推向了一个全新的高度：为新型药物和材料的开发创造出一整套与自然界中发现的蛋白质迥然不同的人工设计蛋白质。

从头开始设计全新的蛋白质是一种“中或不中”的随机性活动，编写任何所需的DNA代码很容易，但研究人员却没有办法知道这种由DNA编码的新氨基酸如何折叠成复杂的三维形状。这是一个问题，因为对于蛋白质来说，形态决定功能。然而，计算生物学家设计的计算机程序，在准确预测人工设计的蛋白质如何折叠的问题上已经取得了令人振奋的进展，这些进步有可能导致人工设计蛋白质的数量激增。

2016年2月，美国华盛顿州的一个研究小组就利用这样的程序设计了一种通用型的流感疫苗，可触发免疫防御系统，并适用于所有的流感病毒株。7月，另一组研究人员创建了可自行组装的中空笼状蛋白质，中空部分可用来填充治疗一系列疾病的药物或DNA片段。还有一个研究小组使用相类似的程序产生3D可折叠的RNA分子，其类似于蛋白质的折叠问题以及RNA蛋白复合物，都可为蛋白质设计研究开创新的可能性。

现在，研究人员打算利用这一技术创建出更多的东西，从新颖的生物传感器，到消除大气中CO2的新方法等。这是因为生命构成所用到的只是其中一小部分蛋白质，蛋白质设计师将要探索的是一个新的庞大的领域。

实验室纯体外培育卵子获得成功

2016年，日本的研究人员用完全在实验室培养皿里生长的卵细胞获得健康的老鼠后代，“试管婴儿”将被赋予新的含义。这个久被期待的成就为研究人员提供了研究卵子发育的新途径，并展现了从包括基因修改细胞在内的几乎所有类型细胞中培育出人类卵子的更遥远的前景，这一可能性为不孕症的治疗点燃了新的希望，但同时也引起了人们对设计婴儿的担忧。

2012年这个研究小组采取的第一个关键步骤是利用干细胞产生受精卵细胞，但是仍然需要将不成熟的卵子植回老鼠体内来完成发育过程。如今研究人员发现了可以完全在实验室里产生卵子的方法，而不用将不成熟的卵子重新植回老鼠体内发育，他们将卵子放在从卵巢中取出的一丛细胞中培养，然后将实验室培养成熟的卵子与老鼠精子混合，再将产生的胚胎植入代养母亲体内，虽然只有3%的卵子能生长成为足月生下的幼崽，但这些幼崽都能成长为具有生育能力的、健康的成鼠。

如果科学家的人类干细胞试验能够成功，它将成为某些类型女性不孕症的新选择，甚至有可能从来自男子的干细胞中产生卵子。目前这种可能性离我们还很遥远，但培养皿中培育卵子的成功对于实验室培育人类婴儿的未来前景将产生重要影响。

利用胚胎干细胞在实验室培养皿中培养小鼠卵细胞

非洲大迁徙一次性移民后裔遍布全球

我们人类是一个喜欢迁徙的物种，智人本源于非洲，但在过去的10万年里，走出非洲的一波移民的后裔已遍布全球，并散布到了世界上的一些偏远角落，在这个过程中不断地与当地更古老的人种相遇和融合。但现代人如何以及何时离开非洲，研究人员对此一直存有争议：这样的大迁徙是一次性的？还是多次分批的呢？

2016年，大量的基因组数据几乎达成了一致结果，生活在非洲以外的大多数人都是一次性非洲移民的后裔，在此之前的迁移活动几乎都被淹没在这最后一波大规模的移民潮中。在3项独立研究中，研究人员与当地原住民合作，收集和分析了生活在世界偏远角落里数以百计人们的基因组，包括之前一些来自前澳大利亚、巴布亚新几内亚和非洲地区的稀缺样本，根据样本中的DNA跟踪古老人类分支的演变过程。

一项研究对长期以来一直被认为没有任何交集地方的83个基因组样本的DNA进行分析后表明：与之前普遍认识不同的是，澳大利亚最初来此定居的移民只有一波，此外，澳大利亚原住民和欧亚人的祖先大约在同一时间离开非洲，这个时间可能是在7万年前，这表明人类祖先是在一次性的大规模移民中离开非洲的。一项独立研究对源自142个群落的300个基因组的分析结果表明，他们的祖先都是在同一波大移民中走出非洲的，大约从5万年前开始开枝散叶，成为如今生活在世界各地的非非洲人族群的祖先。

第三项研究对来自125个族群的379个基因组进行分析后报道称，大约2%的巴布亚新几内亚人的基因组可能来自于大约10万年前走出非洲的一次性人口大迁移。化石资料也显示，一些现代人类大约也在这一时期抵达中东地区，阿拉伯地区和印度发现的石器遗迹也证实了人类早期的这次走出非洲大迁徙活动。但大量新的基因组数据表明，大多数人几乎都渐渐消失在这次早期迁移活动中，只在至今活着的后裔身上留下了些许痕迹。

方便快捷的手持式测序仪

2016年因手持式测序仪的首次广泛使用，基因组测序将可能成为一种无处不在的生物学手段，包括在实验室里和在野外现场探测中，对于后者可能更为重要。

手持式测序仪的突破性进展是使用了一种可直接读取DNA字母的纳米孔测序的技术，当一串DNA链穿过微小的纳米孔时，碱基对以独特的可读取的方式改变离子电流。手持式测序仪优于传统测序工具的最大优势在于纳米孔测序装置的启动成本相对较低，在理论上它可以破译无限长度的DNA，而不一定要将基因组分割开来测序，然后再通过电脑程序拼接起来。由于手持式测序仪快速便捷的特点，在生物监控、临床诊断、流行病爆发现场调查领域内有广泛的应用前景。

纳米孔测序技术经过多年研究终获成功，之后经过一年多的数据测试，英国的牛津纳米孔技术公司于2016年首次推出了手持式测序仪。研究人员用这种手持式测序仪可在短短几个小时内确认埃博拉病毒和其他病毒，对肠道微生物进行测序，破译拥有5 300万碱基对的玉米真菌类害虫的基因组等。此外如他们最近所宣布的，还能对人类基因组进行测序。国际空间站的宇航员还可用它来对土壤中的微生物混合物进行测序。2016年是基因组测序手段一个具有重大意义的转折点，基因组研究人员认为，超乎想象的这种测序工具将成为他们研究工作的一大助力。

光线向上通过超材料镜头后聚焦

超材料镜头问世

玻璃镜片是人类最早的高科技创新之一。玻璃镜片的发明让伽利略看到了木星的卫星，让列文虎克在显微镜下发现了微生物世界，让数以百万计有视力障碍的人看得更清晰。但几个世纪以来，显微镜镜头始终没有什么大的改变，都是通过研磨和抛光玻璃等透明材料以达到更好地聚焦光线、消除偏差的目的。2016年，研究人员创建的首个超材料镜头可聚焦全光谱可见光，令透镜技术迈出了一大步。由于超强材料镜头价格低廉、比纸更薄且远轻于玻璃，可导致许多领域产生革命性变化，包括从显微镜镜头到虚拟现实显示到摄像镜头，甚至还有人们手机上的摄像头。

2016年，研究人员利用原子层沉积技术，用约600纳米高的二氧化钛纳米砖块“堆砌”成了纤薄如纸的超材料聚光镜片，可通过不同的排列方式控制光波的通过状态，其有效放大倍数高达170倍，并且放大后的图像分辨率能完全媲美常规的玻璃透镜。

超材料镜头的问世为其他潜在的应用开辟了道路，如未来更轻更薄的时尚手机、新颖的科学仪器和虚拟现实耳机等。

[资料来源：Science][责任编辑：彦 隐]