北京時間12月20日，《Science》公布了今年的十大突破。
一、“直視”黑洞
圖片來源：UNIVERSITY OF ARIZONA/INSTITUTE FOR ADVANCED STUDY
圖片來源：EHT COLLABORATION/CC 4.0
巨大的,、無處不在的黑洞，在某些情況下甚至像我們的太陽系一樣大,，隱藏在我們的視線中,。它們的引力對周圍物體的影響，及其最近碰撞時發(fā)出的引力波都揭示了它們的存在,。但在4月份之前,，還沒有人直接看到過。就在那時,，一個國際射電天文學家團隊發(fā)布了一張令人震驚的黑洞特寫圖像,，顯示了一個黑暗的中心被圍繞它旋轉的光子產生的光環(huán)所包圍。荷蘭奈梅亨大學的Heino Falcke是制作這張照片的團隊成員之一,。他說：“第一眼的感覺就像是看見了地獄的大門,。”這張令人回味的圖片是《Science》評選的2019年年度突破冠軍,。
二,、與丹尼索瓦人“面對面”
一位藝術家基于從DNA推斷身體特征的新方法復原丹尼索瓦女孩的樣貌。圖片來源：MAAYAN HAREL
大約40年前,，一位佛教僧人在青藏高原邊的白石崖巖溶洞穴中發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的人類顎骨,。他意識到這個長著巨大臼齒的下顎很特別，就把它交給了另一個和尚,，后者把它捐贈給了學者,。但沒人知道這到底是什么。
今年五月,，中國科學院青藏高原研究所,、蘭州大學和德國馬普進化人類學研究所學者領銜、多家境內外科研院所參與的青藏高原丹尼索瓦人研究發(fā)表于《Nature》上。研究揭示,，一件發(fā)現(xiàn)于中國甘肅省甘南州夏河縣白石崖溶洞的古人類下頜骨化石距今已有16萬年,，是除西伯利亞阿爾泰山地區(qū)丹尼索瓦洞以外發(fā)現(xiàn)的首例丹尼索瓦人化石，也是目前青藏高原的最早人類活動證據,。
在古DNA高度降解的情況下，研究團隊運用古蛋白質分析方法,，通過分子學信息來判斷古老化石的歸屬,。蛋白質中的氨基酸序列蘊含了個體演化一些信息，盡管這種遺傳信息相較DNA信息是非常小的,，但在夏河人化石中發(fā)現(xiàn)了丹尼索瓦人特有的蛋白質,，這為確定其為丹尼索瓦人提供了最主要的證據。
蘭州大學資源環(huán)境學院張東菊副教授說：“這塊下頜骨表明,，丹尼索瓦人的地理分布區(qū)域比我們以前認為的要廣泛得多,，海拔也更高?！被瘍H保存了古人類下頜骨的右側,，下頜骨附著第一臼齒和第二臼齒，其他的牙齒僅保留牙根部分,，頜骨形態(tài)粗壯原始,，臼齒較大，可以很清楚看到它沒有下巴,，這說明它不是現(xiàn)代人化石,。
早期研究表明，丹尼索瓦人的遺傳物質已經發(fā)生了一種突變,，該突變有助于在青藏高原這種高海拔-低氧環(huán)境中的生存,。今天的西藏人群基因中也有同樣的突變，這可能證實了丹尼索瓦人對青藏高原上的藏族人群和夏爾巴人群有基因貢獻——高寒缺氧環(huán)境基因(EPAS1),。
參考文獻：
F. Chen et al., A late Middle Pleistocene Denisovan mandible from the Tibetan Plateau, Nature, Vol. 569, p. 409, 1 May 2019
D. Gokhman et al., Reconstructing Denisovan Anatomy Using DNA Methylation Maps, Cell, Vol. 179, p. 180, 19 September 2019
A. Gibbons, First fossil jaw of Denisovans finally puts a face on elusive human relatives, Science, 1 May 2019
M. Price, Ancient DNA puts a face on the mysterious Denisovans, extinct cousins of Neanderthals, Science, 19 September 2019
三,、“量子霸權”
Google的量子處理器芯片 圖片來源：Google
這或許是計算機領域的一個里程碑事件：谷歌宣稱「量子霸權」已經實現(xiàn)，他們首次在實驗中證明了量子計算機對于傳統(tǒng)架構計算機的優(yōu)越性：在世界第一超算 Summit 需要計算 1 萬年的實驗中,，谷歌的量子計算機只用了 3 分 20 秒,。
在最近提交的一份論文中，研究人員提出了這一主張,，它也是迄今為止表明量子計算機超越傳統(tǒng)架構計算機,，并走向實用化最為強烈的跡象。在未來,，我們或許可以使用這種全新工具解決此前無法解決的數學問題,。
量子霸權是指量子計算擁有的超越所有傳統(tǒng)計算機的計算能力。谷歌的研究人員聲稱已經實現(xiàn)量子霸權，這意味著最新的量子計算機能力已經達到了目前最為強大的超算也無法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒內完成特定任務的運算,，而目前世界排名第一的超級計算機,、美國能源部橡樹嶺國家實驗室的「Summit」執(zhí)行同樣任務需要大約一萬年時間。
四,、腸道微生物對抗營養(yǎng)不良
每年都有數百萬嚴重營養(yǎng)不良的兒童無法完全康復,，即使他們吃飽了，仍然會發(fā)育不良和體弱多病,。十年的研究已經找到了一個根本原因：他們的腸道微生物尚未成熟,。今年，一個國際團隊在這項研究的基礎上,，提出了一種低成本且易于獲得的補充劑,，可以優(yōu)先刺激有益腸道細菌的生長。這些補充劑在小規(guī)模試驗中表現(xiàn)良好,，目前正在進行更大規(guī)模的臨床試驗,，以觀察其在預防發(fā)育遲緩方面的效果。
早期的研究發(fā)現(xiàn),，營養(yǎng)不良無法康復兒童的腸道微生物組具有嬰兒微生物組的特征,，而更成熟的微生物組是對營養(yǎng)做出良好反應的關鍵。研究小組首先確定了代表成熟腸道菌群的15種細菌,。他們還確定了包括蛋白質在內的血液標志物,，這些標志物標志著營養(yǎng)不良的影響得以恢復。然后,，他們測試了發(fā)展中國家容易找到的各種食物組合,，以觀察微生物組的反應，首先是對小鼠的反應,，然后是對豬的反應,，最后是對一小群營養(yǎng)不良兒童的反應。
作為食品補充劑的標準成分,，奶粉和大米對關鍵細菌的擴散幾乎沒有什么幫助,，但含有鷹嘴豆、香蕉,、大豆和花生粉的補充劑有助于腸道菌群的成熟,。經過短暫的臨床試驗后，服用補充劑的兒童血液中含有更多的蛋白質和代謝物,，這些都是正常生長的標志,。
更多的兒童正在接受更長時間的隨訪，以觀察這些變化是否會從發(fā)育遲緩中恢復過來,，這是改善微生物組可以幫助解決這一全球性問題的最終證據,。美國芝加哥大學的醫(yī)學家Eric Pamer表示,，如果可以，尤其是如果可以在醫(yī)院以外的家中提供治療,，這是解決該問題的最新趨勢,，那么影響可能是巨大的。
參考文獻：
A. Raman et al., A sparse covarying unit that describes healthy and impaired human gut microbiota development, Science, Vol. 365, 12 July 2019
J. Gehrig et al., J Effects of microbiota-directed foods in gnotobiotic animals and undernourished children, Science, Vol. 365, 12 July 2019
E. Pennisi, Gut microbes may help malnourished children, Science, Vol. 365, p. 109, 12 July 2019
五,、隕石的沖擊
墨西哥尤卡坦半島上的?？颂K魯伯隕石撞擊的遺跡。圖片來源：SCIENCE
?？颂K魯伯隕石坑的形成,，據推測是在6500萬年前。與白堊紀-第三紀滅絕事件的年代相吻合,。在20世紀70年代晚期,，地質學家Glen Penfield在尤卡坦半島從事石油探勘工作時,，發(fā)現(xiàn)此隕石坑,。目前已在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)沖擊石英、重力異常,、玻璃隕石等地質證據,，可證明希克蘇魯伯隕石坑是由撞擊事件造成,。從巖石的同位素研究得知,，希克蘇魯伯隕石坑的年代約為6,500萬年前,，時當白堊紀與古近紀交接時期,。
由于該隕石坑的規(guī)模與年代，?？颂K魯伯隕石坑常被認為是造成白堊紀-第三紀滅絕事件的成因,，并造成恐龍等生物的滅絕；但也有科學家提出當時另有其他的滅絕因素,。近年來,，另有多重撞擊理論，認為當時有許多顆隕石在短時間內撞擊地球,，而?？颂K魯伯隕石坑僅是其中一顆。另有天文研究指出,，這些隕石是在1億6,000萬年前分裂而成,。一個國際研究小組在《Science》雜志上發(fā)表研究報告，確認在6500萬年前,，一顆小行星撞擊今天墨西哥境內的?？颂K魯伯地區(qū)是造成白堊紀-第三紀恐龍大滅絕的原因,。
六、最遙遠天體的特寫
Arrokoth 圖片來源：NASA
11月13日,，NASA宣布今年年初首次拍攝并回傳了人類所探測到的最遙遠天體的官方名字為“Arrokoth”,。在印第安部落波瓦坦/阿拉貢琴語中，Arrokoth意為“天空”
七,、“缺失環(huán)節(jié)”的微生物,？
科學家培養(yǎng)這種深海微生物（淺色）花了12年的時間。圖片來源：IMACHI AND NOBU ET AL.
今年,，微生物學家朝著解決有關真核生物起源的爭議問題邁出了重要一步,，真核生物的起源涵蓋了包括人類在內的所有動植物。經過12年的嘗試,，日本的一個研究團隊成功地從深海沉積物中培育出一種神秘微生物,，并對其基因組進行了測序。它似乎可以揭示我們所有人的最終祖先,。
這種生物名為Prometheoarocum syntroicum菌株MK-D1,，是最近發(fā)現(xiàn)的Asgard微生物群的成員。這些微生物不是細菌,，而是一種完全獨立的生命分支,，稱為古細菌。只有從深海沉積物和其他極端環(huán)境中分離出的DNA片段才知道Asgards,。令人驚訝的是,，這些片段包含的基因以前被認為僅在真核生物中發(fā)現(xiàn)，而真核生物是具有細胞核和細胞器的細胞,。比較的DNA分析表明,，Asgards或遠古親戚甚至可能產生了真核生物。這個激進的想法會將微生物從三種（古細菌,，真核生物和細菌）縮小到兩種：細菌和古細菌,，而真核生物被簡化為古細菌的一個子集。但是鑒于證據不足,，許多研究人員對此表示懷疑,。
日本研究小組通過在培養(yǎng)基中培養(yǎng)這種微生物，對其全基因組進行測序,，并確認其攜帶真核基因,。他們還發(fā)現(xiàn)，它似乎與某些細菌結合生長最好,，并且形成了可能會吞噬細菌伴侶的短觸角,。如果是這樣，那可以解釋一個Asgard如何獲得成為線粒體的微生物客體的,。（一份詳細描述發(fā)現(xiàn)的論文發(fā)表在bioRxiv）
今年的其他研究已從Asgard研究組其他成員的DNA片段中鑒定出更多的真核基因,。來自DNA有關Asgard代謝的信息也支持雙域而非三域假說,。然而，將近30億年前發(fā)生的事件難以重構,，并且隨著對Asgards的研究的深入,，可能會出現(xiàn)新的概念。但現(xiàn)有的研究,，可以更清晰地了解遙遠的過去,。
參考文獻：
H. Imachi et al., Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface, bioRxiv, 6 August 2019
E. Pennisi, Tentacled microbe hints at how simple cells became complex, Science, Vol. 365, p. 631, 16 August 2019
八、第一次,，有藥物可以治療大多數囊性纖維化病例
CFTR蛋白（綠色）的模型,，在細胞表面存在囊性纖維化缺陷。圖片來源：ROCKEFELLER UNIVERSITY
10月,，科學家慶祝了基因藥物的里程碑成果：FDA批準了對大多數囊性纖維化（CF）病例有效的治療方法,。
這種被稱為Trikafta的三藥組合治療可以糾正肺部疾病中最常見的突變。Trikafta可以幫助CF患者從進行性疾病轉變?yōu)楦子诳刂频穆约膊?。自從CF基因CFTR被發(fā)現(xiàn)以來,，Trikafta是30年研究的產物。
囊性纖維化是一種罕見的,、進行性的,、危及生命的疾病,，其結果是在肺部,、消化道和身體其他部位形成厚粘液。它會導致嚴重的呼吸和消化問題以及其他并發(fā)癥,，如感染和糖尿病,。囊性纖維化是由CFTR基因突變帶來的缺陷蛋白引起的，已知的CFTR基因突變約有2000個,，但其中最常見是F508del突變,。
Trikafta以Vertex Pharmaceuticals公司生產的其他CF藥物為基礎，這些藥物針對CFTR蛋白中的不同缺陷,，例如第一個藥物Kalydeco,，它靶向的是一種名為G551D的罕見突變，還有一種藥物：Vertex（也組合了Kalydeco）,，它修復另一種突變：F508del,，該突變錯誤折疊了CFTR，并阻止了其到達細胞表面,。但是事實證明,，這兩種藥物不如預期。
Trikafta在混合物中添加了第三種藥物,，增強了該策略的有效性,。三重組合針對攜帶至少一份F508del的CF患者,，可幫助CFTR到達細胞膜。在臨床試驗中,，該藥物使肺活量增加了10％至15％,，并使CF并發(fā)癥減緩出現(xiàn)。
然而,，在興奮之中籠罩著陰影：Trikafta的標價每年超過30萬美元,，大概必須終身使用。
參考文獻：
U.S. Food and Drug Administration, FDA approves new breakthrough therapy for cystic fibrosis, 21 October 2019
P. Middleton et al., Elexacaftor–Tezacaftor–Ivacaftor for Cystic Fibrosis with a Single Phe508del Allele, The New England Journal of Medicine, Vol. 381, p. 1809, 7 November 2019
H. Heijerman et al., Efficacy and safety of the elexacaftor plus tezacaftor plus ivacaftor combination regimen in people with cystic fibrosis homozygous for the F508del mutation: a double-blind, randomised, phase 3 trial, The Lancet, Vol. 394, p. 1940, 23 November 2019
九,、埃博拉患者終于有了希望
1976年,，從剛果民主共和國（DRC，當時稱為扎伊爾）的雨林中出現(xiàn)了一種新病毒,。它在Yambuku村殺害了280人,，然后就消失了。后來,，只是偶而出現(xiàn),，但卻造成了毀滅性的影響。從那以后,，這種取自附近一條河流的病毒的名字就成了致命的,、無法治愈感染的代名詞——埃博拉。今年,，情況開始發(fā)生變化,。
在DRC歷史上最致命的一次疫情爆發(fā)中，科學家們最終確定了兩種可顯著降低該病死亡率的藥物,。兩者都是抗體,，一種是從1996年埃博拉疫情的幸存者中分離出來的，另一種是在具有人源化免疫系統(tǒng)的小鼠中產生的三種單克隆抗體的混合物,。在一項將四種不同藥物相互對抗的隨機試驗中,，接受這兩種藥物之一的患者中約有70％幸存，而使用其他兩種藥物中的任何一種的患者中約有50％存活了下來,。結果如此令人信服,，以至于該試驗被提早終止。簡單地進行這項試驗本身就是一項值得注意的成就：它是在一場毀滅性的疾病暴發(fā)期間,，和一個暴力沖突地區(qū)的臨時治療單位中進行的,。
研究結果不僅可以通過提高患者的生存機會，而且可以通過鼓勵人們盡早尋求治療來幫助抗擊該疾病,。在沒有有效藥物的情況下,，有癥狀的人經常試圖逃避檢測，并尋找傳統(tǒng)的治療師,，這加劇了疾病的爆發(fā),。
埃博拉病毒威脅出現(xiàn)40多年后,，世界終于為應對這種病毒做好了更好的準備。埃博拉病毒的共同發(fā)現(xiàn)者：剛果國家生物醫(yī)學研究所所長Jean-Jacques Muyemub Tamfum今年8月在新聞發(fā)布會上說：“今天,，我們翻開了新的篇章,。從現(xiàn)在開始，我們將不再說埃博拉是無法治愈的,。這一進步將在未來幫助拯救成千上萬人的生命,。”
參考文獻：
National Institute of Allergy and Infectious diseases, Independent Monitoring Board Recommends Early Termination of Ebola Therapeutics Trial in DRC Because of Favorable Results with Two of Four Candidates, 12 August 2019
K. Kupferschmidt, Successful Ebola treatments promise to tame outbreaks, Science, Vol. 365, p. 628, 16 August 2019
十,、AI戰(zhàn)勝多人撲克
今年,，美國賓夕法尼亞匹茲堡的Rivers賭場，卡耐基梅隆大學開發(fā)的人工智能系統(tǒng)Libratus戰(zhàn)勝了四位德州撲克的頂級選手,，取得了勝利,。
此次比賽賽程為20天，一共進行了12萬手牌的比賽,，人工智能程序Libratus需要對戰(zhàn)4名人類職業(yè)玩家Jason Les,、Dong Kim、Daniel McAulay 和Jimmy Chou,，盡管聽起來不可思議,，但是AI最終“打敗”了他們。
參加比賽的人類選手表示,，Libratus的勝利“名副其實”,，因為它靈活掌握了各種對戰(zhàn)策略，有時候明明牌很好,，卻偏偏下最低的賭注,。
相較于AI在圍棋領域的勝利,，此次AI在撲克牌領域的勝利其實是一個更大的進步,。
圍棋對弈雙方的信息是完整、對稱的,，但是在撲克牌的對戰(zhàn)中,，由于對方的底牌是隱藏信息，因此對計算機來說,，其實是在處理一種“非完整信息博弈”,。
從這個角度來看，Libratus此次戰(zhàn)勝頂級人類德州撲克選手,，其實表明AI已經越來越“聰明”了,。