2020年新冠肺炎疫情席卷全球，人們的生活和工作很大程度上被疫情所左右,。不過各國科學家們在如此困難的局面下,，仍然為我們帶來了多項重大的科技進展。下面選出的這些科技新聞,，都可以說是本年度科學界令人印象深刻的瞬間,，快來看看有沒有你還沒了解的內(nèi)容吧。
TESS傳來新發(fā)現(xiàn)
1月6日,，美國國家航空航天局（NASA）宣布,，經(jīng)由凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）的觀測結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了一個位于宜居帶的地球大小的系外行星,。該行星被命名為TOI 700 d,，與地球相距約100光年,，它圍繞的恒星TOI 700是一個相當于太陽四成大小的紅矮星。TOI 700 d的大小約為地球的兩成,，公轉(zhuǎn)周期37天,，它所接受到的來自恒星的能量，大約是地球接受到來自太陽能量的86%,。
此外,，本次NASA還公布了另外一組來自TESS的最新觀測結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞著雙星運轉(zhuǎn)的系外行星,，這是TESS首次發(fā)現(xiàn)類似的行星,。該行星被命名為TOI1338 b，是TOI1338星系的唯一行星,，大小約是地球的7倍,，生命存在的可能性非常低，距離地球1300光年,。
TESS不斷傳來的新發(fā)現(xiàn)豐富了人們對于宇宙和自身的認知，只是這動輒幾百上千光年的距離,，對于現(xiàn)世的人類來說,，也就只能遠觀了。
TOI 700 d與TESS的想象圖 圖片來源：NASA
太陽觀測史的兩大里程碑
1月31日,，美國國立太陽天文臺公開了由井上建太陽望遠鏡（DKIST）拍攝的太陽表面照片,，分辨率達到了30千米。這張照片中,，太陽表面布滿了細胞一樣的小團塊,，然而每個“細胞”實際上都有美國得克薩斯州那么大?！凹毎钡男纬膳c太陽表面的熱對流有關,，明亮的中央部分是上升的灼熱等離子體，在冷卻后它們就會落到“細胞”周邊的黑線處,。好像煮開的水同時有多處沸騰的小突起,，而相鄰的小突起間又會形成互相沖撞的界限。
7月20日,，歐洲航天局領導的太陽軌道飛行器任務也發(fā)布了第一張?zhí)栒掌?，雖然它的照片看起來沒有DKIST在一月份的作品那么令人印象深刻，但它的拍攝地點離太陽非常近（7500萬公里）,，只有大約地球到太陽距離的一半,。而且，該飛行器還在調(diào)整軌道,，不斷向著離太陽更近的方向前進,，到2022年初,，它將飛到離太陽4800萬公里的地方。到那時,，我們才能領略它的真正威力,。
在地球上給太陽拍照固然可以動用更加大型、更加復雜的設備,，但卻無法實現(xiàn)太陽軌道飛行器那樣的“上帝視角”,，相信我們很快就能得到更多關于太陽的最新研究成果。
DKIST觀察到的太陽表面（左）和太陽黑子（右）圖片來源：NASA
Space X載人飛行有得有失
5月30日,，獵鷹9號運載火箭搭載載人龍飛船先行2號升空,，5月31日，飛船與國際空間站成功對接,。先行2號是民營航天制造商Space X發(fā)射的首艘載人飛船,，也是美國自2011年航天飛機退役后的首次本土載人任務。2名航天員搭載該飛船前往國際空間站,，并于8月3日成功返回地球,。完成載人任務標志著獵鷹9號系列載具和龍系列飛船的性能與可靠性達到了相當高的水準，從此載人航天的主要玩家在中美俄三大國之外,，又多了Space X這家民營企業(yè),。
載人龍飛船先行2號的兩名成員 圖片來源：NASA
12月9日，Space X的星艦航天系統(tǒng)完成了第一次真正意義上的高空測試,。這架被命名為SN8的原型機從南得克薩斯州起飛后,，上升到了12公里左右的高空，并在空中進行了一系列飛行測試項目,。雖然12公里距離各種航天器的地球軌道高度還有一定距離,，但這與真正的太空任務僅有量的區(qū)別，并非質(zhì)的不同,。在飛船回收環(huán)節(jié),，Space X試驗了一種新穎的高難度落地方式。飛船將一直以腹部與地面平行的姿態(tài)向地表下落,，然后在最后一瞬間點火啟動火箭,，讓體態(tài)轉(zhuǎn)為豎直并著陸。遺憾的是,，飛船的著地速度過快,，以至于撞上無人回收船后猛烈爆炸。
不過,，馬斯克仍然聲稱這次實驗非常成功,，雖然飛船沒能實現(xiàn)成功著陸，但完成了既定的高空飛行課目,，落地即便失敗也取得了有意義的數(shù)據(jù),。馬斯克更是在推特上喊出了“火星,，我們來了！”,。馬斯克隨后稱,，如果2024年NASA的阿爾忒彌斯項目能夠成功讓星艦飛船在月球表面著陸，2026年Space X將進行首次載人火星任務,。
小行星探險計劃扎堆
登陸月球火星之外,，人類今年也讓宇宙探測器的足跡踏上了小行星。10月20日,，NASA旗下的小行星探測器OSIRIS-Rex與其探測了數(shù)個月的小行星“貝努”進行交會,。貝努距離地球大約3億3千萬公里，直徑大約490米,，是科學家重點監(jiān)測的可能給地球帶來威脅的小行星之一,。OSIRIS-Rex于2016年9月升空，直到2018年底才抵達貝努,，進入距離其2千米的軌道,，進行每61小時一周的繞星運動。
10月20日,，OSIRIS-Rex下降到僅僅距離貝努表面幾米遠處,，然后將搭載的機械臂伸向貝努表面。機械臂的前端是一個像吸塵器一樣的吸盤,，吸盤會抵住土壤表面,，但采樣時并非使用吸力,，而是透過機械臂向貝努表面發(fā)射壓縮氮氣,。氣流會裹挾吹起的巖石和塵土進入到吸盤內(nèi)側(cè)布置的樣品室中，這種方法預計將采集數(shù)十克樣品,。成功采樣后,，OSIRIS-Rex將在2021年3月21日踏上歸途，由于距離遙遠,，它回到地球也將是2023年9月了,。
OSIRIS-Rex采樣示意圖 圖片來源：NASA
與OSIRIS-Rex僅僅維持16秒的軟著陸式采樣不同，日本的隼鳥2號探測器則是扎扎實實地在小行星“龍宮”表面進行了登陸和探測,，然后再進行采樣,，并從龍宮表面起飛返回。2020年12月6日,，經(jīng)過一年多飛行的隼鳥2號返回了地球,，返回艙在澳大利亞南部沙漠地帶著陸，并在澳大利亞空軍的協(xié)助下進行了回收,。
2020年12月15日,，日本宇航機構JAXA對隼鳥2號返回艙中的密封樣品室進行了開封,，令研究人員喜出望外的是，隼鳥2號帶回了大量的龍宮土壤樣品,，這比最初計劃的0.1克多了許多倍,。由于在樣品室打開之前，誰也不知道采樣是否成功,，因此參與項目的科學家們心情必然十分忐忑,。據(jù)最早看到樣品室內(nèi)部的澤田宏崇研究員稱，他當時的心情是“激動到失語”,。
日美兩國間關于這兩個小行星探測計劃還有著一項樣品互換的約定,，OSIRIS-Rex將向JAXA提供0.3克貝努土壤樣品，而隼鳥2號則需要向NASA提供龍宮帶回樣品的10%,，且這一約定不會因某一方項目失敗而中止,。雖然看起來各取所需，但OSIRIS-Rex預期帶回的樣品約為60克到2千克,，而隼鳥2號預計則只有0.1克（雖然實際上大大超過了這一數(shù)值）,。這樣算來，我等中立吃瓜群眾只能說這個協(xié)議實在堪稱是不平等條約,。
隼鳥2號的實機大?。ㄗ螅┘胺祷嘏撁芊饽z囊內(nèi)部（右） 圖片來源：JAXA
生物工程領域“黑科技”頻頻現(xiàn)身
6月29日，美國研究團隊發(fā)表研究成果稱他們利用細胞工程學方法,，成功修復了重度損傷的家兔子宮,。具體來說，研究人員首先從家兔體內(nèi)提取干細胞,，然后將其培養(yǎng)成類似“補丁”的薄膜組織,，之后再移植到缺損的家兔子宮。這些來自家兔自身的“補丁”,，不僅能在數(shù)個月后與原有子宮完美融合,，還不會激發(fā)免疫反應。10只接受了移植手術的家兔中,，有4只順利懷孕生產(chǎn),，作為對比，不進行手術的家兔則完全無法生育后代,。這項研究為那些由于子宮異常而無法懷孕的女性帶來了新的希望,。
6月18日，美國環(huán)保署批準了生物工程公司牛津科技（Oxitec）的一項實驗計劃,。這家公司于今年夏天在美國多地釋放基因編輯蚊子,，以評估其對于削減野生蚊子種群數(shù)量的效果。基因編輯蚊子的體內(nèi)攜帶著某些缺陷,，從而會在與野生種交配后出現(xiàn)早夭,、無法產(chǎn)生后代或者后代同樣存在缺陷等后果。在已經(jīng)進行的大部分實驗中,，瞬間釋放的海量“問題”蚊子都讓當?shù)赝N蚊子的數(shù)量下降了百分之八十以上,。當然，出廠之前雌蚊都會被篩選出來并加以消滅,，實際上所釋放的都是不會叮咬人的雄蚊,。
9月16日，以沃爾巴克氏體為技術核心的滅蚊方法也在今年夏天完成了數(shù)次大規(guī)模實驗,?？茖W家將寄生細菌沃爾巴克氏體導入蚊子體內(nèi)，該細菌將通過蚊子的交配行為在蚊子種群中廣泛傳播,。而這種細菌的寄生行為會導致雌蚊死亡或者失去生育能力,。沃爾巴克氏體之前在多種昆蟲身上皆有發(fā)現(xiàn)，它們與其宿主的關系非常復雜,，大部分情形下會造成宿主的壽命縮短以及生殖行為異常,。當雄蚊被沃爾巴克氏體感染后，這種寄生菌會放出毒素污染被感染雄性的精子,。當健康雌性的卵子與這些“毒精子”相遇后,，將產(chǎn)生細胞質(zhì)不相容效應，無法正常發(fā)育,。當大量被感染的雄蚊被釋放到環(huán)境中后,，雌蚊與其交配將無法產(chǎn)生后代。此外,，最新的滅蚊技術還有更加玄幻的“基因驅(qū)動”等,，可以毫不夸張地說，人類想讓蚊子絕種的辦法可不止一種,。
12月4日,，荷蘭神經(jīng)研究所的團隊在《科學》雜志上發(fā)表論文,，報道了一種通過在猴子大腦植入電極,，然后不經(jīng)過視網(wǎng)膜就能形成一定視覺的方法。雖然這可能并不是類似技術的首次運用,，但這次研究人員在數(shù)個關鍵參數(shù)方面都取得了前所未有的進步,。猴腦中植入的傳感器擁有1024個電極，其產(chǎn)生的模擬視覺信號具有很高的分辨率,，可以達到讓猴子識別屏幕上英文字母的水平,。這項技術為失去視覺的人帶來了不小的希望，只要在腦中植入特殊的傳感器，就可能不依靠眼睛來感受視覺信號,。當然,，這項技術眼下距離應用還有一定距離，例如植入大腦的傳感器最多只能維持1年左右的功能,，之后就將被腦組織所包覆侵蝕而失效,。
腦部刺激產(chǎn)生人工視覺示意圖 圖片來源：《科學》
AI不光會下圍棋，還能計算蛋白質(zhì)結(jié)構
12月1日,，DeepMind對外宣布,，其開發(fā)的人工智能系統(tǒng)AlphaFold2基本解決了“蛋白質(zhì)折疊”問題。該問題的解決意味著人類對蛋白質(zhì)結(jié)構的解析和預測進入了新的紀元,，是科學史上的重大成就,。如果要評選今年的年度科學大新聞，AI解決蛋白質(zhì)折疊問題很可能會被列在頭名,。蛋白質(zhì)好比是一部精心組裝的機器,，空間結(jié)構就是它的組裝方式，組裝方式一旦不正確,，即便零件都完好,，機器也無法正常運轉(zhuǎn)。對人類而言,，破解組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列并不算特別困難,，難點在于如何破解它的空間結(jié)構。
在AI時代到來之前,，人類已經(jīng)有不少巧妙的辦法來窺探蛋白質(zhì)結(jié)構的奧秘,。但這些方法并不能滿足人類對于蛋白質(zhì)結(jié)構及其相關生理功能研究的全部需求，這其中最大的問題就在于,，這些分析手段說起來簡單,，但是實際操作起來卻相當勞神費力，解析一個蛋白質(zhì)的結(jié)構很可能要花好幾年時間,。利用AI解決蛋白質(zhì)折疊問題的本質(zhì)其實可以理解為讓AI在僅僅知道氨基酸序列的前提下預測蛋白質(zhì)結(jié)構,。
本次取得重大進展的AlphaFold2其實早在2018年就初露鋒芒了，當時它的前代型號AlphaFold在蛋白質(zhì)結(jié)構預測的世界性大賽CASP中奪冠,，準確地從43種蛋白質(zhì)中預測出了25種蛋白質(zhì)結(jié)構,，而第二名的獲獎團隊僅準確預測出3種。當時AlphaFold參加的也是允許人與算法共同合作的humans and servers組別,，最終AlphaFold獲得了“前所未有的進步”這樣的高評價,。
本次大賽，AlphaFold2更是以壓倒性的成績點數(shù),，讓人們直接喊出了“蛋白質(zhì)折疊問題已經(jīng)被AI解決”這樣的豪言,。AlphaFold2預測出的多種蛋白質(zhì)結(jié)構,，僅僅與實驗測出的真實結(jié)構存在原子尺度上的細微差異，已經(jīng)可以說達到了與傳統(tǒng)手段類似的精度,。
AlphaFold2里程碑性質(zhì)的進展,，讓人類有望在多個領域得到來自AI的切實助力。例如,，阿爾茨海默癥,、帕金森綜合征、亨廷頓綜合征等神經(jīng)系統(tǒng)病變都與蛋白質(zhì)的錯誤折疊有關,，這直接導致蛋白質(zhì)本該有的結(jié)構和功能發(fā)生異常,。AI的介入將讓人類更有效地了解這些錯誤折疊背后的機理，從而更加有效地提出治療方案,。
動圖：AlphaFold預測的蛋白質(zhì)結(jié)構（藍色）與實際結(jié)構（綠色）對比 圖片來源：AlphaFold
2020馬上就要過去,，在即將到來的2021年，相信我們大家除了希望能盡快驅(qū)散疫情的陰霾,，也希望能看到更多科技成就的誕生,。