《科學(xué)》評(píng)選2023年重大突破

文樂樂

2023年12月14日，《科學(xué)》雜志公布了編輯團(tuán)隊(duì)評(píng)選的2023年度十大科學(xué)突破，其中包括獲得科學(xué)突破冠軍獎(jiǎng)的GLP-1減肥藥和9項(xiàng)科學(xué)突破入圍獎(jiǎng)。

肥胖既是一場(chǎng)個(gè)人的戰(zhàn)斗，也是一場(chǎng)公共健康危機(jī)。在美國(guó)，大約70%的成年人受超重的影響，而在歐洲，這個(gè)數(shù)字超過了一半。當(dāng)身體質(zhì)量指數(shù)為30或以上時(shí)就被定義為肥胖，肥胖可能是2型糖尿病、心臟病、關(guān)節(jié)炎、脂肪肝和某些癌癥的誘因。

然而，令人遺憾的是，人們一直以來未能找到安全有效的減肥藥物。但現(xiàn)在，一類新的療法帶給人們很大希望，有望降低肥胖和相關(guān)慢性疾病的發(fā)病率。

這些藥物模仿了一種名為胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）的腸道促胰素，它們正在以令人興奮的方式重塑醫(yī)學(xué)、流行文化，甚至全球股市。這些GLP-1受體激動(dòng)劑最初是為糖尿病開發(fā)的，可顯著減輕體重，副作用大多可控。去年，臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它們還可以減輕心力衰竭的癥狀以及降低心臟病發(fā)作和中風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)，這是迄今最令人信服的證據(jù)，證明這些藥物除了減肥之外還有其他重要的好處。

基于這些原因，《科學(xué)》雜志授予GLP-1藥物年度突破冠軍獎(jiǎng)。

如果世界上的海洋有一顆心臟，那它一定在南大洋。在南極洲海岸附近，含鹽的表層水直接沉入海底。下沉的水從大氣中吸收熱量、氧氣和二氧化碳，并將它們隔離在深淵中。在那里，水慢慢向北擴(kuò)散。它是全球翻轉(zhuǎn)環(huán)流的主要組成部分之一，這種大規(guī)模的環(huán)流連接著世界所有的海洋，幫助它們捕獲1/3的人類年碳排放量。許多研究人員認(rèn)為，當(dāng)它激增或減速時(shí)，這個(gè)碳泵會(huì)影響氣候變化。

去年，幾項(xiàng)研究表明，該碳泵處于極度危險(xiǎn)的狀態(tài)。第一個(gè)令人不安的跡象出現(xiàn)在幾年前，自主漫游到4000米深處的深海Argo機(jī)器人發(fā)現(xiàn)，南極底層的海水正在變暖、體積正在縮小，這兩個(gè)跡象均表明洋流正在放緩，使得上層的溫暖海水得以侵入。

更直接的證據(jù)來自去年3月發(fā)表于《通訊·地球與環(huán)境》的一項(xiàng)研究，美國(guó)研究人員將該地區(qū)歷史船只測(cè)量的記錄輸入到一個(gè)氣候模型中，后者顯示，自20世紀(jì)70年代以來，環(huán)流已經(jīng)放緩了20%。5月，由澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)發(fā)表于《自然·氣候變化》的研究表明，從1992年到2017年，深海水流減緩了近30%。

目前還不太確定為什么會(huì)出現(xiàn)這種減速、人類在多大程度上推動(dòng)了這種減速以及它將如何影響氣候。南極冰蓋融化帶來的淡水增加可能是一個(gè)主要原因，而隨著全球變暖的持續(xù)，冰川融化以及碳泵減速肯定會(huì)加劇。

1859年，第一口油井的挖掘開啟了美國(guó)的石油熱，并改變了世界。去年，世界興起了另一場(chǎng)能源熱潮，這次是基于地球內(nèi)部自然產(chǎn)生的氫。與石油不同，天然氫氣對(duì)氣候而言是一種“滋補(bǔ)品”，而非“毒素”。

2012年，在西非國(guó)家馬里的一個(gè)城鎮(zhèn)，工程師拆除了一個(gè)被水泥封死的井眼——1987年，一個(gè)煙頭在井中引發(fā)爆炸。它噴出的氣體98%是氫氣。人們利用井內(nèi)的氫氣發(fā)電，為村莊提供了第一次電力，而這個(gè)過程只產(chǎn)生了水這個(gè)“廢棄物”。奇怪的是，經(jīng)過10年的開采，井內(nèi)的氣體壓力并沒有減少，表明有深層資源在補(bǔ)充氫氣。

受這一發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，勘探者在除南極洲外的每個(gè)大陸都發(fā)現(xiàn)了大量氫氣沉積的跡象。去年9月，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）在美國(guó)雪佛龍公司和英國(guó)石油公司的支持下成立了一個(gè)研究聯(lián)盟，美國(guó)能源高級(jí)研究計(jì)劃署則啟動(dòng)了一項(xiàng)2000萬美元的天然氫氣研發(fā)計(jì)劃。

USGS的一項(xiàng)未發(fā)表研究表明，地球上可能蘊(yùn)藏著1萬億噸氫氣，足以滿足未來數(shù)千年對(duì)燃料和肥料日益增長(zhǎng)的需求。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自出現(xiàn)以來，就一直被用于預(yù)測(cè)天氣。盡管數(shù)值天氣預(yù)報(bào)變得越來越復(fù)雜——現(xiàn)在依然可以提前幾周作出可靠的預(yù)測(cè)，但其使用的方法與從前一樣：使用大量算力求解控制大氣的流體動(dòng)力學(xué)方程。

2023年，人工智能已經(jīng)開始改變這種狀況。包括谷歌、華為和英偉達(dá)在內(nèi)的科技公司已經(jīng)訓(xùn)練了人工智能模型，使其提前10天預(yù)測(cè)天氣，其準(zhǔn)確性可與傳統(tǒng)模型媲美，甚至超過傳統(tǒng)模型，而且運(yùn)算負(fù)擔(dān)要小得多。

這些“深度學(xué)習(xí)”模型不是求解方程，而是根據(jù)對(duì)過去40年天氣數(shù)據(jù)的訓(xùn)練獲得的模式預(yù)測(cè)不久的將來，這些天氣數(shù)據(jù)則是世界頂級(jí)天氣預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)——?dú)W洲中期天氣預(yù)報(bào)中心數(shù)值模型的觀測(cè)結(jié)果。

經(jīng)過訓(xùn)練，這些模型可以于1分鐘內(nèi)在臺(tái)式電腦上作出預(yù)測(cè)，而無須在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行2小時(shí)。

研究人員預(yù)計(jì)，當(dāng)人工智能天氣預(yù)報(bào)員開始從傳感器收集的直接天氣數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，而不僅是通過現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，該技術(shù)會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

去年，利用疫苗對(duì)抗瘧疾的努力有兩個(gè)振奮人心的進(jìn)展。對(duì)世界上第一種瘧疾疫苗Mosquirix的大規(guī)模評(píng)估顯示，它顯著降低了幼兒的死亡率，而幼兒是受瘧疾危害最重的群體，僅在撒哈拉以南非洲每年就有近47萬名幼兒死亡。去年，世界衛(wèi)生組織（WHO）還批準(zhǔn)了第二種瘧疾疫苗R21/MatrixM。它與Mosquirix的設(shè)計(jì)相似，但成本更低、產(chǎn)量更大，應(yīng)該有助于填補(bǔ)瘧疾疫苗供需之間的巨大缺口，有可能每年防止數(shù)萬名兒童死亡。

2019年，一項(xiàng)關(guān)于Mosquirix的多年試點(diǎn)研究開啟，加納、肯尼亞和馬拉維的近200萬名嬰幼兒接種了該疫苗。初步結(jié)果顯示，這種疫苗將嚴(yán)重瘧疾的發(fā)病率降低了22%。在接種疫苗的地區(qū)，接種疫苗年齡范圍內(nèi)的兒童死亡率（除意外事故外）比未接種疫苗地區(qū)低13%，表明即使這種疫苗不完美，也可以挽救生命。但是從現(xiàn)在到2025年，生產(chǎn)這種疫苗的英國(guó)葛蘭素史克公司只能生產(chǎn)1800萬劑疫苗，僅能為450萬名兒童接種，而在瘧疾流行地區(qū)，每年約出生4000萬名兒童。

R21可以幫助填補(bǔ)這一空白。該疫苗由英國(guó)牛津大學(xué)開發(fā)，授權(quán)給大型疫苗生產(chǎn)商印度血清研究所使用。該公司表示，它每年可生產(chǎn)1億劑疫苗，每劑價(jià)格在2美元到4美元之間，不到Mosquirix的一半。R21三期試驗(yàn)數(shù)據(jù)于去年9月公布，涉及4個(gè)國(guó)家的4800名兒童。結(jié)果表明，在接種的前18個(gè)月，該疫苗至少與Mosquirix一樣有效，甚至可能更有效。WHO表示，到2024年中期，R21有望廣泛使用。

去年1月，美國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了第一種藥物，可以明顯減緩阿爾茨海默病患者的認(rèn)知能力下降速度，第二種相關(guān)的治療方法緊隨其后。這兩種方法都無法治愈阿爾茨海默病，而且有嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，但依然為患者和家屬帶來了新希望。

阿爾茨海默病患者大腦中有一種名為β淀粉樣蛋白的纏結(jié)蛋白質(zhì)團(tuán)，多年來，科學(xué)家一直在爭(zhēng)論去除它們是否對(duì)患者有所幫助。在一項(xiàng)為期18個(gè)月的關(guān)鍵試驗(yàn)中，與安慰劑相比，一種名為lecanemab的抗淀粉樣蛋白單克隆抗體，將患者認(rèn)知能力的喪失減緩了27%。這足以說服美國(guó)和日本的監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)它。另一種同樣針對(duì)淀粉樣蛋白的名為donanemab的抗體治療方法與安慰劑相比，在略有不同的患者群體中，使患者認(rèn)知能力下降速度減緩了35%。美國(guó)隨時(shí)可能批準(zhǔn)這種療法。這兩種療法都是由靜脈注射的。

值得注意的是，上述治療會(huì)產(chǎn)生腦腫脹和腦出血的風(fēng)險(xiǎn)，在極少數(shù)情況下，這是致命的。攜帶易患阿爾茨海默病的基因變異APOE4的人尤其容易出現(xiàn)這種副作用。服用藥物預(yù)防或溶解血栓的阿爾茨海默病患者可能面臨更高的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)阿爾茨海默病患者權(quán)衡抗淀粉樣蛋白藥物的益處和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，他們渴望獲得更多數(shù)據(jù)。一個(gè)問題是，認(rèn)知能力減退的適度減緩是否會(huì)隨治療時(shí)間的推移而增加；另一個(gè)問題是，如果這些治療盡早給到高風(fēng)險(xiǎn)人群，能否延緩癥狀的出現(xiàn)。

美洲人的故事可能開啟了新的一章。在主流觀點(diǎn)中，美洲的第一批移民來自亞洲，途經(jīng)曾經(jīng)連接白令海峽的陸地，在大約1.6萬年前沿太平洋海岸南下。去年，研究人員更接近于證實(shí)了一個(gè)說法，后者將這個(gè)日期往前推了至少5000年。

此前，一些遺跡暗示，人們開始這段旅程的時(shí)間可能比普遍看法更早。但沒人能夠提供明確的人類活動(dòng)證據(jù)，因此大多數(shù)考古學(xué)家對(duì)此持懷疑態(tài)度。

2021年，美國(guó)新墨西哥州白沙國(guó)家公園的研究人員發(fā)現(xiàn)，早在2.3萬年前至2.1萬年前，人類就在一個(gè)古老湖泊的泥濘岸邊留下了確切的足跡。研究人員使用放射性碳測(cè)年方法對(duì)發(fā)現(xiàn)于足跡周圍地層中的一種水生植物種子進(jìn)行了測(cè)定，得到了這一時(shí)間的數(shù)據(jù)。但這些種子可能從溶解于湖水中的沉積物中吸收了更古老的碳元素，從而影響了測(cè)定年代的準(zhǔn)確性。因此，研究人員利用陸地植物的花粉與嵌在足跡之間和下方的沉積物中的石英顆粒重新確定足跡的年代。去年10月，他們報(bào)告說，新的測(cè)定時(shí)間與最初的測(cè)定結(jié)果吻合。

如果這個(gè)時(shí)間是正確的，那么這些腳印是在上一個(gè)冰河時(shí)代的頂峰時(shí)期留下的，當(dāng)時(shí)冰蓋覆蓋了加拿大，表明人類一定是在這些冰蓋形成之前進(jìn)入美洲的。

去年，天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種微弱的、被人們尋找已久的宇宙轟鳴聲。這是宇宙中的超大質(zhì)量黑洞相互摩擦產(chǎn)生的引力波。這一觀測(cè)結(jié)果是迄今對(duì)它們存在的最有力支持，也是一種利用遙遠(yuǎn)恒星信號(hào)探測(cè)引力波方法的有力證明。

超大質(zhì)量黑洞位于星系的中心，其質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)百萬倍或數(shù)十億倍。當(dāng)星系合并時(shí)，它們中心的黑洞最終可能會(huì)被引力鎖定在一個(gè)不斷收縮的軌道上。在這一被稱為“死亡螺旋”的最初階段，地面的儀器無法探測(cè)到相關(guān)信號(hào)，但當(dāng)黑洞彼此接近到幾光年以內(nèi)時(shí)，它們的相互運(yùn)動(dòng)會(huì)釋放引力波。

這些引力波無法被激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到，LIGO在2015年首次探測(cè)到兩個(gè)恒星大小的黑洞合并產(chǎn)生的引力波。為了感知這些毫秒級(jí)的波，LIGO測(cè)量了激光束沿著4千米長(zhǎng)的真空管傳播的距離。但捕獲超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的波需要測(cè)量更長(zhǎng)的距離。

因此，天文學(xué)家轉(zhuǎn)向脈沖星，這是一種燃盡的恒星，每秒旋轉(zhuǎn)數(shù)百次，同時(shí)噴射出攜帶無線電波的粒子射流。當(dāng)燈塔般的波掠過地球時(shí)，射電望遠(yuǎn)鏡會(huì)記錄下像原子鐘一樣規(guī)律的脈沖。過去20年間，天文學(xué)家定期監(jiān)測(cè)幾十顆最具節(jié)律性的脈沖星，以尋找脈沖節(jié)律的微小變化。經(jīng)過的引力波會(huì)壓縮或拉伸脈沖星和地球之間的空間，細(xì)微地改變脈沖到達(dá)地球的時(shí)間。

去年6月，全球5個(gè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合宣布，經(jīng)過15年的觀測(cè)，他們已經(jīng)將數(shù)據(jù)中的噪聲降到了足夠低的水平， 剩下的數(shù)據(jù)反映的是宇宙中超大質(zhì)量黑洞合并所引起的轟鳴聲。

經(jīng)過10多年的醞釀，百億億次計(jì)算科學(xué)的時(shí)代終于在去年到來了。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Frontier成為首臺(tái)向科學(xué)用戶開放的百億億次計(jì)算機(jī)，它能夠以每秒百億億（1018）次的運(yùn)算速度應(yīng)對(duì)從氣候到材料等各領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

百億億次計(jì)算的威力已經(jīng)顯現(xiàn)。美國(guó)密歇根大學(xué)材料科學(xué)家使用Frontier將兩個(gè)理論框架合并在一起，以近乎完美的精度預(yù)測(cè)材料中多達(dá)60萬個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)，而以前的計(jì)算只能處理大約1000個(gè)電子。美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用Frontier提高了美國(guó)能源部主要全球氣候模型的分辨率，有望大幅提高氣候變化預(yù)測(cè)精度。

預(yù)計(jì)2024年將有約60個(gè)團(tuán)隊(duì)使用Frontier。

百億億次的計(jì)算探索才剛剛開始。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的百億億次計(jì)算機(jī)目前正在進(jìn)行最后的調(diào)試，準(zhǔn)備向用戶開放。明年，新的百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)將在美國(guó)和德國(guó)啟用，法國(guó)和日本的其他超級(jí)計(jì)算機(jī)也將緊隨其后，它們將以前所未有的規(guī)模打開科學(xué)之門。

◎ 來源|中國(guó)科學(xué)報(bào)