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2020《Science》年度十大科學突破出爐啦!醫藥科學飛速發展的一年

S編
・2021/01/03 ・5553字 ・閱讀時間約 11 分鐘

2020 年終於過完啦!對於許多人來說,今年都是變化特別大的一年,新冠肺炎疫情全球蔓延、美國大選、東京奧運延期、眾多名人逝世……

那麼,在科學界中,又有什麼重大的變化與突破呢?讓我們跟著《Science》一同回顧 2020 的年度十大科學突破。

本文編譯自《Breakthrough of the Year 2020

是你嗎?新冠肺炎疫苗

能對抗新冠肺炎病毒的疫苗,要出現了嗎?圖片來源:Pixabay

說到 2020 年最重要的科學突破,就一定得提到眾多科學家在疫苗開發上所花費的苦工,為了盡早找到可用疫苗,各國科學家們都卯足了全力進行研發。

然而,疫苗研發可不是魔術,新開發的疫苗不只得通過安全性、有效性測試,更需要進行臨床試驗,一般情況下是需要數年時間的漫漫長途。

由於疫情的壓力與科技的進展,這一年來,Moderna、BioNTech 與 Pfizer 等廠商的疫苗開發進程都陸續傳出了捷報,可說是為疫情應對燃起了一線曙光。

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史上第一個 CRISPR 治療成功案例?

科學家嘗試使用 CRISPR/Cas9 技術治癒遺傳性血液疾病。圖片來源:Science

CRISPR/Cas9 技術自從 2011 年首次公開亮相,便吸引了全世界的目光,更在 2020 年獲得了諾貝爾化學獎的肯定,除了得獎之外,它更完成了另一項創舉,成功治癒了兩種遺傳性的血液疾病:β型地中海貧血、鐮形血球貧血症。

為了治療患者的疾病,研究人員採取了 CTX001 療法,先從患者身上取出造血幹細胞、於體外進行基因編輯。而後,透過化療清除患者體中原有的造血幹細胞,並將編輯後的細胞重新植入患者體內,這樣不僅能降低患者的輸血需求,也能減緩衰弱與疼痛。

這些治療初步獲得了不錯的成果,雖然患者曾經歷一些副作用,但研究團隊認為與此療法無關。未來,是否可以將 CRISPR/Cas9 技術應用在更多疾病治療,是許多研究者仍在努力找尋解答的事。

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站出來發聲吧!科學家們!

今年,許多科學家都表達了自己對於少數族裔的支持。圖片來源:Science

今年 5 月下旬時,紐約市的中央公園發生了一起衝突,一位非裔的賞鳥者與一位遛狗的白人起了衝突。接下來的幾天內,大批科學家湧入 Twitter、Zoom 和各種社群平台聲援這位非裔的自然愛好者,還利用「#BlackBirdersWeek」標籤來表達自己的支持。

而除了生物之外,後來包括神經科學、物理學等等領域的專家也陸續加入戰場,打破了領域的邊界,用自己的方式表達支持。這種種的行為,都展現了科學社群在 BLM 運動之後,對於有色人種相關議題的反思,雖然短時間內難以確認未來是否能促進長久的改變,但不少人都對於這樣的轉變樂見其成。

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人類終於做出室溫超導體啦!

給它一堆壓力,把它變成超導體!。圖片來源:Science

「在室溫下也不會產生電阻的導電材料」聽起來是不是很讚?科學家也覺得很讚,但問題是很難找啊!

科學家們花了數十年時間試了又試,才終於在今年利用碳、氫和硫元素,合成出含有碳質的硫化氫 (carbonaceous sulphur hydride)。

研究者發現,15℃ 的溫度下,只要對這種硫化氫施加 270 GPa 左右的壓力,它就能擁有零電阻又抗磁性的超導體特性。不過,270 GPa 也不是隨時隨地都可以獲得的,所以說,雖然找到了室溫超導體,但距離實際應用還是有一~大~段距離。未來究竟何時能找到能在日常中使用的超導體呢?真是令人期待啊!

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蛋白質如何折疊?你為何不問問神奇 AI 呢?

AI 終於可以精準預測蛋白質結構了(拭淚)/圖片來源:Science

近年來,科學家一直在致力解決生物學上的大挑戰:精準預測蛋白質的結構。就在 2020 年,研究人員開發出一個 AI 程式,可以預測大部分的蛋白質結構,精準程度就跟在實驗室做出來的差不多。

胺基酸可以用非常多種不同的方式進行相互作用,因此,一個單一蛋白質可能擁有的結構基本上會有無數種可能,要完全參透可不容易。不過,為什麼研究人員需要知道蛋白質的準確形狀呢?這是因為蛋白質的形狀決定了它的生化功能,可以協助研究人員了解疾病的機制、開發新藥物、培養耐旱植物或製造廉價生物燃料。

那我們過去是如何了解蛋白質結構的呢?那可得大費周章地使用低溫電子顯微鏡和 X 光晶體學。正因為需要如此「搞剛」,在 2 億種已知的蛋白質之中,我們僅獲得了約 17 萬種的詳細分子圖譜;多年來,研究者們一直在尋找一種方式,可以補上那空缺的部分。

1994 年,結構生物學家們發起了一個兩年一次的競賽「CASP」,他們會給參賽者 100 種蛋白質的氨基酸序列,在不知道蛋白質結構的狀況下分為兩組,一組負責預測結構,另一組則要想辦法在實驗室中繪製出結構,之後再進行比對。雖然在分析簡單的蛋白質時沒什麼困難,但遇到較大較複雜的蛋白質時,預測的技術卻一直跟不上實驗室的腳步。

不過呢,這些差距終於在 2020 年被打破啦!人工智慧實驗室「DeepMind」所開發出的「AlphaFold」,居然在面對超級具有挑戰性的蛋白質時,拿到了 87 分,成功預測 2/3 的三級結構。更令人開心的是,比賽規則要求參賽者使用的方法需要公開共享,所以,或許不久之後就會有其他團隊也達成這樣厲害的成就!

(註:是不是覺得 AlphaFold 這個名字很眼熟?沒錯,團隊也曾開發出圍棋軟體 AlphaGo)

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地球會變得多暖?科學家做出更精確的預測了

太熱了!未來會有多熱?科學家算給你聽!圖/GIPHY

40 多年前,世界頂尖的氣候科學家們聚在麻州的伍茲霍爾海洋研究所 (Woods Hole Oceanographic Institution) 想要解答這個問題:假設人類不斷排放溫室氣體,地球到底會變得多熱?

根據當時的氣候模型,他們給出的答案有點廣泛:地球的氣候敏感性約在 1.5°C~4.5°C 之間。所謂的氣候敏感性是什麼意思呢?它指的是:如果大氣中的 CO₂ 濃度達到工業化前的 2 倍,那地球最終將上升 1.5°C~4.5°C,基本上這個跨距之大,既可能造成毀滅性的衝擊,也可能沒什麼太大的影響。(……等等這樣是可以的嗎?)

科學家一直想要取得更精確的預測,卻遇到了不少阻礙,在過去,想要知道知道雲層是如何捕獲與反射熱量是非常困難的事情,它們的厚度、位置、組成都會有很大的影響。而經過數十年的科學發展,科學家終於可以透過衛星去打造更清晰的雲層模型。透過這些模型,他們發現全球暖化會使得低層那些能遮光的雲變薄了,因為較熱的空氣蒸乾了那些雲,同時還阻礙了能形成這種雲的亂流。

而科學家們對於古代氣候的研究也有助暖化的相關預測,今年,世界氣候研究計劃(World Climate Research Programme) 的 25 位科學家將氣候敏感性縮小到 2.6°C~3.9°C 之間。

研究雖然已經排除了一些極端狀況,但依據現有資料,幾乎可以推斷,暖化趨勢將會淹沒沿海城市、增加極端熱浪,使得百萬人流離失所。如果這些預測可以督促人們採取行動,或許還能有一線轉機,反之,人類的未來實在令人擔憂。

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有 HIV 病毒也不怕!神秘的精英控制者

感染 HIV 病毒也沒事的菁英控制者,究竟有何特殊能力?圖/picpedia

HIV 病毒的邪惡之處,在於它可以把自己的遺傳物質整合到人類的染色體中,藉此隱匿自己的足跡,躲避免疫系統的偵測,而感染 HIV 病毒後,可能會導致愛滋病,使身體抵抗力降低,無法抵抗環境中的病毒與細菌。

不過,有一群「精英控制者」在感染 HIV 病毒後,就算不進行治療,卻仍然身強體壯。他們的免疫系統似乎可以自己發揮類似抗病毒藥的作用,可以抑制病毒,讓病毒難以傳輸也無法複製。

雖然我們對於菁英控制者的了解並不能直接治癒其他患者,但卻提供了一種新的策略,或許可以讓其他受感染者不用治療也能活上數十年。

科學家發現,精英控制者體內的 HIV-1 序列會被放在不利於其轉錄複製的位置。而未來,研究者將思考如何讓其他人的免疫系統也可以產生類似反應。

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找到你了!快速電波爆發的來源

磁星的磁場約是地球任何磁體的一億倍。圖/GIPHY

安安你有聽過快速電波爆發 (Fast Radio Burst, 簡稱 FRB) 嗎?它指的是來自遙遠星系,既短又強的無線電波,13 年來,有非常多天文學家都嘗試了解這種現象背後的原因。

今年,科學家們發現了可能的原因:磁星 (Magnetar)。還記得我們剛剛說 FRB 很短嗎?這表示它的出處應該是嬌小又強烈的能源,這樣對照起來,磁星挺符合標準的,不僅擁有極強的磁場,也會在衰變過程中不斷地釋放高能量電磁輻射。

就在今年,一個天文研究團隊透過加拿大氫強度測繪實驗 (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment,CHIME) 發現位於銀河系中心的磁星「SGR 1935+2154(簡稱 SGR 1935)」,似乎發射出了 FRB 訊號,亮度比銀河系內所有電波脈衝都還要高 3,000 倍。

不過,雖然天文學家找到了 FRB 的出處,卻仍搞不清楚磁星到底是如何產生 FRB 的,這背後神秘的機制,就等他們未來破解吧!

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史前畢卡索畫作出爐!圍獵畫面維妙維肖

冰河時期的創作出土了嗎?圖/RATNO SARDI

今年的研究發現印尼蘇拉威西島 (Subloesi) 中的壁畫歷史可能有長達 4 萬多年的歷史,可說是直到目前為止最早的具象藝術。

這些畫面維妙維肖地呈現了獵人圍捕野豬與野牛的畫面,有趣的是,有些獵人的嘴或鼻子看上去特別長,就像是戴著面具一樣。研究人員認為這可能是在描繪獵人們偽裝的行為,也或許是象徵神話中的動物。

不過,為什麼科學家能知道這是 4 萬年前的畫呢?主要是因為這些畫作覆蓋著一種狀似爆米花的白色礦物,其中的鈾以固定的速率衰變,讓研究者得以定年,根據他們發表的內容,這些礦物約有 44,000 的歷史。

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我是一隻小小小小鳥!有多聰明你可能不知道

鴿子可能比我們想像得更聰明?圖/GIPHY

鳥類雖然只有小小的腦袋瓜,但今年卻有兩項研究發現,牠們可能比人類原先想像得更聰明!其中一個論文發現禽類的腦袋有一部分類似人腦中的新皮質,而這正是我們智力的來源。另一項研究的結果則發現到烏鴉遠比科學家想得更聰明,甚至可能具有意識。

人類中的新皮質是一層層水平狀的組織,存有許多的椎體細胞和其他細胞,讓我們得以進行複雜的思考。而鳥的腦袋呢?我們原本以為它只是一堆神經細胞組合而成的簡單構造。但透過了 3D 偏振光成像技術,神經解剖學家發現到鴿子與貓頭鷹的前腦神經不僅有垂直連結,也有水平連結,似乎有點像是我們的新皮質。

另一項研究則訓練了一些烏鴉,讓牠們在看到電腦螢幕上的燈光以特定方式閃爍時轉頭。而研究員利用電極檢測,發現在烏鴉們看到光跟轉頭之間的空檔,大腦會出現神經活動。同時,就算在難以辨識光的時候,大腦仍有活動,表示這不完全是碰到刺激才會產生的反應,而是一種「感官意識」存在的象徵,也是自我意識的基礎形式。

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看完了這些研究,哪一項讓你印象最為深刻呢?S 編自己真的非常期待找到快速電波爆發的真實成因,也很想看到室溫超導體真的能實際應用的一天啊!

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