轉眼就來到 2021 年的尾聲。今年，《Science》雜誌評選的「年度十大科學突破」橫跨眾多領域，包括 AI、天文、物理、生物、醫學，以及備受矚目的能源議題，趕快來看看究竟是哪十項突破吧！
十大突破之首——利用 AI 預測蛋白質結構
蛋白質是組成生物體不可或缺的分子。在 1950 年代，科學家透過分析 X 射線繪製蛋白質結構。然而，既有的方法在繪製成本上過於高昂，往往得耗費數年時間，因此在 1970 年代，科學家開始運用計算機建模，預測蛋白質的折疊方式。直到 2018 年，Google 旗下的 DeepMind 團隊開發了 AI 軟體「阿爾法摺疊」（AlphaFold），使得該領域研究取得突破性進展。
多虧這項 AI 技術，科學家得以精準、快速、大量繪製蛋白質結構。今年 7 月，DeepMind 團隊宣布他們成功分析了 350,000 種人體蛋白質，佔所有已知人體蛋白質的 44%，更預計在明年發布所有已知物種的蛋白質結構，約莫 1 億個。團隊也正在進行更進一步的研究，預測這些蛋白質如何在生物體內相互作用，用來製作新型抗病毒藥物。
在這 COVID-19 肆虐的大疫之年，科學家更利用阿爾法摺疊模擬 Omicron 變種病毒，研究棘蛋白突變帶來的影響，試圖找出中和抗體失效的原因。AI 預測蛋白質結構的技術不僅徹底革新分子生物學領域，也勢必在醫學領域大放異彩！
探勘古代洞穴，解鎖 DNA 寶庫
誰說沒有化石就不能研究古生物？科學家今年踏足古代洞穴，採集土壤裡的人類細胞核 DNA，藉此重建古代生態系，釐清世界各地穴居人的身份。在美國，Satsurblia 洞穴存有尼安德塔人未知譜系的女性 DNA；在西班牙，Estatuas 洞穴中的土壤 DNA 揭露 8 萬至 11.3 萬年前人類的遺傳特徵，證實在 10 萬年前的冰河時期結束後，某個尼安德塔人譜系取代了其他眾多人類譜系。
除了人類以外，這種研究方法還可以運用在其他生物上，比如在墨西哥 Chiquihuite 洞穴中，有研究員採集到 1.2 萬年前的黑熊 DNA。與現代熊 DNA 比對後，科學家發現黑熊在上個冰河時期結束後，向北遷徙到阿拉斯加。
「核融合反應」的歷史性突破
太陽之所以能發光發熱，供給地球能量，都要歸功於太陽內部不斷進行著的核融合反應。長期以來，科學家為了解決地球能源不足的問題，不斷嘗試人工進行核融合反應，可是要達到足夠產生融合反應的壓力和溫度非常困難（請參考：融合能量增益因子／維基百科）。今年，美國國家點火設施（NIF）運用 1.9 兆焦耳的雷射脈衝，壓縮胡椒粒大小的氘（氫的同位素），產出 1.35 兆焦耳的能量，遠高於先前實驗獲得的 17 萬焦耳。
目前，NIF 仍持續進行實驗，試圖藉由更換燃料或調整雷射脈衝數值來提高能量產出，找出能夠最大化能量轉換比例的組合。未來，或許融合反應能夠成為供給地球能源的主流方法！
COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」問世
COVID-19 口服藥終於問世啦！今年秋季，美國默克（Merck）藥廠發布數據，證明其研發的 COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」（Molnupiravir）可將未接種疫苗者的重症和死亡率降低 30%；如果在出現症狀的 3 日內服用輝瑞開發的口服藥 PF-07321332，則可降低 89% 住院率。
雖然口服藥無法取代疫苗接種，卻扮演非常關鍵的角色。若是 Omicron 變異株造成大量突破性感染，或許口服藥就能接棒，防堵病毒擴散。
創傷後壓力症候群的新興療法——搖頭丸
什麼？搖頭丸還能治病？沒錯！這份發表在《Nature Medicine》的研究證實搖頭丸的主要成分「3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺」（MDMA）可以減輕創傷後壓力症候群（PTSD）患者的症狀，而且效果十分顯著。該研究將 76 名受試者分成 MDMA 組和安慰劑組，接受 3 次療程，發現 MDMA 組有 67% 的病患試後不再符合 PTSD 的診斷標準，而安慰劑組僅有 32%。
可是這項結果也引起了對於雙盲實驗的質疑，因為試後有高達 90% 的受試者表示他們其實知道自己的組別，這可能大幅影響症狀改善的機率。目前正在進行更大型的實驗，若實驗結果確定 MDMA 能治療 PTSD，預計將在 2023 年提交美國食品藥物管理局（FDA）批准上市。
開發單株抗體，對抗各類傳染性疾病
單株抗體（mAb，簡稱單抗）是融合腫瘤細胞與免疫細胞製造而成的人工抗體，不但有腫瘤細胞不斷分裂的能力，也有免疫細胞產生抗體的能力——簡單來說，單抗可以大量製造相同的抗體，更有效地打擊病毒。除了往年的伊波拉病毒、炭疽病、狂犬病單抗以外，今年也順利合成了瘧疾、愛滋病和呼吸道合胞病毒（RSV）的單抗。目前，科學家正在積極開發更多種類的單抗，首要目標是打擊流感、茲卡病毒和巨細胞病毒（CMV），使得這項新技術有望成為打擊傳染病的「標配」。
「洞察號」揭密火星內部結構
自 2018 年「洞察號」（InSight）登陸火星至今，科學家蒐集 35 筆地震數據，藉以估計火星的地殼厚度、地函結構和地核大小。今年的數據分析結果出爐後，發現這顆紅色行星的平均地殼厚度不到 40 公里，地函非常淺，而且只有一層（不像地球有上、下兩層地函），地核特別巨大，佔了火星體積一半，主要組成元素是低密度的液態鐵和液態鎳，以及硫、氧、碳和氫等較輕元素。這是人類首次使用地震數據探測其他行星的內部結構，也是探索神秘火星的一大步。
改寫粒子物理學模型的繆子實驗
在 1960 年代，粒子物理學家提出理論解釋強核力、弱核力和電磁力，這三種理論被稱為標準模型。然而，科學家今年發現「繆子」（Muon）——一種比電子更重、更不穩定的粒子——其實際測得的 g 值（自旋角動量與磁性大小之間的關係）比標準模型所預測的還要大，且兩者的誤差範圍沒有交集。
目前，眾多科學家正在美國費米實驗室（FNAL）進一步分析實驗數據。假如繆子實驗沒有任何閃失，這樣的結果將撼動物理學界，徹底改寫擁有 50 年歷史的標準模型。
CRISPR 基因編輯——確實能在體內發揮療效！
去年，科學家運用 CRISPR 基因編輯技術，在實驗室修改造血幹細胞，治癒鐮刀型貧血和乙型（β 型）地中海貧血。今年，科學家更大膽了，直接在人體內部署 CRISPR！研究結果顯示，這種基因編輯技術可以有效減少一種有毒的肝臟蛋白質數量，甚至改善遺傳性失明患者的視力，讓兩名幾乎完全失明的患者能夠感覺到光線，並且在昏暗的光線下避開障礙物。
體外胚胎培養——研究生命體早期發育歷程
透過研究胚胎，科學家得以找出先天性缺陷和流產的原因，但礙於倫理學和法律規範，目前對於體外胚胎培養的了解並不多。今年，有團隊利用誘導性多能幹細胞（Induced pluripotent stem cell，簡稱 iPS 細胞）成功複製人類的囊胚（受精後準備孵化及著床的胚胎），另外有團隊發現皮膚細胞經 iPS 細胞誘導、轉化後，也可以產生類似囊胚的結構，作為體外胚胎實驗的替代品。
除了十大科學突破以外……
《SCIENCE》今年也特別列出三項影響科學發展的重大阻礙，包括難解的氣候議題、備受爭議的癌症新藥，以及在疫情之下遭受猛烈砲火抨擊的科學家。
越來越熱！減碳目標恐難以達成
自從工業革命以來，全球氣溫升幅達到了 1.2°C，近年極端氣候事件更是層出不窮。對此，今年的聯合國氣候變遷大會（COP26）達成多項協議，包括將全球氣溫升幅限制在 1.5°C 以內、確立碳交易市場架構，以及減少碳排放量。然而，全球經濟現在依然大幅仰賴化石燃料，況且聯合國協議不具約束力，是否能達成減碳目標，必須取決於各國政策制訂。
充滿爭議的阿茲海默症新藥「Aduhelm」
美國食品藥物管理局（FDA）近 20 年來首次核准阿茲海默症藥物，即百健（Biogen）藥廠開發的 Aduhelm。經臨床實驗證實，這種藥物能清除異常堆積在患者腦內的「β 類澱粉蛋白斑塊」，也就是失智症發病和惡化的原因。照理說，這是患者和家屬期盼以久的好消息，卻被不少大型醫院和醫學中心拒絕採用，因為在兩項大型臨床實驗中，只有一項實驗證明其改善認知功能的療效勝過安慰劑，卻沒有證據顯示 Aduhelm 有顯著的改善效果。
當疫情碰上政治形態——夾縫中求生存的科學家
長期以來，科學家遭受攻擊的事件層出不窮，但在今年，對於 COVID-19 的政治分歧引發大眾對科學家前所未有的敵意，包括各種形式的恐嚇、抗議和死亡威脅。遭受威脅的有美國首席防疫專家佛奇（Anthony Fauci）、英國首席醫療官惠提（Chris Whitty），以及世界各地的學者和防疫工作者。
《Nature》訪問 321 名研究人員，發現有超過 50% 的人信譽受到攻擊，15% 的人收到死亡威脅，甚至有許多人從此辭去他們熱愛的研究工作。
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