2023年，科學(xué)的地平線上燃起了新的曙光。從活體中的電極，到引力波的“歌聲”；從單原子水平的探索，到廣袤太空里中國人自己的實驗室；從人類對自身細(xì)胞級的了解，到人工智能真正走入我們的生活……2024年即將開啟，前行不輟的科學(xué)家們，正一步步接近科技新紀(jì)元的大門。
1、活體組織中“長出”電極
在微制造電路上測試的可注射凝膠。
圖片來源：托爾·巴克希德/《科學(xué)》網(wǎng)站
生物體和技術(shù)之間的物理界限正在變得模糊。
瑞典研究人員通過注入以酶作為“組裝分子”的凝膠，再利用人體分子作為觸發(fā)器，首次成功地在活體組織中培育出電極。今年2月發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項成果，為在生物體中形成完全集成的電子電路鋪平了道路。
瑞典林雪平大學(xué)、隆德大學(xué)和哥德堡大學(xué)研究團隊將神經(jīng)組織與電子設(shè)備連接了起來。通常來說，剛性電子設(shè)備和軟組織之間的不匹配，可能會損害脆弱的生命系統(tǒng)。但該團隊使用可注射凝膠直接在體內(nèi)制造出軟電極。注射到活體組織后，凝膠中的酶分解體內(nèi)的內(nèi)源代謝物，從而引發(fā)凝膠中有機單體的酶聚合，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、柔軟的導(dǎo)電電極。研究人員通過將凝膠注射到斑馬魚和藥用水蛭中，驗證了這一過程。凝膠在兩種生物體中聚合并在組織內(nèi)“生長”出了電極。
這種直接在活體組織內(nèi)創(chuàng)建電子電路的方法，提供了通過神經(jīng)系統(tǒng)電信號或調(diào)節(jié)神經(jīng)回路就能治療疾病的途徑。
2、雄性小鼠產(chǎn)生功能性卵細(xì)胞
雄性小鼠產(chǎn)生功能性卵細(xì)胞。
圖片來源：《自然》網(wǎng)站
這是一項能啟發(fā)或推動未來生育力的研究。
《自然》雜志3月發(fā)表的論文報告了一項干細(xì)胞研究重磅成果：將雄性小鼠干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為雌性細(xì)胞并產(chǎn)生功能性卵細(xì)胞。這些卵細(xì)胞在受精后得到的胚胎中，約有1%能產(chǎn)生健康的后代。
雄配子和雌配子——分別為精子和卵母細(xì)胞（卵子），由名為原生殖細(xì)胞的一類干細(xì)胞產(chǎn)生。這些干細(xì)胞分化成配子，需要性染色體發(fā)揮正常功能。
此前有研究探索過改變原生殖細(xì)胞性別的可能性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)配子的產(chǎn)生或是減少，只能產(chǎn)生生育力很低的細(xì)胞。但這一次，日本九州大學(xué)林克彥團隊報告了利用多能干細(xì)胞有可能產(chǎn)生更健全的卵細(xì)胞。團隊使用了成熟雄性小鼠尾巴的皮膚細(xì)胞（攜帶XY染色體），并把這些細(xì)胞轉(zhuǎn)化成誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。他們將這些干細(xì)胞進行體外培養(yǎng)，這個過程會產(chǎn)生一部分罕見缺失Y染色體的細(xì)胞（約占6%的培養(yǎng)細(xì)胞），即XO細(xì)胞。
這些XO細(xì)胞在培養(yǎng)基中的繼續(xù)發(fā)育能誘導(dǎo)X染色體的復(fù)制。使用干擾細(xì)胞分裂的逆轉(zhuǎn)素藥物處理細(xì)胞，能提高X染色體的復(fù)制效率。最后得到的雙X染色體的細(xì)胞被誘導(dǎo)分化為原生殖細(xì)胞樣細(xì)胞，再分化成卵細(xì)胞，這些卵細(xì)胞經(jīng)過受精并植入一個小鼠的子宮后，產(chǎn)生了可存活的后代。
盡管仍需更嚴(yán)格地評估將雄性細(xì)胞變成雌性細(xì)胞對于基因組穩(wěn)定性的影響，但這一重磅成果對于未來的研究和應(yīng)用十分重要。
3、雙縫實驗在時間維度重建
原始雙縫實驗藝術(shù)圖。
圖片來源：《自然》網(wǎng)站
英國科學(xué)家托馬斯·楊在19世紀(jì)對光波干涉的觀察是物理學(xué)史上最具標(biāo)志性的實驗之一，對量子物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響?，F(xiàn)在，它有了新進展。
今年4月，英國科學(xué)家借助一種能在飛秒（千萬億分之一秒）內(nèi)改變特性的“超材料”，在時間而非空間維度重現(xiàn)了著名的雙縫實驗。最新實驗揭示了更多光的基本性質(zhì)，也為創(chuàng)造出能在空間和時間尺度上精細(xì)控制光的終極材料奠定了基礎(chǔ)。
這一實驗原本涉及光通過空間中的一對“狹縫”的衍射，但新研究表明，使用雙縫在時間上實現(xiàn)等效效果是可能的。倫敦帝國理工學(xué)院研究團隊在實驗中用到了氧化銦錫薄膜，在飛秒這樣超快的時間尺度上，這種材料的反射率會被激光改變，為光創(chuàng)造出“狹縫”。研究人員通過快速連續(xù)兩次打開和關(guān)閉半導(dǎo)體鏡的反射率并沿著從鏡反射的光的頻譜記錄干涉條紋，實現(xiàn)了這一目標(biāo)。他們的實驗發(fā)現(xiàn)，干擾發(fā)生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置之間。
這項成果未來或有多種應(yīng)用，例如用于信號處理和通信或光計算的光開關(guān)。
4、國際團隊公布引力波背景輻射劃時代發(fā)現(xiàn)
一對超大質(zhì)量黑洞（左上）發(fā)射出引力波，在時空結(jié)構(gòu)中蕩漾（藝術(shù)想象圖）。
圖片來源：北美納赫茲引力波天文臺
如果將引力波背景比喻成古老而神秘的歌聲，那么“合唱團”每天都在以不同的頻率演出?，F(xiàn)在，通過對脈沖星的監(jiān)測，科學(xué)家終于聽到了歌聲，換句話說，拿到了引力波背景的第一個證據(jù)。
經(jīng)過15年的數(shù)據(jù)收集，今年6月，科學(xué)家們第一次“聆聽”到了在宇宙中蕩漾著的引力波永恒合唱，聲音比預(yù)期要大得多。這是針對引力波背景的劃時代重大發(fā)現(xiàn)。
引力波背景輻射是由許多不同的引力波源疊加而成的，它們的頻率和強度都不相同，但都很低，它們應(yīng)該存在于我們周圍，并可能會告訴我們它恒久隱藏著的重要信息。但遺憾的是，關(guān)于其存在和組成，一直只是理論化的產(chǎn)物。
6月發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報》上的一系列新論文中，科學(xué)家報告了他們的成果。此次探測到的引力波背景最可能的來源是陷入“死亡螺旋”的一對超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞龐大到能達(dá)到數(shù)十億個太陽質(zhì)量。由于幾乎所有星系，包括銀河系中心都盤踞著這樣一個黑洞怪物。因此當(dāng)兩個星系合并時，它們的超大質(zhì)量黑洞會相遇并開始相互繞轉(zhuǎn)。一旦兩個黑洞足夠接近，就有可能被脈沖星計時陣列觀測到。
北美納赫茲引力波天文臺團隊表示，目前他們還只能測量整體引力波背景，而不能測量單個“歌手”或“樂器”的輻射。即便如此，也足以令整個天文物理學(xué)界驚喜，因為“引力波背景的聲音大約是預(yù)期的兩倍”。美國耶魯大學(xué)助理教授明加雷利稱，這是人們能從超大質(zhì)量黑洞中創(chuàng)建的模型的上限。
科學(xué)家們的興奮也來自于這一研究正在開啟一個未知領(lǐng)域。由于當(dāng)前實驗限制，他們無法估計是否有其他東西也正在產(chǎn)生強大引力波。如果有，那么弦理論預(yù)測的機制甚至宇宙的誕生，都可能有其他解釋。
5、單原子X射線信號首次探到
單原子X射線首次探到的實驗示意圖。
圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
讓材料檢測方式發(fā)生歷史性突破，并不是僅僅依靠設(shè)備升級就可以，科學(xué)家們需要從原子水平進行革新。
6月，來自美國俄亥俄大學(xué)、阿貢國家實驗室、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校等的科學(xué)家，首次拍攝到了單原子X射線信號，這一突破性的成就有望徹底改變?nèi)藗儥z測材料的方法。
研究團隊利用同步加速器X射線對單個原子進行成像。使用同步加速器X射線掃描隧道顯微鏡可分析的最小樣本量為阿克，約為10000個原子。這是因為單個原子產(chǎn)生的X射線信號極其微弱，傳統(tǒng)探測器的靈敏度不足以檢測到它。為解決這個問題，該團隊在傳統(tǒng)的X射線探測器上添加了一個鋒利的金屬尖端，該探測器放置在待研究樣品上方僅1納米處。當(dāng)銳利的尖端在樣品表面移動時，電子穿過尖端和樣品之間的空間產(chǎn)生電流，這本質(zhì)上檢測到每個元素獨特的“指紋”，從而使該研究人員將掃描隧道顯微鏡的超高空間分辨率與強X射線照明提供的化學(xué)靈敏度結(jié)合了起來。
該技術(shù)能將有毒材料追蹤到極低的水平，從而可在材料設(shè)計和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
6、人類Y染色體組裝與分析完成
Y染色體是人類24條染色體中最后一個完成測序的。
圖片來源：美國國家人類基因組研究所
這是第一個真正完整的人類Y染色體序列，也是最后一個被完全測序的人類染色體。
《自然》雜志8月發(fā)表的兩篇論文公布了人類Y染色體的組裝和分析。這項全球100多名科學(xué)家參與的研究，填補了當(dāng)前Y染色體參考的諸多空白，帶來了對不同人群演化和變異的見解。
人類Y染色體由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜一直很難測序和組裝。超過一半的Y染色體在當(dāng)前的人類參考基因組組裝中缺失，導(dǎo)致人們對Y染色體的認(rèn)識很不全面，限制了對其組成、復(fù)雜性以及在不同人群間差異的理解。作為“端粒到端?！甭?lián)盟的一部分，由美國國家人類基因組研究所領(lǐng)導(dǎo)、包括約翰斯·霍普金斯大學(xué)、加州大學(xué)圣克魯斯分校等多家機構(gòu)的科學(xué)家，此次報道了完整的人類Y染色體的62460029個堿基對序列。這次的組裝糾正了當(dāng)前人類參考基因組組裝中關(guān)于Y染色體的多個錯誤，同時還向參考基因組中添加了逾3000萬個堿基對，揭示了多個基因家族的完整結(jié)構(gòu)，并確認(rèn)了41個新的蛋白質(zhì)編碼基因。
在另一篇論文中，聯(lián)合團隊組裝了代表世界21個不同人群的43名男性的人類Y染色體。這些組裝結(jié)果更詳細(xì)闡釋了Y染色體在18.3萬年的人類演化歷史中的遺傳差異。研究人員將此次的新見解整合到靈長類動物的研究中，以更深入地挖掘Y染色體的進化，并分析可能影響癌癥和其他多種疾病的臨床相關(guān)基因，進而助力個性化醫(yī)療。
7、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出全新蛋白質(zhì)
設(shè)計蛋白質(zhì)生物材料的可視化示例。
圖片來源：馬庫斯·比勒/《應(yīng)用物理學(xué)雜志》
蛋白質(zhì)一直難以建模，尤其是人們想要“反向操作”——將所需的功能轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，更是一個高難度挑戰(zhàn)。
美國麻省理工學(xué)院團隊8月宣布將注意力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以更好地理解和設(shè)計蛋白質(zhì)。該方法將幾何深度學(xué)習(xí)與語言模型的兩種優(yōu)勢結(jié)合起來，不僅可預(yù)測現(xiàn)有蛋白質(zhì)特性，還可設(shè)想自然界尚未設(shè)計出的新蛋白質(zhì)。此次新模型通過對基本原理建模，將大自然發(fā)明的一切作為基礎(chǔ)，重新組合了這些自然構(gòu)建塊。團隊在訓(xùn)練模型時，根據(jù)不同蛋白質(zhì)的功能來預(yù)測它們的序列、溶解度和氨基酸組成部分。然后，在收到新蛋白質(zhì)功能的初始參數(shù)后，模型發(fā)揮出創(chuàng)造力并生成了全新的結(jié)構(gòu)。
無獨有偶，“深度思維”公司也在今年公布了新一代“阿爾法折疊”，其不僅準(zhǔn)確性顯著提高，預(yù)測范圍還從蛋白質(zhì)擴展到其他生物分子，包括配體。該模型已可預(yù)測蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（PDB）中的幾乎所有分子，精度則可達(dá)到原子級。
8、中國國家太空實驗室正式運行
第十四屆中國航展上拍攝的中國空間站組合體展示艙的問天實驗艙。
新華社記者 劉大偉攝
今年是中國首次載人飛行任務(wù)成功20周年。8月18日，中國載人航天工程辦公室傳來喜訊：中國國家太空實驗室正式運行，空間應(yīng)用正有序展開、成果頻現(xiàn)。
中國載人航天工程新聞發(fā)言人、中國載人航天工程辦公室副主任林西強說，當(dāng)前空間站科學(xué)實驗設(shè)施基本完成在軌測試，在軌運行穩(wěn)定可靠，具備了大規(guī)模開展空間科學(xué)研究的能力。截至目前，空間站已開展了60余個實驗項目、上萬次在軌實驗，獲得了近60TB原始實驗數(shù)據(jù)，下行了300余個科學(xué)實驗樣品。
作為中國航天史上規(guī)模最大、長期有人照料的空間實驗平臺，運行后的國家太空實驗室將利用太空中的環(huán)境優(yōu)勢展開科研，其中多數(shù)在地球上都無法模擬。而問天實驗艙、夢天實驗艙、天和核心艙部署的多個實驗柜將開展上千項科學(xué)實驗，探索宇宙中的奧秘，并將孵化的科技成果，轉(zhuǎn)化為實實在在的應(yīng)用，惠及地球上普通人的生活。
9、迄今最全人腦細(xì)胞圖譜發(fā)布
《科學(xué)》雜志封面論文。
圖片來源：《科學(xué)》網(wǎng)站
生物醫(yī)學(xué)發(fā)展至今，我們要憑借什么才能對人類這一物種身份有新的認(rèn)識？答案之一就是腦科學(xué)。
10月份同時刊發(fā)在美國《科學(xué)》《科學(xué)進展》和《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上的21篇論文，公布并闡釋了迄今最全的人類大腦細(xì)胞圖譜。多國科學(xué)家參與的這一系列研究，揭示了3000多種腦細(xì)胞類型的特征，將有助于深入理解人類大腦的獨特之處并推進腦部疾病和認(rèn)知能力等研究。《自然》網(wǎng)站援引澳大利亞弗洛里神經(jīng)科學(xué)與心理健康研究所專家安東尼·漢南的話說，這一系列研究首次在單細(xì)胞水平上繪制了人類大腦圖譜，顯示其復(fù)雜的分子相互作用，為更好理解人腦奠定了基礎(chǔ)。
其中，荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)科學(xué)家金伯莉·西萊蒂團隊對覆蓋人類大腦106個位置的300多萬個細(xì)胞進行了RNA（核糖核酸）測序，分析記錄了461個腦細(xì)胞大類，包含3000多個亞型。研究顯示，神經(jīng)元作為大腦和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送和接收信號的細(xì)胞，在大腦不同部位具有很大差異，尤其連接大腦和脊髓的腦干區(qū)域含有特別多神經(jīng)元類型，這種差異揭示了不同的功能和發(fā)育歷史。這是從單細(xì)胞層面以前所未有的顆粒度解析了人腦的組織結(jié)構(gòu)，包括成年人腦和胚胎期正在發(fā)育的人腦，識別和描繪出了人腦細(xì)胞類型的驚人多樣性，為認(rèn)識人類精神和神經(jīng)疾病機制提供了線索。
10、大型語言模型不斷迭代升級
Gemini可處理文本、音頻和視頻。
圖片來源：谷歌公司
2023年是“生成式人工智能之年”。
今年，GPT-4的表現(xiàn)被認(rèn)為“可與人類相媲美”。在聊天機器人ChatGPT發(fā)布約4個月后，ChatGPT背后的OpenAI宣布正式發(fā)布為ChatGPT提供支持的更強大的下一代技術(shù)GPT-4，其擁有圖像識別功能、高級推理技能，以及處理25000個單詞的能力，在某些測試中的表現(xiàn)不輸于人類。
而在12月6日，谷歌公司則宣布推出一種名為Gemini的新人工智能模型，并聲稱該模型在一系列智力測試中的表現(xiàn)優(yōu)于GPT-4模型和“專家級”人類。谷歌聲稱，Gemini的中檔Pro版本擊敗了其他一些模型，例如OpenAI的GPT3.5，但更強大的Ultra超過了所有現(xiàn)有AI模型的能力。它在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MMLU基準(zhǔn)上的得分為90%，而“專家級”的人類預(yù)計能達(dá)到89.8%。這是人工智能首次在測試中擊敗人類，也是現(xiàn)有模型中得分最高的。
該測試涉及一系列棘手的問題，包括邏輯謬誤、日常場景中的道德問題、醫(yī)療問題、經(jīng)濟和地理問題。在同一測試中，GPT-4的得分為87%，LLAMA-2的得分為68%，Claude 2的得分為78.5%。Gemini在其他9項常見基準(zhǔn)測試中的8項中擊敗了所有這些模型。
