《自然》2019年十大科学人物

日前,《自然》(Nature)公布了2019年十大科学人物,并对这些引领重要科学时刻的人物背后的事件进行了总结。今年的名单中,宣布基因编辑治疗白血病成果的北大生命科学教授——邓宏魁上榜,此外,谷歌量子计算机领衔科学家——约翰·马丁尼斯、瑞典“气候少女”格蕾塔等均成为了今年的科学事件缩影。

上榜理由:一位中国科学家表明,CRISPR基因编辑可以在HIV感染的成年人中安全使用。

CRISPR–Cas9基因编辑系统是在不到十年前开发的,并且已经在临床中出现。今年他的团队首次证证明了基于基因编辑的成体造血干细胞移植的可行性和在人体内的安全性。该研究来自北京大学的邓宏魁的实验室,并显示了CRISPR基因编辑如何能够创造潜在的无限供应的免疫细胞,这些免疫细胞不能被HIV感染。

该方法旨在总结患者Timothy Ray Brown的成功。在2008年,Timothy Ray Brown接受了骨髓移植作为白血病治疗的一部分,因此成为已知的第一个清除该病毒的人。他的医生有意寻找一个基因突变的供体,该基因使CCR5失效,该蛋白被HIV用来感染免疫细胞。他们消灭了Timothy Ray Brown的免疫系统,然后补充了供体细胞,病毒竟然消失了。

但是在Brown的骨髓供体中发现的保护性突变很少见,而且在中国实际上不存在。HONGKUI DENG是1990年代发现CCR5在HIV中重要性的团队之一,因此决定尝试编辑该基因。他从供体的骨髓中获得了免疫学上匹配的血液形成干细胞,并用CRISPR–Cas9编辑了它们,然后将其移植到患有白血病和HIV的人体内。他说:“我们希望能精确模仿柏林的病人。”

但是为了安全起见,并且由于难以编辑使用的细胞类型,他使用了混合细胞进行移植。只有大约18%被修改。患者的艾滋病毒感染仍然存在(L. Xu等人,N。Engl。J. Med。381,1240–1247; 2019)。他表示,这项工作表明了CRISPR–Cas9编辑的细胞如何成为骨髓移植的一部分并且不会引起不良事件。差不多两年后的今天,一些经过编辑的细胞仍保留在患者的血液中。他说:“我们对持久性最感兴趣。”

但是据加州大学伯克利分校的生物学家菲多尔·乌尔诺夫(Fyodor Urnov)称,他还试图将CRISPR推入临床,未能成功治疗HIV的现象表明人们急于翻译该技术。先前的实验表明,通过其他基因编辑方法(例如锌指核酸酶)获得的临床收益取决于编辑过程的效率。乌尔诺夫说,这种处理不可能对如此低的编辑单元格进行处理,邓和他的团队应该知道这一点。他说:“他们的工作将成为不这样做的一个例子。”

HONGKUI DENG为这项实验辩护,并希望在短期内移植更高比例的基因编辑细胞。他还希望开发出将细胞重编程为多能干细胞的方法,这些方法更易于编辑,然后将其转化为可形成血液的干细胞进行移植。

这位物理学家领导Google首次展示了一种量子计算机,该量子计算机的性能可能优于传统计算机。

当约翰·马丁尼斯(John Martinis)在1980年代中期毕业时,他参加了一场讲座,该讲座大大启发了他的科学生涯。著名的物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)讨论了使用粒子的量子特征制造计算机的想法,该计算机可以完成传统机器无法完成的工作。

10月,马丁尼斯(Martinis)向费曼的梦想迈出了一大步。他领导了Google的一组研究人员的工作,他们宣布已经证明了自己的第一个成果:一种量子计算机,可以比最佳的传统计算机更快地进行计算,实现了“量子优越性”。“做这个实验是我职业生涯的高潮,”马丁尼斯说。

这位在Google和加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校工作的物理学家花了17年的时间来磨练支撑公司量子计算机Sycamore的硬件。它的核心是微小的超导环,称为量子位,量子系统似乎以多种状态存在,直到被观察到为止。物理学家长期以来一直认为,利用量子位之间的交互作用可以使计算机在某些计算方面表现出色,例如探测否则无法搜索的数据库以及破解常规加密方法。

由70多名科学家和工程师组成的团队表明,对于一个特定的挑战——计算一种量子随机数发生器的输出范围——Sycamore可以在200秒内完成他们估计需花费一万年的计算任务。

这一壮举依靠改进的硬件来降低错误率并以新的方式连接量子位。一些物理学家对地标的意义进行了辩论,该任务的实际应用受到限制。但是马丁尼斯说,该实验的重要性在于展示一些基本知识:物理学家对在小量子系统上学到的量子相互作用的理解在更大的规模和复杂性上仍然是正确的。他说:“这真是个好消息。”

马丁尼斯希望有更多的想法。他未来的工作重点包括制造更好的量子芯片(包括用于纠正由噪声引起的误差的母版方法),以及开放Sycamore供云系统上的外部研究人员使用,以查看是否可以运行有用的算法。一个想法是利用一种方法来验证所谓的随机数确实是随机的。

上榜理由:一位神经科学家“复活”了脱离肉体的猪脑,并挑战了生与死的定义。

2016年的一个下午,内纳德·塞斯坦(Nenad Sestan)和两个实验室成员在显微镜跟前获得了兴奋的发现。

康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学医学院的研究人员发现,从死猪身上提取的大脑具有电活动——也就是说还存在意识。该团队在死后不久就努力地摘除了器官,并向它们注入了氧气和一种冰冷的防腐剂,从而使大脑至少部分恢复了生命。

最初是一个寻找更好地保存脑组织以供研究用的方法的副项目,后来演变成一项可以重新定义我们对生死的理解的发现。这一结果令人震惊!

塞斯坦(Sestan)带来了一位神经科医生,他确定读数实际上是一个错误,但这种可能性使他们大吃一惊。

塞斯坦保持冷静,并立即做了两件事:他关闭了实验,并与资助他的研究的美国国立卫生研究院(NIH)以及耶鲁大学的生物伦理学家联系。在接下来的几个月中,专家们仔细研究了潜在的道德隐患,例如大脑是否可以变得清醒以及医生是否需要重新考虑脑死亡的定义。

塞斯坦已经预见到了道德问题,并采取了一些保护措施。在开始实验之前,该小组已决定使用阻断剂麻醉大脑,以防止神经元一致激发,这是意识的先决条件。

总体而言,这一壮举带来的兴奋多于关注。塞斯坦的研究结果表明,中风或重伤期间发生的氧气剥夺对脑细胞的损害并不像以前想象的那么严重。马萨诸塞州波士顿大学的生物医学工程师安娜·德沃(Anna Devor)说:“这非常重要:我们忽略了这一点,因为没有人真的认为这是可能的。”

确信实验在伦理上是合理的之后,研究人员便恢复了实验。他们将自己的成果发表在《自然》(Nature)上。但是在论文发表之前,塞斯坦在公开的NIH神经伦理学会议上展示了数据,尽管遭到了抗议,但这个故事还是出现在了媒体上。

在论文发表之前,他和他的团队都不想讨论结果,但是当他们的收件箱中充满了动物权利活动家和未来主义者的担忧和怨言时,塞斯坦变得沮丧。他说:“我们真的很担心。”他认为,他们所能做的就是推迟纠正公众的误解,直到同行评审过程顺利进行。

自该论文于4月发表(Z. Vrselja Nature 568,336–343; 2019)以来,该团队一直忙于接受媒体和科学家的询问,因此没有进行任何进一步的实验。 Sestan希望专注于他最初提出的问题,并探索例如大脑可以维持多长时间以及该技术是否可以保存其他器官并进行移植。

上榜理由:天体物理学家用创新的射电望远镜,追赶捕捉到了神秘的快速射电爆发。

在过去的25年中,维多利亚·卡斯皮(Victoria Kaspi)使用了世界上许多顶级望远镜进行基础天文学发现。但在2017年,她将加拿大氢强度测绘实验(CHIME)连接到功能强大的计算机,并终于在2年之后收获了回报。

今年,Kaspi和其他数十位天文学家的努力取得了成果。CHIME成为世界上最佳的快速无线电脉冲串(FRBs)捕捉器——无线电能量的神秘闪光常在天空中弹出和消失。CHIME位于不列颠哥伦比亚省南部,已经发现了数百次爆发,比任何其他望远镜都多。有了它,天文学家希望解决信号起源的难题。

加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的天体物理学家Kaspi在赋予CHIME强大的FRB检测能力方面发挥了重要作用。该望远镜最初被设计用来绘制遥远星系的氢辐射图,以回答有关早期宇宙的问题。但是,随着该项目在2010年代初开始实施,FRB的新兴领域也随之兴起,最早的领域是2007年发现的。2013年,天文学家报告了另外四个例子,证实了那次“闪光”是一种需要解释的真实现象。

“对我来说那是一个分水岭,”Kaspi说。她在职业生涯中的大部分时间都在研究被称为中子星的超稠密恒星。但是,突然之间,出现了新的天体物理学之谜。Kaspi一直在思考CHIME如何研究快速旋转的中子星,并意识到望远镜的灵敏度和大视野可能是装袋FRB的理想选择——但前提​​是必须对其进行升级。她给温哥华不列颠哥伦比亚大学的天文学家Ingrid Stairs打电话,以考虑这个想法。 “在短短几个月内,她就领导了这一重大提议,” Stairs说。

与宇宙学家合作,他们梦想着望远镜向其主要资助者渥太华的加拿大创新基金会要求更多资金,以寻找FRB。他们希望增加另一台仪器和足够的计算能力,以使望远镜能够以每秒16,000次不同的频率每秒采集1000次数据。她说:“我们都知道这样做非常冒险。”“这架望远镜还没有建成,在这里我们提议在不存在的东西上增加一些东西。”

但是,Kaspi成为了CHIME FRB部分的首席研究员,将其撤下。她的科学身份帮助赢得了资金;她的个人关系使她能够建立庞大而多元化的团队。澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的天文学家马修·贝莱斯(Matthew Bailes)说,她的政治技巧对于召集原始的宇宙学家和新的FRB猎人至关重要。

在此过程中,Kaspi致力于培养下一代科学家,同时考虑到进入物理学(特别是对女性而言)将是多么艰巨的挑战。她在2016年获得了加拿大最高的科学奖,即Gerhard Herzberg加拿大科学与工程学金牌,并用100万加元(合760,000美元)的奖金聘用了CHIME的学生和博士后。

今年,她帮助从戈登和贝蒂·摩尔基金会获得了240万美元的赠款,以探索建造“outrigger”望远镜。这架望远镜将设在距CHIME约1000公里处,并有助于查明FRB。这将使这台具有创造力的加拿大望远镜保持在天文学的最前沿,并获得了大量数据。

上榜理由:生态学家和她的同事们评估了地球的生态系统,并呼吁采取严厉行动。

5月4日,桑德拉·迪亚兹(Sandra Díaz)和其他144位研究人员向全世界发出了鲜明的呼吁。他们当时完成了对世界生物多样性的最详尽的研究,而且这个结果比大多数研究人员想象的还要糟糕:由于人类活动,一百万个物种正濒临灭绝,并且将采取严厉的行动来阻止这一灭绝。迪亚兹说:“物种灭绝的速度至少比过去一千万年的平均速度快几十到几百倍。” “我们的安全网几乎已经延伸到断裂点。”

这些令人震惊的发现来自政府间生物多样性和生态系统服务科学政策平台(IPBES)。阿根廷科尔多瓦国立大学的生态学家Díaz是小组的三位联合主席之一。在过去三年的大部分时间里,她和她的同事们-印第安纳大学布卢明顿分校的人类学家爱德华多·布隆迪齐奥(EduardoBrondízio)和德国哈勒市亥姆霍兹环境研究中心的生态学家约瑟夫·塞特尔(Josef Settele)–协调了来自51个国家的专家的工作,在物理研讨会和在虚拟工作组中,提供了超过15,000个信息源。

他们的最终报告长达1500页,其中表示,除非各国做出重大改变,例如放弃经济必须持续增长的想法,否则各国将无法实现生物多样性和可持续发展方面的大多数全球目标。

迪亚兹说:“没有自然,我们就无法过充实的生活,一种我们所知的生活。”她说,如果经济继续以这种破坏性方式运行,那么“自然和人都需要一种新的经济模式”。

这是一种直言不讳的消息,在某些方面是激进的消息。但是迪亚兹不会回避就科学和政策方面的重要问题发表意见。例如,她挑战了曾经是20世纪生态学的中心宗旨之一的思想:生态系统及其对人类的利益(例如食物或气候调节)在很大程度上取决于拥有大量物种。纽约市哥伦比亚大学的研究人员Shahid Naeem研究了生物多样性丧失的影响,他说迪亚兹领导着人们强调植物实际所做的工作的价值,即其功能性状。

经过多年的花时间在非洲、亚洲、欧洲和拉丁美洲的各个领域进行考察,收集树叶,测量树叶的韧性并评估土壤特性,迪亚兹也意识到了这一点。她是在阿根廷中部长大的,这是她养成的习惯,那时她去探索南美大草原,而其他人则在下午休息。她说:“我会避开午睡,去看动植物。” “从我上大学以来,我就知道我想成为一名研究人员。”

上榜理由:埃博拉病毒的共同发现者面临着他在刚果民主共和国与该病毒的第十场战斗,这是迄今为止最艰难的一次。

1976年,让·雅克·穆耶姆贝·坦富姆(Jean-Jacques Muyembe Tamfum)深入到现在的刚果民主共和国(DRC)的热带森林中,调查了一次不明疾病的爆发,该疾病迅速造成人员死亡。

这位年轻的研究人员意识到,当他从那些生病的人那里抽取血液样本并且针刺不会凝结时,事情有些奇怪。鲜血洒在他的手上。他旁边工作的护士快要死了,Muyembe开始感到担心。他说:“我每天早晨和晚上都开始测量体温。”奇迹般的,他从未感染过这种病毒,后来被命名为埃博拉病毒。

现在,发现这种疾病已有43年了,Muyembe领导着刚果(金)应对迄今最动荡的埃博拉疫情。自2018年8月以来,该流行病已在该国东北部杀死2200多人。

Muyembe为这项工作提供了深厚的经验,并致力于前沿科学。从1995年开始,他制定了仍用于控制该病毒的关键公共卫生措施。在刚果民主共和国城市基克威特(Kikwit)的一次大规模爆发中,他意识到最重要的步骤是与社区交谈,以便他们信任他并了解如何保护自己。他找到了将尸体深埋的方法,同时将感染风险降至最低。然后,他开始进行调查,以期推出有效的埃博拉药物和疫苗。在这次疫情暴发期间,他从埃博拉幸存者那里取了血,并注入了八名被感染的人中,希望抗体能消除这种病毒。七名获注射人员幸存下来。

上个月,由他的团队领导的一项由680人组成的对照临床试验表明,感染后不久使用抗体药物治疗的患者的生存率达到90%。其中一种药物——mAb114,是从在基威特爆发期间招募的幸存者血液​​中获得的抗体衍生的。位于马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院的免疫学家南希·沙利文(Nancy Sullivan)将成功归功于当时Muyembe的锲而不舍。

今年8月,外媒曝出亚马逊雨林大火已连烧20余天,消息顿时刺痛了全球环保主义者们的心,社交媒体上也纷纷发起#PrayForAmazonia活动为之祈祷。

由于亚马逊地区的混乱加剧,西科学机构国家空间研究所INPE的负责人——里卡多·加尔旺(RICARDO GALVÃO)通过挑战巴西政府而成为民族英雄。他如实统计亚马逊雨林毁坏数据,却被总统指控。

巴西领导人贾尔·博尔索纳罗(Jair Bolsonaro)抨击了圣保罗国家太空研究所(INPE)的加尔旺研究小组关于毁林的报告。

INPE的分析激起了总统的愤怒,因为它发现亚马逊地区的森林砍伐急剧增加,特别是现任总统上任的最初几个月里。总统指责科学家对数据撒谎,并作出了强烈的谴责。

加尔旺(Garvão)并没有急于做出反应,而是给了自己12小时。经过近一个不眠之夜,他为INPE科学家辩护。他还指责总统懦弱,要求举行面对面的会面,他知道这将导致他失业。他所不知道的是,他会成为科学英雄。

近年来,巴西作为环境领导者的声誉一直在恶化。该国在2004年至2012年间成功地将森林砍伐抑制了80%以上,但积极的环境执法最终引发了政治反弹和森林砍伐的增加。

INPE于11月18日发布的最新数据显示,在2018年8月至2019年7月之间,已有大约9,762公里的(面积大于波多黎各)森林被砍伐。这比上一年增加了30%。

上榜理由:一位古生物学家发现了一个保存完好的380万年前的头骨,对人类族谱产生了重大改变。

在2016年2月调查埃塞俄比亚北部沙漠的一个地点时,Yohannes Haile-Selassie发现了这个头骨。这些化石共同形成了一个非常完整的早期人骨头骨,Haile-Selassie团队表示,可以追溯到380万年前。它属于一种名为南方古猿(Australopithecus anamensis)的物种,它是已知的最古老和最难以捉摸的人类亲属。

头骨被称为“ MRD”,并于8月发表在《自然》杂志上。这使研究人员首次看到了这位神秘的古老亲戚的面孔,以前考古学家们仅能从一些骨头碎片中得知。古人类学家对该标本印象深刻,甚至有人说它与露西(Lucy)的发现相抗衡,露西是有着320万年历史的密切相关物种Afaruslopithecus afarensis的骨骼化石。

Haile-Selassie被认为是该领域最有才华的化石发现者之一。他在Woranso-Mille的项目中浮现出许多宝藏,Worsoso-Mille是一个散布着上新世人猿化石的地区,这是530万到260万年前人类和其近亲古猿演化的关键时期。他还是埃塞俄比亚古人类学家的重要成员,他们领导着本国的重大科学项目。

加州大学伯克利分校的古人类学家蒂姆·怀特(Tim White)和海尔·塞拉西(Haile-Selassie)的博士顾问说,当海尔·塞拉西(Haile-Selassie)在1990年代中期开始攻读博士学位时,他的潜力很明显,他对实验室和野外工作都有一定的了解,实际操作能力很强。

MRD之所以重要,部分原因在于,就化石记录而言,它所处的时期几乎是空白的,且记录了人类进化树最古老的分支。伦敦自然历史博物馆的古生物学家弗雷德·斯普尔(Fred Spoor)表示,研究人员以前认为露西的物种是从拟南芥(A. anamensis)进化而来的,这是“经典”的案例,即从一种物种直接进化为另一种。但是Haile-Selassie和他的同事认为,头骨的特征以及对它允许的一些现有化石的重新分析表明,早期的人猿进化更加混乱,而且A. anamensis和A. afarensis重叠了至少100,000年。找到如此完整的标本也几乎消失了。怀特说:“ MRD的发现是标志性的头盖骨。”

该小组仍在研究颅骨,以了解其在史前史上的位置的更多线索,Haile-Selassie希望重新访问该发现地点以丰富图片。他说:“希望骨架的其余部分在那里,谁知道呢。”

用于的一些肝脏、心脏和肾脏的起源争议不断。近年来不少国家宣布移植器官全部来自志愿者捐赠。

她的团队于2月份发表的调查报告(W. Rogers等人,BMJ Open 9,e024473; 2019)结果显示,由于医生无法证明捐赠者的同意,超过24起关于移植的报道被撤回。

在9月举行的美国国会关于气候变化的听证会上,格蕾塔·图恩伯格(Greta Thunberg)向会议席上的议员们列出了一堆灾难性的数据结果。这是政府间气候变化专门委员会的一份特别报告,预测随着世界变暖的可怕后果。她呼吁各国政府听取科学家们的意见,并马上采取实际行动来阻止气候的恶性变化。

科学家们已经花了数十年的时间来警告气候变化,但他们无法像16岁的格雷塔在今年一样吸引全球关注。

瑞士联邦理工学院气候科学家Sonia Seneviratne表示:“有些人可能想知道,为什么十几岁的女孩因公开哀叹众所周知的两难困境而比大多数气候研究人员多年的辛勤努力得到更多的信任和关注……作为科学家,我们通常不敢以如此发自内心的朴素表达真理。”

许多研究人员特别向格蕾塔致敬,因为他们将注意力集中在气候变化及其灾难性影响上。华盛顿特区关注科学家联合会气候与能源计划主任安吉拉·莱德福德·安德森(Angela Ledford Anderson)表示:“格蕾塔激发了科学家以及激进主义者和决策者的灵感。” 7月,德国总理安格拉·默克尔(Angela Merkel)宣布了减少碳排放的全面措施,并承认格蕾塔引发的抗议活动“驱使我们采取了行动”。

这位葡萄牙外交官敦促对全球变暖采取积极行动,当各国在2020年举行会议以更新其根据2015年《巴黎气候协定》所作的承诺时,这种倡导可能至关重要。

这位生物学家计划开始生产经基因编辑的婴儿的计划遭到了国际社会的强烈抗议,尚待俄罗斯政府的批准。

这位研究人员和她的研究小组发现了一种已在中国获准用于治疗阿尔茨海默氏病的化合物,但怀疑论者对该化合物的功效表示怀疑,许多药物尚待进一步确定性试验。11月2日,国家药品监督管理局批准治疗阿尔茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD)的原创新药:甘露特钠胶囊(GV-971)上市,商品名为“九期一”。

在这位保加利亚政治学家的领导下,欧盟的下一个研究与创新支出计划,即“地平线欧洲”(Horizon Europe)将形成。

这位大气科学家领导着1.4亿欧元(合1.55亿美元)的MOSAiC探险,其中一艘德国船被冻结在北极冰中一年,将收集有关极地条件的数据。

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