《自然》雜志公布2020年10大科學(xué)發(fā)現(xiàn)
在2020年即將結(jié)束之際，《自然》（Nature）雜志盤點了今年發(fā)表的科學(xué)新聞和研究觀點，從中選出了十項最為重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，既包括新冠病毒研究、壓力如何導(dǎo)致白發(fā)、HIV治療等醫(yī)學(xué)方面的研究，也有銀河系快速射電暴等天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，甚至有一項研究在古代陵墓中發(fā)現(xiàn)了亂 倫的證據(jù)。
這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)涉及14篇研究論文，其中12篇發(fā)表于《自然》雜志，另兩篇發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志。
1.打破物質(zhì)-反物質(zhì)的鏡像對稱性
在T2K實驗中，位于日本神岡天文臺的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）
日本T2K中微子合作組織的研究發(fā)表于4月15日的《自然》雜志，報告了輕子破壞粒子-反粒子鏡像對稱（也稱為CP對稱）的可能發(fā)現(xiàn)。輕子的CP破缺難以觀測，卻可以利用中微子進(jìn)行搜索。中微子有三種“味”，由它們所關(guān)聯(lián)的帶電輕子（電子、μ子或τ子）決定，并且可以在運(yùn)動過程中從一種味轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N味。如果CP對稱守恒，μ中微子到電中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率將與反μ中微子到反電中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率相同。在T2K實驗中，位于日本神岡天文臺的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）。實驗測量了μ中微子到電中微子轉(zhuǎn)換的振蕩概率，結(jié)果在95%的置信水平上排除了CP守恒，這可能是宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性起源的最早標(biāo)志。
原始論文：Nature 580， 339-344（2020）。
2.南極上空臭氧層的修復(fù)使高速氣流停止漂移
20世紀(jì)80年代中期，科學(xué)家在南極上空發(fā)現(xiàn)了春季大氣臭氧層空洞，這揭示了人類制造的臭氧消耗物質(zhì)（ODSs）對大氣層的威脅。位于海拔10到20公里處的南極臭氧層空洞也影響了南半球大氣環(huán)流，進(jìn)而影響地表的氣候。最明顯的一個趨勢是，夏季的高速氣流開始向極地移動。高速氣流是行星尺度的大氣環(huán)流現(xiàn)象，地球上有數(shù)條環(huán)繞的高速氣流帶。1987年的《蒙特利爾議定書》及其隨后的修正案禁止了臭氧消耗物質(zhì)的生產(chǎn)和使用。因此，大氣中臭氧消耗物質(zhì)濃度正在下降，臭氧層已經(jīng)出現(xiàn)初步的恢復(fù)跡象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧層開始恢復(fù)以來，空洞相關(guān)的環(huán)流效應(yīng)已經(jīng)停止。以前曾有人注意到這種環(huán)流效應(yīng)停止的趨勢，但Banerjee等人首次正式將其歸因于《蒙特利爾議定書》的影響。
原始論文：Nature 579， 544-548（2020）。
3.史前愛爾蘭貴族墓葬遺址發(fā)現(xiàn)亂 倫證據(jù)
紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由復(fù)雜的工程技術(shù)建造而成
愛爾蘭都柏林三一學(xué)院的Cassidy等人研究了農(nóng)耕社會的社會結(jié)構(gòu)，重點研究了被埋葬在石隧墓（歐洲的一種通道式巨石墓葬建筑）中的古代貴族。紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由復(fù)雜的工程技術(shù)建造而成，墓室在一條很長的石砌通道的盡頭。在陵墓入口上方有一個像窗一樣的開口，在一年中白天最短的那天（冬至），這個開口可以讓陽光照進(jìn)墓室。研究人員對墓中發(fā)現(xiàn)的古代人類遺骸進(jìn)行了DNA分析，揭示了一場罕見且出人意料的亂 倫事件。大約5000年前埋葬在紐格蘭奇墓室的一名男子是一樁亂 倫婚姻的后代：他的父母要么是兄弟姐妹，要么是父母與子女。這一發(fā)現(xiàn)讓研究小組推測，與這座宏偉陵墓有關(guān)的貴族們可能是通過亂 倫來維持其血統(tǒng)。
原始論文：Nature 582， 384–388 （2020）。
4.衛(wèi)星圖像繪制地球樹木地圖
Brandt等人的論文報道了他們對覆蓋西非西撒哈拉和薩赫勒地區(qū)超過130多萬平方公里的高分辨率衛(wèi)星圖像的分析結(jié)果，他們繪制了大約18億棵樹木的位置和大小。在此之前，科學(xué)家還從未在如此大的區(qū)域內(nèi)繪制出如此精細(xì)的樹木地圖。商業(yè)衛(wèi)星已經(jīng)開始收集數(shù)據(jù)，能夠捕捉到大小在1平方米或以下的地面物體。陸地遙感領(lǐng)域因此即將迎來根本性的飛躍：從側(cè)重于綜合景觀尺度的測量，到有可能在大范圍或全球尺度上繪制每棵樹的位置和樹冠大小。這一進(jìn)展無疑也將根本性地改變我們思考、監(jiān)測、模擬和管理全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式。
原始論文：Nature 587， 78–82 （2020）。
5.殺死潛伏的HIV病毒
導(dǎo)致艾滋病的HIV病毒可以長期“潛伏”在宿主細(xì)胞中，幾乎不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，因此不會被免疫系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。在《自然》雜志1月同期發(fā)表的兩項研究中，報道了被稱為“激活并殺死”（Shock and kill）的治療策略，旨在扭轉(zhuǎn)這種潛伏期，通過增加病毒基因的表達(dá)（激活），使被感染細(xì)胞更容易被免疫系統(tǒng)消滅（殺死）。兩組研究人員都描述了在動物模型中的干預(yù)措施，這可能是迄今為止報道的最有效的激活手段，而且是可重復(fù)的。Nixon及其同事使用了一種名為AZD5582的藥物，用于激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB——HIV-1基因表達(dá)的主要刺激因子。McBrien等人則將兩種免疫干預(yù)措施結(jié)合起來，先通過抗體療法耗竭CD8+ T細(xì)胞（降低病毒轉(zhuǎn)錄水平的免疫細(xì)胞），再進(jìn)行N-803藥物治療，該藥物可激活HIV-1的轉(zhuǎn)錄。除了這些進(jìn)展，這兩項研究還展示了用藥物逆轉(zhuǎn)病毒潛伏相關(guān)的概念和技術(shù)挑戰(zhàn)。
原始論文：Nature 578， 154-159 （2020）； Nature 578， 160–165 （2020）。
6.基因編輯破解挑食之謎
一種學(xué)名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食，是什么讓這個物種如此挑食？
一種學(xué)名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食。與其他喜歡各種水果的果蠅相比，是什么讓這個物種如此挑食？Auer等人利用基因組編輯工具CRISPR-Cas9破解了這個謎題。他們發(fā)現(xiàn)，相比其他果蠅，D。 sechellia體內(nèi)表達(dá)氣味受體22a蛋白（Or22a）的感覺神經(jīng)元格外豐富，而Or22a氨基酸序列的微小變化正是果蠅D。 sechellia偏愛諾麗果的關(guān)鍵原因。他們還發(fā)現(xiàn)了其他幾種可能導(dǎo)致這種簡單行為轉(zhuǎn)變的演化改變。即使是喜歡臭水果的小小果蠅，也能有力地揭示大腦如何演化出復(fù)雜的行為。
原始論文：Nature 579， 402-408（2020）。
7.銀河系中的快速射電暴
發(fā)表在11月《自然》雜志上的三篇論文報道了對一個快速射電暴（FRB）現(xiàn)象的探測，顯示其來源位于銀河系內(nèi)。有趣的是，快速射電暴伴隨著X射線的爆發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)是通過綜合了多臺太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果得出的。顧名思義，“快速射電暴”是指一種瞬態(tài)的無線電波明亮脈沖，爆發(fā)持續(xù)時間約為毫秒級。研究者于2007年首次發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，由于存在時間很短，使得探測它們并確定其在天空中的位置變得異常困難。這是第一個被探測到具有除無線電波外輻射的快速射電暴，也是該現(xiàn)象在銀河系內(nèi)的首次發(fā)現(xiàn)。這三項觀測也首次證實了磁星是快速射電暴的來源之一，這是目前唯一被觀測驗證的可產(chǎn)生快速射電暴的天體。值得一提的是，其中一篇論文來自中國的研究團(tuán)隊，第一作者為北京師范大學(xué)的林琳博士，觀測結(jié)果則是來自中國“天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。
原始論文：Nature 587， 54–58 （2020）； Nature 587， 59–62 （2020）； Nature 587， 63–65 （2020）。
8.冷凍電鏡達(dá)到原子分辨率
Yip等人和Nakane等人報道了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰圖像，首次確定了蛋白質(zhì)中單個原子的位置
結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一個基本原理是，一旦研究人員能夠以足夠的分辨率直接觀察到大分子，就有可能理解其三維結(jié)構(gòu)與生物功能之間的聯(lián)系。在今年10月《自然》雜志同期發(fā)表的兩項研究中，Yip等人和Nakane等人報道了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰圖像，首次確定了蛋白質(zhì)中單個原子的位置。兩個小組使用的硬件都經(jīng)過改良，突破了以往cryo-EM成像在分辨率上的限制。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，cryo-EM圖像信噪比的提高將擴(kuò)展冷凍電鏡技術(shù)的適用性。也許這些技術(shù)的融合將使cryo-EM的結(jié)構(gòu)測定達(dá)到甚至超越1埃（0.1納米）的分辨率——這在過去幾乎是不可能實現(xiàn)的成就。
原始論文：Nature 587， 157–161 （2020）； Nature 587， 152–156 （2020）。
9.干擾素缺乏可導(dǎo)致新冠重癥
在9月在線發(fā)表于《科學(xué)》的兩篇論文中，Zhang等人和Bastard等人闡明了影響感染新冠病毒后是否發(fā)展為重癥的一個關(guān)鍵因素——干擾素尤其是I型干擾素（IFN-I）的缺乏。這種缺乏可能由不同原因?qū)е拢热缇幋a關(guān)鍵抗病毒信號分子的基因發(fā)生遺傳突變，或由于抗體與I型干擾素結(jié)合并使其“中和”。I型干擾素缺乏如何導(dǎo)致危及生命的重癥COVID-19？最直接的解釋是這種缺乏導(dǎo)致病毒不受控制地復(fù)制和傳播。另一方面，I型干擾素缺乏也可能對免疫系統(tǒng)功能有其他影響。IFN-I誘導(dǎo)通路基因突變的個體將從提供干擾素的治療中受益。此外，那些對IFN-α和IFN-ω具有中和性抗體的人也可能受益于治療中提供的其他類型的干擾素，如IFN-β和IFN-λ。
原始論文：Science 370， eabd4570 （2020）； Science 370， eabd4585 （2020）。
10.壓力為何會使頭發(fā)變白？
這是《自然》雜志“新聞與觀點”欄目在2020年讀者瀏覽最多的一項研究報道。目前對壓力對頭發(fā)變白的相對作用尚不完全清楚。頭發(fā)的顏色由黑素細(xì)胞決定，這些細(xì)胞來自于毛囊凸起部分的黑色素干細(xì)胞（MeSCs）。這篇發(fā)表于1月《自然》雜志的論文是哈佛大學(xué)許雅捷團(tuán)隊的成果，第一作者是張兵博士。研究報告稱，在壓力引起的“戰(zhàn)斗或逃跑”反應(yīng)中，交感神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元會釋放出神經(jīng)遞質(zhì)分子去甲腎上 腺素；在極端應(yīng)激或高水平去甲腎上 腺素暴露下，黑色素干細(xì)胞的增殖分化顯著增加，導(dǎo)致黑色素細(xì)胞大量遷移，遠(yuǎn)離毛囊隆突區(qū)，但由于沒有替代的干細(xì)胞，便導(dǎo)致頭發(fā)變白。這項研究將有助于了解壓力如何影響其他的干細(xì)胞，也為尋找阻止和逆轉(zhuǎn)壓力的方法提供了線索。
原始論文：Nature 577， 676-681（2020）。
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