自然雜志公布2020十大科學發(fā)現(xiàn)，南極上空臭氧層的修復使高速氣流停止漂移

百戰(zhàn)網(wǎng) 2020-12-18 10:43:04

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2020年注定不是平凡的一年，盡管崎嶇坎坷，但是人類探索的腳步不會停止。在2020即將結束之際，《自然》(Nature)雜志盤點了今年的十大科學發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)涵蓋了多個領域，甚至和我們的生活息息相關。

1、打破物質(zhì)-反物質(zhì)的鏡像對稱性

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行搜索。中微子有三種“味”，由它們所關聯(lián)的帶電輕子(電子、μ子或τ子)決定，并且可以在運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志。

2、南極上空臭氧層的修復使高速氣流停止漂移

20世紀80年代中期，科學家在南極上空發(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)初步的恢復跡象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧層開始恢復以來，空洞相關的環(huán)流效應已經(jīng)停止。以前曾有人注意到這種環(huán)流效應停止的趨勢，但Banerjee等人首次正式將其歸因于《蒙特利爾議定書》的影響。

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，由復雜的工程技術建造而成

愛爾蘭都柏林三一學院的Cassidy等人研究了農(nóng)耕社會的社會結構，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，由復雜的工程技術建造而成，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墓室。研究人員對墓中發(fā)現(xiàn)的古代人類遺骸進行了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的貴族們可能是通過亂倫來維持其血統(tǒng)。

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，科學家還從未在如此大的區(qū)域內(nèi)繪制出如此精細的樹木地圖。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。

5、殺死潛伏的HIV病毒

導致艾滋病的HIV病毒可以長期“潛伏”在宿主細胞中，幾乎不進行轉(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(激活)，使被感染細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基因表達的主要刺激因子。McBrien等人則將兩種免疫干預措施結合起來，先通過抗體療法耗竭CD8+ T細胞(降低病毒轉(zhuǎn)錄水平的免疫細胞)，再進行N-803藥物治療，該藥物可激活HIV-1的轉(zhuǎn)錄。除了這些進展，這兩項研究還展示了用藥物逆轉(zhuǎn)病毒潛伏相關的概念和技術挑戰(zhàn)。

6、基因編輯破解挑食之謎

一種學名為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偏愛諾麗果的關鍵原因。他們還發(fā)現(xiàn)了其他幾種可能導致這種簡單行為轉(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雜的行為。

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鏡和地面望遠鏡的觀測結果得出的。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隊，第一作者為北京師范大學的林琳博士，觀測結果則是來自中國“天眼”——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)。

8、冷凍電鏡達到原子分辨率

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

結構生物學的一個基本原理是，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構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。隨著這些技術的發(fā)展，cryo-EM圖像信噪比的提高將擴展冷凍電鏡技術的適用性。也許這些技術的融合將使cryo-EM的結構測定達到甚至超越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。

9、干擾素缺乏可導致新冠重癥

在9月在線發(fā)表于《科學》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?，比如編碼關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型干擾素結合并使其“中和”。I型干擾素缺乏如何導致危及生命的重癥COVID-19?最直接的解釋是這種缺乏導致病毒不受控制地復制和傳播。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。

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)的顏色由黑素細胞決定，這些細胞來自于毛囊凸起部分的黑色素干細胞(MeSCs)。這篇發(fā)表于1月《自然》雜志的論文是哈佛大學許雅捷團隊的成果，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;在極端應激或高水平去甲腎上腺素暴露下，黑色素干細胞的增殖分化顯著增加，導致黑色素細胞大量遷移，遠離毛囊隆突區(qū)，但由于沒有替代的干細胞，便導致頭發(fā)變白。這項研究將有助于了解壓力如何影響其他的干細胞，也為尋找阻止和逆轉(zhuǎn)壓力的方法提供了線索。