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十年来科学上20个突破发现
发布时间:2019/12/25  阅读次数:377  字体大小: 【】 【】【



插图描绘了两颗中子星在“千诺娃”(kilonova)爆炸事件中相撞的情景。2017年10月16日,全球约70家天文研究机构联合发布了第五次引力波事件,这是第一次观测到双中子星并合。

  即将结束的2010年代无疑是个充满发现的时代。在这10年里,各国科学家在人体、星球和宇宙方面均取得了卓越的新成就。更重要的是,科学在过去10年中变得更为全球化、合作化。如今,重大突破更有可能来自3000人的科学团队,而不是3个人的团队。
  因为众多发现都意义非凡,《国家地理》编辑们决定不做过多删减,最终挑选出20大最值得关注动态和里程碑式发现,我们相信,未来十年科学界还会有更多惊人突破要以此为依托。
首次通过引力波天文台和望远镜同时探测到引力波
  1916年,爱因斯坦正式发表了广义相对论,认为引力是时空结构发生弯曲的结果。该理论预言,有质量的物体在时空结构中加速运动会产生涟漪,这就是引力波。尽管爱因斯坦后来怀疑它们的存在,但这些被称为引力波的时空褶皱是相对论的一个关键预测,几十年来,吸引了若干研究人员孜孜探索。虽然令人信服的引力波迹象首次出现是在20世纪70年代,但没人直接探测到它们,直到2015年,美国LIGO天文台才探测到两个黑洞碰撞的余波。这一发现于2016年公布,开启了一种“聆听”宇宙的新方式。
  2017年,LIGO和欧洲天文台 Virgo探测到了另一组震动,这一次是两个被称为中子星的超高密度星体相撞时产生的。全球科学家都可以用望远镜观看到爆炸情况,这是人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜观测到同一天体物理事件。这些具有里程碑意义的数据能够更新科学家们对引力作用机制的认知,也有助于他们了解金和银等元素是如何形成的。
改变人类的家谱

  
虽然纳勒迪人在某些方面较为原始,但其面部、头骨和牙齿(如本次重建所示)表现出的现代特征足以证明他们属于人类。艺术家John Gurche通过骨骼扫描重建了其头部,共花了约700个小时,头发由熊毛代替。

  过去十年里,科学家在人类复杂起源方面取得了诸多进展,包括已知化石的年代、相当完整的头骨化石,以及多个新分支的出现。2010年,国家地理探险家Lee Berger发现了人类的远古祖先——南方古猿源泉种(Australopithecus sediba)。五年后,他宣布在南非人类摇篮遗址(Cradle of Humankind)洞穴系统发现了新物种的化石:纳勒迪人(Homo naledi),一种古人类,其部分骨骼结构与现代人相似。后续研究还显示,纳勒迪人生活在33.5万至23.6万年前,比之前料想的时代要晚的多。
  在亚洲,新发现同样层出不穷。2010年,一个研究小组宣布,对西伯利亚一洞穴中发现的指骨进行DNA提取,并最终测序后,一种不同于任何现代人的新人种出现了,这是丹尼索瓦人(Denisovans)存在的首个证据。2018年,中国的一处遗址出土了210万年前的石器,证实了工匠在亚洲的出现比人们之前认为的要早几十万年。2019年,菲律宾的研究人员公布了吕宋人(Homo luzonensis)的化石,一种与佛罗勒斯人(Homo floresiensis)相似的新人种。苏拉威西岛新发现的石器比现代人到达的时间还要早,这表明在东南亚存在第三种身份不明的岛居古人类。
古DNA研究的革命性巨变
  随着DNA测序技术的飞速发展,过去十年里,我们在古老基因如何塑造现代人方面取得了巨大进步。2010年,研究人员公布了首个几乎完整的古代智人基因组,拉开了对人类祖先DNA研究的革命性序幕。自此以后,3000多个古代基因组得以测序,其中包括女孩Naia的DNA,她死于1.3万年前的墨西哥。她的遗骸是在美洲发现的最古老的完整人类骨骼之一。同年,研究人员还公布了第一份尼安德特人基因组草图,为证明所有现代非非洲人的DNA中有1%到4%来自于这些近亲提供了首例可靠的基因证据。
  2018年,研究古DNA的科学家们又有了重大发现,他们找到了一根9万年前的骨头的主人——一名少女,其母亲是尼安德特人,父亲是丹尼索瓦人,她也是迄今发现的首个混血古人类。在另一项发现中,科学家们将丹尼索瓦人的DNA与化石蛋白质进行比较,以确认丹尼索瓦人曾经生活在西藏,从而扩大了这个神秘群体的已知范围。随着古DNA领域的不断发展,它对伦理问题的处理也日趋成熟,例如社区参与的需要和土著人类遗骸的遣返。
数千颗新的系外行星的发现
  2010年代,人类对围绕遥远恒星运行的行星的认识有了巨大飞跃,这在很大程度上归功于美国国家宇航局(NASA)的开普勒太空望远镜。从2009年到2018年,仅开普勒就发现了2700多颗确认的系外行星,这一数字比目前总数的一半还多。开普勒太空望远镜最著名的发现之一:第一颗被证实的岩石质系外行星。它的继任者TESS于2018年发射升空,目前已经开启了夜空勘测任务,并成功发现了34颗确认的系外行星。
  地面勘测也在进行之中。2017年,研究人员宣布发现TRAPPIST-1,这是一个距离地球仅39光年的恒星系统,拥有7颗类地行星,其拥有的类地行星数量仅次于太阳。前一年,欧洲天文台宣布发现了比邻星b,这是一颗与地球大小相当的行星,它围绕着离太阳最近的恒星比邻星运行,比邻星距离地球仅4.25光年。
进入基因编辑时代
  2010年代,精确编辑DNA领域成绩卓著,这在很大程度上要归功于Crispr-Cas9基因编辑技术。 CRISPR-Cas9是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御,可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。研究人员在2012年提出,Crispr-Cas9可以作为一种强大的基因编辑工具,它可以按照科学家的要求精确切割DNA。几个月后,其他研究小组证实这项技术同样适用于人类DNA。自此以后,为了令Crispr-Cas9更加精确,全球实验室竞相开始了类似系统的研究,并在农业和医学领域作了相关应用试验。
  尽管Crispr-Cas9可能带来巨大利益,但其造成的伦理困境也相当惊人。2018年,中国研究人员贺建奎宣布经Crispr编辑基因的两个双胞胎女孩出生,全球医学界一片哗然。这一声明引发了暂停全球所有人类生殖细胞系基因编辑的呼吁。
以前所未有的方式见识宇宙

  
2019年,视界望远镜合作组织(The Event Horizon Telescope)首次发布了超大质量黑洞及其阴影的图像。该图像揭示了梅西耶87星系(Messier 87)中心的巨大黑洞,梅西耶87星系是室女座星系团(Virgo cluster)中的一个大质量星系。

  2010年代,几项重大天文观测结果为宇宙研究带来了革命性改变。2013年,欧洲航天局发射了“盖亚探测器”(Gaia),目标是以前所未有的精度对银河系中的10亿颗恒星进行观测,收集位置、距离数据,以及1.5亿多颗恒星的速度数据。通过获得的数据集,科学家们制作了一部关于银河系的3D电影,让我们看到了星系是如何随着时间而形成和变化的。
  2018年,科学家公布了普朗克卫星对早期宇宙微弱余辉的最终测量结果,其中包含了宇宙成分、结构和膨胀速度的重要线索。令人困惑的是,普朗克测得的膨胀率与今天科学家们测得的结果并不相同,这是一种潜在的“宇宙学危机”,可能需要新的物理学理论来解释。同年,暗能量调查(Dark Energy Survey)发布了第一批数据,这将有助于宇宙结构中隐藏模式的搜索。2019年4月,视界望远镜合作组织首次公布了在梅西耶87星系中心发现的黑洞轮廓图像。
揭开古老艺术品的面纱

  
一名工人在法国布伦泰尔洞穴(Bruniquel Cave)内测量石环的尺寸,它们可能是由尼安德特人建造的。

  考古学家的发现再次证明,艺术——或者至少是涂鸦——是一种更古老、更全球化的现象。2014年,研究人员在苏拉威西岛的马洛斯洞穴遗址(Maros cave sites)中发现了手印岩画和一幅“猪鹿”岩画,它们至少有39000年的历史,与欧洲最古老的洞穴壁画一样古老。之后,在2018年,研究人员宣布在婆罗洲发现了距今4万至5.2万年的洞穴艺术,进一步推后了具象绘画的起源。2018年,考古学家在南非发现了一幅画在石片上的画作,距今约7.3万年,很可能是世界上最古老的涂鸦。
  其他有争议的发现则引发了学术界对尼安德特人艺术技能的探讨。2018年,研究人员公开了在西班牙发现的11万5千年前的颜料和穿孔海螺壳,当时只有尼安德特人生活在欧洲。同年,另一项研究称,西班牙的一些洞穴壁画有65000年的历史。许多洞穴艺术专家对这一结论提出了质疑,但如果它站得住脚,这可能成为尼安德特人洞穴绘画的首个证据。2016年,研究人员在法国的一个洞穴里发现了17.6万年前石笋搭建成的环状结构,如果不是穴居熊的作品,那么这些石笋圈很可能是尼安德特人布置的。
成为星际先锋
  未来的历史学家在回顾2010年代时,可能将其视为星际十年:我们的宇宙飞船第一次揭开了太阳和星际空间之间的遮蔽物,我们第一次看到了围绕遥远恒星形成的天体。
  2012年8月,美国国家宇航局(NASA)的“旅行者1号”(Voyager 1)探测器穿越了日球层(heliosphere)的外边界,即是太阳风吹入星际物质(由银河系渗入的氢和氦)的空间中造成的气泡。但星际之路是双向的。2017年10月,天文学家发现了“奥陌陌”(Oumuamua),这位星际访客是迄今为止发现的第一个在另一个恒星系统中形成并经过太阳系的天体。2019年8月,天文爱好者Gennady Borisov发现了第二位星际访客,这是一颗非常活跃的彗星,现在以他的名字命名。
打开古代文明的大门
  2010年代,考古学家取得了众多非凡发现。2013年,英国研究人员终于在一个停车场下面发现了理查德三世的尸体。2014年,研究人员宣布在秘鲁的2014年,研究人员宣布在秘鲁的Castillo de Huarmey神殿里发现一处保存完好的古代瓦里文明王后墓室。2016年,考古学家发现了第一块腓力斯丁人墓地,让我们得以窥见希伯来圣经中最臭名昭著的一群人的生活。第二年,研究人员宣布,耶路撒冷的圣墓教堂可以追溯到1700多年前的君士坦丁大帝时期,他是罗马第一位尊崇基督教的皇帝,这似乎证实了教堂是在罗马认定的耶稣埋葬地建造的。2018年,在秘鲁工作的考古团队宣布发现了迄今最大的儿童祭祀遗址,其他科学家在危地马拉用机载激光探测到了6万多座新发现的古代玛雅建筑。
与此同时,水下考古工作也取得了重大进展。2014年,加拿大团队找到了“埃里伯斯号”(H.M.S. Erebus),这艘北极科考船于1846年沉没。两年后,另一支探险队找到了它的姐妹船“恐怖号”(H.M.S. Terror)。2017年,在微软联合创始人Paul Allen率领的民间团队的努力下,二战美军战舰“印第安纳波利斯号”(Indianapolis)残骸终于重见天日,沉船事故发生在1945年,是美国海军历史上最致命的灾难之一。黑海海上考古项目组在黑海海底发现了60多艘沉船,其中包括2018年发现的一艘拥有2400年历史的古希腊商船。2019年,阿拉巴马州官员宣布发现了失踪已久的“克洛蒂尔达号”(Clotilda),这是最后一艘将非洲奴隶运往美国的船只。
在太阳系中开辟新天地

  
在这张由“新视野号”拉尔夫/多光谱可见光成像相机(MVIC)拍摄的照片中,冥王星的雾霾层呈现出蓝色。这种高空雾霾在本质上与在土卫六上看到的相似。这两种雾霾的来源可能与阳光引发的氮和甲烷的化学反应有关,催生了相对较小的煤烟状颗粒,它们向表面沉降的过程中会变大。这幅图像由软件合成,它结合了蓝、红和近红外图像的信息,以呈现人眼近距离能感知到的颜色。

  
2015年7月14日,在距冥王星最近时,“新视野号”捕捉到了冥王星卫星“卡戎”的高分辨率增强型彩色照片。该图像结合了拉尔夫/多光谱可见光成像相机(MVIC)拍摄的蓝、红和红外图像;颜色经过处理,以突出“卡戎”表面性状的变化。卡戎的调色没有冥王星那样多样化;北极(顶部)的红色区域非常引人注目,已被非正式地定名为“魔多暗斑”(Mordor Macula.)。卡戎直径1214公里;这幅图像可以分辨小至2.9公里的细节。

  
2015年7月14日,“新视野号”宇宙飞船在经过冥王星系统时,拍下了冥王星(右下)和卡戎(左上)的增强型彩色照片。

  2015年7月,美国国家宇航局(NASA)的“新视野号”(New Horizons)探测器成功地完成了冥王星探索任务,传回了这颗矮行星的首张表面图像。2019年元旦,“新视野号”进行了有史以来距离最远的一次飞越,首次拍摄了冰冻小天体“阿罗科斯”的照片。“阿罗科斯”是太阳系形成初期的原始痕迹。
  在更靠近地球的地方,美国宇航局的“黎明号”宇宙飞船于2011年抵达了小行星带上的第二大天体——灶神星(Vesta)。绘制出灶神星地图后,“黎明”号飞入了矮行星谷神星(Ceres)的轨道。谷神星是小行星带中最大的天体。在2010年代结束时,美国宇航局的“源光谱释义资源安全风化层辨认探测器”(OSIRIS-REx—)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的“隼鸟2号深空探测器”(Hayabusa2)分别访问了贝努小行星(Bennu)和龙宫小行星(Ryugu),目的是将样本带回地球。
改变病程
  为了应对2014至2016年西非爆发的埃博拉疫情,公共卫生官员以及制药公司默克(Merck)迅速研发了埃博拉试验性疫苗rVSV-ZEBOV。2015年,在一次成功的实地试验之后,该疫苗通过了欧洲官员审批,于2019年投入使用——这是埃博拉抗击过程中的里程碑。另有几项重大研究为预防艾滋病的传播开辟了新途径。2011年的一项试验表明,预防性服用抗逆转录病毒药物大大减少了艾滋病病毒在异性恋夫妇中的传播,这一发现在后续研究(研究对象包括同性伴侣在内)中得到了证实。
推翻生育限制

  
在2018年的一项研究中,科学家们利用基因编辑技术让两位老鼠妈妈生下了宝宝。成年后,这只由同性父母所生的老鼠也有了自己的孩子。

  2016年,临床医生宣布首位“三亲婴儿”诞生,这个婴儿由父亲的精子、母亲的细胞核和捐赠者提供的摘除细胞核的卵子发育而成。这种疗法旨在纠正母体的线粒体功能紊乱,但在伦理上仍有争议。2018年的一项研究利用经过重新编辑的皮肤和血细胞制造了人类精子或卵子的前体细胞,而另一项研究表明,基因编辑可以让两只同性小鼠受孕。2018年,中国科学家宣布了两只克隆猕猴的诞生,这是第一次有灵长类动物像多利羊一样被克隆出来。尽管研究人员宣称这项技术不会用于人类,但它有可能用于其他灵长类动物,包括我们。
追踪希格斯玻色子

  
图中,一个希格斯玻色子从质子碰撞中爆发出来。

  物质是如何获得质量的?上世纪六七十年代,包括Peter Higgs和Francois Englert在内的物理学家联合提出了一种假定,其形式是一种遍布全宇宙的新能量场,现在被称为希格斯场。这个理论化的场中还伴随有一种基本粒子,也就是现在所说的希格斯玻色子。2012年7月,来自欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的两支团队宣布发现了希格斯玻色子,结束了长达数十年的研究。这一发现填补了标准模型中缺失的最后一块,描述了物理学中四种基本力中的三种以及所有已知基本粒子。(尽管还不完整)。
重写古生物学教科书
  近十年里,科学家在扩展分析工具的同时,发现了令人震惊的新化石,让我们对史前生命有了更为深刻的理解。2010年,在美国国家地理学会(National Geographic Society)赞助下,研究人员利用恐龙色素化石完成了首例恐龙全身颜色重建。以后的几年里,随着越来越多恐龙“保护色”的发现,比如黑色、蓝色甚至是彩虹色的羽毛,以及有史以来最好的甲龙化石上的红色皮肤,恐龙的颜色范围变得更为宽泛。在另一项惊人研究中,科学家们分析了保存下来的狄更逊水母的脂肪分子,并于2018年证明,生活在5.4亿年前的这种原始生物是一种动物。
  2014年,古生物学家还发现了食肉恐龙棘龙( Spinosaurus)的新化石,研究表明它是一种半水栖的掠食者——已知恐龙中的第一种。一年后,中国的一个研究小组发现了一具令人震惊的奇翼龙化石,这是一种具有像蝙蝠一样膜翼翅膀的小型恐龙。另外,科学家们通过对缅甸9900万年前的琥珀的研究,发现了长有羽毛的恐龙尾巴,一只原始鸟类宝宝,以及各种被困在树脂化石里的无脊椎动物。
在其他星球上寻找生命控制中心
  过去的10年里,太空任务让我们深入认识了其他星球的碳基有机分子,这些有机分子是构成生命体 的必要成分。2014年,欧洲航天局正式启动“罗塞塔计划”,“罗塞塔”号探测器成功在67P彗星着陆,其关键目标是证明彗星是太阳系中原初物质的储备库,是将这些生命关键成分运送到地球上的’容器’。2017年,美国国家宇航局的卡西尼号探测器结束了自己的探测任务,烧毁在土星大气中。它证实了土卫二的水羽中含有大型有机分子,这是其拥有适合生命存在物质的线索。2018年,美国国家宇航局宣布,其“好奇号”探测器在火星上发现了有机化合物,还侦测到火星大气中的甲烷含量出现了奇怪的季节性循环。
气候问题比以往任何时候都要严峻

  
13岁的Alexandria Villasenor每周五都会以气候变化的名义逃课。每个周五,不论晴雨,她都会带着标语牌坐在纽约联合国总部前的长椅上,希望引起人们对气候变化问题的关注。3月15日, Villasenor和其他来自全国各地的年轻活动人士组织了一场全球罢课活动。

  在这十年里,大气中的二氧化碳含量达到了有气象记录以来的最高水平,气温也达到了历史最高水平。2013年5月9日,全球二氧化碳浓度首次达到400ppm,到2016年,二氧化碳浓度一直稳定在这一阈值之上。其结果是气候变暖蔓延全球;2015年、2016年、2017年、2018年和2019年是自1880年以来有记录以来最热的5年。从2014年开始,海洋的变暖引发了全球珊瑚白化事件。世界各地的珊瑚相继死亡,包括大堡礁的部分地区。2019年,澳大利亚政府宣布岛上的珊瑚裸尾鼠(Bramble Cay melomys)因海平面上升而灭绝,这是在现代气候变化中灭绝的第一种已知哺乳动物。
  在若干重要气候会议上,全球科学家强烈呼吁人们关注地球气候的变化、气候变化带来的风险以及应对气候变化的必要性。2014年,政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布了第五次气候变化评估报告,一年之后,各国签署巴黎协定,主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内。2018年10月,IPCC发布的另一份严峻报告指出,到本世纪末,即使将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5摄氏度以内,也要付出巨大的代价。面对如此巨大的挑战,气候抗议活动席卷全球,其中许多由青年活动人士领导。
发现并再发现物种
  现代生物学家正在以惊人的速度识别新物种,平均每年命名1.8万个新物种。过去十年里,科学家们首次发现了几个哺乳动物物种,如缅甸金丝猴、旺乌努岛的巨鼠和小尖吻浣熊,其中小尖吻浣熊是自上世纪70年代末以来在西半球首次发现的食肉新物种。其它物种也在壮大,比如9种手鱼新物种、比硬币还小的小青蛙、佛罗里达州的大鲵。此外,一些动物,如越南的中南大羚和中国的伊犁鼠兔,在失踪多年后再次被发现。
  但是,新物种的发现也伴随着已知物种的死亡,科学家们已经计算出现代物种灭绝的速度。2019年,科学家们警告称,四分之一的植物和动物群体正面临灭绝的威胁,这意味着多达100万种物种——既有已知的,也有未知的——正面临灭绝的危险,有些可能在几十年内灭绝。
开启航天新时代
  2010年代是航天领域的关键过渡时期,因为进入近地轨道和更远的地方变得更加全球化和商业化。2011年,中国将第一个空间实验室“天宫一号”送入轨道。2014年,印度的火星轨道探测器(Mars Orbiter)顺利抵达这颗红色星球。2019年,以色列非盈利组织太空公司(SpaceIL)首次尝试了私人资助的登月任务,中国的嫦娥四号任务实现了人类历史上首次月球背面软着陆。与此同时,全球的宇航员队伍也变得更加多样化:Tim Peake成为首位英国职业宇航员,Aidyn Aimbetov成为首位后苏联时代的哈萨克斯坦宇航员,阿拉伯联合酋长国和丹麦将他们的第一批宇航员送入太空。此外,美国宇航局宇航员Jessica Meir和Christina Koch进行了首次全女性太空行走。
  美国,2011年最后一次航天飞机发射任务结束之后,私营企业开始进入这一领域。2012年,SpaceX向国际空间站发射了第一个商业补给任务。2015年,Blue Origin击败SpaceX成为第一家成功将可重复使用的火箭发射到太空并回收的公司。
揭秘动物意想不到的一面
  过去十年里,动物王国出现了许多不同寻常的特征和行为。2015年,国家地理探险家 David Gruber发现玳瑁会发出绿色和红色的荧光,它成为了第一种能发出生物荧光的爬行动物。2016年,研究人员发现格陵兰鲨鱼至少能活272年,是迄今为止已知的最长寿的脊椎动物。我们对动物工具使用能力的认知也有所提高:2019年的一项研究中首次指出,米沙鄢野猪(Visayan warty pig)能使用工具。另有几项研究表明,巴西卷尾猴使用工具的历史至少有3000年,这是在非洲以外发现的最古老的此类非人类记录。2018年,肯尼亚的生物学家捕捉到了黑豹的身影,这是1909年以来首次在非洲发现黑豹。
重新定义科学单位
  要了解自然世界,必须测量它——但是我们如何定义单位呢?几十年来,科学家们根据宇宙常数重新定义了经典单位,比如利用光速来重新定义了“米”。但科学上的质量单位,即千克,仍然与“国际标准公斤”实体(Le Grand K)挂钩,这是保存在法国巴黎的圆柱型金属体。如果铂基锭的质量因任何原因发生变化,科学家将不得不重新校准仪器。如今,情况出现了改变:2019年,科学家们同意采用一种新的千克定义,新的千克定义基于基本物理常数——普朗克常数。自此,国际单位制中的4个基本单位——质量单位千克、电流单位安培、物质的量单位摩尔以及温度单位开尔文都改由通用常数来定义,我们也进入到了更精确的测量时代。
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