《科学》评选2023年十大突破

　　新的抗体疗法可能会减缓阿尔茨海默病患者大脑的神经退行性病变。图片来源：JAMES CAVALLINI

　　美国新墨西哥州一个古老湖泊上的脚印可能比考古学家认为的人类到达美洲的时间早5000年。图片来源： NATIONAL PARK SERVICE

　　像美国橡树岭国家实验室Frontier这样的百亿亿次计算机正在为许多科学领域带来前所未有的计算能力。图片来源：橡树岭国家实验室

　　12月14日，《科学》杂志公布了编辑团队评选的2023年度十大科学突破，其中包括获得科学突破冠军奖的GLP-1减肥药和9项科学突破入围奖。

　　肥胖遇到了对手

　　肥胖既是一场个人的战斗，也是一场公共健康危机。在美国，大约70%的成年人受超重的影响，而在欧洲，这个数字超过了一半。当身体质量指数为30或以上时就被定义为肥胖，肥胖可能是2型糖尿病、心脏病、关节炎、脂肪肝和某些癌症的诱因。

　　然而，令人遗憾的是，人们一直以来未能找到安全有效的减肥药物。但现在，一类新的疗法带给人们很大希望，有望降低肥胖和相关慢性疾病的发病率。

　　这些药物模仿了一种名为胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的肠道促胰素，它们正在以令人兴奋的方式重塑医学、流行文化，甚至全球股市。这些GLP-1受体激动剂最初是为糖尿病开发的，可显著减轻体重，副作用大多可控。今年，临床试验发现，它们还可以减轻心力衰竭的症状以及降低心脏病发作和中风的风险，这是迄今最令人信服的证据，证明这些药物除了减肥之外还有其他重要的好处。

　　基于这些原因，《科学》杂志授予GLP-1药物年度突破冠军奖。

　　正在减速的地球碳泵

　　如果世界上的海洋有一颗心脏，那它一定在南大洋。在南极洲海岸附近，含盐的表层水直接沉入海底。下沉的水从大气中吸收热量、氧气和二氧化碳，并将它们隔离在深渊中。在那里，水慢慢向北扩散。它是全球翻转环流的主要组成部分之一，这种大规模的环流连接着世界所有的海洋，帮助它们捕获1/3的人类年碳排放量。许多研究人员认为，当它激增或减速时，这个碳泵会影响气候变化。

　　今年，几项研究表明，该碳泵处于极度危险的状态。第一个令人不安的迹象出现在几年前，自主漫游到4000米深处的深海Argo机器人发现，南极底层的海水正在变暖、体积正在缩小，这两个迹象均表明洋流正在放缓，使得上层的温暖海水得以侵入。

　　更直接的证据来自今年3月发表于《通讯-地球与环境》的一项研究，美国研究人员将该地区历史船只测量的记录输入到一个气候模型中，后者显示，自20世纪70年代以来，环流已经放缓了20%。5月，由澳大利亚科学家领导的一项发表于《自然-气候变化》的研究表明，从1992年到2017年，深海水流减缓了近30%。

　　目前还不太确定为什么会出现这种减速、人类在多大程度上推动了这种减速以及它将如何影响气候。南极冰盖融化带来的淡水增加可能是一个主要原因，而随着全球变暖的持续，冰川融化以及碳泵减速肯定会加剧。

　　寻找天然氢气的热潮

　　1859年，第一口油井的挖掘开启了美国的石油热，并改变了世界。今年，世界兴起了另一场能源热潮，这次是基于地球内部自然产生的氢。与石油不同，天然氢气对气候而言是一种“滋补品”，而非“毒素”。

　　2012年，在西非国家马里的一个城镇，工程师拆除了一个被水泥封死的井眼——1987年，一个烟头在井中引发爆炸。它喷出的气体98%是氢气。人们利用井内的氢气发电，为村庄提供了第一次电力，而这个过程只产生了水这个“废弃物”。奇怪的是，经过10年的开采，井内的气体压力并没有减少，表明有深层资源在补充氢气。

　　受这一发现的启发，勘探者在除南极洲外的每个大陆都发现了大量氢气沉积的迹象。今年9月，美国地质调查局（USGS）在美国雪佛龙公司和英国石油公司的支持下成立了一个研究联盟，美国能源高级研究计划署则启动了一项2000万美元的天然氢气研发计划。

　　USGS的一项未发表研究表明，地球上可能蕴藏着1万亿吨氢气，足以满足未来数千年对燃料和肥料日益增长的需求。

　　人工智能天气预报员来了

　　现代计算机自出现以来，就一直被用于预测天气。尽管数值天气预报变得越来越复杂——现在依然可以提前几周作出可靠的预测，但其使用的方法与从前一样：使用大量算力求解控制大气的流体动力学方程。

　　2023年，人工智能已经开始改变这种状况。包括谷歌、华为和英伟达在内的科技公司已经训练了人工智能模型，使其提前10天预测天气，其准确性可与传统模型媲美，甚至超过传统模型，而且运算负担要小得多。

　　这些“深度学习”模型不是求解方程，而是根据对过去40年天气数据的训练获得的模式预测不久的将来，这些天气数据则是世界顶级天气预报机构——欧洲中期天气预报中心数值模型的观测结果。

　　经过训练，这些模型可以于1分钟内在台式电脑上作出预测，而无须在超级计算机上运行2小时。

　　研究人员预计，当人工智能天气预报员开始从传感器收集的直接天气数据中学习，而不仅是通过现有模型数据进行学习时，该技术会得到进一步发展。

　　抗击疟疾的新希望

　　今年，利用疫苗对抗疟疾的努力有两个振奋人心的进展。对世界上第一种疟疾疫苗Mosquirix的大规模评估显示，它显著降低了幼儿的死亡率，而幼儿是受疟疾危害最重的群体，仅在撒哈拉以南非洲每年就有近47万名幼儿死亡。今年，世界卫生组织（WHO）还批准了第二种疟疾疫苗R21/MatrixM。它与Mosquirix的设计相似，但成本更低、产量更大，应该有助于填补疟疾疫苗供需之间的巨大缺口，有可能每年防止数万名儿童死亡。

　　2019年，一项关于Mosquirix的多年试点研究开启，加纳、肯尼亚和马拉维的近200万名婴幼儿接种了该疫苗。初步结果显示，这种疫苗将严重疟疾的发病率降低了22%。在接种疫苗的地区，接种疫苗年龄范围内的儿童死亡率（除意外事故外）比未接种疫苗地区低13%，表明即使这种疫苗不完美，也可以挽救生命。但是从现在到2025年，生产这种疫苗的英国葛兰素史克公司只能生产1800万剂疫苗，仅能为450万名儿童接种，而在疟疾流行地区，每年约出生4000万名儿童。

　　R21可以帮助填补这一空白。该疫苗由英国牛津大学开发，授权给大型疫苗生产商印度血清研究所使用。该公司表示，它每年可生产1亿剂疫苗，每剂价格在2美元到4美元之间，不到Mosquirix的一半。R21三期试验数据于今年9月公布，涉及4个国家的4800名儿童。结果表明，在接种的前18个月，该疫苗至少与Mosquirix一样有效，甚至可能更有效。WHO表示，到2024年中期，R21有望广泛使用。

　　阿尔茨海默病的新疗法

　　今年1月，美国监管机构批准了第一种药物，可以明显减缓阿尔茨海默病患者的认知能力下降速度，第二种相关的治疗方法紧随其后。这两种方法都无法治愈阿尔茨海默病，而且有严重风险，但依然为患者和家属带来了新希望。

　　阿尔茨海默病患者大脑中有一种名为β淀粉样蛋白的缠结蛋白质团，多年来，科学家一直在争论去除它们是否对患者有所帮助。在一项为期18个月的关键试验中，与安慰剂相比，一种名为lecanemab的抗淀粉样蛋白单克隆抗体，将患者认知能力的丧失减缓了27%。这足以说服美国和日本的监管机构批准它。另一种同样针对淀粉样蛋白的名为donanemab的抗体治疗方法与安慰剂相比，在略有不同的患者群体中，使患者认知能力下降速度减缓了35%。美国随时可能批准这种疗法。这两种疗法都是由静脉注射的。

　　值得注意的是，上述治疗会产生脑肿胀和脑出血的风险，在极少数情况下，这是致命的。携带易患阿尔茨海默病的基因变异APOE4的人尤其容易出现这种副作用。服用药物预防或溶解血栓的阿尔茨海默病患者可能面临更高的风险。

　　当阿尔茨海默病患者权衡抗淀粉样蛋白药物的益处和风险时，他们渴望获得更多数据。一个问题是，认知能力减退的适度减缓是否会随治疗时间的推移而增加；另一个问题是，如果这些治疗尽早给到高风险人群，能否延缓症状的出现。

　　关于美洲早期人类的新发现

　　美洲人的故事可能开启了新的一章。在主流观点中，美洲的第一批移民来自亚洲，途经曾经连接白令海峡的陆地，在大约1.6万年前沿太平洋海岸南下。今年，研究人员更接近于证实了一个说法，后者将这个日期往前推了至少5000年。

　　此前，一些遗迹暗示，人们开始这段旅程的时间可能比普遍看法更早。但没人能够提供明确的人类活动证据，因此大多数考古学家对此持怀疑态度。

　　2021年，美国新墨西哥州白沙国家公园的研究人员发现，早在2.3万年前至2.1万年前，人类就在一个古老湖泊的泥泞岸边留下了确切的足迹。研究人员使用放射性碳测年方法对发现于足迹周围地层中的一种水生植物种子进行了测定，得到了这一时间的数据。但这些种子可能从溶解于湖水中的沉积物中吸收了更古老的碳元素，从而影响了测定年代的准确性。因此，研究人员利用陆地植物的花粉与嵌在足迹之间和下方的沉积物中的石英颗粒重新确定足迹的年代。今年10月，他们报告说，新的测定时间与最初的测定结果吻合。

　　如果这个时间是正确的，那么这些脚印是在上一个冰河时代的顶峰时期留下的，当时冰盖覆盖了加拿大，表明人类一定是在这些冰盖形成之前进入美洲的。

　　巨大黑洞合并的声音

　　今年，天体物理学家发现了一种微弱的、被人们寻找已久的宇宙轰鸣声。这是宇宙中的超大质量黑洞相互摩擦产生的引力波。这一观测结果是迄今对它们存在的最有力支持，也是一种利用遥远恒星信号探测引力波方法的有力证明。

　　超大质量黑洞位于星系的中心，其质量是太阳的数百万倍或数十亿倍。当星系合并时，它们中心的黑洞最终可能会被引力锁定在一个不断收缩的轨道上。在这一被称为“死亡螺旋”的最初阶段，地面的仪器无法探测到相关信号，但当黑洞彼此接近到几光年以内时，它们的相互运动会释放引力波。

　　这些引力波无法被激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到，LIGO在2015年首次探测到两个恒星大小的黑洞合并产生的引力波。为了感知这些毫秒级的波，LIGO测量了激光束沿着4千米长的真空管传播的距离。但捕获超大质量黑洞产生的波需要测量更长的距离。

　　因此，天文学家转向脉冲星，这是一种燃尽的恒星，每秒旋转数百次，同时喷射出携带无线电波的粒子射流。当灯塔般的波掠过地球时，射电望远镜会记录下像原子钟一样规律的脉冲。过去20年间，天文学家定期监测几十颗最具节律性的脉冲星，以寻找脉冲节律的微小变化。经过的引力波会压缩或拉伸脉冲星和地球之间的空间，细微地改变脉冲到达地球的时间。

　　今年6月，全球5个团队联合宣布，经过15年的观测，他们已经将数据中的噪声降到了足够低的水平，剩下的数据反映的是宇宙中超大质量黑洞合并所引起的轰鸣声。

　　初出茅庐的科学家崛起

　　几十年来，研究生和博士后一直抱怨工资低和工作条件差。在过去的一年里，当职业早期科学家联合起来要求改变现状时，他们的沮丧情绪成为了焦点。

　　去年冬天，美国加利福尼亚大学系统的4.8万人发起了美国历史上最大规模的学术罢工，为研究生和博士后争取到了大幅加薪。今年5月，加拿大数千名学术工作者举行了为期一天的大规模抗议活动，要求增加对研究生和博士后的资助。在德国，职业早期研究人员为改变博士后合同而抗争。

　　职业早期科研人员以完全离开学术界的方式向大学施加压力，越来越多的人在毕业后进入收入更高的行业工作。

　　许多教职员和大学管理者认为有必要进行改革，但是应对预算压力也很有挑战性。资助机构是否会增加资助以支付职业早期科研人员的薪水还有待观察。同时，一些大学已经采取措施帮助教师平复不断上涨的人事成本。

　　百亿亿次计算的曙光

　　经过10多年的酝酿，百亿亿次计算科学的时代终于在今年到来了。美国橡树岭国家实验室的Frontier成为首台向科学用户开放的百亿亿次计算机，它能够以每秒百亿亿（1018）次的运算速度应对从气候到材料等各领域的挑战。

　　百亿亿次计算的威力已经显现。美国密歇根大学材料科学家使用Frontier将两个理论框架合并在一起，以近乎完美的精度预测材料中多达60万个电子的运动，而以前的计算只能处理大约1000个电子。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和桑迪亚国家实验室使用Frontier提高了美国能源部主要全球气候模型的分辨率，有望大幅提高气候变化预测精度。

　　预计明年将有约60个团队使用Frontier。

　　百亿亿次的计算探索才刚刚开始。美国阿贡国家实验室的百亿亿次计算机目前正在进行最后的调试，准备向用户开放。明年，新的百亿亿次超级计算机将在美国和德国启用，法国和日本的其他超级计算机也将紧随其后，它们将以前所未有的规模打开科学之门。