新冠疫苗、太空旅行、量子科技…2020硬科技群星闪耀｜告别2020?

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作者：界面新闻

记者｜陆柯言

2020年极具考验，但人类并没有停止科技探索的脚步。灾难面前，科学家们反而变得更加团结。

许多学界都迎来了突破。那些一度被认为是不可能解答的问题，在2020年等来了答案。

尽管很多新发现都还无法实际应用，但我们仍看到一些疾病疗法初现曙光，一些生活方式正在被重塑。

这是人类智慧的闪耀时刻，足以给我们信心与活力。在一年的困难与无奈过后，总还要有新的期待。

世界会变得更美好吗？这一次，让科学家们来回答。

新冠疫苗：希望之光



新冠疫苗的出现，无疑是2020年最值得铭记的科技突破。在年初疫情大爆发之时，谁也不敢预料，疫苗从研发到应用的过程，竟然来得这样快。

而推动它在短时间内从无到有的，是全球各方凝聚起来的强大力量。美国《科学》杂志评价道，全世界的研究人员从来没有像现在这样，迅速地开发过这么多针对相同“敌人”的疫苗。这些曾经是竞争对手的公司，从来没有像现在这样频繁的合作。

早在今年2月，就有一些公司率先启动了新冠疫苗研发项目。中国的康希诺生物、科兴生物和国药控股等公司是最早投入研发的一批企业；在美国，辉瑞、Moderna和Inovio也做出了不小的贡献。

短短五个月后，Moderna和BioNTech就招募了大批临床实验的参与者，这些mRNA疫苗也成为首个取得重大突破的疫苗。根据辉瑞在11月出具的报告，他们与德国生物科技公司BioNTech共同研发的mRNA疫苗具有高达95%的有效性。这是放在以前不敢想象的数字，毕竟流感疫苗也只有60％的保护效果。

截至12月10日，全球有162个针对性药物正在研发中，另有52个进入临床实验阶段，各国开始大批量采购疫苗，盼望从源头上遏制疫情的蔓延。

一个好消息是，2020年的最后一天，中国生物新冠灭活疫苗已获批上市，公开的保护率数据是79.34％。对于疫苗价格，国家卫健委表示，新冠疫苗的基本属性属于公共产品，价格可能会根据使用规模的大小有所变化，但是一个大前提是，肯定是为全民免费提供。

后续，疫苗免疫的持久性和保护效果还需持续观察，但这一科技突破的确来之不易。所有为新冠疫苗研发投入的个人和组织，都值得一次称赞。

太空旅行元年



2020年，太空竞赛的格局彻底变了。不夸张地说，马斯克和他的SpaceX就是最大的变数。

今年5月，SpaceX公司搭载了两名宇航员的载人“龙”飞船成功发射升空，这是人类历史上，首次由私人企业承担的载人航天任务，它标志着载人航天运输走向商业化的转折点。也就是说，个人、政府和任何机构今后都可以向企业购买太空旅行的服务。

“这属于航天史上那种开创未来的时刻之一”，BBC如此评价这次载人航天任务。

今年11月，“龙”飞船的成功飞行获得了NASA认证，并再度将四位宇航员送往太空。这意味着官方正式认可了SpaceX成为暨苏联、美国、中国之后，人类载人航天的第四极，也是唯一一家独立的商业航天公司。

谁能踏上太空旅行之旅？目前，已经有个人消费者表达了对乘坐Crew Dragon飞船的兴趣，SpaceX售出了4张座位票，将在2021年将他们送往太空。此前，龙飞船曾公布过一张旅行票的价格：5500万美元（约4亿元人民币）。

载人航天之后，马斯克的下一个太空目标是火星。他表示，SpaceX在2026年之前要把人类带上火星，他对这件事充满信心。如果运气足够好的话，也许再等四年就够了。

脑机接口首次实际应用



是的，又是马斯克。在一个与载人航天完全不同的领域，他再次享受了全行业的瞩目。

今年8月，马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink展出了最新的可穿戴设备 LINK V0.9 和手术机器人，并通过现场的三只小猪和实时神经元活动演示，展示了Neuralink 脑机接口技术的实际应用过程。

三只小猪中，其中一只已经被植入设备2个月，其神经信号可以被实时搜集，最终将猪的脑电图展示在众人面前，甚至能对其行为进行预测。发布会上，这只猪仍然活蹦乱跳，生活质量似乎并未受到影响。

今年5月，马斯克还公开表示，这项技术将在一年内植入人脑，且排异几率非常小，原则上，可以修复任何大脑问题，比如恢复视力、治疗老年痴呆等。

Neuralink最初针对的是脑损伤病人，但按照马斯克的畅想，未来脑机接口技术可以通过阅读、翻译病人的脑电波来帮助他们恢复肢体功能。

马斯克终极目标是将人脑下载到电脑中，实现脑机融合，这与《黑客帝国》中的画面无异。但在这一美好的幻想实现之前，所有的脑机接口公司都需要面对共同的伦理问题——人类是否真的能接受这项技术。

2021年，我们或许可以等来一个答案。

量子科技再刷屏



量子科技火了。尽管它离大规模落地应用还有很长的距离，仍然挡不住人们为它描绘的未来着迷。

量子信息技术一个主要应用方向是量子计算。由于量子自身的特性，量子计算机可以提供比传统计算机更强大的处理能力，在实际应用中，有望在各行各业提供更高效的产品，不论是电动汽车电池的新材料，还是更便宜，疗效更好的药物。

与尚在实验室进行研发的量子计算相比，量子通信已经进入到应用阶段，并且国内已经形成完整的量子通信产业链。长期来看，量子通信有望引领量子互联网的革命，出现量子物联网、量子云计算等先进形态。

由于量子科技在信息安全上的重要作用和产业变革上的巨大潜力，欧美近年来都在这项领域大幅增加研发投入，并启动国家级的量子科技战略行动计划。

2020年，各个国家都在争相布局量子科技。英国、德国等欧洲国家均投入了大笔资金，美国则正忙着培养相关人才。与此同时，中国也在多个量子科技的基础研究上取得重要进展。

新一轮的全球科技竞赛，或许就从这里打响。

“精英控制者”打败艾滋病病毒



自1981年发现第一例艾滋病患者以来，人类与艾滋病病毒（HIV）的斗争已持续近40年。至今，人类仍未找到任何将HIV从人体内根除的办法，全球仍有3500万艾滋病患者挣扎在与病毒“共生”的痛苦中。

普通的艾滋病患者通过每日服用ART药物来控制症状，但却无法被永久治愈。一旦停止这种疗法，病毒基因组就会开始制造新的拷贝，从而快速使病毒反弹，加速疾病进展。

今年8月，由麻省总医院拉根研究所（Ragon Institute）免疫学家Yu Xu教授领衔的研究团队取得一项惊人的发现。部分HIV病毒感染者体内存在一种特殊的病毒库，使得他们不需要通过ART治疗就能抑制病毒扩散，并将体内HIV病毒的含量抑制在可以被检测到的浓度以下。

在这些感染者身上的15亿个细胞中，研究团队竟然找不到一个功能性的HIV病毒。尽管还有一些遗留的非功能性病毒，但这证明了一种美好的设想：以前只在异体造血干细胞移植后才观察到的HIV-1感染的清除性治愈，在极少数情况下有可能自行发生。这是人类与艾滋病对抗的里程碑，它或许意味着一种新的治疗方法出现。

当然，现在说消灭艾滋病还为时太早，但将不可能变成可能，已经是人类迈出的一大步。

颠覆生物学？AI成功预测蛋白质结构



2020年，谷歌旗下人工智能AI公司DeepMind的一项举措惊动了生物界。他们研发出一款名为“AlphaFold”的程序，可以根据氨基酸序列预测大多数蛋白质的结构，且就像实验室得出的数据那般准确。

蛋白质决定着细胞里发生的一切。理解其3D结构，对于深入探索蛋白质功能和生理现象起着决定性作用。而如何精确预测蛋白质结构，正是过去几年来生物学上最大的挑战之一。

1994年，马里兰大学计算生物学家John Moult创办了“蛋白质结构预测关键评估（CASP）”比赛，为的就是找出更准确预测蛋白质结构的计算方法。在11月30日公布的比赛结果中，AlphaFold击败了其它百余支团队，最终的中位数得分为92.4。比赛中，高于90的分数被认为是精确的实验衍生结构。

一般情况下，生物学界都是用X射线晶体学和低温电子显微镜等复杂的实验方法来预测蛋白质结构。而如今，最终测试数据显示，AlphaFold的预测水平有将近三分之二的预测结果都与传统实验结果不相上下，且过程简便得多。

蛋白质的精确形状决定了其生化功能，这一程序能够帮助研究人员发现疾病的机理，开发新药物，甚至可以创造耐旱植物和廉价的生物燃料。

“AlphaFold改变了整个局面”，在一些人看来，许多蛋白质结构预测科学家都将离开这一领域，因为核心问题已经得到解决。CASP的评委、马克斯·普朗克发育生物学研究所的演化生物学家Andrei Lupas评价道：“它将改变医学，改变研究，改变生物工程，改变所有。”

“基因剪刀”治疗遗传性血液病



2020年的诺贝尔化学奖颁给了两位女性科学家：艾曼纽·卡彭特（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德娜（Jennifer A.Doudna），奖励她们发现了基因技术中的超级工具 CRISPR/Cas9 基因剪刀，这种工具使人类改写生命密码成为可能。

通过这项技术，科学家们能以极高的精度改变动物、植物和微生物的DNA，有助于开发新的癌症疗法，也使得治疗遗传性疾病的梦想成为现实。

基于此，研究人员们为了治疗三名镰状细胞患者，从每名患者处获得了未成熟的血细胞，然后使用CRISPR来禁用“关闭”开关，该开关在成年人中停止了胎儿形式的血红蛋白的产生，这可以抵消镰状突变的影响。在患者接受化疗后，经CRISPR处理的细胞被注入体内。

瑞士基因编辑公司CRISPR Therapeutics在12月报道称，这些患者已经接受了长达17个月的治疗，正在产生大量胎儿血红蛋白，并且没有经历过每几个月发作一次的疼痛。该公司还为7名地中海贫血患者提供了治疗，目前患者已经不再需要输血。

这种疗法足够吸引人，但CRISPR方法需要高科技的医疗服务，每位患者可能要花费一百万美元或更多，如何让尖端的治疗技术惠及更多普通民众，仍是科学家们努力的方向。

人类再次触摸月亮



时隔44年，人类再次从月球带回了土壤样本。这一次执行任务的，是来自中国的嫦娥五号。

目前，中国已经拥有三艘在月球表面活动的航天器，分别是2013年到达月球的“嫦娥3号”着陆器、2019年1月在月球背面着陆的“嫦娥4号着陆器”和“玉兔2号”月球车，这些都是中国“嫦娥探月”计划的一部分。

本次任务中，“嫦娥五号”获得了两种月球土壤样本，一是利用抓取装置获得月球表层土壤，二是利用钻探设备获得月球表面下2米深的月岩样本，两种样本进行分开储存。

这是一次里程碑式的突破，自1976年苏联的月球24号任务带着大约6盎司(170克)的材料返回地球以来，原始的月球样本一直没有被送到地球。而且，此次嫦娥五号的采样量比苏联那次要多得多，重量大约在两公斤。

这些样本回到地球后，将存储在中国科学院国家天文台的探月工程地面应用系统进行处理和分析，这对了解采样区的成分特征，月面物质与太阳风相互作用、月壤的成壤机理等研究具有重要意义，也为未来的登月计划埋下种子。

离无电力损耗时代再近一步



1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯等人发现，汞在极低的温度下，其电阻消失，呈超导状态，电流输送效率达100%。此后，人类对超导现象的认识不断完善，超导体也被视作一种重要的革命性材料，它在医疗的磁共振成像等领域能够被广泛应用。

但是，超导体在工作时必须冷却到极低的温度，成本高不说，且必须要使用到氦，这也使得超导体的应用受阻。因此，过去一个世纪以来，科学家们都在寻找室温下超导体传输电能而不会损失的材料。

这个难题在今年得到破解。今年，美国罗切斯特大学的研究学者们在温度高达15 ℃的高压富氢材料内观察到了超导现象。这是因为，他们设计出了一种新型氢化物，这种由氢-硫-碳组成的材料，在巨大的压力下，15℃室温时就能转变成超导体。

上述研究人员表示，为了寻找这种室温超导化合物，他们用废了几十对金刚石砧，每一对的价格3000美元。论文通讯作者Ranga Dias说：“我们研究的最大问题就是金刚石预算。”

这是人类发现的首个室温超导体，在物理学界产生了极大的影响。但是，这种材料目前还无法取得实际应用，因为超导体只能在极高的压力下存活，相当于接近地球中心的压力，这种环境还很难在实际生活中创造。

对科学家们来说，接下来的挑战是寻找在较低压力下制造室温超导材料的方法，让无电力损耗的世界成为现实。

宇宙神秘信号的起源



地球无数个望远镜里，偶尔会闪过一刹那的神秘电波。它的持续时间仅为几个毫秒，却可在这极短的时间内显示出极高的亮度，相当于太阳在一整天内释放的能量。

人们将其定义为快速射电暴(FRBs)，这是宇宙中能量最大、也最短暂的光爆炸。这些神秘的无线电波脉冲每天在太空中闪过一千次，但很长一段时间里，人类都不知道它到底从哪里来。

今年4月，天文学家们终于发现了这种现象的一名“肇事者”——至少有一个来源可能是一种奇特恒星。它被称为“磁星”，是大型恒星爆炸后诞生的年轻中子星，具有超强磁场。

这是一个来自银河系内部的快速射电暴信号，是至今发现的最近的一个，距离地球仅三万多光年。这是自2007年科学家首次发现快速射电暴后，首次锁定其源头的信号，是迄今为止在银河系记录到的最强烈的射电爆发。

值得一提的是，其中一篇论文来自中国的研究团队，第一作者为北京师范大学的林琳博士，观测结果则是来自中国“天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）。

虽然与其它快速射电暴相比，银河中的这一信号只算得上“微弱”，但距离太远的快速射电暴目前还无法监测到。因此，科学家们无法确认磁星是不是射电暴的唯一来源。

对快速射电暴的探索仍在继续。下一次，神秘信号会从哪儿来？2021年也可以保持期待。