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《卫报》评2022年十大科学故事:从吸入式疫苗,到锂电池快充

2023年01月02日 文章 暂无评论 阅读 26 views 次
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以下文章来源于我是科学家iScientist ,作者未来光锥加速器

近日,英国《卫报》发布了2022年度十位科学家讲述的十个科学故事,排名不分先后。其中三项华人科学家成果入选:中国吸入式疫苗的应用、中科院马越等人用AI发现抗生素,以及宾夕法尼亚州立大学王朝阳团队首次实现高能量密度锂离子电池快充

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新冠大流行对疫苗研发的推动

By Sheena Cruickshank,曼彻斯特大学生物医学科学和公众参与教授

疫苗通过传递“感染”信号和“警报”信号发挥作用——发现病原体,并唤醒免疫反应。随着我们对免疫学知识的增加,对疫苗进行创新的能力也在增强。设计任何新疫苗都需要大量时间、资金和人力的投入,而这些都在新冠流行期间加速,从而产生了许多新的发展。

我们刚刚获得的秋季Covid-19加强针,是针对新冠病毒的原始毒株以及奥密克戎变体的二价疫苗。与原始疫苗相比,该二价疫苗不仅能增强我们的免疫力,还能同时针对两种毒株(Scheaffer, S.M., et al. Nat Med (2022)),扩大我们的免疫范围。那么,如果可以进一步扩大,针对多种毒株呢?针对Covid-19和流感的多价疫苗或许很有前途。另一种新兴的方法是使用可吸入的疫苗——黏膜疫苗。这些疫苗已经在中国被用来应对新冠肺炎,并可能提供针对呼吸道病毒的长期保护。对于我们这些害怕打针的人来说,它们也更具吸引力。如果这些新的发展能够一一落实,那么很快有一天,每年注射一次疫苗的呼吁将成为过去。

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奥密克戎 | Flickr, NIAID / CC BY 2.0(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)

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电池快充技术的进步

By Helen Czerski ,伦敦大学学院机械工程系的研究员

这是我们这个时代最伟大的、未被重视的故事之一:随着我们摆脱对化石燃料的依赖,电池技术的飞速发展将为电气化世界奠定基础。当然,质疑仍然存在。费用是否过于高昂?以电池的尺寸,它们能够储存的能量是否能满足为大型飞机这样的东西提供动力?我们将从哪里获得制造所需的稀有金属?

王朝阳团队10月发表于《自然》的论文(Wang, C. Y., et al.  Nature 611, 485–490 (2022)),描述了一种可以在短短几分钟内极快地为能量密集型电池充电的方法,凸显了电池化学家、工程师和技术人员迎接挑战的惊人速度。如果我们可以在10到12分钟内为汽车电池充电,那么更频繁地充电就不再是一个问题,从而可以制造体积更小、更经济、资源密集度更低的电池。

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美国EC Power公司基于热调控极速充电技术制作的电动汽车电池包与管理系统:无液、无泵、无泄漏、耐热、高安全 | 团队供图

除此以外,今年在电池材料的选用方面,基于廉价、丰富的钠而不是昂贵且相对稀有的锂的电池技术,以及使电池更容易回收的方法也取得了巨大进步。

电池的基本原理没有改变,但最新版本的潜力是惊人的,并且还在变得更好。

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人工智能揭示新抗生素

By Eriko Takano,曼彻斯特生物技术研究所合成生物学教授

在过去几年中,人工智能改变了分子生物学领域。这场革命始于AlphaFold 算法,它可以快速预测蛋白质复杂的三维结构,从而有助于人们理解蛋白质功能和识别药物靶点。今年,在药物发现管道的另一端,人工智能再次取得了突破:2022年,多个团队报告了首次成功应用人工智能来识别新型抗生素药物。

抗微生物药物耐药性是一个主要的全球威胁。今年,《柳叶刀》杂志发表的全球抗微生物药物耐药性研究报告(Murray, Christopher JL et al. The Lancet (2022))显示,无法治愈的感染成为导致死亡的主要原因之一,2019年全球有495万人死于耐药菌感染。

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抗生素敏感性测试 Wikimedia Commons,Dr Graham Beards / CC BY-SA 4.0(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

开发能够克服耐药性并补充有效抗微生物药物库的新药,是一项持续的斗争,也是人工智能现在开始做出重大贡献的地方。例如,来自中国科学院的马越及其同事使用最初为自然语言处理开发的机器学习技术,来识别由人类肠道微生物基因组序列编码的抗菌肽(Ma, Y., et al. Nat Biotechnol (2022))。该算法确定了2349个潜在的抗菌肽序列,通过化学方法成功合成216种,证明其中181种具有抗菌活性。这一成功率令人印象深刻,如果没有人工智能的帮助,几乎不可能实现。

更引人注目的是,发现的抗菌肽中几乎有一半是全新的,与已知的抗菌肽没有明显的序列相似性,增加了规避现有耐药机制的机会。动物实验表明,其中三种新肽可用于小鼠细菌性肺炎的安全有效治疗。就我们目前面临的各种病原体威胁,此类研究有望提供前所未有的快速新治疗方案。

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DART和猎户座任务

By Monica Grady,英国开放大学行星与空间科学教授

地球上遍布的陨石坑,说明小行星与地球相撞的可能性始终是存在的——6500 万年前的恐龙就很可能因一颗直径约10公里的小行星撞击灭绝。我们能做些什么来避免这样的灾难?

NASA-ESA联合任务DART(Double Asteroid Re-Direction Test,双小行星重定向测试)是一项雄心勃勃的尝试,通过发射航天器撞击小行星Dimorphos来改变其轨道。10月,NASA证实DART的撞击确实改变了小行星Dimorphos在太空中的运动——这表明如果有足够的时间,我们的确可以改变一颗小行星的路径,阻止它撞击地球。

除此以外,月球作为新一代宇航员的首选目的地,也成为新闻报道的焦点。今年正值阿波罗17号登月任务50周年之际,另一项 NASA-ESA联合计划“阿尔忒弥斯”,也试图让人类重新登上月球。该任务在第一阶段已于11月中旬将猎户座太空舱发射升空,并于美东时间12月11日成功返回地球。尽管此次是无人绕月飞行测试,但猎户座太空舱最多可容纳六名宇航员,我们可以期待猎户座日后的更多飞行任务,并最终在2025年将宇航员重新送上月球。

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11月21日,猎户座飞船外可见的月球背面 | NASA

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推动全球平等地获得早期灾害预警

By Hannah Cloke,雷丁大学水文学教授

科学发展至今,我们甚至能够在海上飓风形成之前,就预见它会袭击哪一处海岸;在尚未下雨之际,就预见到布里斯班河漫入澳大利亚人的家中……我们现有的技术已经可以提前数日预测许多自然灾害的到来,然而2022年仍然发生了许多未能预见和处置的灾害事件。在欧洲,今夏有超过20000人死于创纪录的高温,英格兰气温首次超过40℃;8月,巴基斯坦三分之一的国土在雨季被水淹没,造成1700人死亡……

这就是为什么过去一年的关键科学故事不是前沿研究或高科技工程,而是联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯推动全球平等地获得早期预警的努力。防止悲剧发生的最好方法,是提醒人们注意危险,及时采取行动。全球需要平等地获得已开创的技能和系统,各国共享信息并据此采取行动也同样重要。

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包容性科学的进步

By Ann Phoenix ,伦敦大学学院教育学院社会心理研究教授

镰状细胞病是一类遗传性疾病,患者的红细胞变成镰刀状并可能导致贫血。今年在镰状细胞病治疗方面,医学界取得了微小但重要的进展——一种用于治疗丙酮酸激酶缺乏症的药物,可以改善镰状细胞病患者的贫血和急性剧烈疼痛。虽然这项研究仍处于早期阶段,但研究人员指出,过往的疗法仅针对红细胞,但他们的新突破来自镰状细胞病患者本身的特征。这项研究可能为全世界数百万人,尤其为非洲、印度次大陆和南美洲的许多人们带来了希望。

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镰状细胞 | Wikimedia Commons,OpenStax College / CC BY 3.0(https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

今年也是美国宇航局执行阿尔忒弥斯任务的一年,该任务将女性人体模型Helga和Zohar送入太空以测试辐射的影响,目标是到2025年“让第一位女性和第一位有色人种登上月球”。选择以女性为模型,是因为女性通常比男性对太空辐射更敏感。这种考虑看似不起眼,但此前汽车工业界一直使用12岁男性假人替代女性,直到2022年才有瑞典研究团队设计代表“普通女性”的新型碰撞测试假人。

诸如此类的发展激发了包容性科学的希望,在这类科学中,人们不因性别、种族和位置拥有特权,也不受到排斥。

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精英数学家

By Nira Chamberlain,数学及其应用研究所所长

菲尔兹奖被称为数学领域的“诺贝尔奖”,每四年一次,颁发给40岁以下的获奖者。今年,英国牛津大学的詹姆斯·梅纳德(James Maynard)教授因对解析数论的贡献获得菲尔兹奖,对素数结构和丢番图近似的理解方面做出重大贡献。他的杰出证明之一是:有无限多个素数的十进制表示不包含数字7

另一位今年的菲尔兹奖得主,乌克兰数学家玛丽娜·维亚佐夫斯卡(Maryna Viazovska)是第二位获得该奖项的女性。数学家亨利·科恩(Henry Cohn)说:“维亚佐夫斯卡设法做到了很多人都尝试过却未能做到的事情。”她有诸多接触数学成果,尤其是她证明了E8晶格排列是八维中最密集的球体堆积

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左:詹姆斯·梅纳德(James Maynard) | Wikimedia Commons,Petra Lein / CC BY-SA 2.0 DE(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/de/deed.en)

右:玛丽娜·维亚佐夫斯卡(Maryna Viazovska)| Wikimedia Commons,Original photo by Petra Lein / CC BY-SA 2.0 DE(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/de/deed.en)

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软细胞、硬细胞……

By Yanlan Mao,伦敦大学学院发育生物物理学教授

谈及影响人体细胞发育方式的因素时,我们通常会想到生物或化学因素,但是物理因素——所谓的“机械”环境——对细胞的旅程同样重要。几十年来,我们已经知道细胞拥有感知和响应其机械环境的能力:例如,在坚硬的玻璃状表面上生长的干细胞,与在柔软的果冻状凝胶上生长的干细胞会变为不同的细胞类型。

癌症和阿尔茨海默氏症等疾病的早期征兆通常与细胞硬度的变化有关。然而,我们体内细胞和器官的硬度,以及它们在发育和疾病过程中的变化,都很难测量。因为测量细胞机械性能的工具通常是侵入性和破坏性的,在动物体内的活细胞或器官上进行尚且不易,更不用说人类了。

今年,来自德国和美国的两个研究团队分别发表了一种细胞硬度测量方法“布里渊显微镜成像”的突破性改进。这种光学方法可以无损、无接触地“看到”材料的硬度。研究者显著提高了布里渊成像的速度和分辨率,并减少了光损伤,使该方法能够广泛适用于活体动物细胞机械特性的观察。

这种方法将为癌症、动脉粥样硬化和阿尔茨海默病等疾病的早期诊断提供强有力的工具,还将彻底改变科学家在正常发育过程中测量和跟踪细胞机械变化的方式,并极大地拓展机械力在生物学中重要性的理解。

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诺奖授予量子纠缠

Saiful Islam ,牛津大学材料科学教授

“幽灵般的远距离作用”,也就是阿尔伯特·爱因斯坦所说的量子纠缠,指两个粒子必须被视为一个实体,因为即使它们相距很远,影响其中一个粒子还是会干扰到另一个。

今年10月,三位量子信息科学的先驱,法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国理论和实验物理学家约翰·克劳泽和奥地利物理学家安东·塞林格被授予诺贝尔物理学奖,以表彰他们在量子纠缠理论方面的贡献。他们的发现为量子计算机的突破奠定基础,鼓励更多的实验来解决科学的重大问题之一——如何协调量子力学与爱因斯坦的广义相对论。最终这一理论在现实世界的应用,将会改变我们的工作和生活方式。

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2022诺贝尔物理学奖得主 | www.nobelprize.org

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自然向好(Nature positive)

By EJ Milner-Gulland ,牛津大学生物多样性教授

近期,延迟已久的第15次生物多样性公约缔约方会议在加拿大蒙特利尔举行。这是生物多样性的一个重要时刻,计划为2050年之前的自然恢复制定路线。这些国际协议被纳入一些国家立法,例如英国的环境法。此外,一些企业也正在大胆承诺“自然向好”,这意味着他们的活动总体上应该使自然处于更好的状态。

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第15次生物多样性公约缔约方会议 | Wikimedia Commons,UN Biodiversity / CC BY 2.0(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

“自然向好”的承诺需要转化为真实的、可衡量的和可归因的自然环境恢复,非常具有挑战性。一部分原因是许多产品的供应链都很曲折,因此企业本身并不总是了解其活动对生物多样性的真正影响。例如,镍是生产不锈钢的原料,是我们日常生活的重要组成部分。然而,我们多久才会停下来思考:餐具或电动汽车电池中的镍从何而来,镍的生产又如何影响了环境?

影响之一是镍矿开采区的森林被砍伐。Ambatovy镍矿是马达加斯加最大的矿山,是承诺“自然向好”的企业之一。该矿补偿其森林砍伐的措施是阻止当地人为其他农业而砍伐森林。今年,班戈大学Katie Devenish团队发表了一篇论文(Devenish, K., et al. Nat Sustain 5, 498–508 (2022))验证其是否成功。研究人员使用复杂的方法,将矿山活动的影响与其他导致森林损失的因素区分开来,证明该矿山正在按计划阻止森林砍伐的总量,至少与其造成的森林砍伐一样多。该研究为科学家彻底和独立评估企业的环境承诺、减少漂绿(greenwash)及各种形式的造假提供了示范。

我们需要更多这样的研究,涉及从采矿、食品、运输到基础设施等所有部门,将高层决策与实地现实联系起来,然后我们将有更好的机会让我们的政府和企业承担责任,并扭转自然的损失——无论它发生在哪里。

参考文献

[1]https://www.theguardian.com/science/2022/dec/18/the-10-biggest-science-stories-of-2022-chosen-by-scientists

图片来源:www.freepik.com

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