2023年国际十大科技新闻公布
2023年,科学的地平线上燃起了新的曙光。从活体中的电极,到引力波的“歌声”;从单原子水平的探索,到广袤太空里中国人自己的实验室;从人类对自身细胞级的了解,到人工智能真正走入我们的生活……2024年即将开启,前行不辍的科学家们,正一步步接近科技新纪元的大门。 1.活体组织中“长出”电极 在微制造电路上测试的可注射凝胶。 生物体和技术之间的物理界限正在变得模糊。 瑞典研究人员通过注入以酶作为“组装分子”的凝胶,再利用人体分子作为触发器,首次成功地在活体组织中培育出电极。今年2月发表在《科学》杂志上的这项成果,为在生物体中形成完全集成的电子电路铺平了道路。 瑞典林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学研究团队将神经组织与电子设备连接了起来。通常来说,刚性电子设备和软组织之间的不匹配,可能会损害脆弱的生命系统。但该团队使用可注射凝胶直接在体内制造出软电极。注射到活体组织后,凝胶中的酶分解体内的内源代谢物,从而引发凝胶中有机单体的酶聚合,将其转化为稳定、柔软的导电电极。研究人员通过将凝胶注射到斑马鱼和药用水蛭中,验证了这一过程。凝胶在两种生物体中聚合并在组织内“生长”出了电极。 这种直接在活体组织内创建电子电路的方法,提供了通过神经系统电信号或调节神经回路就能治疗疾病的途径。 2.雄性小鼠产生功能性卵细胞 这是一项能启发或推动未来生育力的研究。 《自然》杂志3月发表的论文报告了一项干细胞研究重磅成果:将雄性小鼠干细胞转化为雌性细胞并产生功能性卵细胞。这些卵细胞在受精后得到的胚胎中,约有1%能产生健康的后代。 雄配子和雌配子——分别为精子和卵母细胞(卵子),由名为原生殖细胞的一类干细胞产生。这些干细胞分化成配子,需要性染色体发挥正常功能。 此前有研究探索过改变原生殖细胞性别的可能性,结果发现配子的产生或是减少,只能产生生育力很低的细胞。但这一次,日本九州大学林克彦团队报告了利用多能干细胞有可能产生更健全的卵细胞。团队使用了成熟雄性小鼠尾巴的皮肤细胞(携带XY染色体),并把这些细胞转化成诱导多能干细胞。他们将这些干细胞进行体外培养,这个过程会产生一部分罕见缺失Y染色体的细胞(约占6%的培养细胞),即XO细胞。 这些XO细胞在培养基中的继续发育能诱导X染色体的复制。使用干扰细胞分裂的逆转素药物处理细胞,能提高X染色体的复制效率。最后得到的双X染色体的细胞被诱导分化为原生殖细胞样细胞,再分化成卵细胞,这些卵细胞经过受精并植入一个小鼠的子宫后,产生了可存活的后代。 尽管仍需更严格地评估将雄性细胞变成雌性细胞对于基因组稳定性的影响,但这一重磅成果对于未来的研究和应用十分重要。 3.双缝实验在时间维度重建 英国科学家托马斯·杨在19世纪对光波干涉的观察是物理学史上最具标志性的实验之一,对量子物理学产生了深远影响。现在,它有了新进展。 今年4月,英国科学家借助一种能在飞秒(千万亿分之一秒)内改变特性的“超材料”,在时间而非空间维度重现了著名的双缝实验。最新实验揭示了更多光的基本性质,也为创造出能在空间和时间尺度上精细控制光的终极材料奠定了基础。 这一实验原本涉及光通过空间中的一对“狭缝”的衍射,但新研究表明,使用双缝在时间上实现等效效果是可能的。伦敦帝国理工学院研究团队在实验中用到了氧化铟锡薄膜,在飞秒这样超快的时间尺度上,这种材料的反射率会被激光改变,为光创造出“狭缝”。研究人员通过快速连续两次打开和关闭半导体镜的反射率并沿着从镜反射的光的频谱记录干涉条纹,实现了这一目标。他们的实验发现,干扰发生在不同频率的波之间,而不是不同的空间位置之间。 这项成果未来或有多种应用,例如用于信号处理和通信或光计算的光开关。 4.国际团队公布引力波背景辐射划时代发现 如果将引力波背景比喻成古老而神秘的歌声,那么“合唱团”每天都在以不同的频率演出。现在,通过对脉冲星的监测,科学家终于听到了歌声,换句话说,拿到了引力波背景的第一个证据。 经过15年的数据收集,今年6月,科学家们第一次“聆听”到了在宇宙中荡漾着的引力波永恒合唱,声音比预期要大得多。这是针对引力波背景的划时代重大发现。 引力波背景辐射是由许多不同的引力波源叠加而成的,它们的频率和强度都不相同,但都很低,它们应该存在于我们周围,并可能会告诉我们它恒久隐藏着的重要信息。但遗憾的是,关于其存在和组成,一直只是理论化的产物。 6月发表在《天体物理学杂志快报》上的一系列新论文中,科学家报告了他们的成果。此次探测到的引力波背景最可能的来源是陷入“死亡螺旋”的一对超大质量黑洞。这些黑洞庞大到能达到数十亿个太阳质量。由于几乎所有星系,包括银河系中心都盘踞着这样一个黑洞怪物。因此当两个星系合并时,它们的超大质量黑洞会相遇并开始相互绕转。一旦两个黑洞足够接近,就有可能被脉冲星计时阵列观测到。 北美纳赫兹引力波天文台团队表示,目前他们还只能测量整体引力波背景,而不能测量单个“歌手”或“乐器”的辐射。即便如此,也足以令整个天文物理学界惊喜,因为“引力波背景的声音大约是预期的两倍”。美国耶鲁大学助理教授明加雷利称,这是人们能从超大质量黑洞中创建的模型的上限。 科学家们的兴奋也来自于这一研究正在开启一个未知领域。由于当前实验限制,他们无法估计是否有其他东西也正在产生强大引力波。如果有,那么弦理论预测的机制甚至宇宙的诞生,都可能有其他解释。 5.单原子X射线信号首次探到 让材料检测方式发生历史性突破,并不是仅仅依靠设备升级就可以,科学家们需要从原子水平进行革新。 6月,来自美国俄亥俄大学、阿贡国家实验室、伊利诺伊大学芝加哥分校等的科学家,首次拍摄到了单原子X射线信号,这一突破性的成就有望彻底改变人们检测材料的方法。 研究团队利用同步加速器X射线对单个原子进行成像。使用同步加速器X射线扫描隧道显微镜可分析的最小样本量为阿克,约为10000个原子。这是因为单个原子产生的X射线信号极其微弱,传统探测器的灵敏度不足以检测到它。为解决这个问题,该团队在传统的X射线探测器上添加了一个锋利的金属尖端,该探测器放置在待研究样品上方仅1纳米处。当锐利的尖端在样品表面移动时,电子穿过尖端和样品之间的空间产生电流,这本质上检测到每个元素独特的“指纹”,从而使该研究人员将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率与强X射线照明提供的化学灵敏度结合了起来。 该技术能将有毒材料追踪到极低的水平,从而可在材料设计和环境科学领域得到应用。 6.人类Y染色体组装与分析完成 |