十年来十大科学发现

每年都有数百万篇新的科学研究论文发表，内容涵盖从恒星的演化到气候变化的持续影响，从咖啡对健康的益处（或危害）到你的猫不理你的倾向等方方面面。每年有这么多研究成果问世，很难分辨出什么是重要的，什么是有趣但基本不重要的，以及什么是纯粹的伪科学。但是在过去十年间，我们可以回顾一些最重要且令人惊叹的研究领域，这些领域的知识通常是通过多项研究发现和论文体现出来的，它们带来了知识的真正繁荣。以下是科学家在过去十年中取得的十大最重要的进展。

1. 新的人类亲属

在过去十年中，人类的族谱有了显著的扩展，在非洲和菲律宾发现了新的古人类物种化石。这十年始于发现和鉴定南方古猿，这是一种近 200 万年前生活在如今南非地区的人族物种。2008 年，古人类学家李・伯格9 岁的儿子马修・伯格偶然发现了该物种的第一块化石 —— 一块右锁骨。随后，一个研究小组从这个年轻个体（一个小男孩）身上挖掘出了更多的化石，包括一个保存完好的头骨，李・伯格及其同事于 2010 年对南方古猿进行了阐述。该物种代表了南方古猿和人之间的过渡阶段，它具有较古老灵长类群体的一些特征，但行走方式类似于现代人类。

同样是在南非，由伯格领导的一个团队发现了纳莱迪人，他们生活的年代距今更近，大约在 33.5 万至 23.6 万年前，这意味着他们可能与我们人类有过交集。该物种于 2013 年在 Rising Star 洞穴首次被发现，并于 2015 年被描述，它也兼具原始和现代特征，例如脑容量较小（约为智人的三分之一），但在当时体型较大，体重约 100 磅，身高可达 5 英尺。身材更小的吕宋人大约在 5 万至 6.7 万年前生活在菲律宾，与几种人族物种有交集。最初，第一批吕宋人的化石被鉴定为智人，但 2019 年的一项分析确定这些骨头属于一个完全未知的物种。

过去十年中的这三项重大发现表明，可能还有更多古代人类亲属物种的骨头隐藏在世界上的洞穴和沉积物中，等待着被发现。

2. 测量宇宙

1915 年，阿尔伯特・爱因斯坦首次发表广义相对论时，他可能无法想象，100 年后，天文学家会用一些有史以来最先进的仪器来检验该理论的预测，并且该理论能通过每一项检验。广义相对论将宇宙描述为一个被大质量物体扭曲的时空 “织物”。正是这种扭曲产生了引力，而不是像艾萨克・牛顿所认为的那样是质量的内在属性。

这个模型的一个预测是，质量的加速会在时空中引起 “涟漪”，即引力波的传播。如果有足够大的质量，比如黑洞或中子星，地球上的天文学家甚至可能探测到这些涟漪。2015 年 9 月，激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座干涉仪（Virgo）合作首次探测到了引力波，它来自大约 13 亿光年外的一对合并的黑洞。从那以后，这两个仪器又探测到了几个额外的引力波，包括一个来自两颗合并的中子星的引力波。

广义相对论的另一个预测 —— 一个连爱因斯坦本人都曾表示怀疑的预测 —— 是黑洞的存在，或者说是空间中具有无限密度和无限小体积的引力坍缩点。这些物体吞噬所有靠得太近的物质和光，形成一个由超热物质组成的盘，落入黑洞。2017 年，事件视界望远镜合作组织 —— 一个由全球相连的射电望远镜组成的网络 —— 进行了观测，这些观测后来促成了黑洞周围环境的第一张图像，该图像于 2019 年 4 月发布。

3. 有记录以来最热的年份

100 多年来，科学家们一直在预测燃烧煤炭和化石燃料对地球温度的影响。1912 年的一期《大众机械》中有一篇题为《1911 年异常天气：煤炭燃烧对气候的影响 —— 科学家对未来的预测》的文章，其中的一个标题写道：“全世界的熔炉现在每年燃烧约 20 亿吨煤炭。当这些煤炭燃烧并与氧气结合时，每年会向大气中增加约 70 亿吨二氧化碳。这往往会使空气成为地球更有效的保温层，并使地球温度升高。在几个世纪内，这种影响可能会相当显著。”

仅仅一个世纪后，这种影响确实相当显著。大气中温室气体的增加导致全球气温升高，过去五年（2014 - 2018 年）是有记录以来最热的年份。2016 年是美国国家海洋和大气管理局（NOAA）139 年前开始记录全球气温以来最热的一年。这种全球变化的影响包括更频繁且更具破坏性的野火、更常见的干旱、极地冰融化加速和风暴潮增强。加利福尼亚州在燃烧，威尼斯在被水淹，城市高温致死人数在上升，无数沿海和岛屿社区面临生存危机 —— 更不用说气候变化对生态造成的严重破坏，它抑制了地球从大气中吸收碳的能力。

2015 年，《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）就气候行动达成共识，即《巴黎协定》。《巴黎协定》的主要目标是将全球气温较工业化n前水平升高控制在 1.5 摄氏度以内。为了实现这一目标，需要进行重大的社会变革，包括用风能、太阳能和核能等清洁能源替代化石燃料；改革农业实践以限制排放并保护森林地区；甚至可能需要建立从大气中吸收二氧化碳的人工手段。

4. 基因编辑

自从 20 世纪 50 年代初 DNA 的双螺旋结构被揭示以来，科学家们就一直在假设通过人工修饰 DNA 来改变生物体功能的可能性。1990 年进行了首次获得批准的基因疗法试验，当时一名四岁女孩的白细胞被提取出来，加入了能够产生一种叫做腺苷脱氨酶（ADA）的基因，然后再将这些细胞重新注入她的体内，用于治疗 ADA 缺乏症，这是一种会削弱免疫系统抗病能力的遗传病。患者的身体开始产生 ADA 酶，但没有产生带有修正基因的新白细胞，所以她不得不继续接受注射。

现在，基因工程比以往任何时候都更加精确和可行，这在很大程度上要归功于 2013 年首次用于修饰真核细胞（有细胞核的复杂细胞）的一种新工具：CRISPR - Cas9。这种基因编辑工具的工作原理是定位 DNA 的目标片段，然后用 Cas9 酶 “切割” 该片段。可选的第三步是用新的遗传物质替换被删除的 DNA 片段。这项技术可以用于广泛的应用，从增加家畜的肌肉量，到生产抗病虫害且高产的农作物，再到通过提取患者的免疫系统细胞、对其进行改造以更好地对抗疾病，然后将其重新注入患者体内来治疗癌症等疾病。

2018 年末，贺建奎带领的中国研究人员宣布，他们使用 CRISPR - Cas9 对人类胚胎进行了基因改造，然后将这些胚胎移植到一名女性的子宫内，最终诞生了一对双胞胎女孩 —— 这是首例基因编辑婴儿。这对双胞胎的基因组经过修改，使她们对艾滋病病毒（HIV）更具抵抗力，不过这种基因改变也可能导致了意想不到的变化。这项工作被科学界广泛谴责为不道德且危险的行为，这也表明对于如何使用这些强大的新工具，尤其是在涉及改变胚胎的 DNA 并利用这些胚胎孕育出活产婴儿方面，需要更严格的监管。

5. 其他星球奥秘的揭示

在过去十年中，航天器和望远镜揭示了大量有关地球之外星球的信息。2015 年，“新视野号” 探测器近距离掠过冥王星，首次对这颗矮行星及其卫星进行了近距离观测。该航天器揭示了一个令人惊讶的充满活力和动态的世界，那里有高达近 20,000 英尺的冰山，还有形成时间不超过 1000 万年的移动平原 —— 这意味着其地质状况在不断变化。冥王星距离太阳平均 37 亿英里，约为地球与太阳距离的 40 倍，它如此活跃的地质活动表明，即使是寒冷、遥远的星球也能获得足够的能量来加热其内部，可能存在地下液态水，甚至生命。

离地球更近一点，“卡西尼号” 航天器环绕土星运行了 13 年，2017 年 9 月结束任务。美国国家航空航天局（NASA）有意让该航天器坠入土星大气层，这样在它燃料耗尽后就会燃烧殆尽，而不是继续环绕土星运行。在执行任务期间，卡西尼号发现了为土星环提供物质的过程，观测到一场全球性的风暴环绕这颗气态巨行星，绘制了土卫六（Titan）的地图，并在从含有水的土卫二（Enceladus）喷发的冰物质羽流中发现了一些生命构成要素。2016 年，也就是卡西尼号任务结束的前一年，“朱诺号” 航天器抵达木星，在那里它一直在测量太阳系中最大行星的磁场和大气动态，以帮助科学家了解木星 —— 以及太阳周围的其他一切天体 —— 最初是如何形成的。

2012 年，“好奇号” 火星车在火星着陆，在那里它有几项重大发现，包括这颗红色星球过去存在水的新证据、可能与生命有关的有机分子的存在，以及神秘的甲烷和氧气季节性循环，这些都暗示着火星地表之下是一个充满活力的世界。2018 年，欧洲航天局宣布，来自 “火星快车号” 航天器的透地雷达数据提供了强有力的证据，证明火星南极附近地下存在一个液态水储层。

与此同时，开普勒（Kepler）和凌日系外行星巡天卫星（TESS）这两架太空望远镜已经发现了数千颗环绕其他恒星运行的行星。开普勒望远镜于 2009 年发射升空，2018 年结束任务，它通过测量行星从恒星前方经过时光度的下降来发现神秘而遥远的行星。这些行星包括热木星，它们距离恒星很近，公转周期只有几天或几小时；迷你海王星，其大小介于地球和海王星之间，可能是气态、液态、固态或几种状态的混合；还有超级地球，这是一种大型岩石行星，天文学家希望对其进行研究以寻找生命迹象。2018 年发射的 TESS 作为开普勒望远镜的继任者继续进行搜索。这架太空望远镜已经发现了数百个星球，在任务结束前它可能会发现 10,000 个甚至 20,000 个星球。

6. 颜色化石揭示了恐龙的颜色

这十年始于古生物学的一场革命，科学家们第一次看到了恐龙的真实颜色。首先，在 2010 年 1 月，对中华龙鸟化石羽毛中的黑素体（含有色素的细胞器）进行分析后发现，这种生活在大约 1.2 亿 - 1.25 亿年前中国的恐龙，有着 “红棕色的色调”，尾巴上还有条纹。不久之后，对一具全身化石的复原展示了一种生活在大约 1.6 亿年前的小型有羽毛恐龙 —— 近鸟龙的颜色，它身体上有黑白相间的羽毛，头上还有引人注目的红色羽毛。

对色素化石的研究不断揭示有关史前生命的新信息，通过展示反荫蔽和伪装的证据，暗示了动物潜在的生存策略。2017 年，人们发现了一具保存极为完好的生活在大约 1.1 亿年前的北方盾龙，它有着红棕色的色调，有助于融入环境。随着科学家对过去生命演化的研究，这种识别和研究恐龙颜色的新能力将继续在古生物学研究中发挥重要作用。

7. 重新定义质量的基本单位

2018 年 11 月，世界各地的计量科学家投票正式修改了千克（质量的基本单位）的定义。新定义不再基于一个物体（一个高尔夫球大小的铂 - 铱合金圆柱体），而是使用一个自然常数来确定质量单位。这一改变取代了最后一个用于定义计量单位的实物。（例如，米尺在 1960 年被氪辐射的特定波长数量所取代，后来又更新为根据光在极短时间内传播的距离来定义一米。）

通过使用一种被称为基布尔秤的精密称重仪器，科学家能够根据支撑一千克物体所需的电磁力来精确测量千克。然后，这种电学测量可以用普朗克常数来表示，普朗克常数最初是由马克斯・普朗克用来计算来自恒星的能量束的。

千克并不是最近唯一被重新定义的计量单位。2019 年 5 月正式生效的国际单位制的变更还改变了安培（电流的标准单位）、开尔文（温度单位）和摩尔（化学中用于表示物质的量的单位）的定义。千克和其他单位的变更将允许对少量材料（如药品）进行更精确的测量，并且使世界各地的科学家都能接触到基本单位，而不是根据必须由少数实验室复制和校准的物体来定义它们。

8. 首个古代人类基因组测序完成

2010 年，科学家们获得了一个研究古代历史和古代居民的新工具。研究人员利用保存在永久冻土层中的一根头发，对大约 4000 年前生活在如今格陵兰岛的一名男子的基因组进行了测序，揭示了这个人的身体特征，甚至包括血型，他来自最早在该地区定居的文化之一。首次对古代 DNA 进行近乎完整的基因组重建，为人类学家和遗传学家了解遥远过去的文化打开了一扇前所未有的大门。
提取古代 DNA 是一项重大挑战。即使像头发或皮肤这样的遗传物质得以保存，它们也常常被来自环境中的微生物 DNA 所污染，因此必须使用复杂的测序技术来分离古代人类的 DNA。最近，科学家们使用颅骨的颞骨岩部（靠近耳朵的一种高密度骨头）来提取古代 DNA。

自 2010 年首次成功以来，已经有数千个古代人类基因组被测序，揭示了失落文明的兴衰以及全球人类迁徙的新细节。对古代基因组的研究确定了在 5000 到 15000 年前，西伯利亚和阿拉斯加之间冰封的白令陆桥上来回的多波移民潮。

9. 一种对抗埃博拉的疫苗和新疗法

在这十年间发生了历史上最严重的埃博拉病毒病疫情。据信，这场疫情始于 2013 年 12 月几内亚一名 18 个月大的男孩被蝙蝠感染的单一病例。该疾病迅速蔓延至邻国，到 2014 年 7 月已传播至利比里亚和塞拉利昂的首都，为该疾病大规模传播给众多人提供了前所未有的机会。埃博拉病毒会破坏免疫系统，并可能导致大量出血和多器官衰竭。在首例病例发生两年半后，据美国疾病控制与预防中心（CDC）的数据，已有超过 28600 人被感染，导致至少 11325 人死亡。

这场疫情促使卫生官员加倍努力寻找有效的埃博拉疫苗。由默克制药公司生产的一种名为 Ervebo 的疫苗在 2016 年疫情接近尾声时在几内亚进行的临床试验中被证明有效。2018 年 8 月，刚果民主共和国宣布爆发另一场埃博拉疫情，截至 2019 年 12 月，这场持续的疫情已蔓延成为自西非疫情以来最致命的一次，报告病例 3366 例，死亡 2227 人。Ervebo 已在刚果民主共和国以扩大使用或 “同情使用” 的方式用于抗击疫情。2019 年 11 月，Ervebo 获得欧洲药品管理局（EMA）批准，一个月后又获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准。

除了预防性疫苗外，研究人员一直在寻找一种治疗方法，用于已经感染埃博拉病毒的患者。两种治疗方法，即一次性给予抗体以防止埃博拉病毒感染患者细胞，最近在刚果民主共和国的一项临床试验中显示出希望。卫生官员希望通过疫苗和治疗方法的结合，有朝一日能永久根除这种病毒感染。

10. 欧洲核子研究中心（CERN）探测到希格斯玻色子

在过去的几十年里，物理学家们不知疲倦地对宇宙的运行机制进行建模，发展出了所谓的标准模型。这个模型描述了物质的四种基本相互作用，即基本力。其中两种在日常生活中很常见：引力和电磁力。然而，另外两种力仅在原子核内部发挥作用：强核力和弱核力。

标准模型的一部分内容指出，存在一个与粒子相互作用的宇宙量子场，这个场赋予了粒子质量。在 1960 年，包括弗朗索瓦・恩格勒和彼得・希格斯在内的理论物理学家描述了这个场及其在标准模型中的作用。它被称为希格斯场，并且根据量子力学定律，所有这类基本场都应该有一个相关联的粒子，这个粒子后来被称为希格斯玻色子。

几十年后的 2012 年，两个使用欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机进行粒子碰撞实验的团队报告称，他们探测到了一个质量与预测的希格斯玻色子质量相符的粒子，这为希格斯场和希格斯玻色子的存在提供了有力证据。2013 年，恩格勒和希格斯因“对一种机制的理论发现，这种机制有助于我们理解亚原子粒子质量的起源，并且最近通过发现预测的基本粒子得到了证实” 而获得诺贝尔物理学奖。随着物理学家不断完善标准模型，希格斯玻色子的功能和发现仍将是所有物质如何获得质量，进而所有物质为何能够存在的一个基本部分。