2024年度十大國際科技新聞揭曉丨科技日報

Mondo 科技 更新 2024-01-31

2024年,新的曙光正在科學的地平線上燃燒。 從生物體內的電極,到引力波的“歌唱”;從單原子層面的探索,到中國人在浩瀚太空中的實驗室;從人類對自身細胞水平的理解,到人工智慧真正走進我們的生活......2024年即將開始,砥礪前行的科學家正一步步邁向科技新時代。

12月25日,由美國科學技術學會主辦,中科院部分院士和中科院人士聯合評選的2024年度十大國際科技新聞揭曉。

2024年十大國際科技新聞是:

電極在活組織中“生長”。

雄性小鼠產生功能性卵細胞。

在時間維度上重構了雙縫實驗。

乙個國際團隊揭開了引力波背景輻射的劃時代發現。

首次檢測到單原子X射線訊號。

人類Y染色體組裝和分析完成。

神經網路設計新的蛋白質。

中國國家空間實驗室正式投入執行。

迄今為止最完整的人類腦細胞圖譜已經出版。

大型語言模型在不斷迭代公升級。

1. 電極在活組織中“生長”。

生物體與技術之間的物理界限正在模糊。

瑞典研究人員首次成功地在活組織中培養電極,方法是將酶作為“組裝分子”的凝膠注射,然後使用人類分子作為觸發器。 該研究結果於今年2月發表在《科學》雜誌上,為在生物體中形成完全整合的電子電路鋪平了道路。

用於活組織中孵育電極的可注射凝膠,在微細加工電路上進行測試。 托爾·巴克希德(Thor Bakshid),科學

來自瑞典林雪平大學、隆德大學和哥德堡大學的一組研究人員將神經組織與電子裝置連線起來。 一般來說,剛性電子器件和軟組織之間的不匹配會損害脆弱的生命系統。 但該團隊使用一種可注射的凝膠直接在體內製造出軟電極。 當注射到活組織中時,凝膠中的酶會分解體內的內源性代謝物,觸發凝膠中有機單體的酶聚合,從而將它們轉化為穩定、柔韌的導電電極。 研究人員通過將凝膠注射到斑馬魚和藥用水蛭中來驗證這一過程。 凝膠在生物體中聚合並在組織內“生長”電極。

這種直接在活組織內建立電子電路的方法提供了一種通過神經系統電訊號或神經迴路的調製來發展疾病的方法。

2.雄性小鼠產生功能性卵細胞。

這是一項可以激發或促進未來生育能力的研究。

今年3月發表在《自然》雜誌上的乙份報告報道了幹細胞研究的結果:雄性小鼠幹細胞轉化為雌性細胞並產生功能性卵細胞。 這些卵子中約有 1% 受精以產生健康的後代。

卵細胞資料圖。 **視覺中國。

雄性和雌性配子——精子和卵母細胞(卵子)分別由一類稱為原代生殖細胞的幹細胞產生。 這些幹細胞分化成配子,需要性染色體才能正常運作。

先前的研究已經探索了改變原代生殖細胞性別的可能性,並且已經發現可以產生配子的產生或僅產生非常可育的細胞的減少。 但這一次,日本九州大學的Katsuhiko Hayashi團隊報告說,使用多能幹細胞可以產生更強大的卵細胞。 該團隊使用來自成熟雄性小鼠尾部(攜帶XY染色體)的**細胞,並將這些細胞轉化為誘導多能幹細胞。 他們在體外培養了這些幹細胞,這一過程產生了具有罕見Y染色體(約佔培養細胞的6%)的細胞子集,稱為XO細胞。

這些XO細胞在培養基中的持續發育誘導了X染色體的複製。 用干擾細胞**的藥物逆轉蛋白處理細胞,可提高X染色體的複製效率。 由此產生的雙X染色體細胞被誘導分化為原生生殖樣細胞,然後分化為卵細胞,卵細胞受精並植入小鼠子宮以產生活的後代。

儘管將雄性細胞轉化為雌性細胞對基因組穩定性的影響仍需更嚴格的評估,但這一重要結果對未來的研究和應用具有重要意義。

3.在時間維度上重構雙縫實驗。

英國科學家托馬斯·楊(Thomas Young)在19世紀對光波干涉的觀測是物理學史上最具標誌性的實驗之一,對量子物理學產生了深遠的影響。 現在,它有了新的轉折。

今年4月,英國科學家借助一種“超材料”,在時間上而不是空間上重現了著名的雙縫實驗,這種“超材料”可以在飛秒(萬億秒)內改變特性。 最新的實驗揭示了光的更多基本特性,並為創造能夠在空間和時間尺度上精細控制光的終極材料奠定了基礎。

原創雙縫實驗藝術繪畫。 **英國自然雜誌**。

該實驗最初涉及光通過空間中的一對“狹縫”進行衍射,但新的研究表明,使用雙狹縫可以在時間上達到等效效果。 倫敦帝國理工學院的研究小組在他們的實驗中使用了一層氧化銦錫薄膜,在飛秒等超快時間尺度上,材料的反射率被雷射改變,為光創造乙個“狹縫”。 研究人員通過快速連續兩次開啟和關閉半導體反射鏡的反射率並記錄從反射鏡反射的光譜沿線的干涉條紋來實現這一目標。 他們的實驗發現,干擾發生在不同頻率的波之間,而不是發生在不同的空間位置之間。

這一成就在未來可能會有多種應用,例如用於訊號處理和通訊或光計算的光開關。

第四,國際團隊宣布了引力波背景輻射這一劃時代的發現。

如果把引力波背景比作古老而神秘的歌聲,那麼“合唱團”每天以不同的頻率表演。 現在,通過對脈衝星的監測,科學家們終於聽到了這首歌,換句話說,這是引力波背景的第乙個證據。

經過15年的資料收集,今年6月,科學家們第一次“聽到”了引力波在宇宙中蕩漾的永恆合唱,而且聲音比預期的要響亮得多。 這是對引力波背景的劃時代發現。

一對超大質量黑洞(左上)發出引力波,在時空結構中蕩漾(藝術影象)。 *北美納赫茲引力波天文台。

引力波背景輻射是許多不同引力波源的疊加,所有這些引力波源的頻率和強度各不相同,但都是低的,它們應該存在於我們周圍,並可能告訴我們它已經隱藏了很長時間的重要資訊。 不幸的是,它的存在和組成只是理論的產物。

在6月發表在《天體物理學雜誌快報》(Astrophysical Journal Letters)上的乙個新系列中,科學家們報告了他們的結果。 這次最有可能探測到的引力波背景是一對卡在“死亡螺旋”中的超大質量黑洞。 這些黑洞是如此之大,以至於它們可以達到數十億太陽質量。 因為幾乎所有的星系,包括銀河系的中心,都盤踞在這樣乙個黑洞怪物中。 因此,當兩個星系合併時,它們的超大質量黑洞相遇並開始相互繞行。 一旦兩個黑洞足夠接近,它們就可以通過脈衝星定時陣列觀測到。

北美納赫茲引力波天文台的團隊表示,目前他們只能測量整體引力波背景,而不能測量單個“歌手”或“樂器”的輻射。 即便如此,這足以讓整個天體物理學界感到驚訝,因為“引力波背景中的聲音大約是預期的兩倍”。 美國耶魯大學助理教授明加雷利說,這是超大質量黑洞可以創造的模型的上限。

5、首次檢測到單原子X射線訊號

為了在材料檢測方式上取得歷史性突破,科學家需要在原子層面進行創新,這不僅僅是裝置公升級。

今年6月,來自俄亥俄大學、阿貢國家實驗室和伊利諾大學芝加哥分校的科學家捕獲了第乙個單原子X射線訊號,這是一項突破性的成就,有望徹底改變材料的檢測方式。

首次檢測到單個原子X射線的實驗示意圖。 **物理學家組織網路。

因為單個原子產生的X射線訊號非常微弱,以至於傳統的探測器不夠靈敏,無法檢測到它。 為了解決這個問題,該團隊在傳統的X射線探測器上新增了乙個鋒利的金屬尖端,該探測器放置在要研究的樣品上方僅1奈米處。 當鋒利的尖端穿過樣品表面時,電子穿過尖端和樣品之間的空間產生電流,這基本上檢測了每個元素的獨特“指紋”,使研究人員能夠將掃瞄隧道顯微鏡的超高空間解像度與強X射線照明提供的化學靈敏度相結合。

6. 人類Y染色體組裝和分析完成。

這是第乙個真正完整的人類Y染色體序列,也是最後乙個完全測序的人類染色體。

8月發表在《自然》雜誌上的兩篇文章發表了人類Y染色體的組裝和分析。 這項研究涉及來自世界各地的100多名科學家,填補了當前Y染色體參考中的許多空白,並提供了對不同人群進化和變異的見解。

Y染色體是人類24條染色體中最後一條完成測序的染色體。**美國國家人類基因組研究所(NHGRI)。

人類Y染色體由於其複雜的結構而難以測序和組裝。 目前人類參考基因組組裝中缺少超過一半的Y染色體,導致對Y染色體的理解非常不完整,限制了對其組成、複雜性和不同人群之間差異的理解。 作為端粒到端粒聯盟的一部分,來自美國國家人類基因組研究所的科學家,包括約翰霍普金斯大學和加州大學聖克魯茲分校以及其他機構,報告了完整人類Y染色體的62460029鹼基對序列。 該組裝糾正了當前人類參考基因組組裝中關於Y染色體的幾個錯誤,同時還在參考基因組中增加了3000多萬個鹼基對,揭示了多個基因家族的完整結構,並鑑定了41個新的蛋白質編碼基因。

在另一篇文章中,聯合團隊組裝了代表全球21個不同人群的43名男性的人類Y染色體。 這些組裝結果闡明了 Y 染色體在 18 中的作用30,000年人類進化史中的遺傳差異。 研究人員正在將新的見解整合到靈長類動物研究中,以更深入地挖掘Y染色體的進化,並分析可能影響癌症和許多其他疾病的臨床相關基因,以幫助個性化醫學。

7. 神經網路設計了新的蛋白質。

蛋白質一直很難建模,尤其是當人們想要“反其道而行之”時——將所需的功能轉化為蛋白質結構——這是乙個艱鉅的挑戰。

設計蛋白質生物材料的視覺化示例。 Markus Buehler,《應用物理學雜誌》

麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)團隊在8月份宣布,它將把注意力神經網路與圖神經網路相結合,以更好地理解和設計蛋白質。 這種方法結合了幾何深度學習和語言模型的兩種優勢,不僅可以改善現有蛋白質的性質,還可以想象自然界中尚未設計的新蛋白質。 新模型通過對基本原理進行建模並將自然界發明的一切作為基礎,重新組合了自然界的組成部分。 當團隊訓練模型時,他們使用不同的蛋白質來根據其功能確定它們的序列、溶解度和氨基酸成分。 然後,在收到新蛋白質功能的初始引數後,該模型釋放了其創造力並生成了全新的結構。

無獨有偶,Deep Thinking今年還推出了新一代的“α摺疊”,不僅精度顯著提高,還將其範圍從蛋白質擴充套件到其他生物分子,包括配體。 該模型能夠以原子精度實現蛋白質資料庫(PDB)中的幾乎所有分子。

8、中國空間實驗室國家實驗室正式投入執行。

今年是中國首次載人飛行成功20周年。 8月18日,中國載人航天工程辦公室收到喜訊:中國國家空間實驗室正式投入執行,空間應用正在有序開展,成果頻發。

在第十四屆中國航展上拍攝的中國空間站總成顯示模組的問天實驗艙。 新華社記者劉大偉攝。

中國載人航天工程發言人、中國載人航天工程辦公室副主任林錫強表示,目前空間站科學實驗設施已基本完成在軌試驗,在軌執行穩定可靠,具備大規模開展空間科學研究的能力。 截至目前,空間站已開展實驗專案60餘項,在軌實驗數萬次,獲得原始實驗資料近60TB,送下科學實驗樣本300餘份。

作為中國航天史上規模最大、長期的載人航天實驗平台,國家空間實驗室將利用太空的環境優勢,開展大部分在地球上無法模擬的科研工作。 問天實驗艙、夢天實驗艙、天河核心艙部署的多個實驗櫃,將開展上千項科學實驗,探索宇宙的奧秘,將孵化的科技成果轉化為實際應用,造福地球普通民眾的生活。

9. 迄今為止最完整的人類腦細胞圖譜已經發布。

隨著生物醫學的發展,我們可以依靠什麼來獲得對人類作為乙個物種的身份的新認識?答案之一是腦科學。

科學雜誌。

10月,21篇文章**發表在美國期刊《科學》、《科學進展》和《科學轉化醫學》上,發表並解釋了迄今為止最完整的人類腦細胞圖譜。 來自多個國家的科學家參與的系列研究,揭示了3000多種腦細胞型別的特徵,將有助於更好地了解人類大腦的獨特性,並推進對腦部疾病和認知能力的研究。 《自然》援引澳大利亞弗洛里神經科學與心理健康研究所專家安東尼·漢南的話說,這一系列研究首次在單細胞水平上繪製了人腦圖譜,展示了其複雜的分子相互作用,為更好地理解人腦奠定了基礎。

其中,荷蘭烏得勒支大學醫學中心神經科學家Kimberly Siletti團隊對覆蓋人腦106個位點的300多萬個細胞進行了RNA(核糖核酸)測序,分析並記錄了461個腦細胞類別,包括3000多個亞型。 研究表明,神經元作為從大腦和神經系統傳送和接收訊號的細胞,在大腦的不同部位差異很大,特別是在連線大腦和脊髓的腦幹區域,脊髓包含一種特別多的神經元型別,揭示了不同的功能和發育史。 這是對人類大腦的組織結構,包括成人大腦和胚胎階段發育中的人腦,在單細胞水平上進行前所未有的細化分析,識別和描繪了人類腦細胞型別的驚人多樣性,為理解人類精神和神經系統疾病機制提供了線索。

10、大型語言模型不斷迭代公升級。

2024年是“生成式人工智慧年”。

Gemini 可以處理文字、音訊和 **。 谷歌公司

今年,GPT-4 的效能被認為“可與人類相媲美”。 在聊天機械人 ChatGPT 發布約 4 個月後,ChatGPT 背後的公司 OpenAI 宣布正式發布 GPT-4,這是一款由 ChatGPT 提供支援的更強大的下一代技術,具有影象識別能力、高階推理能力和處理 25,000 個單詞的能力,在某些測試中表現與人類一樣好。

12 月 6 日,谷歌宣布推出一款名為 Gemini 的新人工智慧模型,它聲稱該模型在一系列智力測試中優於 GPT-4 模型和“專家”人類。 谷歌聲稱 Gemini 的中端 Pro 版本擊敗了其他一些型號,例如 OpenAI 的 GPT35,但更強大的 Ultra 超越了所有現有 AI 模型的能力。 它在行業標準 MMLU 基準測試中的得分為 90%,而“專家”人類預計將達到 89 分8%。這是人工智慧首次在測試中擊敗人類,並且是所有現有模型中得分最高的。

該測試涉及一系列棘手的問題,包括邏輯謬誤、日常場景中的道德問題、醫學問題、經濟學和地理學。 在同一測試中,GPT-4 得分為 87%,LLAMA-2 得分為 68%,Claude 2 得分為 785%。Gemini 在其他 9 個常見基準測試中的 8 個中擊敗了所有這些模型。

*: 技術** 2023-12-26 第 03 版)。

編輯:Nilo。

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