《自然》：2020年全球十大科學發現

這十大科學發現涉及14篇研究論文，其中12篇發表於《自然》雜誌，另兩篇發表於《科學》（Science）雜誌。

1。 打破物質-反物質的映象對稱性

在T2K實驗中，位於日本神岡天文臺的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）

日本T2K中微子合作組織的研究發表於4月15日的《自然》雜誌，報告了輕子破壞粒子-反粒子映象對稱（也稱為CP對稱）的可能發現。輕子的CP破缺難以觀測，卻可以利用中微子進行搜尋。中微子有三種“味”，由它們所關聯的帶電輕子（電子、μ子或τ子）決定，並且可以在運動過程中從一種味轉變為另一種味。如果CP對稱守恆，μ中微子到電中微子轉換的振盪概率將與反μ中微子到反電中微子轉換的振盪概率相同。在T2K實驗中，位於日本神岡天文臺的地下探測器探測到穿過地球295公里的中微子（或反中微子）。實驗測量了μ中微子到電中微子轉換的振盪概率，結果在95%的置信水平上排除了CP守恆，這可能是宇宙中物質-反物質不對稱性起源的最早標誌。

原始論文：Nature 580， 339-344（2020）。

2。 南極上空臭氧層的修復使高速氣流停止漂移

20世紀80年代中期，科學家在南極上空發現了春季大氣臭氧層空洞，這揭示了人類製造的臭氧消耗物質（ODSs）對大氣層的威脅。位於海拔10到20公里處的南極臭氧層空洞也影響了南半球大氣環流，進而影響地表的氣候。最明顯的一個趨勢是，夏季的高速氣流開始向極地移動。高速氣流是行星尺度的大氣環流現象，地球上有數條環繞的高速氣流帶。1987年的《蒙特利爾議定書》及其隨後的修正案禁止了臭氧消耗物質的生產和使用。因此，大氣中臭氧消耗物質濃度正在下降，臭氧層已經出現初步的恢復跡象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧層開始恢復以來，空洞相關的環流效應已經停止。以前曾有人注意到這種環流效應停止的趨勢，但Banerjee等人首次正式將其歸因於《蒙特利爾議定書》的影響。

原始論文：Nature 579， 544-548（2020）。

3。 史前愛爾蘭貴族墓葬遺址發現亂倫證據

紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由複雜的工程技術建造而成

愛爾蘭都柏林三一學院的Cassidy等人研究了農耕社會的社會結構，重點研究了被埋葬在石隧墓（歐洲的一種通道式巨石墓葬建築）中的古代貴族。紐格萊奇墓（Newgrange）是愛爾蘭最著名的石隧墓，也是該國最著名的史前墓地之一，由複雜的工程技術建造而成，墓室在一條很長的石砌通道的盡頭。在陵墓入口上方有一個像窗一樣的開口，在一年中白天最短的那天（冬至），這個開口可以讓陽光照進墓室。研究人員對墓中發現的古代人類遺骸進行了DNA分析，揭示了一場罕見且出人意料的亂倫事件。大約5000年前埋葬在紐格蘭奇墓室的一名男子是一樁亂倫婚姻的後代：他的父母要麼是兄弟姐妹，要麼是父母與子女。這一發現讓研究小組推測，與這座巨集偉陵墓有關的貴族們可能是通過亂倫來維持其血統。

原始論文：Nature 582， 384–388 （2020）。

4。 衛星影像繪製地球樹木地圖

Brandt等人的論文報導了他們對覆蓋西非西撒哈拉和薩赫勒地區超過130多萬平方公里的高解析度衛星影像的分析結果，他們繪製了大約18億棵樹木的位置和大小。在此之前，科學家還從未在如此大的區域內繪製出如此精細的樹木地圖。商業衛星已經開始收集資料，能夠捕捉到大小在1平方米或以下的地面物體。陸地遙感領域因此即將迎來根本性的飛躍：從側重於綜合景觀尺度的測量，到有可能在大範圍或全球尺度上繪製每棵樹的位置和樹冠大小。這一進展無疑也將根本性地改變我們思考、監測、模擬和管理全球陸地生態系統的方式。

原始論文：Nature 587， 78–82 （2020）。

5。 殺死潛伏的HIV病毒

導致愛滋病的HIV病毒可以長期“潛伏”在宿主細胞中，幾乎不進行轉錄，因此不會被免疫系統發現。在《自然》雜誌1月同期發表的兩項研究中，報導了被稱為“啟用並殺死”（Shock and kill）的治療策略，旨在扭轉這種潛伏期，通過增加病毒基因的表達（啟用），使被感染細胞更容易被免疫系統消滅（殺死）。兩組研究人員都描述了在動物模型中的干預措施，這可能是迄今為止報導的最有效的啟用手段，而且是可重複的。Nixon及其同事使用了一種名為AZD5582的藥物，用於啟用轉錄因子NF-κB——HIV-1基因表達的主要刺激因子。McBrien等人則將兩種免疫干預措施結合起來，先通過抗體療法耗竭CD8+ T細胞（降低病毒轉錄水平的免疫細胞），再進行N-803藥物治療，該藥物可啟用HIV-1的轉錄。除了這些進展，這兩項研究還展示了用藥物逆轉病毒潛伏相關的概念和技術挑戰。

原始論文：Nature 578， 154-159 （2020）； Nature 578， 160–165 （2020）。

6。 基因編輯破解挑食之謎

一種學名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食，是什麼讓這個物種如此挑食？

一種學名為Drosophila sechellia的果蠅只以有毒的諾麗果柑（Morinda citrifolia）為食。與其他喜歡各種水果的果蠅相比，是什麼讓這個物種如此挑食？Auer等人利用基因組編輯工具CRISPR-Cas9破解了這個謎題。他們發現，相比其他果蠅，D。 sechellia體內表達氣味受體22a蛋白（Or22a）的感覺神經元格外豐富，而Or22a氨基酸序列的微小變化正是果蠅D。 sechellia偏愛諾麗果的關鍵原因。他們還發現了其他幾種可能導致這種簡單行為轉變的演化改變。即使是喜歡臭水果的小小果蠅，也能有力地揭示大腦如何演化出複雜的行為。

原始論文：Nature 579， 402-408（2020）。

7。 銀河系中的快速射電暴

發表在11月《自然》雜誌上的三篇論文報導了對一個快速射電暴（FRB）現象的探測，顯示其來源位於銀河系內。有趣的是，快速射電暴伴隨著X射線的爆發。這一發現是通過綜合了多臺太空望遠鏡和地面望遠鏡的觀測結果得出的。顧名思義，“快速射電暴”是指一種瞬態的無線電波明亮脈衝，爆發持續時間約為毫秒級。研究者於2007年首次發現了這一現象，由於存在時間很短，使得探測它們並確定其在天空中的位置變得異常困難。這是第一個被探測到具有除無線電波外輻射的快速射電暴，也是該現象在銀河系內的首次發現。這三項觀測也首次證實了磁星是快速射電暴的來源之一，這是目前唯一被觀測驗證的可產生快速射電暴的天體。值得一提的是，其中一篇論文來自中國的研究團隊，第一作者為北京師範大學的林琳博士，觀測結果則是來自中國“天眼”——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。

原始論文：Nature 587， 54–58 （2020）； Nature 587， 59–62 （2020）； Nature 587， 63–65 （2020）。

8。 冷凍電鏡達到原子解析度

Yip等人和Nakane等人報導了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰影像，首次確定了蛋白質中單個原子的位置

結構生物學的一個基本原理是，一旦研究人員能夠以足夠的解析度直接觀察到大分子，就有可能理解其三維結構與生物功能之間的聯絡。在今年10月《自然》雜誌同期發表的兩項研究中，Yip等人和Nakane等人報導了迄今為止使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）的方法獲得的最清晰影像，首次確定了蛋白質中單個原子的位置。兩個小組使用的硬體都經過改良，突破了以往cryo-EM成像在解析度上的限制。隨著這些技術的發展，cryo-EM影像訊雜比的提高將擴充套件冷凍電鏡技術的適用性。也許這些技術的融合將使cryo-EM的結構測定達到甚至超越1埃（0.1奈米）的解析度——這在過去幾乎是不可能實現的成就。

原始論文：Nature 587， 157–161 （2020）； Nature 587， 152–156 （2020）。

9。 干擾素缺乏可導致新冠重症

在9月線上發表於《科學》的兩篇論文中，Zhang等人和Bastard等人闡明瞭影響感染新冠病毒後是否發展為重症的一個關鍵因素——干擾素尤其是I型干擾素（IFN-I）的缺乏。這種缺乏可能由不同原因導致，比如編碼關鍵抗病毒訊號分子的基因發生遺傳突變，或由於抗體與I型干擾素結合並使其“中和”。I型干擾素缺乏如何導致危及生命的重症COVID-19？最直接的解釋是這種缺乏導致病毒不受控制地複製和傳播。另一方面，I型干擾素缺乏也可能對免疫系統功能有其他影響。IFN-I誘導通路基因突變的個體將從提供干擾素的治療中受益。此外，那些對IFN-α和IFN-ω具有中和性抗體的人也可能受益於治療中提供的其他型別的干擾素，如IFN-β和IFN-λ。

原始論文：Science 370， eabd4570 （2020）； Science 370， eabd4585 （2020）。

10。 壓力為何會使頭髮變白？

這是《自然》雜誌“新聞與觀點”欄目在2020年讀者瀏覽最多的一項研究報導。目前對壓力對頭髮變白的相對作用尚不完全清楚。頭髮的顏色由黑素細胞決定，這些細胞來自於毛囊凸起部分的黑色素幹細胞（MeSCs）。這篇發表於1月《自然》雜誌的論文是哈佛大學許雅捷團隊的成果，第一作者是張兵博士。研究報告稱，在壓力引起的“戰鬥或逃跑”反應中，交感神經系統的神經元會釋放出神經遞質分子去甲腎上腺素；在極端應激或高水平去甲腎上腺素暴露下，黑色素幹細胞的增殖分化顯著增加，導致黑色素細胞大量遷移，遠離毛囊隆突區，但由於沒有替代的幹細胞，便導致頭髮變白。這項研究將有助於瞭解壓力如何影響其他的幹細胞，也為尋找阻止和逆轉壓力的方法提供了線索。

原始論文：Nature 577， 676-681（2020）。