《科學》公布2017年度人類10大突破，你知道幾個？

《科學》期刊公布了2017年最令人類激動的10大科學突破，科學儀器界的朋友們，也許你正在使用其中的幾種科技繼續求索，其中，我們還看到了中國在量子通信方面的翹楚地位。接下來，就讓我們一起分享2017的這些美好時刻，希望2018全球在科學界求索的人們，帶給人類更多的驚喜。

Top10

冷凍電鏡標志年

科技讓人類看到前所未見的生命過程

冷凍電鏡技術，我們能看到的微觀世界從圖片左側這樣，變成了右側這樣。

2017年諾貝爾化學獎當地時間4日上午11時45分揭曉，獲獎者既不是CRISPR的發明者，也不是鋰電池技術的發明者，而是授予三位冷凍電鏡領域學者，表彰他們對冷凍電鏡技術的發展做出突出貢獻。

冷凍電鏡技術（cryo-electron microscopy）作為一項物理技術，給結構生物學領域帶來了一場完美風暴。受益于該技術，生命科學領域近年來取得了重要的突破，比如程亦凡博士、施一公博士、楊茂君博士和柳正峰博士所解析的原子分辨率重要復合體結構就震驚世界。

早在2015年，《自然》雜志子刊Nature Methods就將冷凍電鏡技術評為年度最受關注的技術。冷凍電鏡技術的最新革命主要有兩大核心的技術突破：電子直接探測相機以及三維重構軟件，能夠大幅提高解析大型蛋白復合體原子分辨率三維結構的效率。

Top9

卡西尼墜毀

坦然走向死亡的老戰士

1997 年，卡西尼號探測器發射升空，前往土星。7 年間，他離開了地球，飛過金星、月球、木星。他將惠更斯號輕輕放在泰坦星上，然后環繞土星飛行。2008 年，他的設計壽命已經用完。但他就如此超期服役了 9 年，歷經星際間的 " 風雨 "。9月15日，經過了漫長的旅程之后，卡西尼號將一頭扎進土星的懷抱，用自己的生命最后一次為人類探索這顆太陽系里最美的行星。

如今她已安息，在遙遠的土星。

Top8

人造子宮：

早產兒救治的新希望

早產是新生兒死亡和致殘的重要病因，也是無數人不懈鉆研的課題。然而目前的醫學水平對于早產兒的救治手段，還停留在從源頭監控與針對相應器官不足采取治療措施兩個方面。然而，這些治療手段作為出生后的補救措施，不僅不能媲美成熟器官的功能，還常常會顧此失彼，在解決需求的同時帶來不小的副作用。延長胎齡成為了早產兒救治的重要砝碼，人造子宮也成為科學家們探索的焦點。

4月，美國費城兒童醫院的胎兒外科醫生在《自然-通訊》（Nature Communication）上發表了他們的研究成果：通過體外模擬子宮的環境，成功使相當于23-24周人類胎兒大小的羔羊寶寶在母體外生存了670小時，并實現了胎兒在母體環境中一樣的正常發育。

雖然從羊過渡到人類胎兒仍有不小的距離，但這項研究已經在模擬成熟器官功能、預防早產和治療早產兒方面邁出了一大步。

Top7

最古老人類化石和新種大猿：

人類對祖先和近親演化的探索

無論是對歷史的追溯還是對新物種的發現，2017年，人類還在不斷探尋著自己和近親的演化本源。

6月，在摩洛哥發現了目前已知最古老智人化石。這批在杰貝爾依羅發現的化石測年結果為30萬年，是目前我們已知的擁有精確定年的智人在非洲最早期演化的證據。通過對頭骨化石的分析，科學家發現了其具有進步與原始特征共存的鑲嵌現象，雖然這些古人類擁有較為現代的面部形態，顱內模的形態雖然較為原始，但與中更新世古老型人類又不完全相同。此外，化石發掘于北非這一特殊地理位置，也證明了智人在非洲大陸上演化的復雜性。

11月，人類發現了新的近親：達巴奴里猩猩（Pongo tapanuliensis）。這個在印尼北蘇門答臘省達巴奴里被發現的紅毛猩猩，是自1929年以來人類首次發現的新種大猿，自此，現生人科物種增加到了8種。此前，科學家們一直把他們當中是蘇門答臘猩猩（P. abelii）的一個種群，然而在大規模的研究后，人們發現達巴奴里猩猩的顱骨、牙齒、下頜和其他猩猩有顯著區別，毛發更卷，胡子更長，基因也有顯著差異，應該獨立成種。這種瀕危的物種使科學家重新思考了猩猩屬的演化軌跡，并思考如何區分物種，制定保護政策，保護古老而特殊的生物類群。

Top6

時間晶體：打破時間的限制

2012年，諾貝爾物理學獎得主維爾切克（Frank Wilczek）提出了一個瘋狂的想法：時間晶體。時間晶體的神奇之處在于，降溫后它能在時間上自發地出現周期性的運動，從而打破時間平移對稱性。如果我們把空間晶體和時間晶體的概念綜合起來，就會得到一種特殊的物質，可以同時在四維時空中結晶，形成所謂的時間-空間晶體。在維爾切克的設想中，未來會有一天，人類可以對時空晶體進行編程，把大腦意識上傳到“時空晶體”中，做成時光膠囊。即使地老天荒，即使宇宙熱寂，那些美妙的情感仍舊永存。

時間晶體引發了廣泛的爭議，很多人認為它是不可能做到的。但終于還是有人做出來了。

今年3月，美國哈佛大學和馬里蘭大學兩個實驗組在《自然》（Nature）上發表兩篇論文，宣布基于金剛石色心和離子阱系統，在實驗中驗證了離散時間晶體的存在。實驗的成功促使人們在各種物理模型中，研究離散時間晶體，乃至時間準晶體。

未來是否還會出現時間玻璃態？誰知道呢，我們期待大自然帶來的驚喜。

Top5

針對基因的療法：

CRISPR-Cas9為醫學帶來新希望

今年，科學家不斷探索著基因治療的可能性。

7月，中國的科學家們意外地發現了通過DNA靶向編輯 CRISPR-Cas9技術治療染色體遺傳病的可能。研究團隊發現，利用Y染色體敲除實驗的方法，設計專門針對21號染色體的特定CRISPR靶向系統，可以在體外細胞實驗中實現多余21號染色體的精確敲除。這項研究首次為唐氏綜合征的治療提供了希望。

11月，來自德國和意大利的研究人員在《自然》（Nature）雜志發表了一篇利用基因編輯技術治療單基因遺傳病的文章。文章中涉及的病例是一位罹患交界型大皰性表皮松解癥（JEB）的男孩，由于LAMB3基因的突變，患者的皮膚會經歷頻發性的破損、感染以及糜爛，導致患者處于長期的疼痛之中。研究者們通過逆轉錄病毒結合CRISPR-Cas9技術將完好的LAMB3基因成功地導入患者皮膚細胞，插入細胞的基因組中修復突變的LAMB3基因，治愈了患者。而在此前，這種罕見遺傳疾病并沒有有效的治療方法，40%的患者甚至會在青春期前死亡。

在其他研究中，CRISPR-Cas9技術對遺傳性心臟病、I型脊髓型肌肉萎縮癥等疾病的治療與治愈也起到了極大的推進作用。CRISPR-Cas9及其相關應用自從面世以來已經連續三年上榜“年度十大科學突破”，這種源自細菌的基因編輯技術究竟還有多少潛力，讓我們拭目以待。

Top4

人工合成酵母基因組：

生命的了解再進一步

3月，《科學》（Science）雜志以專刊的形式介紹了世界上首例人造酵母合成項目的進展。人造酵母項目是深化生命科學研究進展、應用生命科學研究成果的重要一步，通過對比人造酵母與天然酵母的區別，科學家們可以更加準確地了解生命的運作方式，操控生命活動。

目前為止，科學家們一共合成了酵母16對目標染色體中的6對半。這并不是個簡單的數字：人工化學合成的DNA一直面臨著成本高、錯誤多的問題，合成染色體長度的DNA極具挑戰性。在酵母DNA合成的研究中，科學家們通過合成寡核苷酸鏈（即短的DNA鏈）再拼接的方式，終于得到了全長的酵母染色體。從合成最簡單的病毒、支原體開始，直到合成單細胞真核生物酵母菌，科學家們逐步攻克了基因大小與基因復雜程度上的障礙，為后續合成更加復雜的生命提供了可能。

Top3

量子技術爆發：

通信和計算領域的高速發展

量子技術經過實驗室中的漫長發展，在今年迎來了爆發期。

1月，世界上第一顆量子通信衛星“墨子號”正式交付開展科學實驗。“墨子號”不僅在國際上率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗，更在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態，圓滿實現了全部三大既定科學目標。量子密鑰是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。“墨子號”的成功，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡、開展空間尺度量子通信網絡研究、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎；同時，也為中國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了科學與技術基礎。

5月，中國科學院在上海召開新聞發布會，宣布世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。IBM于同月發布了17量子比特位的處理器，又在11月宣布了20量子位的量子計算機問世，并構建了50量子比特的量子計算機原理樣機，在科學界引起了軒然大波。

量子科學的征途任重道遠，科學將全力以赴，上下求索。

Top2

AI技術節節開花：

人工智能帶來的變化和挑戰

3月，人工智能Libratus在賓夕法尼亞州挑戰美國頂尖德州撲克游戲玩家，在12萬手比賽后，Libratus完勝全部4個對手。Libratus使用的“強化學習”方式能讓計算機生成更具創造性的策略，在信息不完全的情況下作出更好的決策。

5月，強化版圍棋人工智能AlphaGo在中國烏鎮3:0戰勝世界第一棋手柯潔，并與八段棋手協同作戰在組隊戰中全勝5位頂尖九段棋手。

10月，橫空出世的AlphaGo Zero僅通過40天的學習就戰勝了自己的雙胞胎兄弟AlphaGo Master。AlphaGo Zero采用無監督學習，從零開始，不需要任何人類的經驗，并通過強化學習發現了新的圍棋定式。AlphaGo Zero還優化了核心算法，將策略網絡和值網絡結合，并引入深度殘差網絡，用更少的算力得到了更好的結果。

隨著技術的發展，人工智能的時代已經到來。除了撲克和圍棋，人工智能將會更加深入我們的生活，為人類社會帶來新的變化和挑戰。

Top1

雙中子星并合引力波探測：

開啟多信使天文學時代