【科学强国】《科学》杂志公布2023年度十大科学突破（上篇）

　　近日，《科学》杂志公布了其编辑团队评选的2023年度十大科学突破，其中包括一项科学突破冠军奖和9项科学突破入围奖。榜单如下。

　　肥胖遇到了对手

图片来源：STEPHAN SCHMITZ/FOLIOART

　　肥胖既是一场个人的战斗，也是一场公共健康危机。在美国，大约70%的成年人受超重的影响，而在欧洲，这个数字超过了一半。当身体质量指数为30或以上时就定义为肥胖，肥胖可能是2型糖尿病、心脏病、关节炎、脂肪肝和某些癌症的诱因。

　　然而，令人遗憾的是，一直以来人们未能找到安全有效的减肥药物。但现在，一类新的疗法带给人们很大希望，人们期待它能降低肥胖和相关慢性疾病的发病率。

　　这些药物模仿了一种名为胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的肠道促胰素，它们正在以令人兴奋又令人不安的方式重塑医学、流行文化，甚至全球股市。这些GLP-1受体激动剂最初是为糖尿病开发的，可显著减轻体重，副作用大多可控。今年，临床试验发现，它们还可以减轻心力衰竭的症状以及心脏病发作和中风的风险，这是迄今最令人信服的证据，证明这些药物除了减肥之外还有其他重要的好处。

　　基于这些原因，《科学》杂志授予GLP-1药物年度突破冠军奖。

　　正在减速地球的碳泵

　　威德尔海的咸水有助于推动南大洋的深层环流。然而，南极的融水似乎正在减缓这股洋流。图片来源：A.TRAYLER-SMITH/GREENPEACE/PANOS/REDUX

　　如果世界上的海洋有一颗心脏，那它一定在南大洋。在南极洲海岸附近，含盐的表层水直接沉入海底。下沉的水从大气中吸收热量、氧气和二氧化碳，并将它们隔离在深渊中，在那里水慢慢向北扩散。它是全球翻转环流的主要组成部分之一，这种大规模的环流连接着世界所有的海洋，帮助它们捕获1/3的人类年碳排放量。许多研究人员认为，当它激增或减速时，这个碳泵会加剧气候变化。

　　今年，几项研究表明，该碳泵处于极度危险之中。第一个令人不安的迹象出现在几年前，自主漫游到4000米深处的深海Argo机器人发现，南极底层的海水正在变暖、体积正在缩小，这两个迹象均表明洋流正在放缓，使得上层的温暖海水得以侵入。

　　更直接的证据来自今年3月发表于《通讯地球与环境》的一项研究，美国研究人员将该地区历史船只测量的记录输入到一个气候模型中，该模型显示，自20世纪70年代以来，环流已经放缓了20%。5月，由澳大利亚科学家领导的一项发表于《自然-气候变化》的研究表明，从1992年到2017年，深海水流减缓了近30%。

　　目前还不太确定为什么会出现这种减速、人类在多大程度上推动了这种减速以及它将如何影响气候。南极冰盖融化带来的淡水增加可能是一个主要原因，而随着全球变暖的持续，冰川融化以碳泵减速肯定会加剧。

　　寻找天然氢气的热潮

　　美国北卡罗来纳沿海的激光雷达地图显示，一公里宽的圆形洼地可能有氢气渗漏。图片来源：VIACHESLAV ZGONNIK

　　1859年，美国第一口油井的挖掘开启了美国的石油热，并改变了世界。今年，世界兴起了另一场能源热潮，这次是基于地球内部自然产生的氢。与石油不同，天然氢气对气候而言是一种“滋补品”，而非“毒素”。

　　2012年，在西非国家马里的一个城镇，工程师拆除了一个被水泥封死的井眼，1987年，一个烟头曾在井中引发爆炸。它喷出的气体98%是氢气。人们利用井内的氢气发电，为村庄提供了第一次电力，而这个过程只产生了水作为“废弃物”。奇怪的是，经过10年的开采，井内的气体压力并没有减少，这表明有深层资源在补充氢气。

　　受这一发现的启发，勘探者现在在除南极洲外的每个大陆上都发现了大量氢气沉积的迹象。今年9月，美国地质调查局（USGS）在美国雪佛龙公司和英国石油公司的支持下成立了一个研究联盟，美国能源高级研究计划署启动了一项2000万美元的天然氢气研发计划。

　　USGS一项未发表的研究表明，地球上可能蕴藏着1万亿吨氢气，足以满足未来数千年对燃料和肥料日益增长的需求。

　　人工智能天气预报员来了

　　基于40年的天气数据和模型训练，人工智能现在能以惊人的准确性预测飓风的路径。图片来源：ALEX GERST/NASA

　　自从现代计算机出现以来，它就一直被用于预测天气。尽管数值天气预报变得越来越复杂，现在可以提前几周做出可靠的预测，但其使用的方法与从前是一样的：使用大量的计算能力来求解控制大气的流体动力学方程。

　　2023年，人工智能已经开始改变这种状况。包括谷歌、华为和英伟达在内的科技公司已经训练了人工智能模型，使其提前10天预测天气，其准确性可以与传统模型相媲美，甚至超过传统模型，而且运算负担要小得多。

　　这些“深度学习”模型不是求解方程，而是根据对过去40年天气数据的训练获得的模式来预测不久的将来，这些天气数据是世界顶级天气预报机构——欧洲中期天气预报中心数值模型的观测结果。

　　经过训练后，这些模型可以在1分钟内在台式电脑上做出预测，而无需在超级计算机上运行2小时。

　　研究人员预计，当人工智能天气预报员开始从传感器收集的直接天气数据中学习，而不仅是通过现有模型获得的数据学习时，该技术会得到进一步发展。

　　抗击疟疾的新希望

　　肯尼亚基利菲县医院的母婴病房里有许多儿童出现疟疾症状。新R21疫苗的临床试验在该市进行。图片来源：LUIS TATO/EYEVINE/REDUX

　　今年，利用疫苗对抗疟疾的努力有两个振奋人心的进展。对世界上第一种疟疾疫苗Mosquirix的大规模评估显示，它显著降低了幼儿的死亡率，而幼儿是受该疾病危害最重的群体，仅在撒哈拉以南非洲每年就有近47万幼儿死亡。今年，世界卫生组织（WHO）还批准了第二种疟疾疫苗R21/MatrixM。它与Mosquirix的设计相似，但成本更低、产量更大。它应该有助于填补疟疾疫苗供需之间的巨大缺口，有可能每年防止数万名儿童死亡。

　　2019年，一项关于Mosquirix的多年试点研究开启，加纳、肯尼亚和马拉维的近200万婴幼儿接种了该疫苗。初步结果显示，这种疫苗将严重疟疾的发病率降低了22%。在接种疫苗的地区，接种疫苗年龄范围内的儿童死亡率（除意外事故外）比未接种疫苗地区低13%，这表明即使这种疫苗不完美，也可以挽救生命。但是从现在到2025年，生产这种疫苗的英国葛兰素史克公司只能生产1800万剂疫苗，仅能为450万名儿童接种疫苗，而在疟疾流行地区，每年出生4000万名儿童。

　　R21可以帮助填补这一空白。该疫苗由英国牛津大学开发，授权给大型疫苗生产商印度血清研究所使用。该公司表示，它每年可生产1亿剂疫苗，每剂价格在2美元到4美元之间，不到Mosquirix的一半。R21三期试验数据于今年9月公布，该试验涉及4个国家的4800名儿童。结果表明，在接种的前18个月，该疫苗至少与Mosquirix一样有效，甚至可能更有效。WHO表示，到2024年中期，R21有望广泛使用。

　　未完待续，下集更精彩！

　　来源：中国科学报

　　作者：文乐乐

　　审核：龚紫陌