2021 年轉眼來到尾聲。今年，《Science》雜誌評選的「年度十大科學突破」橫跨眾多領域，包括 AI、天文、物理、生物、醫學，以及備受矚目的能源議題，趕快來看看這十大突破究竟是哪些吧！
十大突破之首——利用 AI 預測蛋白質結構
蛋白質是組成生物體不可或缺的元素。在 1950 年代，科學家透過分析 X 射線繪製蛋白質結構。然而，繪製成本過於高昂，而且往往得耗費數年，因此在 1970 年代，科學家開始運用計算機建模，預測蛋白質的折疊方式。直到 2018 年，Google 旗下的 DeepMind 團隊開發了 AI 軟體 AlphaFold，使得該領域研究取得突破性進展。
多虧這項 AI 技術，科學家得以精準、快速、大量繪製蛋白質結構。今年 7 月，DeepMind 團隊宣布他們成功分析了 350,000 種人體蛋白質，佔所有已知人體蛋白質的 44%。團隊預計明年將增加所有已知物種的 1 億個蛋白質結構，而下一步是預測這些蛋白質如何相互作用。
在這 COVID-19 肆虐的大疫之年，科學家也正在利用阿爾法摺疊模擬 Omicron 變種病毒，研究棘蛋白突變帶來的影響，試圖找出中和抗體失效的原因。AI 預測蛋白質結構的技術不僅徹底革新分子生物學領域，也勢必將在醫學領域大放異彩。
探勘古代洞穴，解鎖 DNA 寶庫
誰說沒有化石就不能研究古生物？科學家今年踏足古代洞穴，採集土壤裡的人類細胞核 DNA，藉此重建古代生態系，釐清世界各地穴居人的身份。
西班牙 Estatuas 洞穴中的 DNA 揭露 8 萬至 11.3 萬年前人類的遺傳特徵，證實在 10 萬年前的冰河時期結束後，某一個尼安德塔人譜系取代了其他多個譜系；美國 Satsurblia 洞穴存有野牛和狼的 DNA，以及尼安德塔人未知譜系的女性基因組；而墨西哥 Chiquihuite 洞穴中，則有 1.2 萬年前的黑熊 DNA，與現代熊 DNA 比對後，科學家發現黑熊在上個冰河時期結束後向北遷徙至阿拉斯加。
「核聚變反應」的歷史性突破
核聚變是太陽的動力來源，長期被科學家視為解決地球能源問題的方法之一，可是要達到足夠產生聚變反應的壓力和溫度非常困難（融合能量增益因子）。今年，美國國家點火設施（NIF）運用 1.9 兆焦耳的雷射脈衝壓縮胡椒粒大小的氘（氫的同位素），產出 1.35 兆焦耳的聚變能量，遠高於先前實驗獲得的 17 萬焦耳。
目前，NIF 仍持續進行實驗，試圖以不同的燃料或更高能的雷射脈衝來提高能量產出，最大化能量轉換的比例。未來，或許聚變反應能夠成為供給地球能源的新方法！
COVID-19 口服藥「莫奈拉韋」問世
今年秋季，美國默克（Merck）藥廠發布數據，證明其研發的 COVID-19 口服藥「莫奈拉韋」（Molnupiravir）可將未接種疫苗者的重症和死亡率降低 30%；而如果在出現症狀的 3 日內服用輝瑞開發的口服藥 PF-07321332，則可降低 89% 住院率。
雖然口服藥無法取代疫苗接種，卻扮演非常關鍵的角色。若是 Omicron 變異株造成大量突破性感染，口服藥就能挺身而出、防堵病毒。
創傷後壓力症候群的新興療法——搖頭丸
研究證實搖頭丸的主要成分「3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺」（MDMA）可以減輕創傷後壓力症候群（PTSD）患者的症狀，而且效果十分顯著。這份研究發表在《Nature Medicine》，研究召集 76 名受試者，分別接受 3 次 MDMA 治療和安慰劑課程，並在 2 個月後發現 MDMA 組有 67% 的病患不再符合 PTSD 的診斷標準，而安慰劑組僅有 32%。
可是這項結果也引起了對雙盲實驗的質疑，因為試後有高達 90% 的受試者表示他們知道自己的組別，這可能大幅影響症狀改善的機率。目前正在進行更大型的實驗，若實驗結果確定 MDMA 能治療 PTSD，預計將在 2023 年提交美國食品藥物管理局（FDA）批准上市。
開發單株抗體，對抗各類傳染性疾病
單株抗體（mAb）是實驗室製造的抗體，可以抑制免疫反應，並且破壞腫瘤細胞。除了伊波拉病毒、炭疽病、狂犬病以外，今年更開發出新的抗體，用以對抗瘧疾、愛滋病和呼吸道合胞病毒（RSV）。科學家也正在針對流感、茲卡病毒和巨細胞病毒（CMV）開發單株抗體，這項技術有望成為打擊傳染病的「標配」。
「洞察號」揭密火星內部結構
自 2018 年洞察號登陸火星至今，科學家收集 35 起地震數據，藉以估計火星的地殼厚度、地函結構和地核大小。今年的數據顯示這顆紅色行星的地殼厚度不到 40 公里，地函非常淺，地核雖特別巨大，卻是由液態鐵和鎳組成，密度不高。這是人類首次使用地震數據探測其他行星的內部結構，也是探索神秘火星的一大步。
改寫粒子物理學模型的繆子實驗
在 1960 年代，粒子物理學家提出理論解釋強核力、弱核力和電磁力，這三種理論被稱為標準模型。然而，科學家今年發現「繆子」（Muon）——一種比電子更重、更不穩定的粒子——其實際測得的 g-factor（描述基本粒子自旋角動量與磁性大小之間的關係），比標準模型所預測的還要多，且兩者的誤差區間並沒有交集。
目前，眾多科學家正在進一步分析實驗數據。假如繆子實驗沒有任何閃失，這樣的結果將撼動物理界，並且改寫擁有 50 年歷史的標準模型。
CRISPR 基因編輯——確實能在體內發揮療效！
去年，科學家運用 CRISPR 基因編輯技術，在實驗室修改造血幹細胞，治癒鐮狀細胞病和 β—地中海貧血。今年，科學家更大膽了，直接在人體內部署 CRISPR。研究結果顯示，這種基因編輯技術可以有效減少一種有毒的肝臟蛋白質數量，甚至改善遺傳性失明患者的視力，讓兩名幾乎完全失明的患者能夠感覺到光線，並且在昏暗的光線下避開障礙物。
體外胚胎培養——研究生命體早期發育歷程
小鼠胚胎在母鼠體外生長的時間通常是 3 到 4 天，但今年，有研究團隊將時間延長到 11 天，這樣的進展替人類鋪了條路，讓我們有望在子宮外孕育生命。另外，也有其他團隊複製人類胚胎幹細胞中的胚泡，轉化皮膚細胞，使其產生囊胚狀結構，以作為研究用途，減少倫理爭議。
除了十大科學突破以外……
《SCIENCE》今年也特別列出三項影響科學發展的重大阻礙，包括難解的氣候議題、備受爭議的癌症新藥，以及在疫情之下遭受猛烈砲火抨擊的科學家。
越來越熱！減碳目標恐難以達成
自從工業革命以來，全球氣溫升幅達到了 1.2°C，近年極端氣候事件更是層出不窮。對此，今年的聯合國氣候變遷大會（COP26）達成多項協議，包括將全球氣溫升幅限制在 1.5°C 以內、確立碳交易市場架構，以及減少碳排放量。然而，全球經濟現在依然大幅仰賴化石燃料，況且聯合國協議不具約束力，是否能達成減碳目標，必須取決於各國政策制訂。
充滿爭議的阿茲海默症新藥「Aduhelm」
美國食品藥物管理局（FDA）近 20 年來首次核准阿茲海默症藥物，即百健（Biogen）藥廠開發的 Aduhelm。經臨床實驗證實，這種藥物能清除異常堆積在患者腦內的「β 類澱粉蛋白斑塊」，也就是失智症發病和惡化的原因。照理說，這是患者和家屬期盼以久的好消息，卻被不少大型醫院和醫學中心拒絕採用，因為在兩項大型臨床實驗中，只有一項證明其改善認知功能的療效勝過安慰劑，卻沒有證據顯示 Aduhelm 有顯著的改善效果。
當疫情碰上政治形態——夾縫中求生存的科學家
長期以來，科學家遭受攻擊的事件層出不窮，但在今年，對於 COVID-19 的政治分歧引發大眾對科學家前所未有的敵意，包括各種形式的恐嚇、抗議和死亡威脅。遭受威脅的有美國首席防疫專家佛奇（Anthony Fauci）、英國首席醫療官惠提（Chris Whitty），以及世界各地的學者和防疫工作者。
《Nature》訪問 321 名研究人員，發現有超過 50% 的人信譽受到攻擊，15% 的人收到死亡威脅，甚至有許多人從此辭去他們熱愛的研究工作。
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