近日，顶级科学期刊Science公布了2019年度十大科学突破。其中，人类史上首张黑洞照片无疑成为了今年全球瞩目的一大科学焦点。此外，其他入选的2019年科学突破关键事件还包括：首次描绘出丹尼索瓦人样貌、谷歌宣布实现量子霸权、开发微生物补充剂对抗营养不良、分析小行星撞击地球及其后果、柯伊伯带发现早期“太阳系”残骸、改变了著名“三域学说”的全新古细菌、可治疗大多数囊性纤维化病例的药物诞生、终于有了治疗埃博拉病毒的药物、AI首次在多人德州扑克中战胜顶级玩家……

#1 人类史上首张黑洞照片

对于天文学家来说，这张照片是数十年来他们对看不见的神秘物体进行理论研究的一次突破性验证。今年4月，一个国际射电天文学家小组发布了一张令人震撼的黑洞“阴影”的高清特写照片，显示了一个黑色中心被光子在其周围形成的光环围绕着。这张照片的团队的成员海诺·法尔克（Heino Falcke）表示，自己第一眼看到这张照片的感觉就像是“看着地狱的大门”。

（第一张黑洞“高清照” 图源：EHT）

“我还是很震惊，”斯坦福大学的天体物理学家罗杰·布兰福德(Roger Blandford)表示，“我认为我们没有人想象过所产生的标志性图像。”实际上，直到最近，很少有天文学家认为这种图像的诞生是可能的。根据宇宙标准，黑洞非常小，并且从定义上讲不会发光。当它们形成巨大的质量时，就像在银河系中心发生的那样，气体、尘埃和恒星的涡动混乱被它们的极端引力搅动，形成了额外的屏障。

但是20年前，少数天文学家开始怀疑靠近巨大黑洞边缘或事件视界的热旋流气体是否可能使其可见。它们以多种波长发出光芒，包括毫米波，即可以穿透银河系中心周围的气体和尘埃的短波无线电波。一项被称为超长基线干涉测量（VLBI）的技术可以将许多相隔数十万公里的独立天线的实时同步数据结合起来，以模拟更大的虚拟望远镜，从而可以更精细地显示远处的物体。接收器、天线设计和数字电子技术的改进，使射电天文学家可以捕获毫米波。

大约在12年前，在夏威夷和美国本土使用望远镜进行的早期尝试揭示了Sgr A *附近的过热气体的细节碎片。望远镜还瞥见了第二个潜在目标：附近星系Messier 87中心的超大质量黑洞。

随着观察结果的积累，供资机构开始介入，国际事件地平线望远镜（EHT）诞生了。

尽管它的名字叫事件地平线望远镜（EHT），但它不是望远镜，而是一个由全球200多名科学家组成的团体。在大多数望远镜中，EHT成员必须安装自己的设备，包括高数据速率数字处理器和原子钟，以使该仪器能够与VLBI测量更为匹配。

当EHT征募Atacama大毫米/亚毫米阵列（ALMA）时，出现了一个转折点——加上ALMA，使得EHT的灵敏度提高了10倍。2017年4月，一场为期10晚的大型观测活动已经万事俱备。ALMA与美国、墨西哥、智利、西班牙和南极的其他7个天文台一起，对Sgr A*和M87*进行了连续整夜的观测。两年之后，他们终于得到了第一张M87*的图像。

值得一提的是，中国科学家参与了这个黑洞观测全球合作项目，为捕获首张黑洞照片做出了贡献。在此次EHT合作中，中国科学家在早期共同推动了EHT的合作并参与了EHT望远镜观测时间的申请，同时协助JCMT望远镜开展观测并参与数据处理和结果理论分析等，为EHT黑洞成像做出了积极的贡献。

斯坦福大学天体物理学家罗杰·布兰福德补充说，今年的胜利“是这个研究项目的起点，而不是高潮。”

#2 首次描绘出丹尼索瓦人样貌

大约40年前，一位佛教僧侣在青藏高原边缘的白石崖岩溶洞穴中发现了一个奇怪的人类颚骨。他意识到下颌巨大的臼齿很特别，就把它交给了另一个和尚，后者又把它捐赠给了学者。

知道今年5月，科学家运用了一种新的方法来分析古代蛋白质，并将奇怪的下颚识别为丹尼索瓦人（Denisovan）的下颚，丹尼索瓦人是一个神秘的人类祖先，他在整个亚洲一直到大约50,000年前都与尼安德特人同时出没。这项工作使这些神秘的古代人成为焦点，并预示着在理解古代生活方面潜在的基于蛋白质的革命。

对丹尼索瓦人的认知困扰着人类进化研究人员已有10年了。早在2010年，研究人员通过对在西伯利亚Denisova洞穴中发现的化石小骨头的DNA进行测序，就鉴定出了它们：来自一名丹尼索瓦女孩的DNA，竟与尼安德特人和现代人的DNA不同。

如今，丹尼索瓦人的特征仍存在于亚洲各地的人种DNA之中——这表明该团体曾经是广泛存在的，并与尼安德特人和现代人类混合在一起。

拥有16万年历史的白石下颚并没能提取出DNA。但是中国和欧洲的研究小组设法从骨骼中提取出一种胶原蛋白（一种常见的蛋白质），并与Denisova洞穴女孩的胶原蛋白进行匹配。从下颌验出这个女孩正是丹尼索瓦人，这些神秘的人下颌健壮，臼齿大，牙齿有三根连接基。

9月，另一个小组通过对Denisova洞穴女孩的基因组应用新技术，来完善这张照片。结果表明女孩DNA的甲基化模式如何塑造她的身体。研究小组得出结论，她看上去很像尼安德特人：骨盆宽，前额倾斜，下颌突出。但是她的脸也比现代人或尼安德特人的脸宽，下颌骨的牙齿弓更长。在配对验证时，它几乎与丹尼索瓦人的特征完全匹配。

#3 谷歌宣布实现量子霸权

今年10月，谷歌的物理学家声称，他们已经使用量子计算机来得出普通计算机无法计算的结果，从而达到了量子霸权的里程碑。尽管一个竞争对手IBM对此主张提出异议，但它被广泛赞誉为一项重大成就。但是，能够解决实际问题的量子计算机仍然需要数十年的时间。

（为谷歌量子处理器准备的用于测试的芯片阵列 图源：Google）

他们使用了一个包含53个量子比特的芯片，这些芯片由超导金属的微小电路制成，实现了一组随机选择的相互作用，并从本质上证明了该机器可以输出正确的量子态。对于需要几个量子位的计算，他们使用超级计算机仿真检查了结果。对于更大数量的量子位，他们采用了统计方法来帮助确认结果。研究小组表示，比较结果表明，量子计算机在200秒内就能计算出一台超级计算机需要10,000年才能完成的计算。

IBM研究人员则质疑Google是否真的达到了目标。他们声称，使用正确的算法，一台超级计算机可以在短短两天内解决该问题。其他物理学家说，要解决实际问题，量子计算机将必须能够纠正其自己的量子位中的错误，这尚待实现。从一台包含几十个量子比特的机器扩展到包含一亿量子比特的众多机器（破解互联网加密所需的数量），研究人员还面临着巨大的实际挑战。量子计算时代可能已经来临，但我们可能还需要等一等。

#4 开发微生物补充剂对抗营养不良

每年，数百万严重营养不良的儿童无法完全康复，即使他们饱食后仍会发育不良和患病。历经10年的研究指出了根本原因——他们的肠道微生物尚未成熟。今年，一个国际团队在这项研究的基础上，提出了一种低成本、易于获得的补品，该补品可以针对性地、优先刺激有益肠道细菌的生长。补充剂在一个小型试验中表现良好，并且正在进行大规模临床试验，以了解该补充剂如何防止发育迟缓。

较早的研究确定，营养不良的无法康复的儿童具有肠道微生物群落或婴儿的微生物群落特征，而更成熟的微生物群落是对营养做出良好反应的关键。研究小组首先确定了代表成熟肠道微生物组的15种细菌。他们还确定了包括蛋白质在内的血液标志物，这些标志物标志着营养不良的影响得以恢复。然后，他们测试了发展中国家容易找到的各种食物组合，以观察微生物组的反应：首先是小鼠的反应，然后是猪身上的反应，最后是一小群营养不良的儿童的反应。

奶粉和大米是食品援助的标准成分，却几乎没有促进关键细菌的繁殖。但含有鹰嘴豆、香蕉、大豆和花生粉的补品，则有助于微生物群成熟。经过简短的临床试验后，接受补充剂的儿童体内产生了更多的血液蛋白和代谢产物——这是正常生长的标志。

更多的孩子将被长期跟踪，以观察这些变化是否会从发育迟缓中恢复过来，这是改善微生物组可以帮助解决这一全球性问题的最终证据。伊利诺伊州芝加哥大学的医学家埃里克·帕默（Eric Pamer）表示，如果成功，尤其是如果可以在医院以外的家中提供治疗，这是解决该问题的最新趋势，那么带来的“影响可能是巨大的”。

#5 分析小行星撞击地球及其后果

在6600万年前，一颗巨大的小行星撞击地球后，世界上76％的物种（包括大型恐龙）消失了。但是还不清楚它们到底是如何死亡，何时死亡以及生态系统恢复的速度如何。现在，从对墨西哥尤卡坦半岛（YucatánPeninsula）受影响的地点提取的沉积物核心，再加上在美国发现的一些丰富的化石，使这一灾难及其后果成为人们关注的焦点。

2016年，国际海洋发现计划（nternational Ocean Discovery Program）在193公里宽的希克苏鲁伯陨石坑中心周围的崎岖山丘上进行了钻探。该火山口现在主要位于尤卡坦海岸的水下。钻探提取了一个835米的岩心，其中包括小行星撞击当天形成的130米沉积物部分。今年发布的核心检查报告几乎提供了撞击发生后的情况进行了复原、重建，甚至精确到了每分钟。动态模型显示，先是熔岩填满了撞击孔，随后是碎冰雹。接着海洋涌入，搅动沉积物。然后，在第一天结束时，海啸席卷了更多的物质，包括撞击造成的野火中的木炭。即使该地点富含硫的物质丰富，但岩心中几乎没有存在，这表明所有物质都已蒸发，并有可能导致全球快速冷却和变得黑暗。

在北达科他州的一个新地点，捕捉到了对生物造成的灾难性影响。在不到1小时的时间内，由地震引起的地震活动导致水浪冲向该地点的一条古老的河流系统，将生物席卷为坍塌的沉积物。已经成为化石的鱼类身上带有强烈的撞击痕迹，并且它们的鳃里充满了来自撞击者自身的富含铱的玻璃微粒。

但是生命的恢复比预期的要快，这是对另一处科罗拉多州科拉夫布拉夫斯的花粉、植物化石、哺乳动物的头骨和其他骨骼的分析记录下来的。蕨类和不大于大鼠的哺乳动物在撞击中幸存下来，结束了白垩纪，标志着古近纪的开始，创造了K-Pg边界。棕榈树在1000年内取代了蕨类植物；在30万年以前，核桃样物种占主导地位；到发生撞击70万年后，出现了豆类。在最初的100,000年中，哺乳动物的大小和多样性增加了一倍，这种趋势一直在加速和持续，特别是在豆科植物出现之后。到70万年前，一些哺乳动物的体重超过了50公斤。

去年，对希克苏鲁伯陨石坑钻芯中有孔小浮游生物进行了分析，结果表明，陨石坑内的海洋生态系统已经恢复并在30,000年内运转，比预期的要快得多。但是其他地方的恢复速度较慢。今年，对钻芯和全球各地有孔虫的分析表明，撞击后海洋迅速酸化，并显示到达海底的有机物质减少50％，这可能对海洋生物产生1万年的抑制性影响。

斯德哥尔摩瑞典自然历史博物馆的古生物学家维维·瓦伊达（Vivi Vajda）说，所有这些结果使对K-Pg物种灭绝的研究成为了“超级年”。

#6 柯伊伯带发现早期“太阳系”残骸

天文学家发现的Arrokoth在去年还只是太空中的一个很小的灰色斑点。今年的第一天，NASA耗资8亿美元的“新视野”号飞船在2014年扫过MU69的上空——MU69是一个距离地球约66亿公里的36公里宽的天体，位于海王星以外的一个称为“柯伊伯带”（Kuiper belt）的区域。天文学家发现了潜伏在这个地带的数千个天体，这些天体包含的物质组成与太阳系早期相比并没有什么改变。但尚未近距离观测过。

《新视野》杂志透露，MU69（也就是Arrokoth）由两个像块状薄煎饼的原始行星结构组成，并在狭窄的颈部连接。的两个冰瓣在太阳系开始时分别形成，可能从同一团尘埃中凝结。它们奇特的形状和无瑕的均质表面为行星构造块的形成提供了新的概念。

科学家们发现，它们不会在碰撞后“生长”。相反，在太阳形成后不久，静电将多尘埃颗粒聚集到了几厘米大小的鹅卵石中。然后，原始星云的漩涡使这些小卵石聚集在一起，聚集成云团，这些云团在重力作用下坍塌成千米大小的团块。这种“流动不稳定性”可以解释为什么Arrokoth有两个裂片：卵石云塌陷时旋转得更快，形成湍流使其破裂。两块靠近，直到它们的轴对齐，并且相互吸引，将它们拉成了一个“温柔的吻”。

还有很多工作要做。航天器预计最早也得到2020奶奶底才会完成对Arrokoth的所有观测。即使那样，它的任务也可能还没有结束：New Horizons团队现在正在使用探测器的望远镜搜索新的“柯伊伯带”目标——它们太小了，地球上的任何望远镜都看不到。

#7 全新古细菌揭秘人类终极起源真相

今年，微生物学家朝着解决关于真核生物起源的争议迈出了重要的一步，真核生物的起源涵盖了包括人类在内的所有动植物。经过12年的尝试，日本的一个研究小组成功地从深海沉积物中培育出了一种神秘微生物，并对其基因组进行了测序。它可以揭示我们所有人的最终血统。

这种生物，即Prometheoarchaeum syntrophicum菌株MK-D1，是最近被认可的Asgard微生物群的成员，这些微生物不是细菌，而是一种完全独立的生命分支，称为“古细菌”。研究人员们从深海沉积物和其他极端环境中分离出的DNA片段，才得以一窥Asgards的细节。

令人惊讶的是，这些片段包含的基因以前被认为仅在真核生物中发现，而真核生物是具有细胞核和细胞器的细胞，例如线粒体。比较的DNA分析表明，Asgards或远古亲戚甚至可能产生了真核生物。这个激进的想法会将生活领域从三种（古细菌，真核生物和细菌）缩小到两种：细菌和古细菌，而真核生物被简化为古细菌的一个子集。但是鉴于证据不足，许多研究人员对此表示怀疑。

通过在培养皿中培育一种Asgard，日本研究小组可以对其全基因组进行测序，并确认其携带真核基因。研究人员还发现，它似乎与某些细菌结合生长最好，并且形成了可能会吞噬细菌伴侣的短触角。如果是这样，那可以解释一个Asgard如何获得成为线粒体的微生物。

今年的其他研究已从Asgard研究组其他成员的DNA片段中鉴定出更多的真核基因。来自DNA的有关Asgard代谢的信息也支持两域假说，而不是三域假说。

但是，将近30亿年前发生的事件将难以重构，而且随着对Asgards的研究（也许是对文化的培养），新的思想可能会浮出水面。但是现在有了研究人员，研究人员可以更清晰地了解遥远的过去。

#8 可治疗大多数囊性纤维化病例的药物诞生

10月，科学家庆祝了基于基因的药物的里程碑：批准了对大多数囊性纤维化（CF）病例有效的治疗方法。这种被称为Trikafta的三药组合治疗可以纠正肺部疾病背后最常见的突变的影响。对于那些发生突变的人（约占所有CF患者的90％），它可以将CF从进行性疾病转变为更易于控制的慢性疾病。这是自引起CF的基因CFTR被发现以来近30年研究的最新成果。

当一个孩子继承了该基因的两个突变拷贝时，CF就会发作，如今出生的患者的平均寿命在45左右。Trikafta以Vertex Pharmaceuticals公司生产的其他CF药物为基础，这些药物针对CFTR蛋白中的不同缺陷。第一个是Kalydeco，它被称为一种名为G551D的罕见突变，该突变影响美国约4％的患者。在这些患者中，CFTR蛋白无法打开其“门”并让氯化物通过，这与CFTR中的其他缺陷一样，会导致肺部粘液堆积。Kalydeco修复了这一缺陷，并于2012年获得批准。

Vertex随后将Kalydeco与另一种旨在修复另一种突变F508del的药物结合使用，该突变错折叠了CFTR并阻止了其到达细胞表面。但是事实证明，这种两种药物的结合配方Symdeko，效果并不如预期。

Trikafta在混合物中添加了第三种药物，以增强该策略的有效性。三重组合针对携带至少一份F508del的CF患者，可帮助CFTR到达细胞膜并打开“大门”。在临床试验中，该药物使肺活量增加了10％-15％，并缓解了CF并发症。

关于开始治疗有多早仍存在疑问（目前已批准该治疗方法适用于12岁及以上的年龄段，但正在对年幼的孩子进行测试），以及如何为Trikafta并非针对10％疾病的患者设计新药。

然而，在兴奋之中笼罩着阴影：Trikafta的标价每年超过30万美元，大概必须终身使用。也就是说，这种药现在还只有富人用得起。

#9 终于有了治疗埃博拉病毒的药物

1976年，从刚果民主共和国（DRC，当时称为扎伊尔）的雨林中出现了一种新病毒。它在Yambuku村杀害了280人，并造成了破坏性影响。从那时起，这种病毒就以取自附近的一条河流命名，而且一直是致命、无法治愈的感染的代名词：埃博拉病毒。今年，这种特征开始发生变化。

在刚果民主共和国历史上最致命的一次疫情爆发中，科学家们最终确定了两种药物，可以大大降低该病的死亡率。两种都是抗体，一种是从1996年埃博拉疫情的幸存者中分离出来的，另一种是在具有人源化免疫系统的小鼠中产生的三种抗体的混合物。在一项使四种不同药物相互抗衡的随机试验中，接受这两种药物之一的患者中约有70％幸存下来，而使用其他两种药物中的任一种的患者中约有50％存活了下来。结果如此令人信服，以至于该试验被提早终止。简单地进行审判本身就是一个显著的成就：它是在灾难性爆发和暴力冲突地区的临时治疗单位中进行的。

结果不仅可以通过提高患者的生存机会，而且可以通过鼓励人们及早寻求治疗来帮助抵抗该疾病。在没有有效药物的情况下，有症状的人经常试图逃避检测，并寻找传统的治疗办法，这加剧了疾病的爆发。

埃博拉病毒威胁出现40多年后，世界终于为应对这种病毒做好了更好的准备。这次胜利的设计师，也是试验的主要研究员，是刚果病毒学家Jean-Jacques Muyembe-Tamfum，他在Yambuku发现了这种病毒。

#10 AI首次在多人德州扑克中战胜顶级玩家

今年，人工智能（AI）程序在最受欢迎的扑克版本（无限注德州扑克）中击败了一些世界上最好的玩家。具有里程碑意义的结果标志着AI在多人游戏竞赛中首次获胜，在该竞赛中，玩家仅拥有关于游戏状态的不完善信息。

人工智能在游戏中以惊人的速度压制人类。在2007年，计算机科学家开发了一个程序，保证不会在检查程序中丢失。在2016年，另一个团队开发了一个AI程序，该程序在Go上击败了最优秀的棋手，这是一种棋盘游戏，其配置比跳棋要复杂得多。

扑克提出了更严峻的挑战，因为玩家看不到对手的牌，因此信息有限。在2017年，计算机科学家开发了一款无人值守的AI程序，该程序在Hold'em的两人游戏版本中发挥作用，其中每位玩家由面对桌上摆放的五张纸牌组成一手，每张纸上另外两张都是由私人持有。

通过对自己进行1万亿场比赛，他们的程序Pluribus开发了针对各种情况的基本策略，例如，进行内部比赛。对于每只特定的手，它也可以考虑如何玩牌。以每手平均获利来衡量，它在6个玩家的20,000手牌中胜过15个顶级玩家。

Pluribus的玩法不同于两人游戏的程序。这些计划寻求一种不输策略，即纳什均衡，这种策略保证了对手平均而言会变得更糟，除非他们也使用完全相同的策略。在有多个对手的情况下，没有这样的保证，因此Pluribus只是了解了在给定情况下最有效的方法。该程序还自学可在具有64个处理器的单个服务器上运行时进行播放——而Go-playing程序需要1200个以上的处理器。

人工智能开发人员还在继续挑战这个游戏。在扑克方面，仍有改进的空间。尽管Pluribus可以虚张声势，但它无法调整其策略来利用对手的特殊弱点。一些更复杂的游戏（例如合同桥）仍未掌握。尽管如此，现在可能已经到了人类兑现筹码，赶紧离场的时候了。

2019年四大科学灾难事件

除了上述的十大突破，Science还公布了今年的4大科学界灾难性事件，包括：

1）亚马逊大火

今年，森林大火席卷了亚马逊数千平方公里，许多人将矛头指向了巴西新总统贾尔·博尔索纳罗（Jair Bolsonaro）。巴西国家太空研究所（INPE）估计，亚马逊火灾比2018年增加了44％。其中一个因素是森林砍伐的增加，在截至7月的12个月中，森林砍伐面积约为9700平方公里，是2007年以来的最大面积。

2）麻疹“复活”

麻疹今年再次在美国咆哮，并在全球范围内持续高涨。尤其是在美国和欧洲，疫苗的错误信息都在病毒的复活中发挥作用，该病毒在2018年估计杀死了142,300人，并且是在有一种非常有效的疫苗的情况下。

截至11月5日，世卫组织收到了44万多份确诊的麻疹病例报告，比2018年全年增加25％，是2017年的两倍多。实际数字可能要大得多。

3）鸟类数量骤降

一项清醒的研究表明，自1970年以来，北美鸟类的数量下降了近30％，麻雀和黑鸟等普通鸟类在减少，而稀有物种也在减少。污染，气候变化和发展压力的生境丧失和生态系统是主要原因。

4）气候变化协议进展滞缓

提倡美国在气候变化方面采取更强有力的行动的倡导者今年从公众舆论正在摇摆的迹象中振奋。许多民意调查显示，越来越多的美国人认为气候变化是真实的，人类需要对此负责，政府和工业界应采取措施解决这一问题。

澳大利亚和北美发生了史无前例的野火，太平洋地区发生了珊瑚白化，欧洲发生了致命的热浪，使变暖的成本变得显而易见，各国政府未能遏制全球温室气体的排放引发了全世界的抗议。

加上世界对化石燃料的持续需求，使遏制气候变暖的努力蒙上了阴影。巴黎国际能源署（IEA）表示，尽管风能和太阳能等可再生能源激增，但如果当前的能源趋势继续下去，全球温室气体排放量将继续上升。