作者:马滢雪 陶诚 来源: 中国科学报 发布时间:2023-12-25
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德国马普学会发布2023年科学研究亮点

 

随着气候变化,像西班牙这样的干旱会变得越来越频繁和极端。图片来源:马普学会官网

■马滢雪 陶诚

德国马普学会是世界顶级的基础研究机构。12月19日,该学会官网发布了本年度科学研究亮点。现解读部分亮点,供读者了解最新科学研究前沿。

1. 极端高温和干旱正在迅速逼近欧洲

典型的极端高温和干旱可能很快就会在欧洲出现,而且可能会反复出现。马普气象研究所的研究人员利用地球系统模型MPI Grand Ensemble进行数百次模拟,确定了北大西洋多年代际变率对极端高温与气候系统的影响。预测显示,到本世纪末,全球极端高温和干旱发生的可能性增加,且将会提前到来,整个欧洲还可能出现5年一度的干旱。此外,到2050年,有10%的可能性连续两年出现极端热浪。

2. 集体智慧可以挽救生命

在美国,每年约有25万人死于可预防的医疗错误,这些错误多源于诊断错误。多名医生会诊是提高诊断准确性的有效方法,然而一直缺乏对多个不同诊断进行整合并形成集体解决方案的方法。马普进化人类学研究所、认知科学与技术研究所的研究人员使用语义知识图谱、自然语言处理和医学本体论来标准化SNOMED CT(一种全面的多语言临床医学术语标准),提出一种全自动的汇总和评估程序,消除了形成最终诊断时可能存在的偏差,且更加快速和节省成本。研究人员利用该方法对10名医生的诊断进行整合,大大提高了诊断准确率。该方法将人类专业知识与人工智能驱动的知识表达、自动推理结合在一起,为不同领域的决策提供了新工具。

3. 心脏再生成为可能

人在出生后,心脏几乎完全丧失了再生能力。因此,心脏病发作带来的心肌损伤通常会导致成人永久性功能丧失。马普心肺研究所的研究人员在小鼠体内灭活了一种对脂肪酸氧化至关重要的名为Cpt1b的基因,这种重新编程能量代谢引起触发基因活动的变化,重新开启了心肌细胞的细胞分裂能力,使心脏再生成为可能,即使在心脏病发作后也可以很大程度恢复心脏功能。由于原则上可以在药理学上阻断Cpt1b酶的活性,因此该技术未来可开发用于影响Cpt1b酶活性的抑制剂,最终创造出全新治疗方法。

4. 电能直接转化为生化能

在自然界的化学反应中,由简单分子合成含能化合物均需要能量,但从来没有人尝试将人造电能直接输入生化反应。马普陆地微生物研究所的研究人员开发了一种人工代谢途径,利用酶级联反应,在电流的帮助下,由4种酶产生生化能量载体ATP。该酶级联反应在中心酶-醛铁氧还蛋白氧化还原酶的作用下,将酸还原为醛,从而将电能储存在醛键中,其余3种酶负责醛的再生。通过该反应,研究人员首次将电能直接转化为生化能,使从简单的细胞组件中,甚至从二氧化碳中合成高含能材料(如淀粉、生物燃料或蛋白质)成为可能。

5. Starlink(星链)卫星的电子设备干扰射电望远镜

天文学家从太空接收到的无线电信号非常微弱,因此射电望远镜一般建在可以屏蔽地面干扰的地方。而SpaceX的星链卫星网络等大型卫星星座的扩展为天文学研究带来了新的挑战。马普射电天文学研究所的科学家使用洛弗尔射电望远镜观测了SpaceX的68颗星链卫星,发现卫星机载电子设备会产生电磁辐射泄漏,该电磁辐射与目前在轨卫星的正常通信信号不同,可能会阻碍天文学研究。科学家呼吁所有卫星运营商和监管机构在卫星开发和监管过程中考虑对射电天文学的影响。SpaceX公司回应,将对未来几代卫星进行优化,防止对天文学研究产生负面影响。

6. DragGAN有望彻底改变数字图像处理

AI生成图像通常不能产生用户想要的结果。马普信息学研究所的研究人员开发了DragGAN技术,用户只需要点击几下鼠标,就可以改变AI图像。DragGAN包括生成器和识别器,前者负责创建图像,后者负责确定图像是真实的还是由生成器生成的。通过二者竞争性训练,直到识别器无法区分生成器生成的图像与真实图像。此外,DragGAN还擅长预测视频的下一帧图像,以及通过图像重建算法提高低分辨率图像质量。DragGAN预印本一经公布即在国际科技界引起轰动,该技术被认为是AI图像处理的下一个重要步骤。

7. 用氨制造绿色钢铁

钢铁行业是世界上最大的二氧化碳排放源,占全球温室气体排放量7%。科学家和工业界正在深入研究氢基冶炼方法,但市场缺乏足够的绿氢,而且目前氢气储存和运输需要高压和低温条件,导致成本居高不下。马普钢铁研究所用氨代替氢气直接还原铁矿石,无须先将氨分解成氢气和氮气,使成本降低约18%,而且氨的还原效果与直接用氢相同。另外,氨还原还可在铁表面形成氮化铁层,保护铁免于生锈。随着氨作为氢载体,绿色钢铁生产的门槛有望降低。

8. 甜食改变我们的大脑

为什么我们如此喜欢不健康和发胖的食物?这种偏好是如何在大脑中形成的?马普代谢研究所与美国耶鲁大学的研究人员测试了两组志愿者,在正常饮食之外,其中一组每天进食含有大量脂肪和糖的小布丁,另一组吃下的布丁虽然含有相同数量的卡路里,但脂肪更少。持续8周的实验证明,高脂肪和高糖的食物会改变大脑,特别是多巴胺能系统会被激活,使人不知不觉喜欢含有大量脂肪和糖的食物。

9. 冰河时期的人类历史

现代人大约4.5万年前就开始在欧亚大陆上生活,然而受限于早期人类遗骸稀少且难以保存,人们对于早期狩猎采集人群的遗传历史知之甚少。德国图宾根大学、北京大学和马普进化人类学研究所的研究人员分析了356名属于不同考古文化的史前狩猎采集者的基因组,研究结果首次直接支持了“西南欧由于具有更适宜的气候环境而成为末次冰期人类避难所的假设”。另外,研究还发现中欧和南欧的格拉维特人群所携带的遗传成分,在末次冰期后就被一个新的遗传成分所取代,这一遗传替换可能由气候变化促使的人群迁徙所引起。该研究深入描绘了欧亚大陆西部狩猎采集人群的迁徙和基因交流,重写了史前欧洲人群的遗传历史。

10. 遥远的星空摇篮

天文学家都希望解开星系中恒星形成的秘密。哈勃天文望远镜主要在可见光和紫外光谱部分观测宇宙,而灰尘会阻挡可见光和紫外线,因此在恒星形成的区域,哈勃天文望远镜只看到了气体和尘埃,而无法观测恒星生命周期最关键的早期阶段。詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)主要在红外光谱部分观测宇宙,由于红外光可以穿透灰尘,因而补充了哈勃天文望远镜现有的光谱数据。马普天文学研究所参与了相机滤光轮的开发,为JWST使用的红外相机之一Miri作出了重大技术贡献。JWST拍摄的首批图像展现了以前无法观测的恒星诞生区域,为理解星团和星系的演化提供了第一手线索。

(作者单位:中国科学院武汉文献情报中心)

《中国科学报》 (2023-12-25 第2版 国际)
 
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