“The Shadow was only a small and passing thing. There was light and high beauty forever beyond its reach.”

圖片來自Science雜志

2020年是特殊的一年，新冠疫情的爆發和流行改變了普通民眾的日常生活，也極大地影響了科學家。科學家沒有了面對面直接交流，課程和網上會議經常一個接一個排滿了一天。很多人重新安排了研究計劃以應對這一影響人類歷史的重大健康危機。科學論文發表也發生了許多變化，預印本被廣泛應用；在傳統期刊上，新冠相關的工作經同行評議后快速隨時上線。《科學》雜志第一篇關于新冠的文章是病毒刺突Spike蛋白的電鏡結構，從投稿到接受后發表僅僅用了9天（投稿到接受僅用9天！Science率先發布新冠病毒刺突蛋白電鏡結構）。在疫情爆發的一年之內，萬眾期盼的多個疫苗完成了三期臨床，逐步開展了普通人群的大規模接種工作。

按慣例，《科學》雜志評選了本年度十個重大科學突破，第一個就是帶給人類希望的疫苗成功研制！ 

疫情大流行開始，很多人被困在家中，不能自由逛街、不能聚會活動，不少人傷心地問著同樣的問題：“這樣的日子什么時候是個頭？（“When is this going to end?）”。但其實自從新冠病毒的基因組序列由中國科學家張永振團隊發表公開后，對于COVID-19疫苗的研究便立刻開始了。 

從今年二月開始，幾家公司已經啟動了積極的COVID-19疫苗項目。研發人員利用一系列令人眼花繚亂的技術來制造有效的疫苗。Moderna和輝瑞生物技術公司的合作建立在一種從未向市場推出過藥物的戰略上：實驗室制造的mRNA疫苗。刺突蛋白（Spike）的遺傳密碼片段被重新設計并用一層脂肪包裹起來，方便其進入人體細胞之中，然后人類細胞就可以制造病毒蛋白。 

但是制造疫苗不僅僅是技術的選擇問題。它必須在成千上萬接受注射或安慰劑的人身上進行測試，首先是安全性，其次是有效性，并需要對副作用進行監控。美國國家過敏和傳染病研究所所長福奇博士曾經說過，制造新冠病毒的疫苗并不是從口袋里掏出疫苗來這么簡單。福奇說，開發一種疫苗通常需要6-8年的時間，在好的情況下，至少需要6到8個月才能知道它是否有效。

7月27日，Moderna和輝瑞生物技術公司的候選疫苗都進入了療效試驗，這些mRNA疫苗成為第一批突破終點線的疫苗（mRNA疫苗背后的故事！從不被看好的想法，到拯救人類的希望），截止11月科學家們發現每一種疫苗的功效約為95%。95%，這一數字遠遠好過大家的預期。因為像流感疫苗表現好的年份有效率也不過60%。從來沒有如此多的競爭者如此公開和頻繁地合作，也從未有如此多的候選藥物幾乎同時進入大規模療效試驗，也從未有過政府、企業、學術界和非營利組織在如此短的時間內投入如此多的資金、力量和腦力來對付同一種傳染病。團結的力量是巨大的。 

但疫苗的研制成功也并非事件的終點，在其他方面整個世界還有一段漫長的、崎嶇的路要走。疫苗的原料、生產、供應鏈、運輸等問題是投產后要面臨的另外的“大山”。疫苗可能可以預防疾病，但是不能隔絕傳播也不能治療疾病，轉向人群中進行施用后可能會出現罕見的副作用等等問題。但是，科學家和醫生們仍在砥礪前行，永遠心懷希望。那些重聚的、團圓的、歡樂的場景正在不遠處等著我們呢！ 

疫苗帶給人們希望，疫情帶來沖擊，讓大家認識到這個世界的割裂，各種誤謬、不準確的消息和信息混雜、發酵，讓辛勤工作科學家面臨了更多的挑戰。《科學》制作了時間軸線圖，分享了一年來重要的相關科學事件和進展，并進行了特別評論：A divisive disease。

評述中，有中國完成了不可能的任務：對武漢進行封城極大地阻止了病毒的傳播，防止疫情擴大。盡管藥物的篩選研發并不十分理想，多國合作進行的臨床實驗—如英國Recovery和世界衛生組織的Solidarity項目—其結果表明了羥基氯喹和其它一些藥物是無效的；臨床實驗同時也發現地塞米松治療能降低三分之一死亡率。 “相信科學，依靠科學”是我們對抗這場危機的唯一的武器。但面對割裂和蕪雜的外部世界，科學不再純粹。評述特別指出了論文發表提速的同時也出現了一些不夠嚴謹的文章，甚至像The Lancet和NEJM也跌落神壇（因為羥氯喹治療新冠的研究都有過撤稿記錄）。有些科學家發表了極富爭議的意見，比如群體免疫的策略。這引起了科學社區的強烈反對，上千科學家共同簽署了John Snow備忘錄，聲明群體免疫是“非常危險的謬論“。 大流行折射了人類的脆弱，科學仍需砥礪前行！《科學》還選出了另外四項生物醫學研究進展（生物以外的項目包括：全球氣候變暖預測、難以捉摸的快速射電暴源、世界上7幅古老的洞穴壁畫、人類首次實現高壓下室溫超導、科學家大罷工聲援種族歧視）作為年度突破：

1. 人工智能成功預測蛋白結構

50年來，科學家們一直在努力解決生物學中的挑戰之一：預測一串氨基酸在變成有功能的蛋白質時折疊成的精確3D形狀。今年，他們實現了這個目標，開發了一種人工智能AlphaFold程序，它可以盡可能精確地預測大多數蛋白質結構。因為蛋白質的精確結構決定了它的生化功能，這個新項目可以幫助研究人員揭示疾病機制、開發新藥甚至創造抗旱植物和更便宜的生物燃料。

2. 基因編輯工具CRISPR的首個基因治療 

CRISPR技術在今年榮膺諾貝爾獎，該技術已經在科學研究和醫療的方方面面中起到了關鍵性的作用。而在今年CRISPR技術更是在地中海貧血和鐮刀型細胞貧血癥這兩種血液病的治療中再立戰功。地中海貧血患者攜帶氧氣的血紅蛋白水平低，導致虛弱和疲憊；而患有鐮刀型細胞貧血癥的人會產生一種有缺陷的蛋白質，導致鐮狀紅細胞堵塞血管，導致嚴重疼痛、器官損傷和中風。為了治療三名鐮狀細胞患者，研究人員分別采集了未成熟的血液干細胞，并利用CRISPR技術來關閉細胞中的一個開關，這個開關可以阻止成人體內胎兒形態的血紅蛋白的產生，達到對抗鐮刀型突變的效果。地中海貧血患者進行了治療，這些患者通常需要輸血，而在這種新療法出現之后他們此后再也不需要輸血了。但需要提處的一點是，CRISPR技術需要高科技醫療護理，每位患者的醫療費用可能會達到100萬美金之多。未來，更加商業化的、價格更適宜的優化版CRISPR療法將會更加為患者所需。

3. 探索HIV“精英“控制者的背后機制

HIV作為逆轉錄病毒可將其遺傳物質整合進感染者基因組，躲過免疫系統的巡查和藥物目標打擊。人類感染者確實存在“精英“控制者，感染多年但體內病毒控制在非常低的載量，即使沒有使用抗病毒藥物仍然如此。
今年，一項研究招募了64名這樣的HIV精英控制者，對照組則包含了41名在進行治療的感染患者，以試圖解開病毒低載量的秘密。研究發現，在精英控制者中，45%的HIV整合位點存在染色體中的“基因沙漠“，這些區域往往沒有或很少有轉錄活動；這樣原病毒很難繼續復制擴散。而在普通感染者中，只發現17.8%的病毒整合位點是在這樣基因沙漠區域。一旦HIV整合在基因中，隨著基因被轉錄，病毒遺傳物質得到復制擴增，感染迅速在體內擴散。這項研究成果雖然不能直接治愈，但提供一種全新的策略可能幫助有效控制感染（詳見BioArt報道：Nature | 破解HIV精英控制者不發病之謎）。 

4. “萬物有靈“，聰明的鳥類

大腦新皮層（neocortex）包含多個垂直遞進的神經元層，聚集了很多形態功能各異的神經元胞體。新皮層參與了很多神經的高級活動，如認知，感知、語言和邏輯推理等。這是人類復雜大腦活動的基礎。而鳥類腦的神經元組織方式簡單。依靠新技術3D偏振成像，科學家檢查了鴿子和鷹的腦部，發現神經元不僅縱向并且橫向連接，組織方式和人類的新皮層非常相似，說明了鳥類具備了高級神經活動的物質基礎。而另一組科學家則發現了烏鴉可存在感官意識，這也是人類自我覺知的基礎原始形式之一。感官意識存在于鳥類和哺乳動物，說明意識的起源非常早。