人工智能、基因编辑、时空摇滚：塑造了21世纪10年代的科学大事件
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过去十年里，我们见证了从基因编辑到引力波等前沿科学的重大突破；接下来十年必须把焦点放在气候变化上。
DNA剪切系统CRISPR–Cas9的出现永远改变了生物学。来源：Juan Gaertner/SPL
科学和技术创新往往伴随着社会和经济转型，而过去十年的转变速度和程度在历史上皆属罕见。以当前的速度发展下去，下一个十年究竟会是什么模样，将取决于在这期间诞生的各种发现，无论是信息技术、应用生物学、还是能源与环境。
过去十年里，人工智能（AI）终于开始释放它巨大的能力和潜在的破坏力。深度学习主要利用神经网络识别复杂数据的模式，它的出现在很大程度上让AI得以施展拳脚，实现了可靠的语言翻译，在扑克1、电子游戏2及围棋3领域接连击败人类专业选手，并且在自动驾驶领域初露锋芒（参见Nature 518, 20–23; 2015）。
从材料科学到药物探索，从量子物理学到医学，没有和机器学习“发生关系”的领域屈指可数。可以肯定地说，目前许多由人类完成的工作将被机器这种低价高效的劳动力所取代，而这种转变很有可能先于我们的预期到来。
一波又一波的影响也引发了关于风险的讨论。不过，眼前的风险并不是终结者式的机器人叛乱，而是对我们手边计算工具的不合理应用或是滥用。算法依然疲于将人类的许多特质自动化，比如我们认为是常识的本领其实是一种非常精巧的认知能力。未来的机器需要具备细致入微的推理能力，以及对现实更准确的呈现，这就需要概念上的进步和架构上的创新，以及更大规模的回路。
AI的合理应用还应考虑到一点，利用人类过去表现结果进行训练的算法很可能继承了人类的歧视和偏见，而我们应该摒弃自动化程序绝对客观的既定看法4。对于那些希望在未来十年中打造出更加人性化、更加可靠的AI的科学家来说，是时候建立“机器行为”5这一跨领域学科了，这门学科需要来自心理学家、社会学家、哲学家、法学家、社会人文研究员，以及工程和物理科学专家的集体智慧。
“有一个不会被打败的存在。”在被谷歌AlphaGo连续击败后，韩国围棋选手李世石宣布退役。来源：Lee Jin-Man/AP/Shutterstock
慢半拍的监管
信息革命的影响力究竟有多大？需要处理大量数据的研究领域体会最深。拿生命科学来说，信息革命改变了整个微生物组研究——这里的微生物组是指特定环境中所有微生物的全部遗传物质（参见go.nature.com/2yy70bo）。而这种改变也反过来影响了我们对微生物的认知，从微生物在有机物分解过程中的重要性，到微生物在人类疾病中的作用。同理，人类演化研究也将焦点从骨骼和化石拓展到了基因和蛋白质，进一步揭示进化、迁徙和种群结构的复杂性。
到2010年，基因组测序的成本降低和速度加快在创造了大量价值的同时，也带来了不容忽视的挑战。自那时起，就有人敲响了警钟。
一些研究人员通过部署大数据和计算能力，希望能从遗传学中找到一些高度复杂问题的答案，比如人类行为和受教育程度（参见 Nature 574, 618–620; 2019）。事实是，这方面的关联非常分散，我们的了解也很浅显。尽管如此，还是有一些公司将它们的基因测试业务继续向有利可图的市场拓展，美其名曰“预测”智力；可以想见，一些声称能预测其他能力的产品不假时日也会接踵而至。在研究人员尚未对此类测试的可靠性和意义达成共识时，这种现象是不应该发生的，更不用提对其进行适当监管了。
过去十年里，研究人员卖力突破的另一个前沿是将人类成熟细胞重编程为干细胞。诱导细胞的多潜能即是让细胞具有演化成不同组织的能力，这能让科学家将成人细胞培养成几乎各种新细胞。目前，这些技术正被用于治疗视网膜和神经组织退化或损伤的临床试验。但这里也有一个相同的问题，这种快速出现的市场背后其实是一些未经证实且存在安全隐患的“疗法”。
过去的十年里，CRISPR-Cas9技术6,7也在基因组编辑领域“大展身手”。多年来，科学家之间默认不会有人敢于编辑生殖细胞系（精子、卵子和胚胎）的基因，因为这不仅会给出生后的孩子带来潜在危险，可遗传的修改还涉及尚未解决的伦理问题。当研究人员贺建奎在2018年11月宣布自己用CRISPR编辑了两个体外受精女婴的某个基因，科学界长期以来的沉默共识被打破了，全世界科学家对这种行为发出了集体谴责（参见 Nature 563, 607–608; 2018）。
在世界卫生组织、科研和医疗机构竞相制定监管规定的同时，我们需要反思：为什么伦理和监管框架总是落后于科技进步？（参见 Nature 575, 415–416; 2019）。研究人员还要思考如何才能确保新技术在被证明足够安全、有效、普适之前不会被随便应用（参见Nature 576, 7–8; 2019）。然而，我们不免担心，建立在虚假希望上的市场需求会再一次凌驾于科学界的冷静思考之上。
奏响时空摇滚乐
过去十年还告诉我们，在展望下一个十年时，绝不要低估科学家的创造力和克服困难的能力——前提是他们拥有足够的资源和来自资助机构、产业、决策者的支持。
2008年，瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究中心（CERN）启动了他们的大型强子对撞机，这也是全球最贵的科学合作项目之一。2012年，他们证实8,9了希格斯玻色子的存在，和粒子物理学标准模型预测的一模一样。
爱因斯坦在广义相对论中就预言了引力波的存在，一个世纪之后，两个黑洞的碰撞终于证实了这一点。来源：Victor de Schwanberg/SPL
四年后的2016年，研究人员又宣布探测到了引力波10，一项曾被认为难以实现的技术终获成功。广义相对论很早就预测了剧烈的天体物理学事件可能会在时空中引起微小的振动，这一想法最终被超高精度的激光干涉技术所证实。美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利的Virgo干涉仪已经可以测量黑洞或中子星撞击波所导致的质子直径在时空维度下的变化。随着越来越多的探测器投入使用，以及现有设备的不断升级，引力波正在成为除了无线电波和伽马射线等电磁频率之外，我们了解宇宙的又一个窗口。
无独有偶，在2010年左右，量子计算还停留在纸上谈兵的阶段，距离实际操作只是一个遥远的梦。再看看今天，即使是该领域的专家也诧异于第一批设备的飞速发展。2016年，IBM在云端推出了5量子比特的计算机；而如今，来自IBM、谷歌和其他公司的机器将量子比特扩大了一个数量级。未来十年的一大挑战是如何通过开发出大量量子运算，让这些资源找到更多的应用渠道。
中国量子信息技术的发展只是中国崛起为科研大国的一个缩影。来自中国的科学家已经能够利用量子方法来确保长距离数据传输的安全，例如率先使用量子隐形传态11通过卫星将信息安全送抵世界各地；中国还安装了构成初代量子互联网的城际光纤网络。中国政府希望通过“一带一路”倡议，在世界各地建设基础设施，如道路、铁路、港口甚至整个城市，从而塑造全球科研版图（参见 Nature 569, 5; 2019）。
在格陵兰浮冰上踢足球的日子还有多久？来源：Marius Vagenes Villanger/Kystvakten/Sjoforsvaret/NTB Scanpix/Reuters
气候噩耗
在过去的十年里，人们对环境危机似乎已经司空见惯了，这些令人忧心的危机背后是值得警惕的全球变暖速度。根据世界气象组织的数据，2015年至2019年是有记录以来最热的五年。以当前全球变暖节奏来看，把温升范围控制在工业前水平1.5或2 °C以内的行动窗口已经非常小了。下一个十年将是不成则败的关键十年。如果到2030年前，碳排放做不到大幅减少，人类将进入一个不可知领域，虽然仍有争议，但人类可能会突破不可逆的临界点12，比如南极冰层大面积融化。
目前，许多国家正在对新能源技术展开长期投资。聚变能源的下一个里程碑是2025年法国南部国际热核聚变实验堆（ITER）的启动。但是，考虑到气候变化的紧迫性，核聚变所能带来的利益无疑是“远水救不了近火”。ITER的路线图预计，2035年左右将迎来可持续的净电力增长，但商用至少要到等到本世纪中叶。
也就是说，未来10年里，我们需要在减少碳排的同时寻找在大范围内可行的产能方式。研究人员必须在技术上求新求变，如通过人工光合作用捕获碳或分解水；解决方案还必须带来能源经济运行方式的重大变化。想要开辟一条更可持续的道路，除了科学上的创新，还需要义无反顾的政治和产业意愿。
在许多国家，尤其是各种威权国家和否定气候变化的国家，这种意愿是极为缺乏的。但研究人员不应失去希望，他们必须挺身而出，与民间社团合作，勇于发声，挑战现状，并把采取行动看作自己的使命13，为重塑事实和真理的地位而不懈斗争。
过去的十年既令人瞩目，也令人不安。随着新知识的涌现，随着我们的社会和环境责任感被重新唤起，下一个十年必将是变革的十年。
观看：塑造上一个十年的科学大事
参考文献：
1. Brown, N. & Sandholm, T. Science 365, 885–890 (2019).
2. Vinyals, O. et al. Nature 575, 350–354(2019).
3. Silver, D. et al. Nature 550, 354–359 (2017).
4. Zou, J. & Schiebinger, L. Nature 559, 324–326 (2018)
5. Rahwan, I. et al. Nature 568, 477–486 (2019).
6. Jinek, M. et al. Science 337, 816–821 (2012).
7. Cong, L. et al. Science 339, 819–823 (2013).
8. ATLAS Collaboration et al. Phys. lett. B 716, 1–29 (2012).
9. CMS Collaboration et al. Phys. Lett. B 716, 30–61 (2012).
10. Abbott, B. P. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
11. Ren, J.-G. Nature 549, 70–73 (2017).
12. Lenton, T. M. et al. Nature 575, 592–595 (2019).
13. Nature 573, 309 (2019).
原文以The scientific events that shaped the decade为标题发表在2019年12月18日的《自然》社论上
© nature
Nature|doi:10.1038/d41586-019-03857-x
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