德国马普学会2019年重大科学发现亮点汇总

编者按：马克斯·普朗克科学促进学会（Max Planck Institute for the Advancement of Science，MPIAS，简称马普学会）是德国政府资助的全国性学术机构，主要从事自然科学和人文科学的基础研究。为了向公众及其资助者介绍马普研究所开展的科学研究状况，马普学会每年以年鉴的形式发布科学研究亮点报告，展示其最重要的科学进展。2019年12月，马普学会官网发布了本年度具有重大社会意义或引起媒体巨大反响的研究亮点，以飨读者。本报告就其主要内容进行摘编。

一、有史以来最高能量的γ 射线爆发（Gamma-ray bursts with a high radiant power）

γ射线爆发（GRB）是宇宙中最强大的爆炸。它们以γ 射线发出大部分能量，这种射线比我们用眼睛看到的可见光更有活力，持续时间几秒，最多几分钟。γ 射线爆发可能是由超新星（大质量恒星的爆发）及中子星或黑洞的融化引起的，其本身通常产生比可见光多几千到一百万倍的高能，只能从卫星上观测到。虽然太空观测站已经能够观测证明具有更多能量的单个光子的存在，但是，脉冲束发射到什么能量水平，以及是否包括非常高能量的伽马射线，迄今仍然是一个谜。

最近，天文学家在《自然》杂志上发表文章，证明他们已经观测到两次能量输出量无与伦比的γ 射线爆发。拉帕尔马岛（La Palma）上的两台MAGIC 望远镜记录到了迄今最强烈的γ射线爆发GRB 190114x。纳米比亚的H.E.S.S. 阵列的28 米望远镜报告了对另一个高能爆发的GRB 180720B 的观测。通过这些观测，天体物理学家成功证明了长期以来的一个假设：这种在最高能量范围内的宇宙闪光确实会发光。

二、色块会使自动驾驶车辆偏离轨道（Color patch could throw self-driving vehicles off track）

德国图宾根大学（Tübingen）的一个研究小组发现，基于深度神经网络的光流系统容易受到“攻击”。计算机视觉专家警告全球汽车制造商，一个简单的颜色模式可能会导致自动驾驶汽车的计算机视觉系统失灵。该发现对自动驾驶行业产生颠覆性影响，它向研发自动驾驶技术的汽车制造商表明，他们需要训练自己的系统以应对此类“攻击”。

印在T恤上、保险杠贴纸上或展示在购物袋上的色块可能成为自动驾驶汽车的一个安全问题。研究人员测试了几种不同光流系统的稳健性。这些系统被用于自动驾驶汽车、机器人、医学、视频游戏或导航等领域。光流系统描述的是车载摄像机捕捉到的场景中的运动。机器学习的最新进展为计算这种运动提供了更快更好的方法。但这项新的研究表明，这种计算运动的机器算法很容易受到干扰，只需在场景中放置一个打印的图案，就可能导致算法认为场景的大部分都在向错误的方向移动。

三、博登湖（又名康斯坦茨湖）鸟类数量严重下降（Birds in serious decline at Lake Constance）

博登湖鸟类学工作组和马普动物行为研究所的一项研究结果表明，在过去的30年里，博登湖周围的鸟类数量快速减少，这个地区已经减少了12万对鸟。1980年，该地区仍生活着约46.5万对鸟，而到2012年，这一数字已降至34.5万对，减少了25%。曾经很常见的鸟类，如麻雀、黑鸟和椋鸟，现在也在迅速减少。许多其他种类的种群数量太少，在博登湖地区由于栖息地缩小导致无法生存。

造成这种现象的主要原因是农业、林业等人类生产活动造成鸟类粮食短缺。人类对昆虫的灭杀对鸟类影响巨大，高效的收割方法几乎没有留下任何种子给食草动物。此外，大面积草地的频繁刈割、单作的农业生产、冬粮的早熟、排水设施的建设及休耕地的短缺，破坏了许多物种的栖息地。科学家呼吁重新考虑农业和林业政策，以应对生物多样性的迅速丧失。

四、新化石揭示“露西”祖先的脸（A face for Lucy’sancestor）

南方古猿湖畔种（A.anamensis）是已知的南方古猿属（Australopithecus）中最早的一个物种，被认为是“露西”南方古猿的祖先。以往的研究工作主要从下颚和牙齿中了解南方古猿湖畔种。直到克利夫兰自然历史博物馆和马普进化人类学研究所的研究小组在埃塞俄比亚Afar 地区的Woranso-Mille古生物遗址发现了第一个非常完整的380万年前的南方古猿湖畔种的头盖骨（MRD）。

研究小组开展了15年的现场考古工作，于2016年2月发现了头盖骨。古人类学家对其进行了核磁共振成像分析，地质学家则致力于确定标本的年龄和背景。这块具有380万年历史的头盖骨化石代表了410万—360万年前，南方古猿湖畔种（A.anamensis）进化产生了南方古猿阿法种（A.afarensis）。

MRD及之前从Afar地区获得的其他化石，显示了南方古猿湖畔种和南方古猿阿法种共存了约10 万年。这种时间上的重叠挑战了之前人们普遍接受的这两个早期人类祖先之间的线性过渡的观念。

五、全球变暖可能减少中欧地区植物的遗传多样性（Global warming may diminish plant genetic variety in Central Europe）

马普发育生物学研究所、图宾根大学、马德里技术大学和加州大学伯克利分校组成的科研小组研究了从欧洲500多个地理位置收集的拟南芥种群。在西班牙和德国干燥的条件下种植这些植物，揭示了个别植物对高温和干旱的反应。研究人员特别感兴趣的是，基因突变的独特融合如何使同一物种的不同个体抵抗实验模拟的极端气候。通过将这些数据与预测未来几十年温度和降水量在地理上如何变化的模型结合起来，了解植物生物多样性将如何受到人类活动引起的气候变化的影响。研究结果表明，随着降水量的减少和气温的升高，特别是在地中海和北欧之间的所谓过渡地带，欧洲大陆的许多主要植物种群将不具备生存必需的基因突变条件，只有少数植物物种能够应对日益严重的干旱环境。

六、老年人健康的生物标志物（Biomarkers indicate health in old age）

当科研人员研究衰老的分子基础时，通常研究蠕虫、果蝇或老鼠等模式生物。马普老龄生物学研究所与莱顿大学医学中心的老龄化研究人员合作，将模式生物的老龄化研究成果与人类老龄化的原因联系起来，利用血液中的一组生物标志物来确定老年人的疾病易感性。研究人员在44168 人的血液样本中寻找老龄化生物标志物，经过深入的分析，他们得到了一组由14种物质组成的生物标志物，包括各种氨基酸和胆固醇水平、脂肪酸平衡水平和炎症指标等。该研究结果可以帮助在临床研究中评估老年人的疾病易感性，并可能用于模式生物的延缓衰老干预研究。

七、桦尺蛾幼虫通过皮肤感知环境颜色（Caterpillars perceive colour through their skin）

桦尺蛾（Biston betularia）的幼虫和植物细枝很难区分。幼虫不仅模仿树枝的形状，而且模仿树枝的颜色。在一项新的研究中，英国利物浦大学和德国马普化学生态研究所的研究人员发现，桦尺蛾幼虫可以通过皮肤感知树枝的颜色。被蒙上眼睛的幼虫会改变它们身体的颜色以匹配它们所处的背景。当被赋予可选择的背景颜色时，蒙着眼睛的幼虫仍然会移动到与它们相似的背景。研究人员还发现，视觉所需的基因不仅在毛毛虫的眼睛中表达，而且在它们的皮肤中表达。

八、休息时大脑会重现做决策时的经历（While resting, our brain replays experiences we made while making decisions）

大脑的决策会导致大脑特定的活动模式。近日发表在《科学》杂志上的一篇文章揭示了海马体是如何学习，并将某些经历连接到记忆中的。马普人类发育研究所和普林斯顿大学的研究人员发现，当大脑在完成决策后休息时，海马体会“重现”之前同样的活动模式，直到其被内化。在这类重放事件的过程中，模式被激活的顺序与它们在决策过程中发生的顺序相同，但可能以更快的速度进行。

海马体是位于颞叶皮层内边缘的一个区域，在学习和记忆过程中起关键作用。在实验中，33 名受试者躺在核磁共振扫描仪中进行了40 分钟的复杂决策任务。在这一过程中，研究人员记录了位于大脑最前部的眶额皮质区域和海马体的活动。每种类型的决策都会出现一种特定的神经模式。每组任务完成后，参与者被告知休息5 分钟，安静地躺在扫描仪里。然后，研究人员观察在一项复杂的决策任务之后，休息时间的大脑中到底发生了什么。结果显示，海马体重新激活或重演，与先前决策任务中观察到的活动模式相同。

九、火灾削弱了热带雨林的系统稳定性（Fires weaken tropical rainforests for years）

这是第一次研究森林是否能够从气候恶化的压力中恢复，如火灾和干旱。来自伍兹霍尔研究中心、亚马逊环境研究所和马普生物地球化学研究所的一组科学家在巴西亚马逊Tanguro牧场研究站进行了14 年的测量，研究了一组热带森林在火灾后的动态。这几片森林在2004—2010 年被实验性地烧毁（每年烧毁1 次，3 年烧毁1 次，还有1 片未烧毁的对照区），然后在2012 年被风暴破坏。研究表明，7 年内，森林与大气之间的碳和水循环已恢复到火灾前的水平，但森林本身仍在衰退，大型老树仍在消失，取而代之的是生长迅速的年轻树种。不仅树木总生物量减少了，而且这些地块更容易遭到风暴的破坏。这项研究的指向远不止亚马逊地区，因为农业和伐木业的发展威胁着全世界的森林，气候变化也阻碍了森林的自我恢复。世卫组织2015 年的一项研究显示，气候变化预计将增加风暴和干旱等干扰的频率和强度。更频繁的干扰将阻碍生物量和生物多样性的恢复。

十、阿片类药物危机（The opoid crisis and its children）

马普人口研究所的科研人员发现，近年来，美国因药物滥用导致的死亡率持续上升，大大降低了美国人的预期寿命。2014—2016年，美国男性的预期寿命下降了约1/4年，女性的预期寿命下降了约一半。其中，47%的男性和36%的女性的死亡可归因于药物滥用。这种现象具有强大的队列群体效应，已蔓延到20—60岁的几乎所有年龄段的男子。需要采取行动来减少这一部分本可避免的死亡。

十一、迈向常温超导的又一重大进展（Another major step towards room-temperature superconductivity）

超导材料能无损耗传输电能，但其应用却因超导态严苛的低温要求受限。因此，实现室温超导成为科学家的重要目标。如今，他们离这一目标越来越近。美国和德国科学家组成的研究小组在《自然》杂志发表论文称，他们实验证实高压下的氢化镧在250 开（开代表绝对温标开尔文，250 开约为-23℃）下中具有超导性。而-23℃是迄今为止超导材料中已证实的最高临界温度。在这之前，高温超导的记录是-70℃。

十二、第一个黑洞图像（First-ever image of a black hole）

黑洞是具有重力的巨大致密宇宙物体，以至于它能捕获并消耗了周围所有的物体，包括光。由于它不反射任何光线，因此黑洞通常隐藏在清晰的视野中，完美地伪装在空隙的墨黑色上。但是，通过对周围的热气、明亮发光的气体云进行成像，由200 多名科学家组成的EHT 小组捕获位于Messier 87 （M87）中心的超大黑洞的轮廓，首次成功拍摄了一个黑洞。这个由8个地面射电望远镜组成的全球网络，聚焦在距地球约5500 万光年的Messier 87 星系。为了能够在这样非常遥远的距离捕获数据并保持读数同步，共收集了5000TB 的数据，计算量非常庞大。马普射电天文学研究所和毫米射电天文学研究所的研究人员也参与了这次观测。马普的研究人员直接观察了Messier 87星系中的巨大重力陷阱。

十三、饮食结构可能改变了人类的语言（A change in diet may have transformed human language）

人类语言的多样性令人难以置信，从无处不在的“m”和“a”到南部非洲一些语言中罕见的点击辅音。这一系列的声音通常被认为是在约30万年前随着智人的出现形成的。一项由苏黎世大学科学家领导，马普人类历史科学研究所、马普心理语言学研究所、里昂大学和新加坡南洋理工大学的研究人员参与的国际科研小组揭示了语言进化的新路径。这项研究表明，饮食结构的改变导致了新声音的产生。在许多现代语言中很常见的“f”和“v”等发音是一种相对较新的发展，源自饮食引起的人类牙齿咬合的变化。

远古时期，从狩猎和采集获取的食物很坚硬，所以人类的牙齿都是对齐咬合的，后期农业饮食中的较软食物使人类成年时能够保留更多的牙齿，上面的牙齿比下面的稍微靠前。这一转变导致了一类新的语音的兴起，现在，世界上一半的语言中有这种新的语音：唇齿音，即用下唇接触上齿发出的声音。

十四、鱼是否有自我意识（Are fish aware of themselves?）

将反射的镜像视为自我的感知和识别能力被认为是跨物种认知的标志。马普鸟类研究所、康斯坦茨大学和大阪城市大学的研究人员研究发现，裂唇鱼（Labroides dimidiatus）对它们的镜面反射做出反应，并试图在镜子测试中去除其身体上的痕迹。这一发现表明，鱼类的认知能力远高于人类此前的想象，并引发了科学家如何评估与人类不同的动物智力的争论。

文章来源

https://www.mpg.de/14307432/noteworthy-research-2019?c=2249

编译：江晓波 巩玥 罗彧，责任编辑：曹学伟

主编：赵立新

编辑部成员：张丽琴 王国强 刘薇 王达 曹学伟 苗晶良

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