近日，顶级科学期刊Science公布了年度十大科学突破。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（HeinoFalcke）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(RogerBlandford)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SgrA*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Messier87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。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SgrA*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,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，量子计算机在秒内就能计算出一台超级计算机需要10,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（EricPamer）表示，如果成功，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