《科學(xué)》2022年度十大突破

編譯 劉迪一 喬琦

突破-1 NASA黃金眼看宇宙

2022年7月，美國總統(tǒng)拜登在白宮發(fā)布了詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）發(fā)回的第一張圖像?？偨y(tǒng)親自“開光”可不常見，但JWST完全配得上這份殊榮。

在發(fā)射升空之前，JWST項(xiàng)目已經(jīng)歷時(shí)20年，耗資近百億美元，堪稱人類觀測宇宙的“黃金眼”。除了升空前的巨大投入，JWST升空后面臨的困難也著實(shí)不小。它得飛越150萬公里，抵達(dá)預(yù)定的理想工作位置，然后再展開巨大的遮陽罩和涂著黃金的鏡片，整個(gè)過程需要344步，其中任何一步出差錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致前功盡棄。

好在，歷經(jīng)千難萬阻，JWST最后順利開始工作，發(fā)回的第一批圖像不僅“美麗”，而且顛覆了科學(xué)界的“認(rèn)知”。它通過實(shí)際行動(dòng)告訴世人，為它付出的一切都值得、非常值得。

作為人類歷史上最大的空間望遠(yuǎn)鏡，JWST擺脫了地球大氣的困擾，同時(shí)還裝備了一整套紅外波段觀測設(shè)備，從而得以窺見宇宙遙遠(yuǎn)的過去，觀測到遠(yuǎn)在130億光年之外的天體（也就是觀測到130億年前的宇宙），這是它的所有前任——包括大名鼎鼎的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)——都做不到的。鏡面口徑的提升也大大增加了望遠(yuǎn)鏡的分辨力，使得JWST發(fā)回的第一批圖像細(xì)節(jié)滿滿。對于同一個(gè)觀測目標(biāo)，JWST展示的細(xì)節(jié)之豐富，遠(yuǎn)超所有前輩。

除了揭秘宇宙極早期歷史之外，JWST還可搜尋地外行星乃至分析地外行星的大氣組成，為尋找人類在宇宙中的同伴作巨大貢獻(xiàn)。2022年9月，JWST發(fā)現(xiàn)了一顆7倍木星質(zhì)量的碩大系外行星HIP65426b，并且從4個(gè)不同波段繪制了圖像，揭示了許多有關(guān)其所在恒星系的奧秘。2022年11月，JWST又捕獲并分析了另一顆系外行星WASP-39b的星光——這項(xiàng)對其他望遠(yuǎn)鏡來說難如登天的任務(wù)在JWST這兒只能算是小菜一碟。結(jié)果顯示，這顆土星質(zhì)量的行星圍繞著一顆距地球700光年的恒星運(yùn)動(dòng)，大氣中存在水蒸氣、鈉、鉀、二氧化碳，乃至些許云。

毫無疑問，在今后的日子里，JWST還會(huì)繼續(xù)驚艷世人，他發(fā)回的數(shù)據(jù)必將給天文學(xué)帶來一場革命?？梢灶A(yù)見，與JWST相關(guān)的論文即將攻占各大科學(xué)期刊。天文學(xué)家們可有的忙了。

突破-2 多年生水稻解放勞動(dòng)力

人類離不開的糧食作物，水稻、小麥和玉米，都必須在每次收割后重新栽種。這帶給農(nóng)民以繁重勞動(dòng)，又導(dǎo)致某些環(huán)境問題。

云南大學(xué)的科學(xué)家通過將亞洲水稻的商業(yè)品種與生長在非洲的多年生野生稻雜交，培育得到多年生水稻23（PR23），并花費(fèi)2年多時(shí)間提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。

之后的大規(guī)模農(nóng)業(yè)實(shí)踐證明，PR23跳過了秧苗移栽的環(huán)節(jié)，大大減少了工作量，并幫助農(nóng)民將成本降低一半。此外，在種植多年生水稻的田地中，土壤養(yǎng)分也有所增加。

突破-3 AI玩轉(zhuǎn)藝術(shù)，探索科學(xué)

2022年的人工智能領(lǐng)域可謂突飛猛進(jìn)、與人搶食，在藝術(shù)表達(dá)和科學(xué)探索方面頻繁高光。

開放人工智能（OpenAI）實(shí)驗(yàn)室推出了升級版的文本生成圖像軟件DALL-E 2，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的擴(kuò)散模型，借助文本引導(dǎo)，能有效地從“噪聲”中生成逼真且美觀的圖片。

也有藝術(shù)家用擴(kuò)散模型創(chuàng)作出驚艷的美術(shù)作品，而谷歌等公司都推出了可供生成視頻的擴(kuò)散模型。

深智公司（DeepMind）發(fā)布的一款名為AlphaTensor的工具，能設(shè)計(jì)更有效的矩陣乘法算法——這在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、物理仿真與機(jī)器學(xué)習(xí)方面都有廣泛應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了被人類數(shù)學(xué)家忽略了幾十年的計(jì)算捷徑。同樣由DeepMind推出的AlphaCode，能通過編程解決一些數(shù)值問題，其代碼水準(zhǔn)與普通人類程序員相當(dāng)。

此外，科學(xué)家還利用AI設(shè)計(jì)了全新的蛋白質(zhì)，用于疫苗、建材、納米機(jī)器等領(lǐng)域。

突破-4 RSV疫苗取得重大進(jìn)展

大規(guī)模臨床試驗(yàn)證明，兩款針對呼吸道合胞病毒（RSV）的疫苗能有效保護(hù)受RSV感染影響最大的兩個(gè)群體，嬰兒和老年人。它們分別來自葛蘭素史克和輝瑞。

RSV疫苗成功防止60歲以上人群因感染而出現(xiàn)重癥，并且無嚴(yán)重副作用。而當(dāng)懷孕后期的母親接種后，她的孩子甚至能收到母親的抗體，從而獲得長達(dá)6個(gè)月的周全保護(hù)。

RSV通常只會(huì)引發(fā)輕微的類似感冒的癥狀，但能令嬰兒肺部的小氣道發(fā)炎，惡化老年人的肺部和心臟狀況。RSV疫苗研發(fā)工作曾因嚴(yán)重致病致死事件而中斷數(shù)十年。

后來科學(xué)家找到關(guān)鍵原因：過去的疫苗由全病毒的化學(xué)滅活版本制成，只引發(fā)相對較弱的抗體，不僅無法阻止病毒，還會(huì)通過鮮為人知的機(jī)制幫助RSV破壞氣道。

最新疫苗避開了這一問題，其所用的病毒表面蛋白在?？恐良?xì)胞受體后會(huì)改變形狀，病毒會(huì)與細(xì)胞融合，從而建立感染。此外，新疫苗能引發(fā)高水平的強(qiáng)效抗體。

突破-5 快用肉眼看看2cm超大細(xì)菌

2022年的生物學(xué)界被一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巨型細(xì)菌給驚到了。它叫“華麗硫珠菌”，是你用肉眼就可觀察到的史上最大細(xì)菌，形如細(xì)繩，長達(dá)2厘米，比普通細(xì)菌細(xì)胞大了5 000倍，最初現(xiàn)身于法屬安的列斯群島紅樹林沼澤里的枯葉表面。

華麗硫珠菌擁有其他微生物所不具備的數(shù)個(gè)“內(nèi)部隔間”，其中包括一個(gè)充滿水的囊——可能就是它讓顯微生物變成了可見細(xì)菌。此外，華麗硫珠菌有一個(gè)完整的內(nèi)部膜網(wǎng)絡(luò)，可生產(chǎn)三磷酸腺苷（ATP），為如此巨型的細(xì)胞提供足夠燃料。

突破-6 美國的歷史性氣候法案

2022年8月，美國總統(tǒng)簽署《降低通貨膨脹法案》（Inf l ation Reduction Act，簡稱IRA），其中包含了歷史性的氣候條款：政府會(huì)在10年內(nèi)撥款3 690億美元，用于支持可再生能源和核能發(fā)電，同時(shí)推動(dòng)電動(dòng)汽車的生產(chǎn)普及，并研究減少工業(yè)排放的方法。

不過僅IRA還不足以幫助美國兌現(xiàn)其在2016年《巴黎協(xié)定》中的承諾，即到2030年將溫室氣體排放量減少50%。分析人士指出，要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，美國各州還需要增加清潔能源生產(chǎn)。

另外，眼下的世界相較工業(yè)化前時(shí)代已經(jīng)升溫1.2℃。許多氣候科學(xué)家判斷，我們正朝著全球平均升溫1.5℃的危險(xiǎn)邊界駛?cè)?，難以挽回……

突破-7 人類首次行星防御實(shí)驗(yàn)成功

2022年9月底，NASA的“雙小行星重定向測試”航天器（Dart，又稱“飛鏢”）成功撞擊遠(yuǎn)在1 100萬公里之外的小行星迪莫弗斯，改變了它以及它的伙伴迪迪莫斯的運(yùn)行軌道。

這是人類歷史上首次主動(dòng)撞擊小行星。這個(gè)項(xiàng)目的成功也向世人展示了人類有能力規(guī)避小行星撞地球的風(fēng)險(xiǎn)，從而免遭6 600萬年前恐龍因小行星撞地球而慘遭覆滅的厄運(yùn)。

迪莫弗斯和迪迪莫斯是兩顆相伴而行的小行星，迪莫弗斯是其中較小的一顆，直徑大約160米（迪迪莫斯直徑大約780米）。它倆結(jié)伴繞太陽運(yùn)行，周期大約770天，最接近地球時(shí)距離約為720萬公里。 同時(shí)，迪莫弗斯也繞著迪迪莫斯運(yùn)行，周期接近12小時(shí)。

在“飛鏢”航天器以超過6千米/秒的速度命中迪莫弗斯兩周后，科學(xué)家觀測到，迪莫弗斯繞迪迪莫斯運(yùn)動(dòng)的周期縮短了32分鐘——超過預(yù)定目標(biāo)的26倍?？梢哉f，在人類的幫忙下，迪莫弗斯向伙伴迪迪莫斯邁出了一大步。

據(jù)估算，太陽系中大約有25 000顆撞擊地球后足以毀滅一座大型城市的近地小行星，但我們目前只發(fā)現(xiàn)了其中的大約40%?！帮w鏢”探測器正中紅心的出色表現(xiàn)告訴我們，人類有能力改變目標(biāo)小行星的運(yùn)動(dòng)軌跡。不過，要想構(gòu)筑完善、可靠的行星防御體系，還需我們進(jìn)一步偵測出那些對地球存在致命威脅的小行星。

突破-8 EB病毒竟是多發(fā)性硬化癥元兇

來自上千萬美國新兵的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)表明，一種常見的人類皰疹病毒，EB病毒（Epstein-Barr virus，EBV）是多發(fā)性硬化癥（MS）的重要參與者，幾乎所有MS病例都由常見EB病毒引起。

多發(fā)性硬化癥是一種常見的中樞神經(jīng)脫髓鞘疾病，會(huì)導(dǎo)致免疫系統(tǒng)攻擊保護(hù)大腦和脊髓神經(jīng)元的髓鞘，引發(fā)神經(jīng)炎、眼肌麻痹、肢體癱瘓等一系列癥狀，且病情往往隨著時(shí)間推移而惡化，但MS的具體成因尚不清楚，也暫無明確治愈方法。目前全球有280萬多發(fā)性硬化癥患者。

EB病毒往往感染年輕人，致其出現(xiàn)極度疲勞、發(fā)燒、咽炎、淋巴結(jié)腫大等單核細(xì)胞增多癥的癥狀。它能長期（甚至終生）潛伏于人體淋巴組織，主要通過唾液傳播。約95%的人都在生命的某個(gè)階段感染了EB病毒。

2022年的新發(fā)現(xiàn)有望帶來治療和預(yù)防多發(fā)性硬化癥的新方法。

突破-9 黑死病對人類的自然選擇

學(xué)術(shù)界一直想知道黑死病在幸存者及其后代身上留下了怎樣的遺傳印記。

2022年，科學(xué)家分析了來自倫敦和丹麥的500多具遺骨中的古DNA。這些遺骨埋葬于黑死病之前、期間和之后。分析結(jié)果顯示，幸存者攜帶的某些突變增強(qiáng)了他們對鼠疫耶爾森菌的免疫反應(yīng)。

倫敦樣本的免疫基因中，有35種突變比中性突變傳播得快得多，其中4種在丹麥樣本間也迅速傳播。研究團(tuán)隊(duì)相信，這些突變發(fā)揮了重要的抗瘟疫作用。

有一種名為ERAP2的基因表現(xiàn)特別突出。該基因負(fù)責(zé)編碼的蛋白質(zhì)叫內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氨基肽酶2，已被證明能幫助免疫細(xì)胞識(shí)別和對抗病毒威脅。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的說法，大多數(shù)人只有1份ERAP2基因，若某人攜帶2份保護(hù)性ERAP2等位基因，他在黑死病中存活下來的可能性增加40%～50%。

突破-10 200萬年前的綠洲格陵蘭

2022年，科學(xué)家從北極荒漠凍土中提取出有至少200萬年歷史的古DNA片段。在此之前，DNA的保質(zhì)期一直都是大約100萬年，更古老的遺傳材料會(huì)因嚴(yán)重降解而無法讀取。

研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用已打磨數(shù)年的技術(shù)，從凍土礦物中提取DNA片段，然后通過高通量測序?qū)ζ溥M(jìn)行解碼，最終重建得到一個(gè)失落的世界：

200萬年前的格陵蘭島北部處于溫暖氣候時(shí)期，森林茂密，植被豐富，楊樹、金鐘柏和其他針葉樹蓬勃生長，你能看到多種動(dòng)物活躍的身影，有黑雁、馬蹄蟹、馴鹿、旅鼠等，還有已經(jīng)滅絕的乳齒象。

資料來源Science