2022 Science年度十大科学突破
2022/12/18 7:00:00 科学大院
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每一年，《科学》杂志的编辑团队都会评选出一项年度科学突破冠军以及九项年度科学突破入围奖。它们是一年里最重大的科学发现、科学进展和趋势。
No.1 NASA明星级新型太空望远镜
在经历了无数次挫折、长达20年的开发、100亿美元的高昂投入和150万公里的太空艰险旅行之后，新的詹姆斯·韦布太空望远镜(JWST)终于张开了它的红外黄金之眼。工程师们列出了总共344个关键步骤，如果其中任何一个步骤出错，都可能导致任务失败。但JWST传回地球的第一批数据和图像表明，这一切都是值得的。它能让我们以前所未有的清晰度和震撼人心的方式一窥我们的宇宙以及其深邃难测的往昔。
为了纪念这一壮举，《科学》杂志将JWST的飞行评选为2022年的年度科学突破之首。太空望远镜可以不受地球大气层的妨碍，为我们提供周围宇宙的纯真视图。然而，与其前身哈勃太空望远镜不同，JWST可以捕捉红外光，其中包括从最早出现的恒星和闪烁星系所发出的光。在2022年6月下旬上线后的几天内，研究人员开始发现数千个新的星系，它们比以前记录的任何星系都更为遥远和古老——其中一些也许比哈勃望远镜发现的最古老的星系还要早1.5亿年。
更重要的是，该望远镜能够收集足够多的从天体(从诞生中的恒星到系外行星)发出的光，从而揭示这些天体的组成以及它们在太空中的移动轨迹。这些数据已经开始以极为详细的方式揭示了距离地球数百光年外的各行星的大气组成，这将为它们是否可能以我们所知的方式支持生命提供线索。
入围2022年Science年度十大科学突破的研究还包括：
惊人的巨型细菌
今年，一种具有复杂内部结构的巨型细菌的发现震惊了生物学界。依据相关定义，微生物应当是微观的，需要使用显微镜才能看见，但是这个暂时被命名为Thiomargarita magnifica的微生物，却比许多细菌细胞大5000倍，像一根图钉一样长。在法属安的列斯群岛的一片红树林沼泽中，这种单一的线状细胞在腐烂叶子的表面首次被研究人员发现。
更易于耕种的多年生稻
世界上主要的粮食作物——水稻、小麦、玉米——每次收获后都必须重新种植。这对农民来说是一项繁重的劳作，并可能导致土壤侵蚀等环境问题。就在今年，中国的研究人员培育出的“多年生稻23”(PR23)可以达到广适、高产稳产、多年生性强的标准，并为农民节省了数周的繁重劳动。
这种名为PR23的品种是多年前由一种亚洲商业水稻品种和一种生长在非洲的多年生野生水稻杂交而成。研究人员花费了二十多年的时间来提高其产量和质量。在2018年，云南大学等机构的研究人员向中国农民发布了PR23，并开展了一项大规模实验。
该研究小组上个月在《自然·可持续发展》杂志上报告称，PR23的产量可与常规的季节性种植水稻持平。第一年，种植和栽培的成本与普通水稻差不多；但在第二年，农民则可以省去一项主要任务：将秧苗移栽到稻田中，由此，每公顷每季减少了77人/日的工作量，并帮助农民降低了一半的成本。种植多年生稻的土壤养分也有所增加。然而，到了第五年，由于产量大幅下降，则需重新种植多年生稻。
黑死病如何改变欧洲人基因的新见解
自从700年前黑死病杀死了欧洲三分之一到一半的人以来，研究人员一直想知道这种致命的瘟疫是如何在幸存者身上留下印记的。这种毁灭性的大流行病一定是一种强大的选择性力量，“偏袒”具有特效免疫防御的人。今年，研究人员利用研究古代DNA的工具来观察在瘟疫期间生活和死亡的人的免疫基因差异，并确定了一个戏剧性的影响。
研究小组分析了伦敦和丹麦黑死病之前、期间和之后埋葬的500多人的骨骼中的古代DNA。今年10月，他们在《自然》杂志上报道称，幸存者更有可能携带增强他们对鼠疫耶尔森氏菌(Yersinia pestis)免疫反应的基因变异。鼠疫耶尔森氏菌是一种由跳蚤传播的细菌，会引起鼠疫。
在伦敦黑死病之后，惊人的245个基因变异的频率上升或下降；有一个基因特别突出：ERAP2。它编码一种叫做内质网氨肽酶2的蛋白质，这种蛋白质已被证明可以帮助免疫细胞识别和对抗威胁病毒。
在黑死病之后的一个世纪里，这种保护性基因变体在欧洲的快速传播是迄今为止人类基因组自然选择的最有力例子。如今，45%的英国人体内仍然存在ERAP2的保护性变异。它的持续存在表明，直到最近，它仍然受到自然选择的青睐——可能是因为直到19世纪早期，鼠疫还在欧洲和亚洲流行。但这种保护可能是有代价的：同样的变异也会增加患自身免疫性疾病的风险，如克罗恩病和类风湿关节炎。
200万年前环境DNA重现古老生态系统
直到最近，DNA的保质期被确定为大约100万年。比这更古老的遗传物质可能因为退化得太严重而无法被读取。然而在今年，科学家们把时钟拨到了更古老的从前，他们在北极沙漠的冻土中成功提取了至少200万年前的微小DNA片段。
这项研究被誉为杰作，展示了环境DNA在重建“消失的世界”方面的力量。在这种情况下，一个不同于当今任何现存的沿海森林，在格陵兰岛北部的温暖气候时期繁荣昌盛。从堆积在峡湾口的一层厚厚的沉积物中提取的41个富含有机物的样本中的DNA片段显示，那里有茂密的杨树、崖柏属和其他针叶树，还有黑鹅和马蹄蟹，以及驯鹿、旅鼠和乳齿象等哺乳动物。在此前，没有人预料到这种已经灭绝的大象亲戚的活动范围会向北延伸到那么远的地方……
RSV疫苗取得突破进展
针对呼吸道合胞病毒(RSV)的两种疫苗的大规模临床试验最终证明，它们可以安全地保护受这种常见感染影响最严重的两个群体：婴儿和老年人。这两种疫苗都预防了60岁以上人群的严重疾病，而且没有引起严重的副作用。其中一种在给孕晚期母亲注射后可以将抗体传给胎儿，从而继续保护婴儿长达6个月的时间。
RSV通常只会引起轻微的类似感冒的症状，但在婴儿中，这种病毒会使肺部的小气道发炎，而在老年人中，它则会恶化现有的肺部和心脏疾病。50多年前，一种实验性候选疫苗的临床试验导致两名儿童死亡以及80%的接种者住院，此后，RSV疫苗的研发中断了数十年。
科学家们随后发现了关键原因：由整个病毒的化学灭活版本制成的疫苗只引发相对较弱的抗体，不仅不能阻止病毒，并且会通过某种尚未明确的机制，帮助RSV破坏呼吸道。
2013年，当时在美国国家过敏与传染病研究所工作的Barney Graham及其同事取得的一项关键进展，使得新疫苗避免了这一问题。疫苗中使用的一种病毒表面蛋白在与细胞受体对接后改变形状，病毒与细胞融合，形成感染。目前在莫尔豪斯医学院工作的Graham领导的研究小组找到了将蛋白质锁定在预融合状态的方法。因此，接种疫苗会引发更高水平的强效抗体。
今年由葛兰素史克和辉瑞公司进行的临床试验的好消息证明了这一策略是正确的。更多的结果将很快公布：杨森制药公司和巴伐利亚北欧公司正在对他们的老年人RSV疫苗进行有效性试验。这两种疫苗在开发的早期阶段均表现良好。
人类首次行星防御实验成功
在距地球数百万公里外，一颗被命名为迪莫弗斯(Dimorphos)的卫星千百万年来都在绕着另一颗更大的小行星旋转。9月26日，NASA用一枚航天器撞击了迪莫弗斯，永久地改变了它的轨道——同样的策略也可能在将来拯救整个人类文明。
这项实验是双小行星改道测试(DART)计划的一部分，其使用的是一颗约为冰箱大小的航天器。它以每秒6公里的速度成功撞击上了直径160米的迪莫弗斯，科学家们也为有史以来首次行星防御任务模拟实验的成功而庆祝。NASA的目标是将迪莫弗斯稍稍撞向它所环绕的小行星，以缩短其轨道周期。若在未来探测到环绕地球的小行星，使用这一方法可消除其带来的威胁。
这一高光时刻的背后是多年来的准备与策划。科学家们进行了许多计算机模拟，并用射弹轰击了许多行星的小型复制品，以预测在撞击过程中究竟会转移多少动量。但这些模拟给出的结果差异很大，其中一个变量是目标小行星自身的结构：撞击的结果部分取决于其是一块完整的巨石，还是只是在引力作用下聚在一起的一些碎石。
在撞击发生之前的几分钟，DART航天器的机载摄像机传回了迪莫弗斯的图像(见上图)。随着距离拉近，人们清楚地看到它是一个蛋形的碎石堆。在撞击之后的两周，科学家们整理了观察的结果，确认该卫星大约12个小时的轨道周期缩短了32分钟——这比NASA原定的目标大了26倍还多。尽管只有这一次碰撞实验，但它给科学家们提供了一个非常重要的数据集，帮助他们建立之后小行星偏转任务的动量模型。
据估计，大约有25,000个常见的近地小行星大到足以摧毁一座城市，能够对人类产生威胁。然而截至目前，天文学家只探测到了其中的40%。科学家们对近地天体照相机期待已久，它是一台天基红外望远镜，能够定位到更多具有潜在威胁的小行星。但NASA几度削减这项计划的资金，它也不断面临着计划延迟的命运。DART已经展现了避免此类危机的可能性，但若没有更多有关潜在威胁的情报，建立强大的行星防御系统也无从谈起。
美国通过具有里程碑意义的气候法
几十年来，美国科学家们对气候变化风险的记录一直处于世界前列；在国际论坛上，美国外交官也将全球变暖列为人类迫在眉睫的危机之一。然而，这些警告是空洞的：和其他许多富裕国家不同，美国仍是世界第二大温室气体排放国，并且其从未通过一项法律以大幅减少温室气体的排放。今年夏天，一项试图通过此类法案的尝试似乎又面临着失败的命运。
然而，在立法投票的瞬间，一位关键议员突然放弃了自己的反对立场，改变了整个局面。这次通过的所谓《降低通胀法案》(IRA)中与气候有关的条款是美国有史以来为减缓全球变暖所迈出的最大一步。该法案将在未来的十年向可再生能源与核能发电提供3690亿美元的资金、鼓励向电动汽车的全面转型并激励与减少工业排放相关的研究。根据一些独立研究团队的计算，它应该能使美国在十年后将其温室气体排放量降低到其2005年排放水平的40%。
然而，仅靠IRA还不足以让美国实现其2016年在巴黎气候协议中的做出的承诺，即在2030年前降低50%的排放量。分析人士表明，要达到这一目标，各州必须增加清洁能源的使用比例。环境保护局也需要颁布并执行针对电力公司的温室气体法规——未来的总统和法院也要持续地支持这些规定。一些气候活动家也对IRA表示了批评，因为它鼓励从烟囱中捕获排放的碳，同时也允许继续在墨西哥湾进行石油和天然气的钻探。这些举措为这项法案的通过赢得了支持，但批评者们认为它延续了本不应再继续存在的化石燃料行业的生命。
自工业时代，世界已经变暖了1.2°C，而根据国际谈判中商定的“气候变暖危机”门槛，也即全球平均气温上升1.5°C，我们所剩的时日已经无多了。预计，今年全球温室气体排放量将再次上升，而不是下降。许多气候学家认定全球平均气温上升肯定会超过1.5°C。尽管IRA是朝着正确的方向迈出的一步，人类仍需要更快地采取更多行动。
创造性人工智能的快速发展
无论是艺术还是科学发现，人工智能(AI)正向着原来被认为只属于人类的领域进军。起初，它们对相关领域的蚕食还十分缓慢，但在今年却直接演变成了攻城略地。
最具有视觉冲击力的证据——它们充斥着社交平台的各个角落——来自于所谓的文本生成图像模型。它们使用机器学习的技术来分析网络上图片和文字的配对，找到其中的模式，并依据你输入的文本创造新的图像。去年，OpenAI实验室推出了软件DALL-E。输入“牛油果形状的扶手椅”，它能生成几张符合这一描述的图片。今年春天，OpenAI发布了这一软件的大型升级版，DALL-E 2。它利用了机器学习的扩散模型，能在上下文或文本描述的引导下，有效地从“噪声”中生成逼真且美观的图片。今年，有几个依据扩散模型的AI都能供公众使用，还有艺术家使用其中一个模型生成的图片赢得了一场美术比赛(见上图)，这既激起了人们的好奇心，也令一些人感到愤慨。与此同时，Meta、Google和其他公司相继推出了可供生成视频的扩散模型。
机器学习在科学、数学以及编程上也展现了其创造才能。《科学》杂志2021年的年度科学突破奖表彰了人工智能通过氨基酸序列预测蛋白质三维结构的工作。在此基础上，研究人员现已利用人工智能设计出全新的蛋白质，用于疫苗、建材、纳米机械等不同领域。一种被称为“幻觉法(hallucination)”的技术从随机的序列开始，引入突变，再利用AI工具预测哪些序列能够折叠成稳定的蛋白质结构。
与此同时，DeepMind发布了一种名为AlphaTensor的工具，它能设计更有效的矩阵乘法算法——这在计算机图形学、物理仿真与机器学习内都有广泛的应用，发现了人类数学家几十年来都忽略了的计算捷径。该公司还推出了AlphaCode，它能通过编程解决一些数值问题(例如计算出在给定长度内，有多少个二进制字符串没有连续出现的0)。它使用的模型以已经存在的程序和对它们功能的描述为训练集，来生成一些候选程序，再挑出其中表现最好的那个。与人类程序员相比，AlphaCode处于中等水平。
这些属于硅基芯片的壮举除了引发有关什么是真正创造力的哲学辩论之外，还让我们面临着许多道德和伦理困境。一些观察家担心人工智能程序员和艺术家会侵犯版权、固化刻板印象、传播不实信息，甚至使一部分人失业。但毫无疑问的是，人类将利用这些工具来扩展我们自身的创造力，这和我们现在使用织布机、照相机等曾经同样令人不安的工具时别无二致。
发现可能导致多发性硬化的病毒
今年，研究人员利用大量的军事医疗记录，证明了一种常见的疱疹病毒在多发性硬化症(MS)中扮演着重要角色。这一发现可能会促成治疗或预防这种神秘疾病的新方法。多发性硬化症是一种免疫系统攻击神经元的疾病，这种疾病在全球280万患者中引起轻度症状，包括视力模糊、疲劳和麻木，但也会使重症患者逐渐无法说话或行走。
爱泼斯坦-巴尔病毒(EB病毒)长期以来一直是诱发多发性硬化症的主要怀疑对象，这种病毒在儿童时期感染大多数人，然后潜伏在某些白细胞中。这种病毒主要通过唾液传播，在新感染的青少年和年轻人中会导致传染性单核细胞增多症，或“接吻病”。几乎所有的多发性硬化症患者都有EB病毒抗体，但95%的健康成年人也有该抗体，因此很难确定该病毒就是病因。
为了证实这种联系，流行病学家搜罗了超过一千万名美国新兵20年来的医疗记录，并分析了他们储存的一些血液样本。在801名患多发性硬化症的士兵中，除一人外，所有人此前都被检测出EB病毒阳性。今年一月，研究小组在《科学》杂志上报告称，在最初呈阴性的士兵中，随后的感染会使多发性硬化的风险增加32倍。这已经超过了吸烟导致肺癌风险的增加。
另一些研究人员也发现了一种可能的机制，并随后在《自然》杂志上报道称，“冬眠”的病毒可能会通过所谓的分子拟态唤醒并造成神经损伤。EB病毒的一种蛋白质类似于大脑和脊髓中产生的一种蛋白质，这种蛋白质显然会欺骗免疫系统，使其攻击神经细胞周围的鞘，而神经细胞对传导电信号至关重要。大约20%到25%的多发性硬化症患者的血液中含有结合这两种蛋白质的抗体。这些发现促使人们努力开发针对该病毒的、治疗多发性硬化症的药物。
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