2022 Science年度十大科學突破_風聞

每一年，《科學》雜誌的編輯團隊都會評選出一項年度科學突破冠軍以及九項年度科學突破入圍獎。它們是一年裏最重大的科學發現、科學進展和趨勢。

No.1

NASA明星級新型太空望遠鏡

在經歷了無數次挫折、長達20年的開發、100億美元的高昂投入和150萬公里的太空艱險旅行之後，新的詹姆斯·韋布太空望遠鏡（JWST）終於張開了它的紅外黃金之眼。工程師們列出了總共344個關鍵步驟，如果其中任何一個步驟出錯，都可能導致任務失敗。但JWST傳回地球的第一批數據和圖像表明，這一切都是值得的。它能讓我們以前所未有的清晰度和震撼人心的方式一窺我們的宇宙以及其深邃難測的往昔。

為了紀念這一壯舉，《科學》雜誌將JWST的飛行評選為2022年的年度科學突破之首。太空望遠鏡可以不受地球大氣層的妨礙，為我們提供周圍宇宙的純真視圖。然而，與其前身哈勃太空望遠鏡不同，JWST可以捕捉紅外光，其中包括從最早出現的恆星和閃爍星系所發出的光。在2022年6月下旬上線後的幾天內，研究人員開始發現數千個新的星系，它們比以前記錄的任何星系都更為遙遠和古老——其中一些也許比哈勃望遠鏡發現的最古老的星系還要早1.5億年。

更重要的是，該望遠鏡能夠收集足夠多的從天體（從誕生中的恆星到系外行星）發出的光，從而揭示這些天體的組成以及它們在太空中的移動軌跡。這些數據已經開始以極為詳細的方式揭示了距離地球數百光年外的各行星的大氣組成，這將為它們是否可能以我們所知的方式支持生命提供線索。

入圍2022年Science年度十大科學突破的研究還包括：

驚人的巨型細菌

今年，一種具有複雜內部結構的巨型細菌的發現震驚了生物學界。依據相關定義，微生物應當是微觀的，需要使用顯微鏡才能看見，但是這個暫時被命名為Thiomargarita magnifica的微生物，卻比許多細菌細胞大5000倍，像一根圖釘一樣長。在法屬安的列斯羣島的一片紅樹林沼澤中，這種單一的線狀細胞在腐爛葉子的表面首次被研究人員發現。

更易於耕種的多年生稻

世界上主要的糧食作物——水稻、小麥、玉米——每次收穫後都必須重新種植。這對農民來説是一項繁重的勞作，並可能導致土壤侵蝕等環境問題。就在今年，中國的研究人員培育出的“多年生稻23”（PR23）可以達到廣適、高產穩產、多年生性強的標準，併為農民節省了數週的繁重勞動。

這種名為PR23的品種是多年前由一種亞洲商業水稻品種和一種生長在非洲的多年生野生水稻雜交而成。研究人員花費了二十多年的時間來提高其產量和質量。在2018年，雲南大學等機構的研究人員向中國農民發佈了PR23，並開展了一項大規模實驗。

該研究小組上個月在《自然·可持續發展》雜誌上報告稱，PR23的產量可與常規的季節性種植水稻持平。第一年，種植和栽培的成本與普通水稻差不多；但在第二年，農民則可以省去一項主要任務：將秧苗移栽到稻田中，由此，每公頃每季減少了77人/日的工作量，並幫助農民降低了一半的成本。種植多年生稻的土壤養分也有所增加。然而，到了第五年，由於產量大幅下降，則需重新種植多年生稻。

黑死病如何改變歐洲人基因的新見解

自從700年前黑死病殺死了歐洲三分之一到一半的人以來，研究人員一直想知道這種致命的瘟疫是如何在倖存者身上留下印記的。這種毀滅性的大流行病一定是一種強大的選擇性力量，“偏袒”具有特效免疫防禦的人。今年，研究人員利用研究古代DNA的工具來觀察在瘟疫期間生活和死亡的人的免疫基因差異，並確定了一個戲劇性的影響。

研究小組分析了倫敦和丹麥黑死病之前、期間和之後埋葬的500多人的骨骼中的古代DNA。今年10月，他們在《自然》雜誌上報道稱，倖存者更有可能攜帶增強他們對鼠疫耶爾森氏菌（Yersinia pestis）免疫反應的基因變異。鼠疫耶爾森氏菌是一種由跳蚤傳播的細菌，會引起鼠疫。

在倫敦黑死病之後，驚人的245個基因變異的頻率上升或下降；有一個基因特別突出：ERAP2。它編碼一種叫做內質網氨肽酶2的蛋白質，這種蛋白質已被證明可以幫助免疫細胞識別和對抗威脅病毒。

在黑死病之後的一個世紀裏，這種保護性基因變體在歐洲的快速傳播是迄今為止人類基因組自然選擇的最有力例子。如今，45%的英國人體內仍然存在ERAP2的保護性變異。它的持續存在表明，直到最近，它仍然受到自然選擇的青睞——可能是因為直到19世紀早期，鼠疫還在歐洲和亞洲流行。但這種保護可能是有代價的：同樣的變異也會增加患自身免疫性疾病的風險，如克羅恩病和類風濕關節炎。

200萬年前環境DNA重現古老生態系統

直到最近，DNA的保質期被確定為大約100萬年。比這更古老的遺傳物質可能因為退化得太嚴重而無法被讀取。然而在今年，科學家們把時鐘撥到了更古老的從前，他們在北極沙漠的凍土中成功提取了至少200萬年前的微小DNA片段。

這項研究被譽為傑作，展示了環境DNA在重建“消失的世界”方面的力量。在這種情況下，一個不同於當今任何現存的沿海森林，在格陵蘭島北部的温暖氣候時期繁榮昌盛。從堆積在峽灣口的一層厚厚的沉積物中提取的41個富含有機物的樣本中的DNA片段顯示，那裏有茂密的楊樹、崖柏屬和其他針葉樹，還有黑鵝和馬蹄蟹，以及馴鹿、旅鼠和乳齒象等哺乳動物。在此前，沒有人預料到這種已經滅絕的大象親戚的活動範圍會向北延伸到那麼遠的地方……

RSV疫苗取得突破進展

針對呼吸道合胞病毒（RSV）的兩種疫苗的大規模臨牀試驗最終證明，它們可以安全地保護受這種常見感染影響最嚴重的兩個羣體：嬰兒和老年人。這兩種疫苗都預防了60歲以上人羣的嚴重疾病，而且沒有引起嚴重的副作用。其中一種在給孕晚期母親注射後可以將抗體傳給胎兒，從而繼續保護嬰兒長達6個月的時間。

RSV通常只會引起輕微的類似感冒的症狀，但在嬰兒中，這種病毒會使肺部的小氣道發炎，而在老年人中，它則會惡化現有的肺部和心臟疾病。50多年前，一種實驗性候選疫苗的臨牀試驗導致兩名兒童死亡以及80%的接種者住院，此後，RSV疫苗的研發中斷了數十年。

科學家們隨後發現了關鍵原因：由整個病毒的化學滅活版本製成的疫苗只引發相對較弱的抗體，不僅不能阻止病毒，並且會通過某種尚未明確的機制，幫助RSV破壞呼吸道。

2013年，當時在美國國家過敏與傳染病研究所工作的Barney Graham及其同事取得的一項關鍵進展，使得新疫苗避免了這一問題。疫苗中使用的一種病毒表面蛋白在與細胞受體對接後改變形狀，病毒與細胞融合，形成感染。目前在莫爾豪斯醫學院工作的Graham領導的研究小組找到了將蛋白質鎖定在預融合狀態的方法。因此，接種疫苗會引發更高水平的強效抗體。

今年由葛蘭素史克和輝瑞公司進行的臨牀試驗的好消息證明了這一策略是正確的。更多的結果將很快公佈：楊森製藥公司和巴伐利亞北歐公司正在對他們的老年人RSV疫苗進行有效性試驗。這兩種疫苗在開發的早期階段均表現良好。

人類首次行星防禦實驗成功

在距地球數百萬公里外，一顆被命名為迪莫弗斯（Dimorphos）的衞星千百萬年來都在繞着另一顆更大的小行星旋轉。9月26日，NASA用一枚航天器撞擊了迪莫弗斯，永久地改變了它的軌道——同樣的策略也可能在將來拯救整個人類文明。

這項實驗是雙小行星改道測試（DART）計劃的一部分，其使用的是一顆約為冰箱大小的航天器。它以每秒6公里的速度成功撞擊上了直徑160米的迪莫弗斯，科學家們也為有史以來首次行星防禦任務模擬實驗的成功而慶祝。NASA的目標是將迪莫弗斯稍稍撞向它所環繞的小行星，以縮短其軌道週期。若在未來探測到環繞地球的小行星，使用這一方法可消除其帶來的威脅。

這一高光時刻的背後是多年來的準備與策劃。科學家們進行了許多計算機模擬，並用射彈轟擊了許多行星的小型複製品，以預測在撞擊過程中究竟會轉移多少動量。但這些模擬給出的結果差異很大，其中一個變量是目標小行星自身的結構：撞擊的結果部分取決於其是一塊完整的巨石，還是只是在引力作用下聚在一起的一些碎石。

在撞擊發生之前的幾分鐘，DART航天器的機載攝像機傳回了迪莫弗斯的圖像（見上圖）。隨着距離拉近，人們清楚地看到它是一個蛋形的碎石堆。在撞擊之後的兩週，科學家們整理了觀察的結果，確認該衞星大約12個小時的軌道週期縮短了32分鐘——這比NASA原定的目標大了26倍還多。儘管只有這一次碰撞實驗，但它給科學家們提供了一個非常重要的數據集，幫助他們建立之後小行星偏轉任務的動量模型。

據估計，大約有25,000個常見的近地小行星大到足以摧毀一座城市，能夠對人類產生威脅。然而截至目前，天文學家只探測到了其中的40%。科學家們對近地天體照相機期待已久，它是一台天基紅外望遠鏡，能夠定位到更多具有潛在威脅的小行星。但NASA幾度削減這項計劃的資金，它也不斷面臨着計劃延遲的命運。DART已經展現了避免此類危機的可能性，但若沒有更多有關潛在威脅的情報，建立強大的行星防禦系統也無從談起。

美國通過具有里程碑意義的氣候法

幾十年來，美國科學家們對氣候變化風險的記錄一直處於世界前列；在國際論壇上，美國外交官也將全球變暖列為人類迫在眉睫的危機之一。然而，這些警告是空洞的：和其他許多富裕國家不同，美國仍是世界第二大温室氣體排放國，並且其從未通過一項法律以大幅減少温室氣體的排放。今年夏天，一項試圖通過此類法案的嘗試似乎又面臨着失敗的命運。

然而，在立法投票的瞬間，一位關鍵議員突然放棄了自己的反對立場，改變了整個局面。這次通過的所謂《降低通脹法案》（IRA）中與氣候有關的條款是美國有史以來為減緩全球變暖所邁出的最大一步。該法案將在未來的十年向可再生能源與核能發電提供3690億美元的資金、鼓勵向電動汽車的全面轉型並激勵與減少工業排放相關的研究。根據一些獨立研究團隊的計算，它應該能使美國在十年後將其温室氣體排放量降低到其2005年排放水平的40%。

然而，僅靠IRA還不足以讓美國實現其2016年在巴黎氣候協議中的做出的承諾，即在2030年前降低50%的排放量。分析人士表明，要達到這一目標，各州必須增加清潔能源的使用比例。環境保護局也需要頒佈並執行針對電力公司的温室氣體法規——未來的總統和法院也要持續地支持這些規定。一些氣候活動家也對IRA表示了批評，因為它鼓勵從煙囱中捕獲排放的碳，同時也允許繼續在墨西哥灣進行石油和天然氣的鑽探。這些舉措為這項法案的通過贏得了支持，但批評者們認為它延續了本不應再繼續存在的化石燃料行業的生命。

自工業時代，世界已經變暖了1.2°C，而根據國際談判中商定的“氣候變暖危機”門檻，也即全球平均氣温上升1.5°C，我們所剩的時日已經無多了。預計，今年全球温室氣體排放量將再次上升，而不是下降。許多氣候學家認定全球平均氣温上升肯定會超過1.5°C。儘管IRA是朝着正確的方向邁出的一步，人類仍需要更快地採取更多行動。

創造性人工智能的快速發展

無論是藝術還是科學發現，人工智能（AI）正向着原來被認為只屬於人類的領域進軍。起初，它們對相關領域的蠶食還十分緩慢，但在今年卻直接演變成了攻城略地。

最具有視覺衝擊力的證據——它們充斥着社交平台的各個角落——來自於所謂的文本生成圖像模型。它們使用機器學習的技術來分析網絡上圖片和文字的配對，找到其中的模式，並依據你輸入的文本創造新的圖像。去年，OpenAI實驗室推出了軟件DALL-E。輸入“牛油果形狀的扶手椅”，它能生成幾張符合這一描述的圖片。今年春天，OpenAI發佈了這一軟件的大型升級版，DALL-E 2。它利用了機器學習的擴散模型，能在上下文或文本描述的引導下，有效地從“噪聲”中生成逼真且美觀的圖片。今年，有幾個依據擴散模型的AI都能供公眾使用，還有藝術家使用其中一個模型生成的圖片贏得了一場美術比賽（見上圖），這既激起了人們的好奇心，也令一些人感到憤慨。與此同時，Meta、Google和其他公司相繼推出了可供生成視頻的擴散模型。

機器學習在科學、數學以及編程上也展現了其創造才能。《科學》雜誌2021年的年度科學突破獎表彰了人工智能通過氨基酸序列預測蛋白質三維結構的工作。在此基礎上，研究人員現已利用人工智能設計出全新的蛋白質，用於疫苗、建材、納米機械等不同領域。一種被稱為“幻覺法（hallucination）”的技術從隨機的序列開始，引入突變，再利用AI工具預測哪些序列能夠摺疊成穩定的蛋白質結構。

與此同時，DeepMind發佈了一種名為AlphaTensor的工具，它能設計更有效的矩陣乘法算法——這在計算機圖形學、物理仿真與機器學習內都有廣泛的應用，發現了人類數學家幾十年來都忽略了的計算捷徑。該公司還推出了AlphaCode，它能通過編程解決一些數值問題（例如計算出在給定長度內，有多少個二進制字符串沒有連續出現的0）。它使用的模型以已經存在的程序和對它們功能的描述為訓練集，來生成一些候選程序，再挑出其中表現最好的那個。與人類程序員相比，AlphaCode處於中等水平。

這些屬於硅基芯片的壯舉除了引發有關什麼是真正創造力的哲學辯論之外，還讓我們面臨着許多道德和倫理困境。一些觀察家擔心人工智能程序員和藝術家會侵犯版權、固化刻板印象、傳播不實信息，甚至使一部分人失業。但毫無疑問的是，人類將利用這些工具來擴展我們自身的創造力，這和我們現在使用織布機、照相機等曾經同樣令人不安的工具時別無二致。

發現可能導致多發性硬化的病毒

今年，研究人員利用大量的軍事醫療記錄，證明了一種常見的皰疹病毒在多發性硬化症（MS）中扮演着重要角色。這一發現可能會促成治療或預防這種神秘疾病的新方法。多發性硬化症是一種免疫系統攻擊神經元的疾病，這種疾病在全球280萬患者中引起輕度症狀，包括視力模糊、疲勞和麻木，但也會使重症患者逐漸無法説話或行走。

愛潑斯坦-巴爾病毒（EB病毒）長期以來一直是誘發多發性硬化症的主要懷疑對象，這種病毒在兒童時期感染大多數人，然後潛伏在某些白細胞中。這種病毒主要通過唾液傳播，在新感染的青少年和年輕人中會導致傳染性單核細胞增多症，或“接吻病”。幾乎所有的多發性硬化症患者都有EB病毒抗體，但95%的健康成年人也有該抗體，因此很難確定該病毒就是病因。

為了證實這種聯繫，流行病學家蒐羅了超過一千萬名美國新兵20年來的醫療記錄，並分析了他們儲存的一些血液樣本。在801名患多發性硬化症的士兵中，除一人外，所有人此前都被檢測出EB病毒陽性。今年一月，研究小組在《科學》雜誌上報告稱，在最初呈陰性的士兵中，隨後的感染會使多發性硬化的風險增加32倍。這已經超過了吸煙導致肺癌風險的增加。

另一些研究人員也發現了一種可能的機制，並隨後在《自然》雜誌上報道稱，“冬眠”的病毒可能會通過所謂的分子擬態喚醒並造成神經損傷。EB病毒的一種蛋白質類似於大腦和脊髓中產生的一種蛋白質，這種蛋白質顯然會欺騙免疫系統，使其攻擊神經細胞周圍的鞘，而神經細胞對傳導電信號至關重要。大約20%到25%的多發性硬化症患者的血液中含有結合這兩種蛋白質的抗體。這些發現促使人們努力開發針對該病毒的、治療多發性硬化症的藥物。

本文經授權轉載自微信公眾號“ScienceAAAS”。