2022《科学》年度10大突破

《科学》杂志评选的2022年10大科学突破已揭晓。NASA的韦布望远镜摘得桂冠。

NASA黄金眼看宇宙

今年7月，美国总统拜登在白宫发布了詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）发回的第一张图像。总统亲自“开光”可不常见，但JWST完全配得上这份殊荣。

在发射升空之前，JWST项目已经历时20年，耗资近百亿美元，堪称人类观测宇宙的“黄金眼”。除了升空前的巨大投入，JWST升空后面临的困难也着实不小。它得飞越150万公里，抵达预定的理想工作位置，然后再展开巨大的遮阳罩和涂着黄金的镜片，整个过程需要344步，其中任何一步出差错都会前功尽弃。

好在，历经千难万阻，JWST最后顺利开始工作，发回的第一批图像不仅“美丽”，而且颠覆了科学界的“认知”。它通过实际行动告诉世人，为它付出的一切都值得、非常值得。

作为人类历史上最大的空间望远镜，JWST摆脱了地球大气的困扰，同时还装备了一整套红外波段观测设备，从而得以窥见宇宙遥远的过去，观测到远在130亿光年之外的天体（也就是观测到130亿年前的宇宙），这是它的所有前任——包括大名鼎鼎的哈勃空间望远镜在内——都做不到的。镜面口径的提升也大大增加了望远镜的分辨力，使得JWST发回的第一批图像细节满满。对于同一个观测目标，JWST展示的细节之丰富，远超所有前辈。

除了揭秘宇宙极早期历史之外，JWST还可搜寻地外行星乃至分析地外行星的大气组成，为寻找人类在宇宙中的同伴作巨大贡献。2022年9月，JWST发现了一颗7倍木星质量的硕大系外行星HIP65426b，并且从4个不同波段绘制了图像，揭示了许多有关其所在恒星系的奥秘。2022年11月，JWST又捕获并分析了另一颗系外行星WASP-39b的星光——这项对其他望远镜来说难如登天的任务在JWST这儿只能算是小菜一碟。结果显示，这颗土星质量的行星围绕着一颗距地球700光年的恒星运动，大气中存在水蒸气、钠、钾、二氧化碳，乃至些许云。

毫无疑问，在今后的日子里，JWST还会继续惊艳世人，他发回的数据必将给天文学带来一场革命。可以预见，与JWST相关的论文即将攻占各大科学期刊。天文学家们可有的忙了。

多年生水稻解放劳动力

人类离不开的粮食作物，水稻、小麦和玉米，都必须在每次收割后重新栽种。这带给农民以繁重劳动，又导致某些环境问题。

云南大学的科学家通过将亚洲水稻的商业品种与生长在非洲的多年生野生稻杂交，培育得到多年生水稻23（PR23），并花费2年多时间提高其产量和质量。

之后的大规模农业实践证明，PR23跳过了秧苗移栽的环节，把每个季节每公顷的工作量减少了多达77人·日（person-day），并帮助将农民的成本降低一半；此外，在种植多年生水稻的田地中，土壤养分也有所增加。

AI玩转艺术，探索科学

2022年的人工智能领域可谓突飞猛进、与人抢食，在艺术表达和科学探索方面频繁高光。

OpenAI实验室推出了升级版的文本生成图像软件，DALL-E 2。利用了机器学习的扩散模型，能借助文本引导，有效地从“噪声”中生成逼真且美观的图片。

也有艺术家用扩散模型创作出惊艳的美术作品；而Meta和谷歌等公司都推出了可供生成视频的扩散模型。

DeepMind发布的一款名为AlphaTensor的工具，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方面都有广泛应用，发现了被人类数学家忽略了几十年的计算捷径。同样由DeepMind推出的AlphaCode，能通过编程解决一些数值问题，其代码水准与普通人类程序员相当。

此外，科学家还利用AI设计了全新的蛋白质，用于疫苗、建材、纳米机器等领域。

快用肉眼看看2cm超大细菌

今年的生物学界被一种内部结构复杂的巨型细菌给惊到了。它叫“华丽硫珠菌”（Thiomargarita magnifica），是你用肉眼就可观察到的史上最大细菌，形如细绳，长达2厘米，比普通细菌细胞大了5000倍，最初现身于法属安的列斯群岛红树林沼泽里的枯叶表面。

华丽硫珠菌拥有其他微生物所不具备的数个“内部隔间”，其中包括一个充满水的囊——可能就是它让显微生物变成了可见细菌。此外，华丽硫珠菌有一个完整的内部膜网络，可生产ATP，为如此巨型的细胞提供足够燃料。

RSV疫苗取得重大进展

大规模临床试验证明，两款针对呼吸道合胞病毒（RSV）的疫苗能有效保护受RSV感染影响最大的两个群体，婴儿和老年人。它们分别来自葛兰素史克和辉瑞。

RSV疫苗成功防止60岁以上人群因感染而出现重症，并且无严重副作用。而当怀孕后期的母亲接种后，她的孩子甚至能收到母亲的抗体，从而获得长达6个月的周全保护。

RSV通常只会引发轻微的类似感冒的症状，但能令婴儿肺部的小气道发炎，恶化老年人的肺部和心脏状况。RSV疫苗研发工作曾因严重致病致死事件而中断数十年。

后来科学家找到关键原因：过去的疫苗由全病毒的化学灭活版本制成，只引发相对较弱的抗体，不仅无法阻止病毒，还会通过鲜为人知的机制帮助RSV破坏气道。

最新疫苗避开了这一问题，其所用的病毒表面蛋白在停靠至细胞受体后会改变形状，病毒会与细胞融合，从而建立感染。此外，新疫苗能引发高水平的强效抗体。

EB病毒竟是多发性硬化症元凶

来自上千万美国新兵的医学数据表明，一种常见的人类疱疹病毒，EB病毒（Epstein-Barr virus，简称EBV）是多发性硬化症（简称MS）的重要参与者，几乎所有MS病例都由常见EB病毒引起。

多发性硬化症是一种常见的中枢神经脱髓鞘疾病，会导致免疫系统攻击保护大脑和脊髓神经元的髓鞘，引发神经炎、眼肌麻痹、肢体瘫痪等一系列症状，且病情往往随着时间推移而恶化，但MS的具体成因尚不清楚，也暂无明确治愈方法。目前全球有280万多发性硬化症患者。

EB病毒往往感染年轻人，致其出现极度疲劳、发烧、咽炎、淋巴结肿大等单核细胞增多症的症状。它能长期（甚至终生）潜伏于人体淋巴组织，主要通过唾液传播。约95%的人都在生命的某个阶段感染了EB病毒。

今年的新发现有望带来治疗和预防多发性硬化症的新方法。

美国的历史性气候法案

今年8月，美国总统签署《降低通货膨胀法案》（Inflation Reduction Act，简称IRA），其中包含了历史性的气候条款：政府会在10年内拨款3690亿美元，用于支持可再生能源和核能发电，同时推动电动汽车的生产普及，并研究减少工业排放的方法。

不过仅IRA还不足以帮助美国兑现其在2016年《巴黎协定》下的承诺，即到2030年将温室气体排放量减少50%。分析人士指出，要实现此目标，美国各州还需要增加清洁能源生产。

另外，眼下的世界相较工业化前时代已经升温1.2°C。许多气候科学家判断，我们正朝着全球平均升温1.5°C的危险边界驶去，难以挽回……

黑死病对人类的自然选择

学术界一直想知道黑死病在幸存者及其后代身上留下了怎样的遗传印记。

今年，科学家分析了来自伦敦和丹麦的500多具遗骨中的古DNA。这些遗骨埋葬于黑死病之前、期间和之后。分析结果显示，幸存者携带的某些突变增强了他们对鼠疫耶尔森菌的免疫反应。

伦敦样本的免疫基因中，有35种突变比中性突变传播得快得多，其中4种在丹麦样本间也迅速传播。研究团队相信，这些突变发挥了重要的抗瘟疫作用。

有一种名为ERAP2的基因表现特别突出。该基因负责编码的蛋白质叫内质网氨基肽酶-2，已被证明能帮助免疫细胞识别和对抗病毒威胁。根据研究团队的说法，大多数人只有1份ERAP2基因，若某人携带2个保护性ERAP2等位基因，他在黑死病中存活下来的可能性增加40%~50%。

人类首次行星防御实验成功

今年9月底，NASA的“双小行星重定向测试”航天器（Dart，又称“飞镖”）成功撞击远在1100万公里之外的小行星迪莫弗斯，改变了它以及它的伙伴迪迪莫斯的运行轨道。

这是人类历史上首次主动撞击小行星。这个项目的成功也向世人展示了，人类有能力规避小行星撞地球的风险，从而免遭6600万年前恐龙因小行星撞地球而惨遭覆灭的噩运。

迪莫弗斯和迪迪莫斯是两颗相伴而行的小行星，迪莫弗斯是其中较小的一颗，直径大约160米（迪迪莫斯直径大约780米）。它俩结伴绕太阳运行，周期大约770天，最接近地球时距离约为720万公里。同时，迪莫弗斯也绕着迪迪莫斯运行，周期接近12小时。

在“飞镖”航天器以超过6千米/秒的速度命中迪莫弗斯两周后，科学家观测到，迪莫弗斯绕迪迪莫斯运动的周期缩短了32分钟——超过预定目标的26倍。可以说，在人类的帮忙下，迪莫弗斯向伙伴迪迪莫斯迈出了一大步。

据估算，太阳系中大约有25000颗撞击地球后足以毁灭一座大型城市的近地小行星，但我们目前只发现了其中的大约40%。“飞镖”探测器正中红心的出色表现告诉我们，人类有能力改变目标小行星的运动轨迹。不过，要想构筑完善、可靠的行星防御体系，还需我们进一步侦测出那些对地球存在致命威胁的小行星。

重建200万年前的绿洲格陵兰

今年，科学家从北极荒漠冻土中提取出有至少200万年历史的古DNA片段。在此之前，DNA的保质期一直都是大约100万年，更古老的遗传材料会因严重降解而无法读取。

研究团队运用已打磨数年的技术，从冻土矿物中提取DNA片段，然后通过高通量测序对其进行解码，最终重建得到一个失落的世界——

200万年前的格陵兰岛北部处于温暖气候时期，森林茂密，植被丰富，杨树、金钟柏和其他针叶树蓬勃生长，你能看到多种动物活跃的身影，有黑雁、马蹄蟹、驯鹿、旅鼠等，还有已经灭绝的乳齿象。

资料来源：

BREAKTHROUGH OF THE YEAR

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