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日前，《科学》期刊公布了年度十大突破，涵盖天文、农业、生物、医学、气候等领域。其中，一项来自中国云南的成果入选，以下为大家一一介绍。  詹姆斯·韦伯太空望远镜  （来源：NASA） 2022 年 7 月 11 日，在白宫的现场直播中，美国总统拜登公布了他口中的“奇迹般的”詹姆斯·韦伯太空望远镜的第一张照片。 照片公之于众后，全球数百万人一起惊叹于数千个星系的粉碎，其中一些甚至是 130 亿年前的样子。“这（甚至）是很难理解的一件事，”拜登说。 能让总统亲自宣传的望远镜并不多见，但由美国 NASA、欧洲和加拿大太空机构的帮助下建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST，James Webb Space Telescope）配得上这个荣誉。 这是人类有史以来放入太空的最复杂的科学任务，同时也是最昂贵（花费高达 100 亿美元），而且它的投入使用也经历了一番曲折。 这台望远镜的建造花了 20 年的时间，中间经历了多次延期。在它为期一个月、历经 150 万公里的太空之旅中，还经历过新的危机。 在整个过程中，工程师们总共要完成 344 个关键步骤——任何一步出错，都可能导致任务失败，前功尽弃。  多年生水稻让农作物种植更容易 世界上主要的粮食作物，包括水稻、小麦和玉米，在每次收获时都必须重新种植。这对农民来说是很大的工作量，还可能导致土壤侵蚀等环境问题。 如果有每年都能存活并保持生产力的多年生谷物，就可以极大地减轻农民的负担，但培育既长寿又高产的作物一直是一个挑战。 今年，中国的研究人员表明，经过特殊培育的多年生水稻可以达到这些标准，为农民节省数周的繁重劳动力。 这个品种被称为多年生水稻 23（PR23），是多年前通过将一种亚洲水稻和生长在非洲的多年生野生水稻杂交而产生的。 研究人员在提高其产量和质量方面花了 20 多年的时间。最后，在 2018 年，云南大学和其他机构的研究人员向中国的农民发放了 PR23，让他们进行了一个大规模的实验，以找出水稻可以收获多少次，并衡量产量和其他效益。 研究小组上个月在 Nature Sustainability 杂志上报告称，PR23 的粮食产量与常规的、季节性种植的水稻一样多。在第一年，种植和栽培的成本大致相同。 但到了第二年，农民的肩上可以减少一项繁重的任务，他们无需将水稻幼苗移栽到水稻中。 得益于多年生水稻的存在，这一步的跳过让每个播种季的每公顷工作量减少了 77 天，并把农民的成本降低了一半。多年生水稻田的土壤养分也有所增加。 不过，目前的技术只能撑过四年，到了第五年，这种多年生水稻的产量会急剧下降，农民就需要重新种植。  人工智能更有创意 人工智能（AI，Artificial intelligence）正在曾经被认为是人类独占的领域取得进展，包括艺术表达和科学发现。 在这些领域，人工智能的“入侵”一开始进展缓慢，但在今年，它正在“大杀四方”。 在社交媒体上，最常见的例子是视觉上最惊人的一些图片，来自于所谓的文本到图像模型。 他们使用机器学习来在线分析的文本和图像配对，找到允许他们根据新文本创建新图像的模式。 此前，研究实验室 OpenAI 推出了一种名为 DALL-E 的软件系统，当被问要求生成“一把鳄梨形状的扶手椅”时，它可以产生出几个有趣的例子。 后来，OpenAI 发布了一个大型的升级版本，DALL-E 2。它实现了一种被称为扩散（diffusion）的机器学习技术，可以在上下文或文本描述的指导下，让图像从“噪声”中浮现出来。 该方法能有效地生成逼真的图像。今年出现了几种扩散模型可供公众使用，一位使用它的艺术家赢得了一场美术比赛，这激起了人们的好奇心，同时也引发了尖锐的批评。 与此同时，Meta、谷歌等公司发布了可以制作视频的扩散模型。 机器学习技术也在展示着它在科学、数学和编程方面的创造力。在《科学》杂志 2021 年年度突破中，入选了可以从氨基酸序列预测蛋白质的三维结构的人工智能工具。 在这项工作的基础上，研究人员现在已经使用人工智能来设计全新的蛋白质，可以用于疫苗、建筑材料或纳米机器。 这种技术被称为“幻觉”，它从随机序列开始，然后将其突变为其他人工智能工具认为的会折叠成稳定蛋白质的序列。  一个惊人的巨大微生物 今年，一种内部十分复杂的巨大细菌的发现震惊了生物界。微生物通常被认为是微小的，但这种暂时被称为 Thiomargarita magnifica 的细菌，比一般细菌细胞大 5000 倍。 它的首次发现，是在法属安的列斯群岛的一片红树林沼泽的枯萎树叶的表面上。 研究人员过去认为，细菌是很小的，因为它们主要依靠扩散来移动营养物质和废物，缺乏在其他细胞中发现的内部运输系统。 扩散的分子不能移动很远，这限制了细菌的大小——至少人们原本是这样想的。 教科书上还说细菌通常缺乏内部隔间，但研究人员在 2 月份报告说，Thiomargarita magnifica 细菌内部有好几个。 一个是充满水的囊，可能就是它让该微生物长成一个大细菌。它将细胞的所有蛋白质和其他成分推向细胞外膜，使它们接触到氧气、硫和其他必要的分子以实现扩散。 通过向细菌中添加定制的氨基酸构建块，并追踪它们与蛋白质的结合，研究人员证明了蛋白质的生产发生在细胞的外围附近。 其他一些细菌，包括 1999 年在纳米比亚海岸发现的一种细菌，也有类似的结构。  RSV 疫苗已初见曙光 呼吸道合胞病毒（RSV， respiratory syncytial virus）正席卷北美和欧洲，好消息是，两种对抗呼吸道合胞病毒的疫苗的大规模临床试验最终证明，他们可以安全地保护风险最大的人群：婴儿和老人。 这两种疫苗都可以预防 60 岁以上老年人的出现严重症状，而不会引起严重的副作用。其中一种，当给怀孕后期的母亲使用时，还可以将抗体传递给胎儿，在婴儿出生后的 6 个月内有效。 呼吸道合胞病毒通常只引起轻微的、感冒一样的症状，但在婴儿中，病毒会攻击肺部的小气道，而在老年人中，它会加重已有的肺部和心脏病。 50 多年前，一项实验候选疫苗的临床试验导致两名儿童死亡，80% 的疫苗接种儿童住院治疗，这让呼吸道合胞病毒疫苗的开发中断了数十年。 科学家们随后发现了关键原因：该疫苗基于病毒的灭活版本开发，但只引发了相对较弱的抗体，这些抗体不仅未能阻止病毒，反倒通过当时知之甚少的机制，加重了呼吸道合胞病毒损害小气道的程度。 新呼吸道合胞病毒疫苗依靠美国免疫学家、病毒学家巴尼·格雷厄姆（Barney Graham）和美国国家过敏和传染病研究所的同事在 2013 年取得的一项关键成果，避免了这一问题。 新疫苗中使用的一种病毒表面蛋白，会在与细胞受体对接后改变其形状，然后灭活病毒与细胞融合，形成感染。 现在在格雷厄姆的领导下，研究小组想出了如何将蛋白质锁定在融合前状态的方法。这样一来，接种疫苗就会引发更高水平的强效抗体。  病毒被认为是导致多发性硬化症的原因 利用大量的军事医疗记录，研究人员今年发现，一种常见的疱疹病毒“爱泼斯坦-巴尔病毒”，是多发性硬化症（MS，multiple sclerosis）的重要参与者。多发性硬化症是一种免疫系统攻击神经元而导致的疾病。 这些发现可能会为治疗或预防这种神秘的疾病带来新的方法。这种疾病会在全球 280 万患者中引起轻微的症状，包括视力模糊、疲劳和麻木，但也会逐渐让病情较重的人无法说话或行走。 长期以来，多发性硬化症的一个主要嫌疑人是爱泼斯坦-巴尔病毒（Epstein-Barr virus，EBV），大多数人可能会在儿童时期感染这种病毒，然后它会潜伏在某些白细胞中。 该病毒主要通过唾液传播，可在新感染的青少年和年轻人中导致传染性单核细胞增多症，俗称“接吻病”。 几乎所有多发性硬化症患者都有爱泼斯坦-巴尔病毒抗体，但 95% 的健康成年人也有，这让科学家很难将其确定为导致多发性硬化症的原因。 为了确认这种联系，流行病学家查阅了 1000 多万美国新兵 20 年的医疗记录，并分析了他们储存的一些血液样本。 在 801 名患有多发性硬化症的士兵中，除了一人外，所有人都呈爱泼斯坦-巴尔病毒阳性。 该小组在 1 月份的《科学》杂志上报告称，在那些原本是阴性，后来感染了这种病毒的士兵中，其感染多发性硬化症的风险增加了 32 倍。这甚至超过了吸烟导致肺癌风险增加的程度。  美国通过了具有里程碑意义的气候法 几十年来，美国科学家在记录气候变化风险方面引领世界，美国外交官也在国际论坛上大肆渲染全球变暖的可怕威胁。 不过，这些警告听起来有些空洞，因为与许多欧洲富裕国家不同，美国这个世界第二大温室气体生产国从未通过大幅减排的法律。今年夏天，通过这样一个法案的尝试似乎要再次失败。 但在关键时刻，一名参议员突然放弃反对，这改变了一切。这个所谓的“降低通货膨胀法案（IRA， Inflation Reduction Act）”中的气候条款是美国为减缓全球变暖而采取的行动。 该法案将在 10 年内提供 3690 亿美元，以支持可再生能源和核能生产电力，同时也刺激汽车行业大规模转向电动汽车，并研究减少工业排放的方法。 几个独立的研究小组已经计算出，10 年后，美国理论上可以将其温室气体排放量从 2005 年的水平减少 40%。 然而，仅凭这一项法案还不足以让美国满足其在 2016 年巴黎协议下的承诺，即到 2030 年减少 50% 的排放量。 分析人士说，要想实现这一目标，各州就必须增加其清洁能源的发电量。 美国环境保护署还必须为电力公司发布并执行人们期待已久的温室气体规定，而且未来的总统和法院也需要维持这些规定。  欧洲人的基因中发现了黑死病的印记 自从 700 年前黑死病导致欧洲 30% - 50% 的人死亡以来，研究人员就一直想知道这场致命的瘟疫是如何在幸存者身上留下印记的。 这种毁灭性的疫情大流行，一定拥有一种强大的选择性力量，那些有着超强免疫能力的人因此得以幸存。 但在活着的人身上检测它的印记是不可能的，因为我们的免疫基因在应对新病原体时经常发生变化。 今年，研究人员利用研究古代 DNA 的工具，观察在瘟疫中活下来和死去的人的免疫基因差异，并发现了一个巨大的影响。 该研究小组分析了在伦敦和丹麦的黑死病发生之前、期间和之后被埋葬的 500 多人的骨头中的古代 DNA。 此前，他们在《自然》杂志上报道称，幸存者更有可能携带基因变异，从而增强他们对引发瘟疫的鼠疫杆菌的免疫反应。 在伦敦的黑死病之后，有 245 个基因变异的频率上升或下降，来自丹麦人的古代 DNA 中也有 4 个基因变异的频率发生了变化。 其中一个基因特别突出：ERAP2。它编码一种叫做内质网氨基肽酶 2 的蛋白质，该蛋白已被证明有助于免疫细胞识别和对抗具有威胁性的病毒。  改变小行星轨迹 在数千甚至数百万年的时间里，一个名为 Dimorphos 的小行星一直围绕着一颗距离地球数百万公里的更大的小行星运行。 2022 年 9 月 26 日，美国宇航局用一艘航天器，永远地改变了它的轨道，这展示了一种未来可能拯救人类的策略。 当冰箱大小的双小行星重定向测试（DART，Double Asteroid Redirection Test）卫星以每秒 6 公里的速度撞上 160 米宽的 Dimorphos 时，科学家们庆祝了行星防御任务的首次模拟试验。 美国宇航局的目标是将 Dimorphos 小行星击向更接近它的伙伴，缩短其轨道周期，并展示在未来地球真正受到小行星威胁时的策略。 在这一大事件之前的几年里，科学家们进行了计算机模拟，还用炮弹发射小行星的小型复制品，以预测将转移的动量。  由 200 万年前的 DNA 重建而成的古代生态系统 直到最近，DNA 的“保质期”还被确定为 100 万年左右，更古老的遗传物质会因严重退化而无法读取。 今年，科学家们大幅延长了这个时间段，从北极的冻土中提取出了历经至少 200 万年的微小 DNA 片段。 这项研究被誉为杰作，它展示了用环境 DNA（eDNA，environmental DNA）重建失落世界的力量，比如在格陵兰岛北部的温暖时期下茁壮生长起来的、一种早已不存在的沿海森林。 研究人员从峡湾河口的沉积物中提取了 41 个有机样本的 DNA 片段，发现了一片茂密的杨树、白杨和其他针叶树；黑鹅和马蹄蟹；还有驯鹿、旅鼠和乳齿象等哺乳动物。 没有人预料到，乳齿象这个已经灭绝的大象亲戚的活动范围会延伸到那么远的北方。 多年来，永久冻土层成为了 DNA 保存的天然冰箱，扮演辅助角色的还有石英和粘土颗粒，尤其是黑云母，它们的带电表面结合并保护了 DNA。 该团队花了数年时间研究如何从矿物质中提取 DNA 片段，然后用高通量测序对其进行解码。 支持：Ren 参考： https://www./content/article/breakthrough-2022#section_rice |
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