《科學》公布年度??突破云南?學多年??稻成果?選

日前，《科學》期刊公布了年度十大突破，涵蓋天文、農業、生物、醫學、氣候等領域。其中，一項來自中國云南的成果入選，以下為大家一一介紹。

詹姆斯·?伯太空望遠鏡

2022年7月11日，在白宮的現場直播中，美國總統拜登公布了他口中的“奇跡般的”詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的第一張照片。

照片公之于眾后，全球數百萬人一起驚嘆于數千個星系的粉碎，其中一些甚至是130億年前的樣子。“這（甚至）是很難理解的一件事，”拜登說。

能讓總統親自宣傳的望遠鏡并不多見，但由美國國家航空航天局、歐洲和加拿大太空機構的幫助下建造的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡配得上這個榮譽。

這是人類有史以來放入太空的最復雜的科學任務，同時也是最昂貴（花費高達100億美元），而且它的投入使用也經歷了一番曲折。

這臺望遠鏡的建造花了20年的時間，中間經歷了多次延期。在它為期一個月、歷經150萬公里的太空之旅中，還經歷過新的危機。

在整個過程中，工程師們總共要完成344個關鍵步驟——任何一步出錯，都可能導致任務失敗，前功盡棄。

多年??稻讓農作物種植更容易

世界上主要的糧食作物，包括水稻、小麥和玉米，在每次收獲時都必須重新種植。這對農民來說是很大的工作量，還可能導致土壤侵蝕等環境問題。

如果有每年都能存活并保持生產力的多年生谷物，就可以極大地減輕農民的負擔，但培育既長壽又高產的作物一直是一個挑戰。

2023年，中國的研究人員表明，經過特殊培育的多年生水稻可以達到這些標準，為農民節省數周的繁重勞動力。

這個品種被稱為多年生水稻23（PR23），是多年前通過將一種亞洲水稻和生長在非洲的多年生野生水稻雜交而產生的。

研究人員在提高其產量和質量方面花了20多年的時間。最后，在2018年，云南大學和其他機構的研究人員向中國的農民發放了PR23，讓他們進行了一個大規模的實驗，以找出水稻可以收獲多少次，并衡量產量和其他效益。

研究小組在NatureSustainability雜志上報告稱，PR23的糧食產量與常規的、季節性種植的水稻一樣多。在第一年，種植和栽培的成本大致相同。

但到了第二年，農民的肩上可以減少一項繁重的任務，他們無需將水稻幼苗移栽到水稻中。

得益于多年生水稻的存在，這一步的跳過讓每個播種季的每公頃工作量減少了77天，并把農民的成本降低了一半。多年生水稻田的土壤養分也有所增加。

目前，該技術可以撐過四年，到了第五年，這種多年生水稻的產量會急劇下降，農民就需要重新種植。

??智能更有創意

人工智能正在曾經被認為是人類獨占的領域取得進展，包括藝術表達和科學發現。

在這些領域，人工智能的“入侵”一開始進展緩慢，但在今年，它正在“大殺四方”。

在社交媒體上，最常見的例子是視覺上最驚人的一些圖片，來自于所謂的文本到圖像模型。

他們使用機器學習來在線分析的文本和圖像配對，找到允許他們根據新文本創建新圖像的模式。

此前，研究實驗室OpenAI推出了一種名為DALL-E的軟件系統，當被問要求生成“一把鱷梨形狀的扶手椅”時，它可以產生出幾個有趣的例子。

后來，OpenAI發布了一個大型的升級版本，DALL-E2。它實現了一種被稱為擴散的機器學習技術，可以在上下文或文本描述的指導下，讓圖像從“噪聲”中浮現出來。

該方法能有效地生成逼真的圖像。

2023年出現了幾種擴散模型可供公眾使用，一位使用它的藝術家贏得了一場美術比賽，這激起了人們的好奇心，同時也引發了尖銳的批評。

與此同時，Meta、谷歌等公司發布了可以制作視頻的擴散模型。

機器學習技術也在展示著它在科學、數學和編程方面的創造力。在《科學》雜志2021年年度突破中，入選了可以從氨基酸序列預測蛋白質的三維結構的人工智能工具。

在這項工作的基礎上，研究人員現在已經使用人工智能來設計全新的蛋白質，可以用于疫苗、建筑材料或納米機器。

這種技術被稱為“幻覺”，它從隨機序列開始，然后將其突變為其他人工智能工具認為的會折疊成穩定蛋白質的序列。

?個驚?的巨?微?物

2023年，一種內部十分復雜的巨大細菌的發現震驚了生物界。微生物通常被認為是微小的，但這種暫時被稱為Thiomargaritamagnifica的細菌，比一般細菌細胞大5000倍。

它的首次發現，是在法屬安的列斯群島的一片紅樹林沼澤的枯萎樹葉的表面上。

研究人員過去認為，細菌是很小的，因為它們主要依靠擴散來移動營養物質和廢物，缺乏在其他細胞中發現的內部運輸系統。

擴散的分子不能移動很遠，這限制了細菌的大小——至少人們原本是這樣想的。

教科書上還說細菌通常缺乏內部隔間，但研究人員在2月份報告說，Thiomargaritamagnifica細菌內部有好幾個。

一個是充滿水的囊，可能就是它讓該微生物長成一個大細菌。它將細胞的所有蛋白質和其他成分推向細胞外膜，使它們接觸到氧氣、硫和其他必要的分子以實現擴散。

通過向細菌中添加定制的氨基酸構建塊，并追蹤它們與蛋白質的結合，研究人員證明了蛋白質的生產發生在細胞的外圍附近。

其他一些細菌，包括1999年在納米比亞海岸發現的一種細菌，也有類似的結構。

呼吸道合胞病毒疫苗已初?曙光

呼吸道合胞病毒正席卷北美和歐洲，好消息是，兩種對抗呼吸道合胞病毒的疫苗的大規模臨床試驗最終證明，他們可以安全地保護風險最大的人群：嬰兒和老人。

這兩種疫苗都可以預防60歲以上老年人出現嚴重的癥狀，而不會引起嚴重的副作用。其中一種，當給懷孕后期的母親使用時，還可以將抗體傳遞給胎兒，在嬰兒出生后的6個月內有效。

呼吸道合胞病毒通常只引起輕微的、感冒一樣的癥狀，但在嬰兒中，病毒會攻擊肺部的小氣道，而在老年人中，它會加重已有的肺部和心臟病。

50多年前，一項實驗候選疫苗的臨床試驗導致兩名兒童死亡，80%的疫苗接種兒童住院治療，這讓呼吸道合胞病毒疫苗的開發中斷了數十年。

科學家們隨后發現了關鍵原因：該疫苗基于病毒的滅活版本開發，但只引發了相對較弱的抗體，這些抗體不僅未能阻止病毒，反倒通過當時知之甚少的機制，加重了呼吸道合胞病毒損害小氣道的程度。

新呼吸道合胞病毒疫苗依靠美國免疫學家、病毒學家巴尼·格雷厄姆和美國國家過敏和傳染病研究所的同事在2013年取得的一項關鍵成果，避免了這一問題。

新疫苗中使用的一種病毒表面蛋白，會在與細胞受體對接后改變其形狀，然后滅活病毒與細胞融合，形成感染。

現在在格雷厄姆的領導下，研究小組想出了如何將蛋白質鎖定在融合前狀態的方法。這樣一來，接種疫苗就會引發更高水平的強效抗體。

病毒被認為是導致多發性硬化癥的原因

利用大量的軍事醫療記錄，研究人員發現，一種常見的皰疹病毒“愛潑斯坦-巴爾病毒”，是多發性硬化癥的重要參與者。多發性硬化癥是一種免疫系統攻擊神經元而導致的疾病。

這些發現可能會為治療或預防這種神秘的疾病帶來新的方法。這種疾病會在全球280萬患者中引起輕微的癥狀，包括視力模糊、疲勞和麻木，但也會逐漸讓病情較重的人無法說話或行走。

長期以來，多發性硬化癥的一個主要懷疑對象是愛潑斯坦-巴爾病毒，大多數人可能會在兒童時期感染這種病毒，然后它會潛伏在某些白細胞中。

該病毒主要通過唾液傳播，可在新感染的青少年和年輕人中導致傳染性單核細胞增多癥，俗稱“接吻病”。

幾乎所有多發性硬化癥患者都有愛潑斯坦-巴爾病毒抗體，但95%的健康成年人也有，這讓科學家很難將其確定為導致多發性硬化癥的原因。

為了確認這種聯系，流行病學家查閱了1000多萬美國新兵20年的醫療記錄，并分析了他們儲存的一些血液樣本。

在801名患有多發性硬化癥的士兵中，除了一人外，所有人都呈愛潑斯坦-巴爾病毒陽性。

該小組在1月份的《科學》雜志上報告稱，在那些原本是陰性，后來感染了這種病毒的士兵中，其感染多發性硬化癥的風險增加了32倍。這甚至超過了吸煙導致肺癌風險增加的程度。

美國通過了具有?程碑意義的?候法

幾十年來，美國科學家在記錄氣候變化風險方面引領世界，美國外交官也在國際論壇上大肆渲染全球變暖的可怕威脅。

不過，這些警告聽起來有些空洞，因為與許多歐洲富裕國家不同，美國這個世界第二大溫室氣體生產國從未通過大幅減排的法律。今年夏天，通過這樣一個法案的嘗試似乎要再次失敗。

但在關鍵時刻，一名參議員突然放棄反對，這改變了一切。這個所謂的“降低通貨膨脹法案”中的氣候條款是美國為減緩全球變暖而采取的行動。

該法案將在10年內提供3690億美元，以支持可再生能源和核能生產電力，同時也刺激汽車行業大規模轉向電動汽車，并研究減少工業排放的方法。

幾個獨立的研究小組已經計算出，10年后，美國理論上可以將其溫室氣體排放量從2005年的水平減少40%。

然而，僅憑這一項法案還不足以讓美國滿足其在2016年巴黎協議下的承諾，即到2030年減少50%的排放量。

分析人士說，要想實現這一目標，各州就必須增加其清潔能源的發電量。

美國環境保護署還必須為電力公司發布并執行人們期待已久的溫室氣體規定，而且未來的總統和法院也需要維持這些規定。

歐洲?的基因中發現了?死病的印記

自從700年前黑死病導致歐洲30%～50%的人死亡以來，研究人員就一直想知道這場致命的瘟疫是如何在幸存者身上留下印記的。

這種毀滅性的疫情大流行，一定擁有一種強大的選擇性力量，那些有著超強免疫能力的人因此得以幸存。

但在活著的人身上檢測它的印記是不可能的，因為我們的免疫基因在應對新病原體時經常發生變化。

今年，研究人員利用研究古代DNA的工具，觀察在瘟疫中活下來和死去的人的免疫基因差異，并發現了一個巨大的影響。

該研究小組分析了在倫敦和丹麥的黑死病發生之前、期間和之后被埋葬的500多人的骨頭中的古代DNA。

此前，他們在《自然》雜志上報道稱，幸存者更有可能攜帶基因變異，從而增強他們對引發瘟疫的鼠疫桿菌的免疫反應。

在倫敦的黑死病之后，有245個基因變異的頻率上升或下降，來自丹麥人的古代DNA中也有4個基因變異的頻率發生了變化。

其中一個基因特別突出：ERAP2。它編碼一種叫做內質網氨基肽酶2的蛋白質，該蛋白已被證明有助于免疫細胞識別和對抗具有威脅性的病毒。

改變小?星軌跡

在數千年甚至數百萬年的時間里，一個名為Dimorphos的小行星一直圍繞著一顆距離地球數百萬公里的更大的小行星運行。

2022年9月26日，美國宇航局用一艘航天器，永遠地改變了它的軌道，這展示了一種未來可能拯救人類的策略。

當冰箱大小的雙小行星重定向測試衛星以每秒6公里的速度撞上160米寬的Dimorphos時，科學家們慶祝了行星防御任務的首次模擬試驗。

美國宇航局的目標是將Dimorphos小行星擊向更接近它的伙伴，縮短其軌道周期，并展示在未來地球真正受到小行星威脅時的策略。

在這一大事件之前的幾年里，科學家們進行了計算機模擬，還用炮彈發射小行星的小型復制品，以預測將轉移的動量。

由200萬年前的DNA重建而成的古代?態系統

直到最近，DNA的“保質期”還被確定為100萬年左右，更古老的遺傳物質會因嚴重退化而無法讀取。

今年，科學家們大幅延長了這個時間段，從北極的凍土中提取出了歷經至少200萬年的微DNA片段。

這項研究被譽為杰作，它展示了用環境DNA重建失落世界的力量，比如在格陵蘭島北部的溫暖時期下茁壯生長起來的、一種早已不存在的沿海森林。

研究人員從峽灣河口的沉積物中提取了41個有機樣本的DNA片段，發現了一片茂密的楊樹、白楊和其他針葉樹；黑鵝和馬蹄蟹；還有馴鹿、旅鼠和乳齒象等哺乳動物。

沒有人預料到，乳齒象這個已經滅絕的大象親戚的活動范圍會延伸到那么遠的北方。

多年來，永久凍土層成為了DNA保存的天然冰箱，扮演輔助角色的還有石英和粘土顆粒，尤其是黑云母，它們的帶電表面結合并保護了DNA。

該團隊花了數年時間研究如何從礦物質中提取DNA片段，然后用高通量測序對其進行解碼。