《科學(xué)》公布年度??突破云南?學(xué)多年??稻成果?選

日前，《科學(xué)》期刊公布了年度十大突破，涵蓋天文、農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)、氣候等領(lǐng)域。其中，一項(xiàng)來(lái)自中國(guó)云南的成果入選，以下為大家一一介紹。

詹姆斯·?伯太空望遠(yuǎn)鏡

2022年7月11日，在白宮的現(xiàn)場(chǎng)直播中，美國(guó)總統(tǒng)拜登公布了他口中的“奇跡般的”詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的第一張照片。

照片公之于眾后，全球數(shù)百萬(wàn)人一起驚嘆于數(shù)千個(gè)星系的粉碎，其中一些甚至是130億年前的樣子?！斑@（甚至）是很難理解的一件事，”拜登說(shuō)。

能讓總統(tǒng)親自宣傳的望遠(yuǎn)鏡并不多見(jiàn)，但由美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲和加拿大太空機(jī)構(gòu)的幫助下建造的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡配得上這個(gè)榮譽(yù)。

這是人類(lèi)有史以來(lái)放入太空的最復(fù)雜的科學(xué)任務(wù)，同時(shí)也是最昂貴（花費(fèi)高達(dá)100億美元），而且它的投入使用也經(jīng)歷了一番曲折。

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的建造花了20年的時(shí)間，中間經(jīng)歷了多次延期。在它為期一個(gè)月、歷經(jīng)150萬(wàn)公里的太空之旅中，還經(jīng)歷過(guò)新的危機(jī)。

在整個(gè)過(guò)程中，工程師們總共要完成344個(gè)關(guān)鍵步驟——任何一步出錯(cuò)，都可能導(dǎo)致任務(wù)失敗，前功盡棄。

多年??稻讓農(nóng)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(shí)都必須重新種植。這對(duì)農(nóng)民來(lái)說(shuō)是很大的工作量，還可能導(dǎo)致土壤侵蝕等環(huán)境問(wèn)題。

如果有每年都能存活并保持生產(chǎn)力的多年生谷物，就可以極大地減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，但培育既長(zhǎng)壽又高產(chǎn)的作物一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2023年，中國(guó)的研究人員表明，經(jīng)過(guò)特殊培育的多年生水稻可以達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，為農(nóng)民節(jié)省數(shù)周的繁重勞動(dòng)力。

這個(gè)品種被稱(chēng)為多年生水稻23（PR23），是多年前通過(guò)將一種亞洲水稻和生長(zhǎng)在非洲的多年生野生水稻雜交而產(chǎn)生的。

研究人員在提高其產(chǎn)量和質(zhì)量方面花了20多年的時(shí)間。最后，在2018年，云南大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的研究人員向中國(guó)的農(nóng)民發(fā)放了PR23，讓他們進(jìn)行了一個(gè)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，以找出水稻可以收獲多少次，并衡量產(chǎn)量和其他效益。

研究小組在NatureSustainability雜志上報(bào)告稱(chēng)，PR23的糧食產(chǎn)量與常規(guī)的、季節(jié)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(nóng)民的肩上可以減少一項(xiàng)繁重的任務(wù)，他們無(wú)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(guò)讓每個(gè)播種季的每公頃工作量減少了77天，并把農(nóng)民的成本降低了一半。多年生水稻田的土壤養(yǎng)分也有所增加。

目前，該技術(shù)可以撐過(guò)四年，到了第五年，這種多年生水稻的產(chǎn)量會(huì)急劇下降，農(nóng)民就需要重新種植。

??智能更有創(chuàng)意

人工智能正在曾經(jīng)被認(rèn)為是人類(lèi)獨(dú)占的領(lǐng)域取得進(jìn)展，包括藝術(shù)表達(dá)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

在這些領(lǐng)域，人工智能的“入侵”一開(kāi)始進(jìn)展緩慢，但在今年，它正在“大殺四方”。

在社交媒體上，最常見(jiàn)的例子是視覺(jué)上最驚人的一些圖片，來(lái)自于所謂的文本到圖像模型。

他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)在線(xiàn)分析的文本和圖像配對(duì)，找到允許他們根據(jù)新文本創(chuàng)建新圖像的模式。

此前，研究實(shí)驗(yàn)室OpenAI推出了一種名為DALL-E的軟件系統(tǒng)，當(dāng)被問(wèn)要求生成“一把鱷梨形狀的扶手椅”時(shí)，它可以產(chǎn)生出幾個(gè)有趣的例子。

后來(lái)，OpenAI發(fā)布了一個(gè)大型的升級(jí)版本，DALL-E2。它實(shí)現(xiàn)了一種被稱(chēng)為擴(kuò)散的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以在上下文或文本描述的指導(dǎo)下，讓圖像從“噪聲”中浮現(xiàn)出來(lái)。

該方法能有效地生成逼真的圖像。

2023年出現(xiàn)了幾種擴(kuò)散模型可供公眾使用，一位使用它的藝術(shù)家贏得了一場(chǎng)美術(shù)比賽，這激起了人們的好奇心，同時(shí)也引發(fā)了尖銳的批評(píng)。

與此同時(shí)，Meta、谷歌等公司發(fā)布了可以制作視頻的擴(kuò)散模型。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也在展示著它在科學(xué)、數(shù)學(xué)和編程方面的創(chuàng)造力。在《科學(xué)》雜志2021年年度突破中，入選了可以從氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)的人工智能工具。

在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)使用人工智能來(lái)設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)，可以用于疫苗、建筑材料或納米機(jī)器。

這種技術(shù)被稱(chēng)為“幻覺(jué)”，它從隨機(jī)序列開(kāi)始，然后將其突變?yōu)槠渌斯ぶ悄芄ぞ哒J(rèn)為的會(huì)折疊成穩(wěn)定蛋白質(zhì)的序列。

?個(gè)驚?的巨?微?物

2023年，一種內(nèi)部十分復(fù)雜的巨大細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)震驚了生物界。微生物通常被認(rèn)為是微小的，但這種暫時(shí)被稱(chēng)為T(mén)hiomargaritamagnifica的細(xì)菌，比一般細(xì)菌細(xì)胞大5000倍。

它的首次發(fā)現(xiàn)，是在法屬安的列斯群島的一片紅樹(shù)林沼澤的枯萎樹(shù)葉的表面上。

研究人員過(guò)去認(rèn)為，細(xì)菌是很小的，因?yàn)樗鼈冎饕揽繑U(kuò)散來(lái)移動(dòng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和廢物，缺乏在其他細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部運(yùn)輸系統(tǒng)。

擴(kuò)散的分子不能移動(dòng)很遠(yuǎn)，這限制了細(xì)菌的大小——至少人們?cè)臼沁@樣想的。

教科書(shū)上還說(shuō)細(xì)菌通常缺乏內(nèi)部隔間，但研究人員在2月份報(bào)告說(shuō)，Thiomargaritamagnifica細(xì)菌內(nèi)部有好幾個(gè)。

一個(gè)是充滿(mǎn)水的囊，可能就是它讓該微生物長(zhǎng)成一個(gè)大細(xì)菌。它將細(xì)胞的所有蛋白質(zhì)和其他成分推向細(xì)胞外膜，使它們接觸到氧氣、硫和其他必要的分子以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散。

通過(guò)向細(xì)菌中添加定制的氨基酸構(gòu)建塊，并追蹤它們與蛋白質(zhì)的結(jié)合，研究人員證明了蛋白質(zhì)的生產(chǎn)發(fā)生在細(xì)胞的外圍附近。

其他一些細(xì)菌，包括1999年在納米比亞海岸發(fā)現(xiàn)的一種細(xì)菌，也有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。

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(duì)抗呼吸道合胞病毒的疫苗的大規(guī)模臨床試驗(yàn)最終證明，他們可以安全地保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)最大的人群：嬰兒和老人。

這兩種疫苗都可以預(yù)防60歲以上老年人出現(xiàn)嚴(yán)重的癥狀，而不會(huì)引起嚴(yán)重的副作用。其中一種，當(dāng)給懷孕后期的母親使用時(shí)，還可以將抗體傳遞給胎兒，在嬰兒出生后的6個(gè)月內(nèi)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(huì)攻擊肺部的小氣道，而在老年人中，它會(huì)加重已有的肺部和心臟病。

50多年前，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)候選疫苗的臨床試驗(yàn)導(dǎo)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(kāi)發(fā)中斷了數(shù)十年。

科學(xué)家們隨后發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵原因：該疫苗基于病毒的滅活版本開(kāi)發(fā)，但只引發(fā)了相對(duì)較弱的抗體，這些抗體不僅未能阻止病毒，反倒通過(guò)當(dāng)時(shí)知之甚少的機(jī)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(guó)免疫學(xué)家、病毒學(xué)家巴尼·格雷厄姆和美國(guó)國(guó)家過(guò)敏和傳染病研究所的同事在2013年取得的一項(xiàng)關(guān)鍵成果，避免了這一問(wèn)題。

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

現(xiàn)在在格雷厄姆的領(lǐng)導(dǎo)下，研究小組想出了如何將蛋白質(zhì)鎖定在融合前狀態(tài)的方法。這樣一來(lái)，接種疫苗就會(huì)引發(fā)更高水平的強(qiáng)效抗體。

病毒被認(rèn)為是導(dǎo)致多發(fā)性硬化癥的原因

利用大量的軍事醫(yī)療記錄，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種常見(jiàn)的皰疹病毒“愛(ài)潑斯坦-巴爾病毒”，是多發(fā)性硬化癥的重要參與者。多發(fā)性硬化癥是一種免疫系統(tǒng)攻擊神經(jīng)元而導(dǎo)致的疾病。

這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)為治療或預(yù)防這種神秘的疾病帶來(lái)新的方法。這種疾病會(huì)在全球280萬(wàn)患者中引起輕微的癥狀，包括視力模糊、疲勞和麻木，但也會(huì)逐漸讓病情較重的人無(wú)法說(shuō)話(huà)或行走。

長(zhǎng)期以來(lái)，多發(fā)性硬化癥的一個(gè)主要懷疑對(duì)象是愛(ài)潑斯坦-巴爾病毒，大多數(shù)人可能會(huì)在兒童時(shí)期感染這種病毒，然后它會(huì)潛伏在某些白細(xì)胞中。

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

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

為了確認(rèn)這種聯(lián)系，流行病學(xué)家查閱了1000多萬(wàn)美國(guó)新兵20年的醫(yī)療記錄，并分析了他們儲(chǔ)存的一些血液樣本。

在801名患有多發(fā)性硬化癥的士兵中，除了一人外，所有人都呈愛(ài)潑斯坦-巴爾病毒陽(yáng)性。

該小組在1月份的《科學(xué)》雜志上報(bào)告稱(chēng)，在那些原本是陰性，后來(lái)感染了這種病毒的士兵中，其感染多發(fā)性硬化癥的風(fēng)險(xiǎn)增加了32倍。這甚至超過(guò)了吸煙導(dǎo)致肺癌風(fēng)險(xiǎn)增加的程度。

美國(guó)通過(guò)了具有?程碑意義的?候法

幾十年來(lái)，美國(guó)科學(xué)家在記錄氣候變化風(fēng)險(xiǎn)方面引領(lǐng)世界，美國(guó)外交官也在國(guó)際論壇上大肆渲染全球變暖的可怕威脅。

不過(guò)，這些警告聽(tīng)起來(lái)有些空洞，因?yàn)榕c許多歐洲富裕國(guó)家不同，美國(guó)這個(gè)世界第二大溫室氣體生產(chǎn)國(guó)從未通過(guò)大幅減排的法律。今年夏天，通過(guò)這樣一個(gè)法案的嘗試似乎要再次失敗。

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

該法案將在10年內(nèi)提供3690億美元，以支持可再生能源和核能生產(chǎn)電力，同時(shí)也刺激汽車(chē)行業(yè)大規(guī)模轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)，并研究減少工業(yè)排放的方法。

幾個(gè)獨(dú)立的研究小組已經(jīng)計(jì)算出，10年后，美國(guó)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(xiàng)法案還不足以讓美國(guó)滿(mǎn)足其在2016年巴黎協(xié)議下的承諾，即到2030年減少50%的排放量。

分析人士說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，各州就必須增加其清潔能源的發(fā)電量。

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署還必須為電力公司發(fā)布并執(zhí)行人們期待已久的溫室氣體規(guī)定，而且未來(lái)的總統(tǒng)和法院也需要維持這些規(guī)定。

歐洲?的基因中發(fā)現(xiàn)了?死病的印記

自從700年前黑死病導(dǎo)致歐洲30%～50%的人死亡以來(lái)，研究人員就一直想知道這場(chǎng)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(qiáng)大的選擇性力量，那些有著超強(qiáng)免疫能力的人因此得以幸存。

但在活著的人身上檢測(cè)它的印記是不可能的，因?yàn)槲覀兊拿庖呋蛟趹?yīng)對(duì)新病原體時(shí)經(jīng)常發(fā)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(lái)和死去的人的免疫基因差異，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的影響。

該研究小組分析了在倫敦和丹麥的黑死病發(fā)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?cè)凇蹲匀弧冯s志上報(bào)道稱(chēng)，幸存者更有可能攜帶基因變異，從而增強(qiáng)他們對(duì)引發(fā)瘟疫的鼠疫桿菌的免疫反應(yīng)。

在倫敦的黑死病之后，有245個(gè)基因變異的頻率上升或下降，來(lái)自丹麥人的古代DNA中也有4個(gè)基因變異的頻率發(fā)生了變化。

其中一個(gè)基因特別突出：ERAP2。它編碼一種叫做內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氨基肽酶2的蛋白質(zhì)，該蛋白已被證明有助于免疫細(xì)胞識(shí)別和對(duì)抗具有威脅性的病毒。

改變小?星軌跡

在數(shù)千年甚至數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間里，一個(gè)名為Dimorphos的小行星一直圍繞著一顆距離地球數(shù)百萬(wàn)公里的更大的小行星運(yùn)行。

2022年9月26日，美國(guó)宇航局用一艘航天器，永遠(yuǎn)地改變了它的軌道，這展示了一種未來(lái)可能拯救人類(lèi)的策略。

當(dāng)冰箱大小的雙小行星重定向測(cè)試衛(wèi)星以每秒6公里的速度撞上160米寬的Dimorphos時(shí)，科學(xué)家們慶祝了行星防御任務(wù)的首次模擬試驗(yàn)。

美國(guó)宇航局的目標(biāo)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(lái)地球真正受到小行星威脅時(shí)的策略。

在這一大事件之前的幾年里，科學(xué)家們進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，還用炮彈發(fā)射小行星的小型復(fù)制品，以預(yù)測(cè)將轉(zhuǎn)移的動(dòng)量。

由200萬(wàn)年前的DNA重建而成的古代?態(tài)系統(tǒng)

直到最近，DNA的“保質(zhì)期”還被確定為100萬(wàn)年左右，更古老的遺傳物質(zhì)會(huì)因嚴(yán)重退化而無(wú)法讀取。

今年，科學(xué)家們大幅延長(zhǎng)了這個(gè)時(shí)間段，從北極的凍土中提取出了歷經(jīng)至少200萬(wàn)年的微DNA片段。

這項(xiàng)研究被譽(yù)為杰作，它展示了用環(huán)境DNA重建失落世界的力量，比如在格陵蘭島北部的溫暖時(shí)期下茁壯生長(zhǎng)起來(lái)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(gè)有機(jī)樣本的DNA片段，發(fā)現(xiàn)了一片茂密的楊樹(shù)、白楊和其他針葉樹(shù)；黑鵝和馬蹄蟹；還有馴鹿、旅鼠和乳齒象等哺乳動(dòng)物。

沒(méi)有人預(yù)料到，乳齒象這個(gè)已經(jīng)滅絕的大象親戚的活動(dòng)范圍會(huì)延伸到那么遠(yuǎn)的北方。

多年來(lái)，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(jié)合并保護(hù)了DNA。

該團(tuán)隊(duì)花了數(shù)年時(shí)間研究如何從礦物質(zhì)中提取DNA片段，然后用高通量測(cè)序?qū)ζ溥M(jìn)行解碼。