12月16日Science雜志公布了2022年度十大科學(xué)突破。今年的Science十大科學(xué)突破之首是詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），除此之外，生物類的包括：一種比許多細(xì)菌細(xì)胞大近5000倍的巨大微生物；開發(fā)多年生水稻品種；黑死病如何改變歐洲人基因；200萬年前的環(huán)境DNA重建的古老生態(tài)系統(tǒng)；呼吸道合胞病毒疫苗；以及識別可能導(dǎo)致多發(fā)性硬化癥的病毒。

JWST

經(jīng)過無數(shù)挫折、20年的發(fā)展、100億美元的巨額花費(fèi)以及150萬公里的危險(xiǎn)太空之旅，新的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）終于打開了它的金色紅外眼，以令人驚嘆的、前所未有的細(xì)節(jié)瞥見了宇宙以及它深不可測的過去。為了紀(jì)念這一壯舉，美國《科學(xué)》雜志將JWST的飛行遴選為2022年科學(xué)突破之首。

空間望遠(yuǎn)鏡不受地球大氣層的阻礙，提供了地球周圍宇宙的未受干擾的視圖。然而，與其前身哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不同，JWST可捕獲紅外光，包括從第一批恒星和星系發(fā)出的光。在2022年6月下旬上天后的幾天內(nèi)，研究人員開始發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)比以前記錄的任何星系都更遙遠(yuǎn)、更古老的新星系，其中一些可能比哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的最古老的星系早1.5億多年。更重要的是，JWST能夠從天體（從誕生的恒星到系外行星）收集足夠的光線，以揭示它們是由什么組成的，以及它們?nèi)绾卧谔罩幸苿?dòng)。這些數(shù)據(jù)已開始非常詳細(xì)地揭示距離地球數(shù)百光年的行星的大氣成分，為研究它們支持生命的能力提供了可能性。

多年生水稻，更容易種植

世界主要糧食作物水稻、小麥和玉米必須在每一次收獲后重新種植。這對農(nóng)民來說是一項(xiàng)艱巨的工作，可能會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕等環(huán)境問題。能夠年復(fù)一年地生存和生產(chǎn)的多年生谷物可以減輕負(fù)擔(dān)，但培育足夠長壽和高產(chǎn)的植物一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。今年，中國的研究人員表明，多年生水稻能夠達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，為農(nóng)民節(jié)省下辛苦勞動(dòng)。

云南大學(xué)的胡鳳益研究團(tuán)隊(duì)培育出可用于實(shí)際生產(chǎn)的多年生水稻品種。相關(guān)成果在《Nature Sustainability》發(fā)表，論文的標(biāo)題為：Sustained productivity and agronomic potential of perennial rice。

研究團(tuán)隊(duì)利用多年生野生水稻與一年生栽培水稻進(jìn)行雜交，經(jīng)過多次自交篩選培育出系列多年生水稻品系，最終3個(gè)水稻品種通過國家審定。多年生水稻可連續(xù)種植4年，每年收獲2季，并且平均畝產(chǎn)量略高于一年生水稻。多年生水稻可省略育秧和栽種等耕作環(huán)節(jié)，總體上能夠節(jié)約50%左右的生產(chǎn)投入。種植多年生水稻同時(shí)具有改善耕層土壤結(jié)構(gòu)和增加土壤有機(jī)質(zhì)含量等良好生態(tài)效益。該品系水稻在最低月平均氣溫不低于13.5℃并且持續(xù)低于4℃時(shí)間不超過5天（南北緯40度之間）的稻作區(qū)均可種植。

目前胡鳳益團(tuán)隊(duì)已成功育成了多個(gè)多年生稻品種，包括多年生稻23、云大25、云大107等，在中國及周邊多個(gè)國家試驗(yàn)成功并推廣。其中多年生稻23（PR23）于2018年通過品種審定，具有廣適、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、多年生性強(qiáng)等特點(diǎn)，是基于種間雜交培育多年生糧食作物領(lǐng)域的里程碑事件。多年生稻種植一次，可連續(xù)免耕收獲3-4年，即自第二季起便無需買種、育秧、犁田和移栽等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，僅需田間管理和收獲兩個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，節(jié)約生產(chǎn)成本，減少勞動(dòng)力，是一種輕簡化、綠色可持續(xù)的稻作生產(chǎn)方式。

該研究不僅培育出應(yīng)用前景廣泛的多年生水稻品種，對其他多年生作物和多年生牧草的遺傳改良也具有一定的借鑒意義。

巨大微生物

今年2月，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種無需借助顯微鏡就可用肉眼看到的、有史以來最大的細(xì)菌——華麗硫珠菌（Thiomargarita magnifica），它可長到2厘米，形如一根細(xì)繩，相當(dāng)于花生或蒼蠅的大小，比許多其他微生物大5000倍。

科學(xué)家表示，除了顛覆關(guān)于微生物可以變得多大和復(fù)雜的觀點(diǎn)外，這種細(xì)菌“可能是復(fù)雜細(xì)胞進(jìn)化過程中缺失的一環(huán)”。

具體見：重新定義原核細(xì)胞！迄今為止最大的細(xì)菌出乎意料的復(fù)雜

RSV疫苗

針對呼吸道合胞病毒（RSV）的兩種疫苗的大規(guī)模臨床試驗(yàn)最終證明，它們可以安全地保護(hù)受這種常見感染影響最嚴(yán)重的兩個(gè)群體：嬰兒和老年人。兩種疫苗都能預(yù)防人的嚴(yán)重疾病，對60歲以上老人有效，不會(huì)造成嚴(yán)重副作用。其中一個(gè)還保護(hù)了懷孕晚期的嬰兒6個(gè)月。

RSV通常只會(huì)引起輕微的感冒癥狀，但在嬰兒身上，這種病毒會(huì)使肺部的小氣道發(fā)炎，而在老年人身上，它會(huì)使現(xiàn)有的肺部和心臟狀況惡化。50多年前，一項(xiàng)試驗(yàn)性候選疫苗的臨床試驗(yàn)導(dǎo)致兩名兒童死亡，80%的接種者住院治療，幾十年來RSV疫苗的開發(fā)一直處于停滯狀態(tài)。科學(xué)家隨后找出了關(guān)鍵原因：該疫苗由化學(xué)滅活的整個(gè)病毒制成，只引發(fā)了相對較弱的抗體，這不僅無法阻止病毒，而且通過鮮為人知的機(jī)制，幫助RSV損傷氣道。

2013年，美國國家過敏癥和傳染病研究所（National Institute of Allergy and Infectious Diseases）的Barney Graham及其同事取得了一項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)展，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(xì)胞受體對接后改變了形狀，病毒與細(xì)胞融合，從而形成感染。在現(xiàn)任莫爾豪斯醫(yī)學(xué)院的Graham領(lǐng)導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)研究出如何將蛋白質(zhì)鎖定在其預(yù)融合狀態(tài)。因此，接種疫苗會(huì)引發(fā)更高水平的強(qiáng)效抗體。

今年由葛蘭素史克和輝瑞公司（Pfizer）進(jìn)行的試驗(yàn)的好消息證明了這一策略的正確性。更多的結(jié)果即將到來：楊森制藥公司和巴伐利亞北歐公司正在進(jìn)行針對老年人的RSV疫苗的有效性試驗(yàn)。這兩種疫苗在早期開發(fā)階段都表現(xiàn)良好。

由于過去的失敗，研發(fā)人員仍然感到不安：在臨床試驗(yàn)中出現(xiàn)了未指明的“安全信號”后，葛蘭素史克于2月份停止了其母源RSV疫苗。但迄今為止，沒有一項(xiàng)其他研究報(bào)告出現(xiàn)危險(xiǎn)信號，其中一些候選疫苗明年可能會(huì)獲得世界各地監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。

黑死病如何改變歐洲人基因

自從700年前黑死病奪去了歐洲三分之一以上人口的生命以來，研究人員一直在想，這場致命的瘟疫是如何在幸存者身上留下印記的。這樣一場毀滅性的大流行一定是一種強(qiáng)大的選擇性力量，有利于具有特別有效免疫防御的人。但是，由于我們的免疫基因?qū)π虏≡w的反應(yīng)頻繁變化，因此在活人身上檢測它的遺產(chǎn)是不可能的。

今年，研究人員利用研究古代DNA的工具，觀察了在瘟疫期間生存和死亡的人的免疫基因差異，并確定了一個(gè)顯著的影響。該團(tuán)隊(duì)分析了倫敦和丹麥黑死病之前、期間和之后埋葬的500多人的骨骼中的古代DNA。10月，他們在《自然》雜志上報(bào)道，幸存者更可能攜帶基因變體，從而增強(qiáng)他們對鼠疫耶爾森菌的免疫反應(yīng)。鼠疫耶爾森桿菌是一種由跳蚤傳播的細(xì)菌，導(dǎo)致了鼠疫。

倫敦黑死病發(fā)生后，245個(gè)基因變體的頻率上升或下降；其中四個(gè)也改變了丹麥人的古代DNA。其中一個(gè)特別突出的基因是ERAP2。它編碼一種叫做內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氨基肽酶2的蛋白質(zhì)，已被證明可以幫助免疫細(xì)胞識別和對抗威脅病毒。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了ERAP2的兩種變體，它們的基因密碼僅相差一個(gè)字母。一種產(chǎn)生全尺寸的蛋白質(zhì)，另一種產(chǎn)生截短的蛋白質(zhì)。遺傳了兩個(gè)拷貝的編碼全尺寸蛋白質(zhì)的變體的人在瘟疫中存活的可能性是遺傳了兩份拷貝的另一種變體的人的兩倍。研究人員還在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)了25名現(xiàn)代英國人的免疫細(xì)胞，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)暴露于鼠疫桿菌時(shí)，具有全尺寸保護(hù)型ERAP2的細(xì)胞產(chǎn)生了更多的免疫系統(tǒng)蛋白。

黑死病發(fā)生后的一個(gè)世紀(jì)里，這種保護(hù)性基因變體在歐洲的迅速傳播，是人類基因組中迄今為止最有力的自然選擇例子。ERAP2的保護(hù)性變體至今仍在45%的英國人中發(fā)現(xiàn)。它的持續(xù)存在表明，直到最近，它仍然受到自然選擇的青睞，這可能是因?yàn)槲烈咴?9世紀(jì)早期之前一直在歐洲和亞洲流行。但這種保護(hù)可能有代價(jià)：同樣的變體也會(huì)增加患自身免疫性疾病的風(fēng)險(xiǎn)，如克羅恩病和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。

具體見：Nature：黑死病如何改變?nèi)藗兊拿庖呦到y(tǒng)

可能導(dǎo)致多發(fā)性硬化癥的病毒

今年研究人員表明，一種常見的皰疹病毒是多發(fā)性硬化癥（MS）的一個(gè)重要因素，在這種疾病中，免疫系統(tǒng)會(huì)攻擊神經(jīng)元。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)為治療或預(yù)防這種神秘疾病帶來新的方法。在全球280萬患者中，這種疾病會(huì)導(dǎo)致一些輕微癥狀，包括視力模糊、疲勞和麻木，但逐漸使其他人無法說話或行走。

長期以來，多發(fā)性硬化癥的主要嫌疑人是Epstein-Barr virus，這種病毒在兒童時(shí)期感染大多數(shù)人，然后潛伏在某些白細(xì)胞中。該病毒主要通過唾液傳播，在新感染的青少年和年輕人中可導(dǎo)致傳染性單核細(xì)胞增多癥或“接吻病”。幾乎所有患有多發(fā)性硬化癥的人都有愛潑斯坦-巴爾病毒抗體，但95%的健康成年人也是如此，因此很難確定該病毒的病因。

為了確定這種聯(lián)系，流行病學(xué)家搜尋了超過1000萬美國新兵20年的醫(yī)療記錄，并分析了他們儲存的一些血樣。在801名患MS的士兵中，除一人外，其他所有人此前的愛潑斯坦-巴爾病毒檢測均呈陽性。該團(tuán)隊(duì)在1月的《科學(xué)》雜志上報(bào)道，在最初呈陰性的士兵中，隨后的感染將MS風(fēng)險(xiǎn)提高了32倍。這超過了吸煙導(dǎo)致的肺癌風(fēng)險(xiǎn)增加。

其他研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可能的機(jī)制，幾天后在《自然》雜志上報(bào)道，冬眠的病毒可能會(huì)通過所謂的分子模擬喚醒并造成神經(jīng)損傷。Epstein-Barr的一種蛋白質(zhì)類似于大腦和脊髓中的蛋白質(zhì)，它明顯地誘使免疫系統(tǒng)攻擊傳導(dǎo)電信號所必需的神經(jīng)細(xì)胞周圍的外殼。約20%至25%的MS患者的血液中含有結(jié)合這兩種蛋白的抗體。

這些發(fā)現(xiàn)刺激了通過靶向病毒開發(fā)治療MS藥物的努力。如果目前正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)的愛潑斯坦-巴爾疫苗中的一種被證明是有效的，并且被用于全世界的兒童，那么有一天MS甚至可能會(huì)像小兒麻痹癥一樣被消滅。

具體見：《Science》普通皰疹病毒引發(fā)多發(fā)性硬化癥的證據(jù)

迄今最早DNA重建200萬年前生態(tài)系統(tǒng)

200萬年前的世界什么樣？科學(xué)家通過分析迄今恢復(fù)的最早的古代環(huán)境DNA，繪制了格陵蘭北部約200萬年前生態(tài)系統(tǒng)的樣貌，包括曾存在的動(dòng)物和植物物種。該結(jié)果發(fā)表于7日的《自然》雜志，使人們能以前所未有的程度探究并理解一個(gè)古代生態(tài)系統(tǒng)，揭示了一個(gè)沒有現(xiàn)代等同物的生態(tài)系統(tǒng)。

這個(gè)重建地是一片極地沙漠，位于北格陵蘭的皮里地（Peary?Land）。此前研究顯示，該地區(qū)在約200萬—300萬年前的氣候要溫暖很多，氣溫比現(xiàn)在高11℃—19℃。然而，由于脊椎動(dòng)物化石的稀缺，人們對當(dāng)時(shí)居住在北極區(qū)的生物群落不甚了解。

此次，英國劍橋大學(xué)研究人員對從重建地5個(gè)不同遺址采集的41例有機(jī)質(zhì)富集沉積物樣本進(jìn)行了DNA提取和測序。研究團(tuán)隊(duì)利用這些DNA重現(xiàn)了古代生態(tài)系統(tǒng)的樣貌：一片生長著楊樹、樺樹、崖柏以及各種北極和北方灌木、草本植物的開闊北方林。DNA記錄證實(shí)了野兔的存在，來自遺址的線粒體DNA還揭示了其它動(dòng)物存在的痕跡，包括乳齒象、馴鹿、嚙齒動(dòng)物和雁類。研究人員還恢復(fù)了海洋生物的古DNA，這些古DNA顯示曾存在一個(gè)大西洋鱟種群。研究人員認(rèn)為，這或許意味著這一片區(qū)域在更新世早期有著更溫暖的地表水環(huán)境，與之前的預(yù)測一致。

研究人員表示，他們的研究結(jié)果證明了利用古代環(huán)境DNA追溯200萬年前生物群落演化的潛力。