《中国科学基金》2023年第37卷第2期封面
编者按 Science杂志每年会在年底评选出当年十大科学突破。2022年12月15日,Science杂志公布了其评选出的2022年十大科学突破。为了让广大读者更深入地了解十大科学突破的科学价值,本刊特邀各领域著名科学家分别对其进行解读,以激发科研人员的创新思维,促进学术交流。
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詹姆斯韦伯太空望远镜
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经过无数挫折、近30年的发展、100亿美元的巨额花费以及150万公里的危险太空之旅,新的詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)终于打开了它的金色红外眼,以令人惊叹的、前所未有的细节瞥见了宇宙以及它深不可测的过去。然而,与其前身哈勃空间望远镜不同,JWST聚焦于红外波段,包括从第一批恒星和星系发出的光。在2022年6月下旬上天后很短的时间内,研究人员开始发现数千个比以前记录的任何星系都更遥远、更古老的新星系,其中一些可能比哈勃望远镜发现的最古老的星系早5千万到1亿多年。更重要的是,JWST能够从天体(从诞生的恒星到系外行星)收集足够的光线,以揭示它们是由什么组成的,以及它们如何形成演化的。这些数据已开始非常详细地揭示距离地球数百光年的行星的大气成分,为研究它们支持生命的能力提供了可能性。
专家点评
方陶陶 厦门大学天文学系教授、 系主任, 国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才。任中国天文学会十四、十五届理事会常务理事、中国空间站望远镜科学委员会委员等职。长期从事星系形成演化、宇宙大尺度结构等相关研究。
王 鑫 中国科学院大学副教授,国家级海外引进人才。主要从事空间望远镜数据处理算法开发、第一代恒星搜寻、星系形成与化学演化、引力透镜与暗物质空间分布等领域的研究。被选为詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)大师班成员,应美国航空航天局(NASA)授权负责为JWST培养观测人才。目前以首席科学家身份主持两项哈勃空间望远镜(HST)中型级别观测项目,作为核心成员参与数项珍宝级和大型JWST、HST观测项目。
图1 韦伯望远镜首个公开发布的河外星系深场图像——位于红移0.39处的SMACS 0723星系团中心场(左图为之前哈勃空间望远镜观测的多波段合成图像;右图为韦伯望远镜在同一天区进行的多波段观测合成图像。SMACS 0723星系团的引力透镜效应放大并扭曲了一些背景高红移星系,对某些背景星系产生了弧状结构和多重像。两幅图相比可以轻而易见韦伯望远镜在河外星系深场观测方面的威力。)
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发现可能导致多发性硬化的病毒
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专家点评
蓝 柯 武汉大学教授、病毒学国家重点实验室主任、武汉大学生物安全三级动物实验室/动物实验中心主任,国家杰出青年科学基金获得者、长江特岗学者、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才。主要从事致瘤性疱疹病毒、重要新发病毒的感染及致病机理研究,在Nature、The New England Journal of Medicine、Science Translational Medicine等学术期刊发表论文120余篇。学术兼职包括:中国微生物学会病毒学专委会副主委、湖北省生物工程学会理事长、Journal of Virology及Viruses编委、Journal of Medical Virology和Science Bulletin副主编、Cell Insight执行主编等。
庄 柯 武汉大学生物安全三级动物实验室/动物实验中心讲师。主要从事AIDS猴模型构建、HIV致中枢神经系统损伤及HIV/EBV致淋巴瘤机制的研究,研究成果发表在Journal of Virology、Journal of Acquired Immune Deficiency Syndromes、Retrovirology等学术期刊上。先后主持国家自然科学基金面上项目、湖北省卫生计生委面上项目、中央高校基本科研业务费专项资金项目。
图2 EB 病毒粒子的电子显微镜图像, 新的研究确定了EB 病毒和 MS 之间的因果关系(图片来源:Science 官网)
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黑死病如何改变欧洲人基因的新见解
700年前,黑死病席卷欧洲,并夺走了几乎三分之一人口的性命。之后,科学家们便一直在研究那些幸存者是如何逃过这场致命瘟疫的。但是想要从当代人身上检测到相关基因影响是几乎不可能的,所以研究古DNA是一条更可行的方案。今年,研究人员就分析了500多具遗骨中的古DNA,这些遗骸分别埋葬于黑死病来临前、期间和之后。结果发现,幸存者携带变异基因的可能性更大,这些基因将会增强他们对鼠疫菌的免疫反应。
专家点评
杨瑞馥 军事医学研究院微生物流行病研究所研究员,国家杰出青年科学基金获得者。主要从事细菌进化溯源和致病机制的研究,在The New England Journal of Medicine、Science等杂志发表SCI论文300余篇。国家卫健委食品安全风险评估委员会委员,中国卫生标准委员会传染病标准专业委员会委员等,《微生物学学报》等杂志副主编。获国家技术发明奖二等奖1项,已成功转化。
图3 伦敦挖掘的14世纪死于鼠疫的病人遗骸用于古DNA的研究,发现了鼠疫对免疫基因表达调控的选择作用(图片来源:Science官网)
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惊人的巨型细菌
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专家点评
朱永群 浙江大学求是特聘教授,生命科学研究院资深研究员,国家杰出青年科学基金获得者。主要从事细菌与宿主互作机制研究,在Science、Cell、Molecular Cell、Nature Microbiology等期刊上发表20余篇论文,获得谈家桢生命科学创新奖、中国青年科技奖、药明康德生命化学奖、教育部自然科学奖一等奖、国家自然科学基金优秀青年科学基金、英国皇家学会牛顿高级学者等荣誉和资助。
图4 长线状的 Thiomargarita magnifica 细胞跟硬币大小对比,Thiomargarita magnifica 的平均长度可达厘米,挑战了细菌的传统概念(图片来源:Science 官网)
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200万年前环境DNA重现古老生态系统
一般来说,DNA的保存期限为100万年左右,因为更早的DNA中,遗传物质严重降解。2022年,科学家们在北极的沙漠冻土中,成功提取到了至少200万年前的DNA片段。而通过这些DNA片段,科学家们还原出了非常与众不同的生态系统,其中有驯鹿、野兔甚至乳齿象。此前很难有人会想到,这种已经灭绝的大象近亲的活动范围,会延伸到如此北部的地方。
专家点评
付巧妹 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员、分子古生物学实验室主任、国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、发展中国家科学院(TWAS)青年通讯院士、美国霍华德·休斯医学研究所(HHMI)国际青年学者。主要从事演化遗传与群体遗传学研究,在古DNA探索人类起源与演化问题上取得一系列突破性成果,如破译东亚、世界最早现代人基因组等,在Nature、Cell、Science等国际期刊发表学术论文60余篇(包括ESI高被引论文12篇),获国家发明专利授权2项。曾被Nature评为“中国十大科学之星”之一,获中国青年·五四奖章、中国青年科技奖—特别奖、陈嘉庚青年科学奖—生命科学奖、首届科学探索奖等。
图5 冻土古DNA重现200万年前格陵兰岛上一个独特的动植物群落(图片来源:Science 官网)
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更易于耕种的多年生稻
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专家点评
黄学辉 上海师范大学生命科学学院教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。主要从事水稻遗传学研究和生物信息学技术开发,以通讯作者在Nature、Cell、Nature Genetics等期刊发表学术文章多篇。获得国家自然科学奖一等奖、张海银种业促进一等奖等奖项。
魏 鑫 上海师范大学生命科学学院教授、博士生导师,国家优秀青年科学基金获得者。主要从事作物遗传学研究和品种培育工作,以第一作者在Nature Genetics、Nature Communications等期刊发表学术文章多篇。育成作物新品种3个并推广应用,获得湖北省科技进步奖一等奖1项。
图6 通过一年生的栽培稻(a)和多年生的长雄野生稻(b)的杂交选育出多年生的栽培稻(c,d)(图片来源:https://www.nature.com/articles/s41893-022-00997-3)
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人类首次行星防御实验成功
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专家点评
季江徽 中国科学院紫金山天文台研究员、博士生导师。现任中国科学院行星科学重点实验室主任、中国天文学会行星专业委员会主任。研究方向为太阳系小天体、系外行星与原行星盘,发表论文100余篇。研究成果多次入选年度十大天文科技进展,获得江苏省科学技术奖二等奖(第一完成人)。现任Scientific Reports、Research in Astronomy and Astrophysics、《天文学报》等期刊编委。
图7 DART 调整轨道和指向以锁定撞击点
图8 HST 观测的碰撞后第0.7 天到第8.8 天喷射物质的演变
图9 JWST 在红外波段观测的撞击尾迹(NASA/ESA/CSA)
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RSV疫苗取得突破进展
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呼吸道合胞病毒(RSV)通常只会引起轻微的类似感冒的症状,但在婴儿中,这种病毒会引发肺部的小气道炎症,在老年人中,它会恶化现有的肺部和心脏疾病。50多年前,一种预防RSV的实验性候选疫苗在临床试验中导致两名儿童死亡,导致了80%的接种者住院,此后,RSV疫苗的研发中断了数十年。之后发现了其中的关键原因:由整个RSV病毒的化学灭活版本制成的疫苗只能引发相对较弱的抗体,不仅不能阻止病毒感染,还会帮助RSV破坏呼吸道。美国国家过敏和传染病研究所的Barney Graham等人在2013年取得的一项关键进展,使得新的RSV疫苗能够避免上述问题。基于这一发现,葛兰素史克(GSK)和辉瑞开发的两种RSV疫苗在大规模临床试验中证实,它们可以安全地保护受RSV影响最严重的两个群体:婴儿和老年人,而且都预防了60岁以上人群的严重疾病,没有引起严重副作用。这些RSV候选疫苗可能会在明年获得世界各地监管机构的批准。
专家点评
夏宁邵 教授,厦门大学国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心主任,传染病疫苗研发全国重点实验室主任。入选中国医学科学院学部委员,国家杰出青年科学基金获得者,长江特岗学者。以通讯或共通讯作者在The New England Journal of Medicine、The Lancet、The Lancet Respiratory Medcine、The Lancet Infectious Diseases等高水平期刊发表论文50余篇,近九年连续入选爱思唯尔中国高被引学者,是首位且两度入选Nature Biotechnology全球转化研究者TOP 20榜单的中国内地学者(2016、2020),以第一完成人获国家技术发明奖二等奖、国家科技进步奖二等奖、全国创新争先奖、中国专利金奖、全国抗击新冠肺炎疫情先进集体、求是杰出科技成就奖集体奖等。
郑子峥 副教授,厦门大学公共卫生学院实验医学系副主任,国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心病毒与宿主相互作用研究方向负责人。主要从事病毒的感染机制与诊治靶点研究。在Science、Nature Communications、PNAS、Cell Reports等高水平期刊发表SCI论文30余篇,合计引用1 200余次,获得国内外发明专利授权10余项。
2022年是呼吸道合胞病毒(Respiratory Syncytial Virus,RSV)疫苗领域迎来突破之年。辉瑞(Pfizer)、葛兰素史克(GSK)以及莫得纳(Moderna)公司先后完成并且披露了III期临床试验的积极性数据,疫苗取得的突破性进展成功入选Science 2022年“十大科学突破”。
RSV病毒是一种常见的儿童下呼吸道感染病原体,是导致全球婴儿入院治疗的首要致病因素。据统计,全球每年约有10.2万儿童死于RSV感染。同时RSV也会导致老年人和免疫系统受损的成年人严重的健康问题。长期以来,研发RSV疫苗一直是医学界的追求,但由于病毒本身的复杂性,研究进展缓慢。20世纪60年代,第一代RSV疫苗采用了全病毒灭活的策略,称为FIRSV。该疫苗在婴幼儿接种后并没有产生保护性应答,反而使得接种儿童在随后的初次感染中产生了增强的呼吸道疾病(Enhanced Respiratory Disease,ERD)并导致两名婴儿死亡。这使得RSV疫苗的研发陷入停滞,之后30多年的时间里,RSV疫苗的研发工作一直在谨慎推动中,但2021年前几乎所有进入临床试验阶段的疫苗均以失败告终。
RSV的膜表面蛋白F是近年来RSV疫苗研发的主要靶蛋白。该蛋白作为I类膜蛋白在介导病毒膜融合的过程中会发生剧烈的构象转变,从Pre-F构象转变成Post-F构象,从而完成病毒的早期感染过程。由于Pre-F存在结构不稳定性,研究者长期将Post-F作为F蛋白的主要构象并应用于疫苗研究中,这也最终导致了疫苗的有效性不足。2013年,厦门大学与美国国立卫生研究院(National Institutes of Health,NIH)合作,鉴定出一株可稳固Pre-F的高中和单抗,从而解析Pre-F的分子结构,并应用于疫苗免疫原设计中,获得了稳定Pre-F构象的F蛋白——DS-Cav1,该蛋白在小鼠和食蟹猕猴上诱导出了前所未有的血清中和应答。该成果也入选了Science 2013年“十大科学突破”,标志着RSV疫苗研究从经验主义转向理性设计,拉开了结构指导疫苗设计的序幕。
截至2023年初,共有六款候选疫苗正在进行Ⅲ期临床试验,其中五款采用了稳固的Pre-F形式。Pfizer、GSK以及Moderna公司率先披露的III期临床试验的数据中,三种疫苗均展现了优于以往的保护效力。GSK的疫苗应用增强T细胞应答型佐剂加强RSV A2的Pre-F蛋白免疫,在60岁以上人群中针对RSV相关下呼吸道疾病的保护率超过82%。Pfizer采用了无佐剂形式的Pre-F蛋白双价疫苗策略,在针对60岁以上老年人和孕妇的临床试验中都得到了较好的数据,孕妇接种该疫苗后通过母传抗体对90天内新生儿RSV相关严重下呼吸道疾病的保护率可达81%,6个月内的保护率仍有69%。Moderna公司采用了与其新冠疫苗相同的mRNA疫苗技术,在针对60岁以上老年人的Ⅲ期临床试验中的相关下呼吸道保护率达到了84%。
这一系列令人振奋的结果为缓解RSV疾病负担带来了希望,也标志着疫苗研发进入了精确抗原设计时代,但RSV的疫苗研究仍然面临一系列问题。首先现有临床数据只评估了一个RSV流行季的保护性,疫苗的跨季保护效果仍然未知。部分前期研究结果依然提示,即使由Pre-F所诱导的高效中和抗体,依然存在随着滴度降低导致ERD的相关风险。GSK和Pfizer在III期临床中分别设计了连续2~3个RSV流行季的持续监测,其监测结果值得关注。其次疫苗安全性仍有待考证,GSK针对孕妇开发的无佐剂形式RSV PreF3疫苗因为安全问题,III期临床试验提前停止。目前仍然不清楚造成安全性问题的原因,还需要更进一步的研究分析。此外,最重要的是,目前还没有针对儿童的疫苗进入临床III期,而未感染过RSV的新生儿才是对疫苗有最大需求的人群,同时该人群也是对RSV疫苗的最大挑战,他们不成熟的免疫系统以及至今不能完全解释、避免的ERD问题依然是RSV疫苗研发中的重要不确定因素。因此,RSV疫苗的研发依然任重道远。
图10 RSV 疫苗可以帮助婴儿远离重症监护室(图片来源:Science 官网)
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创造性人工智能的快速发展
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专家点评
俞 扬 南京大学人工智能学院教授。主要从事机器学习、强化学习的研究工作。研究工作获4项国际论文奖励和3项国际算法竞赛冠军,入选IEEE“国际人工智能十大新星”。
2022年,Science将“创造性人工智能”选为十大科学突破之一。与其他科学突破相比,这个题目不是单一的发明,而是人工智能技术在“创造性”领域的应用。代表性系统包括OpenAI的DALL-E、MidJourney网站和开源的Stable Diffusion系统,这些系统可以根据人类用户提供的文本描述生成图像。DeepMind的AlphaCode和微软的Copilot可以根据文本描述生成代码,而AlphaFold支持新蛋白质结构的生成。DeepMind的AlphaTensor则是发现了更快的矩阵乘法。
利用人工智能技术辅助人类产生创造性成果这一方向有长期的研究。经典的应用主要基于搜索算法,以突破人类思维的局限,找到在人类定义的解空间中更好的解决方案。例如,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)在2006年使用进化算法优化天线,获得了与人类设计不同的紧凑而高效的ST5天线。在低维空间搜索未知的更好解已相对成熟,AlphaTensor发现更快的矩阵乘法即属于此类研究。然而,在高维度空间对象(如文本、代码和图像)中“创作”还需要在高维度空间中评估所创建对象的真实性,需要克服准确计算和高维度空间概率采样的困难。
生成对抗网络(Generative Adversarial Network,GAN)于2014年问世,引入了判别模型来区分真实图像和生成图像,突破了建模高维度空间概率分布的难题。GAN可以学到从随机数到逼真图像的映射函数,使得在随机数空间中采样可生成不同的图像。然而,对抗学习过程容易不稳定。2020年出现的扩散模型从随机数逐渐还原出目标图像,极大地提高了训练的稳定性,成为图像生成的主要模型。2017年,Google提出了用于自然语言理解任务的注意力网络Transformer,对于顺序文本数据具有出色的建模能力。2019年左右,Google、OpenAI等组织开始扩大模型规模,不断将训练数据和模型规模推向极限。2022年,这些模型的输出产生了惊人的效果,OpenAI基于Transformer的ChatGPT模型具有流畅的问答能力和广泛的知识,而DALL-E和MidJourney可以从语言中生成逼真的图像。
创造性人工智能技术的发展可以在艺术创作、文化遗产、教育等领域发挥积极作用。它极大地提高了高质量作品的生产效率,帮助人类在各个领域扩展创造力,促进技术创新和进步。在这方面,中国的多所高校和研究所正在进行相关领域的基础研究,产品领域也有百度的“文心一言”等模型。随着算法、计算能力和数据量的不断进步,预计在不久的将来将出现更多、更好的创造性人工智能产品。
可以看出,“创造性”人工智能技术并非像人类一样产生创新能力,而是辅助人类在定义的空间中进行探索。作为辅助工具,当前生成模型的可控性不足。为了生成符合预期的图像,用户通常需要反复调整他们的描述。如何更好地控制人工智能模型的创造性输出是未来的一个重要研究问题。解决这个问题将使人工智能辅助创造力的能力和效率提升到一个新的水平。在应用层面,保障训练数据(原创图像、文章、代码)的版权、抑制虚假信息的生成、消除生成结果中的歧视和刻板印象,将使“创造性”人工智能技术被广泛的接受和应用。
图11 MidJourney 生成的“2123年南京俯瞰图”
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