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

JWST

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

空間望遠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鏡不同，JWST可捕獲紅外光，包括從第一批恒星和星系發出的光。在2022年6月下旬上天后的幾天內，研究人員開始發現數千個比以前記錄的任何星系都更遙遠、更古老的新星系，其中一些可能比哈勃望遠鏡發現的最古老的星系早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，以及它們如何在太空中移動。這些數據已開始非常詳細地揭示距離地球數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。這對農民來說是一項艱巨的工作，可能會導致土壤侵蝕等環境問題。能夠年復一年地生存和生產的多年生谷物可以減輕負擔，但培育足夠長壽和高產的植物一直是一個挑戰。今年，中國的研究人員表明，多年生水稻能夠達到這些標準，為農民節省下辛苦勞動。

云南大學的胡鳳益研究團隊培育出可用于實際生產的多年生水稻品種。相關成果在《Nature Sustainability》發表，論文的標題為：Sustained productivity and agronomic potential of perennial rice。

研究團隊利用多年生野生水稻與一年生栽培水稻進行雜交，經過多次自交篩選培育出系列多年生水稻品系，最終3個水稻品種通過國家審定。多年生水稻可連續種植4年，每年收獲2季，并且平均畝產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節，總體上能夠節約50%左右的生產投入。種植多年生水稻同時具有改善耕層土壤結構和增加土壤有機質含量等良好生態效益。該品系水稻在最低月平均氣溫不低于13.5℃并且持續低于4℃時間不超過5天（南北緯40度之間）的稻作區均可種植。

目前胡鳳益團隊已成功育成了多個多年生稻品種，包括多年生稻23、云大25、云大107等，在中國及周邊多個國家試驗成功并推廣。其中多年生稻23（PR23）于2018年通過品種審定，具有廣適、高產穩產、多年生性強等特點，是基于種間雜交培育多年生糧食作物領域的里程碑事件。多年生稻種植一次，可連續免耕收獲3-4年，即自第二季起便無需買種、育秧、犁田和移栽等生產環節，僅需田間管理和收獲兩個生產環節，節約生產成本，減少勞動力，是一種輕簡化、綠色可持續的稻作生產方式。

該研究不僅培育出應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，科學家們發現了一種無需借助顯微鏡就可用肉眼看到的、有史以來最大的細菌——華麗硫珠菌（Thiomargarita magnifica），它可長到2厘米，形如一根細繩，相當于花生或蒼蠅的大小，比許多其他微生物大5000倍。

科學家表示，除了顛覆關于微生物可以變得多大和復雜的觀點外，這種細菌“可能是復雜細胞進化過程中缺失的一環”。

具體見：重新定義原核細胞！迄今為止最大的細菌出乎意料的復雜

RSV疫苗

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

RSV通常只會引起輕微的感冒癥狀，但在嬰兒身上，這種病毒會使肺部的小氣道發炎，而在老年人身上，它會使現有的肺部和心臟狀況惡化。50多年前，一項試驗性候選疫苗的臨床試驗導致兩名兒童死亡，80%的接種者住院治療，幾十年來RSV疫苗的開發一直處于停滯狀態。科學家隨后找出了關鍵原因：該疫苗由化學滅活的整個病毒制成，只引發了相對較弱的抗體，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關鍵進展，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胞受體對接后改變了形狀，病毒與細胞融合，從而形成感染。在現任莫爾豪斯醫學院的Graham領導下，該團隊研究出如何將蛋白質鎖定在其預融合狀態。因此，接種疫苗會引發更高水平的強效抗體。

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

由于過去的失敗，研發人員仍然感到不安：在臨床試驗中出現了未指明的“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，沒有一項其他研究報告出現危險信號，其中一些候選疫苗明年可能會獲得世界各地監管機構的批準。

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對新病原體的反應頻繁變化，因此在活人身上檢測它的遺產是不可能的。

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，并確定了一個顯著的影響。該團隊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》雜志上報道，幸存者更可能攜帶基因變體，從而增強他們對鼠疫耶爾森菌的免疫反應。鼠疫耶爾森桿菌是一種由跳蚤傳播的細菌，導致了鼠疫。

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

該團隊發現了ERAP2的兩種變體，它們的基因密碼僅相差一個字母。一種產生全尺寸的蛋白質，另一種產生截短的蛋白質。遺傳了兩個拷貝的編碼全尺寸蛋白質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。研究人員還在實驗室中培養了25名現代英國人的免疫細胞，并發現當暴露于鼠疫桿菌時，具有全尺寸保護型ERAP2的細胞產生了更多的免疫系統蛋白。

黑死病發生后的一個世紀里，這種保護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的保護性變體至今仍在45%的英國人中發現。它的持續存在表明，直到最近，它仍然受到自然選擇的青睞，這可能是因為瘟疫在19世紀早期之前一直在歐洲和亞洲流行。但這種保護可能有代價：同樣的變體也會增加患自身免疫性疾病的風險，如克羅恩病和類風濕性關節炎。

具體見：Nature：黑死病如何改變人們的免疫系統

可能導致多發性硬化癥的病毒

今年研究人員表明，一種常見的皰疹病毒是多發性硬化癥（MS）的一個重要因素，在這種疾病中，免疫系統會攻擊神經元。這一發現可能會為治療或預防這種神秘疾病帶來新的方法。在全球280萬患者中，這種疾病會導致一些輕微癥狀，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，多發性硬化癥的主要嫌疑人是Epstein-Barr virus，這種病毒在兒童時期感染大多數人，然后潛伏在某些白細胞中。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致傳染性單核細胞增多癥或“接吻病”。幾乎所有患有多發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。

為了確定這種聯系，流行病學家搜尋了超過1000萬美國新兵20年的醫療記錄，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。該團隊在1月的《科學》雜志上報道，在最初呈陰性的士兵中，隨后的感染將MS風險提高了32倍。這超過了吸煙導致的肺癌風險增加。

其他研究人員發現了一種可能的機制，幾天后在《自然》雜志上報道，冬眠的病毒可能會通過所謂的分子模擬喚醒并造成神經損傷。Epstein-Barr的一種蛋白質類似于大腦和脊髓中的蛋白質，它明顯地誘使免疫系統攻擊傳導電信號所必需的神經細胞周圍的外殼。約20%至25%的MS患者的血液中含有結合這兩種蛋白的抗體。

這些發現刺激了通過靶向病毒開發治療MS藥物的努力。如果目前正在進行臨床試驗的愛潑斯坦-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甚至可能會像小兒麻痹癥一樣被消滅。

具體見：《Science》普通皰疹病毒引發多發性硬化癥的證據

迄今最早DNA重建200萬年前生態系統

200萬年前的世界什么樣？科學家通過分析迄今恢復的最早的古代環境DNA，繪制了格陵蘭北部約200萬年前生態系統的樣貌，包括曾存在的動物和植物物種。該結果發表于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古代生態系統，揭示了一個沒有現代等同物的生態系統。

這個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，該地區在約200萬—300萬年前的氣候要溫暖很多，氣溫比現在高11℃—19℃。然而，由于脊椎動物化石的稀缺，人們對當時居住在北極區的生物群落不甚了解。

此次，英國劍橋大學研究人員對從重建地5個不同遺址采集的41例有機質富集沉積物樣本進行了DNA提取和測序。研究團隊利用這些DNA重現了古代生態系統的樣貌：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記錄證實了野兔的存在，來自遺址的線粒體DNA還揭示了其它動物存在的痕跡，包括乳齒象、馴鹿、嚙齒動物和雁類。研究人員還恢復了海洋生物的古DNA，這些古DNA顯示曾存在一個大西洋鱟種群。研究人員認為，這或許意味著這一片區域在更新世早期有著更溫暖的地表水環境，與之前的預測一致。

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