科技日報記者 張夢然
這仍然是世紀(jì)疫情與百年變局交織的一年，這也是科學(xué)技術(shù)照亮世界的一年。我們相信，有這份光，就有希望。2022年，生物醫(yī)學(xué)、核聚變以及人工智能是重點突破領(lǐng)域，航空航天作為大國實力較量的焦點炙手可熱，科學(xué)倫理和危機應(yīng)對則是科技界永遠需要直面的話題……
1 豬心植入病人體內(nèi) 標(biāo)志器官移植新水平
2022年，異種器官移植，正在謹(jǐn)慎中前行。
在器官移植領(lǐng)域，供體器官短缺是長期存在的嚴(yán)重問題，因此科學(xué)家們一直在嘗試使用動物器官來幫助解決這一難題。而新的基因編輯工具，正在不斷提升動物器官成功移植到人體的可能性。
美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)生們歷時7個小時，首次將一顆經(jīng)過基因編輯的豬心臟移植到了一名心臟遭受重創(chuàng)的患者體內(nèi)。手術(shù)3天后，該患者的身體狀況仍然良好。這表明，來自動物的心臟可以在人體內(nèi)發(fā)揮作用，且不被直接排斥。
不過，遺憾的是，雖然當(dāng)時手術(shù)成功，但此名全球首例接受豬心臟移植的患者依然在術(shù)后2個月死亡，死因或與豬病毒有關(guān)。這種病毒名為豬巨細胞病毒，研究人員從未發(fā)現(xiàn)該病毒可引起活躍的感染跡象。
盡管如此，這一手術(shù)已經(jīng)成功克服了異種器官移植此前必然會發(fā)生的超急性（48小時內(nèi)）排異反應(yīng)、加速性排異反應(yīng)（48小時至5天內(nèi)），以及急性排異反應(yīng)（一周以上）的影響。
盡管最終結(jié)果不盡如人意，但是借助目前快速進步的基因編輯技術(shù)，人類在改造器官方面的技術(shù)已經(jīng)比過去要更加成熟。它也證明了干細胞培養(yǎng)組織器官再生是一種途徑，未來心臟、肝臟等器官供體或都可以采取這種方式進行培養(yǎng)。
2 韋布望遠鏡拍攝到宇宙早期星系
詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝的宇宙圖像。 新華社發(fā)
在大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡之后，詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST，以下簡稱韋布望遠鏡）應(yīng)該是為人們帶來最多震撼的空間望遠鏡。
經(jīng)過多年的延誤和成本上漲，價值100億美元的韋布望遠鏡終于在2021年底發(fā)射。2022年，這個大科學(xué)儀器在投入使用后沒有遇到任何問題，很快開始收集數(shù)據(jù)并捕捉宇宙的壯觀圖像。而基于有史以來最大的反射主鏡面和紅外敏感系統(tǒng)，韋布望遠鏡可以獲取前所未有的觀測細節(jié)并能夠解析星云。其合成照片的速度也非?？?，只需要十幾個小時，而哈勃空間望遠鏡則需要上百小時。
這一年，韋布望遠鏡幾乎掀起了天文學(xué)界一場競速賽。
在論文預(yù)印網(wǎng)站上，天文學(xué)幾乎每天都“煙花綻放”——關(guān)于韋布望遠鏡傳回數(shù)據(jù)的分析論文不斷涌現(xiàn)。它拍攝到了距離地球46億光年的星系團、385光年外的系外行星，還有一個歷史超過130億年的紅色光斑，給人們提供了有史以來最古老的“嬰兒宇宙”的快照……韋布望遠鏡因此也被稱為“時間機器”。
而由于使用的燃料比預(yù)期中少很多，所以直到2040年前，韋布望遠鏡都會是人類獲取宇宙深處數(shù)據(jù)的主要工具。天文學(xué)界也從2022年起開啟了一段新征程。
3 地外存在“生命之源” 首次確認
隕石上的氨基酸說明什么？需要明白的是，目前在隕石上發(fā)現(xiàn)的有機物，并無法證明地球上的生命起源于地外，但“生命之源”的元素卻能在地外出現(xiàn)。這項結(jié)論說明了一點，那就是在宇宙空間中，有機物普遍存在，只要條件適合，就能夠形成各種有機物。
為人類確定這一點的，是距離地球3億多公里的小行星“龍宮”。這是一顆碳質(zhì)小行星——宇宙中數(shù)量最多的小行星類型。2020年12月，探測器“隼鳥2號”搭載的回收艙從“龍宮”返回地球，并帶回重量約5.4克的行星表面樣本。2022年，日本文部科學(xué)省稱，科學(xué)家在“隼鳥2號”采集的樣本中檢測到20多種氨基酸。這是首個在地外存在氨基酸的證據(jù)，對理解這些至關(guān)重要的有機分子如何到達地球具有重要意義。
同樣是在今年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)組成脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）必不可少的成分——嘧啶堿基，可能是由富碳隕石帶到地球的。日本北海道大學(xué)天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了此前從未在隕石樣本中發(fā)現(xiàn)的脫氧核糖核酸和核糖核酸信息單元中的最后兩個——胞嘧啶和胸腺嘧啶。雖然脫氧核糖核酸不太可能在隕石中形成，但該發(fā)現(xiàn)有助于理解早期地球上生命分子的發(fā)展。
4 “四中子態(tài)”迄今最明確證據(jù)發(fā)布
宇宙是如何形成的，其答案可能不在宏觀描述中，而在微觀世界里粒子的演繹中。
德國、日本、美國和中國等國的科學(xué)家組成的國際科研團隊2022年在《自然》雜志上發(fā)表論文稱，他們獲得了迄今最明確的證實“四中子態(tài)”這種物質(zhì)存在的證據(jù)。
在此之前，越來越多證據(jù)表明存在著一種奇特而難以捉摸的物質(zhì)——“四中子態(tài)”，它由4個中子短暫地結(jié)合在一起形成。
20年前，科學(xué)家們首次捕捉到了“四中子態(tài)”存在的“蛛絲馬跡”，他們發(fā)現(xiàn)了鈹和碳原子碰撞后可能形成“四中子態(tài)”的證據(jù)，但當(dāng)時實驗誤差很大。
在最新研究中，科研團隊制造出了比普通氦原子多4個中子的氦原子，然后讓其與質(zhì)子碰撞。這些氦原子在碰撞后只留下了4個中子，而它們結(jié)合形成了“四中子態(tài)”。隨后，研究團隊計算出碰撞形成“四中子態(tài)”后丟失的能量，并推斷出“四中子態(tài)”的“壽命”僅為10^-22秒。
這一發(fā)現(xiàn)有助于物理學(xué)家對核力本質(zhì)的理論進行微調(diào)，并深入了解目前已知僅存在于中子星內(nèi)部的奇異物質(zhì)形態(tài)，從而幫助人類更好地理解宇宙是如何形成的。
5 人工智能 從設(shè)計蛋白到作畫聊天成果頻出
人工智能研究機構(gòu)OpenAI向用戶開放測試人工智能軟件，其可基于文字描述生成圖片。此圖為生成的圖像。
生成式人工智能技術(shù)的暴發(fā)，使人工智能工具似乎已經(jīng)抵達了人類創(chuàng)造力的外部邊界。
人工智能公司“深度思維”今年8月宣布將公布超2億個蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。該公司在短短18個月內(nèi)，憑借“阿爾法折疊”算法，預(yù)測了迄今被編目的幾乎所有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，破解了生物學(xué)領(lǐng)域最重大的難題之一。元宇宙平臺公司（Meta）研究人員也利用人工智能預(yù)測了來自細菌、病毒和其他尚未被表征微生物的6億多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。這些成果除了幫助攻克生命科學(xué)瓶頸外，也將在解決可持續(xù)性、糧食安全等重要問題上開辟新機。
今年，生成式人工智能也在變革著內(nèi)容的生產(chǎn)方式。去年，DALL-E的問世曾讓人們驚艷于人工智能圖像生成器可以根據(jù)一段話直接生成圖像的能力。今年4月，美國人工智能研究機構(gòu)OpenAI開發(fā)出了DALL-E 2，為圖像生成和處理領(lǐng)域樹立了新的標(biāo)桿。它可生成更加真實和準(zhǔn)確的畫像：綜合文本描述中給出的概念、屬性與風(fēng)格等元素，生成現(xiàn)實主義圖像與藝術(shù)作品，分辨率更是提高了4倍。
今年12月初，OpenAI發(fā)布了一款自然語言生成式模型，不同于此前一些聊天機器人經(jīng)常出現(xiàn)答非所問、言語混亂等問題，名為ChatGPT的新模型生成的答案不僅邏輯流暢，還能夠聯(lián)系上下文語境進行連貫問答。因此，ChatGPT一經(jīng)問世就迅速引發(fā)關(guān)注，上線5天，其體驗用戶就突破100萬。
6 干細胞培育出全合成小鼠胚胎
生命可以在培養(yǎng)皿、在實驗室，甚至未來在機器中、在工廠里被制造出來嗎？
2022年，科學(xué)家首次在不使用精子或卵子的情況下創(chuàng)造了合成小鼠胚胎，使其成功地在子宮外生長。換句話說，這些胚胎并不是精子和卵子結(jié)合的產(chǎn)物，它們的生長甚至不需要借助雌鼠的子宮，它們是“人工合成”的胚胎，由生長于培養(yǎng)皿中的干細胞產(chǎn)生，并在人工生物反應(yīng)器中發(fā)育生長。上述胚胎在第6天長出了尾巴，在第8天長出了一顆跳動的心臟，甚至還出現(xiàn)了大腦的雛形。
這項實驗由以色列魏茨曼科學(xué)研究所進行，相關(guān)論文于今年8月1日發(fā)表在《細胞》雜志上。上述胚胎只存活了8天半，卻標(biāo)志著驚人的突破，也面臨著法律和倫理方面的考驗：目前，法律允許最多14天大的人類胚胎用于實驗室研究，超過這個時間范圍將被視為違法，而法律對合成胚胎的研究時間范圍則沒有做出任何規(guī)定。如果某一天，一個用人體干細胞合成的胚胎在實驗室里誕生，并擁有大腦和心跳，它違法嗎？
研究人員相信，如今的突破有助于了解干細胞如何在發(fā)育的胚胎中形成各種器官，以及突變?nèi)绾螌?dǎo)致發(fā)育性疾病。只要技術(shù)掌握在合適的人手中，它依然是利大于弊。
7 航天器撞擊小行星 有助地球免遭威脅
美國國家航空航天局“雙小行星重定向測試”（DART）航天器撞擊一顆近地小行星。
一顆小行星向地球襲來，可能在幾年之內(nèi)甚至幾個月之內(nèi)到達，人類能夠做些什么來阻止它呢？
到目前為止，人類還沒有像地球曾經(jīng)的“霸主”——恐龍那樣，遭受小行星撞擊帶來的大規(guī)模災(zāi)難。但天體物理學(xué)家認為，從長遠來看，指望人類的運氣并不是靠譜的防御策略，人們必須修建起恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施并做好小行星偏轉(zhuǎn)相關(guān)測試。
北京時間2022年9月27日早上7時14分，在人類對行星防御的第一次測試中，執(zhí)行美國國家航空航天局（NASA）“雙小行星重定向測試”（DART，戲稱“打他”）任務(wù)的航天器成功撞向一顆名為“迪莫弗斯”的小行星。幾天后，NASA證實，DART航天器成功地將迪莫弗斯的軌道周期改變了32分鐘——從11小時55分鐘縮短到11小時23分鐘。當(dāng)被撞小行星軌道周期變化大于73秒時，NASA則判定任務(wù)成功。而此次任務(wù)的實際成果達到了判定要求的25倍以上。
這是NASA首次全面展示其小行星軌道偏轉(zhuǎn)技術(shù)，其旨在為全人類確定，有朝一日該技術(shù)可以通過航天器以動能撞擊的方式使近地小行星或彗星軌道偏轉(zhuǎn)，從而保護地球家園免遭噩運。
8 中國空間站歷史性完成“合體”
2022年10月25日，夢天實驗艙與長征五號B遙四運載火箭組合體轉(zhuǎn)運至發(fā)射塔架。新華社發(fā)（屠海超攝）
“夢天”飛天，代表著中國航天人的步履不停、探索不止。
今年10月31日15時37分，搭載空間站夢天實驗艙的長征五號B遙四運載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時點火發(fā)射。約8分鐘后，夢天實驗艙準(zhǔn)確進入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得了圓滿成功。
夢天實驗艙是中國空間站的第三個艙段，主要用于開展空間科學(xué)與應(yīng)用實驗，參與空間站組合體管理，貨物氣閘艙可支持貨物自動進出艙，為艙內(nèi)外科學(xué)實驗提供支持。我國建設(shè)天宮空間站的主要目的，就是建成水平先進的國家太空實驗室，為科學(xué)研究服務(wù)，以產(chǎn)出重大的科技成果。而夢天實驗艙在三個艙段中具有最強的支持載荷能力，它的成功發(fā)射將推動我國空間科學(xué)水平進一步提升。
對于中國人探索太空的實踐來說，夢天實驗艙的建成和發(fā)射，不僅對中國航天事業(yè)意義重大，還將為人類和平利用太空作出開拓性貢獻。誠如外媒所稱，夢天實驗艙的發(fā)射彰顯了中國的實力，即在不依賴美、俄兩個航天大國的情況下，獨自組建空間站。
9 量子計算研究 從模擬蟲洞到隱形傳態(tài)獲突破
長久以來，量子物理與廣義相對論“相看兩厭”的局面，幾乎是被理論物理學(xué)界所公認，而量子引力正在嘗試“調(diào)和”二者的矛盾。
英國《自然》雜志今年首次報道了利用一臺量子處理器對全息蟲洞進行量子“模擬”。此次演示使用的，就是谷歌公司推出的量子計算原型機“懸鈴木”，這一成果代表著人們距離在實驗室研究量子引力的目標(biāo)又近了一步。
同樣是在今年，來自美國亞馬遜云科技量子網(wǎng)絡(luò)中心和哈佛大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出一種新型量子存儲器，其可以在4開爾文的溫度下工作，這將對未來量子網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模實現(xiàn)產(chǎn)生重大的影響。因為將溫度降至4開爾文的低溫冰箱比將溫度降至0.1開爾文的冰箱便宜5倍、體積小10倍，還可安裝在服務(wù)器機架上。
在量子隱形傳態(tài)方面，今年之前關(guān)于這一效應(yīng)的實驗演示，一直局限于兩個相連節(jié)點之間。而在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的一項研究中，研究人員演示了在一個三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)中，兩個非相鄰節(jié)點之間的量子信息隱形傳態(tài)。這一結(jié)果被認為是朝著量子互聯(lián)網(wǎng)邁出的重要一步。
10 核聚變研究首次實現(xiàn)“凈能量增益”
美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置內(nèi)部。
在可控核聚變的征途上，每一次“增益”都為未來的“人造太陽”注入一縷光芒。
今年12月14日，美國加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置（以下簡稱美國國家點火裝置）宣布里程碑式突破：人類有史以來第一次成功在核聚變反應(yīng)中，獲得“凈能量增益”。美國國家點火裝置通過“慣性局限融合”技術(shù)，以全球最大型的激光去撞擊氫電漿粒子，引發(fā)核聚變反應(yīng)。該實驗向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，結(jié)果輸出了3.15兆焦耳的聚變能量。
核聚變研究的目的是復(fù)制在太陽上產(chǎn)生能量的核反應(yīng)。自20世紀(jì)50年代以來，這是科學(xué)家們一直在追求的無碳能源最終夢想。美國資深核聚變科學(xué)家直言，“對我們大多數(shù)人而言，（成功）只是時間早晚問題”。
不過，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室主任金·布迪爾卻表示：“激光核聚變不僅在科學(xué)方面，而且在技術(shù)方面，都存在著非常重大的障礙。目前，我們一次點火一個燃料小球，要實現(xiàn)商業(yè)聚變能，必須每分鐘點火多次，還必須擁有一個強大的激光系統(tǒng)?！?/p>
換句話說，如果要用于商業(yè)發(fā)電，激光器必須要像機關(guān)槍一樣密集發(fā)射，且每次發(fā)射都需要產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，這中間，還有太多技術(shù)壁壘。
（圖片除標(biāo)注外來源于視覺中國）
