科技日報記者 張夢然

這仍然是世紀疫情與百年變局交織的一年，這也是科學技術照亮世界的一年。我們相信，有這份光，就有希望。2022年，生物醫(yī)學、核聚變以及人工智能是重點突破領域，航空航天作為大國實力較量的焦點炙手可熱，科學倫理和危機應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) 標志器官移植新水平

2022年，異種器官移植，正在謹慎中前行。

在器官移植領域，供體器官短缺是長期存在的嚴重問題，因此科學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。

美國馬里蘭大學醫(yī)學院的醫(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，雖然當時手術成功，但此名全球首例接受豬心臟移植的患者依然在術后2個月死亡，死因或與豬病毒有關。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、加速性排異反應（48小時至5天內(nèi)），以及急性排異反應（一周以上）的影響。

盡管最終結果不盡如人意，但是借助目前快速進步的基因編輯技術，人類在改造器官方面的技術已經(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?？欤恍枰畮讉€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界一場競速賽。

在論文預印網(wǎng)站上，天文學幾乎每天都“煙花綻放”——關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，日本文部科學省稱，科學家在“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。日本北海道大學天文學家首次發(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個中子短暫地結合在一起形成。

20年前，科學家們首次捕捉到了“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 從設計蛋白到作畫聊天成果頻出

人工智能研究機構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)的結構。該公司在短短18個月內(nèi)，憑借“阿爾法折疊”算法，預測了迄今被編目的幾乎所有蛋白質(zhì)結構，破解了生物學領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)的結構。這些成果除了幫助攻克生命科學瓶頸外，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OpenAI開發(fā)出了DALL-E 2，為圖像生成和處理領域樹立了新的標桿。它可生成更加真實和準確的畫像：綜合文本描述中給出的概念、屬性與風格等元素，生成現(xiàn)實主義圖像與藝術作品，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研究所進行，相關論文于今年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е掳l(fā)育性疾病。只要技術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)模災難。但天體物理學家認為，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?shù)幕A設施并做好小行星偏轉相關測試。

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。當被撞小行星軌道周期變化大于73秒時，NASA則判定任務成功。而此次任務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技術，其旨在為全人類確定，有朝一日該技術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，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)射場準時點火發(fā)射。約8分鐘后，夢天實驗艙準確進入預定軌道，發(fā)射任務取得了圓滿成功。

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與應用實驗，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)外科學實驗提供支持。我國建設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，為科學研究服務，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)絡中心和哈佛大學的科學家開發(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，還可安裝在服務器機架上。

在量子隱形傳態(tài)方面，今年之前關于這一效應的實驗演示，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)絡中，兩個非相鄰節(jié)點之間的量子信息隱形傳態(tài)。這一結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，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。該實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，結果輸出了3.15兆焦耳的聚變能量。

核聚變研究的目的是復制在太陽上產(chǎn)生能量的核反應。自20世紀50年代以來，這是科學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方面，而且在技術方面，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，這中間，還有太多技術壁壘。

（圖片除標注外來源于視覺中國）