艾滋病预防药、星舰着陆……《Science》年度十大科学突破来了 | 红杉爱科学
每一年，《科学》杂志的编辑团队都会评选出年度十大科学突破，其中包括一项科学突破冠军奖以及九项科学突破入围奖。它们是这一年中最重大的科学发现、科学进展和趋势，不仅仅是数据和理论的堆砌，更是人类智慧与勇气的结晶。
近日，《科学》杂志如期公布了2024年度十大科学突破评选结果，从基础物理学的突破性进展，到生物医学领域的革命性发现；从人工智能技术的飞跃式提升，到环境保护技术的创新实践；从遥远星系的深空探测，到微观世界的粒子探索——每一项突破都拓展了我们对这个世界的理解，也为解决人类面临的重大挑战提供了新的视角和工具。
一针管半年的长效HIV预防针剂问世
作为《科学》评选的最优“年度突破”，2024年的桂冠授予了艾滋病药物lenacapavir，一种革命性的长效注射型HIV预防药物。它不仅在全球试验中展现了近乎完美的保护效果，还为抗病毒药物研发开辟了全新思路。
图源：Science在过去的数十年里，人类在抗击HIV/AIDS的战斗中取得了显著的进展。然而，每年依然有超过100万人感染HIV，全球范围内的疫苗研发始终未能突破。在这一背景下，2024年科学界迎来了新的希望——一种每6个月仅需注射一次的HIV预防药物lenacapavir。
这款药物不仅在大规模试验中展现出接近100%的惊人保护率，还通过其独特的分子机制重新定义了抗病毒药物的研发思路。随着这项技术的潜力逐渐显现，我们站在了一个新时代的起点：一个可能彻底扭转HIV流行趋势、改变数百万生命命运的时代。
利用免疫细胞治疗自身免疫疾
CAR-T疗法在大约15年前首次作为血液肿瘤治疗方法出现，并且是2013年《科学》杂志年度科学突破之一。今年，这项疗法在治疗自身免疫疾病方面取得显著进展，如狼疮、硬皮病和多发性硬化等，许多重症患者病情得以缓解，有些甚至完全停药。
这是一种完全不同的疾病治疗方法：医生从患者的白细胞中分离出T细胞进行基因工程改造，用以寻找和摧毁导致自身免疫反应的B细胞，并将它们回输给患者。今年，出现了大量新的临床试验，以测试CAR-T疗法对自身免疫疾病中B细胞的效力，到目前为止，已有30多名患者得到成功治疗。
图注：嵌合抗原受体T细胞（CAR-T，粉色）正逼近并攻击B细胞
图源：N. Burgess/Science
通过基因工程改造患者的T细胞研究还发现，CAR-T能深入清除传统疗法难以触及的淋巴结B细胞。然而，科学家们仍在努力了解免疫过度反应等严重副作用的发生频率，以及完全缓解的常见程度和持续时间。
詹姆斯·韦布空间望远镜探测宇宙黎明
詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）是有史以来规模最大和功能最强大的太空望远镜，也是《科学》杂志评选的2022年度科学突破，专为研究宇宙最初的几十亿年而设计。它发现了宇宙最早期明亮星系，这些星系的数量比预期的多1000倍，且其中一些星系与银河系大小相仿。
研究表明，这些星系可能由巨型恒星或活跃黑洞驱动。光谱分析显示，早期星系富含气体、尘埃和重元素，暗示巨星和黑洞的快速形成可能解释这些星系的亮度。该发现有助于我们更好地理解宇宙的起源和演化，以及星系和恒星的形成过程。
图注：被遥远的早期星群红光笼罩——JWST最早的图像之一
图源：NASA; ESA; CSA; STScI
基于RNA的杀虫剂进入农田
杀虫剂是一把双刃剑，在消灭害虫的同时也可能对非目标生物造成伤害。今年，美国国家环境保护局（EPA）批准了一种基于RNA（核糖核酸）的杀虫喷雾剂，该喷雾剂可针对特定害虫的基因进行精准设计，从而在不伤害非目标生物的情况下消灭害虫。
这种新的、精确的方法将比现有的化学物质更安全、更有效，有助于减少农药残留和对环境的污染。
该杀虫剂产品针对的是已经对传统化学药物产生抗药性的马铃薯叶甲，能够通过干扰其基因阻止关键蛋白质的表达，迅速杀死虫害。研究者正努力开发针对其他害虫，如蛾类和蜜蜂寄生螨的RNA杀虫剂，但也面临害虫对RNA的抗药性问题。
固氮细胞器的发现揭示进化新奥秘
今年4月，美国科学家发现了第一种固氮真核生物“硝基体”，这是一种海藻细胞中独特的固氮结构，它能将大气中的氮转化为氨，供植物利用。这颠覆了生物固氮只发生于细菌和古菌中的认知，此前尚未发现任何真核生物（即拥有复杂细胞结构的生物，如植物和动物）具备直接从大气中固氮的能力。该发现揭示了我们对细胞复杂性进化的认知尚存不足。
图注：在海藻Braarudosphaera bigelowii中发现了一种新的细胞器，即硝基体（圆形物体，右下角）
图源：Tyler Coale
DNA研究表明，这种新发现的细胞器大约在1亿年前由海藻和固氮蓝细菌之间的共生产生。藻类细胞吸收了这些细菌，使曾经独立的微生物的细胞器，被整合到另一种生物的细胞中。研究人员正在探索如何利用这一发现，未来可能使作物具备自我施肥的能力，改善农业生产。
发现一种新磁性
铁磁性和反铁磁性一直被认为是材料的两种主要磁序。在我们熟知的铁磁体中，相邻原子上的未配对电子以相同的方向自旋，使材料表现出磁性，比如，磁铁能够吸附在冰箱上；而在反铁磁体中，相邻的电子以相反的方向自旋，但整体上不显示磁性，例如铬。
今年，物理学家们证实了第三种永久磁性材料——交错磁体的存在，它既具有反铁磁体的稳定性和快速自旋翻转的速度，又可以像铁磁体一样轻易进入不同状态。在理论上，这些优点通常被认为是不相容的。但研究人员通过设想时间倒流来区分两种磁性，最终观察到碲化锰和锑化铬等材料中的分裂现象，证明了这一磁性材料的存在。
这一发现为磁性材料的研究和应用提供了新的方向，有望实现电子设备中超快磁开关的功能。
图注：在交错磁体中，相邻的电子自旋方向相反（颜色），但原子尺度结构中具有不同定向（形状）
图源：Libor Šmejkal and Anna Birk Hellenes
最早多细胞真核生物现身
研究人员过去认为，真核生物最初以单个细胞的形式存在了约10亿年，随后才逐渐形成细胞链。这一转变的发生为更复杂生物体的演化铺平了道路，而这些生物体在大约5.5亿年前开始大量出现。
然而今年1月，中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎团队在华北燕山地区16.3亿年前地层中发现的多细胞真核生物化石揭示，简单的多细胞真核生物在更复杂的生命形式出现之前的约10亿年就已经出现，挑战了传统的生命演化时间观念。
早在几十年前，中国燕山的串岭沟组中也发现了类似的、拥有16亿年历史的化石，其发现者将其命名为“壮丽青山藻”，但并未引起广泛关注。2015年，中国的古生物学家重返该地区，在随后的几年里，他们又发现了278个壮丽青山藻标本，并对其进行了详细分析。
显微镜下的观察显示，这些化石由多达20个圆柱形细胞组成，类似于植物中的细胞壁，而且部分细胞内含有可能的繁殖细胞“孢子”等结构。这一发现将多细胞真核生物出现的时间进一步提前了约7000万年。
通过基因工程改造患者的T细胞研究还发现，CAR-T能深入清除传统疗法难以触及的淋巴结B细胞。然而，科学家们仍在努力了解免疫过度反应等严重副作用的发生频率，以及完全缓解的常见程度和持续时间。
图注：这些微观化石的研究揭示，单细胞真核生物细胞的链接可能远早于先前的估计
图源：Lanyun Miao et al./Chinese Academy of Sciences’s Nanjing Institute of Geology and Palaeontology
地幔波动能影响大陆轮廓的形成
长期以来，科学家普遍认为，当板块构造导致大陆分裂时，只有裂谷带的局部区域会受到影响，而远离裂谷的大陆内部则保持稳定。然而，英国南安普顿大学地球科学家的一项研究表明，陡峭的悬崖和高原是由大陆分离时在地球中层引发的同一“巨浪”造成的。当构造板块断裂时，会在地球深处引发强大而缓慢的地幔波，能够导致大陆表面在几百万年内上升超过一公里。
研究团队利用最新的计算模型和统计分析方法，重建了大陆板块裂解过程及其对地表的影响。他们注意到，在模拟中观察到的地幔波传播速度与历史上记录的重大侵蚀事件相吻合，特别是发生在古冈瓦纳大陆解体后的南部非洲地区。这表明，地幔波可能通过移除大陆根部的岩石层，减轻了大陆的质量，使其如同热气球减轻负重般上升。
此外，科学家们还发现，这种由地幔波引起的地壳变动不仅限于裂谷边缘，而是能够向内陆扩散数百至数千公里，形成广阔的高原地貌，如南非中部高原。地表因此经历了长时间的侵蚀，移除了大量的岩石，进一步促进了大陆的抬升。
星舰着陆实现筷子夹住火箭
今年，SpaceX的“星舰”多次成功发射，其中10月13日的助推器成功着陆成为历史性壮举：助推器以超音速从高空下降，通过重启部分发动机将其速度降至几乎静止的悬停状态，并由发射塔的机械臂将其精准捕获。这一成就标志着新纪元的到来，预示着未来低成本的重型火箭将降低太空科研的费用。
技术的核心在于助推器和上级火箭的回收与快速再利用。SpaceX公司已凭借部分可重复使用的猎鹰9号和猎鹰重型火箭，将轨道发射成本降低了近10倍。预计一艘完全可重复使用的星际飞船将再次将成本降低一个数量级，使人类登陆火星的梦想更加触手可及。
SpaceX星际飞船飞行测试虽然存在失败风险，但低成本组件与频繁发射为科学家们提供了更多探索和实验的机会。他们能接触到的不再是单一火星探测器，而是多个协同工作的探测器，或是一系列能自主组装成远超哈勃望远镜大小的反射镜碎片。
远古DNA揭示家族纽带
通过从古代骨骼和牙齿中提取DNA，科学家们能够了解古代人群迁移、传染病演变和饮食习惯等信息。现在，它也揭示了家族秘密。在今年，大量的研究为几千年前去世的人们重建了家谱。
通过研究不同人共有的同一遗传密码片段（称为“血统相同”片段），研究人员可以估测出两个人的亲缘关系有多密切，直到六级亲属关系。但是结合考古学信息，例如骨骼的年龄、他们埋葬墓地的位置或埋葬在附近亲属的遗传关系，科学家们能够重建多达八代的家族树，进一步了解古代社会的组织结构和遗传关系。
了解遗传亲缘关系可以揭示过去社会的相关信息，而这些信息仅靠考古学永远无法得到答案。最近发表的一项研究发现，4万多年前第一批生活在欧洲的现代人中，有两名女性来自一个大家庭，尽管她们在临终前相距数百公里。随着研究人员对更多个体进行样本测定，这类发现将变得更加普遍，并能使遥远过去的亲属关系更加明朗。
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