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引言：在即將過(guò)去的 2024 年，科學(xué)界宛如一幅波瀾壯闊的畫(huà)卷，既有振奮人心的重大突破，也有令人深思的挫折與困境。讓我們一同回顧這一年科學(xué)領(lǐng)域的那些關(guān)鍵事件，感受科學(xué)發(fā)展的脈搏。北京時(shí)間13日，美國(guó)《科學(xué)》雜志網(wǎng)站公布了2024年度十大科學(xué)突破評(píng)選結(jié)果及年度挫折。其中，中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)迄今最古老的多細(xì)胞真核生物化石榮登榜單。

 

 

2024年年度十大科學(xué)突破

 

科學(xué)突破之首：長(zhǎng)效HIV預(yù)防針劑

在抗擊艾滋病的征程中，Lenacapavir 無(wú)疑是一顆耀眼的新星。臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)令人矚目，其獨(dú)特的作用機(jī)制，通過(guò)精準(zhǔn)地與 HIV 的衣殼蛋白結(jié)合，成功阻止病毒進(jìn)入細(xì)胞核，為全球抗擊艾滋病帶來(lái)了全新的希望。這不僅是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大勝利，更是人類在與病毒長(zhǎng)期斗爭(zhēng)中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，有望大幅降低全球艾滋病的感染率，為無(wú)數(shù)生命筑起堅(jiān)固的防護(hù)墻。

 

長(zhǎng)效抗 HIV 注射藥物 Lenacapavir重大成果：

每次注射可保護(hù)人體長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，臨床試驗(yàn)中對(duì)特定人群預(yù)防 HIV 感染效果顯著，如在非洲青非洲9% 有效。

藥物作用機(jī)制獨(dú)特，通過(guò)與 HIV 的衣殼蛋白結(jié)合，阻止病毒進(jìn)入細(xì)胞核，且對(duì)新生成的衣殼亞單位有影響。

對(duì)未來(lái)的意義

為抗擊 HIV 帶來(lái)新希望，有望大幅降低全球感染率?；趯?duì) HIV 衣殼蛋白結(jié)構(gòu)和功能的新理解研發(fā)，為開(kāi)發(fā)針對(duì)其他病毒的衣殼抑制劑提供可能。

藥物lenacapavir（黃色）與HIV的衣殼蛋白結(jié)合，防止衣殼錐穿過(guò)孔進(jìn)入人體細(xì)胞核，如來(lái)源https://www.science.org/content/article/breakthrough-2024

 

CAR-T療法用于自身免疫性疾病

CAR-T 療法的應(yīng)用范圍不斷拓展，從癌癥治療邁向自身免疫性疾病領(lǐng)域，為狼瘡、硬皮病、多發(fā)性硬化癥等患者帶來(lái)了新的曙光。通過(guò)對(duì)患者自身 T 細(xì)胞的基因工程改造，使其能夠精準(zhǔn)攻擊免疫系統(tǒng)中的 B 細(xì)胞，部分狼瘡患者甚至實(shí)現(xiàn)了無(wú)藥緩解的驚人效果。這一突破打破了傳統(tǒng)治療的局限，為那些長(zhǎng)期受自身免疫性疾病困擾的患者提供了更有效的治療選擇，開(kāi)啟了醫(yī)學(xué)治療的新篇章。

 

治療原理與成果:

 

從患者白細(xì)胞中分離 T 細(xì)胞，經(jīng)基因工程改造后回輸，攻擊免疫系統(tǒng)中的 B 細(xì)胞。

 

在治療狼瘡、硬皮病、多發(fā)性硬化癥等疾病中取得顯著改善，部分狼瘡患者實(shí)現(xiàn)無(wú)藥緩解。

 

研究意義:為自身免疫性疾病治療開(kāi)辟新途徑，有望改善現(xiàn)有藥物療效不佳、副作用大的狀況。

嵌合抗原受體T細(xì)胞（CAR-T，粉紅色）接近并破壞B細(xì)胞。今年，CAR-T療法在對(duì)抗狼瘡等自身免疫疾病方面跨出了一大步

 

詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)宇宙起源

詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）猶如一臺(tái)時(shí)光回溯機(jī)，帶領(lǐng)我們窺探宇宙早期的奧秘。它觀測(cè)到宇宙早期存在比預(yù)期多出約 1000 倍的明亮星系，這些星系的光譜分析結(jié)果揭示了大量氣體、塵埃和重元素的存在，暗示著可能有巨大恒星的快速生長(zhǎng)以及大質(zhì)量黑洞的隱匿其中。這一發(fā)現(xiàn)如同一顆重磅炸彈，沖擊著現(xiàn)有的星系演化理論，促使科學(xué)家們重新審視宇宙早期的形成和演化過(guò)程，為我們理解宇宙的起源和發(fā)展提供了全新的視角。

 

重大發(fā)現(xiàn): 

觀測(cè)到宇宙早期比預(yù)期更多的明亮星系，其數(shù)量約為預(yù)期的 1000 倍。光譜分析表明早期星系含有大量氣體、塵埃和重元素，可能存在巨大恒星快速生長(zhǎng)和大質(zhì)量黑洞。

 

意義：挑戰(zhàn)現(xiàn)有星系演化理論，促使重新思考宇宙早期的形成和演化過(guò)程。

 

被遙遠(yuǎn)的早期星群紅光籠罩——JWST最早的圖像之一

 

RNA干擾技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)藥殺蟲(chóng)劑

美國(guó)環(huán)保署批準(zhǔn)的首款基于 RNA 干擾的農(nóng)藥噴霧，為農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)防治帶來(lái)了革命性的變化。針對(duì)科羅拉多馬鈴薯甲蟲(chóng)的特定基因，幼蟲(chóng)食用噴藥葉片后短短數(shù)天內(nèi)便會(huì)死亡。這項(xiàng)技術(shù)巧妙地利用了自然的 RNA 干擾機(jī)制，精準(zhǔn)地打擊害蟲(chóng)，與傳統(tǒng)殺蟲(chóng)劑相比，具有更高的安全性，能夠有效減少對(duì)非靶標(biāo)物種的傷害，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。

 

技術(shù)突破:

美國(guó)環(huán)保署批準(zhǔn)首款基于 RNA 干擾的農(nóng)藥噴霧，針對(duì)科羅拉多馬鈴薯甲蟲(chóng)的特定基因，幼蟲(chóng)食用噴藥葉片后數(shù)天內(nèi)死亡。該技術(shù)利用自然的 RNA 干擾機(jī)制，具有精準(zhǔn)性。

 

研究意義:相比傳統(tǒng)殺蟲(chóng)劑更具安全性，可減少對(duì)非靶標(biāo)物種的傷害，有望應(yīng)用于多種害蟲(chóng)防治。

 

與目前的商業(yè)殺蟲(chóng)劑不同，基于RNA干擾的殺蟲(chóng)劑針對(duì)特定的害蟲(chóng)。

 

固氮新細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)

在海洋藻類中發(fā)現(xiàn)的 nitroplast 細(xì)胞器，是生命科學(xué)領(lǐng)域的又一重大發(fā)現(xiàn)。它源于海洋藻類與固氮藍(lán)藻的共生演化，大約在 1 億年前形成，具有獨(dú)特的固氮能力。這一發(fā)現(xiàn)打破了我們對(duì)真核生物氮固定能力的傳統(tǒng)認(rèn)知，為未來(lái)培育具有自肥能力的作物提供了寶貴的線索，有望在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中減少對(duì)化肥的依賴，實(shí)現(xiàn)綠色、高效的農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)。

 

發(fā)現(xiàn)過(guò)程與特性:

在海洋藻類中發(fā)現(xiàn)能固定氮的 nitroplast 細(xì)胞器，由海洋藻類與固氮藍(lán)藻共生演化而來(lái)，約 1 億年前形成。研究其在細(xì)胞內(nèi)的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)硅藻中的固氮結(jié)構(gòu)代表更早的演化階段。

 

研究意義:

 

改變對(duì)真核生物氮固定能力的認(rèn)知，為未來(lái)培育具有自肥能力的作物提供線索。

 

在海藻Braarudosphaera bigelowii中發(fā)現(xiàn)了一種新的細(xì)胞器，即硝基體（圓形物體，右下角）

 

一種新磁性材料的發(fā)現(xiàn)

 

altermagnet 這種兼具鐵磁體和反鐵磁體特性的新型磁性材料，為電子學(xué)領(lǐng)域注入了新的活力。其獨(dú)特的原子尺度結(jié)構(gòu)和特殊的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)，打破了時(shí)間反演對(duì)稱性，為超快磁性開(kāi)關(guān)等應(yīng)用提供了全新的材料基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)電子設(shè)備向更小型化、高效化、快速化的方向發(fā)展，有望在未來(lái)的信息技術(shù)革命中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

 

磁性特點(diǎn):

兼具鐵磁體和反鐵磁體特性，相鄰電子自旋相反但材料整體磁性為零，且在原子尺度結(jié)構(gòu)上類似鐵磁體。其費(fèi)米面結(jié)構(gòu)特殊，打破時(shí)間反演對(duì)稱性，與傳統(tǒng)兩種磁性材料不同。

 

研究意義：為電子學(xué)中的超快磁性開(kāi)關(guān)等應(yīng)用提供新的材料可能。

在交錯(cuò)磁體中，相鄰的電子自旋方向相反（顏色），但原子尺度結(jié)構(gòu)中具有不同定向（形狀）

 

古代真核生物的多細(xì)胞化新證據(jù)

中國(guó)發(fā)現(xiàn)的 16 億年前的絲狀化石，將簡(jiǎn)單多細(xì)胞真核生物的出現(xiàn)時(shí)間提前了 10 億年。這些化石可能是絲狀綠藻，具有特殊的生殖結(jié)構(gòu)，與其他地區(qū)的類似化石共同揭示了真核生物多細(xì)胞化的早期歷程。這一發(fā)現(xiàn)改寫了我們對(duì)復(fù)雜生命演化進(jìn)程的認(rèn)識(shí)，為深入研究生物進(jìn)化的節(jié)奏和機(jī)制提供了重要的實(shí)物依據(jù)，讓我們對(duì)生命起源和發(fā)展的漫長(zhǎng)歷史有了更清晰的了解。

 

化石證據(jù)與結(jié)論:

 

中國(guó)發(fā)現(xiàn)的 16 億年前的絲狀化石表明簡(jiǎn)單多細(xì)胞真核生物的出現(xiàn)比此前認(rèn)為的早 10 億年，可能是絲狀綠藻，具有特殊生殖結(jié)構(gòu)。與其他地區(qū)類似化石共同顯示真核生物多細(xì)胞化起步早但發(fā)展到復(fù)雜形態(tài)緩慢。

 

研究意義:

 

改寫對(duì)復(fù)雜生命演化歷程的認(rèn)識(shí)，對(duì)理解生物進(jìn)化的節(jié)奏和機(jī)制有重要意義。

 

這些微觀化石的研究揭示，單細(xì)胞真核生物細(xì)胞的鏈接可能遠(yuǎn)早于先前的估計(jì)。

 

地幔波對(duì)大陸塑造的新認(rèn)知

板塊構(gòu)造撕裂大陸時(shí)產(chǎn)生的地幔波，成為了塑造大陸形態(tài)的重要力量。它不僅解釋了大陸內(nèi)部高原的形成，如南非中央高原，還與金伯利巖噴發(fā)、地震活動(dòng)、侵蝕以及海洋滅絕事件存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。這一發(fā)現(xiàn)完善了板塊構(gòu)造理論，使我們對(duì)地球內(nèi)部與地表之間復(fù)雜的相互作用有了更深刻的認(rèn)識(shí)，為地球科學(xué)研究開(kāi)啟了新的篇章。

 

研究發(fā)現(xiàn):

板塊構(gòu)造撕裂大陸時(shí)產(chǎn)生的地幔波可塑造大陸形態(tài)，解釋大陸內(nèi)部高原形成，如南非中央高原。地幔波還與金伯利巖噴發(fā)、地震活動(dòng)、侵蝕和海洋滅絕事件有關(guān)。

 

研究意義：

 

完善板塊構(gòu)造理論，揭示大陸與地幔之間更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)相互作用。

南非的中央高原可能就是由地幔巖石流動(dòng)波推動(dòng)抬升的結(jié)果。

 

SpaceX星艦“筷子”夾火箭重大進(jìn)展

SpaceX 星艦在 10 月 13 日取得了里程碑式的成就，其助推器成功著陸，在超音速下落過(guò)程中精準(zhǔn)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)并實(shí)現(xiàn)懸停，隨后被發(fā)射塔機(jī)械爪穩(wěn)穩(wěn)抓取。這一突破標(biāo)志著太空探索進(jìn)入了可重復(fù)使用的新時(shí)代，有望大幅降低太空探索的成本，為人類更加頻繁、高效地開(kāi)展太空科學(xué)研究和探索活動(dòng)打開(kāi)了大門，讓浩瀚宇宙離我們更近一步。

 

技術(shù)成就:

 

10 月 13 日星艦助推器成功著陸，其在超音速下落時(shí)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)并懸停，隨后被發(fā)射塔機(jī)械爪抓取。星艦的可重復(fù)使用性有望大幅降低太空探索成本，開(kāi)啟重型火箭新時(shí)代。

 

意義：

 

使太空科學(xué)研究更具經(jīng)濟(jì)性，科學(xué)家可更頻繁、低成本地進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)太空探索發(fā)展。

 

今年6月，SpaceX的巨型星際飛船火箭在美國(guó)德克薩斯州進(jìn)行了一次重大飛行測(cè)試。

 

遠(yuǎn)古DNA揭示家族紐帶關(guān)系

借助改進(jìn)的古代 DNA 提取技術(shù)和分析方法，科學(xué)家們成功通過(guò)遺傳代碼片段估算個(gè)體間的親緣關(guān)系，構(gòu)建出古代家族樹(shù)。結(jié)合考古信息，我們得以深入了解不同歷史時(shí)期社會(huì)的親屬關(guān)系和社會(huì)組織形式，如凱爾特酋長(zhǎng)的母系繼承制等。這一成果為考古學(xué)和歷史學(xué)研究提供了全新的視角，讓那些沉睡在歷史長(zhǎng)河中的人物和故事重新鮮活起來(lái)，幫助我們更準(zhǔn)確地還原古代社會(huì)的真實(shí)面貌。

 

研究方法與成果:

利用改進(jìn)的古代 DNA 提取技術(shù)和分析方法，通過(guò)研究遺傳代碼片段估計(jì)個(gè)體間親緣關(guān)系，構(gòu)建古代家族樹(shù)。結(jié)合考古信息，揭示不同歷史時(shí)期社會(huì)的親屬關(guān)系和社會(huì)組織形式，如凱爾特酋長(zhǎng)的母系繼承制。

 

研究意義：為考古學(xué)和歷史學(xué)研究提供新視角，深入了解古代社會(huì)結(jié)構(gòu)和人類關(guān)系。

 

公元7世紀(jì)匈牙利，被埋在一匹馬旁邊的一名男性，現(xiàn)在擁有了一段家族歷史。

 

2024年年度挫折:科學(xué)前行的坎坷

 

疫情防控不力

盡管經(jīng)歷了新冠疫情的洗禮，但全球在應(yīng)對(duì)新發(fā)傳染病方面仍暴露出諸多問(wèn)題。H5N1 禽流感在美國(guó)爆發(fā)，然而數(shù)據(jù)收集和共享的遲緩使得疫情難以得到有效控制；猴痘在剛果（金）及周邊國(guó)家再度肆虐，疫苗的供應(yīng)和分配卻嚴(yán)重不足。更為嚴(yán)峻的是，全球大流行條約談判陷入僵局，各國(guó)之間的分歧難以彌合，而特朗普可能再次當(dāng)選的不確定性也為全球抗疫合作蒙上了一層陰影，讓人們對(duì)未來(lái)全球公共衛(wèi)生安全感到擔(dān)憂。

 

談判代表未能就一項(xiàng)疫情協(xié)議的文本達(dá)成一致，他們?cè)鞠Ｍ诮衲?月于日內(nèi)瓦舉行的世界衛(wèi)生大會(huì)上提交該協(xié)議以獲得批準(zhǔn)。

 

科研環(huán)境受創(chuàng)

戰(zhàn)爭(zhēng)和經(jīng)濟(jì)困境給科學(xué)研究帶來(lái)了沉重打擊。俄羅斯削減民用研究經(jīng)費(fèi)，重大研究設(shè)施建設(shè)被迫推遲，科研人員就業(yè)崗位減少；烏克蘭的眾多研究設(shè)施在戰(zhàn)火中遭受嚴(yán)重?fù)p毀；加沙地帶的大學(xué)被以色列襲擊摧毀，以色列自身也擬削減高等教育研究經(jīng)費(fèi)；阿根廷總統(tǒng)米萊的政策導(dǎo)致科研支出大幅削減，國(guó)家科學(xué)機(jī)構(gòu)人才流失嚴(yán)重。這些情況嚴(yán)重阻礙了科學(xué)研究的正常開(kāi)展，使得許多科研項(xiàng)目陷入停滯，無(wú)數(shù)科研人員的心血付諸東流。

 

迷幻藥治療受阻

 

MDMA 輔助心理治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙的研究遭遇挫折，未能獲得美國(guó) FDA 的批準(zhǔn)。研究過(guò)程中存在的缺陷，如心理治療部分未明確定義、數(shù)據(jù)收集不規(guī)范等問(wèn)題，使得這一原本充滿希望的治療方法暫時(shí)無(wú)法為患者帶來(lái)福音，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究敲響了警鐘，提醒科研人員在開(kāi)展臨床試驗(yàn)時(shí)要更加嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范。

 

藥物MDMA與心理治療的結(jié)合未能獲得批準(zhǔn)用于治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙。

 

迷幻藥治療受阻

在全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的背景下，環(huán)境談判卻進(jìn)展不佳。聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)（COP 29）上，各國(guó)在減排目標(biāo)、資金支持等關(guān)鍵問(wèn)題上爭(zhēng)論不休，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)發(fā)展中國(guó)家的資金承諾雖有所增加，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足實(shí)際需求；生物多樣性公約會(huì)議未能就保護(hù)資金的數(shù)額和存放地點(diǎn)達(dá)成一致意見(jiàn)；全球塑料條約談判因石油生產(chǎn)國(guó)抵制生產(chǎn)限制條款而宣告失敗。這些結(jié)果令人痛心疾首，地球的生態(tài)環(huán)境正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，而國(guó)際社會(huì)在應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題上的無(wú)力感愈發(fā)凸顯。

 

在另一個(gè)遭受干旱破壞的年份里，發(fā)展中國(guó)家沒(méi)有獲得足夠的幫助來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化。