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回顧2024年的科學(xué)新聞，我們會有一種不同于2023年疾風(fēng)驟浪的穩(wěn)妥感，這種感覺一方面來自已經(jīng)開展的工作又往前邁了一大步。

 

比如：嫦娥六號完成月背采樣，星艦多次成功試飛；另一方面來自于許多研究進(jìn)入了實(shí)用階段，比如：有不俗應(yīng)用表現(xiàn)的人工智能，能近100%預(yù)防艾滋病的長效藥。這并不是說科學(xué)家沒有為我們埋下新的種子，基礎(chǔ)技術(shù)突破為實(shí)現(xiàn)容錯量子計算帶來了曙光，核鐘的出現(xiàn)也讓我們有可能在更精確計時之余探索原子核內(nèi)部的細(xì)節(jié)。

 

世界依然在進(jìn)步，我們樂于見到這種穩(wěn)中有進(jìn)的局面。

 

1、實(shí)用AI大爆發(fā)

 

入選理由:大模型展現(xiàn)出無窮可能性。

 

ChatGPT誕生剛滿兩年，基于人工智能（AI）的各類應(yīng)用已層出不窮。隨著大語言模型的復(fù)雜推理能力顯著提升，以及多模態(tài)模型的跨模態(tài)數(shù)據(jù)處理能力取得突破性進(jìn)展，AI已經(jīng)向我們展示了越來越多的可能性。而在更廣泛的行業(yè)內(nèi)，AI也為解決現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜問題提供了新的路徑：Alphafold3展開了生命分子相互作用預(yù)測的新篇章；AlphaGeometry的數(shù)學(xué)能力已經(jīng)逼近競賽金牌獲得者；考古學(xué)家借助AI識別古卷軸上的文字；GenCast預(yù)報天氣的表現(xiàn)超過了最好的傳統(tǒng)中程天氣預(yù)報……越來越多的領(lǐng)域借助AI的力量取得了新的突破。毫無疑問，我們已經(jīng)進(jìn)入了一個AI深度參與的新時代。

 

2、真核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)新細(xì)胞器

 

入選理由:與線粒體、葉綠體和載色體并列的新細(xì)胞器。

 

 

細(xì)胞器起源讓人著迷。此前的研究表明，線粒體、葉綠體和載色體均由內(nèi)共生細(xì)菌演化而來。在一篇2024年發(fā)表于《科學(xué)》的論文中，研究人員在貝氏布拉藻中發(fā)現(xiàn)了第4種由內(nèi)共生過程演化而來的細(xì)胞器——硝化原生質(zhì)體（nitroplast）。它能將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為細(xì)胞可利用的化合物，是真核細(xì)胞內(nèi)首個已知的固氮細(xì)胞器。這種細(xì)胞器起源于藻類細(xì)胞的一種內(nèi)共生細(xì)菌，它在大約一億年前演化成細(xì)胞器，開始依賴于宿主細(xì)胞的蛋白質(zhì)，并通過宿主細(xì)胞世代相傳。這一轉(zhuǎn)變賦予了單細(xì)胞藻類固氮的能力，將原本屬于原核細(xì)胞的功能擴(kuò)展到了真核細(xì)胞中。該研究為內(nèi)共生體演化形成細(xì)胞器的機(jī)制提供了新的見解。

 

3、長效藥近100%預(yù)防艾滋病

 

入選理由:抗擊艾滋病的重大突破。

 

 

艾滋病是全球性公共衛(wèi)生問題，每年仍有上百萬人感染人類免疫缺陷病毒（HIV）。2024年6月，吉利德科學(xué)公司宣布，其長效艾滋病藥物來那卡帕韋（Lenacapavir）在3期臨床試驗中展現(xiàn)驚人效果：兩千余名注射該藥的女性參與者HIV感染率為零，艾滋病暴露前預(yù)防有效率達(dá)100%。同年9月，在另一項臨床試驗中，來那卡帕韋在不同性別參與者中也實(shí)現(xiàn)了99.9%的預(yù)防效果。來那卡帕韋于2022年獲批用于治療多重耐藥型HIV感染者，每年僅需給藥兩次，這極大提升了患者的依從性。2024年10月，吉利德宣布授權(quán)多家制造商在120個中低收入國家生產(chǎn)來那卡帕韋的仿制藥，以提高其可及性，這或?qū)⑹谷祟惥嚯x終結(jié)艾滋病的目標(biāo)更近一步。

 

4、腦機(jī)接口進(jìn)入快速突破期

 

入選理由:多項腦機(jī)接口設(shè)備臨床獲得重大進(jìn)展。

 

2024年伊始，多家公司都積極推動自研的腦機(jī)接口（BCI）設(shè)備進(jìn)入臨床。1月30日，Neuralink大腦植入物首次在人類被試中取得成功，讓頸髓損傷8年的被試僅靠大腦想法就能處理多項任務(wù)，數(shù)月后，其又宣布第二例被試進(jìn)展良好。8月，Synchron植入人腦皮層附近血管中的BCI設(shè)備獲批可永久植入人腦以進(jìn)行研究和評估，且已為10名被試植入。今年，我國工信部宣布推動BCI的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和臨床轉(zhuǎn)化。清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等在利用BCI設(shè)備幫助患者恢復(fù)運(yùn)動和交流上，取得重大突破，已有數(shù)百人受益。距離人類首次植入BCI設(shè)備已過去9年，其發(fā)展已進(jìn)入如火如荼的階段。更廣泛的臨床探索，將BCI與人工智能等融合，或不僅能挽救生命，還能推動腦機(jī)融合智能的到來。

 

5、首次實(shí)現(xiàn)單電子碳-碳共價鍵，突破現(xiàn)有化學(xué)鍵極限

 

入選理由:首次在實(shí)驗上證實(shí)單電子碳-碳共價鍵存在。

2024年9月，日本化學(xué)家在《自然》上發(fā)表論文稱，首次在實(shí)驗中觀察到穩(wěn)定的單電子碳-碳共價鍵。共價鍵往往是指原子間通過共享成對電子形成的化學(xué)鍵。但不到100年前，因在化學(xué)鍵方面的工作取得諾貝爾化學(xué)獎的萊納斯·鮑林曾預(yù)言單電子共價鍵的存在。然而，此前化學(xué)家遲遲沒能找到含單電子碳-碳共價鍵的穩(wěn)定化合物，因為這種僅共享一個電子的鍵很不穩(wěn)定?，F(xiàn)在，化學(xué)家創(chuàng)造了一種分子，其中心的碳-碳鍵被拉長，很容易失去電子，形成難以捉摸的單電子鍵。重要的是，該弱鍵由穩(wěn)定的碳環(huán)“外殼”包圍，得到了很好的保護(hù)。這一發(fā)現(xiàn)突破了現(xiàn)有化學(xué)鍵極限，有助于化學(xué)家進(jìn)一步探索化學(xué)鍵的邊界所在。

 

6、嫦娥六號完成月背采樣

 

入選理由:人類首次月背采樣。

 

 

 

月球因為潮汐鎖定，只有一面面向地球。已有研究表明，月球正面和背面在成分、結(jié)構(gòu)上都存在明顯區(qū)別。但科學(xué)家一直沒有月球背面的土壤樣本，難以進(jìn)一步了解月球的地質(zhì)演化歷史。2024年5月、6月，嫦娥六號成功發(fā)射，降落在月球背面，采集月球背面的土壤樣品，將它帶回地球，實(shí)現(xiàn)世界首次月球背面采樣返回。此次任務(wù)共采集了1935.3克月背樣品。科學(xué)家已經(jīng)對嫦娥六號樣品展開了大量研究。首批成果表明，月球背面火山活動至少持續(xù)了14億年以上，月幔源區(qū)的物質(zhì)組成是月海玄武巖分布的重要控制因素，月球正面和背面遭受隕石撞擊的概率相當(dāng)，這些都深化了我們對月球地質(zhì)演化的認(rèn)知。預(yù)計后續(xù)還會有更多成果出爐。

 

7、單年升溫突破工業(yè)化前1.5°C

 

入選理由:越來越不可忽視的氣候警鐘。

 

2024年再次刷新了人類有記錄以來最熱一年的紀(jì)錄。更為可怕的是，全球升溫目前已經(jīng)單年超過了工業(yè)化前1.5攝氏度。歐盟哥白尼氣候變化服務(wù)局的數(shù)據(jù)顯示，2023年7月至2024年6月期間，全球平均氣溫創(chuàng)下歷史新高，較工業(yè)化前高約1.64℃。2024年2月5日，發(fā)表于《自然·氣候變化》的一篇論文提出，全球表面平均溫度的增幅可能已經(jīng)超過了1.5°C。11月11日，發(fā)表于《自然·地球科學(xué)》上的研究表明，和18世紀(jì)之前相比，到2023年末人類活動引起的氣候變化可能已經(jīng)導(dǎo)致氣候變暖約1.5°C。盡管這并不意味《巴黎協(xié)定》承諾的長期目標(biāo)已經(jīng)失效，但確實(shí)敲響了警鐘，提醒我們必須立即采取更有力的行動來應(yīng)對氣候變化。

 

8、超精準(zhǔn)核鐘開發(fā)新突破

 

入選理由:更穩(wěn)定的高精度核鐘終于突破構(gòu)想成為可能。

 

科學(xué)家曾提出，基于原子核的核鐘或許比原子鐘更便攜、穩(wěn)定，且具有更高的計時精度，但始終未能真正實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想。2024年9月4日，美國實(shí)驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）與奧地利維也納工業(yè)大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊在《自然》上發(fā)表了一項突破性進(jìn)展，他們用高能激光系統(tǒng)成功激發(fā)了釷-229原子核，并以極高精度測量了核躍遷頻率，這是利用釷-229原子核構(gòu)建高精度核鐘的關(guān)鍵步驟。此外，研究團(tuán)隊還首次將核鐘躍遷頻率與JILA的原子鐘躍遷頻率關(guān)聯(lián)起來。這種直接的頻率連接與精度的提升，為未來數(shù)年內(nèi)開發(fā)出超精準(zhǔn)核鐘鋪平了道路。而核鐘的到來不僅能推動導(dǎo)航、通信等技術(shù)的發(fā)展，或許還能幫助測試基礎(chǔ)物理學(xué)理論。

 

 

量子計算的核心挑戰(zhàn)在于量子比特極易受環(huán)境干擾而引入錯誤，此前量子糾錯領(lǐng)域從未實(shí)現(xiàn)“低于糾錯閾值”的成就，即在量子比特數(shù)量增長的同時降低錯誤率。2024年12月9日，《自然》發(fā)布了一項里程碑式的突破。谷歌量子人工智能研究團(tuán)隊在超導(dǎo)量子芯片Willow上演示了隨著量子比特數(shù)量增加，錯誤率呈指數(shù)級下降，表明這是首個低于糾錯閾值的系統(tǒng)。這項成就被認(rèn)為是建造容錯通用量子計算機(jī)的必要條件。研究團(tuán)隊還使用隨機(jī)電路采樣基準(zhǔn)測試了Willow的性能，結(jié)果顯示，該芯片可以在五分鐘內(nèi)完成當(dāng)今最快的超級計算機(jī)需要花費(fèi)1025年才能完成的計算。該芯片的性能擴(kuò)展后或能滿員大規(guī)模容錯量子計算的運(yùn)算要求。

 

 

2024年，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）對其產(chǎn)品“星艦”（Starship）進(jìn)行了第三、四、五、六次軌道級測試飛行，“星艦”在這四次試飛中展示出了巨大的潛力。在第四次試飛中，“星艦”基本驗證了通過反推實(shí)現(xiàn)軟著陸回收的可行性。在第五次試飛中，更是實(shí)現(xiàn)了“筷子夾火箭”，用發(fā)射塔的機(jī)械臂在半空中捕捉返回地球的一級火箭，這需要“星艦”在返回地球時具有極高的精度。未來，SpaceX極有可能加快試飛步伐，盡快研制出正式版本的“星艦”。如果“星艦”最終研發(fā)成功，它將成為人類有史以來運(yùn)力最強(qiáng)的火箭。SpaceX表示，得益于“星艦”可回收的設(shè)計，它有望將太空運(yùn)輸?shù)某杀窘档蛿?shù)個數(shù)量級，甚至達(dá)到每千克100美元的水平。