美国《科学》杂志发布2024年十大科学突破
美国《科学》杂志发布2024年十大科学突破
12月12日，《科学》杂志发布2024年度十大科学突破，包括一项科学突破冠军奖——长效HIV预防针剂和9项科学突破入围奖，具体为：利用免疫细胞治疗自身免疫疾病、詹姆斯·韦伯空间望远镜探测宇宙起源、RNA杀虫剂应用于农业、首次发现固氮细胞器、最早的多细胞真核生物、地幔波动影响大陆轮廓形成、“星舰”成功回收、古DNA揭示家族亲属关系。
1.长效HIV预防针剂试验成功。
虽然人类在努力抑制艾滋病毒新发感染，但由于有效的疫苗尚未问世，加之相关药物价格昂贵，每年仍有100多万人感染艾滋病毒。今年，一种创新机制的注射用HIV药物——来那卡帕韦（lenacapavir）展现出显著的预防效果，每次注射可提供6个月有效保护。《科学》杂志认为，艾滋病正逐步从一种颠覆社会的疾病转变为一种罕见病症。
来那卡帕韦是一种暴露前预防药物，由美国生物医药公司——吉利德科学公司开发。2024年6月，一项针对非洲5000多名青少年女性的大型疗效试验报告称，来那卡帕韦实现了100%的有效保护，将艾滋病毒感染率降至0。3个月后，另一项在南美洲、亚洲、非洲和美国进行的类似试验进一步证实了这一效果。结果显示，在与男性发生性关系的性别多样化人群中，该药物具有99.9%的有效性。
《科学》杂志认为，该药物的成功源于基础研究的重大突破，即对其所靶向的HIV衣壳蛋白的结构与功能有了全新的深入理解。鉴于许多其他病毒亦拥有各自的衣壳蛋白，这些蛋白围绕着遗传物质形成保护层，因此来那卡帕韦的成功应用带来了令人兴奋的前景——类似的衣壳抑制剂可以对抗其他病毒性疾病。
预计监管部门最早要到2025年中期才会批准来那卡帕韦，其价格尚未公布，因此能否加速终结艾滋病的流行尚未可知。美国国家过敏和传染病研究所所长Jeanne Marrazzo提醒道，来那卡帕韦不能替代疫苗。真正的疫苗应该是可以给每一个人接种，并且价格低廉，只需注射几针即可持续保护多年。
2.利用免疫细胞治疗自身免疫疾病。
自身免疫疾病的特点是免疫系统会攻击健康的身体组织，免疫抑制药物并不总能阻止疾病进程，甚至还可能产生副作用。今年，嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）疗法在重症患者中产生显着疗效，开启了自身免疫疾病治疗的新篇章。
CAR-T疗法在大约15年前首次作为血液肿瘤治疗方法出现，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免疫系统的“哨兵”——T细胞，然后对这些细胞进行基因改造，再将它们回输给患者，从而寻找和破坏B细胞。肿瘤B细胞是某些白血病和淋巴瘤的根源。B细胞还在自身免疫疾病中作恶，通过释放有毒的自身抗体攻击关节和内脏。
2024年2月，德国研究人员报道了15名狼疮、硬皮病或肌肉损伤性肌炎患者的临床结果。这些患者都在4-29个月之前接受了CAR-T治疗。所有8名狼疮患者均进入到无药物缓解状态；其他一些人仍有症状，但都停止使用免疫抑制剂。其他已发表的成功案例包括重症肌无力和僵人综合征患者，已有30多人得到成功治疗。
3.詹姆斯·韦伯空间望远镜探测宇宙起源。
詹姆斯·韦伯空间望远镜是有史以来规模最大、功能最强大的太空望远镜，专为研究宇宙最初的几十亿年而设计。自2021年底发射升空后，这架太空望远镜发现的宇宙最早时期的明亮星系 可能比预期的多1000倍。根据它们不同寻常的亮度，研究人员估计其中一些是银河系大小的庞然大物，在目前的星系演化理论下，无法解释为何它们能够如此迅速地生长。
2024年，研究人员将远古光波按照波长分类进行光谱分析，结果表明早期星系含有大量气体和尘埃，包括碳、氧等元素，这些元素只能在更早期的恒星内部形成，恒星死亡后以超新星的形式发生爆炸，广泛散发出星际物质。这些发现表明，宇宙之初的环境能够使巨大的恒星快速形成。
4.RNA杀虫剂应用于农业。
一般杀虫剂在消灭害虫的同时也可能对非目标生物造成伤害。今年，美国环保局批准了一种基于RNA的杀虫喷雾剂，可针对特定害虫的基因进行精准设计。
据悉，当幼虫咀嚼该药物喷洒过的叶子时，RNA杀虫剂会阻断一种关键蛋白的表达，使害虫在几天内死亡。这种机制被称为RNA干扰（RNAi），是大多数细胞用来调节基因表达和保护自己免受病毒侵害的自然过程。支持者认为，这种精确的方法将比现有化学杀虫剂更安全、更有效。除了甲虫，研究人员也在针对小菜蛾、草地贪夜蛾等破坏性极高的蛾类进行研发。但鳞翅目动物的肠道酶很容易在RNA伤害它们之前将其破坏，能否将RNA包裹在一个微小的保护壳内已成为热门研究领域。
第一种RNA杀虫剂针对的是马铃薯叶甲，这种甲虫已经对现有化学药剂产生了抗药性，每年在全球范围内造成5亿美元的农作物损失。实验室测试显示，如果暴露于足够高的剂量，马铃薯叶甲可以进化出对RNA的抗性。至于在自然界是否也会很快产生抗性目前尚不得知，研究人员指出，就像其他试图挑战自然的发明一样，负责任地使用RNA杀虫剂才能保持其有效性。
5.固氮细胞器的发现改写了教科书。
空气中78%是氮气，但植物并不能直接利用这些氮元素。某些细菌能够固定大气中的氮，将其转化为植物可利用的氨，用于合成蛋白质及其他分子。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）具备这种能力。今年，一项改写教科书的发现诞生了，美国科学家发现了第一种固氮真核生物——硝基体，一种海藻细胞中独特的固氮结构。
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，使其失去足够的基因和生化能力，只能依赖藻类生存，跟随藻类的时间周期繁殖。这使它们成为了为数不多的已知内共生细胞器之一。
该发现不仅揭示了我们对细胞进化复杂性的认知尚存不足，也有助于促进对植物的基因改造，设计出能够自行固氮的农作物，从而提高作物产量，减少对氮肥的需求。
6.新磁性的发现。
近百年来，已知存在两种永磁体。今年，科学家首次观测到一种新的磁性——交变磁性，即同时具有铁磁性和反铁磁性。
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；而在反铁磁体中，相邻的电子以相反的方向自旋，整体上不显示磁性，例如铬。2019年，科学家预测一种兼具上述两种特点的新型交变磁体。直到今年，多个研究小组在实验中证实了这一理论预测，他们通过测量费米面，在碲化锰和锑化铬等材料中观察到了上述现象。交变磁体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，通过在不同方向施加电流即可控制。
科研人员表示， 产生交变磁性的交变磁体可用于制造高容量快速存储设备或新型磁性计算机。
7.古代真核生物的多细胞性很早就出现了。
今年初，《科学进展》报道了中国科学院南京地质古生物研究所科研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，将多细胞真核生物出现的时间提前了7000万年。
当今地球上大部分的复杂生命，如动物、植物、真菌等均是多细胞真核生物。真核生物的多细胞化是生命向复杂化和大型化演化的必要条件。但学术界一直有个疑问：真核生物最早是何时发生多细胞化的？过去一直认为，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。然而，这项新发现揭示，简单的多细胞真核生物早就已经存在。
《科学》杂志指出，早在几十年前，在中国燕山发现的“壮丽青山藻”同样拥有16亿年历史，但由于研究发表在一本不太知名的期刊上，并未引起广泛关注。2015年，中国的古生物学家重返该地区，又发现了278个壮丽青山藻标本，并对其进行了详细分析。此次研究观察到的化石由多达20个圆柱形细胞组成，类似于植物中的细胞壁。部分化石中还含有类似孢子的小球体，这表明多细胞丝具有专门的生殖结构。
结合最近在其他地区发现的类似年龄的生物化石，这些证据表明，真核生物向多细胞演化的第一步可能发生在更早的时间点。然而，从这些原始形态发展至现今的水母、红杉乃至人类所展现的高度复杂性生物体的这一过程则要缓慢得多。
8.地幔波动能影响大陆轮廓的形成。
板块构造对大陆的撕裂过程缓慢但激烈，过去被认为具有高度局部性：沿裂谷带上涌的热地幔岩石产生岩浆，而远离裂谷带的大陆内部则保持寒冷且相对稳定。今年的研究颠覆了这一传统观点，揭示了这种局部的剧烈活动实际上在地幔中引发扩展的波动，进而影响整个大陆的地貌。
2024年8月发表在《自然》杂志上的一项研究提出，当裂谷形成时，上涌的地幔物质与冷的大陆板块接触，导致旋转的岩石对流。这些旋涡状的对流以极慢的速度沿着大陆基底移动，类似于船底下的湍流，在对流上方造成多种地质效应。这一理论可以解释一些位于古老、寒冷大陆内部的高原，如南美的巴西高原、印度的西高止山脉。这些波动在经过时剥离基底上的重质岩石，留下轻质岩石，后者随后上升1-2千米，形成高原。
地幔波引起的隆起还可以解释某些时期的侵蚀加剧以及随之而来的海洋生物灭绝事件，同时也可能是板块中心地震活动的一个触发因素。这表明，大陆与地幔之间的互动远比地球科学家之前所认为的更加活跃。
9.“星舰”着陆成功实现 “筷子夹住火箭”。
今年，“星舰”这艘世界上最巨型、最强大的火箭，在33个引擎的强劲推力下轰鸣着升空了4次，最终在10月13日那次发射中成功实现“筷子夹住火箭”。助推器以超音速从高空下降，通过重启部分发动机降速至几乎静止的悬停状态，由发射塔的机械臂将其精准捕获。
SpaceX公司已通过部分可重复使用的猎鹰9号和猎鹰重型运载火箭，将货物送入轨道的成本降低到以前的1/10。而一艘完全可重复使用的星际飞船预计可将成本继续降低一个数量级。技术关键在于助推器以及上级火箭的回收与快速再利用。《科学》杂志认为，这次成功有望大幅降低太空科学研究的成本，标志着成本可负担的重型火箭新时代的到来。
10.古DNA研究揭示家族亲属关系。
从古代人类骨骼和牙齿中提取的DNA为了解远古的人口流动、传染病演变和史前饮食提供了见解。今年，大量研究为几千年前去世的人们重建家谱，反映了古DNA提取技术的进步和分析成本的下降。
过去，古DNA研究的对象为分散的个体。随着古代人类基因组数量呈指数级增长，研究人员已经能够通过研究不同人共有的遗传信息片段，估测出两个人的亲缘关系。通过添加考古信息，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，遗传学家和考古学家共同重建了长达八代的家谱。
这揭示许多古代社会信息，仅靠考古学永远无法得到答案。例如，将德国南部凯尔特酋长的DNA数据与他们墓地的细节相结合，可以发现2500年前，该地区最有权势的男性是通过母亲继承权力的，显示了母系制的社会组织形式。而对石器时代欧洲农民的亲属关系分析表明，父系是主流社会形式。随着研究人员对更多个体进行样本测定，遥远的亲属关系将更加明朗。