導(dǎo)讀

12月19日，Science公布了今年的10大科學(xué)突破。中國表現(xiàn)亮眼，至少有4項(xiàng)研究/領(lǐng)域進(jìn)展被入選，分別是新能源的發(fā)展、龍人的身份鑒定、異種器官移植、水稻耐熱基因的發(fā)現(xiàn)。

另外值得一體的是，AI大模型在Science領(lǐng)域的應(yīng)用，也入選了今年的10大科學(xué)突破，中國在這方面也表現(xiàn)出色。

如下，根據(jù)Science的內(nèi)容，介紹今年的10大科學(xué)突破到底有哪些有意思的發(fā)現(xiàn)。

常春藤｜編譯

01

中國：綠色能源的巨人

中國向綠色能源轉(zhuǎn)型的步伐遠(yuǎn)超其他任何國家，一系列驚人的數(shù)據(jù)便足以證明這一點(diǎn)。僅在2024年，中國就新增了相當(dāng)于約100座核電站的太陽能和風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量，而且今年年初這一速度還在加快。

數(shù)十條新建的超高壓輸電線路綿延數(shù)千公里，從西部沙漠（太陽能的主要產(chǎn)地）輸送到東部城市（能源的主要使用地）。數(shù)百萬輛電動(dòng)汽車和龐大的高速電力鐵路網(wǎng)絡(luò)正翹首期盼著清潔能源的到來，這些高速鐵路可以在一個(gè)上午的時(shí)間里連接相距1000公里的城市。

圖片來自Science

中國的景觀反映了這種轉(zhuǎn)變。霧霾、煙囪和煤堆的景象依然存在，但閃閃發(fā)光的硅太陽能電池板如今覆蓋了山丘、沙漠和湖泊。青藏高原上的一座太陽能發(fā)電廠占地超過400平方公里，面積是華盛頓特區(qū)的兩倍多。風(fēng)力渦輪機(jī)的體積越來越大；一臺(tái)用于海上風(fēng)力發(fā)電的渦輪機(jī)葉片長達(dá)150米。成排的家用鋰電池儲(chǔ)存著多余的能量，更多的能量則儲(chǔ)存在山頂水庫中。當(dāng)能源充裕時(shí)，水庫會(huì)被抽滿水；需要發(fā)電時(shí)，則通過讓水流經(jīng)渦輪機(jī)流入下方的湖泊來獲取能量。生產(chǎn)太陽能電池板、渦輪機(jī)、電池和汽車的工廠帶來了新的工業(yè)擴(kuò)張——但由于實(shí)現(xiàn)了電氣化，這些工廠通常沒有煙囪。

中國在構(gòu)建自身綠色能源體系的同時(shí)，也打造了一個(gè)價(jià)值近1800億美元的出口產(chǎn)業(yè)（預(yù)計(jì)到2024年），使世界大部分地區(qū)都能獲得低成本的可再生能源。

02

定制基因編輯治療罕見病

今年，一名患有危及生命的代謝疾病的男嬰成為世界上首例接受個(gè)性化基因編輯治療的患者。這一壯舉有望為針對(duì)攜帶獨(dú)特或極其罕見突變的人群的基因編輯技術(shù)鋪平道路。

KJ Muldoon去年出生于費(fèi)城，患有CSP1基因缺陷，該基因編碼一種肝臟解毒氨所需的酶。為了避免這種化合物在血液和大腦中有害積聚，患有此類疾病的嬰兒必須嚴(yán)格限制蛋白質(zhì)攝入，并且通常需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)較高的肝移植手術(shù)。

圖片來源：費(fèi)城兒童醫(yī)院

KJ出生后不久，研究人員便爭(zhēng)分奪秒地研發(fā)一種堿基編輯器——一種CRISPR基因編輯工具的變體——它可以修復(fù)他缺陷基因中的一個(gè)拼寫錯(cuò)誤。在細(xì)胞和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物身上測(cè)試了這種定制的堿基編輯器后，研究團(tuán)隊(duì)于2月份獲準(zhǔn)為6個(gè)月大的KJ進(jìn)行治療。他們采用脂質(zhì)納米顆粒輸注的方式，將堿基編輯器的遺傳指令傳遞給KJ。到了5月份，在接受了兩次治療后，KJ可以攝入更多蛋白質(zhì)，體重開始增加，并且控制血氨水平所需的藥物劑量也減少了。 研究人員計(jì)劃對(duì)用于治療KJ的堿基編輯器進(jìn)行調(diào)整，以治療五名患有類似代謝紊亂的患者，這些紊亂是由其他基因缺陷引起的。

另外今年，一種旨在修復(fù)多位患者共有基因缺陷的基因編輯器首次成功修復(fù)了成人肝臟基因。盡管此類療法為許多患者帶來了新的希望，但它們也存在諸多弊端，包括高昂的費(fèi)用以及基因編輯安全性方面揮之不去的疑慮。

03

對(duì)抗淋病禍害的新武器

今年，兩種治療淋病的新藥在大規(guī)模臨床試驗(yàn)中展現(xiàn)出療效，并于本月獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的批準(zhǔn)。這是幾十年來對(duì)抗這種性傳播疾病的首批新武器，而此時(shí)現(xiàn)有療法卻屢屢失效。

淋病每年影響超過8000萬人，不僅會(huì)導(dǎo)致疼痛、陰道分泌物和出血，還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的并發(fā)癥，包括女性盆腔炎和男女不孕。它還會(huì)增加患者感染艾滋病毒的風(fēng)險(xiǎn)，如果新生兒眼睛受到感染，甚至可能導(dǎo)致失明。致病菌淋病奈瑟菌幾乎對(duì)所有抗生素都產(chǎn)生了耐藥性。就連目前仍然有效的頭孢菌素類藥物也開始失效。 2019年，三種候選替代藥物的測(cè)試結(jié)果令人失望。

但今年5月，《柳葉刀》雜志發(fā)表了葛蘭素史克公司（GSK）研發(fā)的藥物吉泊他辛（gepotidacin）的3期臨床試驗(yàn)結(jié)果，該藥物的研發(fā)資金來自美國生物醫(yī)學(xué)高級(jí)研究與發(fā)展局（BARDA）。這種化合物此前已獲批用于治療尿路感染，如今又能治愈淋病，其療效甚至優(yōu)于現(xiàn)有藥物。吉泊他辛是首個(gè)獲批的新型抗生素，其靶點(diǎn)是兩種對(duì)細(xì)菌DNA復(fù)制至關(guān)重要的酶：DNA促旋酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV。

另一種新藥佐利氟達(dá)辛（zoliflodacin）由Innoviva Specialty Therapeutics公司與總部位于瑞士的非營利組織全球抗生素研發(fā)合作組織（Global Antibiotic R&D Partnership）合作開發(fā)。佐利氟達(dá)辛同樣靶向DNA促旋酶，但屬于作用機(jī)制不同的另一類藥物。一項(xiàng)在五個(gè)國家開展的3期臨床試驗(yàn)于12月11日發(fā)表在《柳葉刀》雜志上，結(jié)果顯示佐利氟達(dá)辛療效顯著且未引起嚴(yán)重副作用。這兩種藥物相比目前應(yīng)用最廣泛的頭孢菌素類藥物具有一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：它們可以口服，無需注射。

03

神經(jīng)元如何“助力”癌細(xì)胞

腫瘤會(huì)誘使多種體細(xì)胞幫助自身生長和擴(kuò)散，其中包括神經(jīng)元。今年，研究人員發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞是如何提供這種幫助的：它們會(huì)將線粒體（細(xì)胞中提供大部分化學(xué)燃料的細(xì)胞器）傳遞給腫瘤細(xì)胞。其結(jié)果是癌細(xì)胞被賦予了超強(qiáng)的能力，更容易擴(kuò)散到身體的其他部位，這表明阻斷這種轉(zhuǎn)移可能減緩腫瘤的轉(zhuǎn)移。

圖片來自Gustavo Ayala 和 Simon Grelet

科學(xué)家此前已發(fā)現(xiàn)神經(jīng)有助于癌癥發(fā)展的證據(jù)。例如，切斷腫瘤的神經(jīng)連接通常會(huì)減緩腫瘤的生長，甚至使其縮小。破壞這些連接還會(huì)擾亂癌細(xì)胞的新陳代謝。為了探究其原因，研究人員在體外培養(yǎng)癌細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞，并對(duì)神經(jīng)元的線粒體進(jìn)行標(biāo)記。他們利用顯微鏡觀察到，神經(jīng)細(xì)胞通過微小的橋狀結(jié)構(gòu)將線粒體輸送給鄰近的惡性細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)還在注射了癌細(xì)胞的小鼠以及人類前列腺腫瘤樣本中觀察到了線粒體轉(zhuǎn)移的證據(jù)，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。

由于癌細(xì)胞分裂迅速，它們對(duì)能量的需求量巨大。研究人員利用自身線粒體存在缺陷的培養(yǎng)癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)這些“二手”細(xì)胞器能夠促進(jìn)癌細(xì)胞的代謝。為了探究線粒體捐贈(zèng)如何影響癌癥生長，他們開發(fā)了一種技術(shù)，使癌細(xì)胞在獲得其他細(xì)胞的線粒體后變?yōu)榫G色?？茖W(xué)家們將神經(jīng)細(xì)胞和癌細(xì)胞的混合物植入小鼠體內(nèi)，然后讓這些混合物形成腫瘤并轉(zhuǎn)移到其他組織。在最初的腫瘤中，只有5%的癌細(xì)胞變?yōu)榫G色，表明它們獲得了神經(jīng)細(xì)胞的線粒體；但在肺轉(zhuǎn)移瘤中，這一比例上升至27%，在腦轉(zhuǎn)移瘤中則上升至46%。

05

天上的“萬能之眼”

今年，一座旨在加速新型天文學(xué)發(fā)展的新型望遠(yuǎn)鏡在智利山頂落成。與大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡聚焦于特定天體不同，維拉·魯賓天文臺(tái)將持續(xù)不斷地掃視整個(gè)天空。從明年年初開始，它將以前所未有的精度，每三天記錄一次整個(gè)天空，持續(xù)十年。屆時(shí)，它每晚將發(fā)出數(shù)百萬條警報(bào)：指示某個(gè)天體發(fā)生了移動(dòng)、變化或突然出現(xiàn)。一年后，魯賓天文臺(tái)收集的光學(xué)數(shù)據(jù)將超過歷史上所有望遠(yuǎn)鏡的總和，它將逐步構(gòu)建出有史以來最精細(xì)的宇宙三維地圖，并通過在線門戶網(wǎng)站向所有人開放。

圖片來自阿里羅·皮薩羅·迪亞茲

如此大規(guī)模地收集星光需要突破性的技術(shù)，包括一套復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，能夠在魯賓望遠(yuǎn)鏡巨大的視場(chǎng)（相當(dāng)于45個(gè)滿月的大?。﹥?nèi)生成無畸變圖像；以及一臺(tái)汽車大小的相機(jī)，可以在幾秒鐘內(nèi)拍攝出32億像素的圖像。光纖會(huì)將每張圖像從帕瓊山頂快速傳輸?shù)郊永Ｄ醽喼?，那里的?jì)算機(jī)集群將對(duì)圖像進(jìn)行分析，并在圖像拍攝后1分鐘內(nèi)向天文學(xué)家發(fā)出警報(bào)。每晚都會(huì)收到1000萬條警報(bào)，天文學(xué)家將依靠智能算法來區(qū)分哪些是璀璨的星空，哪些是普通的星空。

這波數(shù)據(jù)洪流將影響天文學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。這座天文臺(tái)將使我們太陽系中已知天體的數(shù)量成倍增長——如果運(yùn)氣好的話，甚至可能發(fā)現(xiàn)潛伏在海王星之外的第九行星。

06

揭秘龍人的身份之謎

今年，研究人員終于揭開了我們一位失散多年的親戚的面容——通過 DNA 證據(jù)證實(shí)，一個(gè)被稱為“龍人”的 146,000 年前的頭骨屬于丹尼索瓦人，丹尼索瓦人是已滅絕的人類譜系，他們和尼安德特人一樣，曾經(jīng)與現(xiàn)代人類共同生活在地球上。 2010年，遺傳學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的人類祖先，與尼安德特人和現(xiàn)代人類關(guān)系密切。

圖片來自河北地址大學(xué)

這一發(fā)現(xiàn)基于從西伯利亞丹尼索瓦洞穴發(fā)現(xiàn)的一塊指骨碎片中提取的DNA。但在隨后的15年里，丹尼索瓦人的面容仍然成謎。在從臺(tái)灣到西藏等其他亞洲遺址發(fā)現(xiàn)的小塊骨骼也提取出了丹尼索瓦人的DNA。但由于沒有完整的個(gè)體，甚至連頭骨都沒有，科學(xué)家們無從得知丹尼索瓦人的外貌，也無法通過外貌特征來識(shí)別可能已被博物館收藏的丹尼索瓦人化石。

今年情況發(fā)生了改變，中國的研究人員成功從幾十年前在哈爾濱附近發(fā)現(xiàn)的一具古代頭骨中提取出了DNA。這種DNA的來源很不尋?！⒎莵碜匝例X或內(nèi)耳骨（古代遺傳物質(zhì)的常見來源），而是來自“龍人”僅存的一顆牙齒上刮取的0.3毫克硬化牙菌斑樣本。（牙菌斑中捕獲的遺傳物質(zhì)主要來自細(xì)菌，但也包括唾液和其他口腔液體中的DNA。）

既然“龍人”的身份已經(jīng)揭曉，研究人員就能更容易地根據(jù)骨骼和牙齒的形狀來識(shí)別其他丹尼索瓦人。發(fā)現(xiàn)更多個(gè)體或許有助于解決一個(gè)長期存在的爭(zhēng)論：這些神秘的古人類是智人的一個(gè)亞種，還是一個(gè)獨(dú)立的物種？

07

大語言模型在科學(xué)中的應(yīng)用

2020年，谷歌DeepMind發(fā)布了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)器AlphaFold2，徹底顛覆了人們對(duì)人工智能（AI）在科學(xué)領(lǐng)域所能取得成就的預(yù)期。它被《科學(xué)》雜志評(píng)為2021年度突破性成果，其開發(fā)者也因此獲得了2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)很少有人想到，基于數(shù)萬億詞匯訓(xùn)練、旨在復(fù)述類人文本的通用大型語言模型（LLM）也能取得如此成就。但隨著LLM規(guī)模的擴(kuò)大，這種觀點(diǎn)正在發(fā)生翻天覆地的變化。今年，它們?cè)诒姸嗫茖W(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了堪比博士級(jí)別的卓越能力。

在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，DeepMind 利用其 Gemini LLM 的升級(jí)版在國際數(shù)學(xué)奧林匹克競(jìng)賽（全球最艱難的高中數(shù)學(xué)競(jìng)賽）上斬獲金牌——這一成就曾被 2021 年的預(yù)測(cè)人士預(yù)測(cè)要到 2043 年才能實(shí)現(xiàn)。OpenAI 的 GPT-5 也在組合數(shù)論和圖論領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，解決了困擾數(shù)學(xué)家數(shù)十年的問題。

但LLM（邏輯邏輯模型）不僅在測(cè)試中表現(xiàn)出色，理論推演也取得了突破性進(jìn)展；它們還加速了科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在化學(xué)領(lǐng)域，Meta公司Llama LLM的精細(xì)化版本僅用15次實(shí)驗(yàn)就確定了一種此前未曾報(bào)道的復(fù)雜反應(yīng)的最佳條件，為研究人員節(jié)省了數(shù)百次原本需要數(shù)周才能完成的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。在生物學(xué)領(lǐng)域，谷歌的“智能體”人工智能合作科學(xué)家 從現(xiàn)有肝纖維化藥物中識(shí)別出新的候選藥物，并在兩天內(nèi)重現(xiàn)了細(xì)菌DNA寄生傳播的機(jī)制——這一發(fā)現(xiàn)此前耗費(fèi)了研究人員數(shù)年時(shí)間。

并非所有實(shí)驗(yàn)都取得了成功。在雄心勃勃的Agents4Science大會(huì)上，法學(xué)碩士們負(fù)責(zé)提出假設(shè)、分析數(shù)據(jù)并提供第一輪同行評(píng)審。然而，此次大會(huì)并未讓許多研究人員確信人工智能能夠以足夠的嚴(yán)謹(jǐn)性設(shè)計(jì)和判斷科學(xué)問題。

然而，LLM 的飛躍式發(fā)展開啟了更廣泛的 AI 科學(xué)淘金熱?？萍季揞^和投資者向 Periodic Labs、Lila Sciences 和 OpenAI for Science 等衍生公司投入了數(shù)億美元。隨著AI 本身不斷改進(jìn)下一代 LLM，它們的極限也變得越來越難以預(yù)測(cè)。

08

計(jì)算機(jī)解開粒子之謎

幾十年來，粒子物理學(xué)家一直渴望找到某種——任何一種——他們目前奉行的標(biāo)準(zhǔn)模型理論無法解釋的現(xiàn)象。今年六月，一項(xiàng)長期實(shí)驗(yàn)報(bào)告稱，與之前的預(yù)測(cè)相反，一種名為μ子的粒子的磁性并不比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的更強(qiáng)，這或許是新謎團(tuán)最令人期待的跡象。然而，失望背后卻隱藏著勝利：理論學(xué)家們終于能夠利用一種名為格點(diǎn)規(guī)范理論的技術(shù)，從零開始精確計(jì)算出μ子的磁性。

圖片來自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

μ子是電子的較重且不穩(wěn)定的“表親”。由于量子不確定性，一些粒子會(huì)在μ子周圍的真空中來回穿梭，從而賦予μ子的磁性一個(gè)微小的增強(qiáng)，記為g-2。如果這些“虛”粒子包含標(biāo)準(zhǔn)模型中未發(fā)現(xiàn)的粒子，μ子的磁性可能與理論預(yù)測(cè)有所不同。2001年，一項(xiàng)名為“μ子g-2”的美國實(shí)驗(yàn)表明，μ子的磁性比預(yù)測(cè)值強(qiáng)約4ppb。

做出這樣的預(yù)測(cè)從來都不是一件容易的事。要解釋夸克和膠子這兩種粒子的影響尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^所謂的強(qiáng)力相互作用，而強(qiáng)力在數(shù)學(xué)上幾乎是無法處理的。2020年，一個(gè)名為“μ子g-2理論計(jì)劃”的合作項(xiàng)目利用粒子對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，以估算虛夸克和虛膠子對(duì)μ子磁性的貢獻(xiàn)。但即便如此，現(xiàn)有最佳數(shù)據(jù)仍然存在一些不一致之處。

09

異種移植創(chuàng)下新紀(jì)錄

過去一個(gè)世紀(jì)以來，用動(dòng)物器官移植治愈人類的嘗試，一直受到炒作和有時(shí)令人質(zhì)疑的科學(xué)依據(jù)的阻礙。但今年，“異種移植”——一種可能解決捐獻(xiàn)人體器官嚴(yán)重短缺問題的潛在方案——取得了令人矚目的進(jìn)展，這得益于基因工程改造的豬，它們的組織更適合移植，且不易被人體免疫系統(tǒng)排斥。

圖片來自紐約大學(xué)朗格尼健康中心

最引人注目的是，一個(gè)經(jīng)過基因改造的豬腎在新罕布什爾州一名男子體內(nèi)存活了近9個(gè)月，直到10月份衰竭，僅比此前異種移植存活時(shí)間最長的紀(jì)錄少了幾天。（此前的紀(jì)錄是1964年用一個(gè)來自黑猩猩的天然腎臟創(chuàng)造的，而黑猩猩如今已不再被認(rèn)為是符合倫理的器官捐獻(xiàn)對(duì)象。）一個(gè)僅經(jīng)過6個(gè)基因改造的豬腎在中國一名女性體內(nèi)也存活了幾乎同樣長的時(shí)間。

這些努力刷新了此前基因改造豬腎的記錄，此前的記錄是由一個(gè)經(jīng)過10項(xiàng)基因改造的器官創(chuàng)造的，該器官曾幫助一名女性維持了4個(gè)月的生命，但在今年2月衰竭。在這兩例病例中，器官均來自經(jīng)過基因改造和培育的豬，這些豬是由一些公司培育的，這些公司希望異種移植能夠成為一項(xiàng)有利可圖的業(yè)務(wù)。今年，其中兩家公司獲得了美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的許可，可以開展該策略的首批真正意義上的臨床試驗(yàn)，這是獲得監(jiān)管部門批準(zhǔn)的必要步驟?？梢哉f，今年的成功使異種移植更接近于幾十年來無數(shù)聳人聽聞的頭條新聞過早宣揚(yáng)的現(xiàn)實(shí)。

10

清涼解暑的米飯

如果水分充足，作物可以忍受熱浪的炙烤，但悶熱的夜晚卻會(huì)帶來嚴(yán)重的危害，因?yàn)楦邷貢?huì)加速呼吸作用——這種代謝過程通常在黑暗中保持穩(wěn)定。今年，中國的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種基因，可以幫助水稻抵御高溫帶來的兩大影響：產(chǎn)量下降和稻米品質(zhì)變差。如果將這種基因?qū)肷虡I(yè)品種，就能在氣候變化導(dǎo)致稻田升溫的情況下，幫助保障水稻的收成。

過去十年間，該團(tuán)隊(duì)在中國一些異常炎熱的地區(qū)種植了533個(gè)水稻品種。通過對(duì)表現(xiàn)最佳的水稻品種進(jìn)行雜交，他們發(fā)現(xiàn)12號(hào)染色體上有一個(gè)關(guān)鍵基因，并將其命名為QT12，意為“耐高溫品質(zhì)基因”。在高溫環(huán)境下表現(xiàn)不佳的品種攜帶QT12的一個(gè)變體或等位基因，該基因會(huì)被激活，導(dǎo)致淀粉分子排列錯(cuò)亂。研究團(tuán)隊(duì)在4月份發(fā)表于《細(xì)胞》（ Cell）雜志上的報(bào)告指出，其結(jié)果是稻米質(zhì)地粗糙、易碎，且口感黏膩，令人倒胃口。而攜帶QT12等位基因的品種則能在高溫下保持良好的稻米品質(zhì)。該等位基因還能提高產(chǎn)量，但其具體機(jī)制尚不明確。

研究人員將這種保護(hù)性等位基因?qū)朊麨椤叭A展”的商業(yè)水稻品種后，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)量比現(xiàn)有“華展”品種高出78%，且在高溫條件下堊白粒的比例更低。他們還發(fā)現(xiàn)，利用基因編輯技術(shù)使QT12基因失活，也能在研究用水稻品種中獲得類似的益處。

資料來源

https://www.science.org/content/article/breakthrough-2025

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