文｜陳歡歡

12月12日，《科學(xué)》雜志發(fā)布2024年度十大科學(xué)突破，包括一項科學(xué)突破冠軍獎——長效HIV預(yù)防針劑和9項科學(xué)突破入圍獎，具體為：利用免疫細(xì)胞治療自身免疫疾病、詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡探測宇宙起源、RNA殺蟲劑應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、首次發(fā)現(xiàn)固氮細(xì)胞器、最早的多細(xì)胞真核生物、地幔波動影響大陸輪廓形成、“星艦”成功回收、古DNA揭示家族親屬關(guān)系。

1.長效HIV預(yù)防針劑試驗成功。

雖然人類在努力抑制艾滋病毒新發(fā)感染，但由于有效的疫苗尚未問世，加之相關(guān)藥物價格昂貴，每年仍有100多萬人感染艾滋病毒。今年，一種創(chuàng)新機制的注射用HIV藥物——來那卡帕韋（lenacapavir）展現(xiàn)出顯著的預(yù)防效果，每次注射可提供6個月有效保護(hù)?！犊茖W(xué)》雜志認(rèn)為，艾滋病正逐步從一種顛覆社會的疾病轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N罕見病癥。

來那卡帕韋是一種暴露前預(yù)防藥物，由美國生物醫(yī)藥公司——吉利德科學(xué)公司開發(fā)。2024年6月，一項針對非洲5000多名青少年女性的大型療效試驗報告稱，來那卡帕韋實現(xiàn)了100%的有效保護(hù)，將艾滋病毒感染率降至0。3個月后，另一項在南美洲、亞洲、非洲和美國進(jìn)行的類似試驗進(jìn)一步證實了這一效果。結(jié)果顯示，在與男性發(fā)生性關(guān)系的性別多樣化人群中，該藥物具有99.9%的有效性。

《科學(xué)》雜志認(rèn)為，該藥物的成功源于基礎(chǔ)研究的重大突破，即對其所靶向的HIV衣殼蛋白的結(jié)構(gòu)與功能有了全新的深入理解。鑒于許多其他病毒亦擁有各自的衣殼蛋白，這些蛋白圍繞著遺傳物質(zhì)形成保護(hù)層，因此來那卡帕韋的成功應(yīng)用帶來了令人興奮的前景——類似的衣殼抑制劑可以對抗其他病毒性疾病。

預(yù)計監(jiān)管部門最早要到2025年中期才會批準(zhǔn)來那卡帕韋，其價格尚未公布，因此能否加速終結(jié)艾滋病的流行尚未可知。美國國家過敏和傳染病研究所所長Jeanne Marrazzo提醒道，來那卡帕韋不能替代疫苗。真正的疫苗應(yīng)該是可以給每一個人接種，并且價格低廉，只需注射幾針即可持續(xù)保護(hù)多年。

2.利用免疫細(xì)胞治療自身免疫疾病。

自身免疫疾病的特點是免疫系統(tǒng)會攻擊健康的身體組織，免疫抑制藥物并不總能阻止疾病進(jìn)程，甚至還可能產(chǎn)生副作用。今年，嵌合抗原受體T細(xì)胞（CAR-T）療法在重癥患者中產(chǎn)生顯著療效，開啟了自身免疫疾病治療的新篇章。

CAR-T療法在大約15年前首次作為血液腫瘤治療方法出現(xiàn)，是一種完全不同的疾病治療方法：醫(yī)生從患者的白細(xì)胞中分離出免疫系統(tǒng)的“哨兵”——T細(xì)胞，然后對這些細(xì)胞進(jìn)行基因改造，再將它們回輸給患者，從而尋找和破壞B細(xì)胞。腫瘤B細(xì)胞是某些白血病和淋巴瘤的根源。B細(xì)胞還在自身免疫疾病中作惡，通過釋放有毒的自身抗體攻擊關(guān)節(jié)和內(nèi)臟。

2024年2月，德國研究人員報道了15名狼瘡、硬皮病或肌肉損傷性肌炎患者的臨床結(jié)果。這些患者都在4-29個月之前接受了CAR-T治療。所有8名狼瘡患者均進(jìn)入到無藥物緩解狀態(tài)；其他一些人仍有癥狀，但都停止使用免疫抑制劑。其他已發(fā)表的成功案例包括重癥肌無力和僵人綜合征患者，已有30多人得到成功治療。

3.詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡探測宇宙起源。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡是有史以來規(guī)模最大、功能最強大的太空望遠(yuǎn)鏡，專為研究宇宙最初的幾十億年而設(shè)計。自2021年底發(fā)射升空后，這架太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的宇宙最早時期的明亮星系可能比預(yù)期的多1000倍。根據(jù)它們不同尋常的亮度，研究人員估計其中一些是銀河系大小的龐然大物，在目前的星系演化理論下，無法解釋為何它們能夠如此迅速地生長。

2024年，研究人員將遠(yuǎn)古光波按照波長分類進(jìn)行光譜分析，結(jié)果表明早期星系含有大量氣體和塵埃，包括碳、氧等元素，這些元素只能在更早期的恒星內(nèi)部形成，恒星死亡后以超新星的形式發(fā)生爆炸，廣泛散發(fā)出星際物質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)表明，宇宙之初的環(huán)境能夠使巨大的恒星快速形成。

4.RNA殺蟲劑應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。

一般殺蟲劑在消滅害蟲的同時也可能對非目標(biāo)生物造成傷害。今年，美國環(huán)保局批準(zhǔn)了一種基于RNA的殺蟲噴霧劑，可針對特定害蟲的基因進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計。

據(jù)悉，當(dāng)幼蟲咀嚼該藥物噴灑過的葉子時，RNA殺蟲劑會阻斷一種關(guān)鍵蛋白的表達(dá)，使害蟲在幾天內(nèi)死亡。這種機制被稱為RNA干擾（RNAi），是大多數(shù)細(xì)胞用來調(diào)節(jié)基因表達(dá)和保護(hù)自己免受病毒侵害的自然過程。支持者認(rèn)為，這種精確的方法將比現(xiàn)有化學(xué)殺蟲劑更安全、更有效。除了甲蟲，研究人員也在針對小菜蛾、草地貪夜蛾等破壞性極高的蛾類進(jìn)行研發(fā)。但鱗翅目動物的腸道酶很容易在RNA傷害它們之前將其破壞，能否將RNA包裹在一個微小的保護(hù)殼內(nèi)已成為熱門研究領(lǐng)域。

第一種RNA殺蟲劑針對的是馬鈴薯葉甲，這種甲蟲已經(jīng)對現(xiàn)有化學(xué)藥劑產(chǎn)生了抗藥性，每年在全球范圍內(nèi)造成5億美元的農(nóng)作物損失。實驗室測試顯示，如果暴露于足夠高的劑量，馬鈴薯葉甲可以進(jìn)化出對RNA的抗性。至于在自然界是否也會很快產(chǎn)生抗性目前尚不得知，研究人員指出，就像其他試圖挑戰(zhàn)自然的發(fā)明一樣，負(fù)責(zé)任地使用RNA殺蟲劑才能保持其有效性。

5.固氮細(xì)胞器的發(fā)現(xiàn)改寫了教科書。

空氣中78%是氮氣，但植物并不能直接利用這些氮元素。某些細(xì)菌能夠固定大氣中的氮，將其轉(zhuǎn)化為植物可利用的氨，用于合成蛋白質(zhì)及其他分子。此前，尚未發(fā)現(xiàn)任何真核生物（即擁有復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物，如植物和動物）具備這種能力。今年，一項改寫教科書的發(fā)現(xiàn)誕生了，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一種固氮真核生物——硝基體，一種海藻細(xì)胞中獨特的固氮結(jié)構(gòu)。

DNA研究表明，這種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞器大約在1億年前由海藻和固氮藍(lán)細(xì)菌之間的共生產(chǎn)生。藻類細(xì)胞吸收了這些細(xì)菌，使其失去足夠的基因和生化能力，只能依賴藻類生存，跟隨藻類的時間周期繁殖。這使它們成為了為數(shù)不多的已知內(nèi)共生細(xì)胞器之一。

該發(fā)現(xiàn)不僅揭示了我們對細(xì)胞進(jìn)化復(fù)雜性的認(rèn)知尚存不足，也有助于促進(jìn)對植物的基因改造，設(shè)計出能夠自行固氮的農(nóng)作物，從而提高作物產(chǎn)量，減少對氮肥的需求。

6.新磁性的發(fā)現(xiàn)。

近百年來，已知存在兩種永磁體。今年，科學(xué)家首次觀測到一種新的磁性——交變磁性，即同時具有鐵磁性和反鐵磁性。

在我們熟知的鐵磁體中，相鄰原子上的未配對電子以相同的方向自旋，使材料表現(xiàn)出磁性；而在反鐵磁體中，相鄰的電子以相反的方向自旋，整體上不顯示磁性，例如鉻。2019年，科學(xué)家預(yù)測一種兼具上述兩種特點的新型交變磁體。直到今年，多個研究小組在實驗中證實了這一理論預(yù)測，他們通過測量費米面，在碲化錳和銻化鉻等材料中觀察到了上述現(xiàn)象。交變磁體既具有反鐵磁體的穩(wěn)定性和快速自旋翻轉(zhuǎn)的速度，又可以像鐵磁體一樣輕易進(jìn)入不同狀態(tài)，通過在不同方向施加電流即可控制。

科研人員表示，產(chǎn)生交變磁性的交變磁體可用于制造高容量快速存儲設(shè)備或新型磁性計算機。

7.古代真核生物的多細(xì)胞性很早就出現(xiàn)了。

今年初，《科學(xué)進(jìn)展》報道了中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所科研團(tuán)隊在華北燕山地區(qū)16.3億年前地層中發(fā)現(xiàn)的多細(xì)胞真核生物化石，將多細(xì)胞真核生物出現(xiàn)的時間提前了7000萬年。

當(dāng)今地球上大部分的復(fù)雜生命，如動物、植物、真菌等均是多細(xì)胞真核生物。真核生物的多細(xì)胞化是生命向復(fù)雜化和大型化演化的必要條件。但學(xué)術(shù)界一直有個疑問：真核生物最早是何時發(fā)生多細(xì)胞化的？過去一直認(rèn)為，真核生物最初以單個細(xì)胞的形式存在了約10億年，隨后才逐漸形成細(xì)胞鏈。然而，這項新發(fā)現(xiàn)揭示，簡單的多細(xì)胞真核生物早就已經(jīng)存在。

《科學(xué)》雜志指出，早在幾十年前，在中國燕山發(fā)現(xiàn)的“壯麗青山藻”同樣擁有16億年歷史，但由于研究發(fā)表在一本不太知名的期刊上，并未引起廣泛關(guān)注。2015年，中國的古生物學(xué)家重返該地區(qū)，又發(fā)現(xiàn)了278個壯麗青山藻標(biāo)本，并對其進(jìn)行了詳細(xì)分析。此次研究觀察到的化石由多達(dá)20個圓柱形細(xì)胞組成，類似于植物中的細(xì)胞壁。部分化石中還含有類似孢子的小球體，這表明多細(xì)胞絲具有專門的生殖結(jié)構(gòu)。

結(jié)合最近在其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)的類似年齡的生物化石，這些證據(jù)表明，真核生物向多細(xì)胞演化的第一步可能發(fā)生在更早的時間點。然而，從這些原始形態(tài)發(fā)展至現(xiàn)今的水母、紅杉乃至人類所展現(xiàn)的高度復(fù)雜性生物體的這一過程則要緩慢得多。

8.地幔波動能影響大陸輪廓的形成。

板塊構(gòu)造對大陸的撕裂過程緩慢但激烈，過去被認(rèn)為具有高度局部性：沿裂谷帶上涌的熱地幔巖石產(chǎn)生巖漿，而遠(yuǎn)離裂谷帶的大陸內(nèi)部則保持寒冷且相對穩(wěn)定。今年的研究顛覆了這一傳統(tǒng)觀點，揭示了這種局部的劇烈活動實際上在地幔中引發(fā)擴(kuò)展的波動，進(jìn)而影響整個大陸的地貌。

2024年8月發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究提出，當(dāng)裂谷形成時，上涌的地幔物質(zhì)與冷的大陸板塊接觸，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)的巖石對流。這些旋渦狀的對流以極慢的速度沿著大陸基底移動，類似于船底下的湍流，在對流上方造成多種地質(zhì)效應(yīng)。這一理論可以解釋一些位于古老、寒冷大陸內(nèi)部的高原，如南美的巴西高原、印度的西高止山脈。這些波動在經(jīng)過時剝離基底上的重質(zhì)巖石，留下輕質(zhì)巖石，后者隨后上升1-2千米，形成高原。

地幔波引起的隆起還可以解釋某些時期的侵蝕加劇以及隨之而來的海洋生物滅絕事件，同時也可能是板塊中心地震活動的一個觸發(fā)因素。這表明，大陸與地幔之間的互動遠(yuǎn)比地球科學(xué)家之前所認(rèn)為的更加活躍。

9.“星艦”著陸成功實現(xiàn)“筷子夾住火箭”。

今年，“星艦”這艘世界上最巨型、最強大的火箭，在33個引擎的強勁推力下轟鳴著升空了4次，最終在10月13日那次發(fā)射中成功實現(xiàn)“筷子夾住火箭”。助推器以超音速從高空下降，通過重啟部分發(fā)動機降速至幾乎靜止的懸停狀態(tài)，由發(fā)射塔的機械臂將其精準(zhǔn)捕獲。

SpaceX公司已通過部分可重復(fù)使用的獵鷹9號和獵鷹重型運載火箭，將貨物送入軌道的成本降低到以前的1/10。而一艘完全可重復(fù)使用的星際飛船預(yù)計可將成本繼續(xù)降低一個數(shù)量級。技術(shù)關(guān)鍵在于助推器以及上級火箭的回收與快速再利用?！犊茖W(xué)》雜志認(rèn)為，這次成功有望大幅降低太空科學(xué)研究的成本，標(biāo)志著成本可負(fù)擔(dān)的重型火箭新時代的到來。

10.古DNA研究揭示家族親屬關(guān)系。

從古代人類骨骼和牙齒中提取的DNA為了解遠(yuǎn)古的人口流動、傳染病演變和史前飲食提供了見解。今年，大量研究為幾千年前去世的人們重建家譜，反映了古DNA提取技術(shù)的進(jìn)步和分析成本的下降。

過去，古DNA研究的對象為分散的個體。隨著古代人類基因組數(shù)量呈指數(shù)級增長，研究人員已經(jīng)能夠通過研究不同人共有的遺傳信息片段，估測出兩個人的親緣關(guān)系。通過添加考古信息，例如骨骼的年齡、他們埋葬墓地的位置或埋葬在附近親屬的遺傳關(guān)系，遺傳學(xué)家和考古學(xué)家共同重建了長達(dá)八代的家譜。

這揭示許多古代社會信息，僅靠考古學(xué)永遠(yuǎn)無法得到答案。例如，將德國南部凱爾特酋長的DNA數(shù)據(jù)與他們墓地的細(xì)節(jié)相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)2500年前，該地區(qū)最有權(quán)勢的男性是通過母親繼承權(quán)力的，顯示了母系制的社會組織形式。而對石器時代歐洲農(nóng)民的親屬關(guān)系分析表明，父系是主流社會形式。隨著研究人員對更多個體進(jìn)行樣本測定，遙遠(yuǎn)的親屬關(guān)系將更加明朗。