《Science》重磅：2024年度十大科学突破！

高分子材料科学

2024-12-14 00:17发布于广东科技领域创作者

每年，《Science》杂志都会从全球科学界的众多进展中评选出“年度突破”，以表彰那些引领领域发展的非凡成就。2024年的桂冠授予了lenacapavir，一种革命性的长效注射型HIV预防药物。它不仅在全球试验中展现了近乎完美的保护效果，还为抗病毒药物研发开辟了全新思路。

在过去的数十年里，人类在抗击HIV/AIDS的战斗中取得了显著的进展。然而，每年依然有超过100万人感染HIV，全球范围内的疫苗研发始终未能突破。在这一背景下，2024年科学界迎来了新的希望——一种每6个月仅需注射一次的HIV预防药物lenacapavir。

作为《Science》评选的最优“年度突破”，这款药物不仅在大规模试验中展现出接近100%的惊人保护率，还通过其独特的分子机制重新定义了抗病毒药物的研发思路。随着这项技术的潜力逐渐显现，我们站在了一个新时代的起点：一个可能彻底扭转HIV流行趋势、改变数百万生命命运的时代。

图1 ：《Science》期刊封面

此外，《Science》还列出了“优秀候选项（runners-up）”，且反思了2024年的“挑战与教训（Breakdowns）”。

优秀候选项（Runners-up）

这些成就虽未获得年度突破桂冠，但在各自领域内具有重要意义，推动了科学前沿的发展：

1. 免疫细胞治疗自身免疫疾病

图2：嵌合抗原受体T细胞（CAR-T，粉色）正逼近并攻击B细胞。今年，CAR-T疗法在对抗如狼疮等自身免疫疾病方面取得了重大进展 ——图源N. Burgess/Science

CAR-T疗法今年在治疗自身免疫疾病方面取得显著进展，如狼疮、硬皮病和多发性硬化等。通过基因工程改造患者的T细胞以摧毁导致自身免疫反应的B细胞，这种疗法使许多重症患者病情缓解，有些甚至完全停药。研究还发现，CAR-T能深入清除传统疗法难以触及的淋巴结B细胞。然而，疗法的长期效果和潜在副作用仍需进一步探索。

2. 詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）探索宇宙黎明

图3：因距离遥远，早期的星系在詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）的一张首批图像中显得泛红。——图源NASA；ESA；CSA；STScI

詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）自2022年启用以来，发现了比理论预期更多的早期星系。研究表明，这些星系可能异常明亮，可能由巨型恒星或活跃黑洞驱动。光谱分析显示，早期星系富含气体、尘埃和重元素，暗示巨星和黑洞的快速形成可能解释这些星系的亮度。

3. 基于RNA的农药投入实际应用

图4：与当前的商业化杀虫剂不同，基于RNA干扰的杀虫剂针对特定的害虫。 ——图源：Edwin Remsberg/VWPics via AP Images

今年，美国环保署批准了一种基于RNA干扰的杀虫剂，针对特定害虫基因，避免了对无辜物种的伤害。首个RNA杀虫剂产品针对已经对传统化学药物产生抗药性的科罗拉多土豆甲虫，能够通过干扰其基因阻止关键蛋白质的表达，迅速杀死虫害。研究者正努力开发针对其他害虫，如蛾类和蜜蜂寄生螨的RNA杀虫剂，但也面临害虫对RNA的抗药性问题。

4. 新细胞器的发现揭示进化奥秘

图5：在海藻Braarudosphaera bigelowii中发现了一种新型细胞器——硝质体（圆形物体，右下角）。图源——Tyler Coale

今年，科学家发现了一种新型细胞器——硝质体（nitroplast），它能将大气中的氮转化为氨，供植物利用。这一发现揭示了海藻与固氮蓝藻的共生关系，硝质体起源于约1亿年前。研究人员正在探索如何利用这一发现，未来可能使作物具备自我施肥的能力，改善农业生产。

5. 一种新型磁性现象的出现

图6：在反常磁体中，相邻的电子自旋方向相反（颜色不同），但它们处于具有不同取向（形状）的原子级结构中。——图源Libor Šmejkal and Anna Birk Hellenes

物理学家发现了第三种永久磁性材料——反常磁体。它结合了铁磁体和反铁磁体的特性，邻近电子自旋方向相反，但在更深层次上，其材料结构类似铁磁体。今年，多个研究小组证明了这一特性。反常磁体具有特殊的费米面结构，尽管没有净磁性，但当时间倒流时，磁性结构发生可检测的变化。这种材料有潜力用于超高速磁性开关等电子设备。

6. 多细胞生物早在古代真核生物中出现

图7：像这样的微观化石表明，单细胞真核生物的联结发生得比之前认为的更早。——图源Lanyun Miao 等人/中国科学院南京地质古生物研究所

今年初，中国发现的微观类藻化石震惊了进化生物学家，因其极为古老，约为16亿年前。这些化石表明，复杂生命的标志之一——多细胞性，可能比以前认为的更早出现。研究表明，简单的多细胞真核生物在更复杂的生命形式出现之前10亿年就已经出现，挑战了传统的生命演化时间观念。

7. 地幔波塑造大陆结构

图8：南非中央高原可能是由流动的地幔岩石推动上升的。——图源Laranik/Alamy Stock Photo

今年的研究推翻了板块构造理论中的传统观点，揭示了大陆裂变不仅仅是局部的暴力过程，而是会在地幔中引发波动，影响整个大陆的面貌。研究表明，地幔的涡旋流动会剥离大陆基底的重岩，形成高原，且这些地幔波动还可能导致金伯利岩喷发、增加侵蚀以及引发板块中心的地震活动。这表明大陆与地幔之间存在更为动态的相互作用。

8.星舰成功着陆

图9：今年6月，SpaceX巨型星际飞船从德州起飞，进行了一次重要的飞行测试。图源：SpaceX via UPI/Alamy

今年，SpaceX的星际飞船多次成功发射，其中10月13日的助推器成功着陆成为历史性壮举。助推器在失速时重新点燃引擎并通过塔上的夹爪成功回收。这一成就标志着新纪元的到来，预示着未来低成本的重型火箭将降低太空科研的费用。SpaceX的可重复使用星际飞船将大幅降低进入太空的成本，使得火星计划和空间科学实验成为可能，科学家们可借此更频繁地进行探索和实验。

9. 古代DNA揭示家族联系

图10：一名男子在公元7世纪与一匹马一起埋葬在匈牙利，现在有了家族历史。——考古学研究所/厄尔尔大学博物馆

通过从古代骨骼和牙齿中提取DNA，科学家们能够重建数千年前的家族谱系，揭示古代人群迁移、传染病演变和饮食习惯等信息。新的基因分析技术使得研究者能够发现深远的亲缘关系，如5000年前生活在欧亚草原上的远亲。结合考古学信息，科学家们能够重建多达八代的家族树，进一步了解古代社会的组织结构和遗传关系。这些发现为我们提供了更多关于人类过去的洞察。

挑战与教训（Breakdowns）

1. 从COVID-19中未汲取的教训

图11：谈判代表未能就一项疫情协议的文本达成一致，他们原本希望在5月的日内瓦世界卫生大会上提交该协议以供批准。——图源：世界卫生组织/安托万·塔尔迪

COVID-19暴露了全球对大流行病的准备不足，造成了数百万人的死亡和严重的经济损失。尽管2021年提出了改善准备工作的建议，包括加强监测和确保疫苗公平分配，但进展缓慢。今年，H5N1禽流感和猴痘疫情的爆发再次揭示了持续的脆弱性。关于大流行条约的谈判陷入僵局，政治领导人的不作为引发了担忧，尤其是特朗普可能重新当选，进一步阻碍全球卫生合作。2021年小组警告称，领导人在冒险赌博我们的未来。

2. 科学作为附带损害的受害者

图12：随着乌克兰战争带来的经济压力不断增加，俄罗斯计划大幅削减民用科研经费。——图源Anton Novoderezhkin/Kommersant/Sipa via AP Images

由于战争和经济动荡，多个国家的科研领域受到影响。俄罗斯计划在未来两年内削减25%的民用科研经费，且已裁减了6%的科研人员；乌克兰的科研设施遭到破坏。以色列在加沙和黎巴嫩的冲突后，提议削减5%的高等教育支出；阿根廷则因经济问题削减31%的科研经费，且失去了约1000名科研人员。

3. 迷幻药疗法的困境

图13：一种结合了MDMA药物和心理治疗的方法未能获得批准用于治疗创伤后应激障碍。——图源：Travis Dove for The Washington Post via Getty Images

MDMA药物与心理治疗结合治疗创伤后应激障碍的申请未获美国FDA批准。尽管有研究者认为FDA要求过高，但许多人认为Lykos公司在申请中存在缺陷，如未清楚定义心理治疗成分、缺乏关键数据以及未确保试验参与者无法分辨MDMA或安慰剂。尽管此事件可能推迟迷幻药物在医学中的应用，但部分公司已开始单独研究MDMA的疗效，避免了与心理治疗结合的监管问题。

4. 环境谈判陷入僵局

图14：在又一个干旱肆虐的年份，发展中国家未能获得足够的帮助来应对气候变化。——图源Shahid Ali/AFP via Getty Images

尽管气候变化、生物多样性丧失和塑料污染等全球问题日益紧迫，但联合国大会的谈判今年进展甚微。在气候变化大会COP29上，发达国家承诺到2035年每年提供3000亿美元帮助发展中国家应对气候变化，然而仍远低于发展中国家的需求。生物多样性公约会议和全球塑料公约谈判也未达成实质性进展，导致全球应对这些问题的努力陷入停滞。

小结

这些内容展示了科学的多面性：既有充满希望的突破，也有亟待解决的挑战，为科学界未来的发展提供了宝贵的启示和方向。

参考文献：
https://www.science.org/content/article/breakthrough-2024

来源：BioMed科技

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