重磅发布！Science发布2024年度十大科学突破

“年度十大科学突破”是由《Science》杂志每年举办的评选活动，目的是为了表彰一年内全球范围内最引人注目的科学研究成果。最近，《Science》杂志揭晓了其评选出的2024年度十大科学突破。

1、长效HIV预防药物

一种名为Lenacapavir的新型注射药物已被证实能够提供长达六个月的高效防护，有效预防HIV感染。在两项大型临床试验中，该药物在非洲年轻女性以及全球多个大陆不同性别群体中均显示出接近100%的防护效果。这一成果为全球降低HIV感染率带来了新的希望。

Lenacapavir的作用机理区别于传统HIV治疗药物，它通过与HIV的衣壳蛋白结合，阻止病毒进入宿主细胞核，并干扰新病毒颗粒的形成过程。这种药物的开发得益于对HIV衣壳蛋白结构和功能的深入理解，为治疗其他病毒性疾病提供了新的治疗方法。

Lenacapavir因其出色的效果和持久的作用时间，被视为最有前景的PrEP药物候选之一。不过，其广泛采用还需依赖于监管机构的批准、合理的定价策略，以及克服社会经济障碍，确保更广泛的人群能够获得这种药物。尽管Lenacapavir作为PrEP可能还无法完全达到联合国艾滋病规划署（UNAIDS）设定的目标，但它有望保护数以百万计的人群免受HIV的侵害。科学家们仍在持续探索更持久、更全面的免疫干预措施，包括疫苗，以期最终终结HIV/AIDS大流行。

总体而言，Lenacapavir作为一种新兴的HIV预防手段，展现出巨大的潜力，但同时也面临不少挑战。其成功不仅依赖于科学技术的进步，还需要政策层面的支持和社会各界的共同努力，才能在HIV/AIDS的防控工作中发挥变革性作用。

2、细胞基因疗法治疗自免疾病

自身免疫性疾病如狼疮、硬皮病和多发性硬化症等，是由免疫系统错误地攻击身体的健康组织引起的。尽管现有的治疗手段，例如免疫抑制药物，能够在一定程度上提供帮助，但它们往往无法完全阻止疾病的进展，并且可能带来严重的副作用。

CAR-T细胞基因疗法最初是作为一种治疗血液癌症的有效手段而出现的，它在十几年前首次亮相，并在2013年被《科学》杂志评为年度突破之一。这种疗法涉及从患者体内提取T细胞，然后通过基因工程技术改造这些T细胞，使其能够识别并摧毁癌变的B细胞，随后将这些改造后的T细胞重新注入患者体内。对于某些类型的白血病和淋巴瘤，CAR-T细胞基因疗法能够实现对癌变B细胞的彻底清除。

B细胞在自身免疫疾病中扮演着负面角色，它们通过分泌有害的自身抗体攻击患者的关节、肺部和肾脏等组织，导致组织器官损伤。近年来，研究人员开始探索CAR-T细胞基因疗法在治疗自身免疫疾病方面的潜力。德国研究人员报告了15名患有狼疮、硬皮病或肌炎的患者在接受CAR-T细胞基因治疗后的效果，其中8名狼疮患者实现了无药缓解，其他患者的症状也有所改善。此外，还有针对重症肌无力和僵人综合征的成功治疗案例。

研究表明，经过基因工程改造的T细胞能够在难以触及的组织中（如患者的淋巴结）深度清除B细胞，这可能是其疗效显著的原因之一。

尽管“CAR-T细胞基因疗法”在自身免疫疾病治疗方面取得了令人鼓舞的成果，但仍有许多问题需要进一步研究。科学家们正在努力了解严重副作用（如免疫过度反应）的发生频率，以及完全缓解的普遍性和持续时间。

总结来说，“CAR-T细胞基因疗法”为自身免疫疾病的治疗开辟了新的篇章，提供了可能更有效且副作用较少的新选择。随着更多临床试验的开展和技术的进步，这种创新疗法有望为更多患者带来希望。

3、詹姆斯·韦伯太空望远镜的新发现

自2022年2月“詹姆斯·韦伯空间望远镜”（JWST）启动以来，它凭借卓越的灵敏度揭示了宇宙早期星系的奥秘。作为史上最强大的太空观测设备之一，JWST旨在探索宇宙诞生后的最初几十亿年，其捕捉到的微弱红外光远超以往任何仪器。在初期观测中，JWST发现了数量远超预期、亮度惊人的古老星系，这些星系的存在挑战了现有的星系演化理论。

研究人员估计，某些候选星系可能拥有“银河系级别的质量”，但根据当前理论，它们不应该在宇宙如此年轻时就形成。这提出了两个主要假设：一是这些星系内含有大量超大质量恒星，使它们显得异常明亮；二是早期宇宙中存在大量活跃的黑洞，通过吞噬物质释放出强烈光芒。这两种情况均暗示着宇宙早期环境特别适合快速形成巨大的恒星和黑洞。

光谱分析进一步证实了上述观点。它揭示早期星系中富含碳、氧等重元素，这些元素只能由短命的巨大恒星在其内部合成，并在超新星爆炸后散布至星际空间。这表明宇宙早期就能迅速孕育出巨量的恒星。同时，光谱数据也指出了活跃的大质量黑洞是早期光明的重要来源之一。尽管现代黑洞通常由大质量恒星死亡后坍缩形成，但在宇宙极早期，可能存在直接从巨大气体云塌缩而成的黑洞，这解释了这些“巨兽”为何能够如此迅速地出现。

总之，“JWST”的发现正在重塑我们对宇宙起源的理解，揭示了一个比预想中更加活跃和复杂的早期宇宙。随着更多数据的积累，科学家们将逐步揭开宇宙诞生之初的神秘面纱。

4、基于RNA农药的应用

传统杀虫剂常常对非目标物种造成伤害。为了寻找更精准且环保的解决方案，美国环境保护署（EPA）批准了一种基于“RNA干扰”（RNAi）技术的新型杀虫剂。这种新方法被认为比现有化学杀虫剂更安全，并且能够针对多种害虫。

由GreenLight Biosciences公司开发的“Calantha”是首个获得批准的RNA农药，专门用于对抗科罗拉多土豆甲虫。这种害虫已经对传统杀虫剂产生了抗药性，每年导致全球约5亿美元的作物损失。Calantha通过干扰甲虫体内特定基因的表达，阻止关键蛋白质的合成，从而在几天内杀死幼虫。

研究人员希望将RNAi技术进一步应用于蛾类及其他鳞翅目昆虫，这些昆虫中的一些种类，如小菜蛾和秋粘虫，是对农作物极具破坏性的害虫之一。然而，由于鳞翅目昆虫的肠道酶容易降解RNA，科学家们正在探索将RNA封装在微小保护壳内的方法，以提高其稳定性。

尽管RNA农药具有针对性强的优点，但害虫也可能逐渐进化出抵抗能力。实验室测试表明，科罗拉多土豆甲虫和玉米根虫在高剂量暴露下可以发展出对RNA的抗性。因此，合理使用RNA农药对于保持其长期有效性至关重要。

5、新细胞器硝化体的发现

研究人员在海洋藻类中发现了一种新型细胞器——“硝化体”，它能够将大气中的氮气固定并转化为氨，这是首次在真核生物中观察到这种能力。这一发现不仅揭示了细胞复杂进化的新维度，还为未来开发能够自给氮肥的作物提供了可能性。

通过DNA研究，科学家们确定“硝化体”大约在1亿年前由海洋藻类与固氮蓝细菌之间的共生关系演化而来。随着时间的推移，蓝细菌失去了部分基因和生化功能，依赖于宿主藻类生存，并按照其生命周期进行繁殖。这种共生关系类似于叶绿体和线粒体的形成过程。

另外，研究人员还在硅藻中发现了类似的固氮结构，这些硅藻大约在3500万年前开始与固氮蓝细菌共生，但尚未完全整合为细胞器。此外，今年还发现了一种含有与豆科植物根瘤菌远亲的固氮蓝细菌的硅藻，这为进一步理解固氮机制及其应用于农作物提供了线索。

6、新型磁性材料的发现

物理学家发现了一种新型的永久磁性材料——“交替磁体”。与传统的铁磁体和反铁磁体不同，交替磁体中相邻电子的自旋方向相反，但在更深层次上展现出类似于铁磁体的特性，这导致其净磁性为零的同时，打破了时间反转对称性。

根据理论模型，铁磁体中未配对电子在同一方向自旋，产生整体磁性；反铁磁体中相邻电子自旋方向相反，无整体磁性。而“交替磁体”则融合了两者的特性，其费米表面在时间反转后发生可检测的变化。实验上，多个研究团队已经在锰碲化物和铬锑化物等材料中观测到了这种独特的磁性行为。

“交替磁体”可能用于制造超高速磁开关，有望在电子学领域带来革命性的变化。

7、早期真核生物的多细胞结构很早就已出现

今年年初，中国科学家在华北燕山地区发现了约16亿年前的微化石，这些化石揭示了早期真核生物可能已经发展出简单的多细胞形态。这一发现比之前认为的时间提前了约10亿年。

这些化石被命名为“Qingshania magnifica”，它们由多达20个圆柱形细胞组成的链状结构，具有类似植物的相邻细胞壁。部分化石中还发现了类似孢子的小球体，这表明这些多细胞丝状体可能具备专门的生殖结构。

通过化学分析排除了这些化石是蓝细菌的可能性，进一步确认它们属于一种丝状绿藻，类似于现代的一些绿藻种类。

结合近期的研究，类似的古老多细胞真核生物化石也在印度、加拿大和澳大利亚被发现，表明这种早期多细胞形式在当时可能是普遍存在的。

8、地幔波对大陆地形的影响

长期以来，科学家们普遍认为只有裂谷带附近的局部区域会在板块构造导致的大陆分裂时受到影响，而远离裂谷的大陆内部则相对保持稳定。

最新的研究却发现，在大陆分裂过程中产生的地幔波动能够对整个大陆的地形产生影响。当地幔物质上升并与冷的大陆板块发生摩擦时，会形成漩涡状的对流电流，这些电流沿着大陆底部流动，类似于船底下的湍流。

这些地幔波动能够解释一些位于古老大陆内部的高原地貌，例如巴西高地和印度的西高止山脉。随着地幔波动的通过，较重的岩石被移除，留下轻质岩石，从而使地面抬升1到2公里，形成高原。地幔波动还可能引发特殊的火山喷发，如金伯利岩，并可能导致侵蚀加剧、海洋灭绝事件以及地震活动增加。这表明大陆与地幔之间的相互作用比以前认为的更加动态和复杂。

9、“星舰”着陆成功

SpaceX的“星舰”作为全球最大的可重复使用运载工具，在今年进行了多次飞行测试。其中最引人注目的是10月13日的助推器回收，火箭以超音速从空中降落，通过重新点燃部分引擎减速，并最终被发射塔的机械臂成功捕获。

这次成功的回收不仅标志着可重复使用重型运载火箭时代的开启，而且有望显著降低太空探索的成本。SpaceX的创始人埃隆·马斯克期望通过这项技术将进入轨道的成本降至现有水平的十分之一，甚至更低，从而使火星殖民等宏伟目标变得更加可行。

科学家们也将从更频繁和经济的太空任务中获益。例如，未来可以发射更多的火星探测车或组建比哈勃望远镜更大、功能更强的空间望远镜。此外，这种技术还可能促使NASA放弃昂贵的太空发射系统（SLS），转而采用更具成本效益的解决方案，推动空间科学更快、更好、更经济地发展。

10、远古DNA揭示家族关系

随着古代DNA提取技术和分析成本的降低，研究人员现在能够重建数千年前的人类家族树，揭示古代社会的家庭结构和社会组织模式。

通过对古代骨骼和牙齿中的DNA进行分析，科学家们揭示了远距离亲属关系，例如一对生活在5000年前的欧亚草原上的五代旁系亲属，尽管他们相距1500公里。另一个例子是两位生活在超过4万年前的早期现代欧洲女性，尽管她们去世时相隔数百公里，但属于同一个大家族。

结合考古学信息，DNA数据帮助揭示了一些古代社会的社会组织形式。例如，对德国南部凯尔特酋长的研究表明，2500年前的权力继承方式是母系传承；而对石器时代欧洲农民的研究则显示男系的重要性。这些发现为理解古代社会提供了新的视角，使我们能够更清晰地看到遥远过去的人类联系。

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