12月13日，《科学》（Science）公布了2024年度十大科学突破。
1.“长效HIV预防针剂”为突破之首。今年6月，一项针对非洲青少年女孩和年轻女性的大型试验报告称，药物lenacapavir（来那卡帕韦，由吉列德开发）作为暴露前预防（PrEP）使用，能将艾滋病毒感染率降至零，具有100%的有效性，且一次注射可提供长达6个月的保护。3个月后，另一项在四大洲进行的类似试验再次证实这一效果。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。lenacapavir被列为突破之首的另一关键原因是，其显示了研究者对lenacapavir所靶向的HIV衣壳蛋白的结构与功能的全新和深入理解。
2.利用免疫细胞治疗自身免疫疾病：今年，嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）疗法在自身免疫疾病重症患者中产生了显著改善。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接受了CAR-T疗法，其中8名狼疮患者均进入到无药物缓解状态。在重症肌无力和僵人综合征中，已有30多名患者得到成功治疗。据《自然》公布的2024十大人物中，中国人民解放军海军军医大学的内科医生徐沪济利用CAR-T疗法，成功治疗了毁灭性的风湿免疫性疾病。
3.韦伯空间望远镜（JWST）探测宇宙起源：今年，JWST对古老星系光谱的详细研究，初步揭示了宇宙初始候选星系为何异常明亮。一种推测是这些星系并不像推断的那么大，只是非常明亮。另一个假设是早期宇宙中充斥着黑洞，它们在吞噬星际物质时，会伴随着剧烈的爆炸，产生明亮的可观测信号。JWST的结果表明，这两个过程或都发挥了作用。更早的恒星很早便死亡，以超新星的形式爆发，推动星际物质的散布。这些发现表明，宇宙早期或提供了大质量恒星快速形成的环境。
4.RNA杀虫剂用于农田：今年，美国国家环境保护局（EPA）批准了一种基于RNA的杀虫喷雾剂Calantha，用于针对甲虫的基因进行了精准杀灭 。当甲虫幼虫咀嚼其喷洒过的叶子时，这种杀虫剂会通过RNA干扰（RNAi）的方式，会阻断幼虫体内一种关键蛋白的表达，让它们在几天内死亡。不过还需要合理地使用这种杀虫剂，避免害虫的适应性演化。
5.固氮细胞器的发现增添了进化论的转折点：今年，科学家在在海藻Braarudosphaera bigelowii中发现了一种新的细胞器，即硝基体。DNA研究表明，这种新细胞器大约在1亿年前由海藻和固氮蓝细菌之间的共生产生。固氮蓝细菌在被藻类吸收后，失去了足够的基因和生化能力，需要依赖藻类生存并跟随藻类的时间周期繁殖。该发现不仅揭示了我们对细胞复杂性进化的认知尚存不足，也显示农作物或许能通过获取硝基体，实现自给自足。
6.一种新磁性的发现：已知存在两种磁体，如今物理学家发现了第三种。在铁磁体中，相邻原子上的未配对电子自旋方向相同，使材料表现出磁性，能带结构存在时间反演对称破缺；而在反铁磁体中，相邻的电子自旋方向相反，整体上不显示磁性，能带结构保持时间反演对称。而5年前提出的新型交错磁体（altermagnet）兼具上述两种磁体的特点。这种磁体中相邻的电子自旋方向相反，表现出与反铁磁体一致的净零磁性，但在微观层面上，这种材料的能带结构表现出与铁磁体相似的时间反演对称性破却。今年，多个研究团队发现了材料中这种独特的特性。潜在的大量交变磁体的发现有望实现电子设备中超快磁开关的功能。
7.古代真核生物的多细胞性很早就出现了：今年初，中国古生物学家在《科学·进展》（Science Advances）发表了一项研究，显示在距今16亿年前的地层中发现了“壮丽青山藻”（Qingshania magnifica）。对化石的观察显示，这些藻类由多达20个圆柱形细胞组成，类似于植物中的细胞壁，具有链状结构。结合最近在印度、加拿大和澳大利亚发现的类似年龄的简单多细胞真核生物化石，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，而不是之前认为的10亿年前。
8.地幔波动能影响大陆轮廓的形成：当板块构造的力量撕裂大陆时，这是一个极其剧烈的过程，尽管进展速度缓慢。这一过程在过去被认为具有高度局部性。不过，今年8月发表于《自然》的一项研究表明，这种局部的剧烈活动实际上在地幔中引发了扩展的波动，进而影响了整个大陆的地貌，这对板块构造理论进行了重要补充。研究者认为，地幔波可以解释一些位于古老、寒冷大陆内部的高原的形成。
9.“星舰”着陆成功实现“筷子夹住火箭”：10月13日，“星舰”助推器的成功着陆引人注目：助推器以超音速从高空下降，通过重启部分发动机将其速度降至几乎静止的悬停状态，并由发射塔的机械臂将其精准捕获。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.远古DNA揭示家族纽带：随着古代人类基因组的数量呈指数级增长，研究人员不仅能够从古代骨骼和牙齿中提取的DNA，了解很久以前的人口流动、传染病演变和史前饮食，还能为几千年前去世的人们重建家谱。通过研究不同人共有的同一遗传密码片段（称为“血统相同”片段），研究人员可以估测出两个人的亲缘关系有多密切，结合考古信息，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已能共同重建了长达八代的家谱。（公众号“ScienceAAAS”）
SGR 1935+2154是唯一探测到X射线脉冲辐射、快速射电暴（FRB），继而出现相位稳定射电脉冲发射的磁星，刷新了人们对磁星辐射的认识。银河系磁星FRB到射电脉冲星相的转换特性也成为理解FRB辐射机制的切入点。近日，国际天文学期刊《天体物理学报增刊》（The Astrophysical Journal Supplement Series）发表由国家天文台领导的国际团队，通过FAST“快速射电暴（FRB）的搜寻和多波段观测”优先重大项目开展的研究工作。
研究团队仔细分析了FAST在2020年10-11月对SGR 1935+2154长期监测数据，结合NICER和SWIFT高时间分辨率X射线观测数据，发现X射线硬度比的双分支行为与射电辐射活动性密切相关，在射电脉冲相出现时间窗口内X射线流量、硬度比存在系统性增强。综合观测结果，研究团队提出“星震-FRB-磁扭结恢复-射电脉冲辐射”解释：磁星星震产生FRB触发条件并导致辐射区磁力线扭结，磁层磁力线在数月解扭过程中形成相干条件产生射电脉冲辐射的同时，电子沿磁力线回流磁星表面轰击形成热斑，导致X射线能谱同步硬化。这一物理图像为磁星FRB以及射电脉冲延迟出现提供了统一解释，并推测部分FRB重复暴与磁星射电辐射可能源于相似物理过程。这一工作是深入理解磁星辐射供能切换机制及FRB可能起源的重要进展。（中国科学院国家天文台）
迄今最古老的现代人基因组揭示4.5万年前人类与尼安德特人的混血
现代人类在45000多年前抵达欧洲，与尼安德特人的重叠时间至少有5000年。欧洲至少曾居住着两个遗传学上迥异的早期现代人类群体，这两个群体的代表分别是来自保加利亚Bacho Kiro洞穴的个体，和来自捷克的一位名叫Zlatý kůň的女性。Zlatý kůň来自最早从走出非洲的一系人类中分化出来的人群，对她的分析显示他们和尼安德特人只有一次混血事件；但来自Bacho Kiro洞穴的古人类的祖源分析则显示他们有两次混血事件。
12月12日，《自然》发表的一项研究对欧洲早期现代人已知最古老的基因组进行了分析，这些古老人类生活在约4.5万年前，分析结果有助于为尼安德特人和现代人的混血时间提供一个更精确的日期。研究人员通过对德国拉尼斯Ilsenhöhle遗址的骨骼碎片进行放射性碳定年分析，发现在约41000年至49500年前，中欧和南欧就出现了早期现代人。他们分析了从距今45000年的拉尼斯骨骼碎片中分离出来的一个高覆盖基因组和五个低覆盖基因组，以及Zlatý kůň的高覆盖基因组，发现该基因组与两个拉尼斯人有五级或六级遗传关系。这些结果表明，这些个体属于同一族群，而该族群是已知最早从走出非洲一系分离出来的族群。研究人员还发现，这六个拉尼斯人之间存在近亲关系，并确定了一对母女关系，表明该群体属于一个没有在现代人群中留下后代的小规模人群。
研究表明，拉尼斯人有约2.9%的尼安德特人血统，这源于所有非非洲个体中常见的一次混血事件。研究人员将这一事件追溯至大约45000年至49000年前（比拉尼斯人生活的时间早80代左右）。这一发现表明，所有目前经过测序的非非洲人的祖先曾在这一时期生活在同一人群中，而50000多年前生活在非洲以外的个体则代表了不同的非非洲人族群。这些发现为早期现代人和最早走出非洲的人类的人口构成，提供了新见解。这些结果可能还有助于确定与其他已灭绝古人类（如丹尼索瓦人）的混血时间。
图片来源：Yinming Shao / Penn State
2008和2009年有多个研究团队提出了理论预测，存在一种奇特的准粒子半狄拉克费米子，它的质量与运动方向有关。但过去十几年来，实验物理学家始终未能直接观测到这种粒子。最近，在一项发表于《物理评论X》（Physical Review X）的研究中，科学家在半金属材料ZrSiS晶体中首次观测到了一组准粒子，表现出半狄拉克费米子的特征。
通过磁光光谱技术，研究人员在强磁场和极低温条件下使用红外光研究了ZrSiS晶体内部的量子行为，他们观测到了很多符合半金属晶体预期的特征，同时也发现了一些意想不到的现象：朗道能级跃迁的能量遵循完全不同于此前依赖磁场强度的模式。实验显示，这些准粒子就像在轨道网络上运动一样，在某些轨道无质量，以光速运动，而在交叉点切换轨道时，表现出质量。交叉点处的行为正是半狄拉克费米子的典型特征。研究人员表示，ZrSiS是一种与石墨烯有些相似的层状材料，如果未来可以实现像石墨烯一样的单层剥离技术，他们或许能更好地观察和理解半狄拉克费米子的特性，并推动电池、传感器等一系列技术的发展。（Penn State University）
12月12日，《自然·医学》（Nature Medicine）发表年度特写，介绍了未来一年里可能对医学产生影响的11项临床试验。心理健康在今年的榜单上占据了重要地位，包括一项临床试验利用一个手机工具包，来帮助中低收入国家（如肯尼亚）的青少年自我评估心理健康需求，并与同龄人建立联系，而研究人员则想了解这一群体中暴力行为的根本原因。另一个独立研究组正在临床测试不同方式来使用大麻二酚（CBD）产物（一种大麻植物的提取物）治疗精神疾病，临床试验于11个国家的30处地点进行，共有1000名参与者。
女性健康也是榜单重点关注的领域。一个人工智能聊天机器人被设计用于协助女性进行宫颈癌筛查，研究结果表明该工具的用户普遍对它感到满意，且认为该工具能快速解答她们的问题。这项试验预计将于2025年完成。研究人员还在研究一种不同于当前主流“一刀切”方法的乳腺癌筛查方法来筛查这一疾病。正在进行的临床试验纳入了6个国家的53000名女性，其中一半人通过DNA测试表明存在乳腺癌风险。
在人类营养方面，美国国立卫生研究院资助的“精准健康营养项目”中，研究人员将对8000名成人的饮食、遗传、微生物组、生活方式习惯以及健康史进行分类分析，尝试预测不同饮食模式如何影响这些人。同时，一个名为ALIMUS的项目将研究随着气候变化导致土壤养分减少的情况下，如何帮助一些国家的家庭蔬菜种植来填补营养缺口。
此外备受关注的还有 PSMAddition试验，这项试验旨在研究在1126名患者中使用镥-177（一种含有放射性物质的药物）治疗前列腺癌。在一项已完成的试验中，西非布基纳法索的1200名居民参与了研究，使用覆盖高反射性材料的屋顶（称为“凉爽屋顶”）来降低室内温度，作为极端高温的解决方案。同时，Beacon试验正在评估一种被称为“碱基编辑”的新型基因疗法，该疗法将编辑严重镰状细胞病患者体内的造血干细胞。虽然试验中有一名患者在治疗期间死亡，但没有证据表明这是由碱基编辑过程所致，目前试验仍在继续进行。《自然·医学》的高级编辑Ben Johnson表示，这个榜单反映出世界在2025年面临的那些令人担忧的健康挑战，以及旨在治疗肥胖、癌症、营养不良、精神健康不佳和极端高温影响的新疗法和新技术。
