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。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上午的時間里連接相距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存著多余的能量，更多的能量則儲存在山頂水庫中。當(dāng)能源充裕時，水庫會被抽滿水；需要發(fā)電時，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，也打造了一個價值近1800億美元的出口產(chǎn)業(yè)（預(yù)計到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性化基因編輯治療的患者。這一壯舉有望為針對攜帶獨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)險較高的肝移植手術(shù)。

圖片來源：費城兒童醫(yī)院

KJ出生后不久，研究人員便爭分奪秒地研發(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拼寫錯誤。在細(xì)胞和實驗動物身上測試了這種定制的堿基編輯器后，研究團(tuán)隊于2月份獲準(zhǔn)為6個月大的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。 研究人員計劃對用于治療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，包括高昂的費用以及基因編輯安全性方面揮之不去的疑慮。

03

對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)。這是幾十年來對抗這種性傳播疾病的首批新武器，而此時現(xiàn)有療法卻屢屢失效。

淋病每年影響超過8000萬人，不僅會導(dǎo)致疼痛、陰道分泌物和出血，還會引發(fā)嚴(yán)重的并發(fā)癥，包括女性盆腔炎和男女不孕。它還會增加患者感染艾滋病毒的風(fēng)險，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期臨床試驗結(jié)果，該藥物的研發(fā)資金來自美國生物醫(yī)學(xué)高級研究與發(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。吉泊他辛是首個獲批的新型抗生素，其靶點是兩種對細(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。一項在五個國家開展的3期臨床試驗于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顯著優(yōu)勢：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)連接通常會減緩腫瘤的生長，甚至使其縮小。破壞這些連接還會擾亂癌細(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·魯賓天文臺將持續(xù)不斷地掃視整個天空。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天空，持續(xù)十年。屆時，它每晚將發(fā)出數(shù)百萬條警報：指示某個天體發(fā)生了移動、變化或突然出現(xiàn)。一年后，魯賓天文臺收集的光學(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（相當(dāng)于45個滿月的大?。﹥?nèi)生成無畸變圖像；以及一臺汽車大小的相機(jī)，可以在幾秒鐘內(nèi)拍攝出32億像素的圖像。光纖會將每張圖像從帕瓊山頂快速傳輸?shù)郊永Ｄ醽喼?，那里的計算機(jī)集群將對圖像進(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。每晚都會收到1000萬條警報，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)的各個領(lǐng)域。這座天文臺將使我們太陽系中已知天體的數(shù)量成倍增長——如果運氣好的話，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，一個被稱為“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別其他丹尼索瓦人。發(fā)現(xiàn)更多個體或許有助于解決一個長期存在的爭論：這些神秘的古人類是智人的一個亞種，還是一個獨立的物種？

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)測器AlphaFold2，徹底顛覆了人們對人工智能（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。當(dāng)時很少有人想到，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，這種觀點正在發(fā)生翻天覆地的變化。今年，它們在眾多科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了堪比博士級別的卓越能力。

在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，DeepMind 利用其 Gemini LLM 的升級版在國際數(shù)學(xué)奧林匹克競賽（全球最艱難的高中數(shù)學(xué)競賽）上斬獲金牌——這一成就曾被 2021 年的預(yù)測人士預(yù)測要到 2043 年才能實現(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次實驗就確定了一種此前未曾報道的復(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)周才能完成的實驗室試驗。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)此前耗費了研究人員數(shù)年時間。

并非所有實驗都取得了成功。在雄心勃勃的Agents4Science大會上，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審。然而，此次大會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。

08

計算機(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，一項長期實驗報告稱，與之前的預(yù)測相反，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規(guī)范理論的技術(shù)，從零開始精確計算出μ子的磁性。

圖片來自費米實驗室

μ子是電子的較重且不穩(wěn)定的“表親”。由于量子不確定性，一些粒子會在μ子周圍的真空中來回穿梭，從而賦予μ子的磁性一個微小的增強(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)測有所不同。2001年，一項名為“μ子g-2”的美國實驗表明，μ子的磁性比預(yù)測值強(qiáng)約4ppb。

做出這樣的預(yù)測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，因為它們通過所謂的強(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，一個名為“μ子g-2理論計劃”的合作項目利用粒子對撞機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，以估算虛夸克和虛膠子對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

過去一個世紀(jì)以來，用動物器官移植治愈人類的嘗試，一直受到炒作和有時令人質(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個月，直到10月份衰竭，僅比此前異種移植存活時間最長的紀(jì)錄少了幾天。（此前的紀(jì)錄是1964年用一個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)對象。）一個僅經(jīng)過6個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經(jīng)過10項基因改造的器官創(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，這是獲得監(jiān)管部門批準(zhǔn)的必要步驟。可以說，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的現(xiàn)實。

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，但悶熱的夜晚卻會帶來嚴(yán)重的危害，因為高溫會加速呼吸作用——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)隊在中國一些異常炎熱的地區(qū)種植了533個水稻品種。通過對表現(xiàn)最佳的水稻品種進(jìn)行雜交，他們發(fā)現(xiàn)12號染色體上有一個關(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的一個變體或等位基因，該基因會被激活，導(dǎo)致淀粉分子排列錯亂。研究團(tuán)隊在4月份發(fā)表于《細(xì)胞》（ Cell）雜志上的報告指出，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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