2024 年度科学突破全景洞察：开启人类知识新征程

作者黄湘红段跃初

在科学发展的漫漫长河中，每一年都有无数科研成果如繁星般闪烁，而《科学》杂志评选出的年度十大科学突破，则宛如夜空中最为璀璨的星座，引领我们探索未知、洞察自然的奥秘。这些突破不仅代表了人类智慧的巅峰，更深刻地影响着我们的生活、认知以及对未来的展望。

一、长效 HIV 预防针剂——抗击艾滋的希望之光

艾滋病毒（HIV）自被发现以来，一直是全球公共卫生领域的重大挑战。尽管多年来预防和治疗手段不断进步，但每年仍有大量新感染病例出现，疫苗的研发也历经波折。然而，2024 年在这一领域取得了重大突破——长效 HIV 预防针剂的出现。

这种创新的注射用药物 lenacapavir 展现出了惊人的预防效果。在针对非洲青少年女孩和年轻女性的大型疗效试验中，它将艾滋病毒感染率降至零，这一成果令人震惊且振奋。随后在四大洲进行的类似试验也进一步证实了其有效性，在与男性发生性关系的性别多样化人群中，达到了 99.9%的有效性，有力地消除了此前人们对该药物的质疑。

lenacapavir 的成功源于基础研究的重大突破，尤其是对其靶向的 HIV 衣壳蛋白结构与功能的全新深入理解。它与在病毒 RNA 周围形成保护锥的衣壳蛋白相互作用，通过多种机制阻断病毒的感染进程。其独特的作用方式为开发对抗其他病毒性疾病的药物提供了宝贵的借鉴经验。

从艾滋治疗的发展历程来看，早期感染意味着严重的消瘦、免疫系统受损以及高死亡率。1996 年“鸡尾酒疗法”的出现延缓了艾滋病的发展，2011 年“治疗即预防”理念的提出也推动了防控工作的进步。如今，lenacapavir 作为暴露前预防（PrEP）药物，有望进一步降低全球感染率。不过，其广泛应用仍面临一些挑战，如药物的获取、交付以及公众的接受度等问题，需要全球各方共同努力来克服，以充分发挥其在终结艾滋流行中的巨大潜力。

二、利用免疫细胞治疗自身免疫疾病——自身免疫疾病治疗的新曙光

狼疮、硬皮病、多发性硬化症等自身免疫疾病长期困扰着患者，现有的免疫抑制药物治疗效果有限且副作用较大。2024 年，嵌合抗原受体 T 细胞（CAR-T）疗法为这些患者带来了新的希望。

CAR-T 疗法大约 15 年前首次应用于血液肿瘤治疗，并于 2013 年成为《科学》杂志年度科学突破之一。今年，它在自身免疫疾病治疗领域迈出了重要一步。医生从患者白细胞中分离出 T 细胞，进行基因工程改造后回输到患者体内，旨在靶向并破坏 B 细胞。因为 B 细胞在自身免疫疾病中会释放有毒的自身抗体攻击人体组织。

德国研究人员报道了 15 名狼疮、硬皮病或肌炎患者的临床结果，8 名狼疮患者进入无药物缓解状态，其他人症状也有所改善且减少了免疫抑制剂的使用。此外，在重症肌无力和僵人综合征等疾病的治疗中也取得了成功案例。目前，研究人员正在深入探究工程化 T 细胞的作用机制以及副作用情况，为进一步优化治疗方案奠定基础。虽然 CAR-T 疗法在自身免疫疾病治疗中还处于发展阶段，但它已经展现出了巨大的潜力，有望为众多自身免疫疾病患者带来更有效的治疗选择，改善他们的生活质量和预后。

三、詹姆斯·韦伯空间望远镜探测宇宙起源——追溯宇宙诞生的神秘之光

美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）自 2022 年投入使用以来，不断为我们揭示宇宙的奥秘。2024 年，对其观测数据的深入研究让我们对宇宙起源有了更深刻的认识。

JWST 是有史以来最强大的太空望远镜之一，专为研究宇宙最初的几十亿年而设计。它捕获到的微弱红光比以往任何仪器都多，在最初的观测中就发现了比预期更多的宇宙初始候选星系。这些星系的亮度和特性引发了科学家们对星系演化理论的重新思考。

通过光谱学分析，研究人员发现早期星系含有大量气体、尘埃和重元素，这表明宇宙之初的环境能够使巨大的恒星快速形成。同时，活跃的大质量黑洞也可能是早期星系光辉的来源之一。JWST 的观测结果为我们理解宇宙早期的演化过程提供了关键线索，帮助我们拼凑出宇宙诞生初期的神秘画卷，进一步拓展了人类对宇宙起源和演化的认知边界，激发了更多关于宇宙奥秘的探索热情和研究方向。

四、RNA 杀虫剂用于农田——农业害虫防治的精准之剑

传统杀虫剂在消灭害虫的同时，往往会对非目标生物造成伤害，引发环境和生态问题。2024 年，美国国家环境保护局批准的基于 RNA 的杀虫喷雾剂为农业害虫防治带来了新的精准解决方案。

以针对马铃薯叶甲的 Calantha 为例，它由 GreenLight Biosciences 公司发明，通过干扰甲虫特有的基因来发挥作用。当幼虫咀嚼喷洒过该药物的叶子时，RNA 杀虫剂会阻断关键蛋白的表达，导致幼虫在几天内死亡。这种机制利用了 RNA 干扰（RNAi）这一自然过程，即细胞调节基因表达和抵御病毒的方式。

在 2007 年发现双链 RNA 可以杀死昆虫后，研究人员不断探索将 RNAi 应用于害虫防治领域。如今，除了马铃薯叶甲，转基因玉米也已上市，可通过自身产生的 RNA 杀死玉米根虫，同时还有针对瓦螨等害虫的 RNA 杀虫剂正在研发中。然而，RNA 杀虫剂也面临一些挑战，如鳞翅目昆虫肠道酶对 RNA 的破坏以及害虫对 RNA 产生抗性的风险等问题。但总体而言，RNA 杀虫剂的出现为农业害虫防治提供了更精准、更环保的选择，有望在保障农作物产量的同时，减少对生态环境的负面影响。

五、固氮细胞器的发现增添了进化论的转折点——生物进化研究的新里程碑

长期以来，人们认为只有某些细菌能够“固定”大气中的氮，为植物提供可利用的氨。然而，2024 年硝基体（nitroplast）的发现打破了这一认知局限，揭示了真核生物在氮循环中的新角色。

DNA 研究表明，硝基体大约在 1 亿年前由海藻和固氮蓝细菌之间的共生产生。藻类细胞吸收蓝细菌后，两者逐渐形成共生关系，蓝细菌成为内共生细胞器之一。这一发现与叶绿体和线粒体的起源故事相似，进一步丰富了我们对细胞复杂性进化的理解。

研究人员还通过对硅藻内固氮结构的研究，揭示了硝基体前体的形成过程。硅藻化石显示，它们在约 3500 万年前开始寄生固氮蓝藻细菌，这代表了硝基体进化的早期阶段。这一发现为未来农作物实现自给自足的肥料供应提供了潜在的研究方向，有望通过利用硝基体的固氮机制，减少农业对化肥的依赖，降低生产成本和环境污染，同时也为生物进化理论的发展开辟了新的道路，促使科学家们重新审视和完善对细胞进化历程的认识。

六、一种新磁性的发现——磁性材料研究的新维度

在物理学领域，磁性材料一直是研究的热点之一。近百年来，物理学家已知存在铁磁体和反铁磁体两种永磁体，而 2024 年交错磁体（altermagnet）的发现为磁性材料家族增添了新成员。

交错磁体兼具铁磁体和反铁磁体的特点。在铁磁体中，相邻原子上的未配对电子自旋方向相同，使其表现出磁性；反铁磁体中相邻电子自旋方向相反，整体无磁性。而交错磁体中，相邻电子自旋方向相反保证零净磁性，但在深层次上又具有类似铁磁体的性质。

理论家通过想象时间倒流时电子费米面的变化来区分这三种磁性。在反铁磁体中，自旋“向上”和“向下”的电子费米面重合，具有时间反演对称性；铁磁体中自旋“向上”电子多于“向下”电子，费米面位置改变，存在时间反演对称破缺；交错磁体中上下自旋电子数量相等，但由于材料结构特点，费米面更为复杂，也导致了对称性破缺。今年多个研究团队通过测量费米面，在碲化锰和锑化铬等材料中观察到了这种独特的现象。

交错磁体的发现有望实现电子设备中超快磁开关的功能，为电子技术的发展提供了新的材料基础和技术可能性，可能推动电子设备向更小型化、高效化和高速化方向发展，进一步改变我们的生活和科技应用场景，如在计算机存储、通信技术等领域带来全新的突破和变革。

七、古代真核生物的多细胞性很早就出现了——生命演化历史的新认知

长期以来，科学家们认为真核生物在以单细胞形式存在约 10 亿年后，才逐渐发展出多细胞形态，这一转变为复杂生物体的演化奠定了基础。然而，2024 年初来自中国的微小藻类化石研究颠覆了这一传统观点。

这些 16 亿年前的化石表明，简单的多细胞真核生物出现的时间远远早于先前的估计。研究人员对中国燕山串岭沟组中的“壮丽青山藻”（Qingshania magnifica）进行了详细分析，显微镜下观察到化石由多达 20 个圆柱形细胞组成，部分化石含有类似孢子的小球体，表明其具有专门的生殖结构。化学测试排除了这些化石为石化蓝藻的可能性，确定其为丝状绿藻，属于真核生物。

结合在印度、加拿大和澳大利亚等地发现的类似年龄的化石证据，这一系列发现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。尽管从这些原始的多细胞真核生物发展到如今高度复杂的生物体经历了漫长的过程，但这一发现无疑改写了我们对生命演化早期历史的认知，促使科学家们重新思考真核生物演化的路径和机制，为深入研究生命起源和进化提供了新的线索和方向。

八、地幔波动能影响大陆轮廓的形成——地球板块构造理论的新拓展

板块构造理论长期以来解释了地球大陆的运动和演化，但 2024 年的研究为这一理论增添了新的内涵——地幔波动对大陆轮廓的形成具有重要影响。

今年 8 月发表在《自然》杂志上的研究指出，当裂谷形成时，上涌的地幔物质与冷的大陆板块接触，会引发旋转的岩石对流，形成地幔波。这些地幔波以缓慢的速度沿着大陆基底移动，产生多种地质效应。例如，它们可以解释一些位于古老、寒冷大陆内部的高原的形成，如巴西高原和印度的西高止山脉。地幔波经过时，会剥离基底上的重质岩石，留下轻质岩石上升形成高原。

此外，地幔波还能创造适合特定岩浆形成的条件，引发金伯利岩爆发将钻石带到地表，同时也可能与板块中心的地震活动以及海洋生物灭绝事件相关。这一发现表明大陆与地幔之间的互动远比以往认为的更加活跃和复杂，为地球科学研究提供了新的视角和研究方向，有助于我们更全面地理解地球内部的动力学过程以及大陆的演化历史，进一步完善地球板块构造理论体系，对地质勘探、资源开发和自然灾害预测等领域具有重要的指导意义。

九、“星舰”着陆成功实现“筷子夹住火箭”——太空探索成本革命的新起点

在太空探索领域，火箭的可重复使用一直是降低成本、实现可持续发展的关键目标。2024 年，SpaceX 公司的“星舰”助推器成功着陆，标志着太空探索成本可负担的新时代的到来。

“星舰”是世界上最巨型、最强大的火箭之一，其助推器在 10 月 13 日的着陆过程令人瞩目。助推器以超音速从高空下降，通过重启部分发动机将速度降至几乎静止的悬停状态，然后由发射塔的机械臂精准捕获，实现了“筷子夹住火箭”的壮举。

这一技术突破的关键在于助推器和上级火箭的回收与快速再利用。SpaceX 公司此前通过部分可重复使用的猎鹰 9 号和猎鹰重型运载火箭，已经在降低太空运输成本方面取得了显著成效。而“星舰”的完全可重复使用预计将进一步大幅降低成本，使得太空探索更加经济可行，包括将人类送上火星等长期以来的梦想变得更加接近现实。

此外，这一突破也将为科学家们带来更多的机会和便利。由于可以使用低成本的现成组件制造仪器并频繁发射，科学家们能够开展更广泛的太空研究项目，如部署一群协同工作的火星探测器或建造更大的太空望远镜等，从而推动太空科学的快速发展，为人类对宇宙的探索开辟更广阔的前景，加速人类迈向太空的步伐，提升我们对宇宙的认知和利用能力。

十、远古 DNA 揭示家族纽带——人类历史研究的新视角

从古代骨骼和牙齿中提取的 DNA 一直是研究人类历史的重要工具，2024 年，这一领域的研究取得了新的突破——通过远古 DNA 揭示了几千年前人们的家族纽带。

随着古代 DNA 提取技术的改进和分析成本的下降，研究人员能够对更多的古代基因组进行研究。过去，研究主要集中在概述种群趋势，但现在，通过分析不同人共有的“血统相同”片段，研究人员可以估测两人的亲缘关系，甚至重建家谱。

研究人员利用这一技术，在包含数千个古代基因组的数据库中发现了遥远的远亲关系，例如在欧亚大陆草原上相距 1500 公里的五级亲属。在单个地点的研究中，对来自单个墓地的数百人进行测序，并结合考古信息，如骨骼年龄、埋葬位置和附近亲属的遗传关系，遗传学家和考古学家共同重建了长达八代的家谱。

通过了解遗传亲缘关系，我们能够揭示过去社会的一些信息，如社会组织形式、人口迁徙和文化传承等，这些信息是单纯依靠考古学难以获得的。例如，在德国南部凯尔特酋长的研究中，发现该地区在 2500 年前存在母系制社会组织形式；而对石器时代欧洲农民的亲属关系分析则表明父系是主流社会形式。这一领域的研究将随着样本数量的增加而不断深入，为我们揭示更加清晰和详细的人类历史画卷，帮助我们更好地理解人类社会的发展脉络和文化传承机制。

2024 年度的这些科学突破涵盖了医学、生物学、物理学、天文学、地球科学、太空探索和人类历史等多个领域，每一项突破都代表了人类在探索自然和自身奥秘道路上的重要一步。它们不仅解决了当前面临的一些关键问题，还为未来的研究和发展指明了方向，激发了更多的创新思维和探索热情。这些突破的影响将深远地渗透到我们生活的各个方面，推动人类社会不断向前发展，开启一个更加智慧、健康和繁荣的未来。我们期待着在未来的日子里，科学家们能够继续在各个领域取得更多的突破，为人类的进步和发展做出更大的贡献，让我们对世界的认识更加深入、全面和精准，共同迈向一个充满无限可能的新时代。