Breakthrough

of The Year

2024年度十大科学突破

每一年，《科学》杂志的编辑团队都会评选出年度十大科学突破，其中包括一项科学突破冠军奖以及九项科学突破入围奖。它们是这一年中最重大的科学发现、科学进展和趋势。

让我们一起来揭晓2024年度的十大科学突破榜单吧！

2024科学突破之首：

长效HIV预防针剂

Jon Cohen

药物lenacapavir（黄色）与HIV的衣壳蛋白结合，防止衣壳锥穿过孔进入人体细胞核

一种创新机制的注射用HIV药物展现出显著的预防感染效果

“并不是每天都能看到这样的数据”，AVAC的负责人Mitchell Warren说。AVAC是一个非营利组织，全称为艾滋病疫苗倡导联盟（AIDS Vaccine Advocacy Coalition），如今已将PrEP作为其核心关注领域之一。

然而，存在一个问题：lenacapavir的溶解度较低，导致其在人体内的吸收较为困难。但是当吉利德的研究团队成功开发出该分子的可注射形式时，这一缺点反而转化为其显著优势，极大地延长了药物的作用时间。

其他9项Science年度科学突破分别为：

利用免疫细胞治疗自身免疫疾病

Jennifer Couzin-Frankel

狼疮、硬皮病、多发性硬化症和其他自身免疫疾病都是由免疫系统发生危害引起的，免疫系统会攻击一个人自身的健康组织。现有的治疗方法（如免疫抑制药物）可能会有所帮助，但它们并不总是能阻止疾病的进展，并且可能会产生使人衰弱的副作用。今年，一种新方法，即嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）疗法，在重症患者中产生了显着的改善，开启了自身免疫疾病治疗的新篇章。

CAR-T疗法在大约15年前首次作为血液肿瘤治疗方法出现，并且是2013年《科学》杂志年度科学突破之一。这是一种完全不同的疾病治疗方法：医生从患者的白细胞中分离出T细胞，即免疫系统的哨兵。然后，他们对这些细胞进行基因工程改造——通常目的是寻找和破坏B细胞（免疫系统的另一个组成部分）——并将它们回输给患者。肿瘤B细胞是某些白血病和淋巴瘤的根源，CAR-T疗法可以消除它们。B细胞还在自身免疫疾病中作恶，特别是通过释放有毒的自身抗体攻击关节、肺、肾脏等。今年，出现了大量新的临床试验，以测试CAR-T疗法对自身免疫疾病中B细胞的效力。

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的临床结果。这些患者都在4-29个月之前接受了CAR-T治疗。所有8名狼疮患者均进入到无药物缓解状态；其他一些人仍然有症状，但都放弃了免疫抑制剂。其他已发表的成功案例也出现在重症肌无力和僵人综合征中，这是一种痛苦且致残的神经系统疾病。到目前为止，已有30多名患者得到成功治疗。研究人员在理解工程化T细胞为何如此有效方面也取得了进展，例如，他们发现了在其他治疗方法难以到达的组织（如患者的淋巴结）中，B细胞的深度耗竭。

目前还有很多工作要做。科学家们仍在努力了解免疫过度反应等严重副作用的发生频率，以及完全缓解的常见程度和持续时间。

嵌合抗原受体T细胞（CAR-T，粉红色）接近并破坏B细胞。今年，CAR-T疗法在对抗狼疮等自身免疫疾病方面跨出了一大步

N. Burgess/Science

詹姆斯·韦伯空间望远镜探测宇宙起源

Adam Mann

那些令人眼花缭乱的星系在时间之始都发生了什么？自从美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）天文台在2022年2月睁开它巨大的眼睛以来，这架太空望远镜发现的宇宙最早时期的明亮星系，比人们理论预测认为的要更多。今年，对星系远古光波的详细研究已经开始解释可能发生的事情。

JWST是有史以来规模最大和功能最强大的太空望远镜，也是《科学》杂志评选的2022年度科学突破，专为研究宇宙最初的几十亿年而设计，其捕获的微弱红光比以前的仪器更多。在最初的几个月里，该望远镜观察到的宇宙初始候选星系可能比预期的多1000倍。根据它们不同寻常的亮度，研究人员估计其中一些是银河系大小的庞然大物，在目前的星系演化理论下，无法解释为何它们能够如此迅速地生长。

其他光谱学研究指出，活跃的大质量黑洞是早期光辉的来源。没有人能完全确定这样的巨兽是如此这般迅速地出现：在现代宇宙中，黑洞被认为是在一颗大质量恒星度过其生命并坍缩后形成的。但一些理论认为，在宇宙非常早期，巨大的物质块而非恒星，可能在自身重量的作用下迅速坍缩，成为产生这些巨大黑洞的起源。

被遥远的早期星群红光笼罩——JWST最早的图像之一

NASA; ESA; CSA; STScI

RNA杀虫剂用于农田

Erik Stokstad

在2007年发现双链RNA可以穿过昆虫的肠道内壁并有效杀死它们后，研究人员试图将RNAi变成对抗树皮甲虫、蚊子和其他昆虫的武器。

一种转基因玉米于2023年上市，该品种可以通过制造自己的RNA来杀死玉米根虫。GreenLight现在正开发另一种杀虫剂来杀死瓦螨，这是一种臭名昭著的蜂巢祸害。

昆虫和其他害虫因其对毒素抗性的快速进化而臭名昭著，研究人员想知道自然选择需要多长时间才能挫败RNA杀虫剂。实验室测试显示，如果暴露于足够高的剂量，马铃薯叶甲和玉米根虫可以进化出对RNA的抗性。就像所有试图挑战自然的发明一样，必须负责任地使用RNA杀虫剂以保持其有效性。

与目前的商业杀虫剂不同，基于RNA干扰的杀虫剂针对特定的害虫

Edwin Remsberg/VWPics via AP Images

固氮细胞器的发现增添了进化论的转折点

Elizabeth Pennisi

某些细菌能够“固定”大气中的氮，将其转化为植物可利用的氨，用于合成蛋白质及其他必需分子。但直到今年，尚未发现任何真核生物（即拥有复杂细胞结构的生物，如植物和动物）具备这种能力。随着硝基体（nitroplast）的发现，这种局面发生了变化，硝基体是海藻细胞中独特的固氮结构。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，也预示着未来通过获取硝基体，农作物或许能够实现自给自足的肥料供应。

DNA研究表明，这种新发现的细胞器大约在1亿年前由海藻和固氮蓝细菌之间的共生产生。藻类细胞吸收了这些细菌，这些细菌最终失去了足够的基因和生化能力，以至于它们依赖藻类生存，现在跟随藻类的时间周期繁殖。这使它们成为了为数不多的已知内共生细胞器之一——那些起源于曾经独立的微生物的细胞器，被整合到另一种生物的细胞中。叶绿体使植物能够将阳光转化为能量，而线粒体是所有真核细胞的内部动力源，它们有着相似的起源故事。

研究人员已经开始通过研究硅藻（二氧化硅包裹微小藻类）内的固氮结构，揭示细胞自身中如何形成硝基体前体。硅藻化石表明，它们最近才开始寄生固氮蓝藻细菌——大约3500万年前。这种细菌尚未将自己的任何基因整合到宿主细胞中，这代表硝基体进化的早期阶段，尚未整合为细胞器。

利用这些知识来改善农业并非易事。目前，农作物固氮来自肥料，或来自生活在豆类和其他豆类根部的共生固氮细菌。赋予更多作物自身氮源的线索可能来自今年的另一项发现：一种硅藻，其中藏着与豆科植物根部活跃细菌关系遥远的固氮细菌。了解这种伙伴关系的运作方式可以为农作物中引入硝基体指明方向。

在海藻Braarudosphaera bigelowii中发现了一种新的细胞器，即硝基体（圆形物体，右下角）

Tyler Coale

一种新磁性的发现

Adrian Cho

近百年来，物理学家已知存在两种永磁体，如今，他们发现了第三种。

在我们熟知的铁磁体中，相邻原子上的未配对电子以相同的方向自旋，使材料表现出磁性，比如，磁铁能够吸附在冰箱上；而在反铁磁体中，相邻的电子以相反的方向自旋，但整体上不显示磁性，例如铬。5年前提出的新型交错磁体（altermagnet）兼具上述两种磁体的特点。相邻的电子以相反的方式自旋，保证了零净磁性，同时在更深层次上，这种材料也表现出类似铁磁体的性质。今年，多个研究团队展示了这种独特的特性。

理论家通过想象如果时间倒流会发生什么来区分原有的两种磁性。他们设想，在晶体材料中，能量最高的电子占据了一个抽象空间中的三维“费米面”，其中费米面的坐标轴代表电子动量的分量。在反铁磁体中，自旋方向为“向上”的电子的费米面与“向下”自旋的电子的费米面完全重合。即使时间倒流导致自旋翻转，这些费米面看起来依然相同，保持了所谓的“时间反演对称性”。而在铁磁体中，自旋方向为“向上”的电子数量多于“向下”的电子，因此形成了一个较大的费米面包围一个小的费米面。当时间和自旋都反转时，费米面的位置会改变，这正是铁磁性的一个特征——时间反演对称破缺。

交错磁体中，上下自旋的电子数量相等，但由于材料自身的结构特点，上下自旋的电子的费米面更为复杂，同样导致了对称性的破缺。可以将这种情况想象成两个相同大小的椭圆以90°角相交。由于椭圆大小相同，材料整体上没有净磁性。然而，当时间和自旋都反转时，椭圆会交换方向，产生可检测的差异。尽管实验物理学家不能实际逆转时间，但今年多个研究小组通过测量费米面，观察到了碲化锰和锑化铬等材料中的分裂的现象。

潜在的大量交错磁体的发现有望实现电子设备中超快磁开关的功能。

在交错磁体中，相邻的电子自旋方向相反（颜色），但原子尺度结构中具有不同定向（形状）

Libor mejkal and Anna Birk Hellenes

古代真核生物的多细胞性很早就出现了

Elizabeth Pennisi

今年初，来自中国的微小藻类化石的年龄极其古老，令进化生物学家感到震惊。这些16亿年前的标本表明，复杂生命体的一个重要标志——多细胞体出现的时间远远早于先前的估计。

研究人员过去认为，真核生物（包括所有植物、动物和真菌在内的将DNA封装在细胞核内的生物）最初以单个细胞的形式存在了约10亿年，随后才逐渐形成细胞链。这一转变的发生为更复杂生物体的演化铺平了道路，而这些生物体在大约5.5亿年前开始大量出现。

然而，这项新发现揭示，简单的多细胞真核生物在更复杂的身体结构（包括无法直接接触外界环境的细胞）出现之前的约10亿年就已经存在。早在几十年前，中国燕山的串岭沟组中也发现了类似的化石，这些地层同样拥有16亿年的历史。其发现者将其命名为“壮丽青山藻”（Qingshania magnifica）。但由于该发现发表在一本不太知名的期刊上，因此并未引起广泛关注。2015年，中国的古生物学家重返该地区，在随后的几年里，他们又发现了278个壮丽青山藻标本，并对其进行了详细分析。

研究团队在今年1月的《科学·进展》（Science Advances）杂志报道称，显微镜下的观察显示，这些化石由多达20个圆柱形细胞组成，类似于植物中的细胞壁。部分化石中还含有类似孢子的小球体，这表明多细胞丝具有专门的生殖结构。化学测试排除了这些链状结构为石化蓝藻的可能性，因为蓝藻是非真核微生物，早在30多亿年前就开始形成简单的链状结构。相反，研究人员得出结论，壮丽青山藻最有可能是一种丝状绿藻，类似于今天存在的一些绿藻。

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。然而，从这些原始形态发展至现今的水母、红杉乃至人类所展现的高度复杂性生物体的这一过程则要缓慢得多。

这些微观化石的研究揭示，单细胞真核生物细胞的链接可能远早于先前的估计

Lanyun Miao et al./Chinese Academy of Sciences’s Nanjing Institute of Geology and Palaeontology

地幔波动能影响大陆轮廓的形成

Paul Voosen

当板块构造的力量撕裂大陆时，这是一个极其剧烈的过程，尽管其进展速度缓慢。这一过程在过去被认为具有高度局部性：沿裂谷带上涌的热地幔岩石产生岩浆，而远离裂谷带的大陆内部则保持寒冷且相对稳定。然而，今年的研究颠覆了这一传统观点，揭示了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。

今年8月发表在《自然》杂志上的一项研究表明，这种波动是对板块构造理论的重要补充。研究者们提出，当裂谷形成时，上涌的地幔物质与冷的大陆板块接触，导致了旋转的岩石对流。这些旋涡状的对流以极慢的速度沿着大陆的基底移动，类似于船底下的湍流。随着它们的滚动，这些对流在上方造成了多种地质效应。

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，如巴西的里约热内卢西北部的巴西高原或印度的西高止山脉。当这些波动经过时，它们会剥离基底上的重质岩石，留下轻质岩石，后者随后会上升1- 2千米，形成高原。

去年，《自然》杂志上发表的另一篇文章中，同一研究团队的许多成员进一步指出，地幔波还具有其他地质作用。通过对地幔的搅动，它们能够创造适合特定岩浆形成的条件，例如引发金伯利岩的爆发，将钻石带到地表。地幔波引起的隆起还可以解释某些时期的侵蚀加剧以及随之而来的海洋生物灭绝事件，同时也可能是板块中心地震活动的一个先前未被识别的触发因素。这表明，大陆与地幔之间的互动远比地球科学家之前所认为的更加活跃。

南非的中央高原可能就是由地幔岩石流动波推动抬升的结果

Laranik/Alamy Stock Photo

“星舰”着陆成功实现“筷子夹住火箭”

Eric Hand

今年，“星舰”这艘世界上最巨型、最强大的火箭，高达120米的不锈钢结构，在33个引擎的强劲推力下轰鸣着升空了四次。然而，10月13日，“星舰”助推器的成功着陆更为引人注目：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。

技术关键在于助推器以及上级火箭的回收与快速再利用。SpaceX公司已通过部分可重复使用的猎鹰9号和猎鹰重型运载火箭，将货物送入轨道的成本降低了大约10倍。一艘完全可重复使用的星际飞船预计将进一步将成本降低一个数量级。届时，将人类送上火星的梦想将不再遥不可及。

此外，科学家也将从中受益匪浅。今年6月，SpaceX的巨型星际飞船火箭在德克萨斯州进行了重要的飞行测试。存在着失败的风险，这是NASA任务成本高昂且耗时的原因之一，即需要进行多层次的严格测试。在常规的“星舰”飞行中，尽管风险仍然存在，但因为可以使用低成本的现成组件制造仪器，并频繁发射，科学家们将拥有更多机会。他们设想的不仅仅是单一的火星探测器，而是一群协同工作的火星探测器，或是一系列能够自主组装成远大于哈勃太空望远镜的反射镜碎片。在此之前，猎鹰9号已经引领了天基地球科学的革命，使得Planet和ICEYE等公司能够发射一系列低成本卫星，替代一次性、价值数十亿美元的大型卫星的功能。

今年6月，SpaceX的巨型星际飞船火箭在美国德克萨斯州进行了一次重大飞行测试

SpaceX via UPI/Alamy

远古DNA揭示家族纽带

Andrew Curry

从古代骨骼和牙齿中提取的DNA为了解很久以前的人口流动、传染病演变和史前饮食提供了见解。现在，它也揭示了家族秘密。在今年，大量的研究为几千年前去世的人们重建了家谱。

这些研究反映了古代DNA提取技术的改进和分析成本的下降。过去，古代DNA研究集中在空间和时间上广泛分散的个体，以概述种群趋势。但随着古代人类基因组的数量呈指数级增长，研究人员已经能够提出新的问题。

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，直到六级亲属关系。

将这项技术应用于包含数千个古代基因组的数据库，研究人员发现了遥远的远亲关系，例如一对五级亲属在5000年前埋藏在相距1500公里的欧亚大陆草原上。各个单一地点也会进行新项目的深入研究，有时会对来自单个墓地的数百人进行测序。

遗传信息只能揭示这么多——例如，二级亲属可能是祖母和孙女、阿姨和侄女或堂兄弟姐妹。但是，通过添加考古信息，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共同重建了长达八代的家谱。

了解遗传亲缘关系可以揭示过去社会的相关信息，而这些信息仅靠考古学永远无法得到答案。例如，将德国南部凯尔特酋长的DNA数据与他们墓地的细节相结合，可以发现2500年前，该地区最有权势的男性通过他们的母亲继承了他们的力量——一种被称为母系制的社会组织形式。与此同时，对石器时代欧洲农民的亲属关系分析表明，父系是主流社会形式。本周发表的一项研究发现，4万多年前第一批生活在欧洲的现代人中，有两名女性来自一个大家庭，尽管她们在临终前相距数百公里。

随着研究人员对更多个体进行样本测定，这类发现将变得更加普遍，并能使遥远过去的亲属关系更加明朗。

公元7世纪匈牙利，被埋在一匹马旁边的一名男性，现在拥有了一段家族历史

Institute of Archaeological Sciences/E?tv?s Loránd University Museum