《科學》發(fā)布2024年十大科學突破

《科學》發(fā)布2024年十大科學突破

來源：中國科學報

12月12日，《科學》發(fā)布編輯團隊評選的2024年度十大科學突破，包括長效人類免疫缺陷病毒（HIV）預(yù)防針劑等10項成果。

長效HIV預(yù)防針劑試驗成功

長效HIV預(yù)防針劑試驗成功

雖然人類在努力控制HIV新發(fā)感染，但由于有效的疫苗尚未問世，加之相關(guān)藥物價格昂貴，每年仍有100多萬人感染HIV。今年，一種具有創(chuàng)新機制的注射用HIV藥物——來那卡帕韋（Lenacapavir）展現(xiàn)出顯著的預(yù)防效果，每次注射可提供6個月有效保護。《科學》認為，艾滋病逐步從一種顛覆社會的疾病轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N罕見病癥。

來那卡帕韋是一種暴露前預(yù)防藥物，由美國吉利德科學公司研發(fā)。2024年6月，一項針對非洲5000多名青少年女性的大型療效試驗報告稱，來那卡帕韋實現(xiàn)了100%的有效保護，將HIV感染率降至0。3個月后，一項在南美洲、亞洲、非洲和美國進行的類似試驗進一步證實了這一效果。結(jié)果顯示，在與男性發(fā)生性關(guān)系的性別多樣化人群中，該藥物有效性達99.9%。

《科學》認為，該藥物的成功源于基礎(chǔ)研究的重大突破，即對其所靶向的HIV衣殼蛋白的結(jié)構(gòu)與功能有了全新的深入理解。鑒于許多其他病毒也擁有各自的衣殼蛋白，這些蛋白圍繞著遺傳物質(zhì)形成保護層，因此來那卡帕韋的成功應(yīng)用意味著，類似的衣殼抑制劑有望對抗其他病毒性疾病。

預(yù)計監(jiān)管部門最早到2025年中期才會批準來那卡帕韋，其價格尚未公布，因此能否加速終結(jié)艾滋病的流行尚未可知。美國國家過敏和傳染病研究所所長Jeanne Marrazzo提醒，來那卡帕韋不能替代疫苗。真正的疫苗應(yīng)該可以為每一個人接種，并且價格低廉，只須注射幾針即可提供持續(xù)多年的保護。

免疫細胞治療自身免疫性疾病

自身免疫性疾病的特點是免疫系統(tǒng)攻擊健康的身體組織，免疫抑制藥物在阻止疾病進程方面效果有限，甚至還可能產(chǎn)生副作用。今年的研究顯示，嵌合抗原受體T細胞（CAR-T）療法在重癥患者中療效顯著，開啟了自身免疫疾病治療的新篇章。

CAR-T療法在大約15年前首次作為血液腫瘤治療方法出現(xiàn)，是一種完全不同的疾病治療方法。醫(yī)生從患者的白細胞中分離出免疫系統(tǒng)的“哨兵”——T細胞，對其進行基因改造，再將它們回輸給患者，從而尋找并破壞B細胞。B細胞是某些白血病和淋巴瘤的根源。在自身免疫性疾病中，B細胞通過釋放有毒的抗體攻擊關(guān)節(jié)和內(nèi)臟。

今年2月，德國研究人員報道了15名狼瘡、硬皮病或損傷性肌炎患者的臨床研究結(jié)果。這些患者在4~29個月之前接受了CAR-T治療。所有8名狼瘡患者均進入無藥物緩解狀態(tài)；其他患者仍有癥狀，但都不再需要使用免疫抑制劑。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡探測宇宙起源

詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）專為研究宇宙最初的幾十億年而設(shè)計。自2021年底發(fā)射升空后，JWST發(fā)現(xiàn)的宇宙最早期明亮星系比預(yù)期的多1000倍。根據(jù)這些星系不同尋常的亮度，研究人員估計其中一些是與銀河系大小相仿的“龐然大物”。在目前的星系演化理論下，無法解釋為何它們能夠如此迅速地生長。

研究人員將遠古光波按照波長分類進行光譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)早期星系含有大量氣體和塵埃，包括碳、氧等元素。這些元素只能在更早期的恒星內(nèi)部形成，恒星死亡后以超新星的形式發(fā)生爆炸，廣泛散播星際物質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)表明，宇宙誕生之初的環(huán)境能夠快速形成巨大的恒星。

農(nóng)業(yè)用RNA殺蟲劑上市

一般殺蟲劑在消滅害蟲的同時可能對非目標生物造成傷害。今年，美國國家環(huán)境保護局批準了一種基于RNA的殺蟲噴霧劑，后者可針對特定害蟲的基因進行精準設(shè)計。

當害蟲咀嚼RNA殺蟲劑噴灑過的葉子時，其體內(nèi)一種關(guān)鍵蛋白的表達被阻斷，從而在幾天內(nèi)死亡。這種機制被稱為RNA干擾（RNAi），是大多數(shù)細胞用來調(diào)節(jié)基因表達和保護自身免受病毒侵害的自然過程。這種方法比現(xiàn)有化學殺蟲劑更安全、更有效。

今年批準上市的首個RNA殺蟲劑針對的是馬鈴薯葉甲。這種甲蟲已經(jīng)對現(xiàn)有化學藥劑產(chǎn)生了抗藥性，每年在全球范圍內(nèi)造成5億美元的農(nóng)作物損失。實驗室測試顯示，如果暴露于足夠高的劑量下，馬鈴薯葉甲可以進化出對RNA的抗性。至于在自然環(huán)境中馬鈴薯葉甲是否會很快產(chǎn)生抗性目前尚不清楚。

除了甲蟲，研究人員還針對小菜蛾、草地貪夜蛾等破壞性極高的蛾類研發(fā)殺蟲劑。但鱗翅目動物的腸道酶很容易在RNA傷害它們之前將其破壞，因此將RNA包裹在一個微小保護殼內(nèi)的殺蟲劑設(shè)計成為熱門研究方向。

固氮細胞器改寫教科書

空氣中78%是氮氣，但植物并不能直接利用這些氮元素。某些細菌能夠固定大氣中的氮，將其轉(zhuǎn)化為植物可利用的氨，用于合成蛋白質(zhì)及其他分子。此前，尚未發(fā)現(xiàn)任何真核生物具備這種能力。今年，一項改寫教科書的發(fā)現(xiàn)誕生了——美國科學家發(fā)現(xiàn)了第一種固氮真核生物“硝基體”。這是海藻細胞中獨特的固氮結(jié)構(gòu)。

DNA研究表明，這種新發(fā)現(xiàn)的細胞器大約在1億年前因海藻和固氮藍細菌的共生而產(chǎn)生。藻類細胞吸收了這些細菌，使其失去基因和生化能力，只能依賴藻類生存，跟隨藻類的時間周期繁殖。這使它們成了為數(shù)不多的已知內(nèi)共生細胞器之一。

該發(fā)現(xiàn)有助促進植物的基因改造，設(shè)計出能夠自行固氮的農(nóng)作物，從而提高作物產(chǎn)量，減少對氮肥的需求。

新磁性的發(fā)現(xiàn)

一直以來，鐵磁性和反鐵磁性被認為是材料的兩種主要磁序。2019年，研究人員預(yù)測存在第三種磁性類型，即交變磁性，兼具鐵磁性和反鐵磁性兩者的特性。今年，科學家首次觀測證實了交變磁性的存在。他們通過測量費米面，在碲化錳和銻化鉻等材料中觀察到上述現(xiàn)象。交變磁體既具有反鐵磁體的穩(wěn)定性和快速自旋翻轉(zhuǎn)的速度，又可以像鐵磁體一樣輕易進入不同狀態(tài)，通過在不同方向施加電流即可控制。

研究人員表示，產(chǎn)生交變磁性的交變磁體可用于制造高容量快速存儲設(shè)備或新型磁性計算機。

最早多細胞真核生物的發(fā)現(xiàn)

今年初，《科學進展》報道了中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所科研團隊在華北燕山地區(qū)16.3億年前地層中發(fā)現(xiàn)的多細胞真核生物化石，將多細胞真核生物出現(xiàn)的時間提前了7000萬年。

當今地球上大部分的復(fù)雜生命，如動物、植物、真菌等均是多細胞真核生物。真核生物的多細胞化是生命向復(fù)雜化和大型化演化的必要條件。但學術(shù)界一直有個疑問：真核生物最早是何時發(fā)生多細胞化的？過去研究人員一直認為，真核生物最初以單個細胞的形式存在了約10億年，隨后才逐漸形成細胞鏈。然而，這項新發(fā)現(xiàn)表明，簡單的多細胞真核生物早就存在。

《科學》指出，早在幾十年前，在中國燕山發(fā)現(xiàn)的“壯麗青山藻”同樣擁有16億年的歷史，但由于研究發(fā)表在一本不太知名的期刊上，并未引發(fā)廣泛關(guān)注。2015年，中國古生物學家重返該地區(qū)，又發(fā)現(xiàn)了278個壯麗青山藻標本，并對其進行了詳細分析。此次研究觀察到的化石由多達20個圓柱形細胞組成，類似于植物中的細胞壁。部分化石中還含有類似孢子的小球體，這表明多細胞絲具有專門的生殖結(jié)構(gòu)。

上述研究結(jié)果結(jié)合最近在其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)的類似年齡的生物化石證據(jù)表明，真核生物向多細胞演化的第一步可能發(fā)生在更早的時間點。

地幔波動能影響大陸輪廓形成

板塊構(gòu)造對大陸的撕裂，緩慢但激烈。過去，研究人員認為這一過程具有高度局部性：沿裂谷帶上涌的熱地幔巖石產(chǎn)生巖漿，而遠離裂谷帶的大陸內(nèi)部則保持寒冷且相對穩(wěn)定。然而，今年發(fā)表的一項研究顛覆了這一傳統(tǒng)觀點，指出這種局部的劇烈活動實際上在地幔中引發(fā)了擴展的波動，進而影響整個大陸的地貌。

這篇今年8月發(fā)表于《自然》的研究提出，當裂谷形成時，上涌的地幔物質(zhì)與冷的大陸板塊接觸，導致旋轉(zhuǎn)的巖石對流。這些旋渦狀的對流以極慢的速度沿大陸基底移動，類似船底的湍流，在對流上方造成多種地質(zhì)效應(yīng)。這一理論可以解釋一些位于古老、寒冷大陸內(nèi)部的高原，如南美的巴西高原、印度的西高止山脈的形成。這些波動在經(jīng)過時剝離了基底上的重質(zhì)巖石，留下輕質(zhì)巖石，后者隨后上升1~2千米，形成高原。

地幔波引起的隆起還可以解釋某些時期的侵蝕加劇以及隨之而來的海洋生物滅絕事件，同時也可能是板塊中心地震活動的一個觸發(fā)因素。這表明，大陸與地幔之間的互動遠比地球科學家之前所認為的活躍。

“星艦”實現(xiàn)“筷子夾火箭”

今年，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“星艦”在33個引擎的強勁推力下轟鳴著升空了4次，最終在10月13日的發(fā)射中成功實現(xiàn)“筷子夾火箭”——助推器以超音速從高空下降，通過重啟部分發(fā)動機減速至幾乎靜止的懸停狀態(tài)，由發(fā)射塔的機械臂將其精準捕獲。

SpaceX已通過部分可重復(fù)使用的運載火箭，將貨物送入軌道的成本降低到以前的1/10。而一艘完全可重復(fù)使用的星際飛船預(yù)計可將成本再降低一個數(shù)量級。技術(shù)關(guān)鍵在于助推器以及上級火箭的回收與快速再利用。《科學》認為，這次成功實現(xiàn)“筷子夾火箭”有望大幅降低太空科學研究成本，標志著成本可負擔的重型火箭新時代的到來。

DNA幫助古人重建家譜

從古代人類骨骼和牙齒中提取的DNA為了解遠古的人口流動、傳染病演變和史前飲食提供了見解。今年，大量研究為幾千年前去世的人們重建家譜，反映了古DNA提取技術(shù)的進步和分析成本的下降。

過去，古DNA研究的對象為分散的個體。隨著古代人類基因組數(shù)量呈指數(shù)級增長，研究人員已經(jīng)能夠通過研究不同人共有的遺傳信息片段，推斷兩個人的親緣關(guān)系。通過添加考古信息，例如骨骼年齡、墓地位置或埋在附近親屬的遺傳關(guān)系，遺傳學家和考古學家共同重建了八代家譜。

這揭示了許多古代社會信息，僅靠考古學永遠無法得到答案。例如，將德國南部凱爾特酋長的DNA數(shù)據(jù)與他們墓地的細節(jié)相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)2500年前，該地區(qū)最有權(quán)勢的男性是通過母親繼承權(quán)力的，顯示了母系社會的組織形式。而對石器時代歐洲農(nóng)民的親屬關(guān)系分析表明，父系是主流社會形式。隨著研究人員對更多個體進行樣本測定，遙遠的親屬關(guān)系將更加明朗。（陳歡歡）

《中國科學報》 (2024-12-16 第2版 國際)