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《科學(xué)》發(fā)布2024年十大科學(xué)突破
2024/12/16 10:55 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 閱讀：8521
12月12日,，《科學(xué)》發(fā)布編輯團(tuán)隊(duì)評(píng)選的2024年度十大科學(xué)突破,，包括長(zhǎng)效人類免疫缺陷病毒（HIV）預(yù)防針劑等10項(xiàng)成果。
長(zhǎng)效HIV預(yù)防針劑試驗(yàn)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(wèn)世,，加之相關(guān)藥物價(jià)格昂貴,，每年仍有100多萬(wàn)人感染HIV。今年,，一種具有創(chuàng)新機(jī)制的注射用HIV藥物——來(lái)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(gè)月有效保護(hù)?！犊茖W(xué)》認(rèn)為,，艾滋病逐步從一種顛覆社會(huì)的疾病轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N罕見病癥。
來(lái)那卡帕韋是一種暴露前預(yù)防藥物,，由美國(guó)吉利德科學(xué)公司研發(fā),。2024年6月，一項(xiàng)針對(duì)非洲5000多名青少年女性的大型療效試驗(yàn)報(bào)告稱,，來(lái)那卡帕韋實(shí)現(xiàn)了100%的有效保護(hù),，將HIV感染率降至0。3個(gè)月后,，一項(xiàng)在南美洲,、亞洲、非洲和美國(guó)進(jìn)行的類似試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)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(dá)99.9%,。
《科學(xué)》認(rèn)為,，該藥物的成功源于基礎(chǔ)研究的重大突破，即對(duì)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(hù)層，因此來(lái)那卡帕韋的成功應(yīng)用意味著,，類似的衣殼抑制劑有望對(duì)抗其他病毒性疾病,。
預(yù)計(jì)監(jiān)管部門最早到2025年中期才會(huì)批準(zhǔn)來(lái)那卡帕韋，其價(jià)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(guó)國(guó)家過(guò)敏和傳染病研究所所長(zhǎng)Jeanne Marrazzo提醒,，來(lái)那卡帕韋不能替代疫苗。真正的疫苗應(yīng)該可以為每一個(gè)人接種,，并且價(jià)格低廉,，只須注射幾針即可提供持續(xù)多年的保護(hù)。
免疫細(xì)胞治療自身免疫性疾病
自身免疫性疾病的特點(diǎn)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(jìn)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(xì)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(xì)胞中分離出免疫系統(tǒng)的“哨兵”——T細(xì)胞，對(duì)其進(jìn)行基因改造,，再將它們回輸給患者,，從而尋找并破壞B細(xì)胞。B細(xì)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(xì)胞通過(guò)釋放有毒的抗體攻擊關(guān)節(jié)和內(nèi)臟。
今年2月,，德國(guó)研究人員報(bào)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(gè)月之前接受了CAR-T治療,。所有8名狼瘡患者均進(jìn)入無(wú)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(yuǎn)鏡探測(cè)宇宙起源
詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）專為研究宇宙最初的幾十億年而設(shè)計(jì),。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(jì)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(wú)法解釋為何它們能夠如此迅速地生長(zhǎng),。
研究人員將遠(yuǎn)古光波按照波長(zhǎng)分類進(jìn)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(shí)可能對(duì)非目標(biāo)生物造成傷害。今年,，美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局批準(zhǔn)了一種基于RNA的殺蟲噴霧劑,，后者可針對(duì)特定害蟲的基因進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
當(dāng)害蟲咀嚼RNA殺蟲劑噴灑過(guò)的葉子時(shí),，其體內(nèi)一種關(guān)鍵蛋白的表達(dá)被阻斷,，從而在幾天內(nèi)死亡。這種機(jī)制被稱為RNA干擾（RNAi）,，是大多數(shù)細(xì)胞用來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)和保護(hù)自身免受病毒侵害的自然過(guò)程,。這種方法比現(xiàn)有化學(xué)殺蟲劑更安全、更有效,。
今年批準(zhǔn)上市的首個(gè)RNA殺蟲劑針對(duì)的是馬鈴薯葉甲,。這種甲蟲已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有化學(xué)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示,，如果暴露于足夠高的劑量下，馬鈴薯葉甲可以進(jìn)化出對(duì)RNA的抗性,。至于在自然環(huán)境中馬鈴薯葉甲是否會(huì)很快產(chǎn)生抗性目前尚不清楚,。
除了甲蟲，研究人員還針對(duì)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(dòng)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(gè)微小保護(hù)殼內(nèi)的殺蟲劑設(shè)計(jì)成為熱門研究方向,。
固氮細(xì)胞器改寫教科書
空氣中78%是氮?dú)?，但植物并不能直接利用這些氮元素。某些細(xì)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(xiàng)改寫教科書的發(fā)現(xiàn)誕生了——美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一種固氮真核生物“硝基體”,。這是海藻細(xì)胞中獨(dú)特的固氮結(jié)構(gòu),。
DNA研究表明,，這種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞器大約在1億年前因海藻和固氮藍(lán)細(xì)菌的共生而產(chǎn)生。藻類細(xì)胞吸收了這些細(xì)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(shí)間周期繁殖,。這使它們成了為數(shù)不多的已知內(nèi)共生細(xì)胞器之一,。
該發(fā)現(xiàn)有助促進(jìn)植物的基因改造，設(shè)計(jì)出能夠自行固氮的農(nóng)作物,，從而提高作物產(chǎn)量,，減少對(duì)氮肥的需求。
新磁性的發(fā)現(xiàn)
一直以來(lái),，鐵磁性和反鐵磁性被認(rèn)為是材料的兩種主要磁序,。2019年，研究人員預(yù)測(cè)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(xué)家首次觀測(cè)證實(shí)了交變磁性的存在,。他們通過(guò)測(cè)量費(fèi)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(jìn)入不同狀態(tài)，通過(guò)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(chǔ)設(shè)備或新型磁性計(jì)算機(jī)。
最早多細(xì)胞真核生物的發(fā)現(xiàn)
今年初,，《科學(xué)進(jìn)展》報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所科研團(tuán)隊(duì)在華北燕山地區(qū)16.3億年前地層中發(fā)現(xiàn)的多細(xì)胞真核生物化石,，將多細(xì)胞真核生物出現(xiàn)的時(shí)間提前了7000萬(wàn)年。
當(dāng)今地球上大部分的復(fù)雜生命,，如動(dòng)物,、植物、真菌等均是多細(xì)胞真核生物,。真核生物的多細(xì)胞化是生命向復(fù)雜化和大型化演化的必要條件,。但學(xué)術(shù)界一直有個(gè)疑問(wèn)：真核生物最早是何時(shí)發(fā)生多細(xì)胞化的？過(guò)去研究人員一直認(rèn)為,，真核生物最初以單個(gè)細(xì)胞的形式存在了約10億年,，隨后才逐漸形成細(xì)胞鏈。然而,，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)表明,，簡(jiǎn)單的多細(xì)胞真核生物早就存在,。
《科學(xué)》指出，早在幾十年前,，在中國(guó)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(guó)古生物學(xué)家重返該地區(qū),，又發(fā)現(xiàn)了278個(gè)壯麗青山藻標(biāo)本,，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析。此次研究觀察到的化石由多達(dá)20個(gè)圓柱形細(xì)胞組成,，類似于植物中的細(xì)胞壁,。部分化石中還含有類似孢子的小球體，這表明多細(xì)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(xì)胞演化的第一步可能發(fā)生在更早的時(shí)間點(diǎn)。
地幔波動(dòng)能影響大陸輪廓形成
板塊構(gòu)造對(duì)大陸的撕裂,，緩慢但激烈,。過(guò)去，研究人員認(rèn)為這一過(guò)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(yuǎn)離裂谷帶的大陸內(nèi)部則保持寒冷且相對(duì)穩(wěn)定,。然而，今年發(fā)表的一項(xiàng)研究顛覆了這一傳統(tǒng)觀點(diǎn),，指出這種局部的劇烈活動(dòng)實(shí)際上在地幔中引發(fā)了擴(kuò)展的波動(dòng),，進(jìn)而影響整個(gè)大陸的地貌。
這篇今年8月發(fā)表于《自然》的研究提出,，當(dāng)裂谷形成時(shí),，上涌的地幔物質(zhì)與冷的大陸板塊接觸，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)的巖石對(duì)流,。這些旋渦狀的對(duì)流以極慢的速度沿大陸基底移動(dòng),，類似船底的湍流，在對(duì)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(dòng)在經(jīng)過(guò)時(shí)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(shí)期的侵蝕加劇以及隨之而來(lái)的海洋生物滅絕事件，同時(shí)也可能是板塊中心地震活動(dòng)的一個(gè)觸發(fā)因素,。這表明,，大陸與地幔之間的互動(dòng)遠(yuǎn)比地球科學(xué)家之前所認(rèn)為的活躍。
“星艦”實(shí)現(xiàn)“筷子夾火箭”
今年,，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“星艦”在33個(gè)引擎的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)“筷子夾火箭”——助推器以超音速?gòu)母呖障陆担ㄟ^(guò)重啟部分發(fā)動(dòng)機(jī)減速至幾乎靜止的懸停狀態(tài),，由發(fā)射塔的機(jī)械臂將其精準(zhǔn)捕獲,。
SpaceX已通過(guò)部分可重復(fù)使用的運(yùn)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(jì)可將成本再降低一個(gè)數(shù)量級(jí),。技術(shù)關(guān)鍵在于助推器以及上級(jí)火箭的回收與快速再利用?！犊茖W(xué)》認(rèn)為,，這次成功實(shí)現(xiàn)“筷子夾火箭”有望大幅降低太空科學(xué)研究成本，標(biāo)志著成本可負(fù)擔(dān)的重型火箭新時(shí)代的到來(lái),。
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(yuǎn)古的人口流動(dòng),、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(jìn)步和分析成本的下降。
過(guò)去,，古DNA研究的對(duì)象為分散的個(gè)體,。隨著古代人類基因組數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，研究人員已經(jīng)能夠通過(guò)研究不同人共有的遺傳信息片段,，推斷兩個(gè)人的親緣關(guān)系,。通過(guò)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(xué)家和考古學(xué)家共同重建了八代家譜。
這揭示了許多古代社會(huì)信息,，僅靠考古學(xué)永遠(yuǎn)無(wú)法得到答案,。例如，將德國(guó)南部凱爾特酋長(zhǎng)的DNA數(shù)據(jù)與他們墓地的細(xì)節(jié)相結(jié)合,，可以發(fā)現(xiàn)2500年前,，該地區(qū)最有權(quán)勢(shì)的男性是通過(guò)母親繼承權(quán)力的，顯示了母系社會(huì)的組織形式,。而對(duì)石器時(shí)代歐洲農(nóng)民的親屬關(guān)系分析表明,，父系是主流社會(huì)形式,。隨著研究人員對(duì)更多個(gè)體進(jìn)行樣本測(cè)定，遙遠(yuǎn)的親屬關(guān)系將更加明朗,。 （陳歡歡）