中國 2 項研究入選！2024 年《科學》10 大年度科學突破揭曉
導讀
儘管幾十年來艾滋病防治工作取得了進展，但每年仍有 100 多萬人感染艾滋病毒，而疫苗仍遙不可及。今年全世界看到了可能成爲下一個最佳選擇的東西：一種注射藥物，每次注射後可保護患者 6 個月。
今年 6 月份，一項針對非洲青春期女孩和年輕女性的大規模療效試驗報告稱，這些疫苗將 HIV 感染率降至零，療效率高達 100%。3 個月後，一項橫跨四大洲的類似試驗報告稱，該疫苗對與男性發生性關係的性別多元化人羣的療效率高達 99.9%，人們對這一發現的任何懷疑都煙消雲散。
許多艾滋病研究人員現在希望，當將這種名爲 Lenacapavir 的藥物用作暴露前預防 (PrEP) 時，它將有力地降低全球感染率。「如果我們能正確使用，它就有潛力，這意味着要大幹一場，讓它普及開來，」 開普敦大學傳染病專家 Linda-Gail Bekker 說，她領導了該藥物製造商 Gilead Sciences 的兩項療效試驗之一。
但這並不是《科學》雜誌將萊那卡韋評爲 2024 年度突破的唯一原因。該藥物作爲 PrEP 取得的巨大成功源於一項基礎研究的進步：對 HIV 衣殼蛋白的結構和功能有了新的認識，而 Lenacapavir 正是針對該蛋白的。許多其他病毒都有自己的衣殼蛋白，這些蛋白在其遺傳物質周圍形成一個外殼，因此這種藥物的成功提出了類似的衣殼抑制劑可以對抗其他病毒性疾病的令人興奮的前景。
以上是《科學》雜誌其他 9 個年度突破介紹。接下來一一介紹。常春藤｜翻譯
01
釋放免疫細胞對抗自身免疫疾病
狼瘡、硬皮病、多發性硬化症和其他自身免疫性疾病都是由免疫系統不可靠導致的，免疫系統會攻擊人體自身的健康組織。現有的治療方法（如免疫抑制藥物）可以起到幫助作用，但它們並不總能阻止疾病進展，而且可能會產生嚴重的副作用。今年，一種新方法 —— 嵌合抗原受體 T 細胞 (CAR-T) 療法，在重症患者中取得了顯著的改善，這可能開啓了自身免疫性疾病治療的新篇章。
CAR-T 療法於近 15 年前首次作爲血癌療法出現（並於 2013 年被《科學》雜誌評爲年度重大突破）。這是一種完全不同的治療疾病的方法：醫生從患者的白細胞中分離出 T 細胞（免疫系統的哨兵）。然後，他們對這些細胞進行基因改造（通常用於尋找並摧毀免疫系統的另一個組成部分 B 細胞），並將其送回患者體內。癌性 B 細胞是某些白血病和淋巴瘤的根源，而 CAR-T 療法可以消滅它們。
B 細胞也在自身免疫中發揮作用，特別是通過釋放攻擊關節、肺、腎等部位的毒性自身抗體。今年出現了一系列新的臨牀試驗，以測試 CAR-T 療法對抗自身免疫性疾病中 B 細胞的效力。
今年 2 月，德國研究人員報告了 15 名患有狼瘡、硬皮病或肌肉損傷性疾病肌炎的患者的情況，這些患者均在 4 至 29 個月前接受過 CAR-T 療法，所有 8 名狼瘡患者均處於無藥物緩解期；其他一些患者仍有症狀，但都已停止使用免疫抑制劑。其他已發表的成功案例包括重症肌無力和僵人綜合徵（一種痛苦且致殘的神經系統疾病）。
有關 CAR-T 療法治療自身免疫疾病，來自中國的醫生徐滬濟今年也做出了重要工作。
迄今爲止，已有 30 多名患者得到成功治療。研究人員還在理解爲何工程化 T 細胞如此有效方面取得了進展 —— 例如，他們發現其他治療方法無法輕易到達的組織（如患者的淋巴結）中的 B 細胞深度耗竭，還有很多工作要做。科學家仍在努力瞭解免疫過度反應等嚴重副作用發生的頻率，以及完全緩解的發生頻率和持續時間。
02
詹姆斯 · 韋伯太空望遠鏡探索宇宙黎明
在時間的黎明，所有這些耀眼的星系都在做什麼？自美國宇航局的詹姆斯 · 韋伯太空望遠鏡於 2022 年 2 月開啓其巨大的觀測之眼以來，這架太空望遠鏡在宇宙早期發現了比理論家認爲的更多的明亮星系。今年，對這些星系古老光線的詳細研究已經開始解釋可能發生的事情。
JWST 是有史以來建造的最大、最強大的太空望遠鏡，它專門用於研究宇宙誕生後的大約 10 億年，比之前的儀器捕捉到更多的微弱紅光。在最初的幾個月裡，該望遠鏡在宇宙黎明時觀測到的星系候選者數量可能比預期多 1000 倍。根據它們不同尋常的亮度，研究人員估計其中一些是銀河系大小的龐然大物，根據目前的星系演化理論，它們不應該能夠如此迅速地生長。
一種可能性是，這些星系實際上並沒有推斷的那麼大，只是非常明亮。例如，如果早期宇宙中的恆星形成有利於質量比太陽大數十倍或數百倍的恆星，那麼包含這些恆星的星系可能會顯得異常明亮。另一種假設是，早期宇宙中充斥着黑洞，它們吞噬着星際物質庫，產生明亮的能量爆發，這可以解釋望遠鏡的發現。
JWST 的結果表明，這兩種過程都可能發揮着作用。光譜學將古老的光分解成其組成波長進行分析，表明早期星系含有大量氣體和塵埃，包括碳和氧等重元素。這些元素只能在更早的巨星腹部形成，這些巨星在年輕時就死亡了，爆炸成爲超新星，並將物質廣泛散射。研究結果表明，時間黎明時的條件使巨大的恆星能夠快速高效地成長。
其他光譜研究指出，巨大而活躍的黑洞是早期光輝的來源。沒有人確切知道這樣的野獸是如何如此迅速地出現的：在現代宇宙中，人們認爲黑洞是在一顆大質量恆星耗盡生命並坍縮後形成的。但一些理論認爲，在非常早期，巨大的物質團塊（而不是恆星）可能在自身重量的作用下迅速坍縮，形成了這些巨大黑洞形成的種子。
03
RNA 農藥進入田間
殺蟲劑可能是一種鈍器，在殺死害蟲的同時，也會殺死無辜的物種。今年，美國環境保護署 (EPA) 批准了一種解決方案：一種針對目標基因的 RNA 殺蟲劑噴霧。支持者認爲，這種新的精確方法將比現有化學品更安全，並且可以對許多害蟲起作用。第一種 RNA 殺蟲劑產品針對的是科羅拉多馬鈴薯甲蟲，這種甲蟲已經進化出對現有化學品的抗性，每年在世界各地造成 5 億美元的農作物損失。
Calantha 由 GreenLight Biosciences 公司發明，可以干擾甲蟲特有的基因。當幼蟲咀嚼被噴灑過的葉子時，RNA 會阻止一種關鍵蛋白質的表達，幼蟲會在幾天內死亡。這種機制被稱爲 RNA 干擾 (RNAi)，是大多數細胞用來調節基因表達和抵禦病毒的自然過程。
2007 年，研究人員發現雙鏈 RNA 可以穿過昆蟲的腸道內壁並有效殺死它們，此後他們試圖將 RNAi 變成一種對抗樹皮甲蟲、蚊子和其他昆蟲的武器。2023 年，一種轉基因玉米品種上市，這種玉米可以自行製造 RNA 來殺死玉米根蟲。GreenLight 目前正在開發另一種殺蟲劑來殺死臭名昭著的蜂巢禍害 —— 瓦蟎。
研究人員現在希望利用 RNAi 殺死飛蛾和其他所謂的鱗翅目昆蟲，其中包括一些最具破壞性的農作物害蟲，如小菜蛾和秋粘蟲。然而，與甲蟲不同，鱗翅目昆蟲的腸道酶可以很容易地在 RNA 傷害它們之前將其破壞。一種可能的答案是將 RNA 包裝在一個微小的保護殼內，這已成爲一個熱門的研究領域。
昆蟲和其他害蟲因能快速進化出對毒素的抗性而臭名昭著，研究人員已經開始懷疑自然選擇需要多長時間才能阻止 RNA 殺蟲劑。實驗室測試表明，如果暴露在足夠高的劑量下，科羅拉多馬鈴薯甲蟲和玉米根蟲可以進化出對 RNA 的抗性。與所有試圖挑戰自然的發明一樣，RNA 殺蟲劑必須負責任地使用才能保持其優勢。
04
細胞器的發現增加了進化的轉折
一些細菌可以完成這一壯舉，但直到今年，還沒有真核生物（具有複雜細胞的生物，如植物和動物）能夠 「 固定 」 大氣中的氮，將其轉化爲氨，植物可以利用氨來製造蛋白質和其他必需分子。隨着 「 硝化體 」 的發現，這種情況發生了改變。硝化體是海洋藻類細胞中獨特的固氮區室。除了表明我們對細胞複雜性的進化仍知之甚少之外，這一發現和相關工作還暗示了未來農作物可能擁有硝化體，從而使它們能夠自我受精。
DNA 研究表明，這種新發現的細胞器大約在 1 億年前由海洋藻類和固氮藍藻共同進化而來。藻類細胞吸收了這些細菌，而這些細菌最終失去了足夠的基因和生化能力，因此它們只能依靠藻類生存，現在則按照藻類的時間表進行繁殖。這使得它們成爲已知的少數內共生細胞器之一（這些細胞器起源於曾經獨立的微生物），並被整合到其他生物體的細胞中。葉綠體使植物能夠將陽光轉化爲能量，而線粒體是所有真核細胞的內部動力源，它們有着相似的起源故事。
研究人員開始通過研究硅藻（一種包裹二氧化硅的微小藻類）內的固氮結構來揭示硝化體前體如何在細胞中安家落戶。硅藻化石表明，它們開始寄生固氮藍藻的時間要晚得多 —— 大約 3500 萬年前。這些細菌還沒有將自己的任何基因轉移到宿主細胞中，這表明它們代表了硝化體進化的早期階段，尚未被整合爲細胞器。
利用這些知識來改善農業並非易事。目前，農作物從肥料或生活在豆類和其他豆科植物根部的共生固氮細菌中獲取固定氮。今年的另一項發現可能爲賦予更多農作物自己的氮源提供線索：一種硅藻中含有的固氮細菌與活躍在豆科植物根部的固氮細菌有遠親關係。瞭解這種合作關係如何發揮作用可以爲將硝化生物體植入農作物指明方向。
05
出現一種新型磁性
98 年來，物理學家只知道兩種永磁材料。現在，他們又發現了第三種。在我們熟悉的鐵磁體（例如鐵）中，相鄰原子上的未配對電子以相同方向旋轉，從而使材料磁化，例如，使其粘在冰箱上。鉻等反鐵磁體的整體磁性爲零，但它們擁有原子級磁性模式，相鄰電子以相反方向旋轉。5 年前假設的新型交變磁體兼具兩者的某些方面。相鄰電子以相反的方式旋轉，確保淨磁性爲零，但在更深層次上，這些材料也類似於鐵磁體。今年，多個小組證明了這種分裂人格。
在交流磁體中，相鄰電子以相反的方向（顏色）旋轉，但位於具有不同方向（形狀）的原子級結構中。
理論學家通過想象時間倒流會發生什麼來區分這兩種較老的磁性。他們設想晶體材料中能量最高的電子佔據抽象空間中的三維 「 費米麪 」，該空間的軸是電子動量的分量。在反鐵磁體中，旋轉的電子（比如說 「 向上 」）的費米麪恰好與旋轉的電子的費米麪相同。時間倒流會翻轉自旋。但重合的費米麪看起來仍然相同，保持了所謂的時間反轉對稱性。
在鐵磁體中，向上的電子數量多於向下的電子，並且向上的費米麪較大，向下的費米麪較小。時間反轉和自旋以及費米麪會改變位置，時間反轉對稱性會 「 破缺 」，而時間反轉對稱性曾是鐵磁體的標誌。
交替磁體具有相等數量的上下電子，但材料本身結構的特殊性導致上下電子的費米麪更爲複雜，從而也破壞了對稱性。想象兩個相同的橢圓以 90° 相交。由於橢圓大小相同，因此材料沒有淨磁性。但如果逆轉時間和自旋，橢圓就會交換方向，這是一種可檢測到的差異。當然，實驗物理學家無法逆轉時間，但今年多個小組測量了費米麪，並在碲化錳和銻化鉻等材料中看到了明顯的分裂。交替磁體可能數量衆多，可用於製造電子產品中的超快磁開關。
06
古代真核生物很早就出現了多細胞性
此類微觀化石表明，單細胞真核生物的出現時間比我們之前認爲的要早
今年早些時候報道的來自中國的微小藻類化石以其極高的年代震驚了進化生物學家。這些標本可追溯到 16 億年前，表明複雜生命的標誌之一 —— 多細胞生物 —— 的出現時間比之前認爲的要早得多。
研究人員過去認爲真核生物（包括所有植物、動物和真菌在內的 DNA 都集中於細胞核）首先以單細胞形式存在了 10 億年，然後才連接成細胞鏈。一旦發生這種情況，就爲身體更復雜的生物鋪平了道路，這些生物在大約 5.5 億年前大量繁殖。而這項新發現表明，簡單的多細胞真核生物的出現時間比更復雜的身體結構出現早 10 億年，其中包括無法直接接觸外部環境的細胞。
幾十年前，中國北方的串嶺溝組地層中也發現了類似的化石，該地層包含 16 億年前的地層。發現者將其命名爲青山樹屬（Qingshania magnifica）。但這一發現發表在一本鮮爲人知的期刊上，並未引起太多關注。2015 年，中國古生物學家重返該地區，在接下來的幾年裡，他們又發現並仔細分析了 278 份青山樹屬標本。
研究小組在 1 月份的《科學進展》雜誌上報告稱，在顯微鏡下觀察，這些化石由多達 20 個圓柱形細胞組成的串狀結構，相鄰的細胞壁與植物中的細胞壁相似。一些化石含有類似孢子的小球，這表明多細胞細絲具有專門的生殖結構。化學測試排除了這些鏈條是藍藻化石的可能性 —— 藍藻是一種非真核微生物，在 30 多億年前開始形成簡單的鏈條。相反，研究人員得出結論，Q. magnifica 很可能是一種絲狀綠藻，類似於現存的一些綠藻。
結合最近在印度、加拿大和澳大利亞發現的年齡相似的簡單多細胞真核生物，這些化石表明真核生物向多細胞性邁出了早期的一步，但走向我們今天在水母、紅杉和我們自己身上所見的複雜性的路徑要慢得多。
07
地幔波塑造了大陸
當板塊構造力將大陸撕裂時，這是一個極其劇烈的過程，以慢動作展開。人們還認爲，這一過程非常局部：來自熾熱上升的地幔岩石的岩漿沿着裂谷帶形成火山，而遙遠的大陸寒冷內部則保持完好。但今年的研究顛覆了這一觀點，表明這種局部劇烈作用會在地幔中產生膨脹波，從而塑造整個大陸的表面。
在 8 月份發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，研究人員對板塊構造理論進行了令人信服的補充。他們認爲，當發生裂谷時，上涌的地幔會與上方寒冷的大陸板塊發生摩擦，形成旋轉的岩石對流。然後，這些渦流以蝸牛般的速度沿着大陸的龍骨流動，就像船底下的湍流一樣。當它們翻滾時，它們會在高空造成各種破壞。
研究人員認爲，這種地幔波可以解釋許多高原莫名其妙地位於古老、寒冷的大陸內部，比如里約熱內盧西北部的巴西高地或印度的西高止山脈。當地幔波經過時，它們會從龍骨上剝離較重的岩石，留下浮力較大的岩石，然後這些岩石上升 1 到 2 公里，形成高原。
去年，在另一篇《自然》論文中，同一團隊的許多成員提出，地幔波還有其他作用。通過攪動地幔，它們可以產生合適的岩漿混合物，從而引發奇特的爆炸性噴發，即金伯利岩，將鑽石帶到地球表面。地幔波引起的隆升也可以解釋侵蝕加劇和隨後的海洋滅絕時期，它們也可能是板塊中心本應平靜的地方發生地震活動的一個以前未被認識到的驅動因素。所有這些都表明，大陸和地幔之間的相互作用比地球科學家想象的要動態得多。
08
Starship 成功着陸
今年，世界上體積最大、動力最強的火箭（一根 120 米高的不鏽鋼棒）四次在 33 臺發動機的點火下轟鳴着升空。但最終被集體記憶銘刻的是 10 月 13 日星際飛船助推級的着陸。助推級以超音速的速度從空中墜落，重新點燃部分發動機，減速至近乎懸停，並被 7 分鐘前發射的塔架的鉗爪從空中抓起。這一非凡的技術壯舉預示着經濟實惠的重型火箭新時代的到來，可以大幅降低太空科學研究的成本。
回收並快速重複使用助推器（最終也是上級）是關鍵。由埃隆 · 馬斯克創立和運營的火箭公司 SpaceX 已經利用其部分可重複使用的獵鷹 9 號和獵鷹重型火箭將貨物送入軌道的成本降低了約 10 倍。完全可重複使用的星際飛船預計將使這一成本再降低一個數量級。到那時，馬斯克將人類送上火星的願景就不再那麼遙不可及了。
科學家也將從中受益。進入太空的機會太寶貴了，不能冒失敗的風險，這也是爲什麼 NASA 的任務往往昂貴而費力，並且要經過無數次測試。但隨着星際飛船的定期飛行，科學家們將能夠冒更多風險，用廉價的現成零件製造儀器並經常發射它們。科學家們想象中的火星探測器不止是一輛，而是一羣，或者一個編隊飛行的鏡子片段艦隊，它們將自組裝成一個比哈勃太空望遠鏡大很多倍的儀器。獵鷹 9 號已經引發了太空地球科學的變革，使得 Planet 和 ICEYE 等公司能夠發射廉價衛星中隊，來取代一次性、價值數十億美元的龐然大物的功能。
許多科學家對馬斯克的右翼政治立場以及他與美國候任總統唐納德 · 特朗普的聯盟感到反感。但他們可能會爲他的火箭將給 NASA 帶來的鉅變而歡呼。首先，這可能意味着太空發射系統的終結，這是一種極其昂貴的火箭，預計將在本世紀晚些時候將宇航員送回月球。更廣泛地說，它可以幫助 NASA 科學家大膽地前進 —— 比以往更快、更好、更便宜。
09
古代 DNA 揭示家庭關係
公元 7 世紀，匈牙利一名男子被埋葬在一匹馬旁邊，如今他有了家族史。考古科學研究所/羅蘭大學博物館
從古代骨骼和牙齒中提取的 DNA 爲了解很久以前的人口流動、傳染病的演變和史前飲食提供了線索。現在，它還揭示了家庭秘密。今年，一系列研究建立了相當於古代家譜的東西，爲數千年前去世的人重建了家譜。
這些研究反映出古人類 DNA 提取技術的進步和分析價格的下降。過去，古人類 DNA 研究主要集中於空間和時間上廣泛分佈的個體，以瞭解人口趨勢。但隨着古人類基因組的數量呈指數級增長，研究人員已經能夠提出新的問題。
通過研究不同人共享的相同遺傳密碼片段（稱爲 「血統相同 」 片段），研究人員可以估計兩個人之間的親緣關係有多密切，最高可達六度親屬關係。研究人員將這項技術應用於包含數千個古代基因組的數據庫，發現了遠古時期的遠距離聯繫，例如 5000 年前一對五度親屬被埋葬在相距 1500 公里的歐亞大陸草原上。新項目也在深入研究單個遺址，有時對來自一個墓地的數百人進行測序。
遺傳信息只能揭示有限的信息 —— 例如，二級親屬可能是祖母和孫女、姑母和侄女，或者是堂兄弟姐妹。但通過添加考古信息，例如骨骼的年齡、他們被埋葬在墓地的哪個位置，或者埋葬在附近的親屬的遺傳關係，遺傳學家和考古學家共同合作，重建了長達八代人的家譜。
瞭解遺傳親屬關係可以揭示有關過去社會的信息，而僅靠考古學是無法做到這一點的。例如，將德國南部凱爾特酋長的 DNA 數據與他們墓地的詳細信息結合起來，可以發現 2500 年前該地區最有權勢的男性通過母親繼承了權力 —— 這是一種被稱爲母系的社會組織形式。與此同時，對石器時代歐洲農民的親屬關係分析表明，男性血統是重點。本週發表的一項研究發現，兩名女性是 4 萬多年前第一批生活在歐洲的現代人類之一，儘管她們去世時相隔數百公里，但她們都是大家庭的一部分。
隨着研究人員對更多個體進行抽樣，這種見解將變得更加普遍，並使人類遙遠過去的聯繫更加清晰。
題圖來源：Science
文章來源：深究科學
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