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又到年末，是時候回顧這一年發(fā)生的重要事件了。

2024年，科學(xué)家在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破：我們離開地球，帶回了月球背面的奧秘；我們深入細(xì)胞，繪制人體的精細(xì)地圖；我們運(yùn)用人工智能，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)的步伐。

一起來回顧以下這些重要的科技成果。

人工智能成為科研助力

2024年，人工智能領(lǐng)域“獲得”了諾貝爾獎。

物理學(xué)獎頒給了約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）和杰弗里·辛頓（Geoffrey Hinton），以表彰他們在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作。

化學(xué)獎則由大衛(wèi)·貝克（David Baker）、戴密斯·哈薩比斯（Demis Hassabis）和約翰·朱默帕（John M. Jumper）共同獲得，以表彰他們在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測方面的貢獻(xiàn)。其中，哈薩比斯和朱默帕領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的AlphaFold模型實(shí)現(xiàn)了革命性突破，能夠以接近實(shí)驗觀測的精確度預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這些獎項表明，AI已經(jīng)從一個輔助工具，成長為推動科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要力量。

AlphaFold 3.0登上了6月13日《自然》雜志的封面 | 《自然》

今年5月，升級版的AlphaFold 3.0發(fā)布。這一版本不僅提高了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的準(zhǔn)確率，還擴(kuò)展到了DNA、RNA等其他生物分子，幫助科學(xué)家更好地理解生命的基本構(gòu)成。這項技術(shù)對藥物研發(fā)和疾病研究具有重要意義。比如在新藥開發(fā)過程中，它能夠快速預(yù)測藥物分子與目標(biāo)蛋白質(zhì)的結(jié)合情況，大大提高了篩選效率。在傳染病研究中，它也為疫苗和治療方案的開發(fā)提供了有力支持。

除生物醫(yī)藥領(lǐng)域，AI在其他科學(xué)研究中也有重要應(yīng)用。在氣候科學(xué)領(lǐng)域，AI模型GraphCast提高了天氣變化和自然災(zāi)害的預(yù)測準(zhǔn)確度。在實(shí)驗設(shè)計方面，AI能夠幫助科學(xué)家優(yōu)化實(shí)驗方案，提高研究效率。一項對7460萬篇科學(xué)論文的分析顯示，采用AI技術(shù)的研究通常能獲得更多的學(xué)術(shù)關(guān)注和引用。

從實(shí)驗室里的蛋白質(zhì)分子，到天空中的風(fēng)云變幻，再到藥物研發(fā)中的基因序列，AI正在幫助人類探索自然界的各個角落。這些進(jìn)展不僅提高了科研效率，也為解決人類面臨的重大挑戰(zhàn)提供了新的方法。

嫦娥六號月背采樣返回

2024年，中國的嫦娥六號探測器完成了一項歷史性任務(wù)：從月球背面采集樣品并成功返回地球。這是人類首次獲得月球背面的巖石和土壤樣本。

5月3日，嫦娥六號從海南文昌航天發(fā)射場升空。6月1日，探測器在月球背面的南極-艾特肯盆地阿波羅盆地南部著陸。探測器通過機(jī)械臂和鉆探裝置，采集了1935.3克月球樣品，包括表層土壤和深層巖石。6月25日，搭載樣品的返回艙安全降落在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域。

嫦娥六號著陸器上升器組合體在月球背面的工作照 | CNSA/CLEP

這次任務(wù)的科學(xué)意義非同尋常。月球背面與人們熟悉的正面有很大不同，它的地殼更厚，隕石坑更多，幾乎沒有月海（古代玄武巖噴發(fā)形成的暗色平原）。科學(xué)家認(rèn)為，研究這些差異可能揭示月球形成的關(guān)鍵線索。

嫦娥六號選擇的著陸點(diǎn)位于南極-艾特肯盆地，這是月球上最大、最古老的撞擊盆地之一，其形成時間可以追溯到約40億年前。從這里獲得的樣品將幫助科學(xué)家更好地理解月球，甚至整個太陽系的早期歷史。

此次任務(wù)也體現(xiàn)了國際合作精神。探測器搭載了來自法國、意大利、瑞典和巴基斯坦的多個科學(xué)儀器，用于研究月球塵埃的運(yùn)動、月表負(fù)離子的分布等現(xiàn)象。一個名為"金蟾"的小型月球車也參與了任務(wù)，它配備了紅外光譜儀等設(shè)備，用于研究月球表面成分和尋找月壤中的水冰。

這些研究成果將為人類更好地認(rèn)識月球提供重要幫助。

星艦多次試飛，完全復(fù)用僅一步之遙

作為世界上最大的火箭，SpaceX的星艦在2024年進(jìn)行了四次軌道試飛。

最令人印象深刻的，是10月13日的星艦第五次試飛。作為一級火箭的超重型助推器，在完成發(fā)射任務(wù)后，以超音速從天而降，在最后時刻點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)減速，然后被發(fā)射塔上稱為"筷子"的機(jī)械臂穩(wěn)穩(wěn)接住。這項技術(shù)突破預(yù)示著太空探索即將進(jìn)入一個新時代。

事實(shí)上，星艦的每次試飛都在創(chuàng)造新的記錄。3月的第三次試飛實(shí)現(xiàn)了火箭一二級的成功分離，6月的第四次試飛首次完成了一二級的海上軟著陸，11月的第六次試飛則首次驗證了在太空中重啟火箭發(fā)動機(jī)的能力。

這一系列進(jìn)展的最終目標(biāo)，是要實(shí)現(xiàn)火箭的完全重復(fù)使用：不僅作為一級的超重型助推器可以回收再用，未來連上面的星艦部分也將實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

相比傳統(tǒng)的一次性火箭，可重復(fù)使用的星艦就像是太空中的"客機(jī)"，這種設(shè)計將極大地降低發(fā)射成本。SpaceX已經(jīng)通過部分可重復(fù)使用的獵鷹9號火箭，把航天發(fā)射的成本降低了約90%。而完全可重復(fù)使用的星艦預(yù)計將使成本進(jìn)一步大幅下降。

隨著發(fā)射成本的降低和頻率的提高，人類探索太空的方式可能發(fā)生根本性的改變。科學(xué)家有機(jī)會嘗試更多創(chuàng)新的太空探索方案。比如，他們可能不再局限于發(fā)射一輛火星車，而是可以發(fā)射一群；不必只依賴一顆昂貴的大型衛(wèi)星，而是可以用一群小型衛(wèi)星組成觀測網(wǎng)絡(luò)；甚至可以在太空中組裝比哈勃望遠(yuǎn)鏡大得多的望遠(yuǎn)鏡。不久的將來，建立月球基地、探索火星等曾經(jīng)遙不可及的夢想，可能也會變成現(xiàn)實(shí)。

而這一切的前提，即完全可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，如今距離實(shí)現(xiàn)僅有一步之遙了。

腦機(jī)接口人體試驗進(jìn)展

2024年，腦機(jī)接口技術(shù)在人體試驗方面取得重要進(jìn)展。

腦機(jī)接口是一種能夠讀取或?qū)懭氪竽X信號的設(shè)備，讓大腦可以直接與機(jī)器交互。目前主要有兩種方案：非侵入式的，不需要打開顱骨；侵入式的，需要將電極植入大腦。Neuralink公司采用的是后一種方案，他們開發(fā)出了只有硬幣大小的芯片，通過精密的手術(shù)機(jī)器人將極細(xì)的柔性電極植入大腦皮層。

1月，Neuralink完成首例人體植入手術(shù)，為一位癱瘓8年的患者植入了腦機(jī)接口芯片。這位名叫Noland的受試者術(shù)后很快就能用意念控制電腦鼠標(biāo)，打字、發(fā)郵件，還直播起了玩游戲。更重要的是，他可以躺在床上獨(dú)立使用這套系統(tǒng)，不再需要護(hù)理人員幫忙安裝控制設(shè)備。這讓他重獲了部分獨(dú)立生活的能力。

植入了Neuralink腦機(jī)接口芯片的首位患者演示腦控玩游戲 | Neuralink

幾個月后，被稱為Alex的第二位受試者也完成了手術(shù)。Alex展示了這項技術(shù)更廣泛的應(yīng)用潛力：不只是基礎(chǔ)的電腦操作，甚至能夠使用復(fù)雜的3D建模軟件進(jìn)行設(shè)計。這意味著腦機(jī)接口不僅能幫助患者完成日常交流，還能支持他們進(jìn)行專業(yè)級的創(chuàng)造性工作。

腦機(jī)接口技術(shù)從實(shí)驗室走向了實(shí)際應(yīng)用。雖然過程中也遇到了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，比如電極移位導(dǎo)致控制精度下降。這些經(jīng)驗將幫助改進(jìn)技術(shù)，為未來更多患者帶來希望。

人類已知類型細(xì)胞圖譜草圖繪成

11月，人類細(xì)胞圖譜項目完成了第一份草圖。這份“人體細(xì)胞地圖”記錄了約6200萬個人類細(xì)胞的詳細(xì)信息，覆蓋了神經(jīng)系統(tǒng)、肺、心臟、腸道和免疫系統(tǒng)等18個重要的生物網(wǎng)絡(luò)。

這一突破來自對全球10000多名志愿者的研究，科學(xué)家已經(jīng)深入分析了超過1億個細(xì)胞，在《自然》雜志上發(fā)表了40項重要發(fā)現(xiàn)。比如，他們繪制了從口腔到肛門的完整消化道細(xì)胞圖譜，發(fā)現(xiàn)了一種此前未知的腸道細(xì)胞，這種細(xì)胞可能與炎癥性腸病有關(guān)。他們還首次詳細(xì)描繪了胎兒骨骼形成的過程，發(fā)現(xiàn)參與這一過程的基因，正是在數(shù)十年后容易引發(fā)骨關(guān)節(jié)炎的基因。

11月21日《自然》專刊發(fā)表人類細(xì)胞圖譜項目40余項成果 | 《自然》

這個項目始于2016年10月，3600多名來自100個國家的科學(xué)家參與了這項工作。他們的目標(biāo)是試圖繪制人體內(nèi)約37萬億個細(xì)胞的完整圖譜。科學(xué)家不僅要識別不同類型的細(xì)胞，還要了解它們的功能狀態(tài)、所處位置，以及發(fā)育歷程。這就像是在繪制一張極其精細(xì)的“人體地圖”，記錄每種細(xì)胞的特征和分布。

這項工作的意義堪比人類基因組計劃。它將幫助科學(xué)家更好地理解疾病的發(fā)生機(jī)制，開發(fā)新的治療方法，推動再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展。比如，通過比較健康細(xì)胞和病變細(xì)胞的差異，研究人員可能發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)；通過了解不同類型細(xì)胞的特征，醫(yī)生可能在疾病出現(xiàn)臨床癥狀之前就做出診斷，實(shí)現(xiàn)真正的個性化醫(yī)療。

谷歌Willow芯片突破量子糾錯閾值

12月，谷歌推出名為Willow的量子芯片，這是量子計算領(lǐng)域的一個重大突破。

要完全理解這一突破的意義，首先需要了解量子計算中的一個核心問題——量子比特的脆弱性。量子比特非常敏感，極易受到周圍環(huán)境的干擾，這種干擾會導(dǎo)致計算錯誤。這就像在沙灘上建造城堡，稍有風(fēng)吹草動就可能導(dǎo)致坍塌。為了解決這個問題，科學(xué)家必須發(fā)展出有效的量子糾錯技術(shù)。

Willow芯片的核心技術(shù)就是它的量子糾錯能力。它采用了一種叫做“表面碼”的糾錯方案，可以將多個物理量子比特編碼成一個邏輯量子比特。通過這種編碼方式，即使部分量子比特出錯，整體的計算結(jié)果仍然是正確的。更重要的是，Willow芯片成功突破了量子糾錯的關(guān)鍵閾值。這意味著隨著量子比特數(shù)量的增加，計算錯誤的比率不是增加，而是指數(shù)級下降。

這一點(diǎn)，此前從未實(shí)現(xiàn)過。

12月，谷歌發(fā)布Willow量子芯片 | 谷歌

谷歌的Willow量子芯片解決了量子計算領(lǐng)域長期存在的一大技術(shù)難題，為未來量子計算機(jī)的實(shí)用化和廣泛應(yīng)用開辟了新的道路，其影響將深遠(yuǎn)地改變我們的科技和日常生活。

基因編輯豬器官成功移植到人體

器官移植領(lǐng)域迎來重要突破，基因編輯豬器官成功移植到人體。

移植，是很多終末期器官衰竭的治療方法。中國的器官移植等待名單上有超過30萬人，但每年只有約1.6萬個器官可用。為了解決這個全球性難題，科學(xué)家開始探索利用基因編輯技術(shù)改造豬的器官，使其適合移植到人體內(nèi)。

3月，美國馬薩諸塞州總醫(yī)院宣布，首次成功將豬的腎臟移植到活著的患者體內(nèi)。提供腎臟的豬經(jīng)過CRISPR-Cas9技術(shù)基因編輯，被去除了有害的豬基因、添加了某些人類基因，并滅活了豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒，以提高與人類受體的相容性和降低人類感染豬病毒的風(fēng)險。受者最初恢復(fù)良好，但在術(shù)后近兩個月時去世，醫(yī)生認(rèn)為“沒有跡象表明”死亡是移植的結(jié)果。

經(jīng)過基因編輯的豬腎臟成功移植到人體 | GeneOnline

同一個月，中國空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院團(tuán)隊完成了一例多基因編輯豬-腦死亡受者腎移植手術(shù)。研究人員對供體豬進(jìn)行了精確的基因編輯：敲除了3個可能引起超急性排斥反應(yīng)的基因，同時轉(zhuǎn)入了2個人類基因，分別用于調(diào)節(jié)補(bǔ)體和凝血功能。移植后的豬腎在受者體內(nèi)工作良好，截止報道時，已持續(xù)14天產(chǎn)生正常尿液。

除了豬的腎臟，基因編輯豬的心臟在2022年首次移植到了人類患者身上，肝和肺的移植也在研究中。選擇豬作為器官供體是經(jīng)過深思熟慮的。豬的基因與人類相近，器官大小相似，而且繁殖能力強(qiáng)，易于規(guī)模化培養(yǎng)。不過，跨越物種的移植依然存在很多困難，如排斥反應(yīng)、凝血障礙、疾病傳播風(fēng)險等。

這項突破為解決器官短缺問題開辟了新途徑。隨著基因編輯技術(shù)的進(jìn)步和免疫學(xué)研究的深入，異種器官移植可能為等待器官移植的患者帶來新的希望。盡管目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，但這項技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入加速期，未來有望為更多終末期器官衰竭患者提供新的治療選擇。

長效HIV預(yù)防藥物研制成功

一種長效HIV預(yù)防藥物的臨床試驗取得驚人成果：每半年注射一次，就能有效預(yù)防HIV感染。

6月，這種名為lenacapavir的藥物在非洲進(jìn)行的一項大規(guī)模試驗中，2000多名使用該療法的女性無一感染HIV，預(yù)防效果優(yōu)于兩個對照組（對照組每天口服藥物）。3個月后，另一項橫跨四大洲的試驗結(jié)果也證實(shí)了這一驚人效果：在2000多名參與者中，僅有兩例感染，預(yù)防有效率依然高于對照組。

這種藥物采用了全新的作用機(jī)制。與傳統(tǒng)抗HIV藥物不同，它靶向病毒的衣殼蛋白，能阻止病毒與細(xì)胞的相互作用，還能阻止病毒進(jìn)入細(xì)胞核。更重要的是，這種藥物在體內(nèi)能持續(xù)發(fā)揮作用長達(dá)6個月。

藥物lenacapavir（黃色）與艾滋病毒的衣殼蛋白結(jié)合，阻止病毒衣殼錐體通過細(xì)胞核孔進(jìn)入人類細(xì)胞核 | N. Burgess/Science

這一突破意義重大。2023年仍有130萬人新感染HIV，雖然已有口服預(yù)防藥物，但需要每天服用，很多人難以堅持。而這種半年打一針的方案，大大提高了用藥的便利性和依從性。

這種長效預(yù)防藥物雖然不能完全替代疫苗，但它為遏制HIV傳播帶來了新的希望。科學(xué)家預(yù)計，如果能廣泛使用，它有望幫助大幅降低全球HIV新增感染率。

CAR-T細(xì)胞療法治療自身免疫性疾病

CAR-T細(xì)胞療法在治療自身免疫性疾病方面取得重大突破。

CAR-T最初是一種治療血液腫瘤的方法：醫(yī)生從患者血液中分離出T細(xì)胞（免疫系統(tǒng)的"哨兵"），通過基因工程使其能夠識別并消滅腫瘤細(xì)胞，然后將其輸回患者體內(nèi)。

2月，德國研究團(tuán)隊報告了使用患者自身CAR-T細(xì)胞治療自身免疫性疾病的成果：15名系統(tǒng)性紅斑狼瘡、硬皮病或肌炎患者接受治療后，8名系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者達(dá)到了無需用藥的緩解狀態(tài)。

CAR-T細(xì)胞（粉色）正在接近并準(zhǔn)備消滅一個B細(xì)胞。今年，這種療法在治療自身免疫性疾病方面取得了重大進(jìn)展 | N. Burgess/Science

9月，中國海軍軍醫(yī)大學(xué)的徐滬濟(jì)團(tuán)隊發(fā)表了另一項開創(chuàng)性研究：他們首次使用捐獻(xiàn)者的CAR-T細(xì)胞進(jìn)行治療。研究團(tuán)隊使用CRISPR基因編輯技術(shù)，敲除了捐獻(xiàn)者T細(xì)胞中的5個基因，使其既不會攻擊患者，也不會被患者的免疫系統(tǒng)排斥。

治療效果令人驚喜：一位壞死性肌病患者在接受治療兩周后就能抬起手臂梳頭，另外兩位硬皮病患者的癥狀也在數(shù)天內(nèi)開始好轉(zhuǎn)。6個月后，3位患者都達(dá)到了疾病緩解狀態(tài)，且沒有出現(xiàn)嚴(yán)重副作用。目前，該團(tuán)隊已經(jīng)將治療擴(kuò)展到另外20多名患者。

使用捐獻(xiàn)者細(xì)胞可能實(shí)現(xiàn)CAR-T療法的規(guī)模化生產(chǎn)，大幅降低治療成本。這不僅為難治性自身免疫性疾病患者帶來了新的希望，也為這種革命性療法的推廣應(yīng)用開辟了新途徑。

韋布望遠(yuǎn)鏡遙望 “宇宙黎明”

隨著詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡的持續(xù)觀測，科學(xué)家對宇宙黎明時期有了新的認(rèn)識。

所謂"宇宙黎明"，指的是宇宙誕生后的頭10億年，那時第一批恒星和星系開始形成，宇宙從一片黑暗逐漸被點(diǎn)亮。

韋布望遠(yuǎn)鏡的觀測發(fā)現(xiàn)了數(shù)量驚人的明亮星系，比理論預(yù)期多出近1000倍。這個發(fā)現(xiàn)極其意外：按照現(xiàn)有理論，宇宙誕生初期不應(yīng)該有如此多、如此明亮的星系。

通過對這些古老星系發(fā)出的光進(jìn)行分析，科學(xué)家提出了兩種可能的解釋：要么早期宇宙中存在著比太陽大幾十甚至上百倍的巨大恒星，要么有大量活躍的黑洞在吞噬周圍物質(zhì)，釋放出強(qiáng)烈的能量。

韋布望遠(yuǎn)鏡觀測到的遙遠(yuǎn)星系，其中一個被引力透鏡扭曲的星系存在于大爆炸后僅6億年的宇宙黎明時期 | NASA, ESA, CSA, STScI

研究還發(fā)現(xiàn)，這些早期星系中含有碳和氧等重元素。這意味著在它們之前，一定還存在更早的巨大恒星，這些恒星在死亡時發(fā)生超新星爆炸，將這些元素散布到宇宙中。這些發(fā)現(xiàn)為我們理解宇宙如何從一片混沌逐漸演化成今天的樣子提供了重要線索。

韋布望遠(yuǎn)鏡能夠做出這些發(fā)現(xiàn)，得益于它強(qiáng)大的觀測能力。它是有史以來最大、最強(qiáng)的太空望遠(yuǎn)鏡，專門設(shè)計用來捕捉宇宙最早期發(fā)出的微弱紅外線。這些觀測結(jié)果正在改變我們對宇宙起源和演化的認(rèn)識。

Guokr

從宇宙深處到微觀世界，從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用，科學(xué)技術(shù)正在幫助我們更好地理解這個世界，也在逐步改善人們的生活質(zhì)量。這些進(jìn)展不僅解決了一些長期存在的技術(shù)難題，也為未來的發(fā)展提供了新的可能。

期待接下來新的一年里，科技領(lǐng)域帶來更多令人興奮的突破。

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