本文来自微信公众号： 深究科学 ，编译：常春藤，作者：深究科学
12月19日，Science公布了今年的10大科学突破。中国表现亮眼，至少有4项研究/领域进展被入选，分别是新能源的发展、龙人的身份鉴定、异种器官移植、水稻耐热基因的发现。
另外值得一体的是，AI大模型在Science领域的应用，也入选了今年的10大科学突破，中国在这方面也表现出色。
如下，根据Science的内容，介绍今年的10大科学突破到底有哪些有意思的发现。
常春藤｜编译
01
中国：绿色能源的巨人
中国向绿色能源转型的步伐远超其他任何国家，一系列惊人的数据便足以证明这一点。仅在2024年，中国就新增了相当于约100座核电站的太阳能和风能发电装机容量，而且今年年初这一速度还在加快。
数十条新建的超高压输电线路绵延数千公里，从西部沙漠（太阳能的主要产地）输送到东部城市（能源的主要使用地）。数百万辆电动汽车和庞大的高速电力铁路网络正翘首期盼着清洁能源的到来，这些高速铁路可以在一个上午的时间里连接相距1000公里的城市。
中国的景观反映了这种转变。雾霾、烟囱和煤堆的景象依然存在，但闪闪发光的硅太阳能电池板如今覆盖了山丘、沙漠和湖泊。青藏高原上的一座太阳能发电厂占地超过400平方公里，面积是华盛顿特区的两倍多。风力涡轮机的体积越来越大；一台用于海上风力发电的涡轮机叶片长达150米。成排的家用锂电池储存着多余的能量，更多的能量则储存在山顶水库中。当能源充裕时，水库会被抽满水；需要发电时，则通过让水流经涡轮机流入下方的湖泊来获取能量。生产太阳能电池板、涡轮机、电池和汽车的工厂带来了新的工业扩张——但由于实现了电气化，这些工厂通常没有烟囱。
中国在构建自身绿色能源体系的同时，也打造了一个价值近1800亿美元的出口产业（预计到2024年），使世界大部分地区都能获得低成本的可再生能源。
02
定制基因编辑治疗罕见病
今年，一名患有危及生命的代谢疾病的男婴成为世界上首例接受个性化基因编辑治疗的患者。这一壮举有望为针对携带独特或极其罕见突变的人群的基因编辑技术铺平道路。
KJ Muldoon去年出生于费城，患有CSP1基因缺陷，该基因编码一种肝脏解毒氨所需的酶。为了避免这种化合物在血液和大脑中有害积聚，患有此类疾病的婴儿必须严格限制蛋白质摄入，并且通常需要进行风险较高的肝移植手术。
KJ出生后不久，研究人员便争分夺秒地研发一种碱基编辑器——一种CRISPR基因编辑工具的变体——它可以修复他缺陷基因中的一个拼写错误。在细胞和实验动物身上测试了这种定制的碱基编辑器后，研究团队于2月份获准为6个月大的KJ进行治疗。他们采用脂质纳米颗粒输注的方式，将碱基编辑器的遗传指令传递给KJ。到了5月份，在接受了两次治疗后，KJ可以摄入更多蛋白质，体重开始增加，并且控制血氨水平所需的药物剂量也减少了。研究人员计划对用于治疗KJ的碱基编辑器进行调整，以治疗五名患有类似代谢紊乱的患者，这些紊乱是由其他基因缺陷引起的。
另外今年，一种旨在修复多位患者共有基因缺陷的基因编辑器首次成功修复了成人肝脏基因。尽管此类疗法为许多患者带来了新的希望，但它们也存在诸多弊端，包括高昂的费用以及基因编辑安全性方面挥之不去的疑虑。
03
对抗淋病祸害的新武器
今年，两种治疗淋病的新药在大规模临床试验中展现出疗效，并于本月获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。这是几十年来对抗这种性传播疾病的首批新武器，而此时现有疗法却屡屡失效。
淋病每年影响超过8000万人，不仅会导致疼痛、阴道分泌物和出血，还会引发严重的并发症，包括女性盆腔炎和男女不孕。它还会增加患者感染艾滋病毒的风险，如果新生儿眼睛受到感染，甚至可能导致失明。致病菌淋病奈瑟菌几乎对所有抗生素都产生了耐药性。就连目前仍然有效的头孢菌素类药物也开始失效。2019年，三种候选替代药物的测试结果令人失望。
但今年5月，《柳叶刀》杂志发表了葛兰素史克公司（GSK）研发的药物吉泊他辛（gepotidacin）的3期临床试验结果，该药物的研发资金来自美国生物医学高级研究与发展局（BARDA）。这种化合物此前已获批用于治疗尿路感染，如今又能治愈淋病，其疗效甚至优于现有药物。吉泊他辛是首个获批的新型抗生素，其靶点是两种对细菌DNA复制至关重要的酶：DNA促旋酶和拓扑异构酶IV。
另一种新药佐利氟达辛（zoliflodacin）由Innoviva Specialty Therapeutics公司与总部位于瑞士的非营利组织全球抗生素研发合作组织（Global Antibiotic R&D Partnership）合作开发。佐利氟达辛同样靶向DNA促旋酶，但属于作用机制不同的另一类药物。一项在五个国家开展的3期临床试验于12月11日发表在《柳叶刀》杂志上，结果显示佐利氟达辛疗效显著且未引起严重副作用。这两种药物相比目前应用最广泛的头孢菌素类药物具有一个显著优势：它们可以口服，无需注射。
03
神经元如何“助力”癌细胞
肿瘤会诱使多种体细胞帮助自身生长和扩散，其中包括神经元。今年，研究人员发现神经细胞是如何提供这种帮助的：它们会将线粒体（细胞中提供大部分化学燃料的细胞器）传递给肿瘤细胞。其结果是癌细胞被赋予了超强的能力，更容易扩散到身体的其他部位，这表明阻断这种转移可能减缓肿瘤的转移。
科学家此前已发现神经有助于癌症发展的证据。例如，切断肿瘤的神经连接通常会减缓肿瘤的生长，甚至使其缩小。破坏这些连接还会扰乱癌细胞的新陈代谢。为了探究其原因，研究人员在体外培养癌细胞和神经细胞，并对神经元的线粒体进行标记。他们利用显微镜观察到，神经细胞通过微小的桥状结构将线粒体输送给邻近的恶性细胞。该团队还在注射了癌细胞的小鼠以及人类前列腺肿瘤样本中观察到了线粒体转移的证据，相关研究成果发表在《自然》杂志上。
由于癌细胞分裂迅速，它们对能量的需求量巨大。研究人员利用自身线粒体存在缺陷的培养癌细胞，发现这些“二手”细胞器能够促进癌细胞的代谢。为了探究线粒体捐赠如何影响癌症生长，他们开发了一种技术，使癌细胞在获得其他细胞的线粒体后变为绿色。科学家们将神经细胞和癌细胞的混合物植入小鼠体内，然后让这些混合物形成肿瘤并转移到其他组织。在最初的肿瘤中，只有5%的癌细胞变为绿色，表明它们获得了神经细胞的线粒体；但在肺转移瘤中，这一比例上升至27%，在脑转移瘤中则上升至46%。
05
天上的“万能之眼”
今年，一座旨在加速新型天文学发展的新型望远镜在智利山顶落成。与大多数望远镜聚焦于特定天体不同，维拉·鲁宾天文台将持续不断地扫视整个天空。从明年年初开始，它将以前所未有的精度，每三天记录一次整个天空，持续十年。届时，它每晚将发出数百万条警报：指示某个天体发生了移动、变化或突然出现。一年后，鲁宾天文台收集的光学数据将超过历史上所有望远镜的总和，它将逐步构建出有史以来最精细的宇宙三维地图，并通过在线门户网站向所有人开放。
如此大规模地收集星光需要突破性的技术，包括一套复杂的光学系统，能够在鲁宾望远镜巨大的视场（相当于45个满月的大小）内生成无畸变图像；以及一台汽车大小的相机，可以在几秒钟内拍摄出32亿像素的图像。光纤会将每张图像从帕琼山顶快速传输到加利福尼亚州，那里的计算机集群将对图像进行分析，并在图像拍摄后1分钟内向天文学家发出警报。每晚都会收到1000万条警报，天文学家将依靠智能算法来区分哪些是璀璨的星空，哪些是普通的星空。
这波数据洪流将影响天文学的各个领域。这座天文台将使我们太阳系中已知天体的数量成倍增长——如果运气好的话，甚至可能发现潜伏在海王星之外的第九行星。
06
揭秘龙人的身份之谜
今年，研究人员终于揭开了我们一位失散多年的亲戚的面容——通过DNA证据证实，一个被称为“龙人”的146,000年前的头骨属于丹尼索瓦人，丹尼索瓦人是已灭绝的人类谱系，他们和尼安德特人一样，曾经与现代人类共同生活在地球上。2010年，遗传学家宣布，他们发现了一种新的人类祖先，与尼安德特人和现代人类关系密切。
这一发现基于从西伯利亚丹尼索瓦洞穴发现的一块指骨碎片中提取的DNA。但在随后的15年里，丹尼索瓦人的面容仍然成谜。在从台湾到西藏等其他亚洲遗址发现的小块骨骼也提取出了丹尼索瓦人的DNA。但由于没有完整的个体，甚至连头骨都没有，科学家们无从得知丹尼索瓦人的外貌，也无法通过外貌特征来识别可能已被博物馆收藏的丹尼索瓦人化石。
今年情况发生了改变，中国的研究人员成功从几十年前在哈尔滨附近发现的一具古代头骨中提取出了DNA。这种DNA的来源很不寻常——并非来自牙齿或内耳骨（古代遗传物质的常见来源），而是来自“龙人”仅存的一颗牙齿上刮取的0.3毫克硬化牙菌斑样本。（牙菌斑中捕获的遗传物质主要来自细菌，但也包括唾液和其他口腔液体中的DNA。）
既然“龙人”的身份已经揭晓，研究人员就能更容易地根据骨骼和牙齿的形状来识别其他丹尼索瓦人。发现更多个体或许有助于解决一个长期存在的争论：这些神秘的古人类是智人的一个亚种，还是一个独立的物种？
07
大语言模型在科学中的应用
2020年，谷歌DeepMind发布了蛋白质结构预测器AlphaFold2，彻底颠覆了人们对人工智能（AI）在科学领域所能取得成就的预期。它被《科学》杂志评为2021年度突破性成果，其开发者也因此获得了2024年诺贝尔化学奖。当时很少有人想到，基于数万亿词汇训练、旨在复述类人文本的通用大型语言模型（LLM）也能取得如此成就。但随着LLM规模的扩大，这种观点正在发生翻天覆地的变化。今年，它们在众多科学领域展现出了堪比博士级别的卓越能力。
在数学领域，DeepMind利用其Gemini LLM的升级版在国际数学奥林匹克竞赛（全球最艰难的高中数学竞赛）上斩获金牌——这一成就曾被2021年的预测人士预测要到2043年才能实现。OpenAI的GPT-5也在组合数论和图论领域取得了突破性进展，解决了困扰数学家数十年的问题。
但LLM（逻辑逻辑模型）不仅在测试中表现出色，理论推演也取得了突破性进展；它们还加速了科学发现。在化学领域，Meta公司Llama LLM的精细化版本仅用15次实验就确定了一种此前未曾报道的复杂反应的最佳条件，为研究人员节省了数百次原本需要数周才能完成的实验室试验。在生物学领域，谷歌的“智能体”人工智能合作科学家从现有肝纤维化药物中识别出新的候选药物，并在两天内重现了细菌DNA寄生传播的机制——这一发现此前耗费了研究人员数年时间。
并非所有实验都取得了成功。在雄心勃勃的Agents4Science大会上，法学硕士们负责提出假设、分析数据并提供第一轮同行评审。然而，此次大会并未让许多研究人员确信人工智能能够以足够的严谨性设计和判断科学问题。
然而，LLM的飞跃式发展开启了更广泛的AI科学淘金热。科技巨头和投资者向Periodic Labs、Lila Sciences和OpenAI for Science等衍生公司投入了数亿美元。随着AI本身不断改进下一代LLM，它们的极限也变得越来越难以预测。
08
计算机解开粒子之谜
几十年来，粒子物理学家一直渴望找到某种——任何一种——他们目前奉行的标准模型理论无法解释的现象。今年六月，一项长期实验报告称，与之前的预测相反，一种名为μ子的粒子的磁性并不比标准模型预测的更强，这或许是新谜团最令人期待的迹象。然而，失望背后却隐藏着胜利：理论学家们终于能够利用一种名为格点规范理论的技术，从零开始精确计算出μ子的磁性。
μ子是电子的较重且不稳定的“表亲”。由于量子不确定性，一些粒子会在μ子周围的真空中来回穿梭，从而赋予μ子的磁性一个微小的增强，记为g-2。如果这些“虚”粒子包含标准模型中未发现的粒子，μ子的磁性可能与理论预测有所不同。2001年，一项名为“μ子g-2”的美国实验表明，μ子的磁性比预测值强约4ppb。
做出这样的预测从来都不是一件容易的事。要解释夸克和胶子这两种粒子的影响尤其具有挑战性，因为它们通过所谓的强力相互作用，而强力在数学上几乎是无法处理的。2020年，一个名为“μ子g-2理论计划”的合作项目利用粒子对撞机的数据进行外推，以估算虚夸克和虚胶子对μ子磁性的贡献。但即便如此，现有最佳数据仍然存在一些不一致之处。
09
异种移植创下新纪录
过去一个世纪以来，用动物器官移植治愈人类的尝试，一直受到炒作和有时令人质疑的科学依据的阻碍。但今年，“异种移植”——一种可能解决捐献人体器官严重短缺问题的潜在方案——取得了令人瞩目的进展，这得益于基因工程改造的猪，它们的组织更适合移植，且不易被人体免疫系统排斥。
最引人注目的是，一个经过基因改造的猪肾在新罕布什尔州一名男子体内存活了近9个月，直到10月份衰竭，仅比此前异种移植存活时间最长的纪录少了几天。（此前的纪录是1964年用一个来自黑猩猩的天然肾脏创造的，而黑猩猩如今已不再被认为是符合伦理的器官捐献对象。）一个仅经过6个基因改造的猪肾在中国一名女性体内也存活了几乎同样长的时间。
这些努力刷新了此前基因改造猪肾的记录，此前的记录是由一个经过10项基因改造的器官创造的，该器官曾帮助一名女性维持了4个月的生命，但在今年2月衰竭。在这两例病例中，器官均来自经过基因改造和培育的猪，这些猪是由一些公司培育的，这些公司希望异种移植能够成为一项有利可图的业务。今年，其中两家公司获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的许可，可以开展该策略的首批真正意义上的临床试验，这是获得监管部门批准的必要步骤。可以说，今年的成功使异种移植更接近于几十年来无数耸人听闻的头条新闻过早宣扬的现实。
10
清凉解暑的米饭
如果水分充足，作物可以忍受热浪的炙烤，但闷热的夜晚却会带来严重的危害，因为高温会加速呼吸作用——这种代谢过程通常在黑暗中保持稳定。今年，中国的研究人员发现了一种基因，可以帮助水稻抵御高温带来的两大影响：产量下降和稻米品质变差。如果将这种基因导入商业品种，就能在气候变化导致稻田升温的情况下，帮助保障水稻的收成。
过去十年间，该团队在中国一些异常炎热的地区种植了533个水稻品种。通过对表现最佳的水稻品种进行杂交，他们发现12号染色体上有一个关键基因，并将其命名为QT12，意为“耐高温品质基因”。在高温环境下表现不佳的品种携带QT12的一个变体或等位基因，该基因会被激活，导致淀粉分子排列错乱。研究团队在4月份发表于《细胞》（Cell）杂志上的报告指出，其结果是稻米质地粗糙、易碎，且口感黏腻，令人倒胃口。而携带QT12等位基因的品种则能在高温下保持良好的稻米品质。该等位基因还能提高产量，但其具体机制尚不明确。
研究人员将这种保护性等位基因导入名为“华展”的商业水稻品种后，发现其产量比现有“华展”品种高出78%，且在高温条件下垩白粒的比例更低。他们还发现，利用基因编辑技术使QT12基因失活，也能在研究用水稻品种中获得类似的益处。