2024年12月12日，《Science》杂志发布2024年度十大科学突破，不仅代表了科学界的最新成就，也预示着未来科技的发展方向。以下是今年十大科学突破的简要介绍：
2024科学突破之首：长效HIV预防针剂
一种创新机制的注射用HIV药物展现出显著的预防感染效果
尽管过去几十年间全球在预防和治疗艾滋病毒新发感染方面取得了巨大进展，但艾滋病毒每年仍会感染高达100多万人，而有效的疫苗仍未问世。在今年，我们见证了一种可能最为强大的防护措施：一种每次注射可提供6个月保护的药物——lenacapavir（来那卡帕韦）。该药物作为暴露前预防（PrEP）的重要进展，其成功源于基础研究的重大突破——即对lenacapavir所靶向的HIV衣壳蛋白的结构与功能有了全新的深入理解。鉴于许多其他病毒亦拥有各自的衣壳蛋白，这些蛋白围绕着遗传物质形成保护层，因此lenacapavir的成功应用带来了令人兴奋的前景，即类似的衣壳抑制剂可以对抗其他病毒性疾病。
药物lenacapavir（黄色）与HIV的衣壳蛋白结合，防止衣壳锥穿过孔进入人体细胞核
其他9项Science年度科学突破分别为：
利用免疫细胞治疗自身免疫疾病
狼疮、硬皮病、多发性硬化症和其他自身免疫疾病都是由免疫系统发生危害引起的，免疫系统会攻击一个人自身的健康组织。现有的治疗方法（如免疫抑制药物）可能会有所帮助，但它们并不总是能阻止疾病的进展，并且可能会产生使人衰弱的副作用。今年，一种新方法，即嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）疗法，在重症患者中产生了显着的改善，开启了自身免疫疾病治疗的新篇章。到目前为止，已有30多名患者得到成功治疗。研究人员在理解工程化T细胞为何如此有效方面也取得了进展，例如，他们发现了在其他治疗方法难以到达的组织（如患者的淋巴结）中，B细胞的深度耗竭。
嵌合抗原受体T细胞（CAR-T，粉红色）接近并破坏B细胞。今年，CAR-T疗法在对抗狼疮等自身免疫疾病方面跨出了一大步（N. Burgess/Science）
詹姆斯·韦伯空间望远镜探测宇宙起源
那些令人眼花缭乱的星系在时间之始都发生了什么？自从美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）天文台在2022年2月睁开它巨大的眼睛以来，这架太空望远镜发现的宇宙最早时期的明亮星系，比人们理论预测认为的要更多。今年，对星系远古光波的详细研究已经开始解释可能发生的事情。
被遥远的早期星群红光笼罩——JWST最早的图像之一（NASA; ESA; CSA; STScI）
RNA杀虫剂用于农田
杀虫剂是一把双刃剑，在消灭害虫的同时也可能对非目标生物造成伤害。今年，美国国家环境保护局（EPA）批准了可能的解决方案：一种基于RNA的杀虫喷雾剂，针对特定害虫的基因进行了精准设计。支持者认为，这种新的、精确的方法将比现有的化学杀虫剂更安全，并且可能对许多害虫有效。第一种RNA杀虫剂产品针对的是马铃薯叶甲，这种甲虫已经对现有化学药剂产生了抗药性，每年在全球范围内造成五亿美元的农作物损失。
与目前的商业杀虫剂不同，基于RNA干扰的杀虫剂针对特定的害虫（Edwin Remsberg/VWPics via AP Images）
固氮细胞器的发现增添了进化论的转折点
某些细菌能够“固定”大气中的氮，将其转化为植物可利用的氨，用于合成蛋白质及其他必需分子。但直到今年，尚未发现任何真核生物（即拥有复杂细胞结构的生物，如植物和动物）具备这种能力。随着硝基体（nitroplast）的发现，这种局面发生了变化，硝基体是海藻细胞中独特的固氮结构。该发现不仅揭示了我们对细胞复杂性进化的认知尚存不足，也预示着未来通过获取硝基体，农作物或许能够实现自给自足的肥料供应。
在海藻Braarudosphaera bigelowii中发现了一种新的细胞器，即硝基体（圆形物体，右下）（Tyler Coale）
一种新磁性的发现
近百年来，物理学家已知存在两种永磁体，如今，他们发现了第三种。
在我们熟知的铁磁体中，相邻原子上的未配对电子以相同的方向自旋，使材料表现出磁性，比如，磁铁能够吸附在冰箱上；而在反铁磁体中，相邻的电子以相反的方向自旋，但整体上不显示磁性，例如铬。5年前提出的新型交错磁体（altermagnet）兼具上述两种磁体的特点。相邻的电子以相反的方式自旋，保证了零净磁性，同时在更深层次上，这种材料也表现出类似铁磁体的性质。今年，多个研究团队展示了这种独特的特性。
在交错磁体中，相邻的电子自旋方向相反（颜色），但原子尺度结构中具有不同定向（形状）（Libor ?mejkal and Anna Birk Hellenes）
古代真核生物的多细胞性很早就出现了
今年初，来自中国的微小藻类化石的年龄极其古老，令进化生物学家感到震惊。这些16亿年前的标本表明，复杂生命体的一个重要标志——多细胞体出现的时间远远早于先前的估计。
研究人员过去认为，真核生物（包括所有植物、动物和真菌在内的将DNA封装在细胞核内的生物）最初以单个细胞的形式存在了约10亿年，随后才逐渐形成细胞链。这一转变的发生为更复杂生物体的演化铺平了道路，而这些生物体在大约5.5亿年前开始大量出现。
然而，这项新发现揭示，简单的多细胞真核生物在更复杂的身体结构（包括无法直接接触外界环境的细胞）出现之前的约10亿年就已经存在。早在几十年前，中国燕山的串岭沟组中也发现了类似的化石，这些地层同样拥有16亿年的历史。其发现者将其命名为“壮丽青山藻”（Qingshania magnifica）。但由于该发现发表在一本不太知名的期刊上，因此并未引起广泛关注。2015年，中国的古生物学家重返该地区，在随后的几年里，他们又发现了278个壮丽青山藻标本，并对其进行了详细分析。
这些微观化石的研究揭示，单细胞真核生物细胞的链接可能远早于先前的估计
（Lanyun Miao et al./Chinese Academy of Sciences’s Nanjing Institute of Geology and Palaeontology）
地幔波动能影响大陆轮廓的形成
当板块构造的力量撕裂大陆时，这是一个极其剧烈的过程，尽管其进展速度缓慢。这一过程在过去被认为具有高度局部性：沿裂谷带上涌的热地幔岩石产生岩浆，而远离裂谷带的大陆内部则保持寒冷且相对稳定。然而，今年的研究颠覆了这一传统观点，揭示了这种局部的剧烈活动实际上在地幔中引发了扩展的波动，进而影响了整个大陆的地貌。
今年8月发表在《自然》杂志上的一项研究表明，这种波动是对板块构造理论的重要补充。研究者们提出，当裂谷形成时，上涌的地幔物质与冷的大陆板块接触，导致了旋转的岩石对流。这些旋涡状的对流以极慢的速度沿着大陆的基底移动，类似于船底下的湍流。随着它们的滚动，这些对流在上方造成了多种地质效应。
南非的中央高原可能就是由地幔岩石流动波推动抬升的结果（Laranik/Alamy Stock Photo）
“星舰”着陆成功实现“筷子夹住火箭”
今年，“星舰”这艘世界上最巨型、最强大的火箭，高达120米的不锈钢结构，在33个引擎的强劲推力下轰鸣着升空了四次。然而，10月13日，“星舰”助推器的成功着陆更为引人注目：助推器以超音速从高空下降，通过重启部分发动机将其速度降至几乎静止的悬停状态，并由发射塔的机械臂将其精准捕获。这次成功有望大幅降低太空科学研究的成本，标志着成本可负担的重型火箭新时代的到来。
从古代骨骼和牙齿中提取的DNA为了解很久以前的人口流动、传染病演变和史前饮食提供了见解。现在，它也揭示了家族秘密。在今年，大量的研究为几千年前去世的人们重建了家谱。
了解遗传亲缘关系可以揭示过去社会的相关信息，而这些信息仅靠考古学永远无法得到答案。例如，将德国南部凯尔特酋长的DNA数据与他们墓地的细节相结合，可以发现2500年前，该地区最有权势的男性通过他们的母亲继承了他们的力量——一种被称为母系制的社会组织形式。与此同时，对石器时代欧洲农民的亲属关系分析表明，父系是主流社会形式。本周发表的一项研究发现，4万多年前第一批生活在欧洲的现代人中，有两名女性来自一个大家庭，尽管她们在临终前相距数百公里。
随着研究人员对更多个体进行样本测定，这类发现将变得更加普遍，并能使遥远过去的亲属关系更加明朗。
公元7世纪匈牙利，被埋在一匹马旁边的一名男性，现在拥有了一段家族历史
（Institute of Archaeological Sciences/E?tv?s Loránd University Museum）
