“Science年度十大科学突破"是由《Science》杂志每年组织评选的一项活动，旨在表彰一年中全球范围内最引人注目的科学研究成果。近日，《Science》杂志公布了其评选的2024年度十大科学突破。

1、长效HIV预防药物

一种名为lenacapavir的新型注射药物被证明可以提供长达6个月的高效保护，防止HIV感染。两次大型临床试验分别在非洲年轻女性和全球多个大陆的不同性别群体中取得了接近100%的防护效果。这为全球降低HIV感染率带来了新的希望。

Lenacapavir

Lenacapavir的作用机制：与传统的HIV药物不同，lenacapavir通过与HIV的衣壳蛋白相互作用，阻止病毒进入细胞核并干扰新病毒颗粒的形成。这种药物的成功源于对HIV衣壳蛋白结构和功能的新理解，为其他病毒疾病的治疗提供了新的思路。

lenacapavir的高效性和长效性使其成为最有前途的PrEP药物之一。然而，其广泛应用还取决于监管批准、价格设定以及能否克服社会经济障碍，确保更多人能够获得这种药物。

虽然lenacapavir PrEP可能无法完全实现联合国艾滋病规划署（UNAIDS）设定的目标，但它有望保护数百万人免受HIV感染。科学家们继续寻找更持久、更广泛的免疫干预措施，如疫苗，以最终结束HIV/AIDS疫情。

总结来说，lenacapavir作为一种新型的HIV预防工具，展示了巨大的潜力，但也面临着诸多挑战。它的成功不仅依赖于科学和技术的进步，还需要政策支持和社会共同努力，才能真正改变HIV/AIDS的防控局面。

2、细胞基因疗法治疗自免疾病

狼疮、硬皮病、多发性硬化症等自身免疫性疾病是由于免疫系统攻击自身健康组织引起的。现有的治疗方法如免疫抑制药物虽然有所帮助，但并不能总是阻止疾病进展，并且可能会带来严重的副作用。

CAR-T细胞基因疗法最初作为一种血液癌症的有效治疗方法，在十几年前首次亮相，并随后成为2013年《科学》杂志评选的年度突破之一。该疗法通过从患者体内提取T细胞，然后对其进行基因工程改造，使其能够识别并摧毁癌变B细胞，再将这些改造后的T细胞重新注入患者体内。对于某些类型的白血病和淋巴瘤，CAR-T细胞基因疗法可以彻底清除癌变的B细胞。

另外，B细胞在自身免疫疾病中扮演着不光彩的角色，尤其通过分泌有害的自身抗体对患者身体的关节、肺部和肾脏等组织发起攻击，造成组织器官的损伤。近年来，研究人员开始探索CAR-T细胞基因疗法在自身免疫疾病中的潜力。德国的研究人员报告了15名患有狼疮、硬皮病或肌炎的患者在接受CAR-T细胞基因治疗后的效果，其中8名狼疮患者实现了无药缓解，其他患者的症状也有所改善。此外，还有针对重症肌无力和僵人综合征的成功案例。

研究表明，经过基因工程改造的T细胞可以在难以触及的组织中（如患者的淋巴结）深度清除B细胞，这可能是其疗效显著的原因之一。

尽管CAR-T细胞基因疗法在自身免疫疾病治疗方面取得了令人鼓舞的成果，但仍有许多问题需要进一步研究。科学家们正在努力了解严重副作用（如免疫过度反应）的发生频率，以及完全缓解的普遍性和持续时间。

总结来说，CAR-T细胞基因疗法为自身免疫疾病的治疗开辟了新的篇章，提供了可能更有效且副作用较少的新选择。随着更多临床试验的开展和技术的进步，这种创新疗法有望为更多患者带来希望。

3、詹姆斯·韦伯太空望远镜的新发现

自2022年2月詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）启动以来，它以无与伦比的灵敏度揭示了宇宙早期星系的秘密。作为有史以来最强大的太空观测设备，JWST被设计用于探索宇宙诞生后的最初几十亿年，其捕捉到的微弱红外光远超以往任何仪器。在初期观测中，JWST发现了数量远超预期、亮度惊人的古老星系，这些星系的存在挑战了现有的星系演化理论。

研究人员估计，某些候选星系可能拥有银河系级别的质量，但根据当前理论，它们不应该在宇宙如此年轻时就形成。这提出了两个主要假设：一是这些星系内含有大量超大质量恒星，使它们显得异常明亮；二是早期宇宙中存在大量活跃的黑洞，通过吞噬物质释放出强烈光芒。这两种情况均暗示着宇宙早期环境特别适合快速形成巨大的恒星和黑洞。

光谱分析进一步支持了上述观点。它显示早期星系富含碳、氧等重元素，这些只能由短命的巨大恒星在其内部合成，并在超新星爆炸后散布至星际空间。这意味着宇宙早期便能迅速孕育出巨量的恒星。同时，光谱数据也指出了活跃的大质量黑洞是早期光明的重要来源之一。尽管现代黑洞通常由大质量恒星死亡后坍缩形成，但在宇宙极早期，可能存在直接从巨大气体云塌缩而成的黑洞，解释了这些“巨兽”为何能够如此迅速地出现。

总之，JWST的发现正在重塑我们对宇宙起源的理解，揭示了一个比预想中更加活跃和复杂的早期宇宙。随着更多数据的积累，科学家们将逐步揭开宇宙诞生之初的神秘面纱。

4、基于RNA农药的应用

传统的杀虫剂往往会对非目标物种造成伤害。为了寻找更精准且环保的解决方案，美国环境保护署（EPA）批准了一种基于RNA干扰（RNAi）技术的新型杀虫剂。这种新方法被认为比现有化学杀虫剂更为安全，并且可以针对多种害虫。

由GreenLight Biosciences公司开发的Calantha是第一个获得批准的RNA农药，专门用于对抗科罗拉多土豆甲虫。这种害虫已经对传统杀虫剂产生了抗药性，每年导致全球约5亿美元的作物损失。Calantha通过干扰甲虫体内特定基因的表达，阻止关键蛋白质的合成，从而在几天内杀死幼虫。

另外，研究人员希望进一步将RNAi技术应用于蛾类和其他鳞翅目昆虫，这类昆虫中的一些种类如小菜蛾和秋粘虫是对农作物最具破坏性的害虫之一。然而，由于鳞翅目昆虫的肠道酶容易降解RNA，科学家们正在探索将RNA封装在微小保护壳内的方法，以提高其稳定性。

尽管RNA农药具有针对性强的优点，但害虫也可能逐渐进化出抵抗能力。实验室测试表明，科罗拉多土豆甲虫和玉米根虫在高剂量暴露下可以发展出对RNA的抗性。因此，合理使用RNA农药对于保持其长期有效性至关重要。

5、新细胞器硝化体的发现

研究人员在海洋藻类中发现了一种新的细胞器——硝化体，它能够固定大气中的氮气并转化为氨，这是首次在真核生物中观察到这种能力。这一发现不仅揭示了细胞复杂进化的新一面，还为未来开发自给氮肥的作物提供了可能性。

通过DNA研究，科学家们确定硝化体大约在1亿年前由海洋藻类与固氮蓝细菌之间的共生关系演化而来。随着时间推移，蓝细菌失去了部分基因和生化功能，依赖于宿主藻类生存，并按照其生命周期进行繁殖。这种共生关系类似于叶绿体和线粒体的形成过程。

另外，研究人员还在硅藻中发现了类似的固氮结构，这些硅藻大约3500万年前开始与固氮蓝细菌共生，但尚未完全整合为细胞器。此外，今年还发现了一种含有与豆科植物根瘤菌远亲的固氮蓝细菌的硅藻，这为进一步理解固氮机制及其应用于农作物提供了线索。

6、新型磁性材料的发现

物理学家发现了第三类永久磁性材料——交替磁体。与传统的铁磁体和反铁磁体不同，交替磁体中的相邻电子自旋方向相反，但在更深层次上表现出类似铁磁体的特性，导致净磁性为零的同时打破了时间反转对称性。

根据理论模型，铁磁体中未配对的电子在同一方向自旋，产生整体磁性；反铁磁体中相邻电子自旋方向相反，无整体磁性。而交替磁体则结合了两者的特征，其费米表面在时间反转后发生可检测的变化。实验上，多个研究团队已经在锰碲化物和铬锑化物等材料中观测到了这种独特的磁性行为。

交替磁体可能用于制造超高速磁开关，有望在电子学领域带来革命性的变化。

7、早期真核生物的多细胞结构很早就已出现

今年年初，在中国发现了16亿年前的微化石，这些化石展示了早期真核生物可能已经发展出简单的多细胞形式。这一发现比之前认为的时间提前了约10亿年。

这些化石被命名为“Qingshania magnifica”，由多达20个圆柱形细胞组成的链状结构，具有类似植物的相邻细胞壁。部分化石中还含有类似孢子的小球体，表明这些多细胞丝状体可能具备专门的生殖结构。

通过化学分析排除了这些化石是蓝细菌的可能性，进一步确认它们属于一种丝状绿藻，类似于现代的一些绿藻种类。

结合近期的研究，类似的古老多细胞真核生物化石也在印度、加拿大和澳大利亚被发现，表明这种早期多细胞形式在当时可能是普遍存在的。

8、地幔波对大陆地形的影响

长期以来，科学家们认为当板块构造导致大陆分裂时，只有沿着裂谷带的局部区域会受到影响，而远离裂谷的大陆内部则保持稳定。

最新的研究表明，大陆分裂过程中产生的地幔波可以影响整个大陆的地形。当地幔物质上升并与冷的大陆板块摩擦时，会产生漩涡状的对流电流，这些电流沿着大陆底部流动，像船底下的湍流一样。

这些地幔波可以解释一些位于古老大陆内部的高原地貌，如巴西高地和印度的西高止山脉。随着地幔波的通过，较重的岩石被剥离，留下轻质岩石，从而使地面抬升1到2公里，形成高原。

地幔波还可能引发特殊的火山喷发（如金伯利岩），并可能导致侵蚀加剧、海洋灭绝事件以及地震活动增加。这表明大陆与地幔之间的相互作用比以前认为的更加动态和复杂。

9、“星舰”着陆成功

SpaceX的“星舰”作为全球最大的可重复使用运载工具，在今年进行了多次飞行测试。其中最引人注目的是10月13日的助推器回收，火箭以超音速从空中降落，通过重新点燃部分引擎减速，并最终被发射塔的机械臂成功捕获。

这次成功的回收标志着可重复使用重型运载火箭时代的到来，有望大幅降低太空探索的成本。SpaceX创始人埃隆·马斯克希望通过这一技术将进入轨道的成本降低到现有水平的十分之一，甚至更低，从而使火星殖民等远大目标变得更加现实。

科学家们也将受益于更频繁和经济的太空任务。例如，未来可以发射更多的火星探测车或组建比哈勃望远镜更大、功能更强的空间望远镜。此外，这种技术还可能促使NASA放弃昂贵的太空发射系统（SLS），转而采用更具成本效益的解决方案，推动空间科学更快、更好、更便宜地发展。

10、远古DNA揭示家族关系

随着古代DNA提取技术和分析成本的降低，研究人员能够重建数千年前的人类家族树，揭示了古代社会的家庭结构和社会组织模式。

通过对古代骨骼和牙齿中的DNA进行分析，科学家们发现了远距离亲属关系，如一对生活在5000年前欧亚草原上的五代旁系亲属，尽管他们相距1500公里。另一个例子是两位生活在超过4万年前的早期现代欧洲女性，尽管她们去世时相隔数百公里，但属于同一个大家族。

结合考古学信息，DNA数据帮助揭示了一些古代社会的社会组织形式。例如，对德国南部凯尔特酋长的研究表明，2500年前的权力继承方式是母系传承；而对石器时代欧洲农民的研究则显示男系的重要性。这些发现为理解古代社会提供了新的视角，使我们能够更清晰地看到遥远过去的人类联系。