【年度重磅】2025 Science十大科學(xué)突破榜單揭曉！

Breakthrough

of The Year

2025年度十大科學(xué)突破

每一年，《科學(xué)》雜志的編輯團(tuán)隊(duì)都會(huì)評(píng)選出年度十大科學(xué)突破，其中包括一項(xiàng)科學(xué)突破冠軍獎(jiǎng)以及九項(xiàng)科學(xué)突破入圍獎(jiǎng)。它們是這一年中最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)進(jìn)展和趨勢(shì)。

讓我們一起來(lái)揭曉2025年度的十大科學(xué)突破榜單吧！

早安，陽(yáng)光！

TIM APPENZELLER

在中國(guó)安徽，太陽(yáng)能電池板如鎧甲般覆蓋著整片山坡，僅留出一條通道穿行其間。遠(yuǎn)處的山脊上則矗立著風(fēng)力渦輪機(jī)，它們同屬這場(chǎng)能源革命中飛速發(fā)展的組成部分，助力減輕空氣污染，并減緩了中國(guó)碳排放的增長(zhǎng)速度。攝影：George Steinmetz

自工業(yè)革命以來(lái)，人類社會(huì)一直依賴于來(lái)自“遠(yuǎn)古的太陽(yáng)能”——這些能量由數(shù)億年前的植物捕獲，儲(chǔ)存在化石燃料中，并從地下挖掘和鉆取而來(lái)。但今年，勢(shì)頭已明確轉(zhuǎn)向來(lái)自“今天的太陽(yáng)”的能源。可再生能源——其中大部分來(lái)自陽(yáng)光本身或最終由太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)能——已在多個(gè)方面超越了傳統(tǒng)能源。

在肯尼亞內(nèi)羅畢的基貝拉貧民窟，小型屋頂太陽(yáng)能系統(tǒng)為居民提供了廉價(jià)且可靠的能源

根據(jù)能源智庫(kù)Ember的數(shù)據(jù)，今年，可再生能源已超過(guò)煤炭成為全球電力首要來(lái)源，并且今年1至6月，太陽(yáng)能和風(fēng)能的增長(zhǎng)量足以覆蓋全球電力需求的全部增幅。今年9月，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在聯(lián)合國(guó)宣布，中國(guó)將在十年內(nèi)將碳排放削減高達(dá)10%，方法并非減少能源使用，而是加倍投入風(fēng)能和太陽(yáng)能。非洲和南亞的太陽(yáng)能電池板進(jìn)口量飆升，因?yàn)楫?dāng)?shù)孛癖娨庾R(shí)到屋頂太陽(yáng)能可以低成本地為燈具、手機(jī)和風(fēng)扇供電。

而這一希望出現(xiàn)在一片悲觀色彩之上。這在11月于巴西貝倫舉行的聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)上尤為突出。由于各國(guó)未能實(shí)現(xiàn)2015年《巴黎氣候協(xié)定》中承諾的減排目標(biāo)，全球碳排放量持續(xù)攀升。將全球變暖限制在1.5°C以內(nèi)的目標(biāo)一直以來(lái)都希望渺茫，如今似乎已完全遙不可及。但牛津大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)家兼氣候博主漢娜·里奇（Hannah Ritchie）等人看到了希望。她表示，得益于可再生能源，人們期待已久的化石燃料衰退已近在眼前。中國(guó)“正處于真正開始淘汰煤炭的臨界點(diǎn)”，世界其他地區(qū)的化石燃料使用也可能隨之下降。

中國(guó)強(qiáng)大的工業(yè)引擎是主要驅(qū)動(dòng)力。經(jīng)過(guò)多年通過(guò)補(bǔ)貼耐心培育該行業(yè)，中國(guó)如今主導(dǎo)著全球可再生能源技術(shù)的生產(chǎn)。中國(guó)生產(chǎn)了全球80%的太陽(yáng)能電池、70%的風(fēng)力渦輪機(jī)和70%的鋰電池，其價(jià)格是任何競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都無(wú)法匹敵的。美國(guó)亞洲協(xié)會(huì)政策研究所的中國(guó)氣候中心主任李碩表示：“中國(guó)確實(shí)掌握了價(jià)格優(yōu)勢(shì)，這得益于其經(jīng)濟(jì)規(guī)模、制造能力和國(guó)內(nèi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。”

蓄勢(shì)迎風(fēng)展翼：風(fēng)力渦輪機(jī)葉片正等待從三一工廠運(yùn)出。中國(guó)生產(chǎn)了全球三分之二的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中大部分安裝于國(guó)內(nèi)，但來(lái)自國(guó)際的訂單正在逐步增加。攝影：George Steinmetz

隨著產(chǎn)量激增，價(jià)格下降，需求也隨之起飛；這形成了一個(gè)良性循環(huán)：可再生能源技術(shù)已發(fā)展成一個(gè)占中國(guó)經(jīng)濟(jì)比重超過(guò)10%的產(chǎn)業(yè)。風(fēng)能和太陽(yáng)能在世界大部分地區(qū)已成為最便宜的能源。

敦煌首航100MW熔鹽塔式光熱電站，一排排傾斜背對(duì)太陽(yáng)的反射鏡正等待維護(hù)

與能獨(dú)立發(fā)電的太陽(yáng)能電池板不同，該電站的1.2萬(wàn)面反射鏡將陽(yáng)光匯聚至中央發(fā)電站。在反射鏡的焦點(diǎn)處，一座因聚光而熠熠生輝的塔內(nèi)儲(chǔ)存著565°C的熔鹽

這些熔鹽產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電——由于熔鹽能在夜間持續(xù)保溫，電站可實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行。更能體現(xiàn)中國(guó)可再生能源熱潮的，是架設(shè)在河流淺灘處的太陽(yáng)能電池板，它們既為電網(wǎng)供電，也為鵝群提供了蔭蔽。以上三圖攝影：George Steinmetz

從中國(guó)工廠涌出的技術(shù)浪潮改變了中國(guó)的能源格局，也改變了其自然景觀。數(shù)十年來(lái)，中國(guó)的發(fā)展與煤炭密不可分，煤炭導(dǎo)致了糟糕的空氣污染和巨大的碳排放，中國(guó)的排放量仍高于所有其他發(fā)達(dá)國(guó)家的總和。如今，太陽(yáng)能電池板覆蓋了沙漠和陽(yáng)光充足的高原西藏，高達(dá)300米的風(fēng)力渦輪機(jī)矗立在海岸線和山頂。中國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電量在過(guò)去十年增長(zhǎng)了20多倍，太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)現(xiàn)在的總裝機(jī)容量足以滿足整個(gè)美國(guó)的電力需求。

志向高遠(yuǎn)

價(jià)格下跌推動(dòng)了太陽(yáng)能和風(fēng)能的裝機(jī)容量激增，其增速遠(yuǎn)超任何其他能源。本圖展示的是裝機(jī)容量，這種對(duì)比對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能有利，因?yàn)樗鼈兠刻靸H能在少數(shù)時(shí)間內(nèi)滿功率發(fā)電，這與化石能源和核能不同。但今年，可再生能源的總發(fā)電量已超過(guò)煤炭。

*2025年數(shù)據(jù)為全年預(yù)測(cè)值。裝機(jī)容量包括并網(wǎng)資產(chǎn)及部分離網(wǎng)系統(tǒng)

中國(guó)蓬勃發(fā)展的綠色技術(shù)出口也正在改變世界其他地區(qū)。歐洲是長(zhǎng)期客戶，但全球南方國(guó)家也在市場(chǎng)力量和能源獨(dú)立愿望的推動(dòng)下，紛紛搶購(gòu)中國(guó)的太陽(yáng)能電池板、電池和風(fēng)力渦輪機(jī)。例如，在烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)推高天然氣價(jià)格和電網(wǎng)電力成本的背景下，巴基斯坦從2022年到2024年進(jìn)口的中國(guó)太陽(yáng)能電池板增長(zhǎng)了五倍。在南非，老舊且不可靠的燃煤電廠也催生了類似的情況。埃塞俄比亞則因擔(dān)心其支柱能源——水力發(fā)電會(huì)因日益頻繁的干旱而減少，轉(zhuǎn)而擁抱太陽(yáng)能和風(fēng)能。

迄今為止，這并非一個(gè)關(guān)于新技術(shù)的傳奇故事。李碩表示，中國(guó)“或多或少依賴美國(guó)半個(gè)世紀(jì)前發(fā)明的相同核心（太陽(yáng)能）技術(shù)”。當(dāng)時(shí)，美國(guó)為航天器制造精品電池板；如今，中國(guó)為全世界制造它們——更好、更便宜，且數(shù)量驚人。

日出之前，南京動(dòng)車段內(nèi)，一列列高速動(dòng)車組正靜靜等待，即將駛上貫穿全國(guó)的高鐵線路。以高達(dá)350公里的時(shí)速，從北京到上海1300公里的旅程，僅需4個(gè)多小時(shí)即可完成。George Steinmetz

技術(shù)進(jìn)步可能推動(dòng)未來(lái)的收益。目前的太陽(yáng)能電池由晶體硅制成，但另一種晶體——鈣鈦礦，可以與硅層疊串聯(lián)，制成通過(guò)捕獲更多光譜顏色來(lái)提高效率的電池。材料科學(xué)的進(jìn)步使風(fēng)力渦輪機(jī)葉片得以變得更長(zhǎng)，從而獲取更多能量，而浮動(dòng)式渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)則可以極大地?cái)U(kuò)展其可部署的海上區(qū)域。目前用于在陽(yáng)光和風(fēng)力不足時(shí)儲(chǔ)存能量的巨型鋰離子電池，未來(lái)也可能被其他化學(xué)電池所取代。釩液流電池和鈉電池可能更便宜；鋅空氣電池則可以儲(chǔ)存更多的能量。

青藏高原上，察爾汗鹽湖的湖水如翡翠般碧綠，吸引著游客的目光——同時(shí)，這片水域也蘊(yùn)藏著豐富的鋰資源。鋰是汽車電池和可再生能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的關(guān)鍵材料。這座寬達(dá)160公里的鹽湖，其鹵水在去年產(chǎn)出了超過(guò)5萬(wàn)噸碳酸鋰，足以滿足數(shù)十萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的電池需求。George Steinmetz

與此同時(shí)，氣候科學(xué)家已經(jīng)從現(xiàn)有技術(shù)中看到了益處。今年，得益于可再生能源的幫助，中國(guó)溫室氣體排放停止增長(zhǎng)，并使全球碳排放達(dá)峰成為可能。但要真正減少排放，世界需要將今年跨越的閾值僅僅視為一個(gè)起點(diǎn)。

塔夫茨大學(xué)能源與氣候?qū)＜覄P利·西姆斯·加拉格爾（Kelly Sims Gallagher）表示：“令我擔(dān)憂的是，中國(guó)仍在繼續(xù)建設(shè)燃煤電廠。”過(guò)去一年，有數(shù)十座新電廠投運(yùn)，盡管許多處于閑置狀態(tài)，等待作為“調(diào)峰電廠”啟動(dòng)以滿足需求高峰。在美國(guó)，特朗普政府已對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能的發(fā)展宣戰(zhàn)，價(jià)格低廉的中國(guó)太陽(yáng)能電池板也面臨著巨大的貿(mào)易壁壘。而美國(guó)的煤炭消費(fèi)量則在長(zhǎng)期下降之后，今年有所上升。

充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能所需的基礎(chǔ)設(shè)施是另一個(gè)障礙。中國(guó)正在建設(shè)電池儲(chǔ)能場(chǎng)以存儲(chǔ)綠色電力，并建設(shè)長(zhǎng)距離輸電線路將其輸送到城市，但速度可能還不夠快。航空業(yè)和重工業(yè)短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)純電力驅(qū)動(dòng)。

然而，如果未來(lái)潛藏著擔(dān)憂，那么回顧過(guò)去則彰顯了可再生能源取得的驚人進(jìn)步。在2004年，全球安裝1吉瓦（10億瓦）的太陽(yáng)能發(fā)電容量需要整整一年。而如今，每一天上線的容量都是這個(gè)數(shù)字的兩倍。在那時(shí)，可再生能源戴著一頂?shù)赖鹿猸h(huán)：買家出于氣候擔(dān)憂而支付比化石能源更高的溢價(jià)。而現(xiàn)在，真正的驅(qū)動(dòng)力是人們的自身利益：更低的成本和更高的能源安全。

這種動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)變可能是所有突破中最為重要的一個(gè)，它確保了2025年的拐點(diǎn)僅僅是一個(gè)開始。

在太倉(cāng)港——上海上游的港口，大批汽車（其中大部分為電動(dòng)車）正等待出口。2024年，中國(guó)生產(chǎn)了超過(guò)1200萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，占全球總產(chǎn)量的70%，其中出口達(dá)128萬(wàn)輛。George Steinmetz

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其他9項(xiàng)Science年度科學(xué)突破分別為：

定制化基因編輯為極罕見疾病帶來(lái)新希望

Jocelyn Kaiser

KJ Muldoon

患有危及生命代謝疾病的男嬰KJ Muldoon成為全球首位接受個(gè)性化基因編輯治療的患者，這一進(jìn)展為針對(duì)獨(dú)特基因突變的定制化治療開辟了道路。

患兒KJ因CSP1基因缺陷無(wú)法代謝氨，傳統(tǒng)上需要嚴(yán)格限制蛋白飲食并進(jìn)行肝移植。研究人員在他出生后迅速開發(fā)出堿基編輯器，以修復(fù)其基因中的一個(gè)“拼寫錯(cuò)誤”。在細(xì)胞和動(dòng)物測(cè)試后，研究團(tuán)隊(duì)于KJ 6個(gè)月大時(shí)獲得批準(zhǔn)，通過(guò)脂質(zhì)納米顆粒遞送編輯器進(jìn)行治療。后續(xù)治療使得KJ的蛋白質(zhì)攝入增加、體重增長(zhǎng)，且控氨藥物需求減少。

目前，研究人員計(jì)劃調(diào)整該編輯器以治療其他五名類似代謝疾病患者。美國(guó)FDA認(rèn)為這些定制療法差異微小，可在單一臨床試驗(yàn)中測(cè)試，此監(jiān)管簡(jiǎn)化使得堿基編輯技術(shù)有望應(yīng)用于更多源于不同突變的罕見病。然而，此類療法仍面臨高昂費(fèi)用和安全不確定性的限制。

對(duì)抗性傳播疾病的新武器

Martin Enserink

兩種淋病新藥在大型臨床試驗(yàn)中證實(shí)有效，并于本月獲美國(guó)FDA批準(zhǔn)。這是幾十年來(lái)首批對(duì)抗該性傳播疾病的新武器，其問世正值現(xiàn)有療法日趨失效之際。

淋病每年感染超8000萬(wàn)人，可導(dǎo)致疼痛、生殖器分泌物、出血，并引發(fā)嚴(yán)重并發(fā)癥如女性盆腔炎和男女不孕。它還會(huì)增加HIV感染風(fēng)險(xiǎn)，并可致新生兒眼感染失明。致病菌淋病奈瑟菌已對(duì)幾乎所有使用過(guò)的抗生素產(chǎn)生耐藥，包括目前最后有效的一線藥物頭孢菌素。

今年5月，《柳葉刀》發(fā)表了新藥Gepotidacin的三期試驗(yàn)結(jié)果。該藥由GSK在美國(guó)政府資助下研發(fā)，已獲批治療尿路感染，對(duì)淋病的療效與現(xiàn)有藥物相當(dāng)。作為全新一類抗生素，它通過(guò)同時(shí)靶向DNA旋轉(zhuǎn)酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV來(lái)抑制細(xì)菌DNA復(fù)制。

另一種新藥Zoliflodacin由Innoviva公司與全球抗生素研發(fā)伙伴關(guān)系（GARDP）合作開發(fā)。它同樣靶向DNA旋轉(zhuǎn)酶，但作用機(jī)制不同。12月11日《柳葉刀》發(fā)表的跨國(guó)三期研究顯示其有效且無(wú)嚴(yán)重副作用。這兩種藥物均可口服，相較于需要注射的頭孢菌素更具優(yōu)勢(shì)。科學(xué)家肯定其價(jià)值，但警告其如所有前代藥物一樣，有效期可能有限。面對(duì)淋病奈瑟菌這樣狡猾的微生物，尋找新抗生素的斗爭(zhēng)永遠(yuǎn)不會(huì)停止。

導(dǎo)致淋病的獨(dú)特淋病雙球菌，已對(duì)幾乎所有抗生素產(chǎn)生耐藥性

神經(jīng)元向癌細(xì)胞進(jìn)行致命“饋贈(zèng)”

Mitch Leslie

腫瘤會(huì)誘使包括神經(jīng)元在內(nèi)的多種細(xì)胞助其生長(zhǎng)擴(kuò)散。研究人員發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)細(xì)胞通過(guò)傳遞線粒體（細(xì)胞的主要供能細(xì)胞器）提供幫助，這使癌細(xì)胞被“超級(jí)充電”，更易擴(kuò)散，阻斷該傳遞或可減緩轉(zhuǎn)移。

已有證據(jù)表明神經(jīng)會(huì)助力癌癥。切斷腫瘤神經(jīng)連接可減緩其生長(zhǎng)或致其萎縮，并破壞癌細(xì)胞代謝。為探究原因，研究人員共同培養(yǎng)癌細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞，并標(biāo)記神經(jīng)元線粒體。他們通過(guò)顯微鏡觀察到神經(jīng)細(xì)胞通過(guò)微小橋狀結(jié)構(gòu)將線粒體傳遞給癌細(xì)胞，并在實(shí)驗(yàn)鼠和人類前列腺腫瘤樣本中證實(shí)了此轉(zhuǎn)移。

由于癌細(xì)胞分裂快、耗能高，研究使用自身線粒體缺陷的培養(yǎng)癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)獲得的線粒體能提升其代謝。為明確線粒體“捐贈(zèng)”對(duì)癌癥生長(zhǎng)的影響，研究人員開發(fā)了一種技術(shù)：當(dāng)癌細(xì)胞從其他細(xì)胞獲取線粒體后會(huì)顯示綠色熒光。將兩種細(xì)胞混合物植入小鼠后，原始腫瘤中僅5%的癌細(xì)胞變綠，而肺轉(zhuǎn)移灶和腦轉(zhuǎn)移灶中該比例分別升至27%和46%。

其他細(xì)胞也會(huì)共享線粒體，但新研究表明神經(jīng)元可能尤為“慷慨”。這或有助于未來(lái)開發(fā)療法，迫使神經(jīng)細(xì)胞保留其自身線粒體。

線粒體（綠色）從神經(jīng)元（藍(lán)色）移動(dòng)至相鄰的癌細(xì)胞（紅色），可能促進(jìn)癌轉(zhuǎn)移

天空中的全視之眼

Daniel Clery

一種旨在加速新型天文學(xué)發(fā)展的望遠(yuǎn)鏡今年在智利山頂建成。維拉·C·魯賓天文臺(tái)并不放大特定目標(biāo)，而是持續(xù)掃視天空。從明年初開始，它將持續(xù)10年，每3天以前所未有的細(xì)節(jié)記錄整片天空，每夜產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)條關(guān)于天體移動(dòng)、變化或突然出現(xiàn)的警報(bào)。一年內(nèi)，其收集的光學(xué)數(shù)據(jù)將超過(guò)歷史總和，并逐步構(gòu)建最詳細(xì)的宇宙三維地圖（面向所有人開放）。

如此高效采集星光需要突破性的技術(shù)：一個(gè)能在相當(dāng)45個(gè)滿月視場(chǎng)內(nèi)生成無(wú)失真圖像的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，以及一個(gè)能秒速輸出3200兆像素圖像的汽車大小的相機(jī)。光纖將圖像從智利帕瓊山頂傳至美國(guó)加利福尼亞，計(jì)算機(jī)在拍攝后1分鐘內(nèi)分析并發(fā)出警報(bào)。面對(duì)每夜千萬(wàn)條警報(bào)，天文學(xué)家將依靠智能算法從平凡的礫石中篩選出恒星寶石。

數(shù)據(jù)洪流將影響天文學(xué)所有領(lǐng)域。它將使太陽(yáng)系已知天體數(shù)量倍增，或有望發(fā)現(xiàn)假設(shè)中的海王星外“第九行星”。它將近距離觀測(cè)多種宇宙爆炸，揭示星系如何形成、合并與演化，并助力研究暗物質(zhì)如何塑造星系及暗能量如何加速宇宙膨脹。建造這樣一臺(tái)機(jī)器已是壯舉，而它更將成為孕育更多未來(lái)突破的搖籃。

與丹尼索瓦人面對(duì)面

Andrew Curry

今年，研究人員終于為我們一位失散已久的親屬“還原”了面容——DNA證據(jù)證實(shí)，一具被稱為“龍人”的14.6萬(wàn)年前的頭骨屬于丹尼索瓦人。這是一個(gè)已滅絕的人類支系，與尼安德特人一樣，曾與現(xiàn)代人類共同生活在這個(gè)星球上。

2010年，遺傳學(xué)家宣布，他們根據(jù)從西伯利亞丹尼索瓦洞中發(fā)現(xiàn)的一節(jié)指骨碎片中提取的DNA，發(fā)現(xiàn)了一種與尼安德特人和現(xiàn)代人類關(guān)系密切的新古人類。但在隨后的15年里，丹尼索瓦人一直“沒有面孔”。從中國(guó)臺(tái)灣到西藏的其他亞洲遺址發(fā)現(xiàn)的小塊骨頭也提取出了丹尼索瓦人DNA。但由于沒有完整的個(gè)體甚至頭骨，科學(xué)家無(wú)從知曉丹尼索瓦人的模樣，也無(wú)法利用外貌特征來(lái)識(shí)別可能早已存放在博物館藏品中的丹尼索瓦人化石。

這一情況在今年發(fā)生了改變。中國(guó)的研究人員成功地從一具幾十年前在哈爾濱附近發(fā)現(xiàn)的古頭骨中提取出了DNA。其來(lái)源不同尋常——并非來(lái)自牙齒或內(nèi)耳骨這些古遺傳物質(zhì)的常見來(lái)源，而是從“龍人”唯一留存牙齒上刮下的、僅0.3毫克的硬化牙垢樣本。（牙垢中捕獲的遺傳物質(zhì)主要來(lái)自細(xì)菌，但也包含唾液和口腔中其他液體的DNA。）

那顆黑化臼齒上已化石化的牙垢，將DNA封存在一種礦物基質(zhì)中，這比多孔的骨骼可能保存得更久。一經(jīng)測(cè)序，就將“龍人”的DNA與之前測(cè)序過(guò)的丹尼索瓦人DNA聯(lián)系了起來(lái)。進(jìn)一步的研究還將牙垢中的蛋白質(zhì)與其他丹尼索瓦人化石進(jìn)行了匹配，最終確認(rèn)這具擁有厚重眉脊、粗壯骨骼和有力下頜的頭骨屬于一名丹尼索瓦人。

既然“龍人”的身份已被揭示，研究人員將能更容易地根據(jù)骨骼和牙齒的形狀來(lái)識(shí)別其他丹尼索瓦人。發(fā)現(xiàn)更多個(gè)體可能有助于解決一個(gè)持續(xù)已久的爭(zhēng)論：這些神秘的古人類究竟是智人的一個(gè)亞種，還是一個(gè)獨(dú)立的物種？

大語(yǔ)言模型助力科學(xué)研究

Celina Zhao

2020年，谷歌DeepMind推出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型AlphaFold2，顛覆了人們對(duì)人工智能在科學(xué)領(lǐng)域所能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的預(yù)期。該成果曾被Science評(píng)為2021年度科學(xué)突破，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)隨后于2024年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。彼時(shí)，幾乎無(wú)人預(yù)見，那些基于數(shù)萬(wàn)億詞元訓(xùn)練、最初僅以生成類人文本為優(yōu)化目標(biāo)的通用大型語(yǔ)言模型（LLM），能夠在科學(xué)任務(wù)中取得類似成就。然而今年以來(lái)，LLM在多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中展現(xiàn)出相當(dāng)于博士水平的敏銳性和分析能力。

在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，DeepMind采用其先進(jìn)版本的Gemini大語(yǔ)言模型，在國(guó)際數(shù)學(xué)奧林匹克競(jìng)賽中斬獲金牌。與此同時(shí)，OpenAI開發(fā)的GPT-5在組合數(shù)學(xué)的數(shù)論和圖論等長(zhǎng)期未解的數(shù)學(xué)難題上取得了原創(chuàng)性突破，這些問題已困擾數(shù)學(xué)界數(shù)十年之久。

LLM不僅在測(cè)試中表現(xiàn)出色，還加速了科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。在化學(xué)領(lǐng)域，Meta公司的Llama大語(yǔ)言模型的一個(gè)微調(diào)版本僅通過(guò)15次實(shí)驗(yàn)就確定了一種此前未被報(bào)道的復(fù)雜反應(yīng)的最佳條件，為研究人員節(jié)省了數(shù)百次實(shí)驗(yàn)。

在生物學(xué)領(lǐng)域，谷歌開發(fā)的“代理型”人工智能協(xié)作系統(tǒng)從現(xiàn)有藥物中成功篩選出治療肝纖維化的新候選藥物，并在兩天內(nèi)復(fù)現(xiàn)了細(xì)菌中DNA寄生傳播的關(guān)鍵機(jī)制——這一成果若由研究人員獨(dú)立完成，往往需要耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間。

然而，并非所有實(shí)驗(yàn)均取得預(yù)期成果。在雄心勃勃的“Agents4-Science”項(xiàng)目中，大型語(yǔ)言模型被應(yīng)用于提出科學(xué)假設(shè)、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及執(zhí)行首輪同行評(píng)審，但該嘗試引發(fā)了眾多研究人員對(duì)人工智能的質(zhì)疑——其是否能夠以足夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞皆O(shè)計(jì)與評(píng)估科學(xué)問題。

盡管如此，大型語(yǔ)言模型所取得的關(guān)鍵突破仍為“人工智能賦能科學(xué)研究”的發(fā)展浪潮奠定了基礎(chǔ)。科技巨頭與投資者已向Periodic Labs、Lila Sciences及OpenAI for Science等衍生企業(yè)投入數(shù)億美元資金。隨著人工智能技術(shù)開始自主推動(dòng)下一代大型語(yǔ)言模型的迭代優(yōu)化，其發(fā)展?jié)摿θ找骘@現(xiàn)，未來(lái)前景愈發(fā)難以估量。

計(jì)算的突破助力揭示粒子物理新進(jìn)展

Adrian Cho

數(shù)十年來(lái)，粒子物理學(xué)家始終致力于尋找能夠挑戰(zhàn)主流理論——即標(biāo)準(zhǔn)模型——的現(xiàn)象。然而，今年6月，一項(xiàng)長(zhǎng)期開展的實(shí)驗(yàn)公布結(jié)果表明，與此前推測(cè)相反，一種名為μ子的基本粒子其磁性并未超出標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)范圍。盡管這一發(fā)現(xiàn)意味著最被寄予厚望的新物理跡象可能不復(fù)存在，但在表面失望的背后卻蘊(yùn)藏著一項(xiàng)重要成就：理論物理學(xué)家首次成功運(yùn)用格點(diǎn)規(guī)范理論這一數(shù)值方法，從第一性原理出發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)μ子磁性的高精度計(jì)算。

μ子是電子的一種更重且不穩(wěn)定的“表親”。根據(jù)量子場(chǎng)論，真空中會(huì)不斷出現(xiàn)并迅速湮滅的“虛擬粒子”，這些瞬態(tài)粒子會(huì)對(duì)μ子的磁矩產(chǎn)生微小修正，該效應(yīng)以g-2因子表示。若這些虛擬粒子中包含標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，則可能導(dǎo)致μ子磁性偏離理論預(yù)期。自2000年起，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及后續(xù)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室開展的“μ子g-2”實(shí)驗(yàn)持續(xù)觀測(cè)到μ子磁性比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)值高出約百萬(wàn)分之0.4（即4×10??），引發(fā)廣泛關(guān)注。

然而，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)μ子g-2值極具挑戰(zhàn)性，尤其在于如何精確處理夸克和膠子通過(guò)強(qiáng)相互作用所產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。由于強(qiáng)相互作用在低能區(qū)表現(xiàn)出非微擾特性，傳統(tǒng)解析方法難以適用。2020年，“μ子g-2理論倡議”合作組曾依賴來(lái)自粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)間接估算此類貢獻(xiàn)，但當(dāng)時(shí)可用數(shù)據(jù)之間仍存在顯著分歧。

作為替代路徑，理論研究者可借助超級(jí)計(jì)算機(jī)，采用格點(diǎn)規(guī)范理論進(jìn)行第一性原理計(jì)算。該方法通過(guò)將四維時(shí)空離散化為晶格結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子色動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值求解。近年來(lái)，隨著計(jì)算能力的提升以及算法優(yōu)化、格點(diǎn)間距控制和邊界條件處理等技術(shù)的進(jìn)步，基于格點(diǎn)的計(jì)算精度已達(dá)到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相當(dāng)?shù)乃健?024年5月，“μ子g-2理論倡議”正式采納格點(diǎn)計(jì)算結(jié)果更新其理論預(yù)測(cè)。修訂后的理論值高于以往估計(jì)，并與費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室近期發(fā)布的最終實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果高度一致。

這一理論與實(shí)驗(yàn)的一致性不僅標(biāo)志著格點(diǎn)規(guī)范理論在強(qiáng)相互作用體系計(jì)算中的重大突破，也凸顯了計(jì)算物理學(xué)在現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)研究中的關(guān)鍵作用。盡管這暫時(shí)削弱了存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的證據(jù)強(qiáng)度，但它展示了人類從基本原理出發(fā)理解自然規(guī)律的能力正日益增強(qiáng)。

μ子g-2實(shí)驗(yàn)于2023年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室完成了最后一次數(shù)據(jù)采集

異種移植實(shí)現(xiàn)歷史性突破

Jon Cohen

在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)中，異種移植（即將動(dòng)物器官移植至人體）的研究長(zhǎng)期伴隨過(guò)度宣傳及部分科學(xué)依據(jù)不足的嘗試，其進(jìn)展緩慢且充滿爭(zhēng)議。然而，2024年，隨著基因編輯技術(shù)的進(jìn)步，特別是經(jīng)基因工程改造的豬作為供體的應(yīng)用，該領(lǐng)域取得了顯著突破。這些轉(zhuǎn)基因豬的組織經(jīng)過(guò)優(yōu)化，免疫原性顯著降低，因而更不易引發(fā)受體免疫系統(tǒng)的強(qiáng)烈排斥反應(yīng)，為緩解人類器官嚴(yán)重短缺問題提供了新的可行路徑。

最引人注目的是，一名來(lái)自新罕布什爾州的患者，其體內(nèi)植入的豬腎在經(jīng)歷69處基因編輯后持續(xù)發(fā)揮功能近九個(gè)月，直至10月才出現(xiàn)功能衰竭。這一存活時(shí)間僅略短于此前由黑猩猩腎臟創(chuàng)下的歷史最長(zhǎng)記錄——該記錄于1964年實(shí)現(xiàn)，但鑒于黑猩猩屬于瀕危物種且倫理爭(zhēng)議巨大，現(xiàn)已不再被視為合適的器官供體來(lái)源。與此同時(shí)，在中國(guó)開展的一項(xiàng)臨床研究中，一名女性患者接受了僅經(jīng)過(guò)6處基因編輯的豬腎移植，其器官功能維持時(shí)間也接近九個(gè)月，幾乎與前述病例相當(dāng)。

目前，已有兩家領(lǐng)先的生物技術(shù)公司獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)，啟動(dòng)首批真正意義上的異種移植臨床試驗(yàn)。此舉標(biāo)志著該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)階段邁向規(guī)范化臨床應(yīng)用的關(guān)鍵一步，也是未來(lái)獲得全面監(jiān)管許可的重要前提。

盡管如此，供體豬仍需進(jìn)行額外的基因修飾以延長(zhǎng)移植器官的存活時(shí)間，具體改造方案尚待明確。科研團(tuán)隊(duì)正致力于研發(fā)更安全、更有效的免疫排斥抑制藥物。部分研究者嘗試通過(guò)創(chuàng)新策略誘導(dǎo)免疫耐受——例如將豬的胸腺與腎臟共同移植——從而完全規(guī)避免疫抑制劑的使用。盡管仍需突破諸多障礙，但今年取得的成果無(wú)疑使異種移植技術(shù)更接近實(shí)現(xiàn)。

一名外科醫(yī)生手持一顆準(zhǔn)備移植到人體內(nèi)的基因編輯豬腎

耐熱水稻

Erik Stokstad

作物在有充足水分的情況下能夠抵御熱浪的烈日，但悶熱也可能帶來(lái)嚴(yán)重問題。今年，中國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)了一種基因，它能幫助水稻抵御高溫帶來(lái)的兩種影響：產(chǎn)量降低和谷粒質(zhì)量變差。

過(guò)去十年間，該團(tuán)隊(duì)在中國(guó)一些溫度較高的地區(qū)種植了533種水稻。通過(guò)雜交表現(xiàn)最佳的水稻品種，他們確定了12號(hào)染色體上的一個(gè)關(guān)鍵基因，將其命名為QT12，意為“耐熱優(yōu)質(zhì)”。

在高溫表現(xiàn)不佳的品種具有QT12的一種變異體（等位基因），這種等位基因在高溫時(shí)會(huì)被激活，導(dǎo)致貯藏物質(zhì)排列紊亂。該團(tuán)隊(duì)4月在《細(xì)胞》雜志上報(bào)告稱，QT12激活導(dǎo)致谷粒變得粉質(zhì)、易碎，口感不佳。但具有在溫度升高時(shí)不被激活的QT12等位基因的品種能保持良好的谷粒質(zhì)量。

當(dāng)研究人員將這種保護(hù)性等位基因引入名為“華占”的商業(yè)水稻品種時(shí)，發(fā)現(xiàn)其在高溫環(huán)境下比當(dāng)前的“華占”品種增產(chǎn)高達(dá)78%，且堊白粒的比例更低。他們還表明，通過(guò)基因編輯使QT12失活，在一種研究用水稻品種中也產(chǎn)生了類似的益處。

研究人員發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在較冷地區(qū)且在高溫下表現(xiàn)不佳的粳稻亞種水稻品種可能尤其能從QT12的保護(hù)性等位基因中獲益。粳稻不攜帶該等位基因，但可以通過(guò)常規(guī)育種方式添加。他們建議，其他谷類作物，如小麥和玉米，也可以配備類似的基因，以抵御即將到來(lái)的更炎熱的氣候。

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