【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)隊都會評選出年度十大科學(xué)突破，其中包括一項科學(xué)突破冠軍獎以及九項科學(xué)突破入圍獎。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。

讓我們一起來揭曉2025年度的十大科學(xué)突破榜單吧！

早安，陽光！

TIM APPENZELLER

在中國安徽，太陽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，并減緩了中國碳排放的增長速度。攝影：George Steinmetz

自工業(yè)革命以來，人類社會一直依賴于來自“遠(yuǎn)古的太陽能”——這些能量由數(shù)億年前的植物捕獲，儲存在化石燃料中，并從地下挖掘和鉆取而來。但今年，勢頭已明確轉(zhuǎn)向來自“今天的太陽”的能源。可再生能源——其中大部分來自陽光本身或最終由太陽驅(qū)動的風(fēng)能——已在多個方面超越了傳統(tǒng)能源。

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

根據(jù)能源智庫Ember的數(shù)據(jù)，今年，可再生能源已超過煤炭成為全球電力首要來源，并且今年1至6月，太陽能和風(fēng)能的增長量足以覆蓋全球電力需求的全部增幅。今年9月，中國國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國宣布，中國將在十年內(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)能和太陽能。非洲和南亞的太陽能電池板進(jìn)口量飆升，因為當(dāng)?shù)孛癖娨庾R到屋頂太陽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)合國氣候大會上尤為突出。由于各國未能實現(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“正處于真正開始淘汰煤炭的臨界點”，世界其他地區(qū)的化石燃料使用也可能隨之下降。

中國強(qiáng)大的工業(yè)引擎是主要驅(qū)動力。經(jīng)過多年通過補(bǔ)貼耐心培育該行業(yè)，中國如今主導(dǎo)著全球可再生能源技術(shù)的生產(chǎn)。中國生產(chǎn)了全球80%的太陽能電池、70%的風(fēng)力渦輪機(jī)和70%的鋰電池，其價格是任何競爭對手都無法匹敵的。美國亞洲協(xié)會政策研究所的中國氣候中心主任李碩表示：“中國確實掌握了價格優(yōu)勢，這得益于其經(jīng)濟(jì)規(guī)模、制造能力和國內(nèi)激烈的競爭。”

蓄勢迎風(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內(nèi)，但來自國際的訂單正在逐步增加。攝影：George Steinmetz

隨著產(chǎn)量激增，價格下降，需求也隨之起飛；這形成了一個良性循環(huán)：可再生能源技術(shù)已發(fā)展成一個占中國經(jīng)濟(jì)比重超過10%的產(chǎn)業(yè)。風(fēng)能和太陽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，一排排傾斜背對太陽的反射鏡正等待維護(hù)

與能獨立發(fā)電的太陽能電池板不同，該電站的1.2萬面反射鏡將陽光匯聚至中央發(fā)電站。在反射鏡的焦點處，一座因聚光而熠熠生輝的塔內(nèi)儲存著565°C的熔鹽

這些熔鹽產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電——由于熔鹽能在夜間持續(xù)保溫，電站可實現(xiàn)不間斷運(yùn)行。更能體現(xiàn)中國可再生能源熱潮的，是架設(shè)在河流淺灘處的太陽能電池板，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

從中國工廠涌出的技術(shù)浪潮改變了中國的能源格局，也改變了其自然景觀。數(shù)十年來，中國的發(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，中國的排放量仍高于所有其他發(fā)達(dá)國家的總和。如今，太陽能電池板覆蓋了沙漠和陽光充足的高原西藏，高達(dá)300米的風(fēng)力渦輪機(jī)矗立在海岸線和山頂。中國的太陽能發(fā)電量在過去十年增長了20多倍，太陽能和風(fēng)力發(fā)電場現(xiàn)在的總裝機(jī)容量足以滿足整個美國的電力需求。

志向高遠(yuǎn)

價格下跌推動了太陽能和風(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，這種對比對太陽能和風(fēng)能有利，因為它們每天僅能在少數(shù)時間內(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)電量已超過煤炭。

*2025年數(shù)據(jù)為全年預(yù)測值。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)。歐洲是長期客戶，但全球南方國家也在市場力量和能源獨立愿望的推動下，紛紛搶購中國的太陽能電池板、電池和風(fēng)力渦輪機(jī)。例如，在烏克蘭戰(zhàn)爭推高天然氣價格和電網(wǎng)電力成本的背景下，巴基斯坦從2022年到2024年進(jìn)口的中國太陽能電池板增長了五倍。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)電會因日益頻繁的干旱而減少，轉(zhuǎn)而擁抱太陽能和風(fēng)能。

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

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

技術(shù)進(jìn)步可能推動未來的收益。目前的太陽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)，制成通過捕獲更多光譜顏色來提高效率的電池。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，從而獲取更多能量，而浮動式渦輪機(jī)的設(shè)計則可以極大地擴(kuò)展其可部署的海上區(qū)域。目前用于在陽光和風(fēng)力不足時儲存能量的巨型鋰離子電池，未來也可能被其他化學(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，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5萬噸碳酸鋰，足以滿足數(shù)十萬輛電動汽車的電池需求。George Steinmetz

與此同時，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，中國溫室氣體排放停止增長，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起點。

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，中國仍在繼續(xù)建設(shè)燃煤電廠。”過去一年，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”啟動以滿足需求高峰。在美國，特朗普政府已對風(fēng)能和太陽能的發(fā)展宣戰(zhàn)，價格低廉的中國太陽能電池板也面臨著巨大的貿(mào)易壁壘。而美國的煤炭消費量則在長期下降之后，今年有所上升。

充分利用風(fēng)能和太陽能所需的基礎(chǔ)設(shè)施是另一個障礙。中國正在建設(shè)電池儲能場以存儲綠色電力，并建設(shè)長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)難以實現(xiàn)純電力驅(qū)動。

然而，如果未來潛藏著擔(dān)憂，那么回顧過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數(shù)字的兩倍。在那時，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。而現(xiàn)在，真正的驅(qū)動力是人們的自身利益：更低的成本和更高的能源安全。

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

在太倉港——上海上游的港口，大批汽車（其中大部分為電動車）正等待出口。2024年，中國生產(chǎn)了超過1200萬輛電動汽車，占全球總產(chǎn)量的70%，其中出口達(dá)128萬輛。George Steinmetz

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其他9項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性化基因編輯治療的患者，這一進(jìn)展為針對獨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“拼寫錯誤”。在細(xì)胞和動物測試后，研究團(tuán)隊于KJ 6個月大時獲得批準(zhǔn)，通過脂質(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，且控氨藥物需求減少。

目前，研究人員計劃調(diào)整該編輯器以治療其他五名類似代謝疾病患者。美國FDA認(rèn)為這些定制療法差異微小，可在單一臨床試驗中測試，此監(jiān)管簡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用和安全不確定性的限制。

對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中證實有效，并于本月獲美國FDA批準(zhǔn)。這是幾十年來首批對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。它還會增加HIV感染風(fēng)險，并可致新生兒眼感染失明。致病菌淋病奈瑟菌已對幾乎所有使用過的抗生素產(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的三期試驗結(jié)果。該藥由GSK在美國政府資助下研發(fā)，已獲批治療尿路感染，對淋病的療效與現(xiàn)有藥物相當(dāng)。作為全新一類抗生素，它通過同時靶向DNA旋轉(zhuǎn)酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV來抑制細(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)表的跨國三期研究顯示其有效且無嚴(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。科學(xué)家肯定其價值，但警告其如所有前代藥物一樣，有效期可能有限。面對淋病奈瑟菌這樣狡猾的微生物，尋找新抗生素的斗爭永遠(yuǎn)不會停止。

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

神經(jīng)元向癌細(xì)胞進(jìn)行致命“饋贈”

Mitch Leslie

腫瘤會誘使包括神經(jīng)元在內(nèi)的多種細(xì)胞助其生長擴(kuò)散。研究人員發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)細(xì)胞通過傳遞線粒體（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)會助力癌癥。切斷腫瘤神經(jīng)連接可減緩其生長或致其萎縮，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。他們通過顯微鏡觀察到神經(jīng)細(xì)胞通過微小橋狀結(jié)構(gòu)將線粒體傳遞給癌細(xì)胞，并在實驗鼠和人類前列腺腫瘤樣本中證實了此轉(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”對癌癥生長的影響，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)百萬條關(guān)于天體移動、變化或突然出現(xiàn)的警報。一年內(nèi)，其收集的光學(xué)數(shù)據(jù)將超過歷史總和，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)：一個能在相當(dāng)45個滿月視場內(nèi)生成無失真圖像的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，以及一個能秒速輸出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加利福尼亞，計算機(jī)在拍攝后1分鐘內(nèi)分析并發(fā)出警報。面對每夜千萬條警報，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。建造這樣一臺機(jī)器已是壯舉，而它更將成為孕育更多未來突破的搖籃。

與丹尼索瓦人面對面

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，一具被稱為“龍人”的14.6萬年前的頭骨屬于丹尼索瓦人。這是一個已滅絕的人類支系，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”。從中國臺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體甚至頭骨，科學(xué)家無從知曉丹尼索瓦人的模樣，也無法利用外貌特征來識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。其來源不同尋常——并非來自牙齒或內(nèi)耳骨這些古遺傳物質(zhì)的常見來源，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)測序，就將“龍人”的DNA與之前測序過的丹尼索瓦人DNA聯(lián)系了起來。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識別其他丹尼索瓦人。發(fā)現(xiàn)更多個體可能有助于解決一個持續(xù)已久的爭論：這些神秘的古人類究竟是智人的一個亞種，還是一個獨立的物種？

大語言模型助力科學(xué)研究

Celina Zhao

2020年，谷歌DeepMind推出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測模型AlphaFold2，顛覆了人們對人工智能在科學(xué)領(lǐng)域所能實現(xiàn)目標(biāo)的預(yù)期。該成果曾被Science評為2021年度科學(xué)突破，其研發(fā)團(tuán)隊隨后于2024年獲得諾貝爾化學(xué)獎。彼時，幾乎無人預(yù)見，那些基于數(shù)萬億詞元訓(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，LLM在多個科學(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大語言模型，在國際數(shù)學(xué)奧林匹克競賽中斬獲金牌。與此同時，OpenAI開發(fā)的GPT-5在組合數(shù)學(xué)的數(shù)論和圖論等長期未解的數(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大語言模型的一個微調(diào)版本僅通過15次實驗就確定了一種此前未被報道的復(fù)雜反應(yīng)的最佳條件，為研究人員節(jié)省了數(shù)百次實驗。

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立完成，往往需要耗費數(shù)年時間。

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

盡管如此，大型語言模型所取得的關(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)開始自主推動下一代大型語言模型的迭代優(yōu)化，其發(fā)展?jié)摿θ找骘@現(xiàn)，未來前景愈發(fā)難以估量。

計算的突破助力揭示粒子物理新進(jìn)展

Adrian Cho

數(shù)十年來，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，一項長期開展的實驗公布結(jié)果表明，與此前推測相反，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)藏著一項重要成就：理論物理學(xué)家首次成功運(yùn)用格點規(guī)范理論這一數(shù)值方法，從第一性原理出發(fā)實現(xiàn)了對μ子磁性的高精度計算。

μ子是電子的一種更重且不穩(wěn)定的“表親”。根據(jù)量子場論，真空中會不斷出現(xiàn)并迅速湮滅的“虛擬粒子”，這些瞬態(tài)粒子會對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，美國布魯克海文國家實驗室及后續(xù)費米實驗室開展的“μ子g-2”實驗持續(xù)觀測到μ子磁性比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測值高出約百萬分之0.4（即4×10??），引發(fā)廣泛關(guān)注。

然而，準(zhǔn)確預(yù)測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”合作組曾依賴來自粒子對撞機(jī)實驗的數(shù)據(jù)間接估算此類貢獻(xiàn)，但當(dāng)時可用數(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計算機(jī)，采用格點規(guī)范理論進(jìn)行第一性原理計算。該方法通過將四維時空離散化為晶格結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對量子色動力學(xué)方程的數(shù)值求解。近年來，隨著計算能力的提升以及算法優(yōu)化、格點間距控制和邊界條件處理等技術(shù)的進(jìn)步，基于格點的計算精度已達(dá)到與實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相當(dāng)?shù)乃健?024年5月，“μ子g-2理論倡議”正式采納格點計算結(jié)果更新其理論預(yù)測。修訂后的理論值高于以往估計，并與費米實驗室近期發(fā)布的最終實驗測量結(jié)果高度一致。

這一理論與實驗的一致性不僅標(biāo)志著格點規(guī)范理論在強(qiáng)相互作用體系計算中的重大突破，也凸顯了計算物理學(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實驗于2023年在費米實驗室完成了最后一次數(shù)據(jù)采集

異種移植實現(xiàn)歷史性突破

Jon Cohen

在過去一個世紀(jì)中，異種移植（即將動物器官移植至人體）的研究長期伴隨過度宣傳及部分科學(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)揮功能近九個月，直至10月才出現(xiàn)功能衰竭。這一存活時間僅略短于此前由黑猩猩腎臟創(chuàng)下的歷史最長記錄——該記錄于1964年實現(xiàn)，但鑒于黑猩猩屬于瀕危物種且倫理爭議巨大，現(xiàn)已不再被視為合適的器官供體來源。與此同時，在中國開展的一項臨床研究中，一名女性患者接受了僅經(jīng)過6處基因編輯的豬腎移植，其器官功能維持時間也接近九個月，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FDA批準(zhǔn)，啟動首批真正意義上的異種移植臨床試驗。此舉標(biāo)志著該技術(shù)從實驗階段邁向規(guī)范化臨床應(yīng)用的關(guān)鍵一步，也是未來獲得全面監(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移植器官的存活時間，具體改造方案尚待明確。科研團(tuán)隊正致力于研發(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疑使異種移植技術(shù)更接近實現(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，但悶熱也可能帶來嚴(yán)重問題。今年，中國研究人員發(fā)現(xiàn)了一種基因，它能幫助水稻抵御高溫帶來的兩種影響：產(chǎn)量降低和谷粒質(zhì)量變差。

過去十年間，該團(tuán)隊在中國一些溫度較高的地區(qū)種植了533種水稻。通過雜交表現(xiàn)最佳的水稻品種，他們確定了12號染色體上的一個關(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會被激活，導(dǎo)致貯藏物質(zhì)排列紊亂。該團(tuán)隊4月在《細(xì)胞》雜志上報告稱，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，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，以抵御即將到來的更炎熱的氣候。

為躲避當(dāng)?shù)厝找婕觿〉南募靖邷兀侥系巨r(nóng)選擇在夜間插秧

*本文內(nèi)容由

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