2024年十大科技进步，除了AI还有这九个

又到年末，是时候回顾这一年发生的重要事件了。

2024年，科学家在多个领域实现了重要突破：我们离开地球，带回了月球背面的奥秘；我们深入细胞，绘制人体的精细地图；我们运用人工智能，加速科学发现的步伐。

一起来回顾以下这些重要的科技成果。

人工智能成为科研助力

2024年，人工智能领域“获得”了诺贝尔奖。

物理学奖颁给了约翰·霍普菲尔德（John Hopfield）和杰弗里·辛顿（Geoffrey Hinton），以表彰他们在人工神经网络和机器学习领域的开创性工作。

化学奖则由大卫·贝克（David Baker）、戴密斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）和约翰·朱默帕（John M. Jumper）共同获得，以表彰他们在蛋白质结构预测方面的贡献。其中，哈萨比斯和朱默帕领导开发的AlphaFold模型实现了革命性突破，能够以接近实验观测的精确度预测蛋白质结构。

这些奖项表明，AI已经从一个辅助工具，成长为推动科学发现的重要力量。



AlphaFold 3.0登上了6月13日《自然》杂志的封面 | 《自然》

今年5月，升级版的AlphaFold 3.0发布。这一版本不仅提高了蛋白质结构预测的准确率，还扩展到了DNA、RNA等其他生物分子，帮助科学家更好地理解生命的基本构成。这项技术对药物研发和疾病研究具有重要意义。比如在新药开发过程中，它能够快速预测药物分子与目标蛋白质的结合情况，大大提高了筛选效率。在传染病研究中，它也为疫苗和治疗方案的开发提供了有力支持。

除生物医药领域，AI在其他科学研究中也有重要应用。在气候科学领域，AI模型GraphCast提高了天气变化和自然灾害的预测准确度。在实验设计方面，AI能够帮助科学家优化实验方案，提高研究效率。一项对7460万篇科学论文的分析显示，采用AI技术的研究通常能获得更多的学术关注和引用。

从实验室里的蛋白质分子，到天空中的风云变幻，再到药物研发中的基因序列，AI正在帮助人类探索自然界的各个角落。这些进展不仅提高了科研效率，也为解决人类面临的重大挑战提供了新的方法。

嫦娥六号月背采样返回

2024年，中国的嫦娥六号探测器完成了一项历史性任务：从月球背面采集样品并成功返回地球。这是人类首次获得月球背面的岩石和土壤样本。

5月3日，嫦娥六号从海南文昌航天发射场升空。6月1日，探测器在月球背面的南极-艾特肯盆地阿波罗盆地南部着陆。探测器通过机械臂和钻探装置，采集了1935.3克月球样品，包括表层土壤和深层岩石。6月25日，搭载样品的返回舱安全降落在内蒙古四子王旗预定区域。



嫦娥六号着陆器上升器组合体在月球背面的工作照 |CNSA/CLEP

这次任务的科学意义非同寻常。月球背面与人们熟悉的正面有很大不同，它的地壳更厚，陨石坑更多，几乎没有月海（古代玄武岩喷发形成的暗色平原）。科学家认为，研究这些差异可能揭示月球形成的关键线索。

嫦娥六号选择的着陆点位于南极-艾特肯盆地，这是月球上最大、最古老的撞击盆地之一，其形成时间可以追溯到约40亿年前。从这里获得的样品将帮助科学家更好地理解月球，甚至整个太阳系的早期历史。

此次任务也体现了国际合作精神。探测器搭载了来自法国、意大利、瑞典和巴基斯坦的多个科学仪器，用于研究月球尘埃的运动、月表负离子的分布等现象。一个名为"金蟾"的小型月球车也参与了任务，它配备了红外光谱仪等设备，用于研究月球表面成分和寻找月壤中的水冰。

这些研究成果将为人类更好地认识月球提供重要帮助。

星舰多次试飞，完全复用仅一步之遥

作为世界上最大的火箭，SpaceX的星舰在2024年进行了四次轨道试飞。

最令人印象深刻的，是10月13日的星舰第五次试飞。作为一级火箭的超重型助推器，在完成发射任务后，以超音速从天而降，在最后时刻点燃发动机减速，然后被发射塔上称为"筷子"的机械臂稳稳接住。这项技术突破预示着太空探索即将进入一个新时代。

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星舰第五次试飞中，超重型助推器返回发射塔，被“筷子”机械臂稳稳接住——左为模拟动画，右边实拍视频 | SpaceX

事实上，星舰的每次试飞都在创造新的记录。3月的第三次试飞实现了火箭一二级的成功分离，6月的第四次试飞首次完成了一二级的海上软着陆，11月的第六次试飞则首次验证了在太空中重启火箭发动机的能力。

这一系列进展的最终目标，是要实现火箭的完全重复使用：不仅作为一级的超重型助推器可以回收再用，未来连上面的星舰部分也将实现重复使用。

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星舰第六次试飞中，星舰飞船重返大气层后，在印度洋完成海上软着陆 | SpaceX/TJ Cooney

相比传统的一次性火箭，可重复使用的星舰就像是太空中的"客机"，这种设计将极大地降低发射成本。SpaceX已经通过部分可重复使用的猎鹰9号火箭，把航天发射的成本降低了约90%。而完全可重复使用的星舰预计将使成本进一步大幅下降。

随着发射成本的降低和频率的提高，人类探索太空的方式可能发生根本性的改变。科学家有机会尝试更多创新的太空探索方案。比如，他们可能不再局限于发射一辆火星车，而是可以发射一群；不必只依赖一颗昂贵的大型卫星，而是可以用一群小型卫星组成观测网络；甚至可以在太空中组装比哈勃望远镜大得多的望远镜。不久的将来，建立月球基地、探索火星等曾经遥不可及的梦想，可能也会变成现实。

而这一切的前提，即完全可重复使用的运载火箭，如今距离实现仅有一步之遥了。

脑机接口人体试验进展

2024年，脑机接口技术在人体试验方面取得重要进展。

脑机接口是一种能够读取或写入大脑信号的设备，让大脑可以直接与机器交互。目前主要有两种方案：非侵入式的，不需要打开颅骨；侵入式的，需要将电极植入大脑。Neuralink公司采用的是后一种方案，他们开发出了只有硬币大小的芯片，通过精密的手术机器人将极细的柔性电极植入大脑皮层。

1月，Neuralink完成首例人体植入手术，为一位瘫痪8年的患者植入了脑机接口芯片。这位名叫Noland的受试者术后很快就能用意念控制电脑鼠标，打字、发邮件，还直播起了玩游戏。更重要的是，他可以躺在床上独立使用这套系统，不再需要护理人员帮忙安装控制设备。这让他重获了部分独立生活的能力。



植入了Neuralink脑机接口芯片的首位患者演示脑控玩游戏 |Neuralink

几个月后，被称为Alex的第二位受试者也完成了手术。Alex展示了这项技术更广泛的应用潜力：不只是基础的电脑操作，甚至能够使用复杂的3D建模软件进行设计。这意味着脑机接口不仅能帮助患者完成日常交流，还能支持他们进行专业级的创造性工作。

脑机接口技术从实验室走向了实际应用。虽然过程中也遇到了一些技术挑战，比如电极移位导致控制精度下降。这些经验将帮助改进技术，为未来更多患者带来希望。

人类已知类型细胞图谱草图绘成

11月，人类细胞图谱项目完成了第一份草图。这份“人体细胞地图”记录了约6200万个人类细胞的详细信息，覆盖了神经系统、肺、心脏、肠道和免疫系统等18个重要的生物网络。

这一突破来自对全球10000多名志愿者的研究，科学家已经深入分析了超过1亿个细胞，在《自然》杂志上发表了40项重要发现。比如，他们绘制了从口腔到肛门的完整消化道细胞图谱，发现了一种此前未知的肠道细胞，这种细胞可能与炎症性肠病有关。他们还首次详细描绘了胎儿骨骼形成的过程，发现参与这一过程的基因，正是在数十年后容易引发骨关节炎的基因。



11月21日《自然》专刊发表人类细胞图谱项目40余项成果 | 《自然》

这个项目始于2016年10月，3600多名来自100个国家的科学家参与了这项工作。他们的目标是试图绘制人体内约37万亿个细胞的完整图谱。科学家不仅要识别不同类型的细胞，还要了解它们的功能状态、所处位置，以及发育历程。这就像是在绘制一张极其精细的“人体地图”，记录每种细胞的特征和分布。

这项工作的意义堪比人类基因组计划。它将帮助科学家更好地理解疾病的发生机制，开发新的治疗方法，推动再生医学的发展。比如，通过比较健康细胞和病变细胞的差异，研究人员可能发现新的治疗靶点；通过了解不同类型细胞的特征，医生可能在疾病出现临床症状之前就做出诊断，实现真正的个性化医疗。

谷歌Willow芯片突破量子纠错阈值

12月，谷歌推出名为Willow的量子芯片，这是量子计算领域的一个重大突破。

要完全理解这一突破的意义，首先需要了解量子计算中的一个核心问题——量子比特的脆弱性。量子比特非常敏感，极易受到周围环境的干扰，这种干扰会导致计算错误。这就像在沙滩上建造城堡，稍有风吹草动就可能导致坍塌。为了解决这个问题，科学家必须发展出有效的量子纠错技术。

Willow芯片的核心技术就是它的量子纠错能力。它采用了一种叫做“表面码”的纠错方案，可以将多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特。通过这种编码方式，即使部分量子比特出错，整体的计算结果仍然是正确的。更重要的是，Willow芯片成功突破了量子纠错的关键阈值。这意味着随着量子比特数量的增加，计算错误的比率不是增加，而是指数级下降。

这一点，此前从未实现过。



12月，谷歌发布Willow量子芯片 |谷歌

谷歌的Willow量子芯片解决了量子计算领域长期存在的一大技术难题，为未来量子计算机的实用化和广泛应用开辟了新的道路，其影响将深远地改变我们的科技和日常生活。

基因编辑猪器官成功移植到人体

器官移植领域迎来重要突破，基因编辑猪器官成功移植到人体。

移植，是很多终末期器官衰竭的治疗方法。中国的器官移植等待名单上有超过30万人，但每年只有约1.6万个器官可用。为了解决这个全球性难题，科学家开始探索利用基因编辑技术改造猪的器官，使其适合移植到人体内。

3月，美国马萨诸塞州总医院宣布，首次成功将猪的肾脏移植到活着的患者体内。提供肾脏的猪经过CRISPR-Cas9技术基因编辑，被去除了有害的猪基因、添加了某些人类基因，并灭活了猪内源性逆转录病毒，以提高与人类受体的相容性和降低人类感染猪病毒的风险。受者最初恢复良好，但在术后近两个月时去世，医生认为“没有迹象表明”死亡是移植的结果。



经过基因编辑的猪肾脏成功移植到人体 | GeneOnline

同一个月，中国空军军医大学西京医院团队完成了一例多基因编辑猪-脑死亡受者肾移植手术。研究人员对供体猪进行了精确的基因编辑：敲除了3个可能引起超急性排斥反应的基因，同时转入了2个人类基因，分别用于调节补体和凝血功能。移植后的猪肾在受者体内工作良好，截止报道时，已持续14天产生正常尿液。

除了猪的肾脏，基因编辑猪的心脏在2022年首次移植到了人类患者身上，肝和肺的移植也在研究中。选择猪作为器官供体是经过深思熟虑的。猪的基因与人类相近，器官大小相似，而且繁殖能力强，易于规模化培养。不过，跨越物种的移植依然存在很多困难，如排斥反应、凝血障碍、疾病传播风险等。

这项突破为解决器官短缺问题开辟了新途径。随着基因编辑技术的进步和免疫学研究的深入，异种器官移植可能为等待器官移植的患者带来新的希望。尽管目前仍面临一些挑战，但这项技术的发展已进入加速期，未来有望为更多终末期器官衰竭患者提供新的治疗选择。

长效HIV预防药物研制成功

一种长效HIV预防药物的临床试验取得惊人成果：每半年注射一次，就能有效预防HIV感染。

6月，这种名为lenacapavir的药物在非洲进行的一项大规模试验中，2000多名使用该疗法的女性无一感染HIV，预防效果优于两个对照组（对照组每天口服药物）。3个月后，另一项横跨四大洲的试验结果也证实了这一惊人效果：在2000多名参与者中，仅有两例感染，预防有效率依然高于对照组。

这种药物采用了全新的作用机制。与传统抗HIV药物不同，它靶向病毒的衣壳蛋白，能阻止病毒与细胞的相互作用，还能阻止病毒进入细胞核。更重要的是，这种药物在体内能持续发挥作用长达6个月。



药物lenacapavir（黄色）与艾滋病毒的衣壳蛋白结合，阻止病毒衣壳锥体通过细胞核孔进入人类细胞核|N. Burgess/Science

这一突破意义重大。2023年仍有130万人新感染HIV，虽然已有口服预防药物，但需要每天服用，很多人难以坚持。而这种半年打一针的方案，大大提高了用药的便利性和依从性。

这种长效预防药物虽然不能完全替代疫苗，但它为遏制HIV传播带来了新的希望。科学家预计，如果能广泛使用，它有望帮助大幅降低全球HIV新增感染率。

CAR-T细胞疗法治疗自身免疫性疾病

CAR-T细胞疗法在治疗自身免疫性疾病方面取得重大突破。

CAR-T最初是一种治疗血液肿瘤的方法：医生从患者血液中分离出T细胞（免疫系统的"哨兵"），通过基因工程使其能够识别并消灭肿瘤细胞，然后将其输回患者体内。

2月，德国研究团队报告了使用患者自身CAR-T细胞治疗自身免疫性疾病的成果：15名系统性红斑狼疮、硬皮病或肌炎患者接受治疗后，8名系统性红斑狼疮患者达到了无需用药的缓解状态。



CAR-T细胞（粉色）正在接近并准备消灭一个B细胞。今年，这种疗法在治疗自身免疫性疾病方面取得了重大进展 | N. Burgess/Science

9月，中国海军军医大学的徐沪济团队发表了另一项开创性研究：他们首次使用捐献者的CAR-T细胞进行治疗。研究团队使用CRISPR基因编辑技术，敲除了捐献者T细胞中的5个基因，使其既不会攻击患者，也不会被患者的免疫系统排斥。

治疗效果令人惊喜：一位坏死性肌病患者在接受治疗两周后就能抬起手臂梳头，另外两位硬皮病患者的症状也在数天内开始好转。6个月后，3位患者都达到了疾病缓解状态，且没有出现严重副作用。目前，该团队已经将治疗扩展到另外20多名患者。

使用捐献者细胞可能实现CAR-T疗法的规模化生产，大幅降低治疗成本。这不仅为难治性自身免疫性疾病患者带来了新的希望，也为这种革命性疗法的推广应用开辟了新途径。

韦布望远镜遥望 “宇宙黎明”

随着詹姆斯·韦布太空望远镜的持续观测，科学家对宇宙黎明时期有了新的认识。

所谓"宇宙黎明"，指的是宇宙诞生后的头10亿年，那时第一批恒星和星系开始形成，宇宙从一片黑暗逐渐被点亮。

韦布望远镜的观测发现了数量惊人的明亮星系，比理论预期多出近1000倍。这个发现极其意外：按照现有理论，宇宙诞生初期不应该有如此多、如此明亮的星系。

通过对这些古老星系发出的光进行分析，科学家提出了两种可能的解释：要么早期宇宙中存在着比太阳大几十甚至上百倍的巨大恒星，要么有大量活跃的黑洞在吞噬周围物质，释放出强烈的能量。



韦布望远镜观测到的遥远星系，其中一个被引力透镜扭曲的星系存在于大爆炸后仅6亿年的宇宙黎明时期 |NASA, ESA, CSA, STScI

研究还发现，这些早期星系中含有碳和氧等重元素。这意味着在它们之前，一定还存在更早的巨大恒星，这些恒星在死亡时发生超新星爆炸，将这些元素散布到宇宙中。这些发现为我们理解宇宙如何从一片混沌逐渐演化成今天的样子提供了重要线索。

韦布望远镜能够做出这些发现，得益于它强大的观测能力。它是有史以来最大、最强的太空望远镜，专门设计用来捕捉宇宙最早期发出的微弱红外线。这些观测结果正在改变我们对宇宙起源和演化的认识。

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从宇宙深处到微观世界，从基础研究到实际应用，科学技术正在帮助我们更好地理解这个世界，也在逐步改善人们的生活质量。这些进展不仅解决了一些长期存在的技术难题，也为未来的发展提供了新的可能。

期待接下来新的一年里，科技领域带来更多令人兴奋的突破。