回顧2024年的科學新聞，我們會有一種不同于2023年疾風驟浪的穩妥感，這種感覺一方面來自已經開展的工作又往前邁了一大步。

比如：嫦娥六號完成月背采樣，星艦多次成功試飛；另一方面來自于許多研究進入了實用階段，比如：有不俗應用表現的人工智能，能近100%預防艾滋病的長效藥。這并不是說科學家沒有為我們埋下新的種子，基礎技術突破為實現容錯量子計算帶來了曙光，核鐘的出現也讓我們有可能在更精確計時之余探索原子核內部的細節。

世界依然在進步，我們樂于見到這種穩中有進的局面。

ChatGPT誕生剛滿兩年，基于人工智能（AI）的各類應用已層出不窮。隨著大語言模型的復雜推理能力顯著提升，以及多模態模型的跨模態數據處理能力取得突破性進展，AI已經向我們展示了越來越多的可能性。而在更廣泛的行業內，AI也為解決現實世界中的復雜問題提供了新的路徑：Alphafold3展開了生命分子相互作用預測的新篇章；AlphaGeometry的數學能力已經逼近競賽金牌獲得者；考古學家借助AI識別古卷軸上的文字；GenCast預報天氣的表現超過了最好的傳統中程天氣預報……越來越多的領域借助AI的力量取得了新的突破。毫無疑問，我們已經進入了一個AI深度參與的新時代。

細胞器起源讓人著迷。此前的研究表明，線粒體、葉綠體和載色體均由內共生細菌演化而來。在一篇2024年發表于《科學》的論文中，研究人員在貝氏布拉藻中發現了第4種由內共生過程演化而來的細胞器——硝化原生質體（nitroplast）。它能將氮氣轉化為細胞可利用的化合物，是真核細胞內首個已知的固氮細胞器。這種細胞器起源于藻類細胞的一種內共生細菌，它在大約一億年前演化成細胞器，開始依賴于宿主細胞的蛋白質，并通過宿主細胞世代相傳。這一轉變賦予了單細胞藻類固氮的能力，將原本屬于原核細胞的功能擴展到了真核細胞中。該研究為內共生體演化形成細胞器的機制提供了新的見解。

艾滋病是全球性公共衛生問題，每年仍有上百萬人感染人類免疫缺陷病毒（HIV）。2024年6月，吉利德科學公司宣布，其長效艾滋病藥物來那卡帕韋（Lenacapavir）在3期臨床試驗中展現驚人效果：兩千余名注射該藥的女性參與者HIV感染率為零，艾滋病暴露前預防有效率達100%。同年9月，在另一項臨床試驗中，來那卡帕韋在不同性別參與者中也實現了99.9%的預防效果。來那卡帕韋于2022年獲批用于治療多重耐藥型HIV感染者，每年僅需給藥兩次，這極大提升了患者的依從性。2024年10月，吉利德宣布授權多家制造商在120個中低收入國家生產來那卡帕韋的仿制藥，以提高其可及性，這或將使人類距離終結艾滋病的目標更近一步。

2024年伊始，多家公司都積極推動自研的腦機接口（BCI）設備進入臨床。1月30日，Neuralink大腦植入物首次在人類被試中取得成功，讓頸髓損傷8年的被試僅靠大腦想法就能處理多項任務，數月后，其又宣布第二例被試進展良好。8月，Synchron植入人腦皮層附近血管中的BCI設備獲批可永久植入人腦以進行研究和評估，且已為10名被試植入。今年，我國工信部宣布推動BCI的標準建設和臨床轉化。清華大學、復旦大學等在利用BCI設備幫助患者恢復運動和交流上，取得重大突破，已有數百人受益。距離人類首次植入BCI設備已過去9年，其發展已進入如火如荼的階段。更廣泛的臨床探索，將BCI與人工智能等融合，或不僅能挽救生命，還能推動腦機融合智能的到來。

2024年9月，日本化學家在《自然》上發表論文稱，首次在實驗中觀察到穩定的單電子碳-碳共價鍵。共價鍵往往是指原子間通過共享成對電子形成的化學鍵。但不到100年前，因在化學鍵方面的工作取得諾貝爾化學獎的萊納斯·鮑林曾預言單電子共價鍵的存在。然而，此前化學家遲遲沒能找到含單電子碳-碳共價鍵的穩定化合物，因為這種僅共享一個電子的鍵很不穩定。現在，化學家創造了一種分子，其中心的碳-碳鍵被拉長，很容易失去電子，形成難以捉摸的單電子鍵。重要的是，該弱鍵由穩定的碳環“外殼”包圍，得到了很好的保護。這一發現突破了現有化學鍵極限，有助于化學家進一步探索化學鍵的邊界所在。

月球因為潮汐鎖定，只有一面面向地球。已有研究表明，月球正面和背面在成分、結構上都存在明顯區別。但科學家一直沒有月球背面的土壤樣本，難以進一步了解月球的地質演化歷史。2024年5月、6月，嫦娥六號成功發射，降落在月球背面，采集月球背面的土壤樣品，將它帶回地球，實現世界首次月球背面采樣返回。此次任務共采集了1935.3克月背樣品。科學家已經對嫦娥六號樣品展開了大量研究。首批成果表明，月球背面火山活動至少持續了14億年以上，月幔源區的物質組成是月海玄武巖分布的重要控制因素，月球正面和背面遭受隕石撞擊的概率相當，這些都深化了我們對月球地質演化的認知。預計后續還會有更多成果出爐。

2024年再次刷新了人類有記錄以來最熱一年的紀錄。更為可怕的是，全球升溫目前已經單年超過了工業化前1.5攝氏度。歐盟哥白尼氣候變化服務局的數據顯示，2023年7月至2024年6月期間，全球平均氣溫創下歷史新高，較工業化前高約1.64℃。2024年2月5日，發表于《自然·氣候變化》的一篇論文提出，全球表面平均溫度的增幅可能已經超過了1.5°C。11月11日，發表于《自然·地球科學》上的研究表明，和18世紀之前相比，到2023年末人類活動引起的氣候變化可能已經導致氣候變暖約1.5°C。盡管這并不意味《巴黎協定》承諾的長期目標已經失效，但確實敲響了警鐘，提醒我們必須立即采取更有力的行動來應對氣候變化。

科學家曾提出，基于原子核的核鐘或許比原子鐘更便攜、穩定，且具有更高的計時精度，但始終未能真正實現這一構想。2024年9月4日，美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）與奧地利維也納工業大學的聯合研究團隊在《自然》上發表了一項突破性進展，他們用高能激光系統成功激發了釷-229原子核，并以極高精度測量了核躍遷頻率，這是利用釷-229原子核構建高精度核鐘的關鍵步驟。此外，研究團隊還首次將核鐘躍遷頻率與JILA的原子鐘躍遷頻率關聯起來。這種直接的頻率連接與精度的提升，為未來數年內開發出超精準核鐘鋪平了道路。而核鐘的到來不僅能推動導航、通信等技術的發展，或許還能幫助測試基礎物理學理論。

量子計算的核心挑戰在于量子比特極易受環境干擾而引入錯誤，此前量子糾錯領域從未實現“低于糾錯閾值”的成就，即在量子比特數量增長的同時降低錯誤率。2024年12月9日，《自然》發布了一項里程碑式的突破。谷歌量子人工智能研究團隊在超導量子芯片Willow上演示了隨著量子比特數量增加，錯誤率呈指數級下降，表明這是首個低于糾錯閾值的系統。這項成就被認為是建造容錯通用量子計算機的必要條件。研究團隊還使用隨機電路采樣基準測試了Willow的性能，結果顯示，該芯片可以在五分鐘內完成當今最快的超級計算機需要花費1025年才能完成的計算。該芯片的性能擴展后或能滿員大規模容錯量子計算的運算要求。

2024年，美國太空探索技術公司（SpaceX）對其產品“星艦”（Starship）進行了第三、四、五、六次軌道級測試飛行，“星艦”在這四次試飛中展示出了巨大的潛力。在第四次試飛中，“星艦”基本驗證了通過反推實現軟著陸回收的可行性。在第五次試飛中，更是實現了“筷子夾火箭”，用發射塔的機械臂在半空中捕捉返回地球的一級火箭，這需要“星艦”在返回地球時具有極高的精度。未來，SpaceX極有可能加快試飛步伐，盡快研制出正式版本的“星艦”。如果“星艦”最終研發成功，它將成為人類有史以來運力最強的火箭。SpaceX表示，得益于“星艦”可回收的設計，它有望將太空運輸的成本降低數個數量級，甚至達到每千克100美元的水平。

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