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·年度新闻 ·
《科学》2025十大科学突破榜单揭晓！
来源：Unsplsh+
当地时间12月18日，《科学》（Science）杂志发布了其编辑团队评选的2025年度十大科学突破，其中包括一项科学突破冠军奖以及九项科学突破入围奖。
今年获得冠军奖项的是“势不可挡的可再生能源”：根据能源智库Ember的数据，今年，可再生能源已超过煤炭成为全球电力首要来源，并且今年1至6月，太阳能和风能的增长量足以覆盖全球电力需求的全部增幅。中国强大的工业引擎是主要驱动力，中国如今主导着全球可再生能源技术的生产，包括全球80%的太阳能电池、70%的风力涡轮机和70%的锂电池，且正在推动钙钛矿、锂电池的研发等等。随着产量激增，价格下降，需求也随之起飞，这形成了一个良性循环：中国蓬勃发展的绿色技术出口也正在改变世界其他地区。今年得益于可再生能源的帮助，中国温室气体排放停止增长，并使全球碳排放达峰成为可能。
定制化基因编辑为极罕见疾病带来新希望：男婴KJ Muldoon是全球首位接受个性化基因编辑治疗的患者。他因CSP1基因缺陷无法代谢氨，患上了危及生命的氨甲酰磷酸合成酶-1（CPS1）缺乏症。研究人员在他出生后迅速开发出碱基编辑器，以修复其基因中的一个“拼写错误”。该疗法于KJ 6个月大获准后，研究人员通过脂质纳米颗粒递送编辑器对其进行治疗。后续治疗使得KJ的蛋白质摄入增加、体重增长，且控氨药物需求减少。目前，研究人员计划调整该编辑器以治疗其他五名类似代谢疾病患者。这一进展为针对独特基因突变的定制化治疗开辟了道路。
来源：Children’s Hospital of Philadelphia
对抗性传播疾病的新武器：对抗淋病的新药Gepotidacin可以同时靶向DNA旋转酶和拓扑异构酶IV来抑制细菌DNA复制，另一种新药Zoliflodacin同样靶向DNA旋转酶，但作用机制不同。12月11日，《柳叶刀》发表的跨国三期研究显示其有效且无严重副作用。这两种药物均可口服，相较于需要注射的头孢菌素更具优势。今年12月，这两种新药获得了美国FDA批准。不过面对淋病奈瑟菌这样狡猾的微生物，寻找新抗生素斗争或许不会停止。
神经元向癌细胞进行致命“馈赠”：肿瘤会诱使包括神经元在内的细胞助其生长扩散，这些细胞似乎会传递线粒体为其提供帮助。研究人员开发了一种技术，发现原始肿瘤中仅5%的癌细胞获得其他细胞的线粒体，而肺转移灶和脑转移灶中该比例分别升至27%和46%。这或有助于未来开发疗法，迫使神经细胞保留其自身线粒体。
天空中的全视之眼：今年，维拉·C·鲁宾天文台在智利山顶建成。它将开启全新的天文观测方式：并不放大特定目标，而是持续扫视天空。从明年初开始，它将持续10年，每3天以前所未有的细节记录整片天空。一年内，其收集的光学数据将超过历史总和，并逐步构建最详细的宇宙三维地图。数据洪流将影响天文学所有领域：它将使太阳系已知天体数量倍增；它将近距离观测多种宇宙爆炸，揭示星系如何形成、合并与演化；并助力研究暗物质如何塑造星系及暗能量如何加速宇宙膨胀。
大语言模型助力科学研究：今年以来，LLM在多个科学领域中展现出相当于博士水平的敏锐性和分析能力。在数学领域，DeepMind的Gemini在国际数学奥林匹克竞赛中斩获金牌；OpenAI开发的GPT-5在组合数学的数论和图论等长期未解的数学难题上取得了原创性突破。在化学领域，Meta公司的Llama仅通过15次实验就确定了一种此前未被报道的复杂反应的最佳条件。在生物学领域，谷歌开发的“代理型”人工智能协作系统从现有药物中成功筛选出治疗肝纤维化的新候选药物，并在两天内复现了细菌中DNA寄生传播的关键机制。
与丹尼索瓦人面对面：中国研究人员成功地从一具几十年前在哈尔滨附近发现的古头骨（也被称为“龙人”）中提取出了DNA。经过测定“龙人”的DNA和牙垢中的蛋白质，他们将其与其他丹尼索瓦人化石进行了匹配，最终确认这具拥有厚重眉脊、粗壮骨骼和有力下颌的头骨属于一名丹尼索瓦人。
计算的突破助力揭示粒子物理新进展：今年6月，长期开展的“μ子g-2”实验公布结果表明，与此前推测相反，一种名为μ子的基本粒子其磁性并未超出标准模型的预测范围。尽管这一发现意味着最被寄予厚望的新物理迹象可能不复存在，但在表面失望的背后却蕴藏着一项重要成就：理论物理学家首次成功运用格点规范理论这一数值方法，从第一性原理出发实现了对μ子磁性的高精度计算。这一理论与实验的一致性不仅标志着格点规范理论在强相互作用体系计算中的重大突破，也凸显了计算物理学在现代基础科学研究中的关键作用。
异种移植实现历史性突破：近两年来，异种移植领域取得显著突破。一名新罕布什尔州患者植入了经过69处基因编辑的猪肾，该猪肾在其体内发挥了近9个月的功能。二中国一名女性患者接受了仅经过6处基因编辑的猪肾移植，其器官工作时间接近9个月。目前，已有生物技术公司获得美国FDA批准启动首批异种移植临床试验。部分研究正在尝试将猪的胸腺与肾脏共同移植，从而完全规避免疫抑制剂的使用。
耐热水稻：今年4月，中国研究人员在《细胞》上发文表示，在水稻的12号染色体上发现一个关键的“耐热优质”基因QT12，不过该基因激活会导致谷粒变得粉质、易碎，口感不佳。在温度升高时不被激活的QT12等位基因的品种能保持良好的谷粒质量。这项研究将能帮助帮助水稻抵御高温带来的两种影响：产量降低和谷粒质量变差。
· 天体物理学 ·
首次直接拍摄到附近恒星系统中的天体碰撞图像
这幅概念图展示了围绕北落师门恒星形成尘埃云 cs2 的一系列事件。在第一幅图中，恒星北落师门出现在左上角。右下角的两个白点代表围绕北落师门运行的两个大质量天体。在第二幅图中，这两个天体相互靠近。第三幅图展示了这两个天体剧烈碰撞的场景。在第四幅图中，由此形成的尘埃云 cs2 清晰可见，星光将尘埃颗粒推离恒星。图片来源：NASA, ESA, STScI, Ralf Crawford （STScI）
北落师门位于南鱼座，距离地球仅25光年，质量比太阳还大，周围环绕着复杂的尘埃碎片带系统。自2008年发现北落师门b（Fomalhaut b）以来，天文学家一直难以确定它究竟是一颗行星，还是一团正在膨胀的尘埃云。2023年，研究人员利用哈勃空间望远镜进一步观测了这颗奇异的光源。令人惊讶的是，它（现称为北落师门cs1）已经消失了。但在同一星系中略微不同的位置，出现了另一个明亮的光点（现称北落师门cs2）。最近，《科学》（Science）发布了最新的研究结果，天体物理学家发现这些光点根本不是行星，而是宇宙天体碰撞事件后留下的发光残骸，此前观测到的两个光源来自两次截然不同的剧烈碰撞。
新研究提出的主要假设是，在过去的二十年里，我们观测到的其实是两次星子碰撞——星子是类似小行星的小型岩质天体。星子碰撞极其罕见，这是我们首次在太阳系外观测到此类事件。研究星子碰撞对于了解行星的形成至关重要，它可以帮助我们了解小行星的结构，这对于像双小行星重定向试验 （DART）这样的行星防御计划来说非常重要。这项发现为观测天体碰撞过程提供了一个难得的实验室，但也凸显了将天体碰撞后产生的尘埃云误认为是反射星光的行星的可能性。随着新一代望远镜致力于直接拍摄附近恒星周围宜居带的行星，理解并区分这些瞬态碰撞云与真正的系外行星将至关重要。（Northwestern University）
·化学 ·
我国科学家实现温和条件下以氮气和水为原料直接合成氨
传统Haber-Bosch合成氨工艺依赖高纯氢气作为原料，其制备过程能耗高，且后续纯化步骤复杂。若将水直接作为氢源与大气中的氮气反应，有望从源头缩短合成氨的流程，大幅降低能耗和成本，但其中存在两大挑战：一是氮气与水直接反应在热力学上极为不利（ΔG 》 0），需要输入极高能量才能发生；二是反应体系中的水分子及含氧中间体会竞争催化剂的活性位点，抑制氮气的吸附与活化，导致反应动力学过程受阻。近期，在一项发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）的研究中，中国科学院大连化学物理研究所的科学家提出了“反应耦合”与“双位点协同”相结合的策略，实现了在100至320°C的温和条件下，以氮气和水为原料直接合成氨，为发展短流程、低能耗的合成氨技术提供了新途径。
在热力学层面，团队创新性地引入一氧化碳调变热力学，利用其与水中氧原子反应的强放热，将原本强吸热的反应转变为热力学有利反应，从而绕开氮气与水反应的热力学限制。在动力学层面，团队设计并构建了Au/α-MoC1-x双位点催化剂，其界面钼位点负责吸附活化氮气和水生成氨，界面金位点则吸附CO作为“氧受体”移除残余氧，二者协同实现了氮气活化、水分解、加氢与氧移除等多个步骤的相互拉动与催化循环。该“反应耦合”与“双位点协同”相结合的策略使得原本不可行的反应在100 °C的低温下即可启动，在320 °C时产氨速率达每克每小时1396 μmol，其性能较相同条件下利用氢气作为氢源的体系高出2倍以上。该工作不仅证实了温和反应条件下氮气和水直接合成氨的可行性，更在原理上为开发其他直接用水作为氢源的高效催化加氢过程提供了借鉴。
· 生物演化 ·
科学家通过模拟初步揭示各种生物的眼睛演化之旅
蜘蛛头部周围分布着多只眼睛，而脊椎动物通常只有两只、且朝向前方；螳螂虾能感知的颜色也远多于人类。为何自然界会演化出如此多样的视觉系统？一项发表于《科学·进展》（Science Advances）的研究通过类似游戏的计算机模拟提出，不同类型的眼睛是为完成不同任务而演化的，而更强的视觉能力往往需要与更强的大脑协同发展。
研究人员构建了一个具有真实物理特性的虚拟环境，并向其中投放了数百个数字“智能体”。这些智能体最初只有一只能看到单个像素的眼睛，并配备一个简单的神经网络，作为从环境中学习的基础“大脑”。通过设置不同的初始参数，研究人员模拟了现实中的遗传多样性。智能体需要完成两类任务：一是在迷宫中找到出口而不撞墙，二是在避开两个红色“毒药”球的同时寻找一个绿色“食物”球。通过反复尝试，它们会根据成功或失败进行学习。表现最优的智能体会将自身特征（如眼睛数量和分辨率）遗传给下一代，同时引入随机变化以模拟基因突变。
结果显示，到第50代时，负责寻找食物和躲避毒物的智能体进化出了两只朝前、分辨率较高的眼睛，但周边视野有限；而在迷宫任务中表现优异的个体则演化出类似昆虫的复眼，具有出色的空间感知能力，但对细节不敏感。通过进一步修改模拟条件，研究人员发现，眼睛中能聚光成像的“透镜”结构在约130代内出现，这会显著提升觅食能力。研究显示，无论是更大大脑还是更清晰的视力，都无法单独弥补彼此的不足，二者需要共同进化。这一结果与自然界中“高视觉分辨率动物通常拥有更大大脑”的现象一致，也支持了视觉系统为特定任务而演化的长期假设。（《科学》新闻）
· 天文学 ·
12月19日ATLAS彗星将抵达距离地球最近处
XMM-牛顿天文台拍摄的星际彗星3I/ATLAS的X射线图像。图片来源：ESA/XMM-Newton/C. Lisse, S. Cabot & the XMM ISO Team
星际彗星阿特拉斯（3I/ATLAS）于2025年7月1日由位于智利的巡天望远镜发现，是已知造访太阳系的第三颗星际天体，已于10月31日抵达近日点。12月19日，这颗彗星将飞越火星轨道，预计将于北京时间下午2点抵达近地点，距离地球2.73亿千米，并于2026年3月12日飞越气态巨行星木星。
此前，欧洲空间局（ESA）的XMM-牛顿天文台用其最灵敏的X射线相机——欧洲光子成像相机观测了这颗彗星，图像拍摄到彗星发出的低能X射线。这些 X 射线可能来自太阳风与水蒸气、二氧化碳或一氧化碳等气体的相互作用——韦布空间望远镜和SPHEREx等望远镜已经探测到这些气体。（space.com、ESA）
撰文：不周、马一瑗、clefable
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