2023年，科學(xué)的地平線上燃起了新的曙光。從活體中的電極，到引力波的“歌聲”；從單原子水平的探索，到廣袤太空里中國(guó)人自己的實(shí)驗(yàn)室；從人類對(duì)自身細(xì)胞級(jí)的了解，到人工智能真正走入我們的生活……2024年即將開(kāi)啟，前行不輟的科學(xué)家們，正一步步接近科技新紀(jì)元的大門。

1、活體組織中“長(zhǎng)出”電極

在微制造電路上測(cè)試的可注射凝膠。 圖片來(lái)源：托爾·巴克希德/《科學(xué)》網(wǎng)站

生物體和技術(shù)之間的物理界限正在變得模糊。

瑞典研究人員通過(guò)注入以酶作為“組裝分子”的凝膠，再利用人體分子作為觸發(fā)器，首次成功地在活體組織中培育出電極。今年2月發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)成果，為在生物體中形成完全集成的電子電路鋪平了道路。

瑞典林雪平大學(xué)、隆德大學(xué)和哥德堡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將神經(jīng)組織與電子設(shè)備連接了起來(lái)。通常來(lái)說(shuō)，剛性電子設(shè)備和軟組織之間的不匹配，可能會(huì)損害脆弱的生命系統(tǒng)。但該團(tuán)隊(duì)使用可注射凝膠直接在體內(nèi)制造出軟電極。注射到活體組織后，凝膠中的酶分解體內(nèi)的內(nèi)源代謝物，從而引發(fā)凝膠中有機(jī)單體的酶聚合，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、柔軟的導(dǎo)電電極。研究人員通過(guò)將凝膠注射到斑馬魚(yú)和藥用水蛭中，驗(yàn)證了這一過(guò)程。凝膠在兩種生物體中聚合并在組織內(nèi)“生長(zhǎng)”出了電極。

這種直接在活體組織內(nèi)創(chuàng)建電子電路的方法，提供了通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)電信號(hào)或調(diào)節(jié)神經(jīng)回路就能治療疾病的途徑。

2、雄性小鼠產(chǎn)生功能性卵細(xì)胞

雄性小鼠產(chǎn)生功能性卵細(xì)胞。 圖片來(lái)源：《自然》網(wǎng)站

這是一項(xiàng)能啟發(fā)或推動(dòng)未來(lái)生育力的研究。

《自然》雜志3月發(fā)表的論文報(bào)告了一項(xiàng)干細(xì)胞研究重磅成果：將雄性小鼠干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為雌性細(xì)胞并產(chǎn)生功能性卵細(xì)胞。這些卵細(xì)胞在受精后得到的胚胎中，約有1%能產(chǎn)生健康的后代。

雄配子和雌配子——分別為和卵母細(xì)胞（卵子），由名為原生殖細(xì)胞的一類干細(xì)胞產(chǎn)生。這些干細(xì)胞分化成配子，需要性染色體發(fā)揮正常功能。

此前有研究探索過(guò)改變?cè)臣?xì)胞性別的可能性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)配子的產(chǎn)生或是減少，只能產(chǎn)生生育力很低的細(xì)胞。但這一次，日本九州大學(xué)林克彥團(tuán)隊(duì)報(bào)告了利用多能干細(xì)胞有可能產(chǎn)生更健全的卵細(xì)胞。團(tuán)隊(duì)使用了成熟雄性小鼠尾巴的皮膚細(xì)胞（攜帶XY染色體），并把這些細(xì)胞轉(zhuǎn)化成誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。他們將這些干細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一部分罕見(jiàn)缺失Y染色體的細(xì)胞（約占6%的培養(yǎng)細(xì)胞），即XO細(xì)胞。

這些XO細(xì)胞在培養(yǎng)基中的繼續(xù)發(fā)育能誘導(dǎo)X染色體的。使用干擾細(xì)胞分裂的逆轉(zhuǎn)素藥物處理細(xì)胞，能提高X染色體的效率。最后得到的雙X染色體的細(xì)胞被誘導(dǎo)分化為原生殖細(xì)胞樣細(xì)胞，再分化成卵細(xì)胞，這些卵細(xì)胞經(jīng)過(guò)受精并植入一個(gè)小鼠的后，產(chǎn)生了可存活的后代。

盡管仍需更嚴(yán)格地評(píng)估將雄性細(xì)胞變成雌性細(xì)胞對(duì)于基因組穩(wěn)定性的影響，但這一重磅成果對(duì)于未來(lái)的研究和應(yīng)用十分重要。

3、雙縫實(shí)驗(yàn)在時(shí)間維度重建

原始雙縫實(shí)驗(yàn)藝術(shù)圖。圖片來(lái)源：《自然》網(wǎng)站

英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊在19世紀(jì)對(duì)光波干涉的觀察是物理學(xué)史上最具標(biāo)志性的實(shí)驗(yàn)之一，對(duì)量子物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響?，F(xiàn)在，它有了新進(jìn)展。

今年4月，英國(guó)科學(xué)家借助一種能在飛秒（千萬(wàn)億分之一秒）內(nèi)改變特性的“超材料”，在時(shí)間而非空間維度重現(xiàn)了著名的雙縫實(shí)驗(yàn)。最新實(shí)驗(yàn)揭示了更多光的基本性質(zhì)，也為創(chuàng)造出能在空間和時(shí)間尺度上精細(xì)控制光的終極材料奠定了基礎(chǔ)。

這一實(shí)驗(yàn)原本涉及光通過(guò)空間中的一對(duì)“狹縫”的衍射，但新研究表明，使用雙縫在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)等效效果是可能的。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中用到了氧化銦錫薄膜，在飛秒這樣超快的時(shí)間尺度上，這種材料的反射率會(huì)被激光改變，為光創(chuàng)造出“狹縫”。研究人員通過(guò)快速連續(xù)兩次打開(kāi)和關(guān)閉半導(dǎo)體鏡的反射率并沿著從鏡反射的光的頻譜記錄干涉條紋，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干擾發(fā)生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置之間。

這項(xiàng)成果未來(lái)或有多種應(yīng)用，例如用于信號(hào)處理和通信或光計(jì)算的光開(kāi)關(guān)。

4、國(guó)際團(tuán)隊(duì)公布引力波背景輻射劃時(shí)代發(fā)現(xiàn)

一對(duì)超大質(zhì)量黑洞（左上）發(fā)射出引力波，在時(shí)空結(jié)構(gòu)中蕩漾（藝術(shù)想象圖）。 圖片來(lái)源：北美納赫茲引力波天文臺(tái)

如果將引力波背景比喻成古老而神秘的歌聲，那么“合唱團(tuán)”每天都在以不同的頻率演出。現(xiàn)在，通過(guò)對(duì)脈沖星的監(jiān)測(cè)，科學(xué)家終于聽(tīng)到了歌聲，換句話說(shuō)，拿到了引力波背景的第一個(gè)證據(jù)。

經(jīng)過(guò)15年的數(shù)據(jù)收集，今年6月，科學(xué)家們第一次“聆聽(tīng)”到了在宇宙中蕩漾著的引力波永恒合唱，聲音比預(yù)期要大得多。這是針對(duì)引力波背景的劃時(shí)代重大發(fā)現(xiàn)。

引力波背景輻射是由許多不同的引力波源疊加而成的，它們的頻率和強(qiáng)度都不相同，但都很低，它們應(yīng)該存在于我們周圍，并可能會(huì)告訴我們它恒久隱藏著的重要信息。但遺憾的是，關(guān)于其存在和組成，一直只是理論化的產(chǎn)物。

6月發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上的一系列新論文中，科學(xué)家報(bào)告了他們的成果。此次探測(cè)到的引力波背景最可能的來(lái)源是陷入“死亡螺旋”的一對(duì)超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞龐大到能達(dá)到數(shù)十億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。由于幾乎所有星系，包括銀河系中心都盤踞著這樣一個(gè)黑洞怪物。因此當(dāng)兩個(gè)星系合并時(shí)，它們的超大質(zhì)量黑洞會(huì)相遇并開(kāi)始相互繞轉(zhuǎn)。一旦兩個(gè)黑洞足夠接近，就有可能被脈沖星計(jì)時(shí)陣列觀測(cè)到。

北美納赫茲引力波天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)表示，目前他們還只能測(cè)量整體引力波背景，而不能測(cè)量單個(gè)“歌手”或“樂(lè)器”的輻射。即便如此，也足以令整個(gè)天文物理學(xué)界驚喜，因?yàn)椤耙Σū尘暗穆曇舸蠹s是預(yù)期的兩倍”。美國(guó)耶魯大學(xué)助理教授明加雷利稱，這是人們能從超大質(zhì)量黑洞中創(chuàng)建的模型的上限。

科學(xué)家們的興奮也來(lái)自于這一研究正在開(kāi)啟一個(gè)未知領(lǐng)域。由于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)限制，他們無(wú)法估計(jì)是否有其他東西也正在產(chǎn)生強(qiáng)大引力波。如果有，那么弦理論預(yù)測(cè)的機(jī)制甚至宇宙的誕生，都可能有其他解釋。

5、單原子X(jué)射線信號(hào)首次探到

單原子X(jué)射線首次探到的實(shí)驗(yàn)示意圖。 圖片來(lái)源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

讓材料檢測(cè)方式發(fā)生歷史性突破，并不是僅僅依靠設(shè)備升級(jí)就可以，科學(xué)家們需要從原子水平進(jìn)行革新。

6月，來(lái)自美國(guó)俄亥俄大學(xué)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、諾伊大學(xué)芝加哥分校等的科學(xué)家，首次拍攝到了單原子X(jué)射線信號(hào)，這一突破性的成就有望徹底改變?nèi)藗儥z測(cè)材料的方法。

研究團(tuán)隊(duì)利用同步加速器X射線對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行成像。使用同步加速器X射線掃描隧道顯微鏡可分析的最小樣本量為阿克，約為10000個(gè)原子。這是因?yàn)閱蝹€(gè)原子產(chǎn)生的X射線信號(hào)極其微弱，傳統(tǒng)探測(cè)器的靈敏度不足以檢測(cè)到它。為解決這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)的X射線探測(cè)器上添加了一個(gè)鋒利的金屬尖端，該探測(cè)器放置在待研究樣品上方僅1納米處。當(dāng)銳利的尖端在樣品表面移動(dòng)時(shí)，電子穿過(guò)尖端和樣品之間的空間產(chǎn)生電流，這本質(zhì)上檢測(cè)到每個(gè)元素獨(dú)特的“指紋”，從而使該研究人員將掃描隧道顯微鏡的超高空間分辨率與強(qiáng)X射線照明提供的化學(xué)靈敏度結(jié)合了起來(lái)。

該技術(shù)能將有毒材料追蹤到極低的水平，從而可在材料設(shè)計(jì)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

6、人類Y染色體組裝與分析完成

Y染色體是人類24條染色體中最后一個(gè)完成測(cè)序的。 圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所

這是第一個(gè)真正完整的人類Y染色體序列，也是最后一個(gè)被完全測(cè)序的人類染色體。

《自然》雜志8月發(fā)表的兩篇論文公布了人類Y染色體的組裝和分析。這項(xiàng)全球100多名科學(xué)家參與的研究，填補(bǔ)了當(dāng)前Y染色體參考的諸多空白，帶來(lái)了對(duì)不同人群演化和變異的見(jiàn)解。

人類Y染色體由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜一直很難測(cè)序和組裝。超過(guò)一半的Y染色體在當(dāng)前的人類參考基因組組裝中缺失，導(dǎo)致人們對(duì)Y染色體的認(rèn)識(shí)很不全面，限制了對(duì)其組成、復(fù)雜性以及在不同人群間差異的理解。作為“端粒到端?！甭?lián)盟的一部分，由美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所領(lǐng)導(dǎo)、包括約翰斯·霍普金斯大學(xué)、加州大學(xué)圣克魯斯分校等多家機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，此次報(bào)道了完整的人類Y染色體的62460029個(gè)堿基對(duì)序列。這次的組裝糾正了當(dāng)前人類參考基因組組裝中關(guān)于Y染色體的多個(gè)錯(cuò)誤，同時(shí)還向參考基因組中添加了逾3000萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)，揭示了多個(gè)基因家族的完整結(jié)構(gòu)，并確認(rèn)了41個(gè)新的蛋白質(zhì)編碼基因。

在另一篇論文中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)組裝了代表世界21個(gè)不同人群的43名男性的人類Y染色體。這些組裝結(jié)果更詳細(xì)闡釋了Y染色體在18.3萬(wàn)年的人類演化歷史中的遺傳差異。研究人員將此次的新見(jiàn)解整合到靈長(zhǎng)類動(dòng)物的研究中，以更深入地挖掘Y染色體的進(jìn)化，并分析可能影響癌癥和其他多種疾病的臨床相關(guān)基因，進(jìn)而助力個(gè)性化醫(yī)療。

7、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出全新蛋白質(zhì)

設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)生物材料的可視化示例。 圖片來(lái)源：馬庫(kù)斯·比勒/《應(yīng)用物理學(xué)雜志》

蛋白質(zhì)一直難以建模，尤其是人們想要“反向操作”——將所需的功能轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，更是一個(gè)高難度挑戰(zhàn)。

美國(guó)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)8月宣布將注意力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以更好地理解和設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)。該方法將幾何深度學(xué)習(xí)與語(yǔ)言模型的兩種優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，不僅可預(yù)測(cè)現(xiàn)有蛋白質(zhì)特性，還可設(shè)想自然界尚未設(shè)計(jì)出的新蛋白質(zhì)。此次新模型通過(guò)對(duì)基本原理建模，將大自然發(fā)明的一切作為基礎(chǔ)，重新組合了這些自然構(gòu)建塊。團(tuán)隊(duì)在訓(xùn)練模型時(shí)，根據(jù)不同蛋白質(zhì)的功能來(lái)預(yù)測(cè)它們的序列、溶解度和氨基酸組成部分。然后，在收到新蛋白質(zhì)功能的初始參數(shù)后，模型發(fā)揮出創(chuàng)造力并生成了全新的結(jié)構(gòu)。

無(wú)獨(dú)有偶，“深度思維”公司也在今年公布了新一代“阿爾法折疊”，其不僅準(zhǔn)確性顯著提高，預(yù)測(cè)范圍還從蛋白質(zhì)擴(kuò)展到其他生物分子，包括配體。該模型已可預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB）中的幾乎所有分子，精度則可達(dá)到原子級(jí)。

8、中國(guó)國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室正式運(yùn)行

第十四屆中國(guó)航展上拍攝的中國(guó)空間站組合體展示艙的問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙。 新華社記者 劉大偉攝

今年是中國(guó)首次載人飛行任務(wù)成功20周年。8月18日，中國(guó)載人航天工程辦公室傳來(lái)喜訊：中國(guó)國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室正式運(yùn)行，空間應(yīng)用正有序展開(kāi)、成果頻現(xiàn)。

中國(guó)載人航天工程新聞發(fā)言人、中國(guó)載人航天工程辦公室副主任林西強(qiáng)說(shuō)，當(dāng)前空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施基本完成在軌測(cè)試，在軌運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具備了大規(guī)模開(kāi)展空間科學(xué)研究的能力。截至目前，空間站已開(kāi)展了60余個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、上萬(wàn)次在軌實(shí)驗(yàn)，獲得了近60TB原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，下行了300余個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品。

作為中國(guó)航天史上規(guī)模最大、長(zhǎng)期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)行后的國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室將利用太空中的環(huán)境優(yōu)勢(shì)展開(kāi)科研，其中多數(shù)在地球上都無(wú)法模擬。而問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙、天和核心艙部署的多個(gè)實(shí)驗(yàn)柜將開(kāi)展上千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，探索宇宙中的奧秘，并將孵化的科技成果，轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的應(yīng)用，惠及地球上普通人的生活。

9、迄今最全人腦細(xì)胞圖譜發(fā)布

《科學(xué)》雜志封面論文。 圖片來(lái)源：《科學(xué)》網(wǎng)站

生物醫(yī)學(xué)發(fā)展至今，我們要憑借什么才能對(duì)人類這一物種身份有新的認(rèn)識(shí)？答案之一就是腦科學(xué)。

10月份同時(shí)刊發(fā)在美國(guó)《科學(xué)》《科學(xué)進(jìn)展》和《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上的21篇論文，公布并闡釋了迄今最全的人類大腦細(xì)胞圖譜。多國(guó)科學(xué)家參與的這一系列研究，揭示了3000多種腦細(xì)胞類型的特征，將有助于深入理解人類大腦的獨(dú)特之處并推進(jìn)腦部疾病和認(rèn)知能力等研究?！蹲匀弧肪W(wǎng)站援引澳大利亞弗洛里神經(jīng)科學(xué)與心理健康研究所專家安東尼·漢南的話說(shuō)，這一系列研究首次在單細(xì)胞水平上繪制了人類大腦圖譜，顯示其復(fù)雜的分子相互作用，為更好理解人腦奠定了基礎(chǔ)。

其中，荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)科學(xué)家金伯莉·西萊蒂團(tuán)隊(duì)對(duì)覆蓋人類大腦106個(gè)位置的300多萬(wàn)個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了RNA（核糖核酸）測(cè)序，分析記錄了461個(gè)腦細(xì)胞大類，包含3000多個(gè)亞型。研究顯示，神經(jīng)元作為大腦和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送和接收信號(hào)的細(xì)胞，在大腦不同部位具有很大差異，尤其連接大腦和脊髓的腦干區(qū)域含有特別多神經(jīng)元類型，這種差異揭示了不同的功能和發(fā)育歷史。這是從單細(xì)胞層面以前所未有的顆粒度解析了人腦的組織結(jié)構(gòu)，包括成年人腦和胚胎期正在發(fā)育的人腦，識(shí)別和描繪出了人腦細(xì)胞類型的驚人多樣性，為認(rèn)識(shí)人類精神和神經(jīng)疾病機(jī)制提供了線索。

10、大型語(yǔ)言模型不斷迭代升級(jí)

Gemini可處理文本、音頻和視頻。 圖片來(lái)源：谷歌公司

2023年是“生成式人工智能之年”。

今年，GPT-4的表現(xiàn)被認(rèn)為“可與人類相媲美”。在聊天機(jī)器人ChatGPT發(fā)布約4個(gè)月后，ChatGPT背后的OpenAI宣布正式發(fā)布為ChatGPT提供支持的更強(qiáng)大的下一代技術(shù)GPT-4，其擁有圖像識(shí)別功能、高級(jí)推理技能，以及處理25000個(gè)單詞的能力，在某些測(cè)試中的表現(xiàn)不輸于人類。

而在12月6日，谷歌公司則宣布推出一種名為Gemini的新人工智能模型，并聲稱該模型在一系列智力測(cè)試中的表現(xiàn)優(yōu)于GPT-4模型和“專家級(jí)”人類。谷歌聲稱，Gemini的中檔Pro版本擊敗了其他一些模型，例如OpenAI的GPT3.5，但更強(qiáng)大的Ultra超過(guò)了所有現(xiàn)有AI模型的能力。它在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MMLU基準(zhǔn)上的得分為90%，而“專家級(jí)”的人類預(yù)計(jì)能達(dá)到89.8%。這是人工智能首次在測(cè)試中擊敗人類，也是現(xiàn)有模型中得分最高的。

該測(cè)試涉及一系列棘手的問(wèn)題，包括邏輯謬誤、日常場(chǎng)景中的道德問(wèn)題、醫(yī)療問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)和地理問(wèn)題。在同一測(cè)試中，GPT-4的得分為87%，LLAMA-2的得分為68%，Claude 2的得分為78.5%。Gemini在其他9項(xiàng)常見(jiàn)基準(zhǔn)測(cè)試中的8項(xiàng)中擊敗了所有這些模型。