小紀有話說：
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公眾號“環球科學”（id：huanqiukexue）
ChatGPT誕生剛滿兩年，基於人工智慧（AI）的各類應用已層出不窮。隨著大語言模型的複雜推理能力顯著提升，以及多模態模型的跨模態資料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複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；考古學家藉助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……越來越多的領域藉助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年發表於《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。這種細胞器起源於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，開始依賴於宿主細胞的蛋白質，並透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，將原本屬於原核細胞的功能擴充套件到了真核細胞中。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，吉利德科學公司宣佈，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：兩千餘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。來那卡帕韋於2022年獲批用於治療多重耐藥型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，吉利德宣佈授權多家制造商在120箇中低收入國家生產來那卡帕韋的仿製藥，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介面（BCI）裝置進入臨床。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，數月後，其又宣佈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裝置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，我國工信部宣佈推動BCI的標準建設和臨床轉化。清華大學、復旦大學等在利用BCI裝置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裝置已過去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與人工智慧等融合，或不僅能挽救生命，還能推動腦機融合智慧的到來。
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透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，有助於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，難以進一步瞭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，採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取樣返回。此次任務共採集了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岩分佈的重要控制因素，月球正面和背面遭受隕石撞擊的機率相當，這些都深化了我們對月球地質演化的認知。預計後續還會有更多成果出爐。
2024年再次重新整理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資料顯示，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，發表於《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，發表於《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。儘管這並不意味《巴黎協定》承諾的長期目標已經失效，但確實敲響了警鐘，提醒我們必須立即採取更有力的行動來應對氣候變化。
科學家曾提出，基於原子核的核鍾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，他們用高能雷射系統成功激發了釷-229原子核，並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鍾躍遷頻率與JILA的原子鐘躍遷頻率關聯起來。這種直接的頻率連線與精度的提升，為未來數年內開發出超精準核鍾鋪平了道路。而核鐘的到來不僅能推動導航、通訊等技術的發展，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於量子位元極易受環境干擾而引入錯誤，此前量子糾錯領域從未實現“低於糾錯閾值”的成就，即在量子位元數量增長的同時降低錯誤率。2024年12月9日，《自然》釋出了一項里程碑式的突破。谷歌量子人工智慧研究團隊在超導量子晶片Willow上演示了隨著量子位元數量增加，錯誤率呈指數級下降，表明這是首個低於糾錯閾值的系統。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取樣基準測試了Willow的效能，結果顯示，該晶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。該晶片的效能擴充套件後或能滿足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”基本驗證了透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，儘快研製出正式版本的“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，得益於“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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