2024年，新的曙光正在科学的地平线上燃烧。 从生物体内的电极，到引力波的“歌唱”;从单原子层面的探索，到中国人在浩瀚太空中的实验室;从人类对自身细胞水平的理解，到人工智能真正走进我们的生活......2024年即将开始，砥砺前行的科学家正一步步迈向科技新时代。
12月25日，由美国科学技术学会主办，中科院部分院士和中科院人士联合评选的2024年度十大国际科技新闻揭晓。
2024年十大国际科技新闻是：
电极在活组织中“生长”。
雄性小鼠产生功能性卵细胞。
在时间维度上重构了双缝实验。
一个国际团队揭开了引力波背景辐射的划时代发现。
首次检测到单原子X射线信号。
人类Y染色体组装和分析完成。
神经网络设计新的蛋白质。
中国国家空间实验室正式投入运行。
迄今为止最完整的人类脑细胞图谱已经出版。
大型语言模型在不断迭代升级。
1. 电极在活组织中“生长”。
生物体与技术之间的物理界限正在模糊。
瑞典研究人员首次成功地在活组织中培养电极，方法是将酶作为“组装分子”的凝胶注射，然后使用人类分子作为触发器。 该研究结果于今年2月发表在《科学》杂志上，为在生物体中形成完全集成的电子电路铺平了道路。
用于活组织中孵育电极的可注射凝胶，在微细加工电路上进行测试。 托尔·巴克希德（Thor Bakshid），科学
来自瑞典林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学的一组研究人员将神经组织与电子设备连接起来。 一般来说，刚性电子器件和软组织之间的不匹配会损害脆弱的生命系统。 但该团队使用一种可注射的凝胶直接在体内制造出软电极。 当注射到活组织中时，凝胶中的酶会分解体内的内源性代谢物，触发凝胶中有机单体的酶聚合，从而将它们转化为稳定、柔韧的导电电极。 研究人员通过将凝胶注射到斑马鱼和药用水蛭中来验证这一过程。 凝胶在生物体中聚合并在组织内“生长”电极。
这种直接在活组织内创建电子电路的方法提供了一种通过神经系统电信号或神经回路的调制来发展疾病的方法。
2.雄性小鼠产生功能性卵细胞。
这是一项可以激发或促进未来生育能力的研究。
今年3月发表在《自然》杂志上的一份报告报道了干细胞研究的结果：雄性小鼠干细胞转化为雌性细胞并产生功能性卵细胞。 这些卵子中约有 1% 受精以产生健康的后代。
卵细胞数据图。 **视觉中国。
雄性和雌性配子——精子和卵母细胞（卵子）分别由一类称为原代生殖细胞的干细胞产生。 这些干细胞分化成配子，需要性染色体才能正常运作。
先前的研究已经探索了改变原代生殖细胞性别的可能性，并且已经发现可以产生配子的产生或仅产生非常可育的细胞的减少。 但这一次，日本九州大学的Katsuhiko Hayashi团队报告说，使用多能干细胞可以产生更强大的卵细胞。 该团队使用来自成熟雄性小鼠尾部（携带XY染色体）的**细胞，并将这些细胞转化为诱导多能干细胞。 他们在体外培养了这些干细胞，这一过程产生了具有罕见Y染色体（约占培养细胞的6%）的细胞子集，称为XO细胞。
这些XO细胞在培养基中的持续发育诱导了X染色体的复制。 用干扰细胞**的药物逆转蛋白处理细胞，可提高X染色体的复制效率。 由此产生的双X染色体细胞被诱导分化为原生生殖样细胞，然后分化为卵细胞，卵细胞受精并植入小鼠子宫以产生活的后代。
尽管将雄性细胞转化为雌性细胞对基因组稳定性的影响仍需更严格的评估，但这一重要结果对未来的研究和应用具有重要意义。
3.在时间维度上重构双缝实验。
英国科学家托马斯·杨（Thomas Young）在19世纪对光波干涉的观测是物理学史上最具标志性的实验之一，对量子物理学产生了深远的影响。 现在，它有了新的转折。
今年4月，英国科学家借助一种“超材料”，在时间上而不是空间上重现了著名的双缝实验，这种“超材料”可以在飞秒（万亿秒）内改变特性。 最新的实验揭示了光的更多基本特性，并为创造能够在空间和时间尺度上精细控制光的终极材料奠定了基础。
原创双缝实验艺术绘画。 **英国自然杂志**。
该实验最初涉及光通过空间中的一对“狭缝”进行衍射，但新的研究表明，使用双狭缝可以在时间上达到等效效果。 伦敦帝国理工学院的研究小组在他们的实验中使用了一层氧化铟锡薄膜，在飞秒等超快时间尺度上，材料的反射率被激光改变，为光创造一个“狭缝”。 研究人员通过快速连续两次打开和关闭半导体反射镜的反射率并记录从反射镜反射的光谱沿线的干涉条纹来实现这一目标。 他们的实验发现，干扰发生在不同频率的波之间，而不是发生在不同的空间位置之间。
这一成就在未来可能会有多种应用，例如用于信号处理和通信或光计算的光开关。
第四，国际团队宣布了引力波背景辐射这一划时代的发现。
如果把引力波背景比作古老而神秘的歌声，那么“合唱团”每天以不同的频率表演。 现在，通过对脉冲星的监测，科学家们终于听到了这首歌，换句话说，这是引力波背景的第一个证据。
经过15年的数据收集，今年6月，科学家们第一次“听到”了引力波在宇宙中荡漾的永恒合唱，而且声音比预期的要响亮得多。 这是对引力波背景的划时代发现。
一对超大质量黑洞（左上）发出引力波，在时空结构中荡漾（艺术图像）。 *北美纳赫兹引力波天文台。
引力波背景辐射是许多不同引力波源的叠加，所有这些引力波源的频率和强度各不相同，但都是低的，它们应该存在于我们周围，并可能告诉我们它已经隐藏了很长时间的重要信息。 不幸的是，它的存在和组成只是理论的产物。
在6月发表在《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上的一个新系列中，科学家们报告了他们的结果。 这次最有可能探测到的引力波背景是一对卡在“死亡螺旋”中的超大质量黑洞。 这些黑洞是如此之大，以至于它们可以达到数十亿太阳质量。 因为几乎所有的星系，包括银河系的中心，都盘踞在这样一个黑洞怪物中。 因此，当两个星系合并时，它们的超大质量黑洞相遇并开始相互绕行。 一旦两个黑洞足够接近，它们就可以通过脉冲星定时阵列观测到。
北美纳赫兹引力波天文台的团队表示，目前他们只能测量整体引力波背景，而不能测量单个“歌手”或“乐器”的辐射。 即便如此，这足以让整个天体物理学界感到惊讶，因为“引力波背景中的声音大约是预期的两倍”。 美国耶鲁大学助理教授明加雷利说，这是超大质量黑洞可以创造的模型的上限。
5、首次检测到单原子X射线信号
为了在材料检测方式上取得历史性突破，科学家需要在原子层面进行创新，这不仅仅是设备升级。
今年6月，来自俄亥俄大学、阿贡国家实验室和伊利诺伊大学芝加哥分校的科学家捕获了第一个单原子X射线信号，这是一项突破性的成就，有望彻底改变材料的检测方式。
首次检测到单个原子X射线的实验示意图。 **物理学家组织网络。
因为单个原子产生的X射线信号非常微弱，以至于传统的探测器不够灵敏，无法检测到它。 为了解决这个问题，该团队在传统的X射线探测器上添加了一个锋利的金属尖端，该探测器放置在要研究的样品上方仅1纳米处。 当锋利的尖端穿过样品表面时，电子穿过尖端和样品之间的空间产生电流，这基本上检测了每个元素的独特“指纹”，使研究人员能够将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率与强X射线照明提供的化学灵敏度相结合。
6. 人类Y染色体组装和分析完成。
这是第一个真正完整的人类Y染色体序列，也是最后一个完全测序的人类染色体。
8月发表在《自然》杂志上的两篇文章发表了人类Y染色体的组装和分析。 这项研究涉及来自世界各地的100多名科学家，填补了当前Y染色体参考中的许多空白，并提供了对不同人群进化和变异的见解。
Y染色体是人类24条染色体中最后一条完成测序的染色体。**美国国家人类基因组研究所（NHGRI）。
人类Y染色体由于其复杂的结构而难以测序和组装。 目前人类参考基因组组装中缺少超过一半的Y染色体，导致对Y染色体的理解非常不完整，限制了对其组成、复杂性和不同人群之间差异的理解。 作为端粒到端粒联盟的一部分，来自美国国家人类基因组研究所的科学家，包括约翰霍普金斯大学和加州大学圣克鲁兹分校以及其他机构，报告了完整人类Y染色体的62460029碱基对序列。 该组装纠正了当前人类参考基因组组装中关于Y染色体的几个错误，同时还在参考基因组中增加了3000多万个碱基对，揭示了多个基因家族的完整结构，并鉴定了41个新的蛋白质编码基因。
在另一篇文章中，联合团队组装了代表全球21个不同人群的43名男性的人类Y染色体。 这些组装结果阐明了 Y 染色体在 18 中的作用30,000年人类进化史中的遗传差异。 研究人员正在将新的见解整合到灵长类动物研究中，以更深入地挖掘Y染色体的进化，并分析可能影响癌症和许多其他疾病的临床相关基因，以帮助个性化医学。
7. 神经网络设计了新的蛋白质。
蛋白质一直很难建模，尤其是当人们想要“反其道而行之”时——将所需的功能转化为蛋白质结构——这是一个艰巨的挑战。
设计蛋白质生物材料的可视化示例。 Markus Buehler，《应用物理学杂志》
麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）团队在8月份宣布，它将把注意力神经网络与图神经网络相结合，以更好地理解和设计蛋白质。 这种方法结合了几何深度学习和语言模型的两种优势，不仅可以改善现有蛋白质的性质，还可以想象自然界中尚未设计的新蛋白质。 新模型通过对基本原理进行建模并将自然界发明的一切作为基础，重新组合了自然界的组成部分。 当团队训练模型时，他们使用不同的蛋白质来根据其功能确定它们的序列、溶解度和氨基酸成分。 然后，在收到新蛋白质功能的初始参数后，该模型释放了其创造力并生成了全新的结构。
无独有偶，Deep Thinking今年还推出了新一代的“α折叠”，不仅精度显著提高，还将其范围从蛋白质扩展到其他生物分子，包括配体。 该模型能够以原子精度实现蛋白质数据库（PDB）中的几乎所有分子。
8、中国空间实验室国家实验室正式投入运行。
今年是中国首次载人飞行成功20周年。 8月18日，中国载人航天工程办公室收到喜讯：中国国家空间实验室正式投入运行，空间应用正在有序开展，成果频发。
在第十四届中国航展上拍摄的中国空间站总成显示模块的问天实验舱。 新华社记者刘大伟摄。
中国载人航天工程发言人、中国载人航天工程办公室副主任林锡强表示，目前空间站科学实验设施已基本完成在轨试验，在轨运行稳定可靠，具备大规模开展空间科学研究的能力。 截至目前，空间站已开展实验项目60余项，在轨实验数万次，获得原始实验数据近60TB，送下科学实验样本300余份。
作为中国航天史上规模最大、长期的载人航天实验平台，国家空间实验室将利用太空的环境优势，开展大部分在地球上无法模拟的科研工作。 问天实验舱、梦天实验舱、天河核心舱部署的多个实验柜，将开展上千项科学实验，探索宇宙的奥秘，将孵化的科技成果转化为实际应用，造福地球普通民众的生活。
9. 迄今为止最完整的人类脑细胞图谱已经发布。
随着生物医学的发展，我们可以依靠什么来获得对人类作为一个物种的身份的新认识？答案之一是脑科学。
科学杂志。
10月，21篇文章**发表在美国期刊《科学》、《科学进展》和《科学转化医学》上，发表并解释了迄今为止最完整的人类脑细胞图谱。 来自多个国家的科学家参与的系列研究，揭示了3000多种脑细胞类型的特征，将有助于更好地了解人类大脑的独特性，并推进对脑部疾病和认知能力的研究。 《自然》援引澳大利亚弗洛里神经科学与心理健康研究所专家安东尼·汉南的话说，这一系列研究首次在单细胞水平上绘制了人脑图谱，展示了其复杂的分子相互作用，为更好地理解人脑奠定了基础。
其中，荷兰乌得勒支大学医学中心神经科学家Kimberly Siletti团队对覆盖人脑106个位点的300多万个细胞进行了RNA（核糖核酸）测序，分析并记录了461个脑细胞类别，包括3000多个亚型。 研究表明，神经元作为从大脑和神经系统发送和接收信号的细胞，在大脑的不同部位差异很大，特别是在连接大脑和脊髓的脑干区域，脊髓包含一种特别多的神经元类型，揭示了不同的功能和发育史。 这是对人类大脑的组织结构，包括成人大脑和胚胎阶段发育中的人脑，在单细胞水平上进行前所未有的细化分析，识别和描绘了人类脑细胞类型的惊人多样性，为理解人类精神和神经系统疾病机制提供了线索。
10、大型语言模型不断迭代升级。
2024年是“生成式人工智能年”。
Gemini 可以处理文本、音频和 **。 谷歌公司
今年，GPT-4 的性能被认为“可与人类相媲美”。 在聊天机器人 ChatGPT 发布约 4 个月后，ChatGPT 背后的公司 OpenAI 宣布正式发布 GPT-4，这是一款由 ChatGPT 提供支持的更强大的下一代技术，具有图像识别能力、高级推理能力和处理 25,000 个单词的能力，在某些测试中表现与人类一样好。
12 月 6 日，谷歌宣布推出一款名为 Gemini 的新人工智能模型，它声称该模型在一系列智力测试中优于 GPT-4 模型和“专家”人类。 谷歌声称 Gemini 的中端 Pro 版本击败了其他一些型号，例如 OpenAI 的 GPT35，但更强大的 Ultra 超越了所有现有 AI 模型的能力。 它在行业标准 MMLU 基准测试中的得分为 90%，而“专家”人类预计将达到 89 分8%。这是人工智能首次在测试中击败人类，并且是所有现有模型中得分最高的。
该测试涉及一系列棘手的问题，包括逻辑谬误、日常场景中的道德问题、医学问题、经济学和地理学。 在同一测试中，GPT-4 得分为 87%，LLAMA-2 得分为 68%，Claude 2 得分为 785%。Gemini 在其他 9 个常见基准测试中的 8 个中击败了所有这些模型。
*： 技术** 2023-12-26 第 03 版）。
编辑：Nilo。