《科學》2023年度十大突破

槳篤繪

2023年12月14日，《科學》雜志發布年度十大科學突破榜單。

它們代表著科學領域在過去一年中最重大的發現、最重要的進展和最值得關注的趨勢。

革命性減肥藥GLP-1有望戰勝肥胖

肥胖問題已成為大眾健康危機。數據顯示，歐美國家有5至7成的成年人受超重困擾，中國人的超重率為34.8%，肥胖率14.1%。根據定義，體重指數超過30即屬于肥胖，會導致2型糖尿病、心臟病、關節炎、脂肪肝疾病和某些癌癥。令人遺憾的是，自20世紀初以來，開發安全有效減肥藥的努力總以失敗告終。

但現在，胰高血糖素樣肽-1受體激動劑，即GLP-1，似乎正創造歷史。它能顯著減輕體重，同時副作用可控。2023年臨床試驗表明，它還有其他健康益處——緩解心力衰竭癥狀，降低心臟病發作和中風風險。

科學家于1980年代初研究糖尿病和血糖調節時發現了GLP-1，后逐漸了解到它能降低人體血糖。制藥公司開始探索將其作為糖尿病治療的方法。

第一種 GLP-1藥物是艾塞那肽（Exenatide），于2005年獲批用于2型糖尿病。2014年，諾和諾德推出的利拉魯肽（Liraglutide）獲美國食品藥品管理局（FDA）批準用于治療肥胖。

兩年前，諾和諾德新產品司美格魯肽（Semaglutide）在美國獲批用于體重管理，且只需要每周注射一次。司美格魯肽的商品名分別為Ozempic（用于糖尿病）和Wegovy（用于肥胖）。GLP-1類藥物自此開始火遍全球。

地球碳泵正處于危險之中

南極洲周圍海域被稱為南冰洋。它是世界第五大洋，也是全球海洋的心臟，運轉著地球的碳泵。

在南冰洋一些區域，海洋表層水急劇沉入海底，下沉的水帶走大氣里的熱量、氧氣和二氧化碳，并將它們封存于深淵，然后慢慢向北擴散。這個過程是全球翻轉環流的主要組成部分，也被稱作碳泵，與世界上所有海洋相連接，幫助它們封存人類每年碳排放量的1/3。許多學者認為，碳泵如果激增或衰退，會放大氣候變化的影響。

多項研究表明碳泵正處于嚴峻危機之中。一方面，南極底部海域正在變暖、體量正在變小，這表明洋流速度減緩，使得上方較溫暖的水體能夠侵入。另一方面，氣候模型表明，自1970年代以來，環流速度減慢了20%；船舶和浮標測量顯示，從1992年到2017年，深海水流流速降低了近30%。

尚不清楚為何會出現這種減速，人類活動多大程度上推動了這種減速，以及它會如何影響氣候。南極洲冰川融化產生的淡水很可能是主要原因，它們令周圍水體更輕，不易下沉。隨著全球變暖持續，冰川融化和洋流減速必會加劇。

淘氫熱不斷升溫

根據傳統的地質學理論，地球里不會有任何天然氫存在。鑒于氫富有能量、具備反應性，科學家認為地殼里的大部分氫被微生物吃掉或轉化為其他化合物。但神奇的是，勘探團隊現已在除南極洲以外的每個大陸都發現了大量氫氣儲備的跡象。

專家猜測，這些氫是從地核泄漏出來的，或者是地殼中放射性元素分解水時產生的；另有不少人認為，它是水在高溫高壓下與富含鐵的礦物質發生反應而產生的。

美國地質調查局的一項研究表明地球可能蘊藏著1萬億噸氫，足以給人類提供數千年的燃料和化肥。一些勘探者表示，開采天然氫可能比用可再生電力制備“綠氫”經濟得多。另一方面，政府機構和商業資本正向此新興領域豪擲重金。當然，最關鍵的問題在于，地球上的氫是否集中于能被經濟開采的范圍。

AI天氣預報員來了

現代計算機自問世以來一直被氣象學家用于預測天氣。不過雖然預測的提前量和準確度不斷提高，預測原理卻始終如一：使用大量算力求解控制大氣的流體動力學方程。

2023年，人工智能開始變革天氣預報。包括谷歌、華為和英偉達在內的科技公司訓練出了AI深度學習模型，可提前10天預測天氣，準確度比肩甚至超越傳統模型，而計算成本小很多。

AI模型并不求解方程，而是根據從過去40年天氣中學到的模式預測不久的將來——訓練素材來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF，頂級預報者）數值模型所提供的觀測數據。經過訓練，AI模型能于1分鐘內輸出預測，超級計算機需運行2小時方有結果。

ECMWF已經開始制作自己的人工智能預報，其他氣象機構也在爭先恐后地追趕。人工智能模型并不完美，很難預測諸如颶風強度的某些基本特征。但專家預計，隨著AI預報員開始學習來自傳感器的直接天氣觀測數據（而不僅僅是現有模型傳遞的信息），新技術會進一步發展。

對抗瘧疾的新希望

Mosquirix是世界上第一種瘧疾疫苗，由葛蘭素史克公司研制生產。2023年10月發布的大規模評估顯示，這款疫苗使接種區的重癥瘧疾發病率降低22%，嬰幼兒的死亡率降低13%。嬰幼兒是受瘧疾威脅最嚴重的群體，僅在撒哈拉以南非洲地區，每年就有近47萬幼兒因此喪命。

同月，世界衛生組織批準了第二種瘧疾疫苗R21/MatrixM。它由牛津大學開發，在設計上與Mosquirix 類似，但生產成本更低、產量更大，可以填補瘧疾疫苗供應的巨大缺口。據估計，從現在起到2025年，葛蘭素史克只能產出1800萬劑Mosquirix疫苗，夠450萬兒童完整接種，而瘧疾風險地區每年有4000萬個孩子出生。

R21將由大型疫苗制造商印度血清研究所生產，預計每年產量可達1億劑，每劑價格在2至4美元之間，不到Mosquirix價格的一半。2023年9月的預印本報道了3期試驗結果：在前18個月內，R21的效果不遜于Mosquirix。

阿爾茨海默病療法取得顯著進展

阿爾茨海默病患者大腦中含有一種纏結的蛋白質團塊，稱為β淀粉樣蛋白。科學界一直在爭論：去除β淀粉樣蛋白，能否改善病情？不過相關的各種療法都以失敗告終。

2023年1月，為期18個月、圍繞抗淀粉樣蛋白單克隆抗體侖卡奈單抗（Lecanemab）的3期試驗結果發布：相較安慰劑，侖卡奈單抗使早期阿爾茨海默病患者的認知能力下降速度減緩27%。

如此療效也先后說服了美國和日本監管機構批準這種新療法。同年7月發表的試驗顯示，另一種針對淀粉樣蛋白的抗體療法，多奈單抗（Donanemab）使早期患者認知能力下降速度減緩35%。上述兩種單抗均通過靜脈注射。

不過需要指出，新療法存在腦腫脹和腦出血風險，在極少數情況下可能致命：攜帶APOE4（易患阿爾茨海默病的突變）的受治者極易遭遇副作用；服用藥物預防或溶解血栓的患者也面對更大副作用風險。

美洲原住民登陸時間的新證據

傳統觀點認為，最早“移民”美洲的人類來自亞洲。他們通過曾經的白令陸橋（現在是白令海峽），于大約1.6萬年前沿太平洋海岸向南行進，成為第一批定居者。不過2023年10月發表的一項考古工作進一步確證：人類早在2.1萬年前就已踏足美洲。

2021年，美國新墨西哥州白沙國家公園的研究人員公布重大發現：在一個古老湖泊泥濘的岸邊，留有明顯的人類足跡，年代可追溯至23 000年前至21 000年前。

足跡周圍存在一種草本水生植物的種子。2023年的工作通過放射性碳定年法推斷其年代——同樣來自23 000年前至21 000年前。需要指出，由于種子可能從溶解于湖水的沉積物中吸收了古老的碳元素，導致測年結果不可信，白沙公園團隊使用來自陸生植物的花粉，以及嵌在足跡之間和下方沉積物里的石英顆粒，重新測定了足跡年代，結果與最初測定值完全一致。

如果年代正確，這些足跡就是在最后一個冰河時代的高峰期留下的。在那段時期，冰川覆蓋了加拿大地區，所以人類踏上美洲旅程的時間必定早于冰蓋形成。

超大質量黑洞并合的聲音

2023年，天體物理學家探測到宇宙中微弱而低沉的轟鳴聲。那是成對的超大質量黑洞彼此緊密環繞、摩擦而產生的引力波引起。這一發現是表明超大質量雙黑洞系統存在的最有力證據，同時也令人確信，用遙遠恒星信號探測引力波的方法行得通。

超大質量黑洞位于星系中心，其重量是太陽的數百萬甚至數十億倍。當星系并合時，它們的中心黑洞會被鎖定在一個不斷收緊的軌道上。這一“死亡螺旋”的第一階段還無法被地球上的儀器探測到，但當它們彼此接近至相距幾光年時，其環繞運動會發出緩慢而強大的引力波。

激光干涉引力波天文臺（LIGO）捕捉不到此類引力波。天文學家選擇觀測脈沖星。他們定期監測幾十顆最有規律的脈沖星，觀察其脈沖節奏的微小變化。若有引力波經過，脈沖星和地球之間的空間會被壓縮或拉伸，導致脈沖到達時間發生變化。

2023年6月，全球五個團隊聯合宣布，經過15年觀察，他們發現宇宙中可能有數百萬個超大質量雙黑洞系統存在。

職業生涯早期的科學家反抗現狀

2022年冬天，加州大學系統的4.8萬名學術工作者參與了美國歷史上最大規模的學術罷工，為研究生和博士后爭取到可觀的收入增長。2023年5月，加拿大各地數千名學術工作者舉行了為期一天的大規模抗議活動，要求增加聯邦對研究生和博士后的資助。在德國，處于職業生涯早期的科學家們開展行動，要求改變博士后合同。

另一方面，越來越多人才“用腳投票”，畢業后轉投更高薪的行業，這使得近年來大量博士后職位空缺。

資助機構會否增加撥款以提高生涯早期學者的收入，需留待時間檢驗。一些大學已采取行動幫助教師適應不斷上升的人事成本。例如，加州大學伯克利分校的研究人員希望將幫助教授支付加薪費用的短期措施與長期戰略規劃和經費預算相結合，最終形成一個人人受益的生態系統。

超級計算時代來臨

歷經十多年發展，我們在2023年迎來百億億次級計算科學時代。美國橡樹嶺國家實驗室的Frontier成為第一臺公開向科學用戶開放的百億億次級超級計算機，能以每秒1018次數學運算的速度處理從氣候到材料的各種科學問題。

在Frontier幫助下，密歇根大學的材料學團隊得以合并兩個理論框架，以近乎完美的精度預測材料中多達60萬個電子的行為；以往的工作只能預測大約1000個電子。這讓他們模擬出鎂合金中缺陷的形成、生長和移動過程——此項成果將助力用于節能汽車和飛機的超輕材料研發。此外，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和桑迪亞國家實驗室利用Frontier提高了美國能源部全球氣候模型的分辨率。

2024年，會有新的超級計算機在更多地方上線。