Nature重磅：2024年度科学突破公布！

随着岁末年初之际的来临，Nature期刊隆重地推出了2024年度新闻总结，为读者呈现了这一年间科学界的重大突破与关键时刻。接下来，让我们回顾每个月的重要新闻亮点，见证科学的精彩征程，值得注意的是高分子领域有一项成果入选。

一月： 从危险废物中提取的铁

铝土矿精炼成氧化铝时会产生赤泥这种废料，每年产量约1.8亿吨，已成为对环境危害最大的工业废料之一。德国马克斯普朗克钢铁研究所Isnaldi R. Souza Filho等研究者在 Nature 杂志上发表论文，介绍了一项利用氢等离子体将“赤泥”转化为单质铁的技术。氧化铁（III）在热力学上不如熔体中的其他氧化物稳定，仅需要十几分钟，就被等离子体还原，形成液态铁。再基于密度差异，液态铁从炉渣中轻松地分离出来，纯度超过95%，且几乎没有有害元素，如S、P和C的存在，可以直接用于炼钢。该工艺操作简便迅速，在使用绿氢及可再生能源的情况下有助于实现碳中和目标，提高两大金属行业的可持续性。

二月：出乎意料的海洋促使更新月球规则

《自然》发表的一篇论文认为， 土星的卫星米玛斯（土卫一）坑洼的冰壳表面之下可能藏着海洋。卡西尼号宇宙飞船对观察数据的分析表明，这个海洋相对较新，仍在继续演化。进一步研究土卫一或能让我们更了解这个冰质世界如何形成。

越来越多的证据表明一些卫星地表之下可能有海洋，但探测这些水世界很困难。土卫一是土星的一个小型卫星，它是一个不太可能的候选对象，因为它的表面特性和其他冰卫星 （如土卫二）不同。Valery Lainey 及其同事对这一理论提出了挑战，他们评估了卡西尼号对这个小卫星的观测结果。

此前研究对土卫一的内部提出了两种可能：一种是拉长的岩石核心，一种是全球海洋。法国巴黎天文台的Lainey和同事的最新分析揭示了这颗小卫星内部影响其自转运动和轨道的变化。应用固体模型时，岩质核心需拉长，几乎呈薄饼装，这与观测不符。但对土卫一位置的测量表明，用内部海洋的影响能更好地解释它的轨道。作者计算出，海洋位于冰壳下方约20-30公里深处。模拟表明它出现于2500万至200万年前。因而这一地下海洋的迹象还来不及在表面留下痕迹。

作者认为这些结果表明，土卫一近期发生的过程可能常见于其他冰星球的早期形成阶段。在一篇同时发表的“新闻与观点文章”里，美国搜寻地外文明计划研究所 （SETI Institute）的Matija Ćuk 和 美国西南研究院的Alyssa Rose Rhoden写道：“Lainey和同事的发现，将推动对整个太阳系里中等大小冰卫星的全面调查。”

三月：向他人学习无法单独学习的东西

有人认为，人类文化建立在一种独特的能力之上，即向他人学习的能力比我们一生中单独学习的要多。这反映了人类物种最显著的特质之一——随着创新的传播和建立，技能和技术的逐步提高，这种现象被称为累积文化。英国谢菲尔德大学的研究人员在 Nature 期刊发表了题为：Bumblebees socially learn behaviour too complex to innovate alone 的研究论文。该研究发现，熊蜂能教会彼此极为复杂、无法独自学会的新行为。在这项研究中，用糖作为奖励教会一只蜜蜂解决谜题，它会继续训练其他蜜蜂完成这一任务。这些发现提供了证据表明蜜蜂可以社会化学习一些具备一定复杂度的行为，这种能力此前被认为是人类独有的。

四月：阿瓦尔帝国的家族血统和政治转变

德国马克斯·普朗克进化人类学研究所Zuzana Hofmanová，Johannes Krause，Guido Alberto Gnecchi-Ruscone和匈牙利罗兰大学Tivadar Vida共同合作，近期取得重要工作进展。他们通过研究大型谱系网络揭示阿瓦尔人社区的社会风俗。相关研究成果2024年4月24日在线发表于《自然》杂志上。

据介绍，从公元567年到568年，在阿瓦尔人期开始时，欧亚草原的人口在喀尔巴阡盆地定居了大约250年。对考古基因组学（424人）和同位素进行广泛采样，结合对四个阿瓦尔时期墓地的考古、人类学和历史背景分析，可以详细描述这些社区的基因组结构及其亲属关系和社会实践。

研究人员提供了一组大型谱系，使用古老的DNA重建，跨越九代，包括大约300个个体。研究人员发现了一个严格的父系亲属制度，在这个制度中，父系和女性异族通婚是常态，多重生育伴侣和寡妻结合是常见的。血缘关系的缺失表明，这个社会几代人都对祖先保持着详细的记忆。这些亲缘关系实践与之前来自历史来源和欧亚草原社会人类学研究的证据一致。通过血统DNA连接对身份进行的网络分析表明，社区之间的社会凝聚力是通过女性外通婚保持的。

最后，尽管没有主要的祖先转移，但这一分析的分辨率水平使人们能够检测到，其中一个位点的群落被替换所引起的基因不连续性。这与考古记录的变化是平行的，可能是当地政治调整的结果。

五月：战略关节阻止建筑物倒塌

2021 年 6 月，佛罗里达州的一栋住宅楼 Champlain Towers South 的泳池甲板突然坍塌，导致整个结构的大部分在几秒钟内逐渐坍塌。有时建筑物的一部分会受到恶劣天气、事故、或设计错误的影响，导致失效，并引发多米诺骨牌效应，最终导致整栋建筑或大部分建筑物倒塌。灾难性的建筑倒塌会造成巨大代价和生命损失。为缓解这些问题，传统的建筑设计选择让建筑受损部分的载荷重新分布到剩余结构，但这会使建筑本来不受影响的部分发生倒塌。2024年5月15日，Jose Adam和同事提出了另一种设计，能隔离建筑受损的部分，预防灾难性倒塌。这种方法叫做“层级式倒塌隔离”（hierarchy-based collapse isolation），其灵感来自蜥蜴通过断尾摆脱捕食者。这种设计能使建筑的部分结构沿预定边缘发生受控断裂，避免初始损坏扩大到整个建筑。团队认为这种设计能预防全面坍塌，减少受影响的区域并让更多人获救。

六月：用于大型基因组编辑的可编程酶

长期以来，生物学家一直渴望开发出可编程的方法来重组基因组中的长片段DNA序列。这种能力将使研究人员能够在单个步骤中将千碱基级DNA序列插入、倒位、删除或移动到细胞中基因组的特定位置。因此，研究人员一直致力于研究能够介导大片段基因组重排的重组酶和转座酶，但要精确地使这些酶靶向特定的基因组位点却极具挑战性。2024年6月26日，Arc研究所的Patrick Hsu等人在Nature期刊同期发表了两篇研究论文，这两篇论文描述了一种受桥RNA（Bridge RNA）引导的重组酶的特性，其能够在特定基因组位点插入、倒位或删除长片段DNA序列，从而使这些重组酶能够重编程以实现新的基因组编辑能力。能实现这些基本DNA重排 （插入、倒位或删除） 的单个步骤或提供一种更简易的基因组编辑方法。该方法或比现有技术更有优势，有望比现有技术进行更精准有效的大规模基因组编辑，以及能介导重组而不是造成需要修复的断裂。

七月：生物多样性的森林退化阈值

世界上许多生物多样性最丰富的森林正在被砍伐和退化。为了保留相当大的生物多样性，可以容忍多少退化？森林在多大程度的退化方面仍然有助于保护物种？Ewers 等人。研究了数百种物种对婆罗洲沙巴不同强度的选择性采伐的反应。随着伐木强度的增加而减少的鸟类包括犀牛犀鸟 （Buceros rhinoceros，如图） 和阿格斯雉 （Argusianus argus）。Ewers 及其同事提供的数据对保护管理具有影响。至关重要的是，作者发现，即使是最低限度的伐木也会导致物种损失。此外，轻度砍伐的森林(生物量减少<29%)保留了高水平的生物多样性和生态功能，因此值得保护。超过2/3(>68%)的生物量被砍伐，大多数物种的出现率迅速下降。使这些森林恢复生物多样性和生态系统功能可能需要采取有针对性和有协助的恢复措施。

八月：AI的深层种族主义

随着AI大模型的普及，其决策中的隐蔽偏见引发了广泛关注。特别是语言模型中的种族主义和方言歧视问题，正在引起越来越多的社会讨论和学术研究。最近，来自牛津大学、斯坦福大学、芝加哥大学等高校的学者进行了一项研究，揭示了方言在AI模型中的隐性歧视问题。Hofmann 等人要求大模型语言 （LLM）对说标准化美式英语 （SAE） 的人与非裔美国人英语（AAE） 进行推断，AAE 是一种与美国被奴役的非裔美国人后代相关的方言。当提示“A person who say is ___”时，其中 是 AAE 中的陈述，LLM 用压倒性的否定形容词填空。模型还将 AAE 文本与低声望职业最紧密地联系起来，并且在获得 AAE 文本时比获得 SAE 时更有可能将假设的被告定罪。令人担忧的是，目前减轻此类不公正的方法无法胜任这项任务。研究人员和开发人员如何更好地让演讲者和社区参与开发更公平的模型存在挑战。

九月：跨性别男性激素治疗后的免疫学特征

是什么导致了免疫系统中的性别偏见？研究性别肯定疗法如何影响跨性别男人免疫细胞的分子谱，揭示了激素如何支撑免疫反应。免疫系统受性别影响的观点成为头条新闻，因为男性的 COVID-19 死亡率明显高于女性，这激发了研究人员了解免疫细胞性别差异的起源和后果的愿望。Lakshmikanth 等人本研究通过分析 23 名跨性别男性（出生性别女性，但自我认同为男性）在性别肯定睾酮治疗之前和期间的情况，揭示出性激素对免疫反应的影响。研究人员在治疗开始之前便对参与者进行监测，然后在睾酮注射后的 3 个月和 12 个月时再次监测，最终观察到在开始治疗后的 3 个月内，免疫反应发生了转变，变得更接近顺性别男性（出生性别男性，且自我认同为男性）。这凸显出性激素在免疫调节中的作用。该结果或有助于改进跨性别男性的健康和福祉，避免如严重感染和免疫障碍等长期不良后果，也能增进我们对顺性别个体免疫反应差异的理解。

十月：发光的γ射线解决了雷暴难题

雷暴发出的伽马射线通量被称为伽马射线发光，偶尔被飞机、气球和地面观测到。这些发射通常分为γ射线辉光，持续时间从几分之一秒到几分钟不等，或称为地面γ射线闪光 （TGF） 的强大爆发，持续时间通常不到一毫秒。然而，两篇论文报告的观察结果模糊了这两种发射之间的界限，表明γ射线辉光经常演变成类似于地面γ射线闪光的强烈脉冲。Østgaard 和Marisaldi展示了 NASA ER-2 飞机在墨西哥湾、中美洲和加勒比地区的雷暴上空飞行而进行的γ射线观测。这些令人兴奋的测量结果通过演示如何使用飞机有效地查找和研究雷暴的γ射线发射，为未来的活动奠定了基础。这些研究可能会彻底改变我们对雷暴、电气化和闪电的理解。

十一月：二合一候选药物，解决肥胖问题

肥胖和2型糖尿病（T2D）正在以惊人的速度蔓延，影响了全球超过3.8亿人口，并为个人和公共卫生系统带来了沉重的经济和社会负担。现有治疗方法虽在体重控制和血糖管理方面取得了一些进展，但在肥胖且患有T2D的患者中，疗效仍显不足。因此，人们一直在追寻一种能在抑制食欲的同时有效提升能量消耗的新型药物。11月13日Nature最近的研究报道“NK2R control of energy expenditure and feeding to treat metabolic diseases”，发现NK2R（Neurokinin 2 Receptor, 神经激肽2受体）可能成为这一问题的突破口。NK2R受体不仅能调控能量代谢，还展现出了在控制食欲方面的显著潜力，该研究深入探讨NK2R作为新药物靶点的潜力，以及其激动剂在动物实验中所取得的令人鼓舞的成果，这一发现或将为未来肥胖与糖尿病的治疗带来新的曙光。

十二月：液态金属将自身从人工血管组织中泵出

在传统的铸造工艺中，由柔软的牺牲材料（如蜡）制成的 3D 模板被封装在刚性材料中，然后熔化——露出一个空白空间，作为最终要铸造的对象的“底片”。但是，如果您想在材料中产生无法承受通常用于去除模板的高温的空间，该怎么办？Sundaram 等人。使用镓（一种接近室温的液态金属）作为牺牲材料，在柔软的天然水凝胶（如胶原蛋白）中生成多尺度 3D 通道网络。固体镓模板（如图）封装在凝胶中。然后将模板加热并用碱溶液处理以产生纯液态镓。它与外部镓储液器相连，该储存器具有较低的“拉普拉斯”压力——导致凝胶中的液态金属被泵送到储液器中。这种抽真空在凝胶中产生微通道，其结构与原始固体镓模板相同。（详见“高分子科学前沿”报道： ）该技术通过解耦生物材料与几何构建过程，突破了传统方法的限制，为构建复杂多尺度生物结构提供了全新路径。

来源：高分子科学前沿

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