建议收藏！2024年世界科技进展100项 | 生命科学和生物学

2024年，全球科技创新持续提速，多个关键领域实现突破性进展，标志着新一轮科技革命和产业变革持续深化。本文梳理了全球范围内具有代表性的100项科技成果，涵盖“生命科学、生物学”、“深空、深海、深地”、“物质、材料与化学”、“智能、信息与通信”以及“生态能源、交通与建设工程”等五大领域，我们将分三篇推文介绍这些成果。它们体现了当前世界科技发展融合化、前沿化、加速化的趋势，正加快推动人类社会迈向更加智能、高效与可持续的未来。

一、生命科学、生物学

（一）基因、细胞、胚胎

1

中国研制超级显微镜，首次全景“看到”大规模细胞交互行为

中国科学家研发出新一代介观活体显微镜RUSH3D，实现了对生物体内大规模细胞交互行为的全景三维成像。该显微镜具备厘米级视野与单细胞分辨率，支持低光毒性、长时间连续观测，成像速率达每秒20次。该成果填补了生命过程在介观尺度下实时观察的技术空白，为肿瘤、免疫、神经等研究提供强大工具。该研究成果入选两院院士评选的“2024年中国十大科技进展新闻”。

超级显微镜示意图。来源：清华大学

2

美国科学家绘制最大规模人脑基因调控图谱

美国科学家团队构建了迄今最全面的人脑基因调控图谱，覆盖多个大脑区域和发育阶段。研究基于数千例脑组织样本，利用单细胞多组学技术，揭示了大脑认知、情绪、运动等功能相关的关键调控网络，并关联多种神经精神疾病。该成果为脑疾病发病机制提供基础数据，也为未来精准治疗策略奠定了坚实基础。该研究成果入选两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”。

科学家绘制迄今最大脑基因调控网络图谱。图片来源于pixabay

3

全球最大古人类基因库建成，揭示人类迁徙与健康奥秘

国际科学家联合构建了全球最大规模古人类基因库，涵盖近5000例3.4万年前的古人类样本。研究揭示了人类迁徙路径的复杂性，并发现若干与现代疾病相关的遗传变异，如阿尔茨海默病与糖尿病风险因子。这些成果深化了对人类演化与健康之间关系的理解，为人类遗传医学研究提供关键线索。该研究成果入选科技日报社评选的“2024年国际十大科技新闻”。

研究团队对古人类基因组数据集展开研究。图片来源：《自然》在线版

4

人脑血管系统首张单细胞图谱问世

国际研究团队首次绘制出覆盖人类大脑发育全周期的单细胞分辨率脑血管图谱，涵盖健康个体、脑肿瘤及脑血管畸形等状态。研究分析了117份样本中超60万个细胞，揭示血管内皮细胞在不同阶段的功能差异，发现成年大脑血管系统基本静止，但在疾病中会被重新激活。研究还发现脑血管系统在病变时与外周器官血管更为相似。该图谱为脑血管相关疾病的早期诊断与治疗提供了重要基础。该研究入选中央广播电视总台发布的2024年度国际十大科技新闻。

图片来源：加拿大多伦多大学；《自然》在线版

5

硝基体的发现揭示真核固氮能力，或重塑农业未来

科学家在部分海藻中发现一种新型细胞器“硝基体”，具备固定大气氮的能力。这是首次在真核生物中发现固氮结构，挑战了固有认知。研究表明该细胞器源自海藻与蓝细菌的共生演化过程。此发现为非豆科植物引入固氮机制提供生物学依据，有望减少化肥依赖，推动农业绿色转型。该研究成果入选2024 Science年度十大科学突破。

在海藻Braarudosphaera bigelowii中发现了一种新的细胞器，即硝基体（圆形物体，右下角）。来源：Tyler Coale；Science

6

新基因编辑技术“RNA桥”问世：实现更高效的DNA重排操作

科学家在两项独立研究中联合提出一种新型基因组编辑技术，被称为“RNA桥”，可实现在特定位点对基因组进行插入、倒位或删除等长片段DNA的重排操作。这一方法不依赖于DNA断裂和修复机制，而是通过RNA引导的重组酶系统实现高效、精准且可编程的编辑方式，有望突破当前CRISPR等技术在大规模结构重排方面的瓶颈。该技术为未来大规模基因组重构、合成生物学和精准医学带来了全新工具与想象空间。

可重组桥RNA。图片来源：Visual Science

7

开发全RNA介导的基因精准写入新技术

中国科学家开发出一种基于RNA的基因写入技术，利用工程化逆转座子系统，实现长达1.5 kb的DNA序列在哺乳动物细胞内的高效精准整合，最高效率达60%。该方法使用mRNA表达蛋白及RNA供体，避免传统DNA载体带来的安全风险，并可通过脂质纳米颗粒非病毒递送至体内。该技术有望应用于基因治疗和CAR-T免疫细胞体内生成等新型医疗方向。该研究入选科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

来源：《Cell》

8

解析植物叶绿体转录机器结构

中国科学家首次解析了植物叶绿体中PEP转录复合物的三维结构，发现其由源自细菌的核心酶与多个真核来源调控蛋白组成，形成复杂的超分子机器。该结构揭示了叶绿体基因表达调控的分子机制，对理解光合作用调节具有重要意义，也为改造植物叶绿体成为生物反应器提供了新思路。该研究入选科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

叶绿体基因“转录机器”——叶绿体PEP的复杂构造。来源：中国科学院分子植物科学卓越创新中心

（二）疾病的预防与治疗

9

CAR-T细胞疗法首次用于自身免疫病，治疗模式或将颠覆

CAR-T细胞疗法首次在系统性红斑狼疮、硬皮病等重症自身免疫病中展现出显著疗效。通过改造患者自身T细胞清除有害B细胞，多数患者实现长期无药缓解。研究显示，该疗法可深入传统药物难以到达的组织，清除深层致病细胞，有望成为自身免疫病治疗的新范式。但疗效持久性和潜在副作用仍需进一步研究。该研究成果入选2024 Science年度十大科学突破、科技日报社评选的“2024年国际十大科技新闻”。

嵌合抗原受体T细胞（CAR-T，粉色）紧紧包围并摧毁一个B细胞。图片来源：《科学》在线版

10

中国学者发表国际首个通用CAR-T治疗成果

中国科学家首次将异体通用型CAR-T细胞用于自身免疫病治疗，三名患者均获得长期缓解，标志着该疗法在风湿免疫性疾病领域迈出关键一步。该研究展示了无需个体化制备的通用CAR-T方案的有效性和安全性，为广泛临床应用提供了新路径，有望降低治疗成本并扩大适用人群。该研究成果入选两院院士评选的“2024年中国十大科技进展新闻” 、人民日报2024年度“中国科学十大进展”、科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。该研究主要人员入选2024《自然》十大人物。

中国学者发表国际首个通用CAR-T治疗成果。来源：海军军医大学

11

人类肿瘤三维图谱揭示癌变轨迹和“分子钟”机制

国际科研团队构建了多种肿瘤类型的高分辨率三维细胞图谱，首次追踪癌细胞从正常演化为恶性的完整路径。研究提出“分子钟”模型，量化细胞状态随时间的变化规律，并发现部分结肠癌具有多谱系起源。这一成果为肿瘤早诊、病程追踪与治疗策略制定提供了新工具，具备广泛的临床转化潜力。该研究成果入选两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”。

超精确癌细胞3D 图谱问世。图片来源于Steve Gschmeissner

12

年仅两次注射的HIV长效药物展示100%保护效果

美国企业开发的一种名为“来那卡帕韦”的HIV长效预防药，在临床试验中展示出100%的保护效果。该药物通过阻断病毒衣壳蛋白的功能，每年仅需注射两次，为现有HIV暴露前预防提供了更便捷的替代方案。这一成果代表长效抗病毒药物的重要突破，并有望拓展至其他病毒感染的防治平台。该研究成果入选2024 Science年度十大科学突破、两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”。

药物来那卡帕韦（黄色）与艾滋病毒衣壳蛋白结合，阻止衣壳锥体穿过孔隙进入人类细胞核。来源：N. Burgess/Science

13

肺癌治疗个性化：仿真模型预测放疗副作用

多国科学家合作开发出一种细胞级肺组织放疗仿真模型，结合肺泡解剖结构与粒子模拟技术，能评估细胞损伤及长期副作用风险。该模型与实际临床结果高度吻合，未来可用于优化肺癌放疗方案，实现治疗个性化和副作用最小化，提升疗效与患者生活质量。该研究入选《物理世界》评选的2024年度物理学十大突破。

模拟肺泡节段，肺泡组织计算模型由 18 个肺泡组成。图片来源：萨里大学/GSI

14

破解紫杉醇合成谜团，为绿色抗癌药物生产奠基

中国科学家在人工系统中成功重建紫杉醇前体baccatin III的完整生物合成路径，揭示关键结构环氧丁烷的形成机制。研究识别出一种关键双功能酶，并在植物中实现该前体的合成。这项突破填补了紫杉醇合成核心环节的空白，有望推动绿色、可持续的抗癌药物工业生产。该研究入选科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

紫杉醇半合成途径。来源：中国农业科学院深圳农业基因组研究所

15

神经系统“快递员”：揭示神经递质转运蛋白机制

中国科学家解析了多种神经递质转运蛋白的工作机制，揭示其如何依赖钠、氯或质子完成底物转运。该研究明确了抑郁、精神分裂和多动症治疗药物与其靶点蛋白的结合模式，为新一代精神疾病药物的靶点设计和副作用控制提供了分子依据，对神经系统疾病治疗具有重要指导意义。该研究入选人民日报2024年度“中国科学十大进展”。

图片来源：中国科学院生物物理研究所

（三）器官移植与健康生活

16

科学家首次3D打印出功能性人类脑组织

美国科学家首次通过3D打印技术构建出具有正常功能的人类脑组织。该方法将干细胞衍生的神经细胞嵌入生物墨水中，通过分层打印形成可连接、传递信号的神经网络。该组织无需特殊设备即可维持健康状态，为研究神经退行性疾病和药物筛选提供了全新模型，也为未来脑疾病治疗探索新路径。该研究成果入选两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”。

研究流程示意图。图片来源于《细胞—干细胞》

17

AI读脑系统实现双语语言识别，助力失语者重新沟通

美国科学家开发出一种融合脑机接口与人工智能算法的语言识别系统，帮助失语症患者用英语与西班牙语进行交流。该系统可读取大脑皮层信号，自动识别语言并解码语句，识别准确率达88%。研究还发现，大脑中处理不同语言的核心区域存在共享机制。该成果为脑机接口在语言障碍康复和多语种交互应用拓展了新方向。该研究成果入选两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”。

双语读脑装置研究示意图。图片来源于研究团队

18

日本实现世界首例干细胞角膜移植手术恢复视力

日本科学家成功实施全球首例基于诱导多能干细胞的角膜上皮细胞移植手术，4位重度视力受损患者中有3人视力明显改善超过一年。手术采用软性隐形眼镜保护新生组织，有效减少术后并发症。这项技术为角膜供体短缺问题提供解决思路，未来将在全球临床治疗中发挥重要作用。该研究成果入选两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”。

角膜位于眼睛的最外层。图片来源于Patrick Landmann SPL

19

基因编辑猪肾首次成功移植至人类体内

美国完成全球首例将基因编辑猪肾移植至人类的手术，受者为终末期肾病患者。供体猪经过CRISPR技术修改，移除了69个可能引发免疫排斥和病毒感染的基因位点。该手术在“同情使用”通道下实施，初步成功标志着异种器官移植进入临床验证阶段，为解决器官短缺提供了现实路径。该研究成果入选两院院士评选的“2024年世界十大科技进展新闻”。

全球首例人类接受经基因编辑的猪肾脏移植手术完成。图片来源于马萨诸塞州总医院

20

首例脑机接口设备成功植入人体，未来医疗前景可期

美国科学企业“神经连接”完成了首例人体脑机接口设备植入手术，初步数据显示患者神经信号读取效果良好。该装置可解码大脑电活动，未来或用于帮助瘫痪、失语等患者实现意念控制设备。尽管仍处于早期阶段，这一进展为神经康复和脑-机通信开辟了新方向，但长期安全性仍需持续观察。该研究成果入选科技日报社评选的“2024年国际十大科技新闻”。

植入物示意图。图片来源：美国《新闻周刊》网站

21

额外X染色体导致男性胚胎期生殖细胞早期发育障碍

中国科学家揭示，在克氏综合征患者中，额外X染色体未被完全失活，会导致胚胎期男性生殖细胞早期发育受阻。研究发现，该异常激活多个发育通路基因，干扰细胞分化和定位。通过阻断部分信号通路可在一定程度上恢复生殖细胞功能，为相关男性不育提供潜在治疗策略。该研究入选人民日报2024年度“中国科学十大进展”。

克氏综合征患者FGC发育异常机制示意图。来源：北京大学医学部

22

皮肤“隐形术”：吸光染料打造无创生物成像新方式

美国科学家开发出一种新型“光学清除”技术，通过在皮肤表面涂抹含食用染料的水溶液，使组织暂时透明。该方法利用染料分子调节组织折射率，从而抑制光散射，提升透光率。实验显示处理后的小鼠皮肤可直接观察血管与消化系统活动，且效果可逆、无毒。这项技术为无创生物成像和疾病早期监测提供了全新手段。该研究入选《物理世界》评选的2024年度物理学十大突破。

研究人员手拿一小瓶常见的黄色食用色素柠檬黄溶液。 图片来源：得克萨斯大学达拉斯分校

23

新型NK2R激动剂或为肥胖与糖尿病治疗带来双重突破

科学家发现神经激肽2受体（NK2R）激动剂在动物实验中能同时抑制食欲与提高能量消耗，有效降低体重并改善胰岛素敏感性。该机制不同于现有GLP-1类药物，具备“控食+增耗”的双重代谢调节功能。作为潜在新药物靶点，NK2R激动剂有望为肥胖和2型糖尿病治疗带来新的解决路径。

图片来源：Frederike Sass, 哥本哈根大学网站

24

ESCAPE技术开启复杂组织工程新纪元

美国研究团队开发出ESCAPE技术，利用可低温移除的液态金属模具在水凝胶中构建复杂三维通道网络，实现多尺度、多组织交错的组织工程结构。该方法在保持生物材料活性的同时，可精确复制血管、淋巴等微通道，为类器官构建和个性化医疗提供新平台，标志着组织工程进入精细制造新时代。

图片来源：哈佛大学威斯研究所

25

逆转脱发：科学家开发微针贴片治疗斑秃

美国科学家研发出一种可局部释放免疫调节分子的微针贴片，用于治疗斑秃等自身免疫性脱发。贴片通过诱导调节性T细胞恢复免疫耐受，保护毛囊不被攻击，实现头发再生。该方法在动物实验中表现良好，具备无痛、定位精准、不影响全身免疫等优点，未来有望拓展至其他皮肤疾病治疗。该研究入选2024年MIT最具影响力的十大研究。

图片来源：MIT

26

研究发现：锻炼肌肉有助于神经生长与修复

研究表明，肌肉在运动过程中产生的生化信号和机械牵引效应可显著促进运动神经元生长。即使模拟运动的拉伸刺激也能激发类似效果。这项成果揭示了肌肉与神经系统的双向调控机制，为运动神经损伤、ALS等疾病的治疗提供新路径，进一步验证了“运动即药物”的理念。该研究入选2024年MIT最具影响力的十大研究。

图片来源：MIT

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人体在44岁和60岁会经历重大生物分子变化

美国科学家在对大量个体的分子和微生物组数据分析中发现，人体在约44岁和60岁时会经历两个关键的生理变化高峰，数千种分子指标出现剧烈波动。这一发现表明衰老并非持续渐进过程，而是呈现阶段性跳跃，可能影响免疫、代谢和器官功能。研究建议在这两个阶段加强干预，以延缓衰老进程和防范相关疾病。

衰老过程中差异表达的分子和微生物数量，在44岁和60岁时有两个波峰。图片来源：nature.com

（四）考古与远古生命生态

28

第二次青藏科考钻取全球最长山地冰芯并实现系列突破

中国科学家在第二次青藏科考中，于普若岗日冰原钻取出长达324米的全球最长山地冰芯，并发现青藏高原最厚冰川。此次科考还首次在冰原区应用浮空艇观测气候过程，并发现多个疑似新物种和珍稀矿产资源。该系列成果为气候变化、高原生态和资源研究提供了珍贵数据支持。该研究成果入选两院院士评选的“2024年中国十大科技进展新闻”。

科研人员在第二次青藏科考现场。来源：中国科学院青藏高原研究所

29

刷新认知：16亿年前的藻类化石显示真核生物早已实现多细胞化

中国科学家发现一种距今16亿年的藻类化石，具有多细胞结构和繁殖细胞，表明真核生物在更早期就已具备多细胞特征。这一发现打破了多细胞起源晚于10亿年前的传统观点，显示真核生命较早开始复杂化演化，为理解多细胞生命的起源提供了关键证据。该研究成果入选2024 Science年度十大科学突破、科技导报2024年中国重大科学、技术和工程进展。

这些微观化石的研究揭示，单细胞真核生物细胞的链接可能远早于先前的估计。来源：中国科学院南京地质古生物研究所；Science

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远古DNA拼出史前家谱与社会结构

科学家通过对大量古代人类DNA的血缘分析，成功重建多个古代聚落的亲属网络，最长可达八代。研究揭示了母系或父系继承、亲族墓地布局等社会结构特征，部分个体还被追踪到千里之外的亲属。这些成果表明遗传学正成为揭示远古社会组织和人口迁徙的重要工具。该研究成果入选2024 Science年度十大科学突破。

公元7世纪匈牙利，被埋在一匹马旁边的一名男性，现在拥有了一段家族历史。来源：考古科学研究所/厄特沃什·罗兰大学博物馆；Science

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阿瓦尔帝国的父系谱系揭示草原民族社会结构

对中世纪阿瓦尔人遗骸的DNA测序显示，该群体延续严格的父系继承制度，并普遍采用女性外族通婚策略。多个世系共居一地，形成代际延续的聚落结构。这项研究揭示了欧亚草原民族高度结构化的社会模式，为理解早期民族构成和统治体系提供了新的遗传学视角。

图片来源：Nature

【待续】

本文图片全部来源于网络。李万，上海科学院研究员。钟恒、邹芸，上海科学院副研究员。文章观点不代表主办机构立场。

编 辑 | 秣 马

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