2023年12月14日，《科学》杂志发布年度十大科学突破榜单。它们代表着科学领域在过去一年中最重大的发现、最重要的进展和最值得关注的趋势。
革命性减肥药GLP-1有望战胜肥胖
肥胖问题已成为大众健康危机。数据显示，欧美国家有5至7成的成年人受超重困扰，中国人的超重率为34.8%，肥胖率14.1%。根据定义，体重指数超过30即属于肥胖，会导致2型糖尿病、心脏病、关节炎、脂肪肝疾病和某些癌症。令人遗憾的是，自20世纪初以来，开发安全有效减肥药的努力总以失败告终。
但现在，胰高血糖素样肽-1受体激动剂，即GLP-1，似乎正创造历史。它能显著减轻体重，同时副作用可控。2023年临床试验表明，它还有其他健康益处——缓解心力衰竭症状，降低心脏病发作和中风风险。
科学家于1980年代初研究糖尿病和血糖调节时发现了GLP-1，后逐渐了解到它能降低人体血糖。制药公司开始探索将其作为糖尿病治疗的方法。
第一种GLP-1药物是艾塞那肽（Exenatide），于2005年获批用于2型糖尿病。2014年，诺和诺德推出的利拉鲁肽（Liraglutide）获美国食品药品管理局（FDA）批准用于治疗肥胖。
两年前，诺和诺德新产品司美格鲁肽（Semaglutide）在美国获批用于体重管理，且只需要每周注射一次。司美格鲁肽的商品名分别为Ozempic（用于糖尿病）和Wegovy（用于肥胖）。GLP-1类药物自此开始火遍全球。
地球碳泵正处于危险之中
来自威德尔海的高密度咸水有助于推动南冰洋的深层环流。然而，南极的冰雪融水似乎正延阻环流
南极洲周围海域被称为南冰洋。它是世界第五大洋，也是全球海洋的心脏，运转着地球的碳泵。
在南冰洋一些区域，海洋表层水急剧沉入海底，下沉的水带走大气里的热量、氧气和二氧化碳，并将它们封存于深渊，然后慢慢向北扩散。这个过程是全球翻转环流的主要组成部分，也被称作碳泵，与世界上所有海洋相连接，帮助它们封存人类每年碳排放量的1/3。许多学者认为，碳泵如果激增或衰退，会放大气候变化的影响。
多项研究表明碳泵正处于严峻危机之中。一方面，南极底部海域正在变暖、体量正在变小，这表明洋流速度减缓，使得上方较温暖的水体能够侵入。另一方面，气候模型表明，自1970年代以来，环流速度减慢了20%；船舶和浮标测量显示，从1992年到2017年，深海水流流速降低了近30%。
尚不清楚为何会出现这种减速，人类活动多大程度上推动了这种减速，以及它会如何影响气候。南极洲冰川融化产生的淡水很可能是主要原因，它们令周围水体更轻，不易下沉。随着全球变暖持续，冰川融化和洋流减速必会加剧。
淘氢热不断升温
美国北卡罗来纳州沿海的激光雷达地图显示了一公里宽的圆形凹陷——其中可能包含来自地下的氢气渗漏
根据传统的地质学理论，地球里不会有任何天然氢存在。鉴于氢富有能量、具备反应性，科学家认为地壳里的大部分氢被微生物吃掉或转化为其他化合物。但神奇的是，勘探团队现已在除南极洲以外的每个大陆都发现了大量氢气储备的迹象。
专家猜测，这些氢是从地核泄漏出来的，或者是地壳中放射性元素分解水时产生的；另有不少人认为，它是水在高温高压下与富含铁的矿物质发生反应而产生的。
美国地质调查局的一项研究表明地球可能蕴藏着1万亿吨氢，足以给人类提供数千年的燃料和化肥。一些勘探者表示，开采天然氢可能比用可再生电力制备“绿氢”经济得多。另一方面，政府机构和商业资本正向此新兴领域豪掷重金。当然，最关键的问题在于，地球上的氢是否集中于能被经济开采的范围。
AI天气预报员来了
经过40年天气数据和模型的训练，人工智能现能高度准确地预测飓风路径
现代计算机自问世以来一直被气象学家用于预测天气。不过虽然预测的提前量和准确度不断提高，预测原理却始终如一：使用大量算力求解控制大气的流体动力学方程。
2023年，人工智能开始变革天气预报。包括谷歌、华为和英伟达在内的科技公司训练出了AI深度学习模型，可提前10天预测天气，准确度比肩甚至超越传统模型，而计算成本小很多。
AI模型并不求解方程，而是根据从过去40年天气中学到的模式预测不久的将来——训练素材来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF，顶级预报者）数值模型所提供的观测数据。经过训练，AI模型能于1分钟内输出预测，超级计算机需运行2小时方有结果。
ECMWF已经开始制作自己的人工智能预报，其他气象机构也在争先恐后地追赶。人工智能模型并不完美，很难预测诸如飓风强度的某些基本特征。但专家预计，随着AI预报员开始学习来自传感器的直接天气观测数据（而不仅仅是现有模型传递的信息），新技术会进一步发展。
对抗疟疾的新希望
肯尼亚基利菲县医院的母婴病房收治了许多出现疟疾症状的儿童。新型R21疫苗的临床试验在该地区进行
Mosquirix是世界上第一种疟疾疫苗，由葛兰素史克公司研制生产。2023年10月发布的大规模评估显示，这款疫苗使接种区的重症疟疾发病率降低22%，婴幼儿的死亡率降低13%。婴幼儿是受疟疾威胁最严重的群体，仅在撒哈拉以南非洲地区，每年就有近47万幼儿因此丧命。
同月，世界卫生组织批准了第二种疟疾疫苗R21/MatrixM。它由牛津大学开发，在设计上与Mosquirix类似，但生产成本更低、产量更大，可以填补疟疾疫苗供应的巨大缺口。据估计，从现在起到2025年，葛兰素史克只能产出1800万剂Mosquirix疫苗，够450万儿童完整接种，而疟疾风险地区每年有4000万个孩子出生。
R21将由大型疫苗制造商印度血清研究所生产，预计每年产量可达1亿剂，每剂价格在2至4美元之间，不到Mosquirix价格的一半。2023年9月的预印本报道了3期试验结果：在前18个月内，R21的效果不逊于Mosquirix。
阿尔茨海默病疗法取得显著进展
新型单抗疗法可能减缓阿尔茨海默病患者大脑的神经退行性病变
阿尔茨海默病患者大脑中含有一种缠结的蛋白质团块，称为β淀粉样蛋白。科学界一直在争论：去除β淀粉样蛋白，能否改善病情？不过相关的各种疗法都以失败告终。
2023年1月，为期18个月、围绕抗淀粉样蛋白单克隆抗体仑卡奈单抗（Lecanemab）的3期试验结果发布：相较安慰剂，仑卡奈单抗使早期阿尔茨海默病患者的认知能力下降速度减缓27%。
如此疗效也先后说服了美国和日本监管机构批准这种新疗法。同年7月发表的试验显示，另一种针对淀粉样蛋白的抗体疗法，多奈单抗（Donanemab）使早期患者认知能力下降速度减缓35%。上述两种单抗均通过静脉注射。
不过需要指出，新疗法存在脑肿胀和脑出血风险，在极少数情况下可能致命：携带APOE4（易患阿尔茨海默病的突变）的受治者极易遭遇副作用；服用药物预防或溶解血栓的患者也面对更大副作用风险。
美洲原住民登陆时间的新证据
美国新墨西哥州一个古老湖泊沿岸留下的脚印可能比考古学家眼中人类最早到达美洲时间早了5000年
传统观点认为，最早“移民”美洲的人类来自亚洲。他们通过曾经的白令陆桥（现在是白令海峡），于大约1.6万年前沿太平洋海岸向南行进，成为第一批定居者。不过2023年10月发表的一项考古工作进一步确证：人类早在2.1万年前就已踏足美洲。
2021年，美国新墨西哥州白沙国家公园的研究人员公布重大发现：在一个古老湖泊泥泞的岸边，留有明显的人类足迹，年代可追溯至23 000年前至21 000年前。
足迹周围存在一种草本水生植物的种子。2023年的工作通过放射性碳定年法推断其年代——同样来自23 000年前至21 000年前。需要指出，由于种子可能从溶解于湖水的沉积物中吸收了古老的碳元素，导致测年结果不可信，白沙公园团队使用来自陆生植物的花粉，以及嵌在足迹之间和下方沉积物里的石英颗粒，重新测定了足迹年代，结果与最初测定值完全一致。
如果年代正确，这些足迹就是在最后一个冰河时代的高峰期留下的。在那段时期，冰川覆盖了加拿大地区，所以人类踏上美洲旅程的时间必定早于冰盖形成。
超大质量黑洞并合的声音
2023年，天体物理学家探测到宇宙中微弱而低沉的轰鸣声。那是成对的超大质量黑洞彼此紧密环绕、摩擦而产生的引力波引起。这一发现是表明超大质量双黑洞系统存在的最有力证据，同时也令人确信，用遥远恒星信号探测引力波的方法行得通。
超大质量黑洞位于星系中心，其重量是太阳的数百万甚至数十亿倍。当星系并合时，它们的中心黑洞会被锁定在一个不断收紧的轨道上。这一“死亡螺旋”的第一阶段还无法被地球上的仪器探测到，但当它们彼此接近至相距几光年时，其环绕运动会发出缓慢而强大的引力波。
激光干涉引力波天文台（LIGO）捕捉不到此类引力波。天文学家选择观测脉冲星。他们定期监测几十颗最有规律的脉冲星，观察其脉冲节奏的微小变化。若有引力波经过，脉冲星和地球之间的空间会被压缩或拉伸，导致脉冲到达时间发生变化。
2023年6月，全球五个团队联合宣布，经过15年观察，他们发现宇宙中可能有数百万个超大质量双黑洞系统存在。
职业生涯早期的科学家反抗现状
2022年冬天，加州大学系统的4.8万名学术工作者参与了美国历史上最大规模的学术罢工，为研究生和博士后争取到可观的收入增长。2023年5月，加拿大各地数千名学术工作者举行了为期一天的大规模抗议活动，要求增加联邦对研究生和博士后的资助。在德国，处于职业生涯早期的科学家们开展行动，要求改变博士后合同。
另一方面，越来越多人才“用脚投票”，毕业后转投更高薪的行业，这使得近年来大量博士后职位空缺。
资助机构会否增加拨款以提高生涯早期学者的收入，需留待时间检验。一些大学已采取行动帮助教师适应不断上升的人事成本。例如，加州大学伯克利分校的研究人员希望将帮助教授支付加薪费用的短期措施与长期战略规划和经费预算相结合，最终形成一个人人受益的生态系统。
超级计算时代来临
像橡树岭国家实验室的Frontier这样的百亿亿次级计算机正为许多科学领域带去前所未有的计算能力
历经十多年发展，我们在2023年迎来百亿亿次级计算科学时代。美国橡树岭国家实验室的Frontier成为第一台公开向科学用户开放的百亿亿次级超级计算机，能以每秒1018次数学运算的速度处理从气候到材料的各种科学问题。
在Frontier帮助下，密歇根大学的材料学团队得以合并两个理论框架，以近乎完美的精度预测材料中多达60万个电子的行为；以往的工作只能预测大约1000个电子。这让他们模拟出镁合金中缺陷的形成、生长和移动过程——此项成果将助力用于节能汽车和飞机的超轻材料研发。此外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室和桑迪亚国家实验室利用Frontier提高了美国能源部全球气候模型的分辨率。
2024年，会有新的超级计算机在更多地方上线。
资料来源 Science