【年度重磅】2025 Science十大科學突破榜單揭曉！

Breakthrough

of The Year

2025年度十大科學突破

每一年，《科學》雜志的編輯團隊都會評選出年度十大科學突破，其中包括一項科學突破冠軍獎以及九項科學突破入圍獎。它們是這一年中最重大的科學發現、科學進展和趨勢。

讓我們一起來揭曉2025年度的十大科學突破榜單吧！

早安，陽光！

TIM APPENZELLER

在中國安徽，太陽能電池板如鎧甲般覆蓋著整片山坡，僅留出一條通道穿行其間。遠處的山脊上則矗立著風力渦輪機，它們同屬這場能源革命中飛速發展的組成部分，助力減輕空氣污染，并減緩了中國碳排放的增長速度。攝影：George Steinmetz

自工業革命以來，人類社會一直依賴于來自“遠古的太陽能”——這些能量由數億年前的植物捕獲，儲存在化石燃料中，并從地下挖掘和鉆取而來。但今年，勢頭已明確轉向來自“今天的太陽”的能源。可再生能源——其中大部分來自陽光本身或最終由太陽驅動的風能——已在多個方面超越了傳統能源。

在肯尼亞內羅畢的基貝拉貧民窟，小型屋頂太陽能系統為居民提供了廉價且可靠的能源

根據能源智庫Ember的數據，今年，可再生能源已超過煤炭成為全球電力首要來源，并且今年1至6月，太陽能和風能的增長量足以覆蓋全球電力需求的全部增幅。今年9月，中國國家主席習近平在聯合國宣布，中國將在十年內將碳排放削減高達10%，方法并非減少能源使用，而是加倍投入風能和太陽能。非洲和南亞的太陽能電池板進口量飆升，因為當地民眾意識到屋頂太陽能可以低成本地為燈具、手機和風扇供電。

而這一希望出現在一片悲觀色彩之上。這在11月于巴西貝倫舉行的聯合國氣候大會上尤為突出。由于各國未能實現2015年《巴黎氣候協定》中承諾的減排目標，全球碳排放量持續攀升。將全球變暖限制在1.5°C以內的目標一直以來都希望渺茫，如今似乎已完全遙不可及。但牛津大學數據科學家兼氣候博主漢娜·里奇（Hannah Ritchie）等人看到了希望。她表示，得益于可再生能源，人們期待已久的化石燃料衰退已近在眼前。中國“正處于真正開始淘汰煤炭的臨界點”，世界其他地區的化石燃料使用也可能隨之下降。

中國強大的工業引擎是主要驅動力。經過多年通過補貼耐心培育該行業，中國如今主導著全球可再生能源技術的生產。中國生產了全球80%的太陽能電池、70%的風力渦輪機和70%的鋰電池，其價格是任何競爭對手都無法匹敵的。美國亞洲協會政策研究所的中國氣候中心主任李碩表示：“中國確實掌握了價格優勢，這得益于其經濟規模、制造能力和國內激烈的競爭。”

蓄勢迎風展翼：風力渦輪機葉片正等待從三一工廠運出。中國生產了全球三分之二的風力渦輪機，其中大部分安裝于國內，但來自國際的訂單正在逐步增加。攝影：George Steinmetz

隨著產量激增，價格下降，需求也隨之起飛；這形成了一個良性循環：可再生能源技術已發展成一個占中國經濟比重超過10%的產業。風能和太陽能在世界大部分地區已成為最便宜的能源。

敦煌首航100MW熔鹽塔式光熱電站，一排排傾斜背對太陽的反射鏡正等待維護

與能獨立發電的太陽能電池板不同，該電站的1.2萬面反射鏡將陽光匯聚至中央發電站。在反射鏡的焦點處，一座因聚光而熠熠生輝的塔內儲存著565°C的熔鹽

這些熔鹽產生蒸汽驅動渦輪機發電——由于熔鹽能在夜間持續保溫，電站可實現不間斷運行。更能體現中國可再生能源熱潮的，是架設在河流淺灘處的太陽能電池板，它們既為電網供電，也為鵝群提供了蔭蔽。以上三圖攝影：George Steinmetz

從中國工廠涌出的技術浪潮改變了中國的能源格局，也改變了其自然景觀。數十年來，中國的發展與煤炭密不可分，煤炭導致了糟糕的空氣污染和巨大的碳排放，中國的排放量仍高于所有其他發達國家的總和。如今，太陽能電池板覆蓋了沙漠和陽光充足的高原西藏，高達300米的風力渦輪機矗立在海岸線和山頂。中國的太陽能發電量在過去十年增長了20多倍，太陽能和風力發電場現在的總裝機容量足以滿足整個美國的電力需求。

志向高遠

價格下跌推動了太陽能和風能的裝機容量激增，其增速遠超任何其他能源。本圖展示的是裝機容量，這種對比對太陽能和風能有利，因為它們每天僅能在少數時間內滿功率發電，這與化石能源和核能不同。但今年，可再生能源的總發電量已超過煤炭。

*2025年數據為全年預測值。裝機容量包括并網資產及部分離網系統

中國蓬勃發展的綠色技術出口也正在改變世界其他地區。歐洲是長期客戶，但全球南方國家也在市場力量和能源獨立愿望的推動下，紛紛搶購中國的太陽能電池板、電池和風力渦輪機。例如，在烏克蘭戰爭推高天然氣價格和電網電力成本的背景下，巴基斯坦從2022年到2024年進口的中國太陽能電池板增長了五倍。在南非，老舊且不可靠的燃煤電廠也催生了類似的情況。埃塞俄比亞則因擔心其支柱能源——水力發電會因日益頻繁的干旱而減少，轉而擁抱太陽能和風能。

迄今為止，這并非一個關于新技術的傳奇故事。李碩表示，中國“或多或少依賴美國半個世紀前發明的相同核心（太陽能）技術”。當時，美國為航天器制造精品電池板；如今，中國為全世界制造它們——更好、更便宜，且數量驚人。

日出之前，南京動車段內，一列列高速動車組正靜靜等待，即將駛上貫穿全國的高鐵線路。以高達350公里的時速，從北京到上海1300公里的旅程，僅需4個多小時即可完成。George Steinmetz

技術進步可能推動未來的收益。目前的太陽能電池由晶體硅制成，但另一種晶體——鈣鈦礦，可以與硅層疊串聯，制成通過捕獲更多光譜顏色來提高效率的電池。材料科學的進步使風力渦輪機葉片得以變得更長，從而獲取更多能量，而浮動式渦輪機的設計則可以極大地擴展其可部署的海上區域。目前用于在陽光和風力不足時儲存能量的巨型鋰離子電池，未來也可能被其他化學電池所取代。釩液流電池和鈉電池可能更便宜；鋅空氣電池則可以儲存更多的能量。

青藏高原上，察爾汗鹽湖的湖水如翡翠般碧綠，吸引著游客的目光——同時，這片水域也蘊藏著豐富的鋰資源。鋰是汽車電池和可再生能源儲存系統的關鍵材料。這座寬達160公里的鹽湖，其鹵水在去年產出了超過5萬噸碳酸鋰，足以滿足數十萬輛電動汽車的電池需求。George Steinmetz

與此同時，氣候科學家已經從現有技術中看到了益處。今年，得益于可再生能源的幫助，中國溫室氣體排放停止增長，并使全球碳排放達峰成為可能。但要真正減少排放，世界需要將今年跨越的閾值僅僅視為一個起點。

塔夫茨大學能源與氣候專家凱利·西姆斯·加拉格爾（Kelly Sims Gallagher）表示：“令我擔憂的是，中國仍在繼續建設燃煤電廠。”過去一年，有數十座新電廠投運，盡管許多處于閑置狀態，等待作為“調峰電廠”啟動以滿足需求高峰。在美國，特朗普政府已對風能和太陽能的發展宣戰，價格低廉的中國太陽能電池板也面臨著巨大的貿易壁壘。而美國的煤炭消費量則在長期下降之后，今年有所上升。

充分利用風能和太陽能所需的基礎設施是另一個障礙。中國正在建設電池儲能場以存儲綠色電力，并建設長距離輸電線路將其輸送到城市，但速度可能還不夠快。航空業和重工業短期內難以實現純電力驅動。

然而，如果未來潛藏著擔憂，那么回顧過去則彰顯了可再生能源取得的驚人進步。在2004年，全球安裝1吉瓦（10億瓦）的太陽能發電容量需要整整一年。而如今，每一天上線的容量都是這個數字的兩倍。在那時，可再生能源戴著一頂道德光環：買家出于氣候擔憂而支付比化石能源更高的溢價。而現在，真正的驅動力是人們的自身利益：更低的成本和更高的能源安全。

這種動機的轉變可能是所有突破中最為重要的一個，它確保了2025年的拐點僅僅是一個開始。

在太倉港——上海上游的港口，大批汽車（其中大部分為電動車）正等待出口。2024年，中國生產了超過1200萬輛電動汽車，占全球總產量的70%，其中出口達128萬輛。George Steinmetz

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其他9項Science年度科學突破分別為：

定制化基因編輯為極罕見疾病帶來新希望

Jocelyn Kaiser

KJ Muldoon

患有危及生命代謝疾病的男嬰KJ Muldoon成為全球首位接受個性化基因編輯治療的患者，這一進展為針對獨特基因突變的定制化治療開辟了道路。

患兒KJ因CSP1基因缺陷無法代謝氨，傳統上需要嚴格限制蛋白飲食并進行肝移植。研究人員在他出生后迅速開發出堿基編輯器，以修復其基因中的一個“拼寫錯誤”。在細胞和動物測試后，研究團隊于KJ 6個月大時獲得批準，通過脂質納米顆粒遞送編輯器進行治療。后續治療使得KJ的蛋白質攝入增加、體重增長，且控氨藥物需求減少。

目前，研究人員計劃調整該編輯器以治療其他五名類似代謝疾病患者。美國FDA認為這些定制療法差異微小，可在單一臨床試驗中測試，此監管簡化使得堿基編輯技術有望應用于更多源于不同突變的罕見病。然而，此類療法仍面臨高昂費用和安全不確定性的限制。

對抗性傳播疾病的新武器

Martin Enserink

兩種淋病新藥在大型臨床試驗中證實有效，并于本月獲美國FDA批準。這是幾十年來首批對抗該性傳播疾病的新武器，其問世正值現有療法日趨失效之際。

淋病每年感染超8000萬人，可導致疼痛、生殖器分泌物、出血，并引發嚴重并發癥如女性盆腔炎和男女不孕。它還會增加HIV感染風險，并可致新生兒眼感染失明。致病菌淋病奈瑟菌已對幾乎所有使用過的抗生素產生耐藥，包括目前最后有效的一線藥物頭孢菌素。

今年5月，《柳葉刀》發表了新藥Gepotidacin的三期試驗結果。該藥由GSK在美國政府資助下研發，已獲批治療尿路感染，對淋病的療效與現有藥物相當。作為全新一類抗生素，它通過同時靶向DNA旋轉酶和拓撲異構酶IV來抑制細菌DNA復制。

另一種新藥Zoliflodacin由Innoviva公司與全球抗生素研發伙伴關系（GARDP）合作開發。它同樣靶向DNA旋轉酶，但作用機制不同。12月11日《柳葉刀》發表的跨國三期研究顯示其有效且無嚴重副作用。這兩種藥物均可口服，相較于需要注射的頭孢菌素更具優勢。科學家肯定其價值，但警告其如所有前代藥物一樣，有效期可能有限。面對淋病奈瑟菌這樣狡猾的微生物，尋找新抗生素的斗爭永遠不會停止。

導致淋病的獨特淋病雙球菌，已對幾乎所有抗生素產生耐藥性

神經元向癌細胞進行致命“饋贈”

Mitch Leslie

腫瘤會誘使包括神經元在內的多種細胞助其生長擴散。研究人員發現，神經細胞通過傳遞線粒體（細胞的主要供能細胞器）提供幫助，這使癌細胞被“超級充電”，更易擴散，阻斷該傳遞或可減緩轉移。

已有證據表明神經會助力癌癥。切斷腫瘤神經連接可減緩其生長或致其萎縮，并破壞癌細胞代謝。為探究原因，研究人員共同培養癌細胞與神經細胞，并標記神經元線粒體。他們通過顯微鏡觀察到神經細胞通過微小橋狀結構將線粒體傳遞給癌細胞，并在實驗鼠和人類前列腺腫瘤樣本中證實了此轉移。

由于癌細胞分裂快、耗能高，研究使用自身線粒體缺陷的培養癌細胞，發現獲得的線粒體能提升其代謝。為明確線粒體“捐贈”對癌癥生長的影響，研究人員開發了一種技術：當癌細胞從其他細胞獲取線粒體后會顯示綠色熒光。將兩種細胞混合物植入小鼠后，原始腫瘤中僅5%的癌細胞變綠，而肺轉移灶和腦轉移灶中該比例分別升至27%和46%。

其他細胞也會共享線粒體，但新研究表明神經元可能尤為“慷慨”。這或有助于未來開發療法，迫使神經細胞保留其自身線粒體。

線粒體（綠色）從神經元（藍色）移動至相鄰的癌細胞（紅色），可能促進癌轉移

天空中的全視之眼

Daniel Clery

一種旨在加速新型天文學發展的望遠鏡今年在智利山頂建成。維拉·C·魯賓天文臺并不放大特定目標，而是持續掃視天空。從明年初開始，它將持續10年，每3天以前所未有的細節記錄整片天空，每夜產生數百萬條關于天體移動、變化或突然出現的警報。一年內，其收集的光學數據將超過歷史總和，并逐步構建最詳細的宇宙三維地圖（面向所有人開放）。

如此高效采集星光需要突破性的技術：一個能在相當45個滿月視場內生成無失真圖像的復雜光學系統，以及一個能秒速輸出3200兆像素圖像的汽車大小的相機。光纖將圖像從智利帕瓊山頂傳至美國加利福尼亞，計算機在拍攝后1分鐘內分析并發出警報。面對每夜千萬條警報，天文學家將依靠智能算法從平凡的礫石中篩選出恒星寶石。

數據洪流將影響天文學所有領域。它將使太陽系已知天體數量倍增，或有望發現假設中的海王星外“第九行星”。它將近距離觀測多種宇宙爆炸，揭示星系如何形成、合并與演化，并助力研究暗物質如何塑造星系及暗能量如何加速宇宙膨脹。建造這樣一臺機器已是壯舉，而它更將成為孕育更多未來突破的搖籃。

與丹尼索瓦人面對面

Andrew Curry

今年，研究人員終于為我們一位失散已久的親屬“還原”了面容——DNA證據證實，一具被稱為“龍人”的14.6萬年前的頭骨屬于丹尼索瓦人。這是一個已滅絕的人類支系，與尼安德特人一樣，曾與現代人類共同生活在這個星球上。

2010年，遺傳學家宣布，他們根據從西伯利亞丹尼索瓦洞中發現的一節指骨碎片中提取的DNA，發現了一種與尼安德特人和現代人類關系密切的新古人類。但在隨后的15年里，丹尼索瓦人一直“沒有面孔”。從中國臺灣到西藏的其他亞洲遺址發現的小塊骨頭也提取出了丹尼索瓦人DNA。但由于沒有完整的個體甚至頭骨，科學家無從知曉丹尼索瓦人的模樣，也無法利用外貌特征來識別可能早已存放在博物館藏品中的丹尼索瓦人化石。

這一情況在今年發生了改變。中國的研究人員成功地從一具幾十年前在哈爾濱附近發現的古頭骨中提取出了DNA。其來源不同尋常——并非來自牙齒或內耳骨這些古遺傳物質的常見來源，而是從“龍人”唯一留存牙齒上刮下的、僅0.3毫克的硬化牙垢樣本。（牙垢中捕獲的遺傳物質主要來自細菌，但也包含唾液和口腔中其他液體的DNA。）

那顆黑化臼齒上已化石化的牙垢，將DNA封存在一種礦物基質中，這比多孔的骨骼可能保存得更久。一經測序，就將“龍人”的DNA與之前測序過的丹尼索瓦人DNA聯系了起來。進一步的研究還將牙垢中的蛋白質與其他丹尼索瓦人化石進行了匹配，最終確認這具擁有厚重眉脊、粗壯骨骼和有力下頜的頭骨屬于一名丹尼索瓦人。

既然“龍人”的身份已被揭示，研究人員將能更容易地根據骨骼和牙齒的形狀來識別其他丹尼索瓦人。發現更多個體可能有助于解決一個持續已久的爭論：這些神秘的古人類究竟是智人的一個亞種，還是一個獨立的物種？

大語言模型助力科學研究

Celina Zhao

2020年，谷歌DeepMind推出蛋白質結構預測模型AlphaFold2，顛覆了人們對人工智能在科學領域所能實現目標的預期。該成果曾被Science評為2021年度科學突破，其研發團隊隨后于2024年獲得諾貝爾化學獎。彼時，幾乎無人預見，那些基于數萬億詞元訓練、最初僅以生成類人文本為優化目標的通用大型語言模型（LLM），能夠在科學任務中取得類似成就。然而今年以來，LLM在多個科學領域中展現出相當于博士水平的敏銳性和分析能力。

在數學領域，DeepMind采用其先進版本的Gemini大語言模型，在國際數學奧林匹克競賽中斬獲金牌。與此同時，OpenAI開發的GPT-5在組合數學的數論和圖論等長期未解的數學難題上取得了原創性突破，這些問題已困擾數學界數十年之久。

LLM不僅在測試中表現出色，還加速了科學發現進程。在化學領域，Meta公司的Llama大語言模型的一個微調版本僅通過15次實驗就確定了一種此前未被報道的復雜反應的最佳條件，為研究人員節省了數百次實驗。

在生物學領域，谷歌開發的“代理型”人工智能協作系統從現有藥物中成功篩選出治療肝纖維化的新候選藥物，并在兩天內復現了細菌中DNA寄生傳播的關鍵機制——這一成果若由研究人員獨立完成，往往需要耗費數年時間。

然而，并非所有實驗均取得預期成果。在雄心勃勃的“Agents4-Science”項目中，大型語言模型被應用于提出科學假設、分析實驗數據以及執行首輪同行評審，但該嘗試引發了眾多研究人員對人工智能的質疑——其是否能夠以足夠嚴謹的方式設計與評估科學問題。

盡管如此，大型語言模型所取得的關鍵突破仍為“人工智能賦能科學研究”的發展浪潮奠定了基礎。科技巨頭與投資者已向Periodic Labs、Lila Sciences及OpenAI for Science等衍生企業投入數億美元資金。隨著人工智能技術開始自主推動下一代大型語言模型的迭代優化，其發展潛力日益顯現，未來前景愈發難以估量。

計算的突破助力揭示粒子物理新進展

Adrian Cho

數十年來，粒子物理學家始終致力于尋找能夠挑戰主流理論——即標準模型——的現象。然而，今年6月，一項長期開展的實驗公布結果表明，與此前推測相反，一種名為μ子的基本粒子其磁性并未超出標準模型的預測范圍。盡管這一發現意味著最被寄予厚望的新物理跡象可能不復存在，但在表面失望的背后卻蘊藏著一項重要成就：理論物理學家首次成功運用格點規范理論這一數值方法，從第一性原理出發實現了對μ子磁性的高精度計算。

μ子是電子的一種更重且不穩定的“表親”。根據量子場論，真空中會不斷出現并迅速湮滅的“虛擬粒子”，這些瞬態粒子會對μ子的磁矩產生微小修正，該效應以g-2因子表示。若這些虛擬粒子中包含標準模型之外的新粒子，則可能導致μ子磁性偏離理論預期。自2000年起，美國布魯克海文國家實驗室及后續費米實驗室開展的“μ子g-2”實驗持續觀測到μ子磁性比標準模型預測值高出約百萬分之0.4（即4×10??），引發廣泛關注。

然而，準確預測μ子g-2值極具挑戰性，尤其在于如何精確處理夸克和膠子通過強相互作用所產生的貢獻。由于強相互作用在低能區表現出非微擾特性，傳統解析方法難以適用。2020年，“μ子g-2理論倡議”合作組曾依賴來自粒子對撞機實驗的數據間接估算此類貢獻，但當時可用數據之間仍存在顯著分歧。

作為替代路徑，理論研究者可借助超級計算機，采用格點規范理論進行第一性原理計算。該方法通過將四維時空離散化為晶格結構，從而實現對量子色動力學方程的數值求解。近年來，隨著計算能力的提升以及算法優化、格點間距控制和邊界條件處理等技術的進步，基于格點的計算精度已達到與實驗數據驅動方法相當的水平。2024年5月，“μ子g-2理論倡議”正式采納格點計算結果更新其理論預測。修訂后的理論值高于以往估計，并與費米實驗室近期發布的最終實驗測量結果高度一致。

這一理論與實驗的一致性不僅標志著格點規范理論在強相互作用體系計算中的重大突破，也凸顯了計算物理學在現代基礎科學研究中的關鍵作用。盡管這暫時削弱了存在超越標準模型新物理的證據強度，但它展示了人類從基本原理出發理解自然規律的能力正日益增強。

μ子g-2實驗于2023年在費米實驗室完成了最后一次數據采集

異種移植實現歷史性突破

Jon Cohen

在過去一個世紀中，異種移植（即將動物器官移植至人體）的研究長期伴隨過度宣傳及部分科學依據不足的嘗試，其進展緩慢且充滿爭議。然而，2024年，隨著基因編輯技術的進步，特別是經基因工程改造的豬作為供體的應用，該領域取得了顯著突破。這些轉基因豬的組織經過優化，免疫原性顯著降低，因而更不易引發受體免疫系統的強烈排斥反應，為緩解人類器官嚴重短缺問題提供了新的可行路徑。

最引人注目的是，一名來自新罕布什爾州的患者，其體內植入的豬腎在經歷69處基因編輯后持續發揮功能近九個月，直至10月才出現功能衰竭。這一存活時間僅略短于此前由黑猩猩腎臟創下的歷史最長記錄——該記錄于1964年實現，但鑒于黑猩猩屬于瀕危物種且倫理爭議巨大，現已不再被視為合適的器官供體來源。與此同時，在中國開展的一項臨床研究中，一名女性患者接受了僅經過6處基因編輯的豬腎移植，其器官功能維持時間也接近九個月，幾乎與前述病例相當。

目前，已有兩家領先的生物技術公司獲得美國FDA批準，啟動首批真正意義上的異種移植臨床試驗。此舉標志著該技術從實驗階段邁向規范化臨床應用的關鍵一步，也是未來獲得全面監管許可的重要前提。

盡管如此，供體豬仍需進行額外的基因修飾以延長移植器官的存活時間，具體改造方案尚待明確。科研團隊正致力于研發更安全、更有效的免疫排斥抑制藥物。部分研究者嘗試通過創新策略誘導免疫耐受——例如將豬的胸腺與腎臟共同移植——從而完全規避免疫抑制劑的使用。盡管仍需突破諸多障礙，但今年取得的成果無疑使異種移植技術更接近實現。

一名外科醫生手持一顆準備移植到人體內的基因編輯豬腎

耐熱水稻

Erik Stokstad

作物在有充足水分的情況下能夠抵御熱浪的烈日，但悶熱也可能帶來嚴重問題。今年，中國研究人員發現了一種基因，它能幫助水稻抵御高溫帶來的兩種影響：產量降低和谷粒質量變差。

過去十年間，該團隊在中國一些溫度較高的地區種植了533種水稻。通過雜交表現最佳的水稻品種，他們確定了12號染色體上的一個關鍵基因，將其命名為QT12，意為“耐熱優質”。

在高溫表現不佳的品種具有QT12的一種變異體（等位基因），這種等位基因在高溫時會被激活，導致貯藏物質排列紊亂。該團隊4月在《細胞》雜志上報告稱，QT12激活導致谷粒變得粉質、易碎，口感不佳。但具有在溫度升高時不被激活的QT12等位基因的品種能保持良好的谷粒質量。

當研究人員將這種保護性等位基因引入名為“華占”的商業水稻品種時，發現其在高溫環境下比當前的“華占”品種增產高達78%，且堊白粒的比例更低。他們還表明，通過基因編輯使QT12失活，在一種研究用水稻品種中也產生了類似的益處。

研究人員發現，生長在較冷地區且在高溫下表現不佳的粳稻亞種水稻品種可能尤其能從QT12的保護性等位基因中獲益。粳稻不攜帶該等位基因，但可以通過常規育種方式添加。他們建議，其他谷類作物，如小麥和玉米，也可以配備類似的基因，以抵御即將到來的更炎熱的氣候。

為躲避當地日益加劇的夏季高溫，越南稻農選擇在夜間插秧

*本文內容由

Science

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