Breakthrough
of The Year
每一年，《科学》杂志的编辑团队都会评选出年度十大科学突破，其中包括一项科学突破冠军奖以及九项科学突破入围奖。它们是这一年中最重大的科学发现、科学进展和趋势。
让我们一起来揭晓2025年度的十大科学突破榜单吧！
早安，阳光！
TIM APPENZELLER
在中国安徽，太阳能电池板如铠甲般覆盖着整片山坡，仅留出一条通道穿行其间。远处的山脊上则矗立着风力涡轮机，它们同属这场能源革命中飞速发展的组成部分，助力减轻空气污染，并减缓了中国碳排放的增长速度
自工业革命以来，人类社会一直依赖于来自“远古的太阳能”——这些能量由数亿年前的植物捕获，储存在化石燃料中，并从地下挖掘和钻取而来。但今年，势头已明确转向来自“今天的太阳”的能源。可再生能源——其中大部分来自阳光本身或最终由太阳驱动的风能——已在多个方面超越了传统能源。
在肯尼亚内罗毕的基贝拉贫民窟，小型屋顶太阳能系统为居民提供了廉价且可靠的能源
根据能源智库Ember的数据，今年，可再生能源已超过煤炭成为全球电力首要来源，并且今年1至6月，太阳能和风能的增长量足以覆盖全球电力需求的全部增幅。今年9月，中国国家主席习近平在联合国宣布，中国将在十年内将碳排放削减高达10%，方法并非减少能源使用，而是加倍投入风能和太阳能。非洲和南亚的太阳能电池板进口量飙升，因为当地民众意识到屋顶太阳能可以低成本地为灯具、手机和风扇供电。
而这一希望出现在一片悲观色彩之上。这在11月于巴西贝伦举行的联合国气候大会上尤为突出。由于各国未能实现2015年《巴黎气候协定》中承诺的减排目标，全球碳排放量持续攀升。将全球变暖限制在1.5°C以内的目标一直以来都希望渺茫，如今似乎已完全遥不可及。但牛津大学数据科学家兼气候博主汉娜·里奇（Hannah Ritchie）等人看到了希望。她表示，得益于可再生能源，人们期待已久的化石燃料衰退已近在眼前。中国“正处于真正开始淘汰煤炭的临界点”，世界其他地区的化石燃料使用也可能随之下降。
中国强大的工业引擎是主要驱动力。经过多年通过补贴耐心培育该行业，中国如今主导着全球可再生能源技术的生产。中国生产了全球80%的太阳能电池、70%的风力涡轮机和70%的锂电池，其价格是任何竞争对手都无法匹敌的。美国亚洲协会政策研究所的中国气候中心主任李硕表示：“中国确实掌握了价格优势，这得益于其经济规模、制造能力和国内激烈的竞争。”
蓄势迎风展翼：风力涡轮机叶片正等待从三一工厂运出。中国生产了全球三分之二的风力涡轮机，其中大部分安装于国内，但来自国际的订单正在逐步增加
随着产量激增，价格下降，需求也随之起飞；这形成了一个良性循环：可再生能源技术已发展成一个占中国经济比重超过10%的产业。风能和太阳能在世界大部分地区已成为最便宜的能源。
敦煌首航100MW熔盐塔式光热电站，一排排倾斜背对太阳的反射镜正等待维护
与能独立发电的太阳能电池板不同，该电站的1.2万面反射镜将阳光汇聚至中央发电站。在反射镜的焦点处，一座因聚光而熠熠生辉的塔内储存着565°C的熔盐
这些熔盐产生蒸汽驱动涡轮机发电——由于熔盐能在夜间持续保温，电站可实现不间断运行。更能体现中国可再生能源热潮的，是架设在河流浅滩处的太阳能电池板，它们既为电网供电，也为鹅群提供了荫蔽。
从中国工厂涌出的技术浪潮改变了中国的能源格局，也改变了其自然景观。数十年来，中国的发展与煤炭密不可分，煤炭导致了糟糕的空气污染和巨大的碳排放，中国的排放量仍高于所有其他发达国家的总和。如今，太阳能电池板覆盖了沙漠和阳光充足的高原西藏，高达300米的风力涡轮机矗立在海岸线和山顶。中国的太阳能发电量在过去十年增长了20多倍，太阳能和风力发电场现在的总装机容量足以满足整个美国的电力需求。
价格下跌推动了太阳能和风能的装机容量激增，其增速远超任何其他能源。本图展示的是装机容量，这种对比对太阳能和风能有利，因为它们每天仅能在少数时间内满功率发电，这与化石能源和核能不同。但今年，可再生能源的总发电量已超过煤炭。
*2025年数据为全年预测值。装机容量包括并网资产及部分离网系统
中国蓬勃发展的绿色技术出口也正在改变世界其他地区。欧洲是长期客户，但全球南方国家也在市场力量和能源独立愿望的推动下，纷纷抢购中国的太阳能电池板、电池和风力涡轮机。例如，在乌克兰战争推高天然气价格和电网电力成本的背景下，巴基斯坦从2022年到2024年进口的中国太阳能电池板增长了五倍。在南非，老旧且不可靠的燃煤电厂也催生了类似的情况。埃塞俄比亚则因担心其支柱能源——水力发电会因日益频繁的干旱而减少，转而拥抱太阳能和风能。
迄今为止，这并非一个关于新技术的传奇故事。李硕表示，中国“或多或少依赖美国半个世纪前发明的相同核心（太阳能）技术”。当时，美国为航天器制造精品电池板；如今，中国为全世界制造它们——更好、更便宜，且数量惊人。
日出之前，南京动车段内，一列列高速动车组正静静等待，即将驶上贯穿全国的高铁线路。以高达350公里的时速，从北京到上海1300公里的旅程，仅需4个多小时即可完成
技术进步可能推动未来的收益。目前的太阳能电池由晶体硅制成，但另一种晶体——钙钛矿，可以与硅层叠串联，制成通过捕获更多光谱颜色来提高效率的电池。材料科学的进步使风力涡轮机叶片得以变得更长，从而获取更多能量，而浮动式涡轮机的设计则可以极大地扩展其可部署的海上区域。目前用于在阳光和风力不足时储存能量的巨型锂离子电池，未来也可能被其他化学电池所取代。钒液流电池和钠电池可能更便宜；锌空气电池则可以储存更多的能量。
青藏高原上，察尔汗盐湖的湖水如翡翠般碧绿，吸引着游客的目光——同时，这片水域也蕴藏着丰富的锂资源。锂是汽车电池和可再生能源储存系统的关键材料。这座宽达160公里的盐湖，其卤水在去年产出了超过5万吨碳酸锂，足以满足数十万辆电动汽车的电池需求
与此同时，气候科学家已经从现有技术中看到了益处。今年，得益于可再生能源的帮助，中国温室气体排放停止增长，并使全球碳排放达峰成为可能。但要真正减少排放，世界需要将今年跨越的阈值仅仅视为一个起点。
塔夫茨大学能源与气候专家凯利·西姆斯·加拉格尔（Kelly Sims Gallagher）表示：“令我担忧的是，中国仍在继续建设燃煤电厂。”过去一年，有数十座新电厂投运，尽管许多处于闲置状态，等待作为“调峰电厂”启动以满足需求高峰。在美国，特朗普政府已对风能和太阳能的发展宣战，价格低廉的中国太阳能电池板也面临着巨大的贸易壁垒。而美国的煤炭消费量则在长期下降之后，今年有所上升。
充分利用风能和太阳能所需的基础设施是另一个障碍。中国正在建设电池储能场以存储绿色电力，并建设长距离输电线路将其输送到城市，但速度可能还不够快。航空业和重工业短期内难以实现纯电力驱动。
然而，如果未来潜藏着担忧，那么回顾过去则彰显了可再生能源取得的惊人进步。在2004年，全球安装1吉瓦（10亿瓦）的太阳能发电容量需要整整一年。而如今，每一天上线的容量都是这个数字的两倍。在那时，可再生能源戴着一顶道德光环：买家出于气候担忧而支付比化石能源更高的溢价。而现在，真正的驱动力是人们的自身利益：更低的成本和更高的能源安全。
这种动机的转变可能是所有突破中最为重要的一个，它确保了2025年的拐点仅仅是一个开始。
在太仓港——上海上游的港口，大批汽车（其中大部分为电动车）正等待出口。2024年，中国生产了超过1200万辆电动汽车，占全球总产量的70%，其中出口达128万辆
定制化基因编辑为极罕见疾病带来新希望
Jocelyn Kaiser
KJ Muldoon
患有危及生命代谢疾病的男婴KJ Muldoon成为全球首位接受个性化基因编辑治疗的患者，这一进展为针对独特基因突变的定制化治疗开辟了道路。
患儿KJ因CSP1基因缺陷无法代谢氨，传统上需要严格限制蛋白饮食并进行肝移植。研究人员在他出生后迅速开发出碱基编辑器，以修复其基因中的一个“拼写错误”。在细胞和动物测试后，研究团队于KJ 6个月大时获得批准，通过脂质纳米颗粒递送编辑器进行治疗。后续治疗使得KJ的蛋白质摄入增加、体重增长，且控氨药物需求减少。
目前，研究人员计划调整该编辑器以治疗其他五名类似代谢疾病患者。美国FDA认为这些定制疗法差异微小，可在单一临床试验中测试，此监管简化使得碱基编辑技术有望应用于更多源于不同突变的罕见病。然而，此类疗法仍面临高昂费用和安全不确定性的限制。
对抗性传播疾病的新武器
Martin Enserink
两种淋病新药在大型临床试验中证实有效，并于本月获美国FDA批准。这是几十年来首批对抗该性传播疾病的新武器，其问世正值现有疗法日趋失效之际。
淋病每年感染超8000万人，可导致疼痛、生殖器分泌物、出血，并引发严重并发症如女性盆腔炎和男女不孕。它还会增加HIV感染风险，并可致新生儿眼感染失明。致病菌淋病奈瑟菌已对几乎所有使用过的抗生素产生耐药，包括目前最后有效的一线药物头孢菌素。
今年5月，《柳叶刀》发表了新药Gepotidacin的三期试验结果。该药由GSK在美国政府资助下研发，已获批治疗尿路感染，对淋病的疗效与现有药物相当。作为全新一类抗生素，它通过同时靶向DNA旋转酶和拓扑异构酶IV来抑制细菌DNA复制。
另一种新药Zoliflodacin由Innoviva公司与全球抗生素研发伙伴关系（GARDP）合作开发。它同样靶向DNA旋转酶，但作用机制不同。12月11日《柳叶刀》发表的跨国三期研究显示其有效且无严重副作用。这两种药物均可口服，相较于需要注射的头孢菌素更具优势。科学家肯定其价值，但警告其如所有前代药物一样，有效期可能有限。面对淋病奈瑟菌这样狡猾的微生物，寻找新抗生素的斗争永远不会停止。
导致淋病的独特淋病双球菌，已对几乎所有抗生素产生耐药性
神经元向癌细胞进行致命“馈赠”
Mitch Leslie
肿瘤会诱使包括神经元在内的多种细胞助其生长扩散。研究人员发现，神经细胞通过传递线粒体（细胞的主要供能细胞器）提供帮助，这使癌细胞被“超级充电”，更易扩散，阻断该传递或可减缓转移。
已有证据表明神经会助力癌症。切断肿瘤神经连接可减缓其生长或致其萎缩，并破坏癌细胞代谢。为探究原因，研究人员共同培养癌细胞与神经细胞，并标记神经元线粒体。他们通过显微镜观察到神经细胞通过微小桥状结构将线粒体传递给癌细胞，并在实验鼠和人类前列腺肿瘤样本中证实了此转移。
由于癌细胞分裂快、耗能高，研究使用自身线粒体缺陷的培养癌细胞，发现获得的线粒体能提升其代谢。为明确线粒体“捐赠”对癌症生长的影响，研究人员开发了一种技术：当癌细胞从其他细胞获取线粒体后会显示绿色荧光。将两种细胞混合物植入小鼠后，原始肿瘤中仅5%的癌细胞变绿，而肺转移灶和脑转移灶中该比例分别升至27%和46%。
其他细胞也会共享线粒体，但新研究表明神经元可能尤为“慷慨”。这或有助于未来开发疗法，迫使神经细胞保留其自身线粒体。
线粒体（绿色）从神经元（蓝色）移动至相邻的癌细胞（红色），可能促进癌转移
天空中的全视之眼
Daniel Clery
一种旨在加速新型天文学发展的望远镜今年在智利山顶建成。维拉·C·鲁宾天文台并不放大特定目标，而是持续扫视天空。从明年初开始，它将持续10年，每3天以前所未有的细节记录整片天空，每夜产生数百万条关于天体移动、变化或突然出现的警报。一年内，其收集的光学数据将超过历史总和，并逐步构建最详细的宇宙三维地图（面向所有人开放）。
如此高效采集星光需要突破性的技术：一个能在相当45个满月视场内生成无失真图像的复杂光学系统，以及一个能秒速输出3200兆像素图像的汽车大小的相机。光纤将图像从智利帕琼山顶传至美国加利福尼亚，计算机在拍摄后1分钟内分析并发出警报。面对每夜千万条警报，天文学家将依靠智能算法从平凡的砾石中筛选出恒星宝石。
数据洪流将影响天文学所有领域。它将使太阳系已知天体数量倍增，或有望发现假设中的海王星外“第九行星”。它将近距离观测多种宇宙爆炸，揭示星系如何形成、合并与演化，并助力研究暗物质如何塑造星系及暗能量如何加速宇宙膨胀。建造这样一台机器已是壮举，而它更将成为孕育更多未来突破的摇篮。
与丹尼索瓦人面对面
Andrew Curry
今年，研究人员终于为我们一位失散已久的亲属“还原”了面容——DNA证据证实，一具被称为“龙人”的14.6万年前的头骨属于丹尼索瓦人。这是一个已灭绝的人类支系，与尼安德特人一样，曾与现代人类共同生活在这个星球上。
2010年，遗传学家宣布，他们根据从西伯利亚丹尼索瓦洞中发现的一节指骨碎片中提取的DNA，发现了一种与尼安德特人和现代人类关系密切的新古人类。但在随后的15年里，丹尼索瓦人一直“没有面孔”。从中国台湾到西藏的其他亚洲遗址发现的小块骨头也提取出了丹尼索瓦人DNA。但由于没有完整的个体甚至头骨，科学家无从知晓丹尼索瓦人的模样，也无法利用外貌特征来识别可能早已存放在博物馆藏品中的丹尼索瓦人化石。
这一情况在今年发生了改变。中国的研究人员成功地从一具几十年前在哈尔滨附近发现的古头骨中提取出了DNA。其来源不同寻常——并非来自牙齿或内耳骨这些古遗传物质的常见来源，而是从“龙人”唯一留存牙齿上刮下的、仅0.3毫克的硬化牙垢样本。（牙垢中捕获的遗传物质主要来自细菌，但也包含唾液和口腔中其他液体的DNA。）
那颗黑化臼齿上已化石化的牙垢，将DNA封存在一种矿物基质中，这比多孔的骨骼可能保存得更久。一经测序，就将“龙人”的DNA与之前测序过的丹尼索瓦人DNA联系了起来。进一步的研究还将牙垢中的蛋白质与其他丹尼索瓦人化石进行了匹配，最终确认这具拥有厚重眉脊、粗壮骨骼和有力下颌的头骨属于一名丹尼索瓦人。
既然“龙人”的身份已被揭示，研究人员将能更容易地根据骨骼和牙齿的形状来识别其他丹尼索瓦人。发现更多个体可能有助于解决一个持续已久的争论：这些神秘的古人类究竟是智人的一个亚种，还是一个独立的物种？
大语言模型助力科学研究
Celina Zhao
2020年，谷歌DeepMind推出蛋白质结构预测模型AlphaFold2，颠覆了人们对人工智能在科学领域所能实现目标的预期。该成果曾被Science评为2021年度科学突破，其研发团队随后于2024年获得诺贝尔化学奖。彼时，几乎无人预见，那些基于数万亿词元训练、最初仅以生成类人文本为优化目标的通用大型语言模型（LLM），能够在科学任务中取得类似成就。然而今年以来，LLM在多个科学领域中展现出相当于博士水平的敏锐性和分析能力。
在数学领域，DeepMind采用其先进版本的Gemini大语言模型，在国际数学奥林匹克竞赛中斩获金牌。与此同时，OpenAI开发的GPT-5在组合数学的数论和图论等长期未解的数学难题上取得了原创性突破，这些问题已困扰数学界数十年之久。
LLM不仅在测试中表现出色，还加速了科学发现进程。在化学领域，Meta公司的Llama大语言模型的一个微调版本仅通过15次实验就确定了一种此前未被报道的复杂反应的最佳条件，为研究人员节省了数百次实验。
在生物学领域，谷歌开发的“代理型”人工智能协作系统从现有药物中成功筛选出治疗肝纤维化的新候选药物，并在两天内复现了细菌中DNA寄生传播的关键机制——这一成果若由研究人员独立完成，往往需要耗费数年时间。
然而，并非所有实验均取得预期成果。在雄心勃勃的“Agents4-Science”项目中，大型语言模型被应用于提出科学假设、分析实验数据以及执行首轮同行评审，但该尝试引发了众多研究人员对人工智能的质疑——其是否能够以足够严谨的方式设计与评估科学问题。
尽管如此，大型语言模型所取得的关键突破仍为“人工智能赋能科学研究”的发展浪潮奠定了基础。科技巨头与投资者已向Periodic Labs、Lila Sciences及OpenAI for Science等衍生企业投入数亿美元资金。随着人工智能技术开始自主推动下一代大型语言模型的迭代优化，其发展潜力日益显现，未来前景愈发难以估量。
计算的突破助力揭示粒子物理新进展
Adrian Cho
数十年来，粒子物理学家始终致力于寻找能够挑战主流理论——即标准模型——的现象。然而，今年6月，一项长期开展的实验公布结果表明，与此前推测相反，一种名为μ子的基本粒子其磁性并未超出标准模型的预测范围。尽管这一发现意味着最被寄予厚望的新物理迹象可能不复存在，但在表面失望的背后却蕴藏着一项重要成就：理论物理学家首次成功运用格点规范理论这一数值方法，从第一性原理出发实现了对μ子磁性的高精度计算。
μ子是电子的一种更重且不稳定的“表亲”。根据量子场论，真空中会不断出现并迅速湮灭的“虚拟粒子”，这些瞬态粒子会对μ子的磁矩产生微小修正，该效应以g-2因子表示。若这些虚拟粒子中包含标准模型之外的新粒子，则可能导致μ子磁性偏离理论预期。自2000年起，美国布鲁克海文国家实验室及后续费米实验室开展的“μ子g-2”实验持续观测到μ子磁性比标准模型预测值高出约百万分之0.4（即4×10⁻⁹），引发广泛关注。
然而，准确预测μ子g-2值极具挑战性，尤其在于如何精确处理夸克和胶子通过强相互作用所产生的贡献。由于强相互作用在低能区表现出非微扰特性，传统解析方法难以适用。2020年，“μ子g-2理论倡议”合作组曾依赖来自粒子对撞机实验的数据间接估算此类贡献，但当时可用数据之间仍存在显著分歧。
作为替代路径，理论研究者可借助超级计算机，采用格点规范理论进行第一性原理计算。该方法通过将四维时空离散化为晶格结构，从而实现对量子色动力学方程的数值求解。近年来，随着计算能力的提升以及算法优化、格点间距控制和边界条件处理等技术的进步，基于格点的计算精度已达到与实验数据驱动方法相当的水平。2024年5月，“μ子g-2理论倡议”正式采纳格点计算结果更新其理论预测。修订后的理论值高于以往估计，并与费米实验室近期发布的最终实验测量结果高度一致。
这一理论与实验的一致性不仅标志着格点规范理论在强相互作用体系计算中的重大突破，也凸显了计算物理学在现代基础科学研究中的关键作用。尽管这暂时削弱了存在超越标准模型新物理的证据强度，但它展示了人类从基本原理出发理解自然规律的能力正日益增强。
μ子g-2实验于2023年在费米实验室完成了最后一次数据采集
异种移植实现历史性突破
Jon Cohen
在过去一个世纪中，异种移植（即将动物器官移植至人体）的研究长期伴随过度宣传及部分科学依据不足的尝试，其进展缓慢且充满争议。然而，2024年，随着基因编辑技术的进步，特别是经基因工程改造的猪作为供体的应用，该领域取得了显著突破。这些转基因猪的组织经过优化，免疫原性显著降低，因而更不易引发受体免疫系统的强烈排斥反应，为缓解人类器官严重短缺问题提供了新的可行路径。
最引人注目的是，一名来自新罕布什尔州的患者，其体内植入的猪肾在经历69处基因编辑后持续发挥功能近九个月，直至10月才出现功能衰竭。这一存活时间仅略短于此前由黑猩猩肾脏创下的历史最长记录——该记录于1964年实现，但鉴于黑猩猩属于濒危物种且伦理争议巨大，现已不再被视为合适的器官供体来源。与此同时，在中国开展的一项临床研究中，一名女性患者接受了仅经过6处基因编辑的猪肾移植，其器官功能维持时间也接近九个月，几乎与前述病例相当。
目前，已有两家领先的生物技术公司获得美国FDA批准，启动首批真正意义上的异种移植临床试验。此举标志着该技术从实验阶段迈向规范化临床应用的关键一步，也是未来获得全面监管许可的重要前提。
尽管如此，供体猪仍需进行额外的基因修饰以延长移植器官的存活时间，具体改造方案尚待明确。科研团队正致力于研发更安全、更有效的免疫排斥抑制药物。部分研究者尝试通过创新策略诱导免疫耐受——例如将猪的胸腺与肾脏共同移植——从而完全规避免疫抑制剂的使用。尽管仍需突破诸多障碍，但今年取得的成果无疑使异种移植技术更接近实现。
一名外科医生手持一颗准备移植到人体内的基因编辑猪肾
耐热水稻
Erik Stokstad
作物在有充足水分的情况下能够抵御热浪的烈日，但闷热也可能带来严重问题。今年，中国研究人员发现了一种基因，它能帮助水稻抵御高温带来的两种影响：产量降低和谷粒质量变差。
过去十年间，该团队在中国一些温度较高的地区种植了533种水稻。通过杂交表现最佳的水稻品种，他们确定了12号染色体上的一个关键基因，将其命名为QT12，意为“耐热优质”。
在高温表现不佳的品种具有QT12的一种变异体（等位基因），这种等位基因在高温时会被激活，导致贮藏物质排列紊乱。该团队4月在《细胞》杂志上报告称，QT12激活导致谷粒变得粉质、易碎，口感不佳。但具有在温度升高时不被激活的QT12等位基因的品种能保持良好的谷粒质量。
当研究人员将这种保护性等位基因引入名为“华占”的商业水稻品种时，发现其在高温环境下比当前的“华占”品种增产高达78%，且垩白粒的比例更低。他们还表明，通过基因编辑使QT12失活，在一种研究用水稻品种中也产生了类似的益处。
研究人员发现，生长在较冷地区且在高温下表现不佳的粳稻亚种水稻品种可能尤其能从QT12的保护性等位基因中获益。粳稻不携带该等位基因，但可以通过常规育种方式添加。他们建议，其他谷类作物，如小麦和玉米，也可以配备类似的基因，以抵御即将到来的更炎热的气候。
为躲避当地日益加剧的夏季高温，越南稻农选择在夜间插秧
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一审：冯晨，二审：平静波，三审：杨保华