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嫦娥六號帶回世界首份月背樣品、光子的分數量子反常霍爾態首次實現、自研水冷磁體創造世界紀錄……回望2024年，我國科學家面向世界科技前沿攻堅克難，留下了一個個閃亮的中國足跡。

這一年，廣大科技工作者推動科學研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發力，不斷突破人類認知邊界，為加快實現高水平科技自立自強勇立新功。

愛因斯坦探針衛星成功發射

獲得首張全天X射線天圖

1月9日15時03分，我國在西昌衛星發射中心使用長征二號丙運載火箭，將愛因斯坦探針衛星發射升空，衛星順利進入預定軌道，發射任務獲得圓滿成功。這是繼“悟空”“墨子號”“慧眼”“實踐十號”“太極一號”“懷柔一號”“夸父一號”之后，中國科學院空間科學先導專項研制發射的又一顆空間科學衛星。

▲ 愛因斯坦探針衛星（“天關”衛星）獲得的首個X 射線全天天圖（銀道坐標系）

愛因斯坦探針衛星是我國首顆大視場X射線天文衛星。它主要在軟X射線波段開展高靈敏度實時動態巡天監測，系統性地發現宇宙高能暫現和劇變天體，監測已知天體的活動性，探究其本質和物理過程。

發射成功3個多月后，衛星首批在軌科學探測圖像發布。這批圖像包括寬視場X射線望遠鏡指向銀河系中心的觀測圖像、寬視場X射線望遠鏡首次報告的暫現源圖像、后隨X射線望遠鏡對蟹狀星云的觀測圖像以及后隨X射線望遠鏡對梅西耶87橢圓星系的觀測圖像等。

10月31日，中國科學院舉辦愛因斯坦探針衛星成果發布會。科技日報記者從會上獲悉，自1月9日成功發射以來，該衛星探測到多種類型的暫現天體，并捕捉到幾例可能的新類型暫現源，成功獲取了由我國自主研制設備觀測到的首張全天X射線天圖。

當天，中國科學院還舉行了愛因斯坦探針衛星在軌交付儀式，并正式將該衛星命名為“天關”衛星。“‘天關’一詞源于我國北宋至和元年司天監觀測并記錄的‘天關客星’超新星爆發。將衛星命名為‘天關’，體現了我國在超新星爆發觀測記錄方面的深厚淵源和對世界天文學的卓越貢獻。”中國科學院國家天文臺研究員、“天關”衛星首席科學家袁為民說。

葉綠體基因“轉錄機器”構造破解

補上細胞“CPU”最后一塊拼圖

破解葉綠體基因“轉錄機器”的構造，是科學界公認的世界性難題。中國科學院分子植物科學卓越創新中心張余團隊和華中農業大學周菲團隊聯手破解了這一難題。他們成功解析葉綠體基因“轉錄機器”的冷凍電鏡結構，揭示了葉綠體基因“轉錄機器”的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”。北京時間3月1日，該成果以封面文章的形式在線發表于《細胞》。

▲ 《細胞》封面展示的葉綠體PEP復雜構造。受訪單位供圖

RNA聚合酶是細胞中的“中央處理器（CPU）”，它們“讀取”細胞“硬盤”DNA，然后輸出各種生命“操作”。科學家發現三域（真細菌域、古細菌域和真核生物域）生物有9類基因“轉錄機器”，其中8類的結構機制被成功破解，葉綠體基因組內的細菌型質體編碼RNA聚合酶（PEP）成為最后一塊未被解析的“CPU”拼圖。

張余團隊與合作者利用葉綠體轉化技術，在煙草葉綠體基因“轉錄機器”上引入特征性的“捕獲標簽”，通過純化煙草內源的葉綠體基因“轉錄機器”，并利用單顆粒冷凍電鏡技術，最終揭開了葉綠體基因“轉錄機器”的真面目。

國際同行認為，這項研究為進一步探索葉綠體基因“轉錄機器”工作模式、理解葉綠體基因表達調控方式、改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。該研究在合成生物學應用方面也有廣闊應用前景，為植物葉綠體生物反應器的效率提升提供了著手點；同時，還為光合作用系統基因表達水平的提高提供了新思路，有望助力植物實現高效碳匯。

光子的分數量子反常霍爾態首次實現

有望助推“第二次量子革命”

量子模擬實驗有了重大突破。5月6日，中國科學院在京召開新聞發布會宣布，利用“自底而上”的量子模擬方法，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉團隊在國際上首次實現光子的分數量子反常霍爾態，為高效開展更多、更新奇的量子物態研究提供了新路徑。相關論文發表于《科學》。

▲成果示意圖。16個非線性“光子盒”陣列囚禁的微波光子強相互作用形成分數量子反常霍爾態（注：“光子盒”的名字最早來自1930年愛因斯坦和波爾爭論中提出的思想實驗）。

霍爾效應是指當電流通過置于磁場中的材料時，電子受到洛倫茲力的作用，在材料內部產生垂直于電流和磁場方向的電壓。這個效應由美國科學家霍爾在1879年發現，并被廣泛應用于電磁感測領域。反常霍爾效應是指在沒有外部磁場的情況下觀測到相關效應。

分數量子反常霍爾效應備受學術界關注，處于分數量子反常霍爾態的物質具有重要的觀測研究價值。傳統研究采用的是“自頂而下”的方法，研究者從已經存在的材料出發，利用其固有結構和性質來實現量子霍爾態。而“自底而上”的方法則是人工構建量子系統，從最基本的組件開始逐步搭建出所需的復雜結構。潘建偉團隊利用“自底而上”的方式，基于自主研發的超導高非簡諧性光學諧振器陣列，實現了光子間的非線性相互作用，并進一步在此系統中構建出作用于光子的等效磁場以構造人工規范場，從而實現了光子的分數量子反常霍爾態，為開展量子領域相關研究提供了優質的研究平臺，有望助力推進“第二次量子革命”。

諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克對這項研究給予高度評價。他說：“這種‘自底而上’的途徑是一個‘非常有前途的想法’，這是一個令人印象深刻的實驗，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步。”

六角冰有了原子級分辨圖

刷新對冰結構及預融化機制認知

冰表面長啥樣？原子級分辨圖像揭曉答案。利用自主研發的國產qPlus型掃描探針顯微鏡，北京大學教授江穎、徐莉梅及中國科學院院士王恩哥聯合研究團隊首次獲得了六角冰（自然界最常見的冰）表面的原子級分辨圖像。相關論文5月22日發表于《自然》。

冰是由水分子按照不同方式堆疊而成的晶體，其中最常見的是形成六角冰（Ih）的六角堆疊方式。在這種堆疊方式中，兩個水分子相互連接形成六邊形，進而拼接成一個平面，不同平面間的分子通過氫鍵連接。過去，科學家認為在常規條件下，冰表面只存在這一種堆疊方式。

此次，qPlus型掃描探針顯微鏡展現的景象卻出乎預料。“我們看到在六角冰表面不僅有六角堆疊方式，還有立方堆疊方式。這兩種結構互相連接，形成了穩定的冰表面。”江穎說，這是人類首次在冰表面觀察到這種堆疊方式。

同時，研究團隊還發現，在-153℃左右，這兩種堆垛才會形成規則的三角晶格，處于真正的晶體狀態。隨著溫度升高，三角晶格會越來越不規則，最后變成無序狀態。在0℃以下，甚至-100℃時，冰已經開始融化。王恩哥認為，這項研究刷新了長期以來人們對冰表面結構和預融化機制的傳統認知，為冰科學研究打開了新的原子尺度視角。

《自然》雜志審稿人評價，該發現將對大氣科學、材料科學等多個領域產生深遠影響。

嫦娥六號帶回世界首份月背樣品

提供月球早期演化研究一手資料

6月25日，攜帶著“月背土特產”的嫦娥六號返回器載譽歸來，在內蒙古四子王旗預定區域安全著陸，標志著人類航天器首次月背采樣返回任務圓滿完成。

6月28日，國家航天局在京舉行探月工程嫦娥六號任務月球樣品交接儀式。經初步測算，嫦娥六號任務采集月球背面樣品1935.3克。這些珍貴的月背樣品，不僅填補了月球背面研究的歷史空白，更為研究月球早期演化提供了一手資料，也為理解月球背面與正面地質差異開辟了新視角。

嫦娥六號探測器由軌道器、著陸器、上升器、返回器組成。嫦娥六號探測器副總設計師李天義介紹，軌道器主要負責“去”，飛到月球背面去和返回地球；著陸器主要負責“下”，落到月球背面預選區域并進行樣品采集；上升器主要負責“上”，攜帶采集的樣品從月球背面飛起來；返回器主要負責“回”，攜帶月壤返回地球。

嫦娥六號任務自發射后歷經53天，11個飛行階段，突破了月球逆行軌道設計與控制、月背智能快速采樣、月背起飛上升等關鍵技術，并搭載4臺國際載荷，開展了務實高效的國際合作。

9月17日，我國科學家在《國家科學評論》發表嫦娥六號返回樣品的首篇研究論文，闡述了返回樣品的物理、礦物和地球化學特征。

▲科研人員在月球樣品實驗室展示嫦娥六號月球樣品。新華社記者 金立旺 攝

以RNA為媒介的基因精準寫入實現

助力創新腫瘤等疾病治療方法

基因編輯技術是面向未來的技術，以CRISPR為代表的基因編輯技術，基本實現了對基因的“單個修改”，即單堿基和短序列尺度的精準編輯。那么，能不能發明一種新的基因編輯技術，實現大片段基因的精準整合？

▲開發全RNA介導的、高效精準的哺乳動物細胞大片段功能基因寫入工具

來自中國科學院動物研究所的生物學家，開發了一種具有自主知識產權的基因編輯新技術，首次實現以RNA為媒介的基因精準寫入，為新一代基因療法的發展提供基礎。相關論文7月8日發表于《細胞》。

基因工程技術是現代生物技術發展的前沿，有廣泛應用。“如何針對應用場景的需求，實現大片段基因尺度的DNA在基因組的高效精準整合，仍然是整個基因工程領域亟須突破的難題。”論文共同通訊作者、中國科學院動物研究所研究員李偉說。

在這項研究中，科研人員基于自然界存在的R2逆轉座系統，結合基因組數據挖掘和大分子工程改造等手段，開發了以RNA為媒介進行大片段基因精準寫入的R2逆轉座子工具。該工具能夠在多種哺乳動物細胞中實現大片段基因高效精準整合，成功實現了以RNA為媒介的功能基因在多種哺乳動物基因組的精準寫入。

這一突破，意味著人們可以通過外源功能基因的精準寫入，來干預涵蓋不同位點多種突變譜的基因所導致的遺傳缺陷等疾病。該技術有望為遺傳病、腫瘤等疾病的治療帶來更高效、更安全、更低成本的全新治療方式。

三千年來中原人群“一脈相承”獲證實

擴展中華文明演化研究的遺傳學視角

來自廈門大學等單位的科研人員，成功提取了從西周、春秋、唐代至明清時期中原地區的38個古人基因組并完成了測序工作，系統論證了3000年來中原地區人群遺傳穩定性。相關論文7月發表于《科學通報》。

在這項研究中，科研人員將新測序的中原古人樣本與之前已發表的中原新石器時代古人、現代河南漢族基因組數據合并在一起，開展跨時間尺度下的群體遺傳學分析。

研究發現，自新石器時代晚期以來，中原地區未出現明顯的人群遺傳結構改變，未受到印歐、匈奴和鮮卑等人群的顯著影響，人群遺傳呈現相對穩定性。研究中發現的唯一遺傳離群值是一個可以追溯到明清時期的個體，該個體遺傳特征與一些現代中國南方少數民族人群相對同質。鑒于所有古代中原樣本和今天生活在中原的漢族人群都沒有表現出如此高比例的東亞南方血統，研究人員認為該離群個體不太可能代表明清時期中原地區的主要遺傳譜系，更可能是來自華南的移民，比如歷史上清政府曾派遣大批被稱為“閩營”的福建軍民到中原進行開墾。

這項研究填補了中原人群3000年來古基因組數據的空白，拓展了對中原人群歷史的認識，為探索中華民族的形成以及中華文明的演化提供了遺傳學視角。

首次在月壤中發現分子水

打開月球資源開發利用新可能

月球上是否存在水，對月球演化研究和資源開發至關重要。7月23日，記者從中國科學院物理研究所獲悉，基于嫦娥五號月球樣品，我國科研人員發現了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體——六水氯化鎂銨。這一發現標志著首次在月壤中發現了分子水，同時揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式，這為未來月球資源的開發和利用提供了新的可能性。相關論文在線發表于《自然·天文學》。

▲ 月球表面含水礦物形成效果圖。中國科學院物理研究所供圖

在這項研究中，科研人員對嫦娥五號月球樣品進行了精細的單晶衍射和化學分析，在其中發現了一種富含水分子和銨的透明礦物晶體，水分子的質量占該礦物總質量的41%。科研人員還分析了該礦物的同位素成分和形成條件。結果表明，該礦物的氯同位素組成和月球樣品相近，不是來自地球污染或火箭尾氣。

“這種富水礦物的發現為我們揭示了月球上水分子存在的一種形式——水合鹽。與易揮發的水冰不同，這種水合物在月球高緯度地區非常穩定。”論文共同第一作者、中國科學院物理研究所副研究員金士鋒說，這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區，也可能存在這種穩定的水合鹽。

自研水冷磁體創造世界紀錄

為探索新現象提供強大實驗條件

9月22日，安徽合肥傳來好消息：中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心自主研制的水冷磁體成功產生42.02萬高斯的穩態磁場，打破了2017年美國國家強磁場實驗室水冷磁體創造的41.4萬高斯的世界紀錄，成為國際強磁場水冷磁體技術發展新的里程碑。地球磁場約為0.5高斯，42.02萬高斯相當于地球磁場的80多萬倍。

▲ 穩態強磁場42.02萬高斯水冷磁體

穩態強磁場磁體分為三種類型：水冷磁體、超導磁體、由水冷磁體和超導磁體組合的混合磁體。水冷磁體是科學家最早使用的磁體類型，磁場調控靈活快捷，且具有能夠產生磁場強度迄今遠高于超導磁體的優勢，為物質科學研究提供了可靠和高效的實驗條件。

強磁場科學中心學術主任、研究員匡光力將穩態強磁場技術的發展形象地比作乒乓球賽場上的競技，“水冷磁體、超導磁體都是‘單打高手’，混合磁體是‘混雙組合’，2022年我們曾以綜合優勢獲得‘混雙冠軍’，今天我們又有了新突破，拿下一項‘單打冠軍’”。

穩態強磁場是開展物質科學前沿研究所需的一種極端實驗條件，是推動重大科學發現的“利器”，強磁場技術已成為國際科技競爭的重要領域。這一磁體的成功研制，將為科學家探索新現象、揭示新規律提供強大的實驗條件，也將為我國建設更高場強的穩態磁體打下關鍵技術基礎。

豬腎移植獼猴體內存活184天

取得異種器官移植重大突破

11月29日，記者從華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院獲悉，該院器官移植研究所教授陳剛團隊在異種器官移植領域取得重大突破。團隊首次在國內實現將基因編輯豬腎移植至獼猴體內，最終移植腎成功存活超過半年。這標志著我國異種移植研究邁出關鍵一步。

在解決移植器官短缺的問題上，醫學界一直在探索將動物器官用作移植來源。然而，異種器官移植常出現難以完全避免的免疫排斥反應及微血栓形成問題。以基因編輯豬作為器官供體，實施異種移植，已成為前沿生物技術研究的重點方向。

據了解，陳剛團隊近5年集中實施了20余例新型基因編輯豬到獼猴的腎移植動物實驗。今年5月10日，在經過動物實驗的倫理批準后，他們以一頭基因編輯豬為供體，將單個豬腎移植給獼猴，最終移植腎在獼猴體內存活184天。

移植后5個月內，獼猴移植的豬腎功能完全正常，各項生理指標也基本正常，之后出現逐漸加重的蛋白尿，病理分析證實其發生了新生異種抗體介導的慢性排斥反應。

陳剛表示，接下來團隊將繼續致力于開發更有效的手段，來減少或消除排斥反應的發生，以期早日實現臨床應用的目標。這項成就不僅代表著中國科研人員在國際生物醫學前沿取得重要進展，也為解決全球范圍內器官短缺難題帶來新希望。

來源：科技日報（2024年12月23日 第05版 前沿）

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