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嫦娥六號帶回世界首份月背樣品、光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)首次實現(xiàn)、自研水冷磁體創(chuàng)造世界紀錄……回望2024年，我國科學(xué)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(xué)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(fā)力，不斷突破人類認知邊界，為加快實現(xiàn)高水平科技自立自強勇立新功。

愛因斯坦探針衛(wèi)星成功發(fā)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(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運載火箭，將愛因斯坦探針衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)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(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項研制發(fā)射的又一顆空間科學(xué)衛(wèi)星。

▲ 愛因斯坦探針衛(wèi)星（“天關(guān)”衛(wèi)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(wèi)星是我國首顆大視場X射線天文衛(wèi)星。它主要在軟X射線波段開展高靈敏度實時動態(tài)巡天監(jiān)測，系統(tǒng)性地發(fā)現(xiàn)宇宙高能暫現(xiàn)和劇變天體，監(jiān)測已知天體的活動性，探究其本質(zhì)和物理過程。

發(fā)射成功3個多月后，衛(wèi)星首批在軌科學(xué)探測圖像發(fā)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(xiàn)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(xué)院舉辦愛因斯坦探針衛(wèi)星成果發(fā)布會。科技日報記者從會上獲悉，自1月9日成功發(fā)射以來，該衛(wèi)星探測到多種類型的暫現(xiàn)天體，并捕捉到幾例可能的新類型暫現(xiàn)源，成功獲取了由我國自主研制設(shè)備觀測到的首張全天X射線天圖。

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

葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機器”構(gòu)造破解

補上細胞“CPU”最后一塊拼圖

破解葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機器”的構(gòu)造，是科學(xué)界公認的世界性難題。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余團隊和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲團隊聯(lián)手破解了這一難題。他們成功解析葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機器”的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了葉綠體基因“轉(zhuǎn)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(fā)表于《細胞》。

▲ 《細胞》封面展示的葉綠體PEP復(fù)雜構(gòu)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(xué)家發(fā)現(xiàn)三域（真細菌域、古細菌域和真核生物域）生物有9類基因“轉(zhuǎn)錄機器”，其中8類的結(jié)構(gòu)機制被成功破解，葉綠體基因組內(nèi)的細菌型質(zhì)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(zhuǎn)化技術(shù)，在煙草葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機器”上引入特征性的“捕獲標簽”，通過純化煙草內(nèi)源的葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機器”，并利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，最終揭開了葉綠體基因“轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄機器”工作模式、理解葉綠體基因表達調(diào)控方式、改造葉綠體基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)打下了基礎(chǔ)。該研究在合成生物學(xué)應(yīng)用方面也有廣闊應(yīng)用前景，為植物葉綠體生物反應(yīng)器的效率提升提供了著手點；同時，還為光合作用系統(tǒng)基因表達水平的提高提供了新思路，有望助力植物實現(xiàn)高效碳匯。

光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)首次實現(xiàn)

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(xué)院在京召開新聞發(fā)布會宣布，利用“自底而上”的量子模擬方法，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團隊在國際上首次實現(xiàn)光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)，為高效開展更多、更新奇的量子物態(tài)研究提供了新路徑。相關(guān)論文發(fā)表于《科學(xué)》。

▲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(shù)量子反?；魻枒B(tài)（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(yīng)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(nèi)部產(chǎn)生垂直于電流和磁場方向的電壓。這個效應(yīng)由美國科學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)，并被廣泛應(yīng)用于電磁感測領(lǐng)域。反常霍爾效應(yīng)是指在沒有外部磁場的情況下觀測到相關(guān)效應(yīng)。

分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)備受學(xué)術(shù)界關(guān)注，處于分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)的物質(zhì)具有重要的觀測研究價值。傳統(tǒng)研究采用的是“自頂而下”的方法，研究者從已經(jīng)存在的材料出發(fā)，利用其固有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來實現(xiàn)量子霍爾態(tài)。而“自底而上”的方法則是人工構(gòu)建量子系統(tǒng)，從最基本的組件開始逐步搭建出所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。潘建偉團隊利用“自底而上”的方式，基于自主研發(fā)的超導(dǎo)高非簡諧性光學(xué)諧振器陣列，實現(xiàn)了光子間的非線性相互作用，并進一步在此系統(tǒng)中構(gòu)建出作用于光子的等效磁場以構(gòu)造人工規(guī)范場，從而實現(xiàn)了光子的分數(shù)量子反?；魻枒B(tài)，為開展量子領(lǐng)域相關(guān)研究提供了優(yōu)質(zhì)的研究平臺，有望助力推進“第二次量子革命”。

諾貝爾物理學(xué)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(jié)構(gòu)及預(yù)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(fā)的國產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，北京大學(xué)教授江穎、徐莉梅及中國科學(xué)院院士王恩哥聯(lián)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(guān)論文5月22日發(fā)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(xué)家認為在常規(guī)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(xiàn)的景象卻出乎預(yù)料?！拔覀兛吹皆诹潜砻娌粌H有六角堆疊方式，還有立方堆疊方式。這兩種結(jié)構(gòu)互相連接，形成了穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，在-153℃左右，這兩種堆垛才會形成規(guī)則的三角晶格，處于真正的晶體狀態(tài)。隨著溫度升高，三角晶格會越來越不規(guī)則，最后變成無序狀態(tài)。在0℃以下，甚至-100℃時，冰已經(jīng)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(jié)構(gòu)和預(yù)融化機制的傳統(tǒng)認知，為冰科學(xué)研究打開了新的原子尺度視角。

《自然》雜志審稿人評價，該發(fā)現(xiàn)將對大氣科學(xué)、材料科學(xué)等多個領(lǐng)域產(chǎn)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(chǎn)”的嫦娥六號返回器載譽歸來，在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸，標志著人類航天器首次月背采樣返回任務(wù)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(wù)月球樣品交接儀式。經(jīng)初步測算，嫦娥六號任務(wù)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(zhì)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(shè)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(yù)選區(qū)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(wù)自發(fā)射后歷經(jīng)53天，11個飛行階段，突破了月球逆行軌道設(shè)計與控制、月背智能快速采樣、月背起飛上升等關(guān)鍵技術(shù)，并搭載4臺國際載荷，開展了務(wù)實高效的國際合作。

9月17日，我國科學(xué)家在《國家科學(xué)評論》發(fā)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(xué)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(xiàn)

助力創(chuàng)新腫瘤等疾病治療方法

基因編輯技術(shù)是面向未來的技術(shù)，以CRISPR為代表的基因編輯技術(shù)，基本實現(xiàn)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(fā)明一種新的基因編輯技術(shù)，實現(xiàn)大片段基因的精準整合？

▲開發(fā)全RNA介導(dǎo)的、高效精準的哺乳動物細胞大片段功能基因?qū)懭牍ぞ?/p>

來自中國科學(xué)院動物研究所的生物學(xué)家，開發(fā)了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因編輯新技術(shù)，首次實現(xiàn)以RNA為媒介的基因精準寫入，為新一代基因療法的發(fā)展提供基礎(chǔ)。相關(guān)論文7月8日發(fā)表于《細胞》。

基因工程技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展的前沿，有廣泛應(yīng)用?！叭绾吾槍?yīng)用場景的需求，實現(xiàn)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(lǐng)域亟須突破的難題?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)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(zhuǎn)座系統(tǒng)，結(jié)合基因組數(shù)據(jù)挖掘和大分子工程改造等手段，開發(fā)了以RNA為媒介進行大片段基因精準寫入的R2逆轉(zhuǎn)座子工具。該工具能夠在多種哺乳動物細胞中實現(xiàn)大片段基因高效精準整合，成功實現(xiàn)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(yù)涵蓋不同位點多種突變譜的基因所導(dǎo)致的遺傳缺陷等疾病。該技術(shù)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(xué)視角

來自廈門大學(xué)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(qū)的38個古人基因組并完成了測序工作，系統(tǒng)論證了3000年來中原地區(qū)人群遺傳穩(wěn)定性。相關(guān)論文7月發(fā)表于《科學(xué)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(fā)表的中原新石器時代古人、現(xiàn)代河南漢族基因組數(shù)據(jù)合并在一起，開展跨時間尺度下的群體遺傳學(xué)分析。

研究發(fā)現(xiàn)，自新石器時代晚期以來，中原地區(qū)未出現(xiàn)明顯的人群遺傳結(jié)構(gòu)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(xiàn)相對穩(wěn)定性。研究中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)代中國南方少數(shù)民族人群相對同質(zhì)。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(xiàn)出如此高比例的東亞南方血統(tǒng)，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(qū)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(shù)據(jù)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(xué)視角。

首次在月壤中發(fā)現(xiàn)分子水

打開月球資源開發(fā)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(fā)至關(guān)重要。7月23日，記者從中國科學(xué)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)標志著首次在月壤中發(fā)現(xiàn)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(fā)和利用提供了新的可能性。相關(guān)論文在線發(fā)表于《自然·天文學(xué)》。

▲ 月球表面含水礦物形成效果圖。中國科學(xué)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(xué)分析，在其中發(fā)現(xiàn)了一種富含水分子和銨的透明礦物晶體，水分子的質(zhì)量占該礦物總質(zhì)量的41%?？蒲腥藛T還分析了該礦物的同位素成分和形成條件。結(jié)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(fā)現(xiàn)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(fā)的水冰不同，這種水合物在月球高緯度地區(qū)非常穩(wěn)定?！闭撐墓餐谝蛔髡?、中國科學(xué)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(qū)，也可能存在這種穩(wěn)定的水合鹽。

自研水冷磁體創(chuàng)造世界紀錄

為探索新現(xiàn)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(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心自主研制的水冷磁體成功產(chǎn)生42.02萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場，打破了2017年美國國家強磁場實驗室水冷磁體創(chuàng)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(shù)發(fā)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(wěn)態(tài)強磁場42.02萬高斯水冷磁體

穩(wěn)態(tài)強磁場磁體分為三種類型：水冷磁體、超導(dǎo)磁體、由水冷磁體和超導(dǎo)磁體組合的混合磁體。水冷磁體是科學(xué)家最早使用的磁體類型，磁場調(diào)控靈活快捷，且具有能夠產(chǎn)生磁場強度迄今遠高于超導(dǎo)磁體的優(yōu)勢，為物質(zhì)科學(xué)研究提供了可靠和高效的實驗條件。

強磁場科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任、研究員匡光力將穩(wěn)態(tài)強磁場技術(shù)的發(fā)展形象地比作乒乓球賽場上的競技，“水冷磁體、超導(dǎo)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(yōu)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(wěn)態(tài)強磁場是開展物質(zhì)科學(xué)前沿研究所需的一種極端實驗條件，是推動重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的“利器”，強磁場技術(shù)已成為國際科技競爭的重要領(lǐng)域。這一磁體的成功研制，將為科學(xué)家探索新現(xiàn)象、揭示新規(guī)律提供強大的實驗條件，也將為我國建設(shè)更高場強的穩(wěn)態(tài)磁體打下關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

豬腎移植獼猴體內(nèi)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(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)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(lǐng)域取得重大突破。團隊首次在國內(nèi)實現(xiàn)將基因編輯豬腎移植至獼猴體內(nèi)，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(guān)鍵一步。

在解決移植器官短缺的問題上，醫(yī)學(xué)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(xiàn)難以完全避免的免疫排斥反應(yīng)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(shù)研究的重點方向。

據(jù)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(jīng)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(nèi)存活184天。

移植后5個月內(nèi)，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(xiàn)逐漸加重的蛋白尿，病理分析證實其發(fā)生了新生異種抗體介導(dǎo)的慢性排斥反應(yīng)。

陳剛表示，接下來團隊將繼續(xù)致力于開發(fā)更有效的手段，來減少或消除排斥反應(yīng)的發(fā)生，以期早日實現(xiàn)臨床應(yīng)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(yī)學(xué)前沿取得重要進展，也為解決全球范圍內(nèi)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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