科技日報(bào)記者 陸成寬
嫦娥六號帶回世界首份月背樣品、光子的分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)首次實(shí)現(xiàn)、自研水冷磁體創(chuàng)造世界紀(jì)錄……回望2024年，我國科學(xué)家面向世界科技前沿攻堅(jiān)克難，留下了一個(gè)個(gè)閃亮的中國足跡。
這一年，廣大科技工作者推動(dòng)科學(xué)研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進(jìn)、向極綜合交叉發(fā)力，不斷突破人類認(rèn)知邊界，為加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)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(shí)03分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運(yùn)載火箭，將愛因斯坦探針衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)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(shí)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(xiàng)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(shí)時(shí)動(dòng)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(dòng)性，探究其本質(zhì)和物理過程。
發(fā)射成功3個(gè)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(yuǎn)鏡指向銀河系中心的觀測圖像、寬視場X射線望遠(yuǎn)鏡首次報(bào)告的暫現(xiàn)源圖像、后隨X射線望遠(yuǎn)鏡對蟹狀星云的觀測圖像以及后隨X射線望遠(yuǎn)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?？萍既請?bào)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(dāng)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(xiàn)?！敝袊茖W(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(jī)器”構(gòu)造破解
補(bǔ)上細(xì)胞“CPU”最后一塊拼圖
破解葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機(jī)器”的構(gòu)造，是科學(xué)界公認(rèn)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(tuán)隊(duì)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周菲團(tuán)隊(duì)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(jī)器”的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機(jī)器”的“裝配部件”“裝配模式”和“功能模塊”。北京時(shí)間3月1日，該成果以封面文章的形式在線發(fā)表于《細(xì)胞》。
RNA聚合酶是細(xì)胞中的“中央處理器（CPU）”，它們“讀取”細(xì)胞“硬盤”DNA，然后輸出各種生命“操作”?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)三域（真細(xì)菌域、古細(xì)菌域和真核生物域）生物有9類基因“轉(zhuǎn)錄機(jī)器”，其中8類的結(jié)構(gòu)機(jī)制被成功破解，葉綠體基因組內(nèi)的細(xì)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(tuán)隊(duì)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(jī)器”上引入特征性的“捕獲標(biāo)簽”，通過純化煙草內(nèi)源的葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機(jī)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(jī)器”的真面目。
國際同行認(rèn)為，這項(xiàng)研究為進(jìn)一步探索葉綠體基因“轉(zhuǎn)錄機(jī)器”工作模式、理解葉綠體基因表達(dá)調(diào)控方式、改造葉綠體基因表達(dá)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(diǎn)；同時(shí)，還為光合作用系統(tǒng)基因表達(dá)水平的提高提供了新思路，有望助力植物實(shí)現(xiàn)高效碳匯。
光子的分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)首次實(shí)現(xiàn)
有望助推“第二次量子革命”
量子模擬實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?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)》。
霍爾效應(yīng)是指當(dāng)電流通過置于磁場中的材料時(shí)，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(gè)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?；魻栃?yīng)是指在沒有外部磁場的情況下觀測到相關(guān)效應(yīng)。
分?jǐn)?shù)量子反?；魻栃?yīng)備受學(xué)術(shù)界關(guān)注，處于分?jǐn)?shù)量子反?；魻枒B(tài)的物質(zhì)具有重要的觀測研究價(jià)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了光子間的非線性相互作用，并進(jìn)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(shí)現(xiàn)了光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(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(jìn)“第二次量子革命”。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克對這項(xiàng)研究給予高度評價(jià)。他說：“這種‘自底而上’的途徑是一個(gè)‘非常有前途的想法’，這是一個(gè)令人印象深刻的實(shí)驗(yàn)，為基于任意子的量子信息處理邁出了重要一步?！?/p>
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(jī)制認(rèn)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(tuán)隊(duì)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(gè)水分子相互連接形成六邊形，進(jìn)而拼接成一個(gè)平面，不同平面間的分子通過氫鍵連接。過去，科學(xué)家認(rèn)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(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)，冰已經(jīng)開始融化。王恩哥認(rèn)為，這項(xiàng)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(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)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(jià)，該發(fā)現(xiàn)將對大氣科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(yù)歸來，在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸，標(biāo)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(bǔ)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(jì)師李天義介紹，軌道器主要負(fù)責(zé)“去”，飛到月球背面去和返回地球；著陸器主要負(fù)責(zé)“下”，落到月球背面預(yù)選區(qū)域并進(jìn)行樣品采集；上升器主要負(fù)責(zé)“上”，攜帶采集的樣品從月球背面飛起來；返回器主要負(fù)責(zé)“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(gè)飛行階段，突破了月球逆行軌道設(shè)計(jì)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(shí)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。
以RNA為媒介的基因精準(zhǔn)寫入實(shí)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(shí)現(xiàn)了對基因的“單個(gè)修改”，即單堿基和短序列尺度的精準(zhǔn)編輯。那么，能不能發(fā)明一種新的基因編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大片段基因的精準(zhǔn)整合？
來自中國科學(xué)院動(dòng)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(shí)現(xiàn)以RNA為媒介的基因精準(zhǔn)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(xì)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(shí)現(xiàn)大片段基因尺度的DNA在基因組的高效精準(zhǔn)整合，仍然是整個(gè)基因工程領(lǐng)域亟須突破的難題?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W(xué)院動(dòng)物研究所研究員李偉說。
在這項(xiàng)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(jìn)行大片段基因精準(zhǔn)寫入的R2逆轉(zhuǎn)座子工具。該工具能夠在多種哺乳動(dòng)物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)大片段基因高效精準(zhǔn)整合，成功實(shí)現(xiàn)了以RNA為媒介的功能基因在多種哺乳動(dòng)物基因組的精準(zhǔn)寫入。
這一突破，意味著人們可以通過外源功能基因的精準(zhǔn)寫入，來干預(yù)涵蓋不同位點(diǎn)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(shí)
擴(kuò)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(shí)期中原地區(qū)的38個(gè)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(bào)》。
在這項(xiàng)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(shí)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(shí)間尺度下的群體遺傳學(xué)分析。
研究發(fā)現(xiàn)，自新石器時(shí)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(gè)可以追溯到明清時(shí)期的個(gè)體，該個(gè)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(rèn)為該離群個(gè)體不太可能代表明清時(shí)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(jìn)行開墾。
這項(xiàng)研究填補(bǔ)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(rèn)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(biāo)志著首次在月壤中發(fā)現(xiàn)了分子水，同時(shí)揭示了水分子和銨在月球上的真實(shí)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)》。
在這項(xiàng)研究中，科研人員對嫦娥五號月球樣品進(jìn)行了精細(xì)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。”論文共同第一作者、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(jì)錄
為探索新現(xiàn)象提供強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室水冷磁體創(chuàng)造的41.4萬高斯的世界紀(jì)錄，成為國際強(qiáng)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(dāng)于地球磁場的80多萬倍。
穩(wěn)態(tài)強(qiáng)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(qiáng)度迄今遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)條件。
強(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)‘單打冠軍’”。
穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場是開展物質(zhì)科學(xué)前沿研究所需的一種極端實(shí)驗(yàn)條件，是推動(dòng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的“利器”，強(qiáng)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(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)條件，也將為我國建設(shè)更高場強(qiáng)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(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院獲悉，該院器官移植研究所教授陳剛團(tuán)隊(duì)在異種器官移植領(lǐng)域取得重大突破。團(tuán)隊(duì)首次在國內(nèi)實(shí)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(biāo)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(dòng)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(shí)施異種移植，已成為前沿生物技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。
據(jù)了解，陳剛團(tuán)隊(duì)近5年集中實(shí)施了20余例新型基因編輯豬到獼猴的腎移植動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。今年5月10日，在經(jīng)過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的倫理批準(zhǔn)后，他們以一頭基因編輯豬為供體，將單個(gè)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(gè)月內(nèi)，獼猴移植的豬腎功能完全正常，各項(xiàng)生理指標(biāo)也基本正常，之后出現(xiàn)逐漸加重的蛋白尿，病理分析證實(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的目標(biāo)。這項(xiàng)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(jìn)展，也為解決全球范圍內(nèi)器官短缺難題帶來新希望。
