2024年中国科技成就盘点：嫦娥六号月背样品、量子霍尔态突破、水冷磁体创纪录

嫦娥六号带回了世界上第一个月球回馈样本，首次实现了光子的分数量子反常霍尔态，自主研发的水冷磁体创造了世界纪录......回首 2024 年，中国科学家将在世界科技前沿攻坚克难，在中国留下光辉足迹。

过去的一年里，广大科技工作者推动科研向极宏观、微观深度、极端条件、极致全面拓展，不断突破人类认知的界限，为加快实现高水平科技自立自强作出新的贡献。

爱因斯坦探测器卫星成功发射

获取第一个全天 X 射线地图

1月9日15时03分，中国利用长征二号丙运载火箭在西昌卫星发射中心发射爱因斯坦探测器卫星，卫星成功进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。这是继“悟空”、“墨子”、“惠燕”、“十号”、“太极一号”、“怀柔一号”、“草福一号”之后，由中科院空间科学试点项目研制发射的又一颗空间科学卫星。

▲爱因斯坦探测器卫星（“天官”卫星）获得的第一张 X 射线全天地图（星系坐标系）

）。

爱因斯坦探测器卫星是中国第一颗具有大视场的 X 射线天文卫星。它主要在软 X 射线波段进行高灵敏度实时动态巡天监测，系统地发现宇宙中高能瞬态和剧烈天体，监测已知天体的活动，并探索其性质和物理过程。发射

成功三个多月后，该卫星的第一批在轨科学探测图像发布。这些图像包括指向银河系中心的宽视场 X 射线望远镜的观测图像、宽视场 X 射线望远镜报告的第一张临时源图像、后续 X 射线望远镜对蟹状星云的观测图像，以及后续 X 射线望远镜对梅西耶 87 椭圆星系的观测图像。

10 月 31 日，中国科学院举行了爱因斯坦探测器卫星结果新闻发布会。科技日报记者从会上了解到，自1月9日成功发射以来，卫星探测到各类瞬态天体，捕获了几种可能的新型瞬态源，成功获得了我国自主研发设备观测的首张全天X射线图。

当天，中科院还举行了爱因斯坦探测器卫星在轨交付仪式，并将该卫星正式命名为“天官”卫星。“'天官'一词起源于北宋和中国北宋元年司天剑观测和记录的'天官客行'超新星爆炸。这颗卫星被命名为“天官”，反映了中国在超新星爆炸观测记录中的深厚根基及其对世界天文学的杰出贡献。中国科学院国家天文台研究员、“天官”卫星首席科学家袁伟民说。

叶绿体基因“转录机”结构破解

填写单元格 “CPU

“.

破解叶绿体基因的“转录机器”的结构是科学界公认的世界性问题。来自中国科学院分子植物科学卓越中心的张宇团队和华中农业大学的周飞团队联手解决了这个问题。他们成功解析了叶绿体基因“转录机”的冷冻电镜结构，并揭示了叶绿体基因“转录机”的“组装部分”、“组装模式”和“功能模块”。北京时间 3 月 1 日，研究结果以封面文章的形式在 Cell 上在线发布。

▲《细胞》封面上显示的叶绿体 PEP 的复杂结构。受访者供图

RNA 聚合酶是细胞中的“中央处理单元 （CPU）”，它“读取”细胞的“硬盘驱动器”DNA，然后输出各种生命“动作”。科学家们发现，在真细菌、古细菌和真核结构域这三个结构域中有 9 种类型的基因“转录机器”，其中 8 类的结构机制已被成功破解，叶绿体基因组中的细菌型质体编码 RNA 聚合酶 （PEP） 已成为未解决的“CPU”拼图的最后一块。

张宇团队和合作者利用叶绿体转化技术，在烟草叶绿体基因上引入一个特有的“捕获标签”“转录机”，纯化烟草的内源性叶绿体基因“转录机”，利用单粒子冷冻电镜技术，最终揭开了叶绿体基因“转录机”的真面目。

国际同行认为，本研究为进一步探索叶绿体基因“转录机”的工作模式、理解叶绿体基因表达的调控模式、修饰叶绿体基因表达的调控网络奠定了基础。本研究在合成生物学应用中也具有广阔的应用前景，为提高植物叶绿体生物反应器的效率提供了起点。同时，也为提高光合作用系统中的基因表达水平提供了新思路，有望帮助植物实现高效的固碳。

为

第一次实现了光子的分数量子反常霍尔态

预计它将推动“第二次量子革命”。

量子模拟实验取得了重大突破。5月6日，中国科学院在北京召开新闻发布会宣布，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟团队利用“自下而上”的量子模拟方法，在世界上首次实现了光子的分数量子异常霍尔态， 为高效研究越来越多的奇异量子物质态提供了一条新的途径。该论文发表在《科学》杂志上。

▲结果示意图。被 16 个非线性“光子盒”阵列捕获的微波光子的强相互作用形成了分数量子反常霍尔态（注意：“光子盒”这个名字最早来自 1930 年爱因斯坦-玻尔争论中提出的思想实验）。

霍尔效应是指电流通过放置在磁场中的材料，电子受到洛伦兹力，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这种效应是由美国科学家霍尔于 1879 年发现的，并已广泛应用于电磁感应领域。异常霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下观察到相关效应。

这

分数量子反常霍尔效应在学术界备受关注，分数量子反常霍尔态中的物质具有重要的观察和研究价值。传统研究采用“自上而下”的方法，研究人员从预先存在的材料开始，利用它们的本征结构和特性来实现量子霍尔态。另一方面，“自下而上”的方法涉及手动构建量子系统，从最基本的组件开始，然后逐渐构建所需的复杂结构。潘建伟团队基于自主研发的超导高非简谐光谐振器阵列，采用“自下而上”的方法实现了光子之间的非线性相互作用，并进一步构建了作用在该系统中光子上的等效磁场，以构建人工规范场，从而实现光子的分数量子反常霍尔态， 为量子领域的相关研究提供了高质量的研究平台，有望助力推动“第二次量子革命”。

诺贝尔物理学奖获得者 Frank Wilczek 对这项研究给予了高度评价。“这种'自下而上'的方法是一个'非常有前途的想法'，也是一个令人印象深刻的实验，它在基于任意子的量子信息处理方面向前迈出了重要一步，”他说。”

六边形冰具有原子级分辨率图

刷新对冰结构和预融机制的理解

冰面是什么样子的？原子级分辨率图像揭示了答案。由北京大学江英教授、徐丽梅教授和中科院院士王恩哥院士领导的联合研究团队，利用自主研发的qPlus扫描探针显微镜，首次获得了六边形冰（自然界中最常见的冰）表面的原子级分辨率图像。该论文于 5 月 22 日发表在《自然》杂志上。

冰是通过以不同方式堆叠水分子而形成的晶体，其中最常见的是形成六边形冰 （Ih） 的六边形堆叠方法。在这种堆叠方法中，两个水分子相互连接形成六边形，然后拼接成一个平面，不同平面之间的分子通过氢键连接。过去，科学家们认为，在正常情况下，只有一种方法可以堆叠冰面。

这一次，qPlus 扫描探针显微镜呈现了一个出乎意料的场景。“我们看到，在六边形冰的表面，不仅有六边形的堆积，还有立方体的堆积。这两个结构相互连接以形成稳定的冰面。江英说，这是人类第一次在冰面上观察到这种堆积。

同时，研究团队还发现，在 -153°C 左右，两个堆栈会形成一个规则的三角形晶格，处于真正的晶体状态。随着温度的升高，三角形晶格变得越来越不规则，最后变得无序。低于 0°C 甚至 -100°C，冰已经开始融化。王恩哥认为，这项研究刷新了长期以来对冰表面结构和预融机制的传统认识，为冰科学研究开辟了新的原子尺度视角。

据《自然》杂志的审稿人称，这一发现将对大气科学和材料科学等许多领域产生深远影响。

嫦娥六号带回了世界上第一个月球样本

提供有关月球早期演化的第一手资料

6月25日，携带“月球原生特长”的嫦娥六号返回器光荣归来，安全降落在内蒙古泗子王岐预定区域，标志着载人飞船首次月球样本返回任务圆满完成。

6 月 28 日，中国国家航天局在北京举行了探月工程嫦娥六号任务月球样本移交仪式。根据初步计算，嫦娥六号任务从月球背面采集了 1,935.3 克样本。这些珍贵的月球背面样本，不仅填补了月球背面研究的历史空白，也为研究月球早期演化提供了第一手资料，也为理解月球背面和正面的地质差异开辟了新的视角。

嫦娥六号探测器由轨道器、着陆器、上升器和返回器组成。嫦娥六号探测器副总设计师李天义表示，轨道器主要负责“走”，飞到月球背面，返回地球;着陆器主要负责“下降”，降落在月球背面的预先选择区域并采集样本;上升器主要负责“上升”，携带收集到的样本，从月球背面飞行;返回者主要负责“返回”，将月壤带回地球。

嫦娥六号任务自发射以来历经 53 天、11 个飞行阶段，在月球逆行轨道设计与控制、月球背面智能快速采样、月球背面升降等关键技术上取得突破，并搭载了 4 个国际载荷，开展了务实高效的国际合作。

9 月 17 日，中国科学家在《国家科学评论》上发表了第一篇关于嫦娥六号返回样本的研究论文，描述了返回样本的物理、矿物学和地球化学特征。

▲研究人员在月球样本实验室展示嫦娥六号月球样本。新华社记者金立旺摄

以 RNA 为培养基实现精确的基因写入

帮助创新肿瘤和其他疾病的治疗方法

基因编辑技术是一种面向未来的技术，以 CRISPR 为代表，基本实现了基因的“单修饰”，即对单碱基和短序列尺度的精确编辑。那么，我们能否发明一种新的基因编辑技术来实现基因大片段的精确整合呢？

▲在哺乳动物细胞中开发全RNA介导的高效、准确的大片段功能基因写入工具

中国科学院动物研究所的生物学家研发出一种具有自主知识产权的新型基因编辑技术，首次实现了以RNA为媒介的基因精确写入，为新一代基因疗法的开发奠定了基础。该论文于 7 月 8 日发表在 Cell 上。

基因工程技术是现代生物技术发展的前沿领域，具有广泛的应用范围。“如何根据应用场景的需求，实现大片段基因尺度DNA在基因组中的高效、精准整合，仍然是基因工程领域亟待解决的问题。”该论文的共同通讯作者、中国科学院动物研究所研究员李伟说。

在这项研究中，基于自然界中存在的 R2 反转录座子系统，结合基因组数据挖掘和大分子工程修饰，研究人员开发了一种 R2 反转录座子工具，以 RNA 为媒介准确写入大片段基因。该工具可以实现大基因在多种哺乳动物细胞中的高效、精密整合，并成功实现以 RNA 为媒介在多种哺乳动物基因组中功能基因的准确写入。

这一突破意味着人们可以通过准确写入外源功能基因来干预由覆盖不同位点多个突变谱的基因引起的遗传缺陷等疾病。这项技术有望为遗传病、肿瘤等疾病的治疗带来更高效、更安全、成本更低的新治疗方法。

在过去的 3000 年里，中原人被证实是“同系”。

拓展中华文明演化研究的遗传学视角

厦门大学等单位的研究人员成功提取了西周、春秋、唐朝至明清时期中原38名古人的基因组并进行了测序，系统地展示了近3000年来中原地区人群的遗传稳定性。该论文于 7 月发表在《科学通报》上。

在这项研究中，研究人员将新测序的中原古人样本与先前发表的中原新石器时代古人和河南省现代汉人的基因组数据相结合，进行跨时间尺度的种群遗传分析。

研究发现，自新石器时代晚期以来，中原地区人群的遗传结构没有明显的变化，也没有受到印欧人、匈奴和鲜北种群的显著影响，种群遗传学表现出相对稳定。研究中唯一确定的遗传异常值是可追溯到明清时期的个体，个体的遗传特征与现代南方的一些少数民族人群相对同质。鉴于来自古代中原和今天生活在中原的汉族人的样本都没有表现出如此高比例的南东亚血统，研究人员认为，这个异常值不太可能代表明清时期中原地区的优势遗传谱系，更有可能是从中国南方迁移过来的。 因为清政府历史上派遣了大量被称为“闽英”的福建军民到中原开垦。

本研究填补了近 3000 年来中原人群古基因组资料的空白，拓展了对中原人群历史的理解，为探索中华民族的形成和中华文明的演变提供了遗传视角。

首次在月壤中发现分子水

为月球资源的开发利用开辟新的可能性

月球上是否存在水对于研究月球演化和资源开发至关重要。7月23日，记者从中科院物理研究所获悉，根据嫦娥五号月球样本，中国研究人员在月球上发现了一种富含水分子和铵的未知矿物晶体——氯化镁六水合铵。这一发现标志着首次在月球土壤中发现了分子水，同时揭示了月球上水分子和铵的真实形态，为未来月球资源的开发利用提供了新的可能性。该论文在线发表在《自然天文学》上。

▲ 月球表面含水矿物形成的渲染图。由中国科学院物理研究所提供

在这项研究中，科学家们对嫦娥五号月球样本进行了精细的单晶衍射和化学分析，在其中发现了一种富含水分子和铵的透明矿物晶体，水分子的质量占矿物总质量的 41%。研究人员还分析了矿物的同位素组成和形成条件。结果表明，该矿物的氯同位素组成与月球样品相似，并非来自地球污染或火箭废气。

“这种富含水的矿物质的发现向我们揭示了月球上的一种水分子形式——水合盐。与挥发性水冰不同，这种水合物在月球的高纬度地区非常稳定。该论文的共同第一作者、中国科学院物理研究所副研究员金世峰表示，这意味着即使在广阔的月球阳光照射区域，也可能存在这种稳定的水合盐。

自主研发的水冷磁体创世界纪录

为探索新现象提供了有力的实验条件

9月22日，安徽合肥传来喜讯：中科院合肥物理科学研究所高磁场科学中心自主研发的水冷磁体成功产生420200高斯的稳态磁场，打破了美国国家高磁场实验室水冷磁体在2017年创造的414000高斯的世界纪录， 并成为国际强磁场水冷磁体技术发展的新里程碑。地球的磁场约为 0.5 高斯，而 420,200 高斯相当于地球磁场的 800,000 倍以上。

▲稳态强磁场 420,200 高斯水冷磁体

稳态强磁场磁体分为三种类型：水冷磁体、超导磁体和混合磁体，它们是水冷磁体和超导磁体的组合。水冷磁体是科学家最早使用的磁体类型，磁场控制灵活、快速，其优点是能够产生远高于超导磁体的磁场强度，为材料科学研究提供了可靠高效的实验条件。

强磁场科学中心学术主任、研究员匡广利将稳态强磁场技术的发展与乒乓球比赛进行了生动的比较，“水冷磁体和超导磁体是'单打大师'，混合磁体是'混双组合'，2022年，我们凭借综合优势夺得了'混双冠军'，今天我们有了新的突破，获得了'单打冠军'。

稳态强磁场是开展材料科学前沿研究所需的极端实验条件，是推动重大科学发现的“利器”，强磁场技术已成为国际科技竞争的重要领域。该磁体的成功研制将为科学家探索新现象、揭示新规律提供强大的实验条件，也将为我国构建具有更高场强的稳态磁体奠定关键技术基础。

猪肾移植猕猴存活 184 天

异种移植取得重大突破

11月29日，记者从华中科技大学同济医学院附属同济医院获悉，该院器官移植研究所陈刚教授团队在异种移植领域取得了重大突破。该团队在国内首次将基因编辑的猪肾移植到猕猴体内，最终移植的肾脏成功存活了半年多。这标志着中国异种移植研究迈出了关键的一步。

为了解决移植器官短缺的问题，医学界一直在探索使用动物器官作为移植来源。然而，异种移植通常表现为难以完全避免的免疫排斥和微血栓形成。利用基因编辑猪作为器官供体并实施异种移植已成为前沿生物技术研究的关键方向。

据了解，陈刚团队在过去五年中，从新的基因编辑猪到猕猴，进行了20多例肾移植动物实验。今年 5 月 10 日，在动物实验获得伦理批准后，他们以基因编辑猪为供体，将单个猪肾移植到一只猕猴身上，移植的肾脏最终在猕猴体内存活了 184 天。

移植后 5 个月内，猕猴移植猪肾功能完全正常，生理指标基本正常，随后出现逐渐恶化的蛋白尿，病理分析证实为新生儿异种抗体介导的慢性排斥反应。

陈刚表示，团队将继续努力开发更有效的手段，以减少或消除排斥反应的发生，以期尽快达到临床应用的目标。这一成就不仅代表了中国研究人员在国际生物医学前沿取得的重要进展，也为在全球范围内解决器官短缺问题带来了新的希望。

来源：科技日报（2024 年 12 月 23 日第 05 期前沿）。