摘要：为盘点2024年中国重大科学、技术和工程进展，《科技导报》编辑部从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体2024年1月1日至12月31日间发表、公布或报道的中国科技成果中，遴选、推荐22项重大科学进展、20项重大技术进展、20项重大工程进展候选条目，由《科技导报》编

《科技导报》自2004年第3期刊登“2003年中国重大科学、技术和工程进展”以来，至今已连续21年遴选发布中国年度重大科学、技术和工程进展。

为盘点2024年中国重大科学、技术和工程进展，《科技导报》编辑部从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体2024年1月1日至12月31日间发表、公布或报道的中国科技成果中，遴选、推荐22项重大科学进展、20项重大技术进展、20项重大工程进展候选条目，由《科技导报》编委、审稿人等专家评选，参考每项进展的得票情况，推选出2024年中国重大科学进展10项、重大技术进展10项、重大工程进展10项，以下按发表、公布及报道的时间先后逐一介绍。

今天我们介绍2024年中国重大科学进展，分别为：发现迄今全球最早的多细胞真核生物化石；发现新型钙−氧气电池；“拉索”发现高能宇宙线起源关键证据；破解叶绿体基因“转录机器”构造；解密细胞自组织漩涡的机理；实验上首次发现引力子模；提出应用青蒿素类衍生物治疗多囊卵巢综合征的新策略；发现异体通用型CAR-T治疗自身免疫疾病新疗法；发现高丰度绿色元素催化生产低碳烯烃新机制；揭秘月背土壤成分与年代。

1 发现迄今全球最早的多细胞真核生物化石

当今地球上大部分复杂生命，如动物、陆生植物、真菌和宏体藻类等都是多细胞真核生物。真核生物的多细胞化是生命向复杂化和大型化演化的必备条件，被认为是生命史上的重大演化创新事件之一。已知的化石证据表明，简单的微体多细胞真核生物，在距今10亿年左右的地层中已经出现，并在距今6亿年前后开始多样化和大型化。然而，对于真核生物最早何时发生多细胞化这一重大科学问题，学界并无明确的答案和证据。

图1 串岭沟组中发现的壮丽青山藻化石

（图片来源：Science Advances）

中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员团队在燕山地区约16.4亿年前的长城系串岭沟组中发现了迄今最早的多细胞真核生物化石——“壮丽青山藻”（Qingshania magnifica）（图1）。该化石是由单列细胞组成的丝状体，直径达194μm，长度达860μm，个体和细胞的形态均具有一定程度的复杂性。部分细胞内含有15~20μm大小的圆形结构，可能为用于繁殖的“孢子”。化石形态和谱学分析均表明，壮丽青山藻属于多细胞真核生物。该发现相对于团队2016年报道的最早宏体多细胞真核生物化石，将多细胞真核生物最早出现的时间进一步提前了约7千万年，但比学界普遍接受的时间早了近6亿年。由于壮丽青山藻出现的时间仅稍晚于最古老的单细胞真核化石记录，表明真核生物出现之后不久便快速发生了多细胞化，远远早于先前的估计。同时，该发现为揭示早期地球-生命系统演化提供了新思考。

2 发现新型钙−氧气电池

电池是人类生产生活不可或缺的组成部分。尽管在过去30年锂离子电池的研究取得了显著进展，但其能量密度已接近理论极限（300~350Wh/kg），如何探索新型电池体系并提升能量密度，是能源领域面临的一个重大挑战。钙−氧气电池具有极高的理论能量密度（~2000Wh/kg），但是国际学术界普遍认为，其电化学反应过程难以可逆进行，因而无法成为有效的电池体系。

图2 钙-氧气电池结构示意

复旦大学彭慧胜院士、王兵杰研究员团队发现了钙−氧气电池在室温条件下可通过独特双电子反应电化学机制，实现放电产物可逆生成与分解，为构建可实际应用的钙−氧气电池奠定了理论基础。在此反应机制理论的指导下，建立了钙−氧气电池电解质的设计策略，并在国际上率先构建了可在室温条件下稳定运行700次循环的钙−氧气电池（图2）。团队进一步开发了新型高柔性、高安全性的凝胶电解质，成功构建了高性能纤维钙−氧气电池，并拓展至一系列具有高稳定性和高安全性的柔性纤维电池。该电池核心材料成本是锂离子电池的1%，电池制造过程碳排放量可降低90%以上，为发展高能量、可持续、低成本的未来储能体系奠定了基础，有望在能源领域开拓出一个新方向。

3 “拉索”发现高能宇宙线起源关键证据

图3 LHAASO测得超高能（100TeV以上）伽马射线天图

（图片来源：作者供稿）

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，其起源问题困扰了人类110多年，是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一。高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称“拉索”）的成功建造开启了超高能伽马射线天文学时代，为破解银河系内宇宙线起源问题提供了最佳手段。“拉索”第一版伽马射线源表包含43个超高能伽马射线源（图3），为发现高能宇宙线起源提供了最佳候选天体，对其中2个源深入研究，发现了高能宇宙线起源的关键证据。研究人员在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，光子能量高达2.5千万亿电子伏，光子空间分布与周围气体密度呈现清晰的关联，为历史上首次发现粒子能量高达1亿亿电子伏超级宇宙线加速器提供了关键证据。超新星遗迹作为银河宇宙线的源是长期存在的理论命题，并在低能量段（小于1万亿电子伏）上找到过实验证据，然而，这一次对W51复合区域的精确能谱测量，是在实验上首次提供了认证超新星遗迹加速的高能宇宙线粒子与分子云碰撞的重要证据，从而发现超新星遗迹对宇宙线粒子的加速极限可以达到约400万亿电子伏。这些突破性进展启航了宇宙线起源这一世纪之谜的破解之旅。

4 破解叶绿体基因“转录机器”构造

图4 叶绿体基因转录机器构造

叶绿体中的光合作用将光能转化为化学能，是地球生物圈的重要塑造者。破解叶绿体基因“转录机器”的构造，是科学界公认的世界性难题。质体编码的RNA聚合酶（plant plastid-encoded RNA poly⁃merase，PEP）在原质体到叶绿体的发育成熟过程中起重要作用，并作为主要的RNA聚合酶在成熟的叶绿体中转录80%的叶绿体基因。中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余团队和华中农业大学周菲团队合作，成功解析PEP冷冻电镜结构，揭示了叶绿体基因的“装配部件”“装配模式”和“功能模块”（图4）。研究团队基于叶绿体转化技术，在烟草叶绿体基因PEP上引入特征性的“捕获标签”，解析了叶绿体基因RNA聚合酶PEP复合物和PEP转录延伸复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了叶绿体PEP的亚基组成、亚基组装方式、特殊功能和功能适应性演化，并为进一步研究叶绿体中转录调控的机制和功能提供了结构基础。这项研究为理解叶绿体基因表达调控方式、改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础，也为提高粮食产量提供了新手段。

5 解密细胞自组织漩涡的机理

图5 准二维致密细菌活性流体中的有序涡晶格

6 实验上首次发现引力子模

引力波是广义相对论的重要预言，近年来已被实验成功探测。根据量子力学的核心概念——波粒二象性，引力波被推测对应着一种自旋2的粒子，即引力子；引力子是连接广义相对论与量子力学的关键。近年来，理论物理学家尝试将广义相对论的几何描述方法引入凝聚态物质，特别是应用于分数量子霍尔效应等强关联量子体系。他们推测，分数量子霍尔效应中的“引力子”可能以准粒子的形式涌现。理论学家将这类准粒子称为分数量子霍尔引力子，可理解为二维空间中的有质量引力子。这种引力子在实验上表现为自旋2的低能集体模式激发，也被称为引力子模或引力子激发，但一直以来未能从实验角度证实。

图6 引力子模与非弹性光散射

南京大学物理学院杜灵杰团队在世界上首次发现引力子模——凝聚态物质中的引力子。研究团队自主设计、集成组装了一台根植于He3-He4稀释制冷技术的极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统，依靠这一设备，在砷化镓半导体量子阱中成功观测到这种分数量子霍尔引力子；他们通过改变入射和散射光的自旋，观察到该激发具有自旋2的特性并且是手性的（图6），从自旋、动量和能量角度充分提供了引力子模的实验证据。该研究为在凝聚态系统中研究量子引力相关物理开辟了新的视野，并打开了拓扑关联物态几何效应实验研究的新方向。

7 提出应用青蒿素类衍生物治疗多囊卵巢综合征的新策略

图7 青蒿素抑制卵巢雄激素合成，缓解多囊卵巢综合征

多囊卵巢综合征（PCOS）是育龄期女性常见的生殖内分泌紊乱，也是复杂的代谢性疾病，由环境和遗传共同诱发疾病，全球发病率约为10%~13%，然而目前PCOS的治疗方案十分有限。复旦大学汤其群团队研究表明青蒿素类衍生物能够显著改善PCOS疾病表型，为临床治疗相关疾病提供了新的思路（图7）。研究人员建立了PCOS的大鼠及小鼠模型，并使用青蒿素类衍生物蒿甲醚处理该模型，发现青蒿素能够靶向线粒体蛋白酶LONP1，促进LONP1与雄激素合成关键酶CYP11A1的结合，加速CYP11A1的降解，降低PCOS患者的雄激素水平，发挥治疗作用。该研究证明了青蒿素衍生物在减轻啮齿动物模型和人类患者PCOS症状方面的功效，而且强调了它们作为分子胶降解剂的潜力。这一发现为通过靶向LONP1-CYP11A1相互作用来控制卵巢雄激素合成开辟了途径。

8 发现异体通用型CAR-T治疗自身免疫疾病新疗法

图8 TyU19的制备和使用

嵌合抗原受体T细胞疗法（chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy，CAR-T），是典型基因工程介导的免疫细胞疗法。目前，获批上市的CAR-T细胞产品都属于自体类型，这种个性化定制的制备方式使CAR-T细胞无法批量化生产，导致产品价格居高不下。海军军医大学第二附属医院徐沪济教授领衔的合作团队发现将异体通用型CAR-T细胞疗法应用于自身免疫疾病治疗的新途径。研究团队使用健康供者来源的T细胞，经过基因工程改造，制备出针对B淋巴细胞CD19的通用型靶向CAR-T细胞药物（TyU19）。医疗团队将TyU19应用于难治性风湿免疫疾病患者的治疗（图8），结果表明，靶向CD19的通用型CAR-T细胞在所有患者体内能够有效扩增和完全清除B淋巴细胞，3个月后实现B细胞的重塑。这是国际首次成功使用异体通用型CAR-T治疗自身免疫疾病。这项研究不仅为目前缺乏有效治疗手段的风湿免疫性疾病患者提供了新的治疗选择，还展示了通用型CAR-T细胞疗法在有效性和安全性方面的巨大潜力。

9 发现高丰度绿色元素催化生产低碳烯烃新机制

图9 金属-氧化物作用介导氧化钛包覆层催化丙烷脱氢

丙烯生产是石油化工领域的核心支柱产业。传统丙烷脱氢制丙烯催化剂采用稀缺昂贵的贵金属或者存在重金属污染风险，导致行业面临可持续发展问题。更高效、更廉价、更环保的下一代丙烯催化剂技术已成为全球化工行业竞相抢占的科技制高点。天津大学巩金龙团队采用地球储量丰富、环境友好的钛和镍元素，建立氢溢流诱导的金属-氧化物界面有序构建策略，研制廉价绿色丙烯生产催化剂。通过精准调控氧化钛在金属镍颗粒表面的覆盖度，揭示了氧化物与金属产生电子作用促进催化过程的新机制，大幅提升催化本征活性（图9）。新型催化剂体现出优异的丙烯选择性及稳定性，性能优于传统催化剂，可节约成本30%~50%，且实现了催化剂在全生命周期的无毒化处理和低能耗运行。该研究为下一代烯烃催化剂核心技术奠定科学基础，为低碳烯烃绿色生产提供新方案，推动化工行业向环保、高效、可持续方向发展。

10 揭秘月背土壤成分与年代

图10 嫦娥六号返回样品的典型图像

（图片来源：人民日报）

2024年6月25日，中国嫦娥六号月球探测器首次完成人类从月球背面采样，携带1935.3g样品返回地球。中国科学院国家天文台李春来团队率先阐述了返回样品的物理、矿物和地球化学特征。研究表明，嫦娥六号返回样品结构较为松散，孔隙率较高。与嫦娥五号样品相比，此次样品中斜长石含量明显增加，而橄榄石含量显著减少，表明该区域的月壤明显受到了非玄武质物质的影响（图10）。此后，中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士团队、中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队揭示月球背面约28亿年前仍存在年轻的岩浆活动，研究发现，月球背面42亿年前存在来自富集克里普物质源区的火山活动，月海玄武岩的分布不仅受月壳厚度影响，月幔源区的物质组成也是重要的控制因素。嫦娥六号带回的月球背面样品不仅填补了月球背面研究的历史空白，更为研究月球早期演化、背面火山活动和撞击历史提供了直接证据，也为理解月球背面与正面地质差异开辟了新的视角。

本文作者：林润华，徐丽娇，王志敏，黄文光，祝叶华

作者简介：林润华，《科技导报》编辑部，副编审，研究方向为电子信息期刊出版。

原文发表于《科技导报》2025年第3期，欢迎订阅查看。

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来源：科技导报