地球物理学研究快报 2018年8月全球基础研究重点领域动态

日本开发出智能图像激活细胞分选技术

传统的细胞分选方法可以实现细胞分离，但存在耗时长、样品需求量大、目标细胞损失严重及硬件设备依赖性高等不足。日本东京大学提出一种有别于传统架构的智能型新技术——智能图像激活细胞分选技术，采用深度学习算法，实现了基于高分辨率图像的细胞实时智能分选，并大幅提高细胞分选速度。传统流式细胞仪主要基于细胞表面标志物表达谱对细胞进行物理分离，IACS技术则可进一步根据细胞内蛋白质定位、细胞间相互作用等空间和形态学参数进行细胞分选，可用于筛选具有特定生物分子空间结构的细胞。相关研究8月27日发表在《细胞》上。

美国利用CRISPR/Cas9技术首次在大型动物体内实现大规模基因编辑

杜氏肌营养不良症是一种X染色体隐性遗传病，全世界患者超过30万人，其发病的原因是dystrophin基因发生突变，造成患者全身肌肉退化。

美国德克萨斯大学Eric N. Olson团队利用CRISPR/Cas9技术首次在大型动物体内实现大规模基因编辑。研究团队选取患病小狗，将带有CRISPR/Cas9的腺病毒载体注射进小狗的骨骼肌中。6周后对肌肉组织的检测发现，患病小狗的蛋白表达量达到了正常小狗肌肉组织的60%，肌肉萎缩症状明显减轻，其他病症也显著缓解，同时也没有出现明显的免疫排斥反应。该方法的有效性、安全性和持续性等问题还需要更多更大的实验进行验证。不过，由于该方法是对体细胞进行编辑，因此无法根治疾病，但与之前的疗法相比，显示出了巨大的提升潜力。

这一成果证明CRISPR技术拥有在大型动物体内直接编辑大量体细胞基因组的能力，为诸多疾病的治疗铺平了道路。相关研究8月30日发表在《科学》上。

全球首个RNA干扰药物获批上市

8月10日，美国阿里拉姆制药公司开发的全球首款基于核酸干扰技术的治疗药物Patisiran获得美国食品药品监督管理局批准，用于治疗成人罹患的遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性引发神经损伤。Onpattro的成分是一种小干扰RNA，其作用原理为靶向和沉默信使RNA，进而阻断TTR蛋白生成。Onpattro的批准为hATTR的治疗带来了新的希望，也为其他RNAi药物的上市铺平了道路。

我国科学家发现绿色高产高效作物育种新基因

作物产量翻番和大量氮肥使用相伴而生的抗倒伏半矮化育种，既增加生产成本又污染环境。中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究团队在植物氮肥高效利用调控研究中，以携带“绿色革命”基因的矮化水稻为材料，发现了氮肥高效利用的关键基因GRF4，该基因高表达可以使作物品种在维持半矮秆、高产量性状的同时，明显提高氮利用效率。该研究不仅深化了对植物生长与代谢协同调控机制的认识，阐明“绿色革命”矮秆育种伴随氮肥利用效率低下的原因，而且指出了克服上述缺点发展可持续农业的新途径。

日本名古屋大学教授松冈信同期发表评述指出，这项发现为“少投入、多产出”的绿色高产高效农作物新品种培育提供了具有育种利用价值的新基因资源，预示着一场新的“绿色革命”即将到来。相关研究8月15日发表在《自然》上。

美国成功开展首次立方体卫星星地激光通信

8月2日，美国国家航空航天局宣布成功开展首次立方体卫星星地激光通信，其自由飞行立方体卫星“光通信和传感器演示”任务从近地轨道向地面站发送了激光信号。OCSD包括两颗立方体卫星，每颗尺寸约为10厘米×10厘米×17厘米。此次激光通信实验的数据传输速率达到100兆比特/秒，比该尺寸航天器的典型通信速率快50倍。两颗卫星还按计划完成了近距离机动，使二者在空间中的距离约小于6米。OCSD接下来将测试进一步提高数据传输速率至200兆比特/秒。

此次成功演示开启了利用小卫星开展数据量超过射频下行链路系统能力的对地观测任务的可能性，更高的数据速率通信还将使小行星有望用于深空探索、增强在轨数据处理和协调小卫星集群等科学应用。

美国科学家首次发现月表存在水冰的直接证据

美国夏威夷大学Shuai Li领衔的研究团队利用美国国家航空航天局搭载在印度“月球初航-1”卫星上的“月球矿物制图”装置，首次在月球极地地区发现月表存在着水冰的直接证据。M3以直接测量分子吸收红外光的方式，区分液态水、水蒸气和固态冰。此次新发现的水冰位于月球极地附近环形山的阴影中，最温暖地方的温度不超过零下156.67℃。由于月球自转轴倾斜角度很小，太阳光永远不会照射到这里，因此水冰可以存在很久。这些水冰分布不均匀，大部分月球南极的水冰集中在月球环形山，而北极的水冰分布更广泛，但很稀疏。

研究人员表示，这些水冰可以在未来的月球探测中作为原位资源使用。相关研究8月20日发表在《美国国家科学院院刊》上。

美国新研究揭示南极海域冬季释放大量二氧化碳

南大洋区域在全球气候中发挥着独特的作用，同时也是世界上流速最快的水体之一，这使得在冬季从该地区获取气象观测数据非常困难。美国国家科学基金会资助南大洋碳和气候观测与建模项目通过潜水和漂流机器人在南大洋收集了数个冬季数据。研究人员通过对2014年至2017年间35个浮动观测仪获取的数据和其他观测数据进行分析，确定南极海域释放二氧化碳量的季节性和长期趋势。观测数据显示，在冬季南极洲海冰附近的开阔水域释放出的二氧化碳量是惊人的，远远超过科学家此前的预期。

研究人员指出，这一发现意味着南大洋所吸收碳的量可能要比想象的少，因此需要重新考虑南大洋在碳循环和气候中的作用，同时此次的观测结果对于理解全球碳循环具有重要意义。相关研究8月14日发表在《地球物理学研究快报》上。

日本开发全球首个商业规格质子陶瓷燃料电池

质子陶瓷燃料电池理论发电效率高达75%，且能够在较低的温度高效运行，还拥有更优异的抗积碳和抗硫中毒特性，是极具发展前景的新一代燃料电池技术。但质子导电性陶瓷需要在1700℃以上的高温下烧制，不利于该电池的规模化量产。

日本国立产业技术综合研究所研究人员通过对陶瓷电解质薄膜的烧结动态过程进行详细追踪分析，开发出适用于批量生产的陶瓷电解质新型扩散烧结技术，将致密度高达99%的陶瓷电解质薄膜的烧结温度降至1500℃。依托该技术，研究人员制备出了达到商用规格的5厘米×5厘米的方形质子陶瓷燃料电池，并呈现出优异发电性能，向商业化迈出了关键一步。相关研究成果7月4日公布在日本新能源产业技术综合开发机构官方网站上。

我国科学家在X射线闪烁体领域取得突破性进展

闪烁体材料可将高能X光子转化为低能量的可见光，是X射线检测与成像技术应用中的核心部件，在国防、安检、核安全等领域有重要应用。当前绝大多数闪烁体材料不光价格高昂，而且转化效率有限，辐射发光波长也不易于调控。

我国西北工业大学、福州大学与新加坡国立大学研究人员合作发现了一类全无机钙钛矿纳米晶闪烁体，可实现超灵敏X射线检测。研究人员合成了铯铅溴钙钛矿纳米晶闪烁体，相比常规闪烁体，具有合成工艺简单、成本低、毒性低、辐射发光速率快等优点。研究人员将其用于X射线成像测试，最低辐射使用剂量仅需13纳戈瑞/秒，是常规医用X射线成像诊断使用剂量的1/420。

该类钙钛矿纳米晶闪烁体有望用于提高X射线检测与成像灵敏度，降低辐射使用剂量，使基于X光的医学诊断、安全检查等应用更加安全。相关研究8月27日发表在《自然》上。

国际研究团队首次合成出拓扑石墨烯纳米带

拓扑材料的导电边缘由于受到材料本身的拓扑性质保护，往往可以无视缺陷的存在而仍然显示导电性质，因此可用于设计无耗散的电子器件，具有巨大的应用前景。理论研究表明，特定非规则边缘的石墨烯纳米带具有拓扑保护的界面态，可以用来调控一维的拓扑量子态。

上海交通大学王世勇与瑞士、德国、美国科学家合作，在金表面基于“自下而上”的表面合成途径，首次从实验角度合成了与理论预测高度吻合的具有拓扑性质的石墨烯纳米带结构，通过精确设计分子前驱体，可精准调控其拓扑特性，并在石墨烯纳米带末端观测到拓扑末端态。

在纳米带中实现拓扑量子态为接下来研究拓扑结构提供了一个非常有意义的平台，对量子计算、器件设计等领域均具有重要意义。相关成果8月8日发表在《自然》上。

我国科学家首次在超导块体中发现马约拉纳任意子

马约拉纳费米子相关研究一直是物理学最前沿的问题之一。束缚在一点上的马约拉纳费米子即成为两个马约拉纳任意子。目前国际上有多个研究团队分别宣称找到了马约拉纳任意子的证据，但其实验条件都需要条件苛刻的异质结构，并且需要极低温条件。

中国科学院物理研究所/中国科学院大学高鸿钧和丁洪联合团队利用自主研制的超高真空-极低温-强磁场-扫描隧道显微镜-分子束外延-低能电子衍射联合系统，在铁基超导体样品中观测到了马约拉纳任意子，并且在6特斯拉以下磁场以及低于零下269℃的温度下都能稳定存在。这是首次在单一块体超导材料中发现高纯度马约拉纳任意子，并且能在相对高的温度下实现，为马约拉纳物理的研究开辟了新的方向。

基于马约拉纳任意子的拓扑量子计算机有很强的抗干扰能力，因此该成果对构建稳定、高容错、可拓展的未来量子计算机有极其重要的意义。相关研究8月16日发表在《科学》上。