2015年度中国科学十大进展发布

  2016年2月25日,科学技术部基础研究管理中心公布2015年度中国科学十大进展遴选结果:“实现单光子多自由度量子隐形传态”等10项科学进展入选。

  这10项科学进展分别是:

  实现单光子多自由度量子隐形传态

  理论预言并实验验证外尔半金属的存在

  揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征实现对反物质间相互作用力的测量

  探测到宇宙早期最亮中心黑洞质量最大的类星体

  发现东亚最早的现代人化石

  揭示人类原始生殖细胞基因表达与表观遗传调控特征

  解析细胞炎性坏死的关键分子机制

  研制出碳基高效光解水催化剂

  实现对单个蛋白质分子的磁共振探测 

2015年度中国科学十大进展入选者合影 

  中国科学十大进展由《中国基础科学》、《科技导报》、《中国科学院院刊》、《中国科学基金》和《科学通报》5家编辑部推荐,推荐的科学进展均是2014年12月1日至2015年11月30日间正式发表的研究成果,由专家初选出30项候选进展。终选以函选的形式进行,邀请中国科学院院士、中国工程院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者对30项候选进展进行函选投票,最终遴选出了2015年度“中国科学十大进展”。

  “中国科学十大进展”遴选活动始于2005年,旨在贯彻落实实施创新驱动发展战略,宣传我国重大基础研究进展,激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神,促进公众更加理解、关心和支持科学,在全社会营造良好的科学创新氛围。 

  “2015年度中国科学十大进展”简介 

  1. 实现单光子多自由度量子隐形传态

  量子隐形传态就是利用量子纠缠效应把量子态传输到遥远地点,而无需传输载体本身。量子隐形传态作为量子信息处理的基本单元,在量子通信和量子计算网络中发挥着至关重要的作用。

  1997年,国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证。此后,作为量子信息实验领域的重要研究热点,量子隐形传态又先后在冷原子、离子阱、超导、量子点和金刚石色芯等诸多物理系统中得以实现。但以往所有的量子隐形传态实验都存在着一个根本性局限,即传输的量子态只是基本粒子的单个自由度的状态,也就是说只是部分信息,而不是完整的量子隐形传态。然而,真正的量子物理体系自然地具有多个自由度的信息,即使是一个最简单的基本粒子,如单光子,它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等多个自由度。因此,多自由度的量子隐形传态作为发展可拓展量子计算和量子网络技术的必经途径,成为近二十年来量子信息基础研究领域的一个巨大挑战。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)潘建伟和陆朝阳研究组与合作者,面对挑战,选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象,创造性地发展了多项新颖的多粒子多自由度的纠缠操纵技术,巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案。经过多年艰苦努力,研究人员成功制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件,突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限,搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台,成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。相关研究论文发表在2015年2月26日Nature[518(7540):516—519]上。

  Nature杂志邀请国际知名量子光学专家WolfgangTittel教授在同期撰文评论认为:“该实验实现为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步,并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元”。该成果已经被英国物理学会评为“2015年度国际物理学十大突破之首”。 

  2. 理论预言并实验验证外尔半金属的存在

  德国科学家外尔1929年指出,当质量为零时,狄拉克方程描述的是一对能量相同但具有相反手性的新粒子,即外尔费米子。80多年过去了,人们一直未能观测到这种神奇的粒子。中微子曾经被认为是外尔费米子的候选者,但后来发现中微子其实具有质量。近年来,拓扑绝缘体尤其是拓扑半金属等领域研究的快速发展为寻找外尔费米子提供了新的思路,它们可以作为准粒子存在于外尔半金属材料中。寻找外尔半金属材料是一个非常具有挑战性的科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。

  2015年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)方忠研究组(翁红明等)通过理论计算预言,TaAs家族材料就是要寻找的外尔半金属体系[Physical ReviewX(5, 011029)];陈根富研究组合成出了该材料的晶体,并观察到理论预测到的因手征反常导致的负磁阻效应[Physical Review X(5, 031023)];丁洪研究组(丁洪和钱天等)与合作者用角分辨光电子能谱证实了理论预言的三维电子能谱和费米弧[PhysicalReview X(5, 031013); Nature Physics(11(9):724—727);Physical ReviewLetters(115,217601)]。中国科学家的该系列工作终于“找到”了外尔费米子这样一个隐身80多年的“幽灵”粒子。

  此外,美国普林斯顿大学的Z. Hasan研究组和清华大学的陈宇林研究组及合作者[Nature Physics(11(9):728—732)]也得到类似的结果。外尔半金属的发现提出了很多新的科学问题,同时也为开发低能耗电子器件等变革性技术提供了新的思路。该研究成果也入选英国物理学会“2015年度国际物理学十大突破”。

中科院物理所研究团队合影,从左至右分别为戴希、方忠、翁红明、钱天、丁洪、陈根富 

  3. 揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征

  2014年初开始的埃博拉病毒病疫情在西非造成2万8千余人感染和1万1千余人死亡。之前的研究显示,本次埃博拉病毒进化速率比以往暴发疫情中的病毒进化平均速率有成倍的提高。该结果引起了全球疫情防控机构的恐慌,人们担心病毒的高速变异可能导致更加烈性的病毒变异株产生,同时大量变异可能对基于PCR技术的病毒检测产生漏检。

  军事医学科学院病原微生物生物安全国家重点实验室曹务春研究团队与中国科学院微生物研究所高福研究团队和军事医学科学院蛋白质组学国家重点实验室贺福初研究团队等合作,对2014年9月至11月间的大量病例标本进行基因组测序,获得来自塞拉利昂的175株病毒的全长基因组数据,发现在此期间埃博拉病毒在系统发生上进一步分化,遗传多样性快速增加,出现了多个新的病毒流行分支。但埃博拉病毒的变异速率约为1.23×10−3/位点/年,与先前暴发疫情中埃博拉病毒的变异速率接近。这些研究成果加深了对病毒进化特点以及传播动力学的理解,消除了国际社会对于埃博拉病毒快速变异的担忧,同时大量基因组序列的发表为现场病毒检测PCR引物设计提供了参考,并将有助于对埃博拉病毒疫苗和治疗方案的研发。相关研究论文发表在2015年8月6日Nature[524(7563):93—96]上。

  Nature杂志发表专家评述,盛赞此项研究发现该病毒没有加速变异的重要意义。文章发表后受到8家国外媒体(包括《自然》杂志和纽约时报等)和多家中国媒体报道,短时间内即被《自然》、《细胞》、《新英格兰医学杂志》等国际顶级期刊引用。 

  4. 实现对反物质间相互作用力的测量

  核子之间的相互作用是原子核构成基石。自原子核发现以来,科学家已经获得了大量的关于核力的知识。但是,对于反核子之间的相互作用还没有直接的了解。美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)的STAR实验将质心能量为200GeV的金离子相互碰撞,产生出大量的反质子,这为测量反质子-反质子间相互作用提供了机会。

  中国科学院上海应用物理研究所马余刚研究组与美国布鲁克海文国家实验室唐爱洪研究组等合作,利用STAR实验结果,通过对反质子-反质子之间动量关联函数的测量,首次提取了反质子-反质子相互作用的有效力程和散射长度。研究表明,反质子-反质子之间存在着强吸引力,可以克服反质子-反质子之间的由于同号(负电荷)所产生的库伦排斥力,结合成反物质原子核。而且他们测量得到的结果与质子-质子相互作用的对应值在误差范围内一致。他们的研究结果提供了两个反质子间相互作用的直接信息,给出了对量子场论和对称原理的一个直接验证,为进一步理解更复杂的反原子核及其属性奠定了基础。相关研究论文发表在2015年11月19日Nature[527(7578):345—348]上。

  Nature审稿人对该研究给予高度赞赏:“这是首例反质子-反质子作用的直接测量。文章宣布了一个重要发现:反质子作用与质子作用等同。这个测量是对反物质作用力的重要原创性贡献。”“该工作对于理解强相互作用的CPT对称性具有重要作用”。论文发表后,受到国内外媒体、学术界、研究基金会的广泛关注,在学界产生了巨大反响。

   5. 探测到宇宙早期最亮、中心黑洞质量最大的类星体

  发现遥远宇宙中的明亮天体对了解早期宇宙的结构极为重要,位于宇宙早期的高红移类星体是研究早期宇宙的重要探针。迄今为止,天文学家通过大型巡天已经发现了30多万个类星体,其中大约有40个类星体红移大于6(即距离超过127亿光年)。

  北京大学物理学院吴学兵研究组与合作者基于自主发展的选取高红移类星体候选体的有效方法和判据,利用中国科学院云南天文台的2.4米光学望远镜首先观测和国外4台大型光学和红外地面望远镜后续观测,发现一个距离我们128亿光年(红移6.3)、发光强度是太阳的430万亿倍、中心黑洞质量约为120亿太阳质量的超亮类星体。这是目前发现的在宇宙早期最亮、中心黑洞质量最大的一个类星体,也是世界上第一个利用2米级光学望远镜发现的红移6以上的类星体。

  该发现证实在宇宙年龄只有9亿年时,就已经形成质量为120亿太阳质量的黑洞,这对目前的黑洞形成和增长理论以及黑洞和星系共同演化理论都提出了严重的挑战,并为未来研究早期宇宙中黑洞和星系的形成和演化提供了一个特别的实验室。相关研究论文发表2015年2月26日Nature[518(7540):512—515]上。 

  6. 发现东亚最早的现代人化石

  作为人类起源与演化研究的重要组成部分,现代人起源一直是古人类学研究与争议的热点。目前,国际学术界的主流观点支持现代人起源于非洲,认为现代人19万年前起源于非洲,6万年前扩散到欧亚大陆,成为当地现代人的祖先。近10年来,中国学者在这个领域的研究取得一系列重要进展,确定早期现代人至少10万年前在华南地区已经出现。然而,学术界对于具有完全现代形态的人类在东亚地区出现时间尚不清楚。

  中国科学院古脊椎动物与古人类研究所刘武和吴秀杰研究组与英国MaríaMartinón-Torres合作等报告了对中国南部湖南省道县福岩洞的最新发掘资料。他们先后发现了47枚人类牙齿化石以及大量动物化石。研究显示,道县人类牙齿尺寸较小,明显小于欧洲、非洲和亚洲更新世中、晚期人类,位于现代人变异范围,牙齿齿冠和齿根呈现典型现代智人特征。这些形态和尺寸对比分析说明道县人类牙齿已经具有完全现代形态,可以明确归入现代智人。测年结果表明,这批人类化石的埋藏年代在 8—12万年前。动物群组成则指示出晚更新世早期的特点,进一步支持测年的结果。据此可以确定,具有完全现代形态的人类至少8万年前在华南局部地区已经出现。这项研究以可靠的地层年代数据和详实的化石形态特征提供了迄今最早的现代类型人类在华南地区出现的化石证据,填补了现代类型人类在东亚地区最早出现时间和地理分布的空白。这是继2010年广西智人洞下颌骨发现之后,中国学者在东亚现代人起源方面取得的又一项重大突破,对“中国没有早于6万年的现代人”这一国际主流观点提出了有力挑战。

  此外,与这群现代人同时代的北方地区,还生活着形态特征更原始的“土著居民”,道县的研究描绘了一幅中国南北地区不同人群共同存在的场景,进而提出现代人在中国扩散的可能路线为由南向北。这些发现对于探讨现代人在欧亚地区的出现和扩散具有非常重要的意义。相关研究论文发表在2015年10月29日Nature[526(7575):696—699]上。

 

  7. 揭示人类原始生殖细胞基因表达与表观遗传调控特征

  生殖细胞(精子和卵子)是生命繁衍、物种延续、世代相传的种子和纽带。生殖细胞来自于个体发育早期形成的原始生殖细胞。这类特殊的原始生殖细胞的基因表达调控与其他体细胞有何不同?除了遗传序列本身,亲本还把哪些表观遗传记忆留在了原始生殖细胞中? 哪些表观遗传记忆信息需要被擦除?这些关键问题一直没有解决。

  北京大学生物动态光学成像中心汤富酬研究组和北京大学第三医院乔杰研究组采用最新的单细胞转录组高通量测序等关键技术,深度解析了人类原始生殖细胞多个发育阶段的转录组和DNA甲基化组的动态变化,揭示了人类原始生殖细胞基因表达调控的一系列关键特征。该项研究显示,处于发育早期的人类原始生殖细胞协同表达一系列多能性基因以及生殖系特异基因。基因组DNA甲基化作为一种关键的表观遗传修饰方式,是调控细胞分化过程中基因表达的关键机制之一。他们的研究首次发现女性原始生殖细胞中X染色体重新激活明显早于小鼠,而且SOX15 仅特异性高表达于人类早期原始生殖细胞,推测其是调控原始生殖细胞发育与性别分化的重要基因。此外,该项研究发现人类原始生殖细胞在发育过程中会经历大规模的表观遗传记忆(DNA甲基化标记)的擦除,在胚胎第11周时原始生殖细胞中仅有6%—7%的DNA甲基化得以保留;但另外一方面,基因组中的一些特殊的重复序列元件上仍然残留大量甲基化,这为研究人类隔代遗传现象的表观遗传学基础提供了重要线索。相关研究论文发表在2015年6月4日Cell[161(6):1437—1452]上。

  Cell杂志邀请国际表观遗传学专家Meyenn和Reik教授在同期发表的述评认为,该项研究为人类提供了详尽的人类原始生殖细胞发育过程中基因表达网络及其表观遗传调控景观图,这是理解基因组潜能重置、表观遗传记忆擦除、人类生殖细胞建立的基础。这方面的知识有助于更好地理解人类生殖细胞和早期胚胎发育特征与规律。 

  8. 解析细胞炎性坏死的关键分子机制

  细胞炎性坏死(或称为细胞焦亡)是三种细胞程序性死亡方式之一(另两种是细胞凋亡和细胞坏死),它是机体的重要免疫防御反应,在清除病原感染中发挥重要作用;也与败血症等多种疾病发生密切相关。细胞焦亡由炎性半胱天冬酶(caspase-1和caspase-4/5/11)介导,但具体机制不明。

  北京生命科学研究所邵峰团队利用最新的CRISPR/Cas9基因组编辑技术,针对caspase-1 和caspase-11介导的细胞焦亡进行了全基因组遗传筛选,鉴定出全新的Gasdermin D (GSDMD)蛋白,并证明GSDMD是所有炎性半胱天冬酶的共有底物,其切割对于炎性半胱天冬酶激活细胞焦亡既是必要的也是充分的。这是20年来首次揭示细胞焦亡的关键分子机制,为多种自身炎症性疾病和内毒素诱导的败血症提供了全新的药物靶点。该研究还首次发现Gasdermin家族(包含GSDMD)都具有诱导细胞焦亡的功能,开辟了细胞程序性坏死和天然免疫研究的新领域。相关研究论文发表在2015年10月29日Nature[526(7575):660—665]上。

  瑞士巴塞尔大学的Petr Broz教授对该研究成果的点评认为,“发现GSDMD作为细胞焦亡的关键因子对于我们理解炎症性半胱天冬酶如何诱发细胞死亡是概念上的突破。研究清楚GSDMD介导细胞焦亡的分子机制非常有可能为我们带来治疗炎性小体相关的炎症性疾病和代谢疾病的全新方案。” 

  9. 研制出碳基高效光解水催化剂

  利用太阳光直接催化分解水同时制取氢和氧是发展清洁、绿色可再生能源的理想策略之一。在过去40年,聚焦于一步、四电子过程来研究光催化分解水,已经开发出多种无机和有机材料体系的光解水催化剂。然而,大多数光催化剂量子效率较低、稳定性较差。

  苏州大学纳米科学技术学院康振辉、YeshayahuLifshitz和李述汤研究组设计构建出一种非金属碳纳米点-氮化碳(C3N4)纳米复合材料高效光解水催化剂,提出并示范了一种两步、两电子过程的高效完全光解水新机制,实现了可见光下高效的全分解水:第一步,氮化碳分解水生成过氧化氢和氢气;第二步,碳纳米点将过氧化氢分解成水和氧气。该催化剂具有较好的稳定性(可见光催化活性200天保持不变)以及较高的太阳能到氢能的转换效率(波长420±20 nm下量子效率为16%,太阳能到氢能的转换效率约为2%)。此外,该催化剂材料还具备廉价、资源丰富、环境友好等优点。相关研究论文发表在2015年2月27日Science[347(6225):970—974]上。

  伦敦大学玛丽女王学院Steve Dunn教授评价该研究为“是该领域的彻底变革”。该研究结果为深入理解和设计高效光催化剂提供了新的思路。 

  10. 实现对单个蛋白质分子的磁共振探测

  在纳米尺度上直接测量单个分子的组成、结构及动力学性质,是当今物质科学探索的发展趋势。自旋磁共振是重要的物质科学研究手段,在前沿科学和国民生产众多领域均有广泛的应用。然而基于磁电感应探测原理的传统磁共振技术,通常只能测量毫米尺度以上百亿个分子系综的统计平均性质,无法实现对单个分子的直接测量。

  中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)杜江峰领衔的研究团队使用最新的量子操控技术,基于钻石量子探针和新颖的自旋量子干涉仪探测原理,实现了单分子磁共振的突破。该团队于国际上首次获取了单个蛋白质分子(直径约5纳米)的顺磁共振谱,并解析出其动力学信息,成功将电子顺磁共振技术分辨率从毫米推进到纳米,灵敏度从1010分子推进到单个分子。该新技术可用来在单分子层面认识物质科学和生命科学的机理,在物理、化学及生命科学等多个领域有广泛应用前景,特别是其室温大气的宽松实验条件为生命科学等领域的研究提供了尤为适宜的条件。相关研究论文发表在2015年3月6日Science[347(6226):1135—1138]上。

  这一成果在国际同领域引起了很大反响,得到美国化学会、德国马普所等广泛的新闻报道。Science杂志将该成果选为研究亮点并配发专文报道,称其“实现了一个崇高的目标”,“是通往活体细胞中单蛋白分子实时成像的重要里程碑”。

 

 

 
文章来源:中国科技网微信公众号
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