2017年度中國科學十大進展解讀 - 全文

科技部基礎(chǔ)研究司與科技部基礎(chǔ)研究管理中心聯(lián)合舉辦“2017年度中國科學十大進展專家解讀會”，正式發(fā)布2017年度中國科學十大進展。

圖為頒發(fā)榮譽證書現(xiàn)場

1．實現(xiàn)星地千公里級量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)

“墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)千公里級量子糾纏分發(fā)

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星由我國完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學實驗衛(wèi)星，于2016年8月16日發(fā)射升空，2017年1月18日完成在軌測試，正式交付開展科學實驗。中國科學技術(shù)大學潘建偉和彭承志研究組聯(lián)合中國科學院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組等，創(chuàng)新性地突破了包括天地雙向高精度光跟瞄、空間高亮度量子糾纏源、抗強度漲落誘騙態(tài)量子光源以及空間長壽命低噪聲單光子探測等多項國際領(lǐng)先的關(guān)鍵技術(shù)，利用“墨子號”在國際上率先實現(xiàn)了千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗；實現(xiàn)了千公里級星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)，密鑰分發(fā)速率比地面同距離光纖量子通信水平提高了20個數(shù)量級，為構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的技術(shù)支撐，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術(shù)基礎(chǔ)。

相關(guān)研究進展分別發(fā)表在2017年6月16日《科學》［Science， 356（6343）：1140—1144］和2017年9月7日《自然》［Nature，549（7670）：43—47］和［Nature， 549（7670）：70—73］上。研究成果一經(jīng)發(fā)表，隨即引起了國際學術(shù)界和新聞媒體的廣泛關(guān)注，同時也得到了國際學術(shù)界的高度評價，入選了Nature雜志點評的和美國著名科學媒體Science News評選的“2017年度重大科學事件”?！澳犹枴笔紫茖W家潘建偉教授也入選了Nature雜志評選的“2017年度改變世界的十大科學人物”，被稱之為“讓量子通信馳騁于天地之間的物理學家”。

2．將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗及治療性藥物

流感、艾滋病和埃博拉出血熱等烈性傳染病時刻危害著人類的健康和社會穩(wěn)定，其幕后“黑手”是結(jié)構(gòu)和功能多樣且快速變異的病毒，而疫苗是預(yù)防病毒感染的有效手段。北京大學藥學院周德敏、張禮和研究組以流感病毒為模型，在保留病毒完整結(jié)構(gòu)和感染力的情況下，僅突變病毒基因的一個三聯(lián)遺傳密碼為終止密碼，流感病毒就由致病性傳染源變?yōu)轭A(yù)防性疫苗，再突變多個三聯(lián)碼為終止密碼，病毒就變?yōu)橹委熜运幬?。此類疫苗的特點是保留了野生型病毒的全部抗原、感染活力和相同的感染途徑，可以誘發(fā)人體產(chǎn)生強而廣的體液免疫、鼻腔黏膜免疫以及T－細胞活化免疫應(yīng)答，但感染人體后復制能力缺失。這種復制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到驗證，達到廣譜、持久和高效的效果。

該方法顛覆了傳統(tǒng)滅活／減毒疫苗的理念，前者需改變病毒抗原結(jié)構(gòu)去除其毒性，只能部分激發(fā)人體免疫力，所以需要多次接種。后者需要復雜的工藝處理方能保留病毒的完整結(jié)構(gòu)，但仍具有弱的復制能力和潛在的致病性，安全隱患大。該方法將是研發(fā)活病毒疫苗的一種通用方法，并可針對幾乎所有病毒。相關(guān)研究進展發(fā)表在2016年12月2日《科學》［Science， 354（6316）：1170—1173］上。該研究進展是我國長期支持基礎(chǔ)研究、并鼓勵基礎(chǔ)研究進行臨床轉(zhuǎn)化的典型范例。Science雜志評述該進展為病毒疫苗領(lǐng)域的革命性突破，Nature雜志稱其為“馴服病毒的新方法”。

3．首次探測到雙粲重子

由兩個粲夸克和一個上夸克組成的雙粲重子

歐洲核子研究中心于2017年7月6日宣布， 來自大型強子對撞機（LHC）上底夸克探測器（LHCb）國際合作組的科學家們發(fā)現(xiàn)了一種被稱為雙粲重子的新粒子，該粒子帶有兩個單位電荷，質(zhì)量約3621兆電子伏特，幾乎是質(zhì)子質(zhì)量的4倍。與質(zhì)子和中子類似，新發(fā)現(xiàn)的雙粲重子由三個夸克組成，但其夸克組分不同：質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而雙粲重子則由兩個較重的粲夸克和一個上夸克組成。理論預(yù)期雙粲重子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)迥異于之前發(fā)現(xiàn)的粒子，對其性質(zhì)的研究將有助于人類深入理解物質(zhì)的構(gòu)成和強相互作用力的本質(zhì)。

　　相關(guān)研究進展發(fā)表在2017年9月11日《物理評論快報》上。底夸克探測器國際合作組由來自16個國家的超過1000名科學家組成。由清華大學高原寧領(lǐng)導的中國研究團隊通過與國內(nèi)理論家密切合作，主導了此次雙粲重子發(fā)現(xiàn)的物理分析工作，對該粒子的發(fā)現(xiàn)做出了關(guān)鍵性貢獻。

　　4.實驗發(fā)現(xiàn)三重簡并費米子

　　組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子。現(xiàn)有的理論認為宇宙中只可能存在三種類型的費米子，即狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子，其中狄拉克費米子具有四重簡并，外爾費米子和馬約拉納費米子具有兩重簡并，而三重簡并的費米子在宇宙中是不存在的。

　　這三種類型的費米子也能夠以準粒子的形式存在于固體材料中，其中狄拉克費米子和外爾費米子的存在已在實驗上得到確證，馬約拉納費米子也得到一些實驗的支持。這些固體材料被通俗地稱為“固體宇宙”，與真實的宇宙相對應(yīng)。

　　與時空連續(xù)的宇宙空間不同，“固體宇宙”只滿足不連續(xù)的分立空間對稱性，這就可能出現(xiàn)真實宇宙中不存在的新型費米子。在“固體宇宙”中尋找新型費米子是近年來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個挑戰(zhàn)性的前沿科學問題，也是該領(lǐng)域國際競爭的焦點之一。

　　中國科學院物理研究所丁洪、錢天和石友國研究組與合作者，在上海光源“夢之線”和瑞士光源上利用角分辨光電子能譜實驗技術(shù)，在磷化鉬晶體中觀測到一類具有三重簡并的費米子。這是首次實驗發(fā)現(xiàn)超出傳統(tǒng)的狄拉克/外爾/馬約拉納類型的費米子。他們的實驗發(fā)現(xiàn)開辟了探索凝聚態(tài)體系中非傳統(tǒng)費米子的途徑，對促進人們認識量子物態(tài)、發(fā)現(xiàn)新奇物理現(xiàn)象、開發(fā)新型電子器件具有重要的意義。相關(guān)研究進展發(fā)表在2017年6月29日《自然》上。

　　5.實現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲

　　氫能被譽為下一代二次清潔能源，但氫氣的高效制備以及安全存儲和運輸一直以來是阻礙氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

　　由于甲醇可以安全運輸，將氫氣存儲于液體甲醇中，通過水和甲醇低溫液相重整反應(yīng)原位產(chǎn)氫，在釋放出甲醇中存儲的氫氣的同時也活化等摩爾的水而釋放出額外的氫氣，就成為氫能利用的可行途徑。

　　這種過程裝置簡單、耗能低，而釋放出的氫氣占重比可達18.8％。北京大學化學與分子工程學院馬丁研究組與中國科學院山西煤化研究所溫曉東以及大連理工大學石川等合作的研究表明，將鉑單原子分散在面心立方結(jié)構(gòu)的碳化鉬（α-MoC）上制備的催化劑可用于甲醇的液相重整，在較低溫度下（150—190攝氏度）能夠表現(xiàn)出很高的產(chǎn)氫活性。

　　同時，該研究團隊在在水煤氣變換產(chǎn)氫過程（CO+H2O=CO2+H2）中也突破了低溫條件下高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率不能兼得的難題， 發(fā)展了基于Au/α-MoC的新一代催化過程。相關(guān)研究進展分別發(fā)表在2017年4月6日《自然》和2017年7月28日《科學》上。

　　上述研究進展被多家科學媒體報道并高度評價，有關(guān)媒體認為“隨著此高活性催化體系的成功，把氫氣存儲于甲醇并在需要時重整釋放的概念可能得到實際應(yīng)用，這是氫能儲存和輸運體系的一個重大突破”。

　　6.研發(fā)出基于共格納米析出強化的新一代超高強鋼

　　超高強鋼在航空航天、交通運輸、先進核能以及國防裝備等國民經(jīng)濟重要領(lǐng)域發(fā)揮支撐作用，而且也是未來輕型化結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全防護的關(guān)鍵材料。

　　北京科技大學呂昭平研究組與合作者針對低成本高性能的目標，創(chuàng)新性提出利用高密度共格納米析出相來強韌化超高強合金的設(shè)計思想，采用輕質(zhì)且便宜的鋁元素替代馬氏體時效鋼中昂貴的鈷和鈦等元素，大幅降低成本的同時通過簡單的熱處理促進極高密度、全共格納米相析出，研發(fā)出共格納米析出強化的新一代超高強鋼。

　　他們通過調(diào)控晶格錯配度使得析出相在產(chǎn)生極低共格畸變的同時又具有高的有序抗力，這極大增強了合金的強度但不犧牲其延展性能。相關(guān)研究進展發(fā)表在2017年4月27日在《自然》上。

　　《自然·材料》（Nature Materials）發(fā)表專門評述文章指出，該研究“以完美的超強馬氏體鋼設(shè)計思想，簡化的合金元素及析出相強化本質(zhì)，為研發(fā)具有優(yōu)異的強度、塑性和成本相結(jié)合的結(jié)構(gòu)材料提供了新的途徑”。

　　7.利用量子相變確定性制備出多粒子糾纏態(tài)

　　實現(xiàn)多粒子糾纏是量子物理實驗研究的一大追求。清華大學物理系尤力和鄭盟錕研究組，通過調(diào)控銣-87原子玻色-愛因斯坦凝聚體中的自旋混合過程，使其連續(xù)發(fā)生兩次量子相變，實現(xiàn)了包含約11000個原子的雙數(shù)態(tài)的確定性制備。

　　通過直接觀測該糾纏態(tài)，他們表征其不同內(nèi)態(tài)間原子數(shù)的差值的漲落低于經(jīng)典極限10.7±0.6分貝，其集體自旋的歸一化長度為近似完美的0.99±0.01。這兩個指標反映該多體糾纏態(tài)可以提供超越標準量子極限約6分貝的相位測量靈敏度，以及至少910個的糾纏原子數(shù)——創(chuàng)造了目前能確定性制備的量子糾纏粒子數(shù)目的世界紀錄。

　　利用量子相變確定性制備多體糾纏態(tài)是一種嶄新的嘗試。由于連續(xù)量子相變點處有限系統(tǒng)的能隙很小，系統(tǒng)穿過相變點時會產(chǎn)生較大的激發(fā)。量子相變點兩邊迥異的多體能級結(jié)構(gòu)依然能夠幫助制備出高品質(zhì)的多粒子糾纏態(tài)。

　　這一全新的理解和糾纏態(tài)制備方法為未來其它多粒子糾纏態(tài)的制備提供了一種思路。另外，雙數(shù)態(tài)的確定性制備為超越標準量子極限的測量科學與技術(shù)的實用化發(fā)展。相關(guān)研究進展發(fā)表在2017年2月10日《科學》上。

　　8.中國發(fā)現(xiàn)新型古人類化石

　　長期以來，古人類學界對在中國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的中更新世晚期至晚更新世早期過渡階段古人類成員的演化地位一直存在爭議。爭論的焦點是：他們是由本地的古人類連續(xù)進化而來？還是外來人群的成功入侵者？

　　最近在河南靈井遺址發(fā)現(xiàn)的兩件距今10.5—12.5萬年前的古人類——許昌人的頭骨化石，為探討這一階段中國古人類的演化模式提供了重要信息。

　　中國科學院古脊椎動物與古人類研究所吳秀杰研究組與美國華盛頓大學Erik Trinkaus等合作的研究顯示，許昌人顱骨既具有東亞古人類低矮的腦穹隆、扁平的顱中矢狀面等特征，同時又兼具歐亞大陸西部尼安德特人一樣的枕骨（枕圓枕上凹/項部形態(tài)）和內(nèi)耳迷路（半規(guī)管）形態(tài)，呈現(xiàn)出演化上的區(qū)域連續(xù)性和區(qū)域間種群交流的動態(tài)變化。此外，許昌人超大的腦量（1800 cc）和纖細化的腦顱結(jié)構(gòu)，又體現(xiàn)出中更新世人類生物學特征演化的一般趨勢。目前還無法將其歸入任何已知的古人類成員之中，許昌人可能代表一種新型的古老型人類。

　　這項研究填補了古老型人類向早期現(xiàn)代人過渡階段中國古人類演化上的空白，表明晚更新世早期中國境內(nèi)可能并存有多種古人類成員，不同群體之間有雜交或者基因交流。許昌人化石為中國古人類演化的地區(qū)連續(xù)性以及與歐洲古人類之間的交流提供了一定程度的支持。

　　相關(guān)研究進展發(fā)表在2017年3月3日《科學》上。該研究發(fā)現(xiàn)引起了國內(nèi)外學術(shù)界和媒體的極大關(guān)注，Science、Current Biology等國際頂端學術(shù)期刊都為此發(fā)表專題評論，認為這項研究填補了古老型人類向早期現(xiàn)代人過渡階段東亞地區(qū)古人類演化上的空白，是中國學者在古人類研究領(lǐng)域取得的一項重大突破。

　　9.酵母長染色體的精準定制合成

　　基因組設(shè)計合成是對基因組進行全新設(shè)計和從頭構(gòu)建，然而，基因組合成面臨長染色體難以精準合成、合成染色體導致細胞失活等難題。

　　天津大學元英進、清華大學戴俊彪、深圳華大基因楊煥明等團隊與合作者利用多級模塊化和標準化人工基因組合成方法，實現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核長染色體的定制合成，建立了基于多靶點片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復技術(shù)和DNA大片段重復的修復技術(shù)，成功設(shè)計構(gòu)建了4條釀酒酵母長染色體，實現(xiàn)了真核長染色體合成序列與設(shè)計序列的完全匹配。解決了合成基因組導致細胞失活的難題。

　　在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了人工環(huán)形染色體，為當前無法治療的染色體成環(huán)疾病發(fā)生機理和潛在治療手段建立了研究模型。該研究為深化理解生命進化、基因組與功能關(guān)系等基礎(chǔ)科學問題提供了新的思路。

　　相關(guān)研究進展以4篇論文形式發(fā)表在2017年3月10日《科學》上。研究成果引起國內(nèi)外專家和媒體的極大關(guān)注。

　　10.研制出可實現(xiàn)自由狀態(tài)腦成像的微型顯微成像系統(tǒng)

　　北京大學生物膜與膜生物工程國家重點實驗室程和平及陳良怡研究組與電子工程與計算機科學學院張云峰和王愛民等合作，運用微集成、微光學、超快光纖激光和半導體光電子學等技術(shù)，成功研制出2.2克微型化佩戴式雙光子熒光顯微鏡。在國際上首次記錄了懸尾、跳臺、社交等自然行為條件下，小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的高速高分辨圖像。

　　此項突破性技術(shù)將開拓新的研究范式，在動物自然行為條件下，實現(xiàn)對神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)信息處理的長時程觀察，這樣不僅可以“看得見”大腦學習、記憶、決策、思維的過程，還將為可視化研究自閉癥、阿爾茨海默病、癲癇等腦疾病的神經(jīng)機制發(fā)揮重要作用。

　　相關(guān)研究進展發(fā)表在2017年7月《自然·方法學》上。該成像系統(tǒng)被2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主Edvard I. Moser稱之為研究大腦的空間定位神經(jīng)系統(tǒng)的革命性新工具。

　　附：近五年的中國科學十大進展

　　2016年

　　一、研制出將二氧化碳高效清潔轉(zhuǎn)化為液體燃料的新型鈷基電催化劑；

　　二、開創(chuàng)煤制烯烴新捷徑；

　　三、揭示水稻產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢的分子遺傳機制；

　　四、提出基于膽固醇代謝調(diào)控的腫瘤免疫治療新方法；

　　五、揭示RNA剪接的關(guān)鍵分子機制；

　　六、發(fā)現(xiàn)精子RNA可作為記憶載體將獲得性性狀跨代遺傳；

　　七、研制出首個穩(wěn)定可控的單分子電子開關(guān)器件；

　　八、構(gòu)建出世界上首個非人靈長類自閉癥模型；

　　九、揭示胚胎發(fā)育過程中關(guān)鍵信號通路的表觀遺傳調(diào)控機理；

　　十、揭示水的核量子效應(yīng)。

　　2015年

　　一、實現(xiàn)單光子多自由度量子隱形傳態(tài)；

　　二、理論預(yù)言并實驗驗證外爾半金屬的存在；

　　三、揭示埃博拉病毒演化及遺傳多樣性特征；

　　四、實現(xiàn)對反物質(zhì)間相互作用力的測量；

　　五、探測到宇宙早期最亮中心黑洞質(zhì)量最大的類星體；

　　六、發(fā)現(xiàn)東亞最早的現(xiàn)代人化石；

　　七、揭示人類原始生殖細胞基因表達與表觀遺傳調(diào)控特征；

　　八、解析細胞炎性壞死的關(guān)鍵分子機制；

　　九、研制出碳基高效光解水催化劑；

　　十、實現(xiàn)對單個蛋白質(zhì)分子的磁共振探測。

　　2014年

　　一、闡明獨腳金內(nèi)酯調(diào)控水稻分蘗和株型的信號途徑；

　　二、發(fā)現(xiàn)新生期心臟具有重新生成冠狀動脈的能力；

　　三、提出并驗證了一種既可提高產(chǎn)量又可降低環(huán)境成本的種植模式；

　　四、利用溶液法制備出高性能量子點發(fā)光二極管；

　　五、合成出具有空前硬度和熱穩(wěn)定性的納米孿晶金剛石 ；

　　六、提出并證實極體移植可有效阻斷線粒體遺傳病的傳遞 ；

　　七、利用極體高通量測序結(jié)果精確推演出母源基因組信息；

　　八、證實青藏高原通過下部地殼物質(zhì)流動和上部地殼沿斷層塊體滑移兩種方式向東擴張；

　　九、利用納米限域的單鐵催化劑實現(xiàn)天然氣直接制乙烯；

　　十、發(fā)現(xiàn)炎癥性半胱天冬酶是胞內(nèi)細菌脂多糖的先天免疫受體 。

　　2013年

　　一、中國科學家積極應(yīng)對新發(fā)H7N9禽流感病毒取得重要進展；

　　二、在磁性拓撲絕緣體中觀測到量子反?；魻栃?yīng) 清華大學；

　　三、利用原子力顯微鏡直接觀測到分子間氫鍵；

　　四、北京譜儀Ⅲ觀測到一種包含至少4個夸克的帶電粒子；

　　五、小麥A基因組和D基因組草圖繪制完成；

　　六、利用小分子化合物將小鼠體細胞誘導轉(zhuǎn)化為多能干細胞；

　　七、合成出超硬納米雙晶立方氮化硼 ；

　　八、研發(fā)出一種兼具大彈性應(yīng)變、低模量和高強度的相變金屬納米復合材料；

　　九、基于等離激元增強拉曼散射實現(xiàn)單分子化學成像；

　　十、發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞多巴胺D2受體通過αB晶狀體球蛋白抑制神經(jīng)炎癥。

　　2012年

　　一、神舟九號和天宮一號成功實現(xiàn)載人交會對接；

　　二、可擴展量子信息處理取得系列重要進展 中國科學技術(shù)大學；

　　三、闡明二疊—三疊紀之交生物大滅絕及其復蘇模式和原因；

　　四、大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式；

　　五、揭示兩種天然產(chǎn)物靶向特異蛋白治療白血病的機制；

　　六、證實單倍體孤雄干細胞具有可替代精子和快速傳遞基因修飾的能力；

　　七、生態(tài)學試驗證實Bt轉(zhuǎn)基因棉花種植可促進對害蟲的生物控制；

　　八、解析出TAL效應(yīng)蛋白特異性識別DNA的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；

　　九、揭示營養(yǎng)匱乏引發(fā)細胞自噬的分子機制；

　　十、發(fā)現(xiàn)利用倒置結(jié)構(gòu)可提高聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。