2006年度中国基础研究十大新闻

2021年7月3日20:19:24来源:中国科学院院刊2006年度中国基础研究十大新闻已关闭评论223 views 16049字阅读53分29秒

北京谱仪国际合作组发现一个新粒子——X1835

北京谱仪国际合作组2006年1月在北京中国科学院高能物理研究所和美国夏威夷大学同时宣布:在北京正负电子对撞机上进行的北京谱仪实验中观测到一个新粒子——X1835。该粒子是在分析粲粒子J/ψ衰变到1个光子和3个介子的过程中发现的,其质量约为1 835MeV(约为3.3×1027kg),略低于二倍质子质量,其寿命非常短,仅约1023s。该新发现于2005年7月1日在瑞典举行的国际高能物理大会上报告后,立刻引起非常强烈地反响。大会主席 Tord Ekelof 教授认为这是一项非常重要的成果,他对记者说:“这可能是首次观测到物质和反物质可以通过强作用力形成束缚态的证据,因而非常重要”。该项研究成果2005年12月31日已在国际著名期刊《物理评论快报》上发表(Physical Review Letters,95,262001)。
自然界目前已确认的参加强相互作用的粒子均由2个或3个夸克组成。粒子物理学家一直猜测应该存在一些新型粒子,包括由多于3个夸克组成的多夸克态粒子、由胶子(传播强相互作用的基本粒子)和夸克混合组成的混杂态粒子以及由胶子组成的胶子球。因此实验上发现多夸克态、混杂态和胶子球等新型粒子,无疑将是对粒子物理基本理论的重要检验和发展。寻找这些新型粒子一直是包括北京谱仪实验在内的许多高能物理实验重要的物理目标。X1835有可能就是这样的一种新型粒子。粒子物理学家对其基本结构进行了各种猜测:一种观点认为X1835有可能与两年前北京谱仪国际合作组在J/ψ粒子辐射衰变到质子反质子过程中观测到的一个可能的新粒子是同一种粒子,因而它可能是质子反质子束缚态(一种由6个夸克组成的新型粒子);也有观点则认为它可能是胶子球或常规介子等。目前的实验数据还不足以对这些理论解释和猜测做出最终的判断,对X1835基本结构及性质进一步深入的理论和实验研究,无疑将促进粒子物理基本理论的发展,也将加深我们对自然界的认识。
此项研究得到了国内理论物理学家的关心和大力支持,两年来理论物理学家和实验物理学家举行了多次针对北京谱仪实验一系列新发现的专题研讨会。理论和实验的联合研究对此项研究取得重大进展起到了重要推动作用。
北京谱仪国际合作组是由来自中、美等国的20多所大学和研究机构的物理学家组成。近几年来,北京谱仪实验的物理分析研究取得了丰硕成果,合作组在国际一流期刊上发表了约80篇研究论文,尤其是在多夸克态粒子寻找领域取得了一系列新发现,使得我国高能物理实验研究在这一国际前沿领域处于领先地位。目前,北京正负电子对撞机和北京谱仪正在进行重大改造工程,计划在2007年年中投入运行,预期性能最终将提高100倍左右。届时将能获取比现有数据约大两个数量级的数据样本,在此基础上我们将对X1835粒子等最近取得的一系列新发现进行更加深入的研究。
(北京谱仪国际合作组 金 山供稿)

发现5亿8千万年前的两侧对称动物胚胎的化石

我国贵州瓮安动物化石群的发现是生物演化研究史上的一起重要事件。它的发现和研究为进化论提供了新的支持证据,平息了一场对达尔文进化论的“围剿”;为“寒武纪大爆发”事件的重新诠释提供了新的关键性证椐。
然而瓮安动物化石群的诠释,特别是胚胎化石的诠释充满着挑战。由于瓮安动物化石群主要由动物卵和胚胎所组成,成体化石非常稀少。卵和胚胎不仅对古生物学家是一个全新的研究领域,从卵和胚胎来诠译这些卵和胚胎双亲的生物属性对训练有素的胚胎生物学家来说也是一个天大的难题。对这些古老胚胎化石的诠释不仅需要智慧和知识,而且有待于方法和技术上的突破。
两侧对称动物在生命整个过程或生命周期的某个阶段左右对称和前后轴向构造。中胚层的出现是两侧对称动物起源的重要事件,为动物组织、器官和系统的分化,为动物向更加复杂的体构及更加复杂的行为演化,乃至人类的出现开启了窗口。两侧对称动物不仅是现今,而且在5亿3千万年前的澄江动物化石群已经成为动物界的主体成员。澄江两侧对称动物化石群已经开始了高度的分化,现代两侧对称动物许多门或亚门一级在澄江动物化石群都能找到化石代表。
尽管两侧对称动物在寒武纪之前一定已经有了相当长的演化历史,它们的演化在瓮安动物群一定已经开始起程。然而除了微型成体化石——贵州小春虫外,尚未关于两侧对称动物的新发现。尽管瓮安所保存的大量动物胚胎化石之中一定有两侧对称动物胚胎的存在,但如何将这些两侧对称动物胚胎与其他胚胎区分开来,仍困难重重。具极叶胚胎化石的研究成果,首次揭示了两侧对称动物胚胎化石在瓮安动物化石群中的存在,为化石胚胎学的研究展现了前景。
动物胚胎在受精后开始进入卵裂及随后的其他发育过程。两侧对称动物的胚胎卵裂主要由两种类型所组成,即辐射卵裂和螺旋卵裂。大家所熟悉的螺狮、蚯蚓、水蛭等都是以螺旋卵裂方式进行卵裂。
螺旋卵裂动物中的一类通过极叶这一奇特方式将胚胎的某些遗传物质集中到某一特定的细胞——D细胞或D细胞系内。极叶是胚胎卵裂中所形成的一个不具细胞核的卵裂球状构造。极叶在胚胎的卵裂过程中不断从D细胞或D细胞系长出来,不久后又为D细胞或D细胞系所吸收。因而形成了与其他胚胎不同的三叶状、J-字形和5叶状构造。
但单凭三叶状,J-字形和5叶状构造就将这些化石与现生具极叶两侧对称动物作类比理由尚不充足,这是因为胚胎卵裂球不同步分裂也可形成由奇数所组成的胚胎。具极叶胚胎化石与不同步分裂胚胎化石具有以下不同特征,即极叶/AB与极叶/(极叶 CD)之间体积比值存在正相关的关系。具极叶胚胎不同于不同步分裂胚胎的另一个重要的特征,是极叶和与之连通的细胞之间存在颈状的细胞质通道。D细胞及D细胞系正是借助这一通道将细胞质向极叶输送或将极叶内的胞质吸入到D细胞及D细胞系中的。
基于同步辐射相衬微CT的三维成像方法不仅对三分体胚胎各裂球的体积测量可给出高精度的数据,而且可以直接检验极叶与相连细胞之间是否存在所预测的颈状通道。
中科院南京地质古生物研究所陈均远与合作者,在北京和台湾的同步辐射装置上分别用这个方法对来自翁安动物群的胚胎化石进行三维成像,最后在欧洲同步辐射装置上获得了最为理想的图像结果,从所预测的极叶中观察到了颈状构造,为极叶身份的认定提供了重要的依据。该研究结果不仅为前寒武纪两侧对称动物演化史提供了新的可靠证据,而且也暗示了两侧对称动物在瓮安动物群已经开始了初步分化;同时,该研究初次展现了同步辐射的魅力,也预示古生物与同步辐射的联手将为动物世界伊甸园的揭秘开启一个全新的窗口。相关研究成果发表在2006年6月16日的《科学》(Science, 312(5780):1644—1646)上。
(中科院南京地质古生物研究所陈均远供稿)

成熟森林土壤也可持续积累有机碳

化石燃料的使用,导致大气二氧化碳浓度上升,引起温室效应等一系列环境问题。多年来,科学家在全球范围内开展了大量研究,但仍不能确切解释碳排放与吸收的不平衡现象,即全球化石燃烧和土地利用与覆盖改变(包括森林消亡)所释放的二氧化碳量高于积累在大气和海洋中的二氧化碳量,这就是所谓的全球“碳失汇”问题。该问题的产生具有两种可能:一是对二氧化碳的释放和汇聚的估算存在问题,因为化石燃烧释放的二氧化碳量、大气二氧化碳升高量和海洋吸收的二氧化碳量测定起来相对简单、空间分布均一,该问题主要归结于可能过高地估算了土地利用与覆盖改变所释放的二氧化碳量;二是还存在一个巨大的未知碳汇。如何解释全球“碳失汇”问题已成为一个需要解决的重要科学问题。特别是《京都议定书》生效后,温室气体减排已成为每个国家必须面对的问题。了解全球碳源、碳汇分布、动态及机制不仅是大众关注的科学问题,也成为重要的政治经济问题。许多科学家都在致力于碳汇、碳源研究以期最大限度减轻本国履行该议定书的压力。
此前的研究存在一个理论,即成熟森林生态系统是一个近似于“零碳汇”的系统,该理论集中体现在1969年发表在Science上的一篇文章。成熟森林的地上部分有机碳的贮存量恒定的观点已经被证实并被广泛接受,人们也想当然地接受了成熟森林生态系统是一个近似于“零碳汇”系统的理论。现今很多生态系统模型都以这个未经证实的理论为依据,成熟森林在全球碳循环研究中一直被当作“零碳汇”系统来处理。但成熟森林土壤有机碳长期动态监测尚未见报道。
鼎湖山国家级自然保护区建立于1956年,从那时起,原来就没有被破坏的核心区受到更加严格的保护。特别是1978年成立了中国科学院鼎湖山森林生态系统定位研究站,开始了系统的监测和研究工作。土壤有机碳含量的监测就是从那个时候开始,虽然在20世纪80年代后期和90年代上半期近10年的时间段一度中断了土壤有机碳的监测,但通过两代人的努力仍然获取了长期连续的土壤有机碳动态监测资料。
如何利用这些土壤有机碳动态监测资料获取土壤碳贮量是一个关键问题。一般情况下,要准确计算土壤碳贮量需要土壤有机碳含量、土壤容重和土层厚度变化3个方面的数据。但在鼎湖山保护区内获得的数据中缺乏土层厚度变化记录。中科院华南植物园周国逸与合作者,提出了应用质量守恒和厚度恒定分别求取土壤碳贮量变化的上下限、最后确定多年平均的有机碳年增量的方法,解决了上述问题,最终获得了该森林0—20cm土壤层有机碳贮量以平均每年每公顷0.61吨的速度增加的发现。相关研究论文已经发表在2006年12月1日《科学》 (Science, 314(5804):1417) 上,并在2006年11月30日的《自然》新闻栏目 (Nature: News) 上报道。
该发现具有重要的理论意义和实际意义:
(1) 该发现直接否定了成熟森林生态系统没有碳汇功能的观点。而且,该发现还意味着生态系统在发展过程中,地上地下过程是不同步的,证实了争论已久的理论问题。
(2) 现今的很多生物地球化学循环模型在涉及成熟森林时,都假定碳吸收与排放是平衡的。但根据上述发现,这些生态模型以后有可能需要进行修正,其影响将是深刻的。
(3) 在学科发展方面,Science和审稿者认为,该发现将推动建立生态系统生态学非平衡理论框架。
(4) 如果能证明成熟森林生态系统地下部分可持续积累有机碳的现象是普遍的,将为全球碳平衡找到一个新的碳汇,这将具有重大的实际意义。必然对全球碳汇问题的外交谈判产生影响;同时,也加深了对天然林生态功能的认识。
该发现将为未来全球碳平衡的研究找到一个新的热点。全球碳平衡是全球变化的关键驱动因子之一,但反过来,全球变化也可能驱动着全球碳平衡向着一个与原来我们认知的方向不同的模式发展。有可能是在全球变化发生以前,原来的成熟森林生态系统地下部分并不能积累有机碳,但在全球变化、区域酸沉降和氮沉降作用下,生态系统的地下过程发生了改变。总之,这可能是全球变化与生态系统相互响应过程中的一个全新研究方向。
(中国科学院华南植物园 周国逸供稿)

一种可有效通过皮肤传送大分子药物的透皮短肽——TD-1

经皮给药是药物通过皮肤吸收的一种给药方法,同传统的注射或口服给药相比,经皮给药具有它独特的优点:
(1) 可避免肝脏的首过效应和药物在胃肠道的灭活,达到更好的药效,并减少用药的个体差异;
(2) 能维持恒定有效的血药浓度,避免血药浓度峰谷现象,降低毒副反应;
(3) 能延长药物作用时间,减少给药次数;
(4) 无痛苦,使用方便,患者可以自主用药,也可以随时撤销用药;
(5) 适合于有恶心、呕吐症状以及老人、小孩等类别病人。
调查显示,在同等疗效的情况下,经皮给药是大多数病人的首选给药方式。然而,自1981年第一个经皮给药药物——东莨菪碱上市以来,目前美国FDA仅仅批准了10多种活性成分的透皮药,包括东莨菪碱、硝酸甘油、可乐定、雌二醇、尼古丁、睾酮、醋酸炔烙酮、芬太尼、利多卡因等。这些药物均属于脂溶性物质,分子量小于500Da,而且使用的剂量相对较小。其主要原因是以角质层为主的皮肤屏障限制了亲水性及大分子量物质的透皮能力。作为一个防御与排泄器官,皮肤的功能是抵御外来物质侵入机体和防止体内水分与营养物质的丧失。因而在长期的进化过程中,皮肤组织发展出了优异的屏障功能。
在过去的50多年中,人们进行了大量的工作,力图克服皮肤屏障,以实现经皮给药。已尝试的克服皮肤屏障的方法多种多样,但归纳起来主要有化学渗透促进剂和物理协助这两大类。目前国内外已报道的化学渗透促进剂主要是表面活性剂类、亚砜类、吡咯烷酮类、Azone及其类似物、挥发油、氨基酸及其衍生物、磷脂和油酸、醇类与多元醇类、萜类、胺类酰胺类等。这些化学渗透促进剂可通过改变皮肤角质层类脂排列,影响皮肤角质层水合作用,提高皮肤表面角蛋白中含氮物质与水的结合能力,溶解皮脂腺管内皮脂,以及膨胀和软化角质层使汗腺、毛囊开口变大等机理,帮助药物通过皮肤屏障而促进药物的吸收。化学渗透促进剂对许多药物显示出有一定透皮增强效果,有些在临床上已得到使用。然而,它们有两大不足:易造成皮肤过敏以及不能有效促进大分子如蛋白质类药物透皮。
物理协助是另一大类辅助药物透皮的手段,目前的技术主要包括:
(1) 离子电渗促透——是使用生理学上可接受的电流驱动药物透过皮肤进入机体。研究中还发现只有恒定的直流电能有效地促进药物透皮吸收,而脉冲直流电或交流电则几乎无促透作用。
(2) 超声波促透——是使用一定频率的超声波来改变皮肤角质层的结构,促进药物透皮吸收,该方法的最大特点是短时间内即可增加药物吸收。
(3) 微针促透——用硅或金属制成几百微米的实心或空心微针阵列,然后通过贴片的形式经微针将药物导入皮肤内。
(4) 电致孔促透——是采用瞬时电脉冲引起脂质双分子层水性孔道的暂时性生成技术,这种孔道的形成是可逆的。
(5) 激光促透——应用激光在病人皮肤处除去角质但不显著损伤表皮层,再在该处给以药物治疗。
上述物理协助方法已证明对多种药物有效,且适用于蛋白质、肽等大分子亲水性药物。但这些方法需要特别的仪器,成本高,剂型灵活性差,不同程度上有疼痛不适感,不适合家庭的普遍使用等。找到一个新奇的透皮增强物能克服这些限制是具有重大意义的,它能改变透皮给药的现状。
中国科技大学生命科学学院和合肥微尺度物质科学国家实验室(筹) 温龙平领导的课题组创造性地将分子生物学技术——体内噬菌体展示技术应用于透皮研究领域,成功获得了一个由11个氨基酸(ACSSSPSKHCG)组成的能高效帮助蛋白质类药物透皮的短肽TD-1,并实验发现:
(1) TD-1能帮助I125标记的胰岛素透过大鼠腹部皮肤进入血液循环,并能让达到治疗水平的胰岛素透过糖尿病大鼠皮肤产生良好的降糖效果;
(2) TD-1能帮助人生长激素透皮;
(3) TD-1的透皮增强活性具有高度氨基酸序列特异性;
(4) TD-1帮助胰岛素透皮具有剂量效应;
(5) TD-1与胰岛素没有直接相互作用;
(6) TD-1不改变胰岛素的分子聚合形式并对不同分子聚合形式的胰岛素透皮同等有效;
(7) TD-1能将胰岛素带入毛囊深处,深入毛囊的能力与透皮能力成正相关;
(8) TD-1通过短暂打开皮肤通道,让蛋白质药物通过皮肤屏障。
上述工作已在2006年4月期的《自然-生物技术》(Nature Biotechnology, 24(4):455—460)杂志上发表,并得到了国际同行的注目。透皮给药领域的著名权威学者、美国佐治亚理工学院的Mark R. Prausnitz教授在同期杂志的News & Views栏目中发表了专题评论文章,高度评价了该项工作,认为该论文中采用生物学模式提高皮肤通透性的方法可以结合目前常用的物理和化学方法的优点,有望解决蛋白质类药物难以透皮的问题。Prausnitz教授并把TD-1称为“Peptide Chaperone”(肽伴侣)。作为最新发现的药物透皮增强剂,TD-1体现了几个“第一”:第一次证明体内噬菌体展示技术可以应用于透皮给药研究领域并筛选出具有优异透皮增强性能的短肽;第一个被发现不需要物理协助方法就能让达到治疗所需剂量的胰岛素透皮进入血液循环的短肽;此外,尽管还未完全证实,TD-1还极有可能是第一个被发现的通过与皮肤某个组分的特异生物学相互作用而打开皮肤屏障的新型透皮增强剂。目前的透皮增强方法主要有物理和化学两种,若TD-1被证实为生物类的透皮增强剂,将为透皮给药研究开辟一个崭新的研究领域。此外,作为能有效帮助蛋白质类药物透皮的平台技术,TD-1具有巨大的应用潜力。上述工作全部工作在国内完成,该技术具备完全自主知识产权,已申请美国和中国专利,并即将申请世界范围内的专利保护。
(中国科学技术大学 温龙平供稿)

确定出果蝇识别和记忆图形重心高度和轮廓取向的脑区

果蝇可以通过大小、颜色、轮廓朝向等参数来识别不同图形,并能记忆这些参数。但果蝇识别和记忆这些图形属性的中枢神经回路还不清楚。由于果蝇的学习与记忆依赖于腺苷酸环化酶,腺苷酸环化酶被认为是耦联条件刺激和非条件刺激的分子位点,不同类型的学习需要不同脑区中腺苷酸环化酶的参与。基于此,中国科学院生物物理研究所刘力课题组与国外科学家合作,采用分子遗传学方法,通过可选择性地在果蝇的特定脑区缺失或恢复腺苷酸环化酶功能,在飞行实验中检验果蝇对不同视觉图形的识别和记忆能力。结果发现,果蝇脑内的扇形体结构参与了对图形模式的识别,并进一步确定出扇形体内由神经元树突分支构成的两层水平片状结构分别具有记忆图形重心高度信息和记忆图形朝向信息的功能。相关研究论文发表在2006年2月2日《自然》(Nature,439(7076):551—556)上。
(中科院生物物理所 刘 力供稿)

可在光纤通信中抗干扰的量子密码分配方案

目前被广泛应用的密码主要是非对称性的公钥系统和对称性的私钥系统。前者采用数学方法加密,比如大数因式分解,理论上都可以被破译,量子计算机的出现将彻底打破这种密码系统的安全性。对称性的私钥密码系统,又存在密钥如何分配给通信双方和密钥保存的安全性问题。在量子信息领域,量子密码,又称量子密钥分配,利用了量子物理的“海森堡测不准原理”和“量子不可克隆原理”,解决了对称性私钥密码系统的分发和保存问题,是由量子力学原理保证了其绝对安全性的密码系统。
现今,有很多种量子密码方案已经被实现,其传输通道分为自由空间通道和光纤通道。自由空间量子密码的目标是实现卫星量子通信,以建成全球量子通信网络,但由于技术上的原因,离实用还有一段距离。因此,最先能实用的量子密码肯定是光纤量子密码。
光纤量子密钥分配用来传输密码的最常用载体是光子的极化和相对相位,也就是通常所说的极化编码和相位时间编码。由于光纤的纤芯并不是一个标准的圆形分布,也就是存在几何上的不对称,而光纤的应力分布也存在随机的涨落,使得光纤中传输的两个正交极化态的光子具有不同的相速度产生双折射效应,也就是极化模色散,这可导致通过长距离光纤传输的出射光子极化态和入射光子极化态完全不同。对于量子密码的极化编码方案,极化态发生变化可带来灾难性的后果,根本不能成码。目前的解决方案是密码通信双方进行公开通信来做实时的反馈补偿,通过一个逆变换,把光子的极化态变为其初始的极化态。但这种方法只有在环境变化比较缓慢的情况下可行。由于这个原因,现在最成功的光纤量子密码不是极化编码,而是用非对称干涉仪进行的相位时间编码。然而由于一些仪器如相位调节器本身对光子极化有要求,这就要求进行量子通信时需要对极化做些控制。同时,相位时间编码用的非对称干涉仪对温度极其敏感,微小的温度涨落都会导致光子态的相位翻转。所以做相位-时间编码方案,也离不开极化补偿;同时,需要对不等臂干涉仪做严格的温度控制。
中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)潘建伟和同事杨涛、陈腾云等与加拿大Waterloo大学合作者采用了利用时间标记和极化模式混合作为编码的纠缠双光子方案。实验选取了4个对集体噪声免疫的双光子纠缠态来携带密码的编码信息。对其中一个光子进行光学上的延迟来给两个光子做标记。通信双方分别搭建了一个固定对光子水平极化和竖直极化做延迟操作的不等臂干涉仪。在实验中,实验人员人为地加入了一个随机旋转噪声。实验结果表明,采用这个方案,干涉仪的相位涨落对密码没有任何影响,而且能抗由双折射等现象造成的集体旋转噪声的干扰,使得最后生成的密码不受光纤扭曲、旋转或光纤本身缺陷的影响。在随机旋转噪声作用下,都能以至少30%的概率形成最终的密码。在单光子量子密钥分发方案中,为了把探测器暗计数的贡献减少到最少,需要有一个精确的时钟来减少探测时间窗口,需要在十亿分之一秒量级的同步时间内测量出光子的信息。但是,对于上述实验采用的双光子编码方案,两个光子中的一个光子自然成为另外一个光子的精确时钟信号,也就不需要额外的精确时钟了,大大降低了通信的复杂度。总之,这个实验不需要精确的时间和空间参考系,能抗光纤中集体噪声的影响和温度变化的影响,是个鲁棒的光纤量子密码,是量子通信的一大技术突破。此外,研究人员还给出了该量子通信方案绝对安全的理论论证,避免了现有一些光纤量子通信的安全性隐患。相关研究结果发表在2006年4月21日Physical Review Letters,96,150504上。
(中国科学技术大学潘建伟供稿)

人脐带血细胞在山羊多个器官中的嫁接和分化

国际著名科学杂志《美国科学院院刊》2006年5月16日(PNAS, 103 (20):7801—7806)发表了上海交通大学医学院附属儿童医院暨上海医学遗传研究所黄淑帧教授研究组与美国宾夕法尼亚大学Don A. Baldwin合作的论文。该论文证明了人源干细胞可长期存活于山羊体内,并可在多种脏器中扩增和分化以及表达人源基因。该论文的发表表明我国科学家在干细胞研究领域获得新的重要进展。
干细胞研究是当今生命科学的一个前沿课题,具有重要的理论和实际应用价值。例如,干细胞特别是造血干细胞移植是一种有效的治疗方法,对于多种恶性疾病、遗传性疾病和自身免疫性疾病以及组织损伤的修复等都具有广泛的应用前景。然而,对于干细胞移植后其在体内的生物学行为所知甚少。特别是由于难以寻找到合适配型的供者,移植后常出现的宿主抗移植物反应和需长期进行免疫抑制治疗等问题,使其临床应用在目前仍受到相当的限制。宫内移植(in utero transplantation)是近年来发展起来的一种干细胞移植技术,它将移植的时间推前到胎儿时期,由于胎儿早期的免疫系统尚未发育成熟,因此对移植的外源细胞产生免疫耐受性而不予以排斥,也不需要移植后进行免疫移植治疗。干细胞宫内移植作为一种新的产前治疗手段,对一些目前难以根治的先天性/遗传性疾病的治疗提供了一条新的途径。此外,通过干细胞宫内移植技术构建人/动物嵌合体对深入研究人干细胞在体内的归巢、分化、基因表达特征、可塑性和组织损伤的修复等提供了新的思路和良好的模型。
黄淑帧、曾凡一等通过干细胞宫内移植的途径,在B超监视和引导下,将来源于人脐带血的造血干祖细胞注射到孕期为45—65天的胎山羊腹中,在国际上首次成功地建立了人源性干细胞能在山羊体内长期存活的“人/山羊异种移植嵌合体”。目前已经在82头胎山羊腹腔中建立了嵌合体,其中有60头胎山羊移植成活。移植的干细胞可以在山羊体内至少存活2年以上。
为探讨宫内移植的人源干细胞在山羊体内的分布和分化情况,黄淑帧研究组构建了含有绿色荧光蛋白(GFP)报告基因的反转录病毒载体,并将其转导到人造血干细胞中(GFP 细胞),进行山羊宫内移植获得人/山羊嵌合体,然后综合应用分子生物学、细胞生物学、免疫组织化学等技术,系统地分析了植入的人源干细胞在人/山羊嵌合体体内的生物学行为特征。结果显示,人源干细胞在山羊的肝、肾、肌肉、肺、血液和骨髓等器官高比例地归巢并分化成相应的人体组织的细胞和蛋白(如人肝样细胞、表达人血清白蛋白、人肝细胞特异抗原和人肝核因子等),显示了在非损伤条件下广泛的可塑性。同时,应用流式细胞仪分选经灌流的嵌合体山羊肝脏中的人源细胞(GFP 细胞),经分子生物学技术鉴定,证明存在于山羊体内的GFP 细胞确实是人源细胞;并通过细胞周期测定细胞DNA的含量,表明移植于山羊体内的人源干细胞的可塑性并非是由细胞融合机制所致。
为了阐明人/山羊嵌合体中人源基因的表达谱,黄淑帧、曾凡一等还应用AffymetrixU133A基因芯片系统地分析了嵌合体山羊血液和肝脏组织的人源基因表达谱,结果显示在血液和肝脏中分别有133种和86种人源基因(包括信号传导、膜和受体蛋白以及转录因子等不同类别的基因)的高度表达,这一结果经实时定量RTPCR和/或DNA测序证实,从而为检测来源自人造血干细胞的活细胞在体内的基因表达特征提供了一种新的特异的标记。
黄淑帧研究组的工作为研究干细胞在活体内的生物学行为和免疫耐受性等提供了新的思路和途径;为通过干细胞宫内移植进行疾病的产前治疗提供了理论和技术手段;并为人源蛋白的生产开辟了新的途径。
(上海交通大学医学院黄淑帧供稿)

精确测量银河系英仙座旋臂距太阳系的距离

人们能够很容易地用望远镜观测到非常壮观的河外漩涡星系,但由于我们居住的太阳系在银河系里面,我们很难在银河系内通过观测来看清自己银河系的结构,勾画出银河系结构图。测量银河系大小和勾画银河系结构一直是天文学家的梦想,为此许多天文学家贡献了他们的毕身精力。
原则上,如果我们能知道位于银河系旋臂上一些天体的精确距离,我们就能够构架起银河系的正确结构模型。但不幸的是银道面上有大量尘埃的遮挡,即使是世界上最大的光学望远镜也不可能测量银道面上几百光年以外天体的距离。而银河系的直径约为10万光年,最近的旋臂的距离也有6千多光年。如何测量银河系旋臂上天体的距离就成为建立银河系模型的关键。这个问题长期没能解决,建立银河系的结构成为现代天体物理中的一个难题。
银河系的标准模型是由法国的Georgelin 父子于1976年建立的,在这个标准模型中,对于那些较远天体的距离是用一种测量天体视向速度推算距离的间接方法得到的,由这种间接方法得到的距离称为动力学距离。获得天体的动力学距离需要许多假设,其中一个关键假设是假定所有天体都绕银心作匀速的圆周运动,而现代天体物理学研究表明这个假定存在明显问题。实际上银河里的天体总是偏离均匀的圆周运动,而且旋臂中的天体一般都很远,加上尘埃严重消光,其距离和速度很难精确测定。这个问题一直没有解决,Georgelin 父子建立的银河系模型也在疑惑中用了30年。
现代射电天文望远镜和观测技术方法的发展,如射电望远镜孔径综合技术、甚长基线干涉技术(VLBI)、相位参考技术等,以及星际有机分子研究的发展为解决该难题创造了平台:(1) 射电望远镜可接收来自天体的频率从300 MHz—300 GHz的电磁波,与光波不同,射电辐射很少被尘埃吸收,因此射电望远镜能够接收到那些在银河系平面上被尘埃严重消光天体的信号;(2) 银河系旋臂上的天体一般都很远,它们发出的辐射极其微弱,强度量级约为1Jy(Jy为射电辐射强度单位,1Jy =1026W·m2·Hz1),接收如此微弱的信号不能单靠一架射电望远镜,而孔径综合技术可把几架、十几架乃至几十架单个射电望远镜有机地组合成一架高灵敏度的射电望远镜,可有效接收银河系旋臂上遥远天体发出的微弱信号;(3) 天文观测不仅要能看到天体,还要把一个天体与另一个天体分辨开来,甚长基线干涉技术可把距离几百km甚至几千km的射电望远镜组合成甚长基线仪,结合孔径综合技术可以测到强度微弱到1029W·m2·Hz1的信号,而且具有1 毫角秒 (103角秒,1角秒=1/3600 度) 的角分辩率,可组成世界上灵敏度最高、分辨率最大的射电望远镜;(4) 相位参考技术提供了一个观测微弱天体的技术,其空间位置测量精度达到10微角秒(1微角秒=106角秒);(5) 最近,在银河系悬臂上大质量恒星形成区中发现的甲醇(CH3OH)分子宇宙微波激射源(一种辐射亮温度达几千亿度的“宇宙激光”源)成为甚长基线干涉阵极好的观测目标。现代天体物理研究、现代射电天文望远镜及观测技术方法的发展为精确测量位于银河系悬臂上遥远天体的距离创造了条件。
银河系旋臂中英仙座旋臂是最靠近太阳系的一条旋臂,天文学家十分关注它的距离,但长期以来它的距离存在两个值(即动力学距离14 025光年和光度距离7 175光年)。
南京大学天文系博士后徐烨和导师郑兴武教授与美国哈佛斯密松宁天体物理中心Mark Reid博士及德国马普射电天文研究所Karl Menten教授合作,利用等效口径约为8千多km,即世界上灵敏度最高、分辨率最大的甚长基线仪阵,在2003年7月至2004年7月间,解决了一系列具有挑战性的观测技术难题后,5次观测到了英仙座旋臂中一个大质量分子云核中的甲醇分子宇宙微波激射,用太阳和地球的距离为基线的三角视差方法,精确测量出英仙座旋臂上这个宇宙微波激射源距离地球为 6 360±40光年,它向着银心的运动速度为 17±1km/s,向着北银极的运动速度为 0.8±0.5km/s秒。该结果的距离测量精度达到2%,这是有史以来对如此遥远的天体精度最高的距离测量。该结果同时表明,采用天体视向速度间接推算距离的方法得到的动力学距离具有很大的偏差。
此外,我们测出的银河系英仙座旋臂大质量恒星形成区中甲醇分子微波激射源的三维运动速度与银河系密度理论基本一致,从观测上有力地证明了银河系密度波理论。
此前,还没有一种观测技术能精确测定银河系旋臂上遥远天体的距离。我们的观测和研究结果证明,利用甚长基线干涉阵的相位参考技术,观测在银河系旋臂上甲醇分子宇宙微波激射源,可以精确测量银河系旋臂上遥远天体的距离,这项银河系旋臂结构测量和研究的突破性进展,为正确建立银河系模型打开一扇大门,对银河系暗物质的估计、精确测量宇宙的大小和年龄具有重要的意义。相关研究论文发表在2006年1月6日《科学》(Science, 311(5757):54—57)上,该期杂志的封面同时展现了这一重要成果,这是以中国天文学家为第一作者的研究成果第一次出现在该杂志的封面上。
(南京大学天文学系 徐 烨、郑兴武供稿)

神经元-胶质细胞间突触的长时程可塑性

大脑由神经元和胶质细胞两类细胞组成,胶质细胞又主要分为星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞。胶质细胞在脑内所占的比例随着生物进化程度的升高而升高,例如在果蝇脑内胶质细胞约占25%,在大鼠脑内占60%,而在人类大脑内则占90%,这提示胶质细胞与脑高级功能活动密切相关。长期以来,人们对神经科学的研究主要集中在神经元,对神经元的信息处理和传递功能进行了广泛而深入的研究,对其机制也有了比较清楚的了解,脑的功能也被认为主要是由神经元完成的。而胶质细胞则被认为是一类惰性细胞,仅对神经元起到被动的支持、营养及代谢作用,不具备信息传递和处理的功能。这一观点近年来受到了一些新发现的挑战,有关胶质细胞与神经元相互作用及其对各种神经功能影响的研究开始受到了人们的重视。中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所段树民等近年来在该领域进行了系统研究,取得了重要进展。
神经元之间进行信息传递和处理的关键部位是突触,而突触进行信息传递和处理的能力是可以改变的,即具有可塑性。当这种改变发生后能够维持较长的时间,就称为长时程可塑性(LTP),而LTP被认为是大脑学习和记忆的基础。已知神经元突触产生LTP依赖于一种称为NMDA受体的激活,段树民等研究发现星状胶质细胞分泌的D-丝氨酸,是促进神经元突触NMDA受体激活并产生LTP的关键分子,为星状胶质细胞参与脑的高级功能活动提供了证据。相关结果于2003年12月发表在《美国科学院院刊》(PNAS,100(25):15194—15199)上。同时他们还发现神经元活动可引起星状胶质细胞释放信号分子ATP,后者对神经元突触活动产生较大范围的反馈调节,提示星状胶质细胞对神经环路具有复杂的整合调节功能,相关研究结果发表在2003年12月《神经元》(Neuron,40(5):971—982)上。
在以上研究基础上,段树民及其学生戈鹉平、杨秀娟等对另一重要问题进行了研究,即胶质细胞除了对神经元之间的信息处理和可塑性产生具有重要调制作用外,胶质细胞对来自神经元的直接输入信号的反应是否具有可塑性?他们选择了一种称为NG2的胶质细胞(早期也被称为少突胶质前体细胞)对该问题进行了深入研究。由于NG2胶质细胞最近被发现接受神经元的直接突触支配,引起人们的极大兴趣。但这类突触的意义是什么?是否具有可塑性?产生可塑性的机制等重要基本问题还不清楚。段树民等利用大鼠离体脑片电生理记录技术,发现在海马脑区神经元给予特异刺激,能在NG2胶质细胞上记录到长时程可塑性(LTP)的产生, 并发现其诱导和表达的机制与大多数神经元产生LTP的机制不同。大多数神经元神经元之间突触产生LTP是由于激活了NMDA受体或电压敏感性钙通道,而NG2胶质细胞既没有NMDA受体,也没有电压敏感性钙通道,但这类胶质细胞有一种可以通透钙离子的AMPA受体,通过激活这类AMPA受体可以在NG2胶质细胞的突触产生LTP。由于脑内有大量的NG2胶质细胞,而LTP又被认为与脑的信息处理、储存及学习记忆等有关,NG2胶质细胞的突触具有可塑性这一发现及其产生机理的阐明,对人们从不同角度认识脑的工作原理具有重要意义。这一研究工作发表在2006年6月9日《科学》(Science, 312(5779): 1533—1537)上。
(中科院上海生命科学研究院神经科学研究所 段树民供稿)

国家大科学工程EAST简介

未来建造的托卡马克类型的聚变反应堆必须是稳态、高效、安全的,这要求必须在全超导、具有非圆截面的托卡马克装置上获得并控制等离子体。该类型装置技术十分复杂、风险极大,世界上尚无建造此类装置的先例。为了在近堆芯高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行模式,深入探索实现核聚变能源的相关工程、物理问题,中国科学院等离子体物理研究所在成功建设中国第一个超导托卡马克HT7的基础上,又自行设计、研制出世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST),并于2006年9月28日首次成功实现物理放电实验。该轮实验中获得了电流超过500kA、时间大于5s的高温等离子体放电,标志着世界上新一代超导托卡马克核聚变实验装置在中国首先建成并投入运行。
EAST超导托卡马克核聚变实验装置是国家“九五”重大科学工程项目(EAST由“实验”(experimental)、“先进”(advanced)、“超导”(superconducting)、“托卡马克”(Tokamak)四个词的英文首字母拼写而成,它的中文意思是“实验的、先进的超导托卡马克”。)。EAST项目由中科院等离子体物理研究所于20世纪90年代初期提出,1997年由国家科技领导小组批准,1998年国家计委正式立项,2000年10月正式获批开工建设,2005年底完成了主机总装以及各分系统的研制和安装工作,2006年初成功进行首次工程调试,同年秋季第二次工程调试成功,获得首次高温等离子体放电,同年冬季进行第三次放电实验获得大拉长偏滤器位型放电成功。
EAST的科学目标是通过实验研究,为未来建造稳态、高效、安全的托卡马克类型的聚变反应堆提供重要的工程技术和物理基础。EAST装置最大的创新点就是把全超导和非圆截面结合起来,具有主动冷却结构,它能产生稳态且可先进运行模式的等离子体,使研究人员能在稳态条件下对约束改善、破裂控制、粒子输运、能量平衡和杂质控制等重大物理问题进行深入研究。
EAST物理上的先进性带来工程上的巨大挑战。我国相应的工业基础和技术储备比较薄弱,特别是超导工业基础和大型超导磁体设计、制造和实验的技术储备十分薄弱。在此情况下,等离子体物理研究所EAST团队团结协作、坚持不懈,发扬自力更生、艰苦奋斗的精神,经过近10年的艰苦奋战,成功自主地研制了最关键的全部28个超导磁体以及绝大多数关键设备和部件,获得了一系列具有自主知识产权、可对国民经济产生重要作用的高新技术:自主设计和制造出完全满足要求的可产生3.5—4.0万高斯强磁场,储能达300兆焦的大型'D'形超导纵场磁体系统;自主设计和制造出完全满足要求的在国际上也认为难度极大的各种大型极向场超导磁体;自主设计和制造出完全满足要求的特种超导导体(CICC);自主设计、安装、调试成功国内最大能力的2kW氦致冷机;自主设计和制造出完全满足要求的多种规格高质量绝缘子;自主设计、安装、调试成功12套 ±15 kA,总变流器安装容量达210MW,适用于大型超导磁体而且控制十分灵活的直流整流电源;自主设计和研制成功通电流能力可达20kA的高温超导电流引线;自主设计和研制成功近百个用于连接超导导体的具有极低电阻的特殊电接头;建成国内唯一、国际上也为数很少的生产特种超导导体(CICC)的生产线并生产出国际上数量最多的CICC超导导体;建成国内最大的大型超导磁体性能测试实验系统;建成国内最大的真空压力浸渍生产系统,确保大型超导磁体的高质量;建成国内最大、用计算机控制、可绕制高精度大型超导磁体的绕线机系统;建立了完整的质量保证体系;建立了符合实际要求,具有创新特点的决策和管理体系,等等。
EAST装置一次安装成功,一次工程调试成功,一次放电成功,且与国外同类装置相比,项目使用资金最少,建设速度最快,投入运行最早,投入运行之后又以国际上最快的速度成功获得首次等离子体放电和偏滤器位型放电。全国人大常委会副委员长、中国科学院院长路甬祥在2006年9月29日给等离子体所的亲笔贺信中写到:“全超导非圆截面托卡马克EAST核聚变实验装置实现首次放电实验,标志着EAST装置工程实验进入了新的阶段,也表明了中国科技工作者有能力自主实现具有国际先进水平的大型科学工程实验装置的建设和运行。EAST投入实验运行将为我国乃至世界核聚变研究提供了一座新的实验平台。”
2006年9月28日,EAST装置通过了中科院工艺参数测试和专家鉴定,专家们认为:EAST工程建设者发扬自力更生、艰苦奋斗的精神,克服困难,成功地自主研制了绝大多数的关键设备和部件,完成了大量超导磁体性能测试,形成了一系列具有自主知识产权的技术储备,在装置主机和所有子系统稳定运行的基础上,达到纵场中心场强3.5T、极向磁通变化大于8.5VS等主要技术指标,EAST大科学工程建设已经全面、优质完成。2006年10月13—14日,EAST国际顾问委员会(IAC)在合肥召开的第二次会议上给EAST以极高的评价:EAST装置在如此短暂的时间内完成设计、预研、建设和试运行,成就了世界聚变工程的一个非凡业绩,是全世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑。
EAST装置建成并成功实现放电实验在海内外引起广泛关注,并被各大新闻媒体广泛传播,美国《科学》(Science)、英国《自然》(Nature)杂志均作了长篇报道,称中国创造了聚变研究的历史。
EAST装置的等离子体放电持续时间设计值是1 000s,温度将超过1亿℃。它虽然比国际热核聚变实验堆ITER在规模上小很多,但它与ITER的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的,并且将比ITER早投入实验运行10至12年。因此,无论从人才培养和奠定工程技术及物理基础的角度上说,EAST都将为ITER计划及未来聚变托卡马克研究做出重要的、实质性的贡献,并进而为人类开发和最终使用核聚变能做出重要贡献。
(中国科学院等离子体物理研究所 何友珍供稿)
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