2009年度中国基础研究十大新闻

2021年7月3日23:03:30来源:中国科学院院刊2009年度中国基础研究十大新闻已关闭评论361 views 6819字阅读22分43秒

1. 北京正负电子对撞机重大改造工程通过国家验收

北京正负电子对撞机重大改造工程(简称BEPCII)是我国“十一五”重大科学工程,总投资6.4亿元,工期5年,由中国科学院高能物理研究所承担建设。工程于2004年初动工,2008年7月完成建设任务,2009年5月对撞机的主要性能参数亮度在束流能量1.89GeV能量下达3.21×1032cm-2s-1,达到设计指标,为改造前的30多倍,是此前该能区对撞机亮度世界纪录的4倍以上。BEPCII工程按进度、按指标、按预算、高质量地完成了各项建设任务,并于2009年7月17日顺利通过国家验收。BEPCII是一台粲物理能区国际领先的对撞机和高性能的兼用同步辐射装置,它的建成成为国际同类装置建设的一个范例,是中国高能物理发展的又一个里程碑。BEPCII试运行期间,北京谱仪III共采集到一亿多 ψ(2S)和两亿多 J/ψ事例,是目前世界上最大的相关数据样本,并已取得了初步的物理结果。BEPCII建成并投入运行,有望在今后数年里不断取得重大物理成果,进一步保持和加强我国在粲物理研究领域的国际领先地位。

2. 查明中国陆地生态系统的碳平衡状况

20世纪80—90年代,全球陆地生态系统每年净吸收1—4Pg(1Pg =1015g)的碳,这抵消掉了约10%—60%的化石燃料燃烧释放的碳。然而,人们对陆地生态系统碳汇的分布及其机制并不清楚。中国位于欧亚大陆的东部,经历着较显著的气候变化,人类活动也异常突出,土地利用/土地覆盖发生了很大改变。另一方面,中国是世界上人口最多的国家,并已成为全球CO2排放量最大的国家之一。因此准确估算中国碳收支显得格外重要,受到科学界和国际社会的普遍关注。北京大学城市与环境学院朴世龙与方精云研究小组及合作者,利用已有的土地利用和资源清查数据、大气CO2浓度观测数据、遥感数据以及气象数据,并结合大气反演模型和基于过程的生态系统碳循环模型,综合研究了中国陆地碳汇/源的时空格局及其机制。结果表明,20世纪80—90年代中国陆地生态系统碳储量平均每年增加0.19—0.26 Pg,该数值稍低于美国而与欧洲大陆相当。中国陆地生态系统碳汇相当于此间中国工业源CO2总排放量的28%—37%,显著高于欧洲(7%—12%),跟美国相近(20%—40%)。他们的结果还显示,中国陆地生态系统碳汇的空间分布并不均匀,主要分布在南部;而土地利用变化导致过去20年东北地区的陆地碳储量呈减少趋势,成为大气CO2源。我国人工造林的增加、区域气候变化、以及植被恢复尤其是灌丛恢复是导致我国陆地生态系统碳储量增加的主要原因。相关研究发表在2009年4月23日Nature[458(7241):1009—1013]上。

3. 揭示A1型短指症致病机理

A1型短指畸形(BDA1)是人类遗传史上最早有记录的符合孟德尔规律的常染色体显性遗传病,表现为手指中指骨的短小或缺失。此前,上海交通大学生命科学技术学院贺林研究组发现IHH(Indian Hedgehog)基因的杂合子错义突变导致了该疾病的发生。Hedgehog蛋白是一种在系列发育过程中起重要作用的成形素,其信号能力和范围被认为与其同受体PTCH1和拮抗剂HIP1相互作用的强弱有关。香港大学陈振胜研究组和上海交通大学贺林研究组合作,发现导致BDA1的IHH基因突变(E95K)可以破坏Hedgehog蛋白同PTCH1和HIP1的相互作用。这与目前关于BDA1相关突变集中发生在Hedgehog蛋白的钙结合位点的报道相一致,这些钙结合位点对于其与受体和细胞表面伙伴蛋白的结合是必需的。此外,他们通过分析人工构建的E95K突变小鼠模型,还发现Ihh蛋白发生了信号能力和范围的变化,小鼠也出现了与人类指骨畸形一致的骨骼异常。相关研究发表在2009年4月30日Nature[458(7242):1196—1200]上。

3. 完成日本血吸虫全基因组测序

血吸虫是一种引起人类血吸虫病的寄生虫,在中国乃至世界上产生了极大的危害,其种类主要包括流行于亚洲的日本血吸虫和流行于非洲、南美洲的曼氏血吸虫。由中国国家人类基因组南方研究中心陈竺、王升跃和韩泽广领导的日本血吸虫基因组测序和功能分析协作组完成了对该血吸虫的全基因组测序。该项研究显示,日本血吸虫基因组序列由近4亿个碱基组成,含有大量的重复序列(占基因组41%),共识别编码基因13 469个,其中包括首次发现的与血吸虫感染宿主密切相关的弹力蛋白酶(Elastase)。通过与具有同等大小基因组的非寄生生物比较发现,虽然基因数量相似,但血吸虫功能基因的组成却有较大差别。一方面它丢失了很多与营养代谢相关的基因,如脂肪酸、氨基酸、胆固醇和性激素合成基因等,这些营养物质必须从哺乳动物宿主获得;另一方面,扩充了许多有利于蛋白消化的酶类基因家族的成员。这一变化充分体现了血吸虫适应寄生生活,与宿主协同进化的重要特性。血吸虫基因组学研究加深了对血吸虫生物学特点、分子寄生虫学、分子进化以及与宿主的相互作用等方面的认识。同时,也为血吸虫病的诊断、疫苗研制和新药研究奠定重要基础。相关研究发表在2009年7月16日Nature[460(7253): 345—351]上。

4. 发现β-抑制因子-2复合体信号缺损可导致胰岛素耐受

胰岛素耐受是II型糖尿病的一个重要特征,它是由于胰岛素刺激的胰岛素受体信号传导功能缺陷造成的。通过胰岛素刺激,胰岛素受体募集并磷酸化胰岛素受体底物蛋白,导致磷酸肌醇-3-OH激酶(PI3K)-Akt信号通路活化。活化的Akt可进一步磷酸化下游的激酶和转录因子,最终调节完成胰岛素的大多数代谢行为。β-arrestins(β-抑制因子)通过介导受体与不同效应蛋白结合的方式调节G蛋白偶联受体的生物功能,最终决定信号的特异性、效率和能力。中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所裴钢研究组与合作者研究发现,在糖尿病小鼠模型中,β-arrestin2表达显著下调。敲低β-arrestin2可以加剧胰岛素的耐受,而重新导入β-arrestin2后可以恢复小鼠对胰岛素的敏感性。更进一步的研究显示,胰岛素可以刺激新β-arrestin2信号复合物的形成,其中β-arrestin2可将Akt和Src募集到胰岛素受体。β-arrestin2的缺失或功能丧失在体内可导致这一信号复合物缺陷和对胰岛素信号的干扰,因此可能参与了胰岛素耐受的发展和II型糖尿病的进程。上述结果为研究胰岛素耐受的分子病理机制提供了新视角,并为治疗胰岛素耐受和II型糖尿病提出了新的可能方案。相关研究论文发表在2009年2月26日Nature[457(7233):1146—1149]上。

5. 实验证实诱导性多能干细胞具有发育全能性

诱导性多能干细胞(iPS细胞)全能性的验证一直是困扰研究人员的问题,在此前的研究中,iPS细胞都未能通过细胞全能性黄金标准——四倍体囊胚注射方法的验证。中科院动物研究所生殖生物学国家重点实验室周琪研究小组和上海交通大学医学院曾凡一小组合作,利用iPS细胞通过四倍体囊胚注射方法获得了存活并具有繁殖能力的小鼠。实验中,研究人员通过对iPS细胞的培养基以及iPS克隆挑取时间等因素的优化,极大提高了iPS细胞的获得效率及iPS克隆的质量。研究中共制备了37株iPS细胞系,利用其中6株iPS细胞系注射了1500多个四倍体囊胚后,其中3株iPS细胞系获得了共计27只成活小鼠。经多种分子生物学技术鉴定,证实这些小鼠确实是由iPS细胞发育而成,并且这些小鼠现已发育成熟并繁殖了后代。此项研究首次证实,iPS细胞具有与胚胎干细胞相同的全能性。相关研究发表在2009年9月3日Nature [461(7260):86—90]上。

6. 发现金属钠在高压条件下可转化为透明绝缘体

传统高压理论认为,高压可以有效缩短金属的原子间距,导致价带和导带展宽,进而使其金属性增强。然而,目前实验可达到的压力条件已足以将物质压缩到芯电子发生重叠的状态。这一高压效应会使金属发生复杂的结构相变而具有独特的晶体结构和新奇的电子性质。理论曾预言,简单金属锂和钠在高压下会出现原子配对而导致的绝缘相,但这一预言没有得到其他理论和实验的支持。吉林大学超硬材料国家重点实验室马琰铭研究小组与国外合作者,理论模拟和高压实验测量相结合发现金属钠在200万大气压下转变为一种新型物质状态——光学透明的宽带隙绝缘态。绝缘态钠具有简单而独特的晶体结构——c轴高度压缩的双六角密堆结构。高压钠的绝缘态不是早期理论预言的原子配对的结果,而是pd轨道电子杂化,以及芯电子云之间高度交叠的结果。钠原子的价电子受芯电子排斥而高度局域在晶格间隙中,这些在间隙中被“冻结”的价电子完全失去了自由电子的特性,表现出绝缘体的特性。当压力足够使原子的芯电子发生强烈重叠时,这种新型绝缘状态可以在其它元素和化合物中广泛存在。相关研究发表在2009年3月12日Nature[458(7235):182—185]上。

7. 阐明纳米孪晶纯铜极值强度的形成机制

    多晶材料的强度随晶粒尺寸的减小而提高。但理论分析及分子动力学模拟结果显示,当材料晶粒尺寸小于某个临界值后,进一步减小晶粒尺寸可能导致材料软化。多晶体材料极值强度的出现是由于塑性变形的控制机制由晶格位错运动逐步转化为晶界行为。中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢磊研究小组与卢柯、丹麦Risø国家实验室黄晓旭合作研究了具有不同孪晶层厚度的纳米孪晶纯铜的极值强度,结果发现强度随孪晶片层厚度下降而提高。当孪晶片层厚度为15nm时,材料强度达到最大值。进一步减小孪晶片层,强度反而减小、出现软化现象。随孪晶片层减小,样品的塑性和加工硬化能力单调增加。分析表明纳米孪晶铜中极值强度的出现是由于随孪晶片层尺寸减小塑性变形机制从位错孪晶界相互作用主导转变为由孪晶片层结构中预存位错运动主导所致。相关研究发表在2009年1月30日Science[323(5914): 607—610]上。

8. 高温铜氧化物超导体物性和超导机理研究取得重要进展

    铜氧化物高温超导体早在20多年前就已发现,但其超导机理仍未解决。中科院物理所北京凝聚态物理国家实验室(筹)周兴江研究组和闻海虎研究组在高温超导体母体欠掺杂区费米面形状以及超导机理研究方面取得一些重要进展。高温超导体母体欠掺杂区域费米面的拓扑形状是理解高温超导体奇异物性的最基本的问题,也是在理论和实验两方面一直争议不断悬而未决的重要问题。近期的一系列量子振荡实验,都表明在欠掺杂样品中可能存在费米口袋。但到目前为止,角分辨光电子能谱仪没有观测到费米口袋,而都是费米弧的图像。周兴江研究组与中科院理化技术研究所陈创天、许祖彦等研究组合作,利用自主研制的超高分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪,在欠掺杂高温超导体Bi2201中第一次直接观察到费米口袋,而且在正常态还进一步观察到费米口袋和费米弧的共存。这些研究结果为理解高温超导体奇异正常态的性质,检验和建立新的理论,提供了关键的实验证据。相关研究发表在2009年11月19日Nature[462(7271):335—338]上。另一方面,常规超导体其超导态对应于一个能隙,它可保护超导的形成和稳定性。但对于铜氧化物超导体(特别是欠掺杂样品),其在远高于超导转变温度上就存在能隙(被称为赝能隙)。关于赝能隙与超导关系存在许多模型:一类模型将赝能隙与超导隔离开来,认为赝能隙是某些有序相如电荷密度波序与超导相竞争费米面上的态密度,因此超导转变仍然满足BCS相变特性;另一类模型则认为赝能隙对应着与电子配对强度相关的能量尺度,超导转变温度之上有预配好的库柏对,但由于超流电子浓度太稀薄,超导温度不是由配对强度所决定,而是由相位刚度决定,超导转变是非BCS型的。常规超导体其超导相变应遵从熵守恒,通过测量铜氧化物超导相变是否处于熵平衡状态可以验证其超导相变类型。但该方法受制于比热测量精度和超导破坏所需的高磁场等条件。闻海虎研究小组制备出系列掺杂的高质量氧化物超导体Bi2Sr2-xLaxCuO6单晶,该系列样品超导转变温度较低,在较低磁场下即可破坏其宏观超导。并对其进行了高精度比热测量,获得了超导转变熵的变化。结果表明欠掺杂铜氧化物超导体转变前后存在熵变,不满足BCS物理图像;在正常态已经有部分电子库柏对存在,而超导转变则对应于相位相干特性的建立。相关研究发表在2009年8月7日Physical Review Letters[103, 067002]上。

9. 鉴别出与超级杂交水稻杂种优势相关的潜在功能基因

杂交优势虽然在农业生产上得到了广泛应用,但作为一个古老而又复杂的科学难题,其遗传基础和分子机理仍不明晰。中科院遗传与发育生物学研究所(朱立煌研究组和朱祯研究组)与中科院北京基因组学研究所(于军研究组和刘国振研究组)及湖南杂交水稻中心(袁隆平研究组)合作,利用我国自主设计和研制的水稻全基因组基因芯片,系统考查了超级杂交稻两优培九(LYP9)及其亲本93-11和培矮64s(PA64s)不同时期7种组织(幼苗期和分蘖期的叶,孕穗期、抽穗期、开花期和灌浆期的剑叶,灌浆期的穗子)的基因表达谱。结果发现,在考查的36926个基因中,共检测到22266个基因在上述参试样本中表达。聚类分析结果表明,杂种 F1与亲本间表达谱的相似性大于亲本之间的相似性。研究人员总共检测到7078个在全部参试样本中都表达的共表达基因和3926个差异表达基因(DG),他们将DG分为亲本间差异表达基因(DGPP)、杂种-亲本间差异表达基因(DGHP)以及只在杂种与亲本间有差异表达的基因 (DGHPU)。在3000多个杂种和亲本间差异表达基因(DGHP)中,存在各种差异表达类型,但多为偏于单亲的显性表达基因。差异表达基因的功能涉及诸多功能类群,与DGPP相比,在DGHP中相对富集了与能量代谢和物质运输功能相关的基因。此外,研究人员还发现DGHP在基因组中的位置与同产量相关的数量性状基因位点(QTL)有较高的关联性,其中有些基因很可能是水稻杂种优势的相关基因。相关研究发表在2009年5月12日PNAS[106(19):7695—7701]上。

10. 找到鸟类起源的一些关键证据

关于鸟类的起源有多种观点,其中一种主流观点认为鸟类源于兽脚类恐龙,但该假说依然存在着许多薄弱环节,主要包括长期以来争论不休的鸟类手指同源问题、涉及鸟类何时出现的兽脚类恐龙分异时间框架问题以及羽毛起源和早期演化等一些问题。中科院古脊椎动物与古人类研究所徐星与合作者于2009年在NaturePNAS上发表了一系列论文,在这些问题上取得了重要进展。化石资料显示,兽脚类恐龙在向鸟类进化当中,其外侧两指退化;而发育学证据表明,鸟类手指是两侧退化,保留了中间3指,从而造成了古生物学资料和发育学资料之间的矛盾冲突。徐星与合作者研究了新疆准噶尔盆地侏罗系地层中发现的一种奇特的小型恐龙——泥潭龙。该种恐龙属于兽脚类恐龙的一个分支角鼻龙类。该种恐龙长有4指,其第1指已经退化。研究人员进一步对比了其它一些兽脚类恐龙的化石,提出了一种恐龙手指退化新假说:恐龙在进化中两侧的指发生退化,但由于生活习性的原因,其保留的中间三指发生形态变化,而转变为更似内侧3指。该假说可以解释恐龙向鸟类进化假说中有关手指进化化石证据与发育学证据间的矛盾。相关研究发表在2009年6月18日Nature[459(7249):940—944]上。沈阳师范大学胡东宇和徐星等合作,研究了一块来自中国辽宁西部晚侏罗世早期地层中(约1.6亿年前,早于始祖鸟)保存完好的小兽脚类恐龙化石。这块化石可能属于伤齿龙类,是兽脚类恐龙中最接近鸟类的类群之一。新发现的化石在其近乎完整保存的骨架周围清晰地分布有羽毛印痕,在前、后肢和尾部特别是跖骨位置均分布飞羽,为羽毛早期进化提供了研究资料。该发现如被确证,将打破鸟类起源于兽脚类恐龙假说的时间悖论。相关研究发表在2009年10月1日Nature[461(7264): 640—643]上。此外,以往发现于非鸟类恐龙的羽毛都被认为是已经演化到一种相对高级阶段,而不是演化最早期的羽毛。徐星与合作者,从两块北票龙化石样本中发现了一种新的羽毛类型,这种羽毛每根都是一条单独的宽纤维。他们认为这一形态同发育模型预测的羽毛第一阶段的形态基本一致,其宽扁的形态可以用现代发育学资料来解释。该发现使绝大部分预测的羽毛形态在化石样品中都已经找到记录,而且进一步表明羽毛早在鸟类出现及飞行能力形成之前即已形成。相关研究发表在2009年1月20日PNAS[106(3): 832—834]上。

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