2010年度中国科学十大进展

2021年7月4日13:56:42来源:中国科学院院刊2010年度中国科学十大进展已关闭评论158 views 6692字阅读22分18秒

1. 拓扑绝缘体研究取得重要进展

拓扑绝缘体是一类特殊的绝缘材料,由于自旋轨道耦合作用,其表面会自发形成导电的金属态——拓扑表面态,这种导电表面态由时间反演对称性保护,基本不受杂质与无序的影响,因而非常稳定。拓扑绝缘体的这种特殊性质使其有可能在未来的自旋电子学和量子计算等领域有重大的应用前景,引起了科学界的广泛关注。近期,中国科学家在拓扑绝缘体的实验和理论研究方面取得了一系列的重要进展。清华大学薛其坤和陈曦研究组与中国科学院物理所马旭村研究组合作,在国际上首次建立了高质量拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学[Advanced Materials 22, 4002] 。高质量拓扑绝缘体量子薄膜的制备为理论预言的量子反常霍尔效应、巨热电效应和激子凝聚等效应的研究提供了物质基础。他们利用扫描隧道显微镜观察到了拓扑绝缘体Bi2Se3表面金属态的朗道量子化[Physical Review Letters 105, 076801],证明了拓扑表面态是一个二维无质量的狄拉克费米体系并受时间反演对称性保护 [Physical Review Letters 103, 266803]。特别是,他们还观察到了不随磁场变化的零级朗道能级,这意味着拓扑绝缘体中存在着半整数量子化霍耳效应。中国科学院物理所孙庆丰和谢心澄从理论上预言,在磁场下铁磁性石墨烯是一种新的拓扑绝缘体。这种体系不存在时间反演对称性,但具有CT反演不变性(C为电子-空穴电荷共轭变换,T为时间反演变换),其边界态同时携带持续自旋流和持续电流。在外加电压下可同时出现量子自旋霍耳效应和量子霍耳效应[Physical Review Letters 104, 066805]。中国科学院物理研究所方忠和戴希研究组则从理论上发现,Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3 掺杂过渡金属元素(Cr或Fe)可形成磁有序的绝缘体,这种磁有序将引起一个由有限Chern数表征的拓扑电子结构。在这种材料中,自发磁矩和自旋-轨道耦合的联合作用将导致量子化的反常霍耳效应[Science 329, 61]。中国科学院物理所马旭村研究组利用角分辨光电子能谱仪,观察到拓扑绝缘体薄膜两个表面上的拓扑态可以发生耦合,从而使得原来无能隙的表面态打开一个能隙,这对发展新的自旋电子器件具有指导意义[Nature Physics 6, 584]。清华大学和中国科学院物理所在实验与理论方面的这一系列研究成果大大加深了人们对拓扑绝缘体的理解,在国际学术界引起了广泛的影响。

 2. 相对论重离子对撞机上发现首个反超核粒子——反超氚核

国际螺旋管径迹探测器(STAR)协作组为探寻宇宙起源的早期物质状态,在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上开展了实验研究。中国科学院上海应用物理研究所陈金辉、马余刚等与STAR协作组其他中外科学家合作,对上亿次高能金原子核“对对碰”的海量数据进行了分析以寻找反物质超核的证据。他们通过反氦3和p介子衰变道的不变质量谱重构,探测到第一个反超核粒子——反超氚核。它是由一个反L超子和一个反质子、一个反中子聚合形成的束缚态,是迄今为止科学家们发现的最重的反物质原子核,也是第一个含有反奇异夸克的反物质原子核,它可能大量存在于宇宙的婴儿期。相关研究结果发表在2010年4月2日Science[328(5974):58—62]上。

 3. 揭示三氧化二砷和全反式维甲酸联合治疗急性早幼粒白血病的分子机制

急性早幼粒细胞白血病(APL)是一种急性髓系白血病,其肿瘤细胞特异表达PML-RARa融合癌蛋白。砷剂是一种传统中药,它与全反式维甲酸(ATRA)联合应用使APL成为第一个可治愈的髓系白血病。但砷如何选择性地作用于融合癌蛋白并不清楚。上海交通大学医学院附属瑞金医院医学基因组学国家重点实验室陈竺、陈赛娟研究小组与合作者发现,砷可以直接与PML-RARa结合,使PML-RARa发生寡聚化,进而发生泛素化降解。他们的研究证实PML-RARa是砷的直接药物靶点,并阐明了砷特异性治疗APL的分子机制[Science, 328 (5975):240—243]。另外,在APL发病和ATRA作用机理探索方面,该实验室张济研究小组在全基因组水平分析了PML/RARa的靶基因。结果发现在近三千个PML-RARa的靶序列中,超过60%包含典型的PU.1位点,而PU.1是正常髓系造血分化过程中的重要转录因子。他们通过功能性分析证实PML-RARa在基因组水平抑制了PU.1调控的靶基因,而ATRA可逆转这种抑制作用。该研究提出了一个全新的APL发病和ATRA治疗模式[Cancer Cell, 17(2):186—197]。上述研究揭示了关键癌蛋白在APL发病中的重要作用,砷剂和ATRA通过不同的途径靶向癌蛋白发挥治疗作用,丰富了肿瘤靶向治疗的理论。

 4. 中国发现10 万年前的早期现代人化石

2007年中国科学院古脊椎动物与古人类研究所金昌柱率领的野外考察队在广西崇左木榄山智人洞发现一件人类下颌骨前段和两枚牙齿化石。根据哺乳动物群分析和同位素年代测定,崇左智人洞古人类的生存年代是距今10—11.3万年前的晚更新世早期。在东亚地区,这个时期是古老型智人向早期现代人演化的关键阶段,然而发现的古人类化石非常缺乏。国际古人类学界普遍认为东亚地区最早的早期现代人是发现于北京周口店地区田园洞的距今4万年前的人类化石,而对东亚地区是否存在10—5万年前的早期现代人一直存在争论。该所刘武和吴新智领导的研究小组与美国华盛顿大学Erik Trinkaus 及其他合作者,针对智人洞人类化石进行了研究。研究显示,智人洞中发现的人类下颌骨已经出现一系列现代人类的衍生特征,如突起的联合结节、明显的颏窝、中等发育的侧突起、近乎垂直的下颌联合部、明显的下颌联合断面曲度等。这些特征明显区别于古老型智人,而与现代人接近。但这件下颌骨同时保留有粗壮的下颌联合舌面以及粗壮的下颌体等相对原始的特征,使其与更新世晚期古老型智人相似。这些化石特征说明崇左古人类属于正在形成中的早期现代人,处于古老型智人与现代人演化过渡阶段。上述结果显示,智人洞的人类可能是生活于东亚的最早的现代人,比此前已知生活于东亚的最早的现代人提前了6万多年。相关研究结果发表在2010 年11 月9 日PNAS[107(45):19201—19206]上。

5. 全基因组关联研究发现银屑病、白癜风和麻风易感基因

银屑病、白癜风和麻风是人类常见的复杂疾病,它们与遗传因素和环境因素相互作用有关。人类基因组计划和人类单体型图计划的完成,使得用全基因组关联研究(GWAS)寻找复杂疾病的遗传因素既易感基因成为现实。安徽医科大学张学军研究组在利用GWAS方法发现银屑病易感基因LCE [Nat Genet 41(2):205—210]基础上,联合国内外多家单位的银屑病研究组,深入发掘了银屑病GWAS数据,又发现了汉族人的6个银屑病易感基因ERAP1PTTG1CSMD1、GJB2、SERPINB8ZNF816A,并发现其中ERAP1ZNF816A是疾病表型特异性易感基因即I型银屑病易感基因。该研究不仅证实了不同人群中银屑病的遗传异质性以及不同生物学发病通路的存在,而且丰富了揭示银屑病发病机制的理论依据[Nat Genet 42(11):1005—1009] 。同时,张学军研究组利用GWAS方法还发现了2个涉及人类白细胞抗原HLA基因的白癜风易感位点,以及1个涉及RNASET2FGFR1OPCCR6基因的易感位点,首次从遗传学上揭示了白癜风是一种自身免疫性疾病,该研究为理解白癜风的遗传基础提供了新的认识,对深入揭示白癜风发病机制及治疗具有重大意义[Nat Genet, 42(7):614—618]。此外,张学军研究组与山东省医学科学院张福仁研究组、新加坡基因组研究所刘建军研究组等合作,利用GWAS方法发现6个麻风易感基因CCDC122C13orf31NOD2TNFSF15HLA-DR以及RIPK2,并发现其中C13orf31LRRK2NOD2RIPK2是疾病表型特异性易感基因即多菌型麻风易感基因,深入研究发现调控天然免疫反应的信号通路NOD2与麻风发病密切相关。该研究首次揭示了传染性疾病麻风的遗传易感性,不仅对阐释麻风病发病机理、易感个体筛查和预防具有重大意义,而且对揭示传染性疾病具有遗传易感性具有深远影响[N Engl J Med. 361(27):2609—2618 ]。我国科学家利用GWAS方法还发现食管癌、鼻咽癌、肝癌及系统性红斑狼疮等多种复杂疾病的易感基因。复杂疾病易感基因的发现为阐明发病机制提供了科学依据,也为疾病的风险预测、基因诊断、新药研发及个体化治疗奠定了重要基础。

 6. 揭示水稻理想株型形成的分子调控机制

增加作物产量是现代农业的一个重要挑战,而培育理想株型是提高产量的一个重要手段。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究组与中国水稻研究所钱前研究组合作,克隆并研究了控制水稻理想株型的关键基因IPA1。该基因编码一个SOUAMOSA启动子结合蛋白家族的转录因子OsSPL14,其表达受microRNA分子OsmiR156调控。他们的研究表明,IPA1基因中的一个点突变可干扰OsmiR156IPA1信使RNA稳定性及其翻译的精细调控从而使水稻植株产生分蘖减少、茎秆粗壮、穗粒数和千粒重增加的理想株型表型。该研究揭示了调控理想株型形成的一个重要分子机制,同时显示IPA1基因具有巨大的应用潜能。相关研究结果发表在2010年6月Nature Genetics[42: 541—544]上。

7. 大地电磁测量揭示青藏高原东部有两条地壳物质流

岩石圈的变形机制是青藏高原动力学研究中的关键问题之一。对此, 人们提出了诸如“块体挤出”、“连续流变”、“下地壳流”等多种假设。但无论那种假设都缺少深部地球物理观测证据的支持。中国科学院地质与地球物理研究所白登海研究组与合作者在东喜马拉雅构造结及周围地区实施了连续6年的大地电磁观测,获得了青藏高原东部岩石圈电性结构的初步认识。结果发现,在青藏高原存在两条巨大的中下地壳低阻异常带,理论计算显示这是两条中下地壳的弱物质流:一条从拉萨地块沿雅鲁藏布缝合带向东延伸,环绕东喜马拉雅构造结向南转折,最后通过腾冲火山;另一条从羌塘地体沿金沙江-鲜水河断裂带向东延伸,在四川盆地西缘向南转折,最后通过小江断裂和红河断裂之间的川滇菱形块体。该研究结果显示,青藏高原深部以两个地壳弱物质流的快速塑性变形为主,上地壳则以块体的走滑变形为主。该模型将有助于对青藏高原动力学的定量研究以及对高原东部和滇川西部地区地震活动机制的分析。相关研究结果发表在2010年5月Nature Geoscience [3(5):358—362]上。

 8. 蛋白质赖氨酸乙酰化在细胞代谢中的调控作用

代谢是生物最基础的活动。长期以来,蛋白质赖氨酸乙酰化被认为是一种可以修饰组蛋白和核转录因子并调控转录活性的重要的细胞内翻译后调控方式。复旦大学熊跃、管坤良、赵世民小组与合作者发现,赖氨酸乙酰化还是是催化中间代谢的酶的一种普遍修饰方式。事实上,在人肝脏的糖分解、糖生成、三羧酸循环(TCA)、尿素循环、脂肪酸代谢和糖原代谢中均发现有乙酰化的过程。代谢原料的浓度(如葡萄糖、氨基酸和脂肪酸)可以影响代谢酶的乙酰化状态。乙酰化可以激活脂肪酸氧化中的烯酰辅酶A水合酶/3-羟基-辅酶A脱氢酶和TCA循环中的苹果酸脱氢酶,抑制尿素循环中精胺琥珀酸裂解酶的活性,使糖生成过程中磷酸烯醇丙酮酸羧基酶失稳。这些结果表明乙酰化在代谢调节中发挥重要作用。同时,复旦大学赵世民小组与中国科学院上海生命科学研究院赵国屏小组合作研究了赖氨酸乙酰化在原核生物代谢中的功能,他们发现沙门氏菌中核心代谢酶针对不同碳源可以发生广泛而有差异的乙酰化,并伴随有细胞生长和代谢流的变化。参与控制糖水解或糖生成方向以及柠檬酸循环和乙醛酸回路选择的核心酶的相对活性均受到乙酰化调节。这种调控受到一对赖氨酸乙酰转移酶和去乙酰酶的控制,这两种酶的表达则随生长状态调节。代谢酶的可逆乙酰化确保了细胞可通过正确感知细胞能量状态灵活调节反应速率和方向来应对环境变化。由此可见,从原核细菌到哺乳动物蛋白质乙酰化都是一种进化保守的重要代谢调节机制(图1)。该发现为代谢调控的机理及新药靶标的发现提供了重要的机遇。相关研究结果以连续两篇研究论文的方式发表在2010年2月19日Science[327(5968):1000—1004和1004—1007]上。

 9. 基于超材料实现微波段三维隐身和电磁黑洞

超材料(Metamaterial)是自然界不存在的特殊人工材料,它可控制电磁波的传播,带来全新的物理现象。隐身衣是超材料最重要的应用之一。东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军研究组和一个德国/英国研究组相互独立地在世界上首次研制出三维隐身衣原型。他们制作的隐身衣具有宽带、低损耗、隐身效果好等优点,适用于不同极化、任意方向入射的电磁波,可对地面目标在微波段进行全方向、宽频带隐身。相关研究结果发表于2010年6月Nature Communications[1:21]上。“电磁黑洞”是超材料的另一个重要应用。最近的理论研究指出,利用超材料可实现能够全方位吸收光波的光吸收器,可捕获并吸收所有接近这种光吸收器的光波。崔铁军研究组在微波段实验实现了这种全方位电磁波吸收器。该吸收器由谐振和非谐振型的超材料结构组成,在局部电磁场的控制下可引导电磁波螺旋式地行进,能捕获和吸收所有方向的电磁波而几乎没有任何反射。研究显示,在微波频段其吸收率可达到99%。该装置这种可导引、吸收所有方向电磁波的特性,类似于一个“电磁黑洞”,可用于作为热辐射源以及捕获电磁波。相关研究结果发表于2010年6月New Journal of Physics[12(6):063006]。上述成果引起国际主流科技媒体的极大关注。Nature、New Scientist、Scientific American、MIT Technical Review、Science News、Discover、Nano Times等都做了详细报道。

 10. 实验实现最远距离自由空间量子隐形传态

量子隐形传态是实现远距离量子通信的一个关键。虽然该过程早在1997年就在因斯布鲁克和罗马进行的原理性验证实验中得以首次实现,但由于两体量子纠缠态在光纤信道中仅能在几百米的距离量级上保持良好的纠缠性质,如何实现远距离量子隐形传态一直是量子信息科学领域一个严峻的挑战。因为大气对某些特定波长的光子吸收非常小,而且大气中几乎没有双折射,能将极化纠缠光子的品质很好地保持,因此通过自由空间光子传输有望克服光纤传输的弱点,将量子隐形传态的距离大幅度提高。由潘建伟、彭承志等组成的中国科学技术大学-清华大学联合研究组采取罗马方案(该方案允许进行全Bell态测量),实验实现了国际上距离最远(超过16km)的自由空间量子隐形传态。他们同时发展了多项关键技术——包括主动前馈技术、长时间干涉仪稳定技术等,保障了量子信息的实时传输。结果显示,信号的保真度达到89%,完全超越经典传输仅能达到的2/3的保真度阈值,证实了大距离自由空间量子隐形传态的可行性。由于光子从地面穿过大气层到卫星的衰减相当于地表大气的5—8km,被称为大气等效厚度,该实验证实了穿越大气层、实现基于卫星的空基量子通信实验的可行性,为建立从地面基站到卫星、或以卫星作为中继站连接两个地面基站的量子通信网络提供了宝贵的经验和重要的技术积累,对构建实用化大尺度量子通信网络具有深远的影响。相关研究结果2010年6月以封面论文的形式发表在《自然·光子学》(Nature Photonics[4(6):376—381]),引起了国际学术界和公众的广泛关注。美国物理学会新闻网站physicstoday.org在该工作的电子预印本出现时即以“Quantum teleportation through open air”(量子隐形传态穿过开放大气)为题特别报道了这一工作。继而《美国·大众科学》、Discover Magazine、《自然·中国》等媒体进行了专题报道。美国的《时代》周刊更以“China's Great (Quantum) Leap Forward”(中国的巨大(量子)飞跃)进行了专题报道。

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