2007年度中国基础研究十大新闻简介

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由科学技术部基础研究管理中心和中国科学技术协会学会学术部共同组织实施，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项目首席科学家等1600余位专家参与评选的“2007年度中国基础研究十大新闻”揭晓，11项科研成果入围。 　　在本次评选中，被推荐符合条件的科研成果共有197项。经初步筛选之后，有31项进入候选名单。这些入选项目表明我国基础研究在某些领域已经具有可持续创新能力。本版将对11项最终入围成果进行简要介绍。———编者 　　我国首颗探月卫星“嫦娥1号”发射成功 　　并顺利传回探测数据
　　我国首颗探月卫星“嫦娥1号”发射取得圆满成功并顺利开展科学探测工作，这标志着我国首次探月工程取得圆满成功，我国已跨入具有深空探测能力国家的行列。“嫦娥1号”共携带有8种有效载荷：CCD立体相机、激光高度计、X射线谱仪、伽马射线谱仪、干涉成像光谱仪、微波探测仪、高能粒子探测器和太阳风离子探测器。这些有效载荷将用于：探测有关月表主要物质类型及分布；测量月球地形的高程数据；确定月球表面元素类型和资源分布；测量月壤的亮温温度，计算月壤厚度；探测高能带电粒子的成分、能谱、通量和随时间的变化特征；探测原始太阳风离子的能谱，包括太阳风的体速度、离子温度等。目前，“嫦娥1号”卫星已从环月轨道上传回了CCD立体相机拍摄的图像数据，其他各探测器也陆续投入工作，获取相关数据和结果。
　　在多光子纠缠和光学量子计算的 　　实验方面取得新进展
　　中国科技大学潘建伟等与合作者实验实现了国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和光学量子计算领域的两项世界记录。相关研究结果发表在2007年2月出版的NaturePhysics(3(2):91—95)上，欧洲物理学会的新闻网站和Nature杂志的“研究亮点”栏目对该工作做了专题报道。此外，潘建伟等还与合作者在国际上首次用光子比特实验演示了关键性的Shor分解算法，实现了对15的质因子分解；而且确认了多体纯纠缠的存在，验证了量子加速的根源。相关研究结果发表在2007年12月21日出版的PhysicalReviewLetters(99:250504)上，NewScientist以“量子计算威胁我们的机密数据”为题对此工作做了报道。
　　合成出室温条件下具有超大塑性的 　　块体金属玻璃材料
　　块体金属玻璃(非晶合金)材料一般具有超高的强度，但其塑性变形能力很低。中国科学院物理研究所汪卫华研究组通过优化合金成分，合成出一种在室温条件下具有超塑性的ZrCuNiAl基块体金属玻璃材料。微结构分析显示，该金属玻璃材料由硬区和围绕硬区的软区构成，这种结构使得该材料在压缩条件下承受的应变可达到160%%。此前的研究通常认为高度局域化并软化的剪切带是非晶合金材料脆性的原因，这项工作表明通过合适的成分和结构调制，可以有效增殖剪切带，控制剪切带的形成、运动和扩展，从而有效改善非晶合金的塑性，而不影响非晶合金高强度的特点。同时，研究人员还提出探索塑性大块非晶的新方法：即非晶合金的塑性对其成分很敏感，这种成分敏感性可用泊松比来有效地标定，从而可利用材料成分随泊松比的变化规律来合成出具有大塑性的非晶材料。这为探索同时具有高强度和大塑性的金属非晶合金材料提供了新方法，对于理解非晶合金材料的塑性变形机理、解决非晶合金材料的脆性难题等都有重要意义。相关研究结果发表在2007年3月9日出版的Science(315(5817):1385—1388)上。
　　找到保存在滞育卵囊中的胚胎化石和 　　6.3亿年前的动物化石
　　保存在中国南部埃迪卡拉纪陡山沱组地层中的磷酸盐化的化石，被解释为早期动物胚胎的遗迹。但与早寒武世的胚胎化石记录相比，陡山沱组地层中的胚胎化石仍然存在系统发生学上的问题。一些研究者认为这些化石可能是一种巨型硫细菌化石(Nature,445(7124):198—201)。中国科学院南京地质古生物研究所尹磊明等与美国哈佛大学合作者，从湖北宜昌地区陡山沱组燧石中发现相类似的胚胎化石保存在大的具显著刺饰的有机囊胞内，这些有机体应是真核生物，很可能是保存在滞育卵囊中处于早期分裂阶段的动物胚胎。它们与现代水生无脊椎动物的滞育卵最为相似，从而否定了陡山沱组动物胚胎化石是巨型硫细菌的假说。而且，研究表明，卵囊胞化石在年龄为6.32亿年前的火山灰之上的岩石中就存在。此是迄今为止可靠动物化石的最早记录；同时表明主干动物在新元古代末期大冰期结束后很快就出现了。这对研究和理解地球早期生命演化及其物理环境演变具有重要意义。相关研究结果发表在2007年4月5日出版的Nature(446(7136):661—663)上。
　　合成出具有高电氧化催化活性的二十四面体铂纳米晶体
　　铂族金属纳米材料是燃料电池、石油化工、汽车尾气净化和化学工业等领域广泛使用的催化剂。因储量有限，价格昂贵，如何进一步提高其性能一直是重大的关键问题。金属纳米晶体的形状通常表现为由低指数{111}和{100}晶面构成的多面体，如立方体、四面体和八面体。厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室孙世刚研究组利用高指数晶面在氧化条件下稳定性高的特点，通过方波电位产生的周期性(10—20Hz)电化学氧化/还原驱动，调控铂纳米晶体的生长过程和表面结构，突破了化学法只能合成低表面能的低指数晶面结构金属纳米晶体的局限，高产率制备出由高表面能的高指数晶面构成的二十四面体铂纳米晶体。研究证实，该铂纳米晶体具有很高的电氧化催化活性，其对甲酸、乙醇等有机小分子燃料电氧化的催化活性是目前商品铂纳米催化剂的2—4倍。他们还与美国佐治亚理工学院王中林等合作，证实该铂纳米晶体由{730}、{520}、{210}等高指数晶面围成，并具有很高的热稳定性(800℃)和化学稳定性。该研究开辟了一条通过控制纳米粒子表面原子排列结构提高催化剂性能的崭新途径，被认为是纳米催化剂合成的重大突破。相关研究结果发表在2007年5月4日出版的Science(316(5825):732—735)上。
　　证实CASP8基因启动子的一个六核苷酸插入/缺失多态与多种癌症易感性相关
　　凋亡蛋白酶Caspases对T淋巴细胞的存活非常重要，因此它对免疫系统对恶性细胞的监视和杀灭具有重要影响。中国医学科学院肿瘤研究所林东昕等与中国科学院北京基因组研究所曾长青等合作，测试了CASP8、CASP10和CFLAR3个控制细胞凋亡的关键基因的遗传变异与肿瘤易感性之间的关系。结果发现，CASP8启动子的一个六核苷酸缺失变异可降低肺癌风险。该缺失变异破坏了一个刺激蛋白-1的结合位点，从而降低了CASP8的转录活性。生物化学分析显示，具有这种缺失变异的T细胞的caspase-8酶活性低，因此在癌细胞抗原刺激下诱导激活的T细胞凋亡减少。进一步通过对4995名癌症患者和4972名正常人的对比分析显示，该遗传变异与多种癌症包括肺癌、食道癌、胃癌、直肠癌、子宫癌和乳腺癌等的易感性降低相关。该研究结果表明，影响免疫系统的遗传变异可改变对癌症的易感性。相关研究结果发表在2007年5月出版的NatureGenetics(39(5):605—613)上。
　　揭示出多巴胺—蘑菇体环路在果蝇基于价值 　　抉择中的调控作用
　　抉择是脑的高级认知功能之一，是基于知识和经验、权衡利弊得失，从可供选择的全部可能性中实现价值最大化、损失最小化的能力。传统认为，抉择可能是人和非人灵长类动物的“专利”。果蝇是重要而经典的模式动物，对果蝇简约抉择行为的研究和理解可能提供关于决策的神经环路和基因方面的元素信息，并可能有助于理解某些高级认知功能的“基本原理”。
　　中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所郭爱克实验室在基因—脑—行为—认知相结合的框架下，从演化的角度，对果蝇的抉择能力作了开创性研究，设计了“颜色/形状”和“颜色/重心”两种基于相对“权值”的“趋利避害”的抉择范式，发现果蝇在面临矛盾线索的情况下，可以根据线索的突显性作出有利的选择(Science,2001,294(5546):1543—1547)。
　　在此基础上，他们将研究聚焦在果蝇抉择的神经环路机制上。通过精巧的行为实验，基因操作时空特异性地阻断各个脑区和神经递质传递特性等多种实验方法，以探索抉择的脑机制，回答抉择在哪里发生、怎样进行以及如何实现。他们发现：(1)果蝇脑的蘑菇体结构和多巴胺系统共同掌控了果蝇基于“价值”的抉择行为，没有二者共同参与的抉择是简单的“犹豫不决”的线性过程，而二者的协同运作使两难抉择成为“当机立断、胜者独享”的非线性抉择；(2)果蝇有能力完成连续的抉择任务，即在面对新的抉择任务时，能放弃在前一个抉择任务时所作的选择，而作出新的选择，体现了在抉择的“稳定性”和“灵活性”之间的动态平衡；(3)新的抉择仍需要蘑菇体结构和多巴胺系统重新快速参与，而一旦进入执行阶段，则不再需要多巴胺系统和蘑菇体的参与；(4)抉择是一个动态的时间过程，蘑菇体结构和多巴胺系统的参与存在一个时间窗口。基于以上结果，他们提出了蘑菇体结构和多巴胺系统可能完成“门控”、“聚焦”和“放大”操作的假设。相关研究结果发表在2007年6月29日出版的Science(316(5833):1901—1904)上。2007年7月27日出版的Cell在其神经生物学前沿栏目中(LeadingEdge:NeurobiologySelect)也头条介绍了该研究成果(Cell,130(2):197)。
　　发现β抑制因子-1是调节CD4+T细胞存活和自身免疫性的关键因子
　　CD4+T细胞是适应性免疫的关键，它在很多自身免疫引起的疾病中起着重要的作用。在体内，有95%%的T细胞在胸腺中凋亡，存活下来的进入外周免疫系统。而在外周免疫系统中，大量的CD4+T细胞也需要及时地凋亡以维持其动态平衡。一旦CD4+T细胞凋亡发生混乱，对自身抗原起反应的细胞就可能存活下来，从而使机体产生自身免疫性。β抑制因子-1(β-arrestin1)是一个多功能衔接子蛋白。中国科学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臧敬伍等，研究发现β抑制因子-1可正调节T淋巴细胞及激活CD4+T细胞的存活。具体来说，β抑制因子-1可以改变CD4+T细胞中抗凋亡基因bcl-2启动子区组蛋白H4的乙酰化，促进Bcl-2的表达，从而减少CD4+T细胞的死亡。对自身免疫疾病模型小鼠的研究显示，过表达β抑制因子-1基因(Arrb1)，可增加小鼠对自身免疫性脑脊髓炎的易感性；反之，缺少Arrb1的小鼠，对该疾病具有更高的抗性。临床标本检测发现，多发性硬化症患者的CD4+T细胞中β抑制因子-1高表达，而通过RNA干扰技术敲除这些细胞上的β抑制因子-1基因可增加CD4+T细胞的凋亡。该研究显示β抑制因子-1对于CD4+T细胞的存活是至关重要的，它是自身免疫易感性的一个关键因子。相关研究结果发表在2007年8月出版的NatureImmunology(8(8):817—824)上。
　　证实大熊猫仍存在较高的遗传多样性和进化潜力
　　综合大熊猫化石及现生种体形大小变化、食物特化、种群数量急剧下降、栖息地破碎化、圈养种群繁殖衰退和竹子开花等多方面的研究，传统的观点认为大熊猫已走到进化历史的尽头，其濒危是进化历程的必然。中国科学院动物研究所魏辅文研究小组与西华师范大学、英国卡迪夫大学等合作，在继2006年发现野生大熊猫种群数量远远超过先前人们估计的基础上(相关成果以封面文章形式发表在CurrentBiology,16:R451—R452)，进一步发现大熊猫并未走到进化历史的尽头，仍然具有进化潜力。研究小组采用群体遗传学的研究方法，对不同山系现存野生大熊猫种群遗传多样性与变异、种群遗传结构与基因流、种群动态历史等问题进行了深入讨论，发现该物种现生种群仍然保持较高的遗传多样性和长期续存的进化潜力，而且大熊猫在末次冰期消融后还经历了强烈的种群扩张。而现生种群的衰退仅始于几千年前，这提示大熊猫种群的濒危和中国历史上人口不断增长所带来的压力密切相关。上述发现表明大熊猫并非是处于进化历史尽头的孑遗物种，这修正了长期以来公众对大熊猫前途命运的认识。大熊猫的濒危是由于自身以外的因素所造成的，而人类对其种群濒危负有不可推卸的责任。相关研究结果发表在2007年8月出版的MolecularBiologyandEvolution(24(8):1801—1810)上。
　　在声子晶体中 　　实现声波的双负折射
　　光学双折射和二色性是各向异性晶体具有的一个重要现象。但是由于流体中传播的声波是纵波，因此在流体中不可能产生双折射现象。人工声子晶体的出现显著拓宽了自然界存在的声学材料，科学家可以制造出声学带隙用于控制声波的传播。另外，近年来负折射材料得到了科学家的关注，并在左手材料和光学晶体中得以实现。类似的，负折射材料在声子晶体中也得以实现。南京大学固体微结构物理国家重点实验室陈延峰等与南京大学声学研究所、复旦大学应用表面物理国家重点实验室合作者，运用FDTD方法模拟了声波在声子晶体中的双负折射现象，并通过实验进一步证实该现象的存在。在此基础上，他们利用双负折射效应，成功地实现了平板透镜的超透镜点源成像：同一个点源，可以通过声子晶体平板实现两个像。与光学双折射成像不同，这里所成的两个像是两个相干像，具有同样的频率和同样的偏振态。这一现象是继声子晶体中的带隙效应、负折射效应、超棱镜效应等以后，发现的又一重要的物理效应，可能在声聚焦、声全息等方面获得重要的应用。不仅如此，该现象具有一般性，类似的效应可能存在于光波之于光子晶体中、电子之于晶体中、表面等离激元波之于等离激元晶体中。相关研究结果发表在2007年10月出版的NatureMaterials(6(10):744—748)上。
　　发现全球水循环中的溶解无机碳可能是一个重要的碳汇
　　全球CO2的源汇不平衡是当前世界碳循环研究的重点内容之一。然而，关于全球CO2汇的位置、大小、变化和机制目前仍不确定。目前的研究主要集中在有机碳循环，而对无机部分关注较少。中国科学院地球化学研究所刘再华与德国Bremen大学WolfgangDreybrodt和西南大学地理科学学院王海静合作，基于广西和贵州10余年的野外观测数据，经过理论计算探讨了全球水循环中溶解无机碳形式对全球碳循环的贡献。他们发现，全球水循环产生的CO2汇高达每年约8亿吨碳，约占人类活动排放CO2源的10.1%，占所谓遗失碳汇的28.6%。该碳汇是由水对CO2的溶解吸收形成的，并随着碳酸盐的溶解及水生植物光合作用对溶解CO2消耗的增加而显著增加。这部分碳汇中每年有5.2亿吨通过海上降水和陆地河流进入海洋，有约1.6亿吨再次释放进入大气，还有约1.2亿吨储存在陆地水生生态系统中，净碳汇是6.4亿吨。随着全球变暖导致的全球水循环的加强、大气中CO2和碳酸盐粉尘的增加以及陆地植被的增加，未来由全球水循环形成的CO2汇也可能增加。总之，全球水循环、碳酸盐(岩)的风化溶解和水生植物的光合作用，三者共同构成了对大气CO2的调节。这些物理、化学和生物作用过程共同提供了一个负的气候反馈机制，降低了大气CO2增加对气候的影响。该研究发现对碳汇的理论计算做出了一个示范，为寻找遗失的碳汇提出了一个新的方向。相关研究结果发表在2007年10月出版的《科学通报》(52(20):2418—2422)上。