未知世界中的那些中国发现

——专家点评2013年度中国科学十大进展

2014.04.24  来源： 科技日报

大脑星形胶质细胞、小胶质细胞和神经元三种细胞之间相互通信模式图

亚纳米化学成像

纳米孪晶立方氮化硼块材样品(右上插图)及其显微组织

复合材料（NICSMA）的超常力学性能

　　今年2月，由中国科学院院士、中国工程院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者投票选出的2013年度中国科学十大进展对外公布。入选项目亮点纷呈，体现了过去一年中我国基础研究的顶尖成就。科技日报为您详细介绍各项进展，并邀请各领域权威专家进行精彩点评。

　　中国科学家积极应对 新发H7N9禽流感病毒取得重要进展

　　2013年2—3月间，在中国上海和安徽首先发现有3位城市居民因接触活禽感染一种新型禽流感病毒(H7N9)而患急性进行性下呼吸道感染，进而发生了一种新的禽流感病毒流行。

　　面对新病毒的威胁，包括中国疾病预防控制中心舒跃龙研究组、王宇研究组和余宏杰研究组、复旦大学袁正宏研究组、浙江大学李兰娟研究组、中国科学院微生物研究所高福研究组、汕头大学—香港大学流感联合研究中心管轶研究组、香港大学Gabriel M Leung研究组和Joseph T Wu研究组、中国农业科学院哈尔滨兽医研究所陈化兰研究组、中国科学院生物物理研究所蒋太交研究组等在内的中国科学家通力合作攻关，通过临床和流行病学调查、基因组测序及比对、系统发生分析、结构生物学、动物实验等，对该新型病毒的起源、适应性变异、结构特征、临床和流行病学特征等进行了研究，取得了系列重要研究进展。

　　他们的研究阐明了这种新型病毒的起源和重组事件，揭示了这种新型病毒感染人以及抗药性的结构基础。同时，他们的研究还表明在合适条件下，该病毒有可能会发生人间传播。

　　上述这些研究成果分别发表于New England Journal of Medicine、Nature、Science、Lancet等顶尖杂志上，引起国际广泛关注。我国科学家在H7N9流感病毒的基础与临床研究方面的重大突破，为我国迅速应对和控制这种新发传染性疾病提供了科学支撑，彰显了中国科学家积极应对新发传染病的能力。

　　专家点评

　　陈凌（广州医科大学教授、中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员）：我国科学家在应对人感染H7N9禽流感这个新发重大传染病过程中，从迅速甄别病原体到完成基因组测序，阐释致病机理，提高临床救治水平等方面，在很短的时间内做出了一系列在国际上领先的成果，为疫情预估与防控、抗病毒药物选择及临床治疗等提供了大量的科学依据，为降低人感染率、降低死亡率、稳定社会做出了不可或缺的贡献，显示了中国在应对新发传染病方面能力与水平的巨大进步。

　　在磁性拓扑绝缘体中 观测到量子反常霍耳效应

　　量子反常霍耳效应(QAHE)是指在零磁场下由于材料的自发磁化而产生的量子霍耳效应。科学家预测这种效应可能存在于磁性拓扑绝缘体中，但量子反常霍耳效应的实验观测此前一直未能实现。

　　清华大学薛其坤、王亚愚研究组与中国科学院物理研究所何珂、马旭村研究组等合作，首次在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3磁性拓扑绝缘体薄膜中成功观测到量子反常霍耳效应。他们的研究显示，在零磁场下，反常霍耳电阻呈现出所预测的量子化值(h/e2)，同时伴随纵向电阻的大幅下降；在强磁场下，纵向电阻完全消失，而霍耳电阻仍然保持量子化值。量子反常霍耳效应的实现将引导和推动低能耗电子学的发展。相关研究进展发表在2013年4月12日Science[340(6129):167-170]上。

　　专家点评

　　金晓峰（复旦大学物理系教授）：该发现的意义不仅在于最终实现了零磁场中的量子霍耳效应，而且还首次从实验上毫无争议地证实了由能带几何相位产生的内禀反常霍耳效应的存在，从而结束了对这一问题长达60多年的争论。因此这项工作在拓扑量子物理和自旋电子学两个不同的领域都会产生深远的影响。尽管目前实现量子反常霍耳效应的温度还很低，离应用尚有距离，但我们相信，通过科学界的努力，它很可能在不远的将来在信息和能源技术等领域会产生重大的应用。

　　利用原子力显微镜 直接观测到分子间氢键

　　国家纳米科学中心裘晓辉和程志海研究组与中国人民大学物理系季威合作，利用非接触式原子力显微镜对在Cu(111)表面上吸附组装的8-羟基喹啉分子间形成的氢键进行了直接观测，第一次获得了氢键的实空间图像。

　　实验中获得的原子级分辨结构能够精确地描述氢键网络的特征，包括成键位点、键取向和长度。利用第一原理密度泛函计算的结果表明氢键成像的机制与其杂化电子态及电子密度的贡献相关。

　　这种利用原子力显微技术直接探测分子间化学键的方法可被广泛运用于对具有多个活性位点的复杂分子间相互作用的研究，并为化学键的特性研究提供了新的实验手段。相关研究进展发表在2013年11月1日Science[342(6158):611-614]上。

　　专家点评

　　万立骏（中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员）：氢键是一种在自然界中广泛存在的、重要的分子间作用形式，对许多物质的性质和形态有着至关重要影响。

　　国家纳米科学中心裘晓辉研究团队利用自主升级改造的高性能原子力显微镜在世界上首次实现了对分子间氢键的实空间成像，并精确地测量了氢键网络的特征参数，该结果不仅深化了对氢键的化学键本质的认识，也有助于从微观尺度揭示分子间作用的规律，对于功能材料和药物分子的设计有着重要理论指导意义。该研究工作展示的原子力显微技术将为氢键研究提供一种崭新的、有力的实验工具。

　　北京谱仪Ⅲ观测到 一种包含至少4个夸克的带电粒子

　　工作在北京正负电子对撞机上的北京谱仪Ⅲ（BESⅢ）国际合作组，利用BESⅢ探测器获取的数据，在高能正负电子对撞中发现了一个新的共振结构——Zc（3900）。如果Zc(3900)被解释为一个新粒子，它相当于一个重夸克偶素携带有一个电荷，这提示其中至少含有4个夸克。虽然人们对这个新粒子的性质有多种解释，但“四夸克态”的解释得到了更多关注。评论指出“如果四夸克解释得到确认，粒子家族中就要加入新的成员，我们对夸克物质的研究就需要扩展到新的领域”。相关研究进展发表在2013年6月21日Physical Review Letters[110, 252001]上。

　　专家点评

　　赵光达（中国科学院院士、北京大学教授）：基本粒子的标准模型认为，夸克之间可以通过强相互作用组成质子和中子一类的强子。迄今为止，人们仅发现了由3个夸克组成的重子和由一对夸克和反夸克组成的介子，未能确切回答是否还存在由更多夸克或反夸克组成的强子。北京谱仪Ⅲ的实验发现，Zc(3900)很可能是一个由两个夸克和两个反夸克组成的带电的四夸克态强子。这无疑将极大地扩展我们对夸克组成的物质世界的认识，对理解基本粒子强相互作用的本质具有重要意义。

　　小麦A基因组 和D基因组草图绘制完成

　　小麦是全球最重要的粮食作物，养活了世界上40%的人口。由于广泛种植的普通小麦是一种异源六倍体，包括A、B和D三个基因组。其基因组大（17000 Mb，是水稻基因组的约40倍）而复杂，85%以上序列为重复序列，致使基因组测序研究困难重重，进展缓慢，成为限制小麦基础和应用研究进一步发展的瓶颈。

　　小麦A基因组是普通小麦及其它多倍体小麦的基本基因组，是小麦演化、驯化以及遗传改良研究的关键，特别是在穗和种子的形态和发育上。而小麦D基因组在抗病、抗逆、适应性以及品质方面体现出独特的特点。中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业科学院作物科学研究所与深圳华大基因研究院合作在世界上率先完成对小麦A基因组前体种乌拉尔图小麦及D基因组供体种粗山羊草全基因组测序、组装与分析；研究人员在A基因组与D 基因组中分别鉴定出34879和43150个编码蛋白基因，发现了一批A、D基因组特有基因和新的小分子RNA，鉴定出一批控制重要农艺性状的基因。他们的研究还发现，小麦的抗病基因、抗非生物应激反应基因以及品质基因等农艺性状相关基因家族都发生显著扩张，大大增强了普通小麦的抗病性、抗逆性、适应性及其品质。上述研究结果为理解普通小麦对环境的适应性提供了新的认识，并为小麦功能基因组研究及正在发展的小麦全基因组选择育种提供了重要的信息。相关研究进展发表在2013年4月4日Nature[496(7443):87-90和91-95]上。

　　专家点评

　　方荣祥（中国科学院院士、中国科学院微生物研究所研究员）：小麦A、D基因组测序与草图绘制的完成，为多倍体小麦提供了二倍体基因组参照序列，为小麦驯化研究提供了一个全新的视角，使小麦改良进入分子时代。研究成果将极大地促进小麦的基础理论研究和小麦产业的发展，对保障粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。

　　利用小分子化合物

　　将小鼠体细胞诱导成为多潜能干细胞

　　利用核移植方法或转基因的方法可以将体细胞重编程为多潜能干细胞，这为获得病人自体来源的组织器官提供了无限的干细胞来源。但核移植带来的伦理问题以及外源转入转录因子所带来的基因突变和致癌等风险限制了其进一步应用。北京大学邓宏魁和赵扬研究小组开发出了一个新的方法，他们利用7个小分子化合物的组合将小鼠体细胞重编程为多潜能干细胞。他们将利用该方法得到的多潜能干细胞称为“化学诱导的多潜能干细胞(CiPS细胞)”。这种干细胞具有与胚胎干细胞类似的基因表达谱、表观遗传状态以及分化发育和生殖传递潜能。他们利用这种干细胞还成功获得了成年嵌合体小鼠及种系传递小鼠。他们的研究表明，利用小分子化合物可激活细胞内源的转录调控网络，使得转入外源基因的方法不再是体细胞重编程所必需。相关研究进展发表在2013年8月9日Science[341(6146):651—654]上。

　　专家点评

　　李党生（中国科学院上海生命科学研究院客座研究员、Cell Research常务副主编）：完全使用小分子化合物来改造体细胞的命运并实现从已分化的特化细胞到多潜能性干细胞这一发育的逆转，是世界首创。首先，这项成果提供了非常简洁和更加安全的体细胞重编程途径，为自体细胞治疗甚或器官移植提供了理想的潜在功能细胞来源，是“再生医学”领域的里程碑式工作。其次，小分子化合物通过改变细胞的信号传导和表观遗传状态来激活内源基因的表达，进而改变了细胞的命运，这为进一步理解细胞的多潜能性、可塑性，以及理解体细胞重编程的分子机制提供了一个全新的理论框架。更有意思的是，这项成果通过小分子化合物来改变哺乳动物体细胞的命运，还将会引申出一个新的研究方向——用小分子化合物直接在体内重塑细胞的功能，或诱导器官的再生，这也将为再生医学打开一扇新的大门。

　　合成出极硬纳米 孪晶立方氮化硼

　　立方氮化硼是一种具有广泛工业应用的超硬材料。基于Hall-Petch效应，硬度随晶粒尺寸减小而增加，因此降低材料的晶粒尺寸是提高材料硬度的一条途径。传统方法可以合成晶粒尺寸小到约14nm的多晶立方氮化硼。燕山大学田永君研究组与合作者，合成出了以孪晶为主要纳米结构的立方氮化硼，其孪晶平均厚度仅为3.8nm。他们制备的纳米孪晶立方氮化硼光学透明，具有一系列优良物理性能：其维氏硬度超过了硬度最高的合成金刚石；其氧化温度高达约1294℃；其断裂韧度超过了商用烧结碳化钨。特别的是，他们制备的这种立方氮化硼的孪晶厚度已经远小于Hall-Petch效应临界尺寸（10—15nm），但仍然呈现出硬化效应。他们的分析认为，这是量子限域效应带来的硬化超过了反Hall-Petch效应带来的软化的结果。相关研究进展发表在2013年1月17日Nature[493(7432):385—388]上。

　　专家点评

　　邹广田（中国科学院院士、吉林大学教授）：自然界中金刚石的硬度最高。合成出比金刚石更硬的材料一直是人类的梦想。遗憾的是，科学家们一直没能找到实现梦想的原理和途径，田永君及其合作者找到了。他们在建立多晶共价材料硬化模型基础上，成功地合成出超细纳米孪晶立方氮化硼。材料的硬度、韧性和稳定性都得到了显著提高。他们发展的基本原理和合成技术也适用于纳米孪晶金刚石及其复合材料。这类先进的刀具材料在加工业中具有重要的应用价值。

　　研发出一种兼具大弹性应变、低模量 和高强度的相变金属纳米复合材料

　　单体态纳米线具有超大弹性应变（4%—7%）和超高屈服强度，但大块复合材料中的纳米线却不具有此超常力学性能，纳米线的超常力学性能难以从纳米走向宏观的现象曾被喻为“死亡之谷”。中国石油大学（北京）崔立山研究组与北京工业大学韩晓东、西安交通大学李巨及美国阿贡国家实验室任洋等合作，针对上述问题，提出了金属基体相变应变与纳米线弹性应变相匹配的设计概念，使大块复合材料中纳米线可展现出超常力学性能。基于此理论突破，他们采用常规冶金法（真空熔炼、锻造及拔丝）研发出了Nb纳米线/NiTi记忆合金大块复合材料,该复合材料兼具超大弹性应变（﹥6%）、低弹性模量（﹤28GPa）和高屈服强度（﹥1.65GPa）。相关研究进展发表在2013年3月8日Science[339(6124):1191—1194]上。

　　专家点评

　　徐惠彬（中国工程院院士、北京航空航天大学教授）：纳米线具有超常力学性能，但其在复合材料中却失去此性能，纳米线的超常力学性能未能从纳米走向宏观的现象曾被喻为“死亡之谷”。针对此问题，该研究团队将传统相变领域与前沿纳米领域交叉，提出基体相变应变与纳米线弹性应变相匹配的设计概念，在大块材料中实现了纳米线的超常力学性能，并基于此突破，成功研发了兼具大弹性应变、低弹性模量及高屈服强度的纳米复合材料，因此，该成果具有重要的科学意义与工程应用价值。

　　基于等离激元增强拉曼散射 实现单分子化学成像

　　具有化学甄别能力的单分子识别与成像一直是催化科学、分子科学和生物技术等领域长期追求的目标。中国科学技术大学董振超和侯建国研究组与合作者报道了一种分辨率达到亚纳米（约0.5nm）的拉曼光谱成像技术，可以分辨单个分子的内部结构和表面构型。该技术不仅使单分子水平上的化学成像成为可能，而且开辟了一条研究单个分子非线性光学过程和光化学过程的新途径。相关研究进展发表在2013年6月6日Nature[ 498(7452):82—86]上。

　　专家点评

　　田中群（中国科学院院士、厦门大学教授）：首次实现亚纳米分辨的拉曼成像是光谱学和精密谱学技术领域的一个里程碑式的突破，为在单分子水平上精确观察和研究表面分子的结构及其变化、物理化学特性以及反应过程等提供了强大的工具。作者引入的双共振非线性新概念，提升了人们对等离激元的物理特性的理解和认识，有望开辟单分子非线性光学的新研究领域。这个新技术也将拓展光诱导/光增强纳米催化的应用范围。

　　发现星形胶质细胞多巴胺D2受体 通过αB晶状体蛋白抑制神经炎症

　　慢性炎症是大脑衰老和一些神经退行性疾病的普遍表现。但是，中枢神经系统中调节先天免疫反应的分子和细胞机制一直没有被阐释清楚。中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所周嘉伟研究组与合作者的研究表明，星形胶质细胞的多巴胺D2受体(DRD2)活化可通过一种αB晶状体蛋白(CRYAB)依赖性机制抑制中枢神经系统中的先天免疫反应，进而抑制神经炎症。他们的研究提供了一个通过靶向中枢神经系统中星形胶质细胞介导的先天免疫反应来抑制衰老和疾病中炎症反应的策略。相关研究进展发表在2013年2月7日Nature[494(7435):90—94]上。

　　专家点评

　　王以政（中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所研究员）：随着我国人口老龄化速度的加快，神经退行性疾病（如老年性痴呆、帕金森病）受到越来越多的关注，但迄今为止，脑老化和神经退行性疾病的起因尚不清楚。此前研究表明，人进入中年后大脑呈现衰老迹象，同时伴有多巴胺D2受体水平下降。周嘉伟研究组发现，星形胶质细胞的多巴胺D2受体下降会导致大脑的慢性神经炎症，促进帕金森病的发生和发展。他们这一成果揭示了星形胶质细胞的多巴胺D2受体在神经炎症抑制过程中的重要作用，对理解脑老化的成因和建立以星形胶质细胞多巴胺D2受体为基础的脑老化和神经退行性疾病防治的新方法具有重要的科学意义和社会意义。