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抗疫科研争分夺秒 基础研究咬定青山

  返回亚搏官网app首页   时间:2020-03-20 15:22来源:光明日报 作者:小平 点击:
编者按: 人类同疾病较量最有力的武器就是科学技术,人类战胜大灾大疫离不开科学发展和技术创新。疫情发生以来,全国科技战线积极响应党中央号召,有关部门组成科研攻关组,确定临床救治和药物、疫苗研发、检测技术和产品、病毒病原学和流行病学、动物模型构
      

   编者按:

  人类同疾病较量最有力的武器就是科学技术,人类战胜大灾大疫离不开科学发展和技术创新。疫情发生以来,全国科技战线积极响应党中央号召,有关部门组成科研攻关组,确定临床救治和药物、疫苗研发、检测技术和产品、病毒病原学和流行病学、动物模型构建等五大主攻方向,组织跨学科、跨领域的科研团队,科研、临床、防控一线相互协同,产学研各方紧密配合,在很短的时间内就取得了积极进展,为疫情防控提供了有力科技支撑,这背后是我国近年来基础科学的迅速发展。日前,我国基础科学领域的2019年度十大进展发布,从中我们可以看到我国基础研究的硬实力。

  日前,有2600余名专家学者参与网上投票的2019年度中国科学十大进展揭晓:探测到月幔物质出露的初步证据、构架出面向人工通用智能的异构芯片、提出基于DNA检测酶调控的自身免疫疾病治疗方案、破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能、基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃、阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理、青藏高原发现丹尼索瓦人、实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验、揭示非洲猪瘟病毒结构及其组装机制、首次观测到三维量子霍尔效应等10项重大科学进展入选。

1.探测到月幔物质出露的初步证据

  中国的嫦娥四号探测器最近成功着陆在月球背面SPA区域的冯·卡门撞击坑内,并利用搭载的月球车——玉兔2号开展了巡视探测。中国科学院国家天文台李春来研究组与合作者,报告了玉兔2号上配置的可见光和近红外光谱仪(VNIS)的初步光谱探测结果,分析发现了低钙(斜方)辉石和橄榄石的存在,这种矿物组合很可能代表了源于月幔的深部物质。进一步的地质背景分析表明,这些物质是由附近直径72公里的芬森撞击坑挖掘出来、并抛射到了嫦娥四号着陆地点的月幔物质。这一工作的意义在于揭示了月幔的物质组成,为月球早期岩浆洋研究提供了新的约束条件,加深了对月球内部形成及演化的认识。玉兔2号将继续探索冯·卡门撞击坑底部的这些物质,以了解它们的地质背景、起源和组成,为未来开展月球样品采样返回任务提供依据。

2.构架出面向人工通用智能的异构芯片

  发展人工通用智能(AGI)的方法一般有两种:以计算机科学为导向或以神经科学为导向,将两者结合是目前公认的最佳发展AGI的路径。由于它们的构想和编码方案有着根本的不同,这两种方法依赖于截然不同且互不兼容的计算平台,构建一个二者集成的计算平台非常困难,从而阻碍了AGI的发展。因此,发展一个能够同时支持流行的基于计算机科学的人工神经网络和受神经科学启发的模型和算法的通用平台非常重要。清华大学施路平研究组与合作者提出了一种天机芯片架构,它高效集成了上面的两种方法,提供了一个异构集成的协同计算平台。该芯片采用多核结构、可重构构件和流线型数据流的混合编码方案,既能同时独立支持基于计算机科学的机器学习算法和神经科学主导的算法以及神经科学中的多种编码方案,还支持两者的异构混合建模,提供新的解决方案。研究人员仅使用一个芯片,演示了无人驾驶自行车系统中通用算法和模型的同步处理,实现了实时目标检测、跟踪、语音控制、避障、过障和平衡控制。该项研究有望为更通用的硬件平台发展铺平道路并推动AGI的发展。

3.提出基于DNA检测酶调控的自身免疫疾病治疗方案

  病毒的种类成千上万,其感染特点和致病方式也是千变万化,但是万变不离其宗的是,当病毒入侵时,其自身的遗传物质会不可避免地被带入到宿主细胞中。机体针对这些外源遗传物质(如DNA等)迅速做出反应,甚至不惜以伤及自身为代价,这是病毒感染导致致死性炎症的主要原因。亚搏体育平台官方app外源DNA诱发免疫反应的认识可以追溯到上百年之前,然而其背后的机理并不清楚。2013年,这一领域国际上取得了重要突破,科学家鉴定发现蛋白质cGAS(环鸟苷酸-腺苷酸合成酶)是胞内DNA病毒感受器。随着cGAS被揭示,科学家发现在检测病毒入侵以外,cGAS的异常激活也直接导致一类自身免疫疾病。因此,寻找有效控制cGAS活性的手段并探究其调控机理,对抵抗病毒感染及自身免疫疾病的治疗都至关重要。军事医学研究院(国家生物医学分析中心)张学敏和李涛研究组与合作者发现,乙酰化修饰是控制cGAS活性的关键分子事件,并揭示了其背后的调控规律。研究不但揭示了机体抗病毒感染的关键调控机制,还发现了有效的cGAS抑制剂,为AGS(艾卡迪综合征)等自身免疫疾病提供了潜在治疗策略。

4.破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能

  中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云研究组报道了海洋硅藻——三角褐指藻FCP的高分辨率晶体结构,揭示了蛋白支架内的7个叶绿素a、2个叶绿素c、7个岩藻黄素以及可能的1个硅甲藻黄素的详细结合位点,从而揭示了叶绿素a和c之间的高效能量传递途径。该结构还显示了岩藻黄素与叶绿素之间的紧密相互作用,使能量通过岩藻黄素高效地传递和淬灭。该研究团队进一步与清华大学生命科学学院隋森芳研究组合作,解析了硅藻的光系统II(PSII)与FCPII超级复合体的分辨率为3.0埃的冷冻电镜结构。该研究率先破解了硅藻、绿藻光合膜蛋白超分子结构和功能之谜,不仅对揭示自然界光合作用的光能高效转化机理具有重要意义,也为人工模拟光合作用、指导设计新型作物、打造智能化植物工厂提供了新思路和新策略。

5.基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃

  中国科学院物理研究所柳延辉研究组与合作者基于材料基因工程理念开发了具有高效性、无损性、易推广等特点的高通量实验方法,设计了一种Ir-Ni-Ta-(B)合金体系,获得了高温块体金属玻璃,其玻璃转变温度高达1162K。新研制的金属玻璃在高温下具有极高强度,1000K时的强度高达3.7千兆帕,远远超出此前报道的块体金属玻璃和传统的高温合金。该金属玻璃的过冷液相区达136K,宽于此前报道的大多数金属玻璃,其形成能力可达到3毫米,并使其可通过热塑成形获得在高温或恶劣环境中应用的小尺度部件。该研究开发的高通量实验方法具有很强的实用性,颠覆了金属玻璃领域60年来“炒菜式”的材料研发模式,证实了材料基因工程在新材料研发中的有效性和高效率,为解决金属玻璃新材料高效探索的难题开辟了新的途径,也为新型高温、高性能合金材料的设计提供了新的思路。

6.阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理

  钙钛矿太阳能电池是广受关注的新一代光伏技术,而其工作稳定性是目前产业化的主要障碍。传统研究主要通过组分优化、封装、界面改性和紫外光过滤等来有效抑制如氧气、水分和紫外光等因素导致的性能下降,从而提升器件的稳定性。然而要进一步提高器件的寿命,需要发展一种长期有效的方法以抑制使役过程中材料的本征缺陷。为提高本征稳定性,北京大学工学院周欢萍研究组、化学与分子工程学院严纯华/孙聆东研究组及其合作者提出,通过在钙钛矿活性层中引入铕离子对(Eu3+/Eu2+)作为“氧化还原梭”,可同时消除Pb0和I0缺陷,进而大幅提升器件使用寿命。有趣的是,该离子对在器件使用过程中没有明显消耗,对应的器件的效率最高达到了21.52%(认证值为20.52%),并且没有明显的迟滞现象。同时,引入铕离子对的薄膜器件表现出优异的热稳定性和光稳定性,在连续太阳光照或85℃加热1000小时后,器件仍可分别保持原有效率的91%和89%;在最大功率点连续工作500小时后保持原有效率的91%。该方法解决了铅卤钙钛矿太阳能电池中限制其稳定性的一个重要的本质性因素,可以推广至其他钙钛矿光电器件,对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有参考意义。

7.青藏高原发现丹尼索瓦人

  中国科学院青藏高原研究所陈发虎研究组、兰州大学张东菊研究组联合德国马普学会进化人类学研究所Jean-Jacques Hublin研究组等合作者,报道了一个利用古蛋白质分析方法鉴定为丹尼索瓦人的下颌骨,该下颌骨来自于中国甘肃省夏河县的白石崖溶洞。研究人员通过对化石上附着的碳酸盐结核进行铀系法测年,确定下颌骨至少有16万年的历史。该化石标本是丹尼索瓦洞以外发现的首件丹尼索瓦人化石证据,对标本的全面分析也为丹尼索瓦人研究提供了丰富的体质形态学信息,包括下颌和牙齿形态等信息。该项研究表明,早在现代智人到来之前,丹尼索瓦人在中更新世晚期就已经生活在青藏高原高海拔地区,并成功地适应了高寒缺氧环境。

8.实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验

  量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。然而,任何试图将量子力学和广义相对论进行融合的理论工作都遇到极大困难。目前亚搏体育平台官方app如何融合量子力学和引力理论的讨论,模型众多,但都普遍缺乏实验检验。中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、范靖云等与合作者,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上率先在太空中开展了引力诱导量子纠缠退相干的实验检验,对穿越地球引力场的量子纠缠光子退相干情况进行测试。根据“事件形式”理论模型预言,纠缠光子对在地球引力场中的传播,其关联性会概率性地损失;而依据现有的量子力学理论,所有纠缠光子对将保持纠缠特性。最终,卫星实验检验结果并不支持“事件形式”理论模型的预测,而与标准量子理论一致。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试融合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验,将极大地推动相关物理学基础理论和实验研究。

9.揭示非洲猪瘟病毒结构及其组装机制

  非洲猪瘟病毒(ASFV)是一个巨大而复杂的DNA病毒,能够引发家猪、野猪患急性、热性、高度传染性疾病,发病率和死亡率可高达100%,对生猪养殖产业链造成巨大经济损失,目前尚未有可用的疫苗。中国科学院生物物理研究所饶子和/王祥喜团队和中国农业科学院哈尔滨兽医研究所步志高团队联合上海科技大学等单位,在上海科技大学冷冻电镜中心连续收集了高质量数据,采用一种优化的图像重构策略,解析了非洲猪瘟病毒衣壳的三维结构,其分辨率达到4.1埃。结构细节揭示了衣壳稳定性和组装的分子基础,对非洲猪瘟疫苗的研发具有十分重要的理论指导意义。

10.首次观测到三维量子霍尔效应

  南方科技大学物理学系张立源研究组、中国科学技术大学物理学系乔振华研究组及新加坡科技设计大学杨声远等合作,在块体碲化锆(ZrTe5)晶体中首次实验实现了“三维量子霍尔效应”。研究人员对碲化锆体单晶进行了磁场下的低温电子输运测量,在一个相对低的磁场下达到了极端量子极限状态(只有最低朗道能级被占据的)。在该状态下,研究人员观测到了一个接近于零的无耗散纵向电阻,并沿着磁场方向形成了一个正比于半个费米波长的很好的霍尔电阻平台,这些是三维霍尔效应出现的确凿标志。理论分析还表明,该效应源于在极端量子极限下电子关联增强产生的电荷密度波驱动的费米面失稳。通过进一步提高磁场强度,纵向电阻和霍尔电阻都急剧增加,呈现出金属-绝缘体相变。该研究进展提供了三维量子霍尔效应的实验证据,并提供了一个进一步探索三维电子体系中奇异量子相及其相变的很有前景的平台。

  (本文来源:科学技术部高技术研究发展中心〈基础研究管理中心〉,本报记者袁于飞整理)

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