人類同疾病較量最有力的武器就是科學(xué)技術(shù)，人類戰(zhàn)勝大災(zāi)大疫離不開科學(xué)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。疫情發(fā)生以來，全國科技戰(zhàn)線積極響應(yīng)黨中央號召，有關(guān)部門組成科研攻關(guān)組，確定臨床救治和藥物、疫苗研發(fā)、檢測技術(shù)和產(chǎn)品、病毒病原學(xué)和流行病學(xué)、動物模型構(gòu)建等五大主攻方向，組織跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的科研團(tuán)隊，科研、臨床、防控一線相互協(xié)同，產(chǎn)學(xué)研各方緊密配合，在很短的時間內(nèi)就取得了積極進(jìn)展，為疫情防控提供了有力科技支撐，這背后是我國近年來基礎(chǔ)科學(xué)的迅速發(fā)展。日前，我國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的2019年度十大進(jìn)展發(fā)布，從中我們可以看到我國基礎(chǔ)研究的硬實(shí)力。
日前，有2600余名專家學(xué)者參與網(wǎng)上投票的2019年度中國科學(xué)十大進(jìn)展揭曉：探測到月幔物質(zhì)出露的初步證據(jù)、構(gòu)架出面向人工通用智能的異構(gòu)芯片、提出基于DNA檢測酶調(diào)控的自身免疫疾病治療方案、破解藻類水下光合作用的蛋白結(jié)構(gòu)和功能、基于材料基因工程研制出高溫塊體金屬玻璃、闡明銪離子對提升鈣鈦礦太陽能電池壽命的機(jī)理、青藏高原發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人、實(shí)現(xiàn)對引力誘導(dǎo)量子退相干模型的衛(wèi)星檢驗(yàn)、揭示非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)及其組裝機(jī)制、首次觀測到三維量子霍爾效應(yīng)等10項(xiàng)重大科學(xué)進(jìn)展入選。
1.探測到月幔物質(zhì)出露的初步證據(jù)
中國的嫦娥四號探測器最近成功著陸在月球背面SPA區(qū)域的馮·卡門撞擊坑內(nèi)，并利用搭載的月球車——玉兔2號開展了巡視探測。中國科學(xué)院國家天文臺李春來研究組與合作者，報告了玉兔2號上配置的可見光和近紅外光譜儀（VNIS）的初步光譜探測結(jié)果，分析發(fā)現(xiàn)了低鈣（斜方）輝石和橄欖石的存在，這種礦物組合很可能代表了源于月幔的深部物質(zhì)。進(jìn)一步的地質(zhì)背景分析表明，這些物質(zhì)是由附近直徑72公里的芬森撞擊坑挖掘出來、并拋射到了嫦娥四號著陸地點(diǎn)的月幔物質(zhì)。這一工作的意義在于揭示了月幔的物質(zhì)組成，為月球早期巖漿洋研究提供了新的約束條件，加深了對月球內(nèi)部形成及演化的認(rèn)識。玉兔2號將繼續(xù)探索馮·卡門撞擊坑底部的這些物質(zhì)，以了解它們的地質(zhì)背景、起源和組成，為未來開展月球樣品采樣返回任務(wù)提供依據(jù)。
2.構(gòu)架出面向人工通用智能的異構(gòu)芯片
發(fā)展人工通用智能（AGI）的方法一般有兩種：以計算機(jī)科學(xué)為導(dǎo)向或以神經(jīng)科學(xué)為導(dǎo)向，將兩者結(jié)合是目前公認(rèn)的最佳發(fā)展AGI的路徑。由于它們的構(gòu)想和編碼方案有著根本的不同，這兩種方法依賴于截然不同且互不兼容的計算平臺，構(gòu)建一個二者集成的計算平臺非常困難，從而阻礙了AGI的發(fā)展。因此，發(fā)展一個能夠同時支持流行的基于計算機(jī)科學(xué)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和受神經(jīng)科學(xué)啟發(fā)的模型和算法的通用平臺非常重要。清華大學(xué)施路平研究組與合作者提出了一種天機(jī)芯片架構(gòu)，它高效集成了上面的兩種方法，提供了一個異構(gòu)集成的協(xié)同計算平臺。該芯片采用多核結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)構(gòu)件和流線型數(shù)據(jù)流的混合編碼方案，既能同時獨(dú)立支持基于計算機(jī)科學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)科學(xué)主導(dǎo)的算法以及神經(jīng)科學(xué)中的多種編碼方案，還支持兩者的異構(gòu)混合建模，提供新的解決方案。研究人員僅使用一個芯片，演示了無人駕駛自行車系統(tǒng)中通用算法和模型的同步處理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時目標(biāo)檢測、跟蹤、語音控制、避障、過障和平衡控制。該項(xiàng)研究有望為更通用的硬件平臺發(fā)展鋪平道路并推動AGI的發(fā)展。
3.提出基于DNA檢測酶調(diào)控的自身免疫疾病治療方案
病毒的種類成千上萬，其感染特點(diǎn)和致病方式也是千變?nèi)f化，但是萬變不離其宗的是，當(dāng)病毒入侵時，其自身的遺傳物質(zhì)會不可避免地被帶入到宿主細(xì)胞中。機(jī)體針對這些外源遺傳物質(zhì)（如DNA等）迅速做出反應(yīng)，甚至不惜以傷及自身為代價，這是病毒感染導(dǎo)致致死性炎癥的主要原因。關(guān)于外源DNA誘發(fā)免疫反應(yīng)的認(rèn)識可以追溯到上百年之前，然而其背后的機(jī)理并不清楚。2013年，這一領(lǐng)域國際上取得了重要突破，科學(xué)家鑒定發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)cGAS（環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶）是胞內(nèi)DNA病毒感受器。隨著cGAS被揭示，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在檢測病毒入侵以外，cGAS的異常激活也直接導(dǎo)致一類自身免疫疾病。因此，尋找有效控制cGAS活性的手段并探究其調(diào)控機(jī)理，對抵抗病毒感染及自身免疫疾病的治療都至關(guān)重要。軍事醫(yī)學(xué)研究院（國家生物醫(yī)學(xué)分析中心）張學(xué)敏和李濤研究組與合作者發(fā)現(xiàn)，乙酰化修飾是控制cGAS活性的關(guān)鍵分子事件，并揭示了其背后的調(diào)控規(guī)律。研究不但揭示了機(jī)體抗病毒感染的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制，還發(fā)現(xiàn)了有效的cGAS抑制劑，為AGS（艾卡迪綜合征）等自身免疫疾病提供了潛在治療策略。
4.破解藻類水下光合作用的蛋白結(jié)構(gòu)和功能
中國科學(xué)院植物研究所沈建仁、匡廷云研究組報道了海洋硅藻——三角褐指藻FCP的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，揭示了蛋白支架內(nèi)的7個葉綠素a、2個葉綠素c、7個巖藻黃素以及可能的1個硅甲藻黃素的詳細(xì)結(jié)合位點(diǎn)，從而揭示了葉綠素a和c之間的高效能量傳遞途徑。該結(jié)構(gòu)還顯示了巖藻黃素與葉綠素之間的緊密相互作用，使能量通過巖藻黃素高效地傳遞和淬滅。該研究團(tuán)隊進(jìn)一步與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳研究組合作，解析了硅藻的光系統(tǒng)II（PSII）與FCPII超級復(fù)合體的分辨率為3.0埃的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。該研究率先破解了硅藻、綠藻光合膜蛋白超分子結(jié)構(gòu)和功能之謎，不僅對揭示自然界光合作用的光能高效轉(zhuǎn)化機(jī)理具有重要意義，也為人工模擬光合作用、指導(dǎo)設(shè)計新型作物、打造智能化植物工廠提供了新思路和新策略。
5.基于材料基因工程研制出高溫塊體金屬玻璃
中國科學(xué)院物理研究所柳延輝研究組與合作者基于材料基因工程理念開發(fā)了具有高效性、無損性、易推廣等特點(diǎn)的高通量實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計了一種Ir-Ni-Ta-（B）合金體系，獲得了高溫塊體金屬玻璃，其玻璃轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)1162K。新研制的金屬玻璃在高溫下具有極高強(qiáng)度，1000K時的強(qiáng)度高達(dá)3.7千兆帕，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出此前報道的塊體金屬玻璃和傳統(tǒng)的高溫合金。該金屬玻璃的過冷液相區(qū)達(dá)136K，寬于此前報道的大多數(shù)金屬玻璃，其形成能力可達(dá)到3毫米，并使其可通過熱塑成形獲得在高溫或惡劣環(huán)境中應(yīng)用的小尺度部件。該研究開發(fā)的高通量實(shí)驗(yàn)方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性，顛覆了金屬玻璃領(lǐng)域60年來“炒菜式”的材料研發(fā)模式，證實(shí)了材料基因工程在新材料研發(fā)中的有效性和高效率，為解決金屬玻璃新材料高效探索的難題開辟了新的途徑，也為新型高溫、高性能合金材料的設(shè)計提供了新的思路。
6.闡明銪離子對提升鈣鈦礦太陽能電池壽命的機(jī)理
鈣鈦礦太陽能電池是廣受關(guān)注的新一代光伏技術(shù)，而其工作穩(wěn)定性是目前產(chǎn)業(yè)化的主要障礙。傳統(tǒng)研究主要通過組分優(yōu)化、封裝、界面改性和紫外光過濾等來有效抑制如氧氣、水分和紫外光等因素導(dǎo)致的性能下降，從而提升器件的穩(wěn)定性。然而要進(jìn)一步提高器件的壽命，需要發(fā)展一種長期有效的方法以抑制使役過程中材料的本征缺陷。為提高本征穩(wěn)定性，北京大學(xué)工學(xué)院周歡萍研究組、化學(xué)與分子工程學(xué)院嚴(yán)純?nèi)A/孫聆東研究組及其合作者提出，通過在鈣鈦礦活性層中引入銪離子對（Eu3+/Eu2+）作為“氧化還原梭”，可同時消除Pb0和I0缺陷，進(jìn)而大幅提升器件使用壽命。有趣的是，該離子對在器件使用過程中沒有明顯消耗，對應(yīng)的器件的效率最高達(dá)到了21.52％（認(rèn)證值為20.52％），并且沒有明顯的遲滯現(xiàn)象。同時，引入銪離子對的薄膜器件表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，在連續(xù)太陽光照或85℃加熱1000小時后，器件仍可分別保持原有效率的91％和89％；在最大功率點(diǎn)連續(xù)工作500小時后保持原有效率的91%。該方法解決了鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池中限制其穩(wěn)定性的一個重要的本質(zhì)性因素，可以推廣至其他鈣鈦礦光電器件，對于其他面臨類似問題的無機(jī)半導(dǎo)體器件也具有參考意義。
7.青藏高原發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人
中國科學(xué)院青藏高原研究所陳發(fā)虎研究組、蘭州大學(xué)張東菊研究組聯(lián)合德國馬普學(xué)會進(jìn)化人類學(xué)研究所Jean-Jacques Hublin研究組等合作者，報道了一個利用古蛋白質(zhì)分析方法鑒定為丹尼索瓦人的下頜骨，該下頜骨來自于中國甘肅省夏河縣的白石崖溶洞。研究人員通過對化石上附著的碳酸鹽結(jié)核進(jìn)行鈾系法測年，確定下頜骨至少有16萬年的歷史。該化石標(biāo)本是丹尼索瓦洞以外發(fā)現(xiàn)的首件丹尼索瓦人化石證據(jù)，對標(biāo)本的全面分析也為丹尼索瓦人研究提供了豐富的體質(zhì)形態(tài)學(xué)信息，包括下頜和牙齒形態(tài)等信息。該項(xiàng)研究表明，早在現(xiàn)代智人到來之前，丹尼索瓦人在中更新世晚期就已經(jīng)生活在青藏高原高海拔地區(qū)，并成功地適應(yīng)了高寒缺氧環(huán)境。
8.實(shí)現(xiàn)對引力誘導(dǎo)量子退相干模型的衛(wèi)星檢驗(yàn)
量子力學(xué)和廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。然而，任何試圖將量子力學(xué)和廣義相對論進(jìn)行融合的理論工作都遇到極大困難。目前關(guān)于如何融合量子力學(xué)和引力理論的討論，模型眾多，但都普遍缺乏實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事彭承志、范靖云等與合作者，利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國際上率先在太空中開展了引力誘導(dǎo)量子糾纏退相干的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況進(jìn)行測試。根據(jù)“事件形式”理論模型預(yù)言，糾纏光子對在地球引力場中的傳播，其關(guān)聯(lián)性會概率性地?fù)p失；而依據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性。最終，衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果并不支持“事件形式”理論模型的預(yù)測，而與標(biāo)準(zhǔn)量子理論一致。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試融合量子力學(xué)與廣義相對論的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，將極大地推動相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。
9.揭示非洲豬瘟病毒結(jié)構(gòu)及其組裝機(jī)制
非洲豬瘟病毒（ASFV）是一個巨大而復(fù)雜的DNA病毒，能夠引發(fā)家豬、野豬患急性、熱性、高度傳染性疾病，發(fā)病率和死亡率可高達(dá)100%，對生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，目前尚未有可用的疫苗。中國科學(xué)院生物物理研究所饒子和/王祥喜團(tuán)隊和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱獸醫(yī)研究所步志高團(tuán)隊聯(lián)合上海科技大學(xué)等單位，在上海科技大學(xué)冷凍電鏡中心連續(xù)收集了高質(zhì)量數(shù)據(jù)，采用一種優(yōu)化的圖像重構(gòu)策略，解析了非洲豬瘟病毒衣殼的三維結(jié)構(gòu)，其分辨率達(dá)到4.1埃。結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)揭示了衣殼穩(wěn)定性和組裝的分子基礎(chǔ)，對非洲豬瘟疫苗的研發(fā)具有十分重要的理論指導(dǎo)意義。
10.首次觀測到三維量子霍爾效應(yīng)
南方科技大學(xué)物理學(xué)系張立源研究組、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)系喬振華研究組及新加坡科技設(shè)計大學(xué)楊聲遠(yuǎn)等合作，在塊體碲化鋯（ZrTe5）晶體中首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了“三維量子霍爾效應(yīng)”。研究人員對碲化鋯體單晶進(jìn)行了磁場下的低溫電子輸運(yùn)測量，在一個相對低的磁場下達(dá)到了極端量子極限狀態(tài)（只有最低朗道能級被占據(jù)的）。在該狀態(tài)下，研究人員觀測到了一個接近于零的無耗散縱向電阻，并沿著磁場方向形成了一個正比于半個費(fèi)米波長的很好的霍爾電阻平臺，這些是三維霍爾效應(yīng)出現(xiàn)的確鑿標(biāo)志。理論分析還表明，該效應(yīng)源于在極端量子極限下電子關(guān)聯(lián)增強(qiáng)產(chǎn)生的電荷密度波驅(qū)動的費(fèi)米面失穩(wěn)。通過進(jìn)一步提高磁場強(qiáng)度，縱向電阻和霍爾電阻都急劇增加，呈現(xiàn)出金屬-絕緣體相變。該研究進(jìn)展提供了三維量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并提供了一個進(jìn)一步探索三維電子體系中奇異量子相及其相變的很有前景的平臺。
來源：《光明日報》
