2月27日，科技部高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）發佈2019年度中國科學十大進展。探測到月幔物質出露的初步證據、揭示非洲豬瘟病毒結構及其組裝機制、首次觀測到三維量子霍爾效應等10項重大科學進展，從30個候選項目中脫穎而出。
根據得票高低，“2019年度中國科學十大進展”分別為：
1.探測到月幔物質出露的初步證據
2.構架出面向人工通用智能的異構芯片
3.提出基於DNA檢測酶調控的自身免疫疾病治療方案
4.破解藻類水下光合作用的蛋白結構和功能
5.基於材料基因工程研製出高溫塊體金屬玻璃
6.闡明銪離子對提升鈣鈦礦太陽能電池壽命的機理
7.青藏高原發現丹尼索瓦人
8.實現對引力誘導量子退相干模型的衛星檢驗
9.揭示非洲豬瘟病毒結構及其組裝機制
10.首次觀測到三維量子霍爾效應
下面就跟隨我們，逐一瞭解一下這十大進展。
1. 探測到月幔物質出露的初步證據
月殼和月幔都是在月球演化的最初階段形成的，撞擊增生過程產生的能量造就了熔融的岩漿洋，較輕的富鈣的斜長石組分上浮形成月殼，而諸如橄欖石、低鈣輝石等較重的鐵鎂質礦物結晶下沉形成月幔。然而，從阿波羅（Apollo）和月神（Luna）探測任務返回的月球樣品中沒有發現與月幔準確物質組成有關的直接證據，關於月幔物質組成的推論至今沒有被很好地證實。直徑非常大的撞擊坑有可能穿透月殼，使月幔物質被挖掘出來並可能被探測及取樣。位於月球背面的南極-艾特肯盆地（SPA）直徑約為2500公里，是月球表面最古老、最大的撞擊構造，最有可能撞穿月殼。然而，從現有月球軌道器獲得的遙感數據表明，雖然SPA區域的鐵鎂質礦物含量偏高，但並沒有橄欖石廣泛出露的證據。這些物質是否可能來源於月幔還存在爭議。
中國的嫦娥四號探測器最近成功著陸在月球背面SPA區域的馮·卡門撞擊坑內，並利用搭載的月球車——玉兔2號開展了巡視探測。中國科學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）的初步光譜探測結果，分析發現了低鈣（斜方）輝石和橄欖石的存在，這種礦物組合很可能代表了源於月幔的深部物質。進一步的地質背景分析表明，這些物質是由附近直徑72公里的芬森撞擊坑挖掘出來、並拋射到了嫦娥四號著陸地點的月幔物質。
這一工作的意義在於揭示了月幔的物質組成, 為月球早期岩漿洋研究提供了新的約束條件，加深了對月球內部形成及演化的認識。“玉兔2號”將繼續探索馮·卡門撞擊坑底部的這些物質，以瞭解它們的地質背景、起源和組成，為未來開展月球樣品採樣返回任務提供依據。
嫦娥四號著陸地點和拋射月幔物質的芬森坑
2. 構架出面向人工通用智能的異構芯片
發展人工通用智能（AGI）的方法一般有兩種：以計算機科學為導向或以神經科學為導向，將兩者結合是目前公認的最佳發展AGI的路徑。由於它們的構想和編碼方案有著根本的不同，這兩種方法依賴於截然不同且互不兼容的計算平臺，非常困難構建一個二者集成的計算平臺，從而阻礙了AGI的發展。因此，發展一個能夠同時支持流行的基於計算機科學的人工神經網絡和受神經科學啟發的模型和算法的通用平臺非常重要。
清華大學施路平研究組與合作者提出了一種天機芯片架構，它高效集成了上面的兩種方法，提供了一個異構集成的協同計算平臺。該芯片採用多核結構、可重構構件和流線型數據流的混合編碼方案，既能同時獨立支持基於計算機科學的機器學習算法和神經科學主導的算法以及神經科學中的多種編碼方案，還支持兩者的異構混合建模，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中通用算法和模型的同步處理，實現了實時目標檢測、跟蹤、語音控制、避障、過障和平衡控制。該項研究有望為更通用的硬件平臺發展鋪平道路並推動AGI的發展。
項目研製的天機異構芯片
3. 提出基於DNA檢測酶調控的自身免疫疾病治療方案
病毒的種類成千上萬，其感染特點和致病方式也是千變萬化，但是萬變不離其宗的是，當病毒入侵時，其自身的遺傳物質會不可避免地被帶入到宿主細胞中。機體針對這些外源遺傳物質（如DNA等）迅速做出反應，甚至不惜以傷及自身為代價，這是病毒感染導致致死性炎症的主要原因。關於外源DNA誘發免疫反應的認識可以追溯到上百年之前，然而其背後的機理並不清楚。2013年，這一領域國際上取得了重要突破，科學家鑑定發現蛋白質cGAS（環鳥苷酸-腺苷酸合成酶）是胞內DNA病毒感受器。隨著cGAS被揭示，科學家發現在檢測病毒入侵以外，cGAS的異常激活也直接導致一類自身免疫疾病。因此，尋找有效控制cGAS活性的手段並探究其調控機理，對抵抗病毒感染及自身免疫疾病的治療都至關重要。
軍事醫學研究院（國家生物醫學分析中心）張學敏和李濤研究組與合作者發現，乙酰化修飾是控制cGAS活性的關鍵分子事件，並揭示了其背後的調控規律。研究人員鑑定了cGAS的3個關鍵乙酰化位點（K384、K394和K414），發現其中任何一個位點發生乙酰化修飾，都可以致使cGAS失去活性。進而，研究者發現乙酰水楊酸（阿司匹林）可以強制cGAS在上述關鍵位點上發生乙酰化從而抑制其活性。此外，對cGAS調控機制的進一步探究發現，cGAS在胞內是以複合物形式存在併發揮功能的。研究人員利用蛋白質質譜技術鑑定到了cGAS的關鍵調控因子——G3BP1。機制研究揭示G3BP1與cGAS結合，通過幫助cGAS形成多聚物確保其能更高效地識別DNA。在缺失G3BP1的情況下，細胞中cGAS的活性明顯降低。重要的是，綠茶茶多酚的主要成分、天然小分子化合物EGCG是G3BP1的抑制劑。研究人員發現EGCG能夠通過干擾G3BP1與cGAS的相互作用，抑制cGAS激活。
上述研究不但揭示了機體抗病毒感染的關鍵調控機制，還發現了有效的cGAS抑制劑，為AGS（艾卡迪綜合徵）等自身免疫疾病提供了潛在治療策略。
cGAS結構及其3個關鍵乙酰化位點
4. 破解藻類水下光合作用的蛋白結構和功能
光合作用利用太陽光把二氧化碳和水轉換成有機物和氧氣，為地球上幾乎所有生物的生存提供了能源和氧氣。為了適應不同的光環境，光合生物進化出了各種不同的色素分子和色素結合蛋白，由此來最大程度地利用不同環境下的光能。硅藻是一種豐富和重要的水生光合真核生物，佔水生生物原初有機物生產力的40%，或地球總原初生產力的20%，在全球的碳循環中發揮了重要作用。硅藻在水生環境下成功繁殖的重要因素之一是因為它含有巖藻黃素/葉綠素結合膜蛋白（FCPs），該色素蛋白使硅藻具有獨特的光捕獲和光保護及快速適應光強度變化的能力。
中國科學院植物研究所沈建仁、匡廷雲研究組報道了海洋硅藻——三角褐指藻FCP的高分辨率晶體結構，揭示了蛋白支架內的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結合位點，從而揭示了葉綠素a和c之間的高效能量傳遞途徑。該結構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。該研究團隊進一步與清華大學生命科學學院隋森芳研究組合作，解析了硅藻的光系統II（PSII）與FCPII超級複合體的分辨率為3.0埃的冷凍電鏡結構。該超級複合體由兩個PSII-FCPII單體組成，每個單體包含了1個具有24個亞基的PSII核心複合體和11個外周FCPII天線亞基，其中的FCPII天線以2個FCPII四聚體和3個FCPII單體存在。整個PSII-FCPII二聚體包含230個葉綠素a分子、58個葉綠素c分子、146個類胡蘿蔔素分子以及錳簇複合物、電子傳遞體和大量脂分子等。該結構揭示了硅藻PSII核心中特有亞基的特點及其與高等植物PSII-LHCII複合體明顯不同的天線亞基排列方式，以及硅藻巨大的色素分佈網絡，為闡明硅藻高效的藍綠光捕獲、能量轉移和耗散機制提供了堅實的結構基礎。
硅藻捕光天線複合體晶體結構
為了更進一步理解水下光合作用，研究人員還基於冷凍電鏡技術解析了廣泛存在的與高等植物具有相似光合作用的水生生物——綠藻（假根羽藻）光系統I（PSI）-捕光復合體I（LHCI）超級複合體的結構，分辨率達到3.49埃。該結構揭示了包含有原核生物和真核生物亞基特性的13個PSI核心亞基，以及10個LHCI天線亞基的結構（其中8個形成一個雙半環結構，其餘2個形成一個額外的LHCI二聚體）。並與浙江大學醫學院張興研究組合作，解析了綠藻——萊茵衣藻完整的C2S2M2N2型PSII–LHCII超級複合體的冷凍電鏡結構，分辨率為3.37埃。該結構顯示，綠藻C2S2M2N2超級複合體是一個二聚體，每個單體由位於中央的PSII核心複合體和環繞該核心的3個LHCII三聚體、1個CP26和1個CP29外圍天線亞基所構成。該工作還揭示了多個與高等植物不同的綠藻PSII核心和捕光天線LHCII的結構特徵。以上研究為揭示綠藻中光能的高效吸收、傳遞和猝滅機制提供了堅實的結構基礎，併為揭示PSI–LHCI和PSII-LHCII超分子複合體在進化過程中發生的變化提供了重要線索。
綠藻的光系統II和捕光天線超級複合體的結構
上述研究進展率先破解了硅藻、綠藻光合膜蛋白超分子結構和功能之謎，不僅對揭示自然界光合作用的光能高效轉化機理具有重要意義，也為人工模擬光合作用、指導設計新型作物、打造智能化植物工廠提供了新思路和新策略。
5. 基於材料基因工程研製出高溫塊體金屬玻璃
金屬玻璃具有獨特的無序原子結構，使其擁有優異的機械和物理化學特性，在能源、通信、航天、國防等高技術領域有廣泛應用，是現代合金材料的重要組成部分。由於金屬玻璃在接近玻璃轉變溫度時會發生塑性流動，導致機械強度顯著降低，嚴重限制了它們的高溫應用。雖然目前已開發出玻璃轉變溫度大於1000 K的金屬玻璃，但由於其過冷液相區（介於玻璃轉變溫度和結晶溫度之間的溫度區間）很窄，導致其玻璃形成能力不足，難以形成大尺寸材料；且導致其熱塑成形性能很差，難以進行零部件加工。上述挑戰的關鍵在於金屬玻璃形成成分的合理設計，迄今為止發現的具有特定性能的金屬玻璃還主要是反覆試驗和嘗試的結果。
中國科學院物理研究所柳延輝研究組與合作者基於材料基因工程理念開發了具有高效性、無損性、易推廣等特點的高通量實驗方法，設計了一種Ir-Ni-Ta-（B）合金體系，獲得了高溫塊體金屬玻璃，其玻璃轉變溫度高達1162 K。新研製的金屬玻璃在高溫下具有極高強度，1000 K時的強度高達3.7千兆帕，遠遠超出此前報道的塊體金屬玻璃和傳統的高溫合金。該金屬玻璃的過冷液相區達136 K，寬於此前報道的大多數金屬玻璃，其形成能力可達到3毫米，並使其可通過熱塑成形獲得在高溫或惡劣環境中應用的小尺度部件。
該研究開發的高通量實驗方法具有很強的實用性，顛覆了金屬玻璃領域60年來“炒菜式”的材料研發模式，證實了材料基因工程在新材料研發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闢了新的途徑，也為新型高溫、高性能合金材料的設計提供了新的思路。
基於材料基因工程研製的高溫塊體金屬玻璃
6. 闡明銪離子對提升鈣鈦礦太陽能電池壽命的機理
鈣鈦礦太陽能電池是廣受關注的新一代光伏技術，而其工作穩定性是目前產業化的主要障礙。傳統研究主要通過組分優化、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致的性能下降，從而提升器件的穩定性。然而要進一步提高器件的壽命，需要發展一種長期有效的方法以抑制使役過程中材料的本徵缺陷。
為提高本徵穩定性，北京大學工學院周歡萍研究組、化學與分子工程學院嚴純華/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，對應的器件的效率最高達到了21.52％(認證值為20.52％)，並且沒有明顯的遲滯現象。同時，引入銪離子對的薄膜器件表現出優異的熱穩定性和光穩定性，在連續太陽光照或85℃加熱1000小時後，器件仍可分別保持原有效率的91％和89％；在最大功率點連續工作500小時後保持原有效率的91%。該方法解決了鉛滷鈣鈦礦太陽能電池中限制其穩定性的一個重要的本質性因素，可以推廣至其他鈣鈦礦光電器件，對於其他面臨類似問題的無機半導體器件也具有參考意義。
銪離子對氧化還原梭工作機理
鈣鈦礦太陽能電池的結構（A）和實物（B）
7. 青藏高原發現丹尼索瓦人
丹尼索瓦人是一支已經消失的神秘古人類，過去對他們的瞭解主要基於僅出土於西伯利亞丹尼索瓦洞的少量化石碎片以及保存在其中的高質量的古基因信息。遺傳學研究顯示，丹尼索瓦人對一些現代低海拔東亞人群和高海拔現代藏族人群有基因貢獻，對現代藏族人群的高海拔環境適應有重要意義。由於缺乏化石形態學信息，科學家很難評估丹尼索瓦人與分散在亞洲和其他地區的豐富的古人類化石之間的聯繫，也很難準確理解丹尼索瓦人與現代亞洲人群的關係。此外，現代藏族等青藏高原人群特有的高海拔環境適應基因來源，特別是其是否繼承自丹尼索瓦人等，是非常重要而亟待解決的科學問題。
中國科學院青藏高原研究所陳發虎研究組、蘭州大學張東菊研究組聯合德國馬普學會進化人類學研究所Jean-Jacques Hublin研究組等合作者，報道了一個利用古蛋白質分析方法鑑定為丹尼索瓦人的下頜骨，該下頜骨來自於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核進行鈾系法測年，確定下頜骨至少有16萬年的歷史。該化石標本是丹尼索瓦洞以外發現的首件丹尼索瓦人化石證據，對標本的全面分析也為丹尼索瓦人研究提供了豐富的體質形態學信息，包括下頜和牙齒形態等信息。
該項研究表明，早在現代智人到來之前，丹尼索瓦人在中更新世晚期就已經生活在青藏高原高海拔地區，併成功地適應了高寒缺氧環境。
夏河下頜骨化石
8. 實現對引力誘導量子退相干模型的衛星檢驗
量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大支柱。然而，任何試圖將量子力學和廣義相對論進行融合的理論工作都遇到極大困難。目前關於如何融合量子力學和引力理論的討論，模型眾多，但都普遍缺乏實驗檢驗。
中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、範靖雲等與合作者，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上率先在太空中開展了引力誘導量子糾纏退相干的實驗檢驗，對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況進行測試。根據“事件形式”理論模型預言，糾纏光子對在地球引力場中的傳播，其關聯性會概率性地損失；而依據現有的量子力學理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性。最終，衛星實驗檢驗結果並不支持“事件形式”理論模型的預測，而與標準量子理論一致。這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試融合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗，將極大地推動相關物理學基礎理論和實驗研究。
實現對引力誘導量子退相干模型的衛星檢驗
9. 揭示非洲豬瘟病毒結構及其組裝機制
非洲豬瘟病毒（ASFV）是一個巨大而複雜的DNA病毒，能夠引發家豬、野豬患急性、熱性、高度傳染性疾病，發病率和死亡率可高達100%，對生豬養殖產業鏈造成巨大經濟損失，目前尚未有可用的疫苗。
非洲豬瘟病毒衣殼蛋白結構及其組裝
中國科學院生物物理研究所饒子和王祥喜團隊和中國農業科學院哈爾濱獸醫研究所步志高團隊聯合上海科技大學等單位，在上海科技大學冷凍電鏡中心連續收集了高質量數據，採用一種優化的圖像重構策略，解析了非洲豬瘟病毒衣殼的三維結構，其分辨率達到4.1埃。該衣殼顆粒體型巨大且結構複雜，由17,280個蛋白亞基組成，其中包括1種主要（p72）和4種次級衣殼蛋白（M1249L、p17、p49和H240R），它們組裝成五重對稱體和三重對稱體的複合結構。主要衣殼蛋白p72原子分辨率結構展示出非洲豬瘟病毒潛在的構象型抗原表位，與其他的核胞質大DNA病毒（NCLDV）顯著不同。次級衣殼蛋白在衣殼內表面形成了一個複雜的蛋白相互作用網絡，通過調控相鄰的病毒殼微體之間的作用力介導衣殼的組裝並穩定了衣殼的結構。作為核心的組織者，100納米長的M1249L蛋白沿著三重對稱體的每個邊緣橋接了兩個相鄰的五重對稱體，與其他衣殼蛋白形成了延伸的分子間網絡，驅動了衣殼框架的形成。這些結構細節揭示了衣殼穩定性和組裝的分子基礎，對非洲豬瘟疫苗的研發具有十分重要的理論指導意義。
10. 首次觀測到三維量子霍爾效應
在二維電子體系中發現量子霍爾效應使得拓撲學在凝聚態物理學中發揮了核心作用。30多年前，Bertrand Halperin等人從理論上預言可能在三維電子氣體系中產生量子霍爾效應，但迄今為止，還沒有從實驗上觀測到“三維量子霍爾效應”。
三維量子霍爾效應
南方科技大學物理學系張立源研究組、中國科學技術大學物理學系喬振華研究組及新加坡科技設計大學楊聲遠等合作，在塊體碲化鋯（ZrTe5）晶體中首次實驗實現了“三維量子霍爾效應”。研究人員對碲化鋯體單晶進行了磁場下的低溫電子輸運測量，在一個相對低的磁場下達到了極端量子極限狀態（只有最低朗道能級被佔據的）。在該狀態下，研究人員觀測到了一個接近於零的無耗散縱向電阻，並沿著磁場方向形成了一個正比於半個費米波長的很好的霍爾電阻平臺，這些是三維霍爾效應出現的確鑿標誌。理論分析還表明，該效應源於在極端量子極限下電子關聯增強產生的電荷密度波驅動的費米麵失穩。通過進一步提高磁場強度，縱向電阻和霍爾電阻都極具增加，呈現出金屬-絕緣體相變。該研究進展提供了三維量子霍爾效應的實驗證據，並提供了一個進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。
科技日報記者 劉垠
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內容來自：科技日報
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