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2019年度中国科学十大进展揭晓,“量子”研究占据两席
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2月27日,科技部高技术研发中心(基础研究管理中心)发布了2019年中国十大科技进步。10项重大科学进展,包括探测月球地幔物质暴露的初步证据,揭示非洲猪瘟病毒的结构及其组装机制,以及首次观察三维量子霍尔效应,产生于30个候选项目。

根据投票数,“2019年中国科学十大进展”是:

1。月球地幔物质发现的初步证据

2。人工通用智能异构芯片

3。基于DNA检测酶调节

4的自身免疫性疾病的治疗方案。裂解蛋白质结构和藻类水下光合作用的功能

5。开发的高温大块金属玻璃

6。基于太阳能电池寿命

7的材料基因工程机理澄清铕离子促进钙钛矿。青藏高原发现杰尼索夫人

8。重力诱导量子退相干模型

9的卫星检验。揭示非洲猪瘟病毒的结构及其组装机制

10。第一次观察到三维量子霍尔效应

下面,让我们一个接一个地来看看这十大进展。

1。月球外壳和月球地幔都是在月球演化的初始阶段形成的。碰撞和吸积过程产生的能量创造了熔化的岩浆海洋。较轻的富钙斜长石成分向上漂浮形成月球壳,而较重的镁铁质矿物如橄榄石和低钙辉石结晶并下沉形成月球地幔。然而,在从阿波罗和月球任务返回的月球样品中没有发现与月球地幔的确切组成有关的直接证据,迄今为止,关于月球地幔组成的推断还没有得到很好的证实。直径非常大的撞击坑可能穿透月球外壳,使得月球地幔物质被挖掘出来,并可能被探测和取样。南极艾特肯盆地(SPA)位于月球背面,直径约2500公里,是月球表面最古老、最大的撞击结构,最有可能穿透月球外壳。然而,从现有月球轨道卫星获得的遥感数据表明,尽管极压区镁铁质矿物的含量相对较高,但没有证据表明广泛存在橄榄石暴露。这些物质是否起源于地幔仍有争议。

中国的嫦娥四号探测器最近成功着陆在月球背面SPA区的冯卡门撞击坑,并使用月球车 Yutu-2进行了一次巡逻探测。中国科学院国家天文台李春来研究组及其合作者报告了部署在玉兔2号上的可见和近红外光谱仪(VNIS)的初步光谱探测结果,并通过分析发现低钙(斜方辉石)和橄榄石的存在。这种矿物组合可能代表了源自月球地幔的深层物质。进一步的地质背景分析表明,这些物质是从附近直径72公里的芬森撞击坑中挖掘出来的,并在嫦娥四号着陆点喷射到月球地幔中。这项工作的意义在于揭示了月球地幔的物质组成,为研究月球早期岩浆海洋提供了新的约束,加深了对月球内部形成和演化的理解。“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、来源和组成,并为未来的月球样品取样和返回任务提供依据。嫦娥四号着陆地点和抛射月幔物质的芬森坑。 本文图片 科技日报微信公众号

嫦娥四号着陆点和抛出月球地幔物质的芬森陨石坑。本报图片科技日报微信公众号

2。一般来说,有两种方法可以为人工通用智能构建异构芯片,以发展人工通用智能(AGI):面向计算机科学或面向神经科学。目前,将两者结合起来被认为是发展AGI的最佳途径。由于这两种方法有着根本不同的思想和编码方案,它们依赖于完全不同且不兼容的计算平台。很难建立一个集成的计算平台,从而阻碍了AGI的发展。因此,开发一个通用平台非常重要,它既能支持基于计算机科学的流行人工神经网络,又能支持受神经科学启发的模型和算法。

清华大学石路平研究小组及其合作者提出了一种天体计算机芯片体系结构,它有效地集成了上述两种方法,提供了一个异构的集成协同计算平台。该芯片采用多核结构、可重构组件和流水线数据流的混合编码方案,不仅可以独立支持基于计算机科学的机器学习算法、神经科学主导的算法和神经科学中的各种编码方案,还支持两者的异构混合建模,提供了一种新的解决方案。研究人员只用一个芯片演示了无人驾驶自行车系统中常用算法和模型的同步,实现了实时目标检测、跟踪、语音控制、避障、越障和平衡控制。该研究有望为开发更通用的硬件平台铺平道路,促进AGI的发展。项目研制的天机异构芯片。

项目开发的天津异构芯片。

3。提出基于DNA检测酶调节的自身免疫性疾病的治疗方案

病毒种类繁多,其感染特征和致病模式也各不相同。然而,保持不变的是,当病毒入侵时,它们自己的遗传物质将不可避免地被带入宿主细胞。身体对这些外源遗传物质(如脱氧核糖核酸等)反应迅速。),即使是以伤害自己为代价。这是病毒感染导致致命炎症的主要原因。对外源性DNA诱导免疫反应的理解可以追溯到数百年前,但其潜在机制尚不清楚。2013年,国际上在这一领域取得了重大突破。科学家将蛋白cGAS(环状鸟苷酸-腺苷酸合成酶)鉴定为细胞内DNA病毒受体。随着降钙素基因相关肽的发现,科学家发现,除了检测病毒入侵外,降钙素基因相关肽的异常激活还直接导致一类自身免疫性疾病。因此,寻找控制cGAS活性的有效手段,探索其调控机制,对治疗病毒感染和自身免疫性疾病具有重要意义。

军事医学研究所(国家生物医学分析中心)的张学敏和李涛研究小组和合作者发现乙酰化修饰是控制cGAS活性的关键分子事件,并揭示了其背后的规律。研究人员确定了降钙素基因相关肽的三个关键乙酰化位点(K384、K394和K414),并发现这些位点中任何一个的乙酰化修饰都可能导致降钙素基因相关肽失去活性。此外,研究人员发现乙酰水杨酸(阿司匹林)可以迫使降钙素基因相关肽在上述关键部位乙酰化,从而抑制其活性。此外,对降钙素基因相关肽调控机制的进一步研究发现,降钙素基因相关肽在细胞中以复合体的形式存在和发挥作用。研究人员通过蛋白质质谱鉴定了cGAS的关键调节因子G3BP1。机制研究表明,G3BP1结合于cGAS,这有助于cGAS形成聚合物,以确保它能更有效地识别DNA。在G3BP1缺失的情况下,细胞中的cGAS活性显着降低。重要的是,绿茶多酚的主要成分EGCG是一种天然小分子化合物,是G3BP1的抑制剂。研究人员发现,EGCG可以通过干扰G3BP1和cGAS之间的相互作用来抑制cGAS的激活。上述研究不仅揭示了抗病毒感染的关键调控机制,还发现了有效的降钙素基因相关肽抑制剂,为自身免疫性疾病如AGS综合征(Arkady综合征)提供了潜在的治疗策略。cGAS结构及其3个关键乙酰化位点。

cGAS的结构及其3个关键乙酰化位点。

4。打破藻类水下光合作用的蛋白质结构和功能

光合作用利用阳光将二氧化碳和水转化为有机物和氧气,为地球上几乎所有生物的生存提供能量和氧气。为了适应不同的光环境,光合生物进化出各种色素分子和色素结合蛋白,以最大限度地利用不同环境中的光能。硅藻是丰富而重要的水生光合真核生物,占水生生物初级有机生产力的40%,或地球总初级生产力的20%,在全球碳循环中发挥着重要作用。硅藻在水生环境中成功繁殖的重要因素之一是它含有岩藻黄素/叶绿素结合膜蛋白(FCPs),这使得硅藻具有独特的光捕获、光保护和快速适应光强变化的能力。

中国科学院植物研究所沈和匡课题组报道了海洋硅藻三角褐指藻的高分辨率晶体结构,揭示了蛋白质支架中7个叶绿素a、2个叶绿素c、7个岩藻黄素和可能1个硅黄嘌呤的详细结合位点,从而揭示了叶绿素a和c之间的有效能量传递途径。该结构还显示了岩藻黄素和叶绿素之间的密切相互作用,使得能量能够通过岩藻黄素有效地传递和淬灭。该研究小组还与清华大学生命科学学院的隋森芳研究小组合作,以3.0埃的分辨率分析了硅藻光系统二(PSII)和FCPII超级计算机的冷冻电子显微镜结构。超级复合体由两个PSII-FCPII单体组成,每个单体包括一个PSII核心复合体,该复合体具有24个子单元和11个外围FCPII天线子单元,其中FCPII天线以2个FCPII四聚体和3个FCPII单体的形式存在。整个PSII-FCPII二聚体包含230个叶绿素a分子、58个叶绿素c分子、146个类胡萝卜素分子、锰簇复合物、电子转运体和大量脂质分子。该结构揭示了硅藻PSII核心中特定亚基的特征和与高等植物PSII-LHCII复合体明显不同的天线亚基的排列,以及硅藻巨大的色素分布网络,为阐明硅藻高效的蓝绿色光捕获、能量传递和耗散机制提供了坚实的结构基础。硅藻捕光天线复合体晶体结构。

硅藻光捕获天线复合体的晶体结构。

为了进一步了解水下光合作用,研究人员还分析了绿藻(Phycodon pseudorhizopus)光系统一(PSI)-光合产物一(LHCI)超复合体的结构,这是一种广泛存在的水生生物,其光合作用与高等植物相似,基于冷冻电子显微镜技术,分辨率为3.49埃。该结构揭示了13个PSI核心亚单位,包括原核和真核亚单位特征和10个LHCI天线亚单位(其中8个形成双半环结构,另2个形成额外的LHCI二聚体)。与浙江大学医学院的张行研究团队合作,以3.37埃的分辨率分析了莱茵衣藻的完整C2S2M2N2 PSII-LHCII超级复合体的冷冻电子显微结构。结构表明,绿藻C2S2M2N2超级复合体是一个二聚体,每个单体由位于中心的PSII核心复合体和三个LHCII三聚体、一个CP26和一个围绕核心的CP29外围天线子单元组成。这项工作还揭示了不同于高等植物的几种绿藻PSII核心和LHCII的结构特征。上述研究为揭示绿藻高效吸收、传递和淬灭光能的机制提供了坚实的结构基础,为揭示PSI-LHCI和PSII-LHCII超分子复合物在进化过程中的变化提供了重要线索。绿藻的光系统II和捕光天线超级复合体的结构。

绿藻光学系统二和光捕获天线超级复合体的结构。

上述研究进展首次解决了硅藻和绿藻光合膜蛋白的超分子结构和功能难题。这不仅对揭示自然界光能对光合作用的高效转换机制具有重要意义,而且为人工模拟光合作用、指导新作物设计和建设智能植物工厂提供了新的思路和策略。

5。基于材料基因工程开发的高温大块金属玻璃具有独特的无序原子结构,使其具有优异的机械和物理化学性能,在能源、通信、航天、国防等高科技领域有着广泛的应用。是现代合金材料的重要组成部分。由于金属玻璃在玻璃化转变温度附近的塑性流动,机械强度显着降低,这严重限制了它们的高温应用。尽管迄今为止已经开发了玻璃化转变温度大于1000 K的金属玻璃,但是由于窄的过冷液相区(玻璃化转变温度和结晶温度之间的温度区间),它们的玻璃形成能力不足,并且难以形成大尺寸的材料。而且很难加工零件。上述挑战的关键在于合理设计金属玻璃的成型成分。有特殊要求金属玻璃

刘延辉的研究团队和中国科学院物理研究所的合作者开发了一种基于材料基因工程概念的高通量实验方法,该方法具有高效、无损、易于推广等特点。设计了铱-镍-钽(硼)合金体系,获得了玻璃化转变温度高达1162 K的高温块状金属玻璃。新开发的金属玻璃具有极高的高温强度,在1000 K时达到3.7千兆帕斯卡,远远超过了以前报道的块状金属玻璃和传统高温合金。金属玻璃的过冷液体区域达到136 K,比以前报道的大多数金属玻璃的过冷液体区域更宽,其成形能力可达到3毫米,这使其能够通过热塑性成形获得在高温或恶劣环境中应用的小尺寸部件。本研究开发的高通量实验方法实用性强,颠覆了金属玻璃领域60年的“炒制”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性,为解决新型金属玻璃材料的高效探索问题开辟了新的途径,也为新型高温高性能合金材料的设计提供了新思路。基于材料基因工程研制的高温块体金属玻璃。

基于材料遗传工程开发的高温大块金属玻璃。

6。解释铕离子提高钙钛矿型太阳能电池寿命的机理

钙钛矿型太阳能电池是一种备受关注的新一代光伏技术,其工作稳定性是目前产业化的主要障碍。传统研究主要采用成分优化、封装、界面修饰和紫外光过滤等方法来有效抑制氧气、水分和紫外光等因素引起的性能退化,从而提高器件的稳定性。然而,为了进一步提高器件的寿命,有必要开发一种长期有效的方法来抑制材料在使用过程中的固有缺陷。

为了提高本征稳定性,北京大学理工学院的周研究组、/孙化学与分子工程学院的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(Eu3 /Eu2)作为“氧化还原梭”,Pb0和I0缺陷可以同时消除,从而大大延长了器件的使用寿命。有趣的是,该离子对在设备使用过程中没有明显消耗,相应设备的效率高达21.52%(认证值为20.52%),并且没有明显的滞后现象。同时,含铕离子的薄膜器件表现出优异的热稳定性和光学稳定性。在85℃持续光照或加热1000小时后,该装置仍分别保持91%和89%的原始效率。在最大功率点连续运行500小时后,91%的原始效率得以保持。该方法解决了限制卤化铅钙钛矿太阳能电池稳定性的重要关键因素,可推广到其他钙钛矿光电器件,对面临类似问题的其他无机半导体器件具有参考意义。铕离子对氧化还原梭工作机理。

氧化还原梭的铕离子工作机理。钙钛矿太阳能电池的结构和物理。

7。在青藏高原发现的杰尼索夫人

杰尼索夫人是一个神秘的已经消失的古代人类。过去,对它们的了解主要是基于西伯利亚杰尼索夫洞穴出土的少量化石碎片和保存在其中的高质量古代遗传信息。遗传学研究表明,杰尼索夫人对一些现代低海拔东亚群体和高海拔现代藏族群体做出了遗传贡献,这对现代藏族群体适应高海拔环境具有重要意义。由于缺乏化石形态信息,科学家很难评估杰尼索夫人与散布在亚洲和其他地区的大量古代人类化石之间的关系,也很难准确理解杰尼索夫人与现代亚洲人口之间的关系。此外,寻找现代藏人和青藏高原其他民族特有的高原环境适应基因的来源,特别是它们是否遗传了高原环境适应基因,是一个非常重要而紧迫的科学问题

中国科学院青藏高原研究所的陈法虎和张东久以及德国马克斯普朗克进化人类学研究所的让-雅克胡布林报道了一具下颌骨,经古代蛋白质分析鉴定为杰尼索夫人,它来自中国甘肃省夏河县白石崖洞。研究人员通过对附着在化石上的碳酸盐结核进行铀定年,确定下颌骨至少有16万年的历史。化石标本是在杰尼索夫洞穴外发现的第一个杰尼索夫化石证据。对标本的全面分析也为杰尼索夫人的研究提供了丰富的物理和形态学信息,包括下颌骨和牙齿的形态学。研究表明,早在现代智人到来之前,杰尼索夫人就已经在中更新世晚期生活在青藏高原的高海拔地区,并成功地适应了寒冷缺氧的环境。夏河下颌骨化石。

下河下颌骨化石。

8。重力诱导量子退相干模型的卫星测试

量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。然而,任何试图融合量子力学和广义相对论的理论工作都会遇到很大的困难。目前,关于如何将量子力学和引力理论结合起来的讨论有很多模型,但普遍缺乏实验测试。

中国科技大学潘剑伟,他的同事彭承志,范靖云等。和他们的合作者,利用“墨子”量子科学实验卫星,在国际空间率先进行了一项重力诱导量子纠缠退相干的实验测试,测试量子纠缠光子通过地球引力场的退相干。根据“事件形式”的理论模型,预测在地球引力场中传播的纠缠光子对的相关性可能会丢失。根据现有的量子力学理论,所有纠缠光子对都将保持纠缠特性。最后,卫星实验的结果不支持“事件形式”理论模型的预测,但与标准量子理论一致。这是世界上首次利用量子卫星对试图在地球引力场中融合量子力学和广义相对论的理论进行实验测试,这将极大地促进相关物理学的基础理论和实验研究。实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验。

实现重力感应量子退相干模型的卫星检测。

9。揭示非洲猪瘟病毒的结构及其组装机制

非洲猪瘟病毒(ASFV)是一种巨大而复杂的DNA病毒,可导致家猪和野猪患急性、热性和高度传染性疾病,发病率和死亡率高达100%,给生猪养殖产业链造成巨大的经济损失。目前,没有可用的疫苗。非洲猪瘟病毒衣壳蛋白结构及其组装。

非洲猪瘟病毒衣壳蛋白结构及其组装。

中国科学院生物物理研究所、饶团队,中国农业科学院哈尔滨兽医研究所布志高团队,与上海科技大学等单位合作,从上海科技大学冷冻电子显微镜中心持续采集高质量数据。使用优化的图像重建策略,以4.1埃的分辨率分析了非洲猪瘟病毒衣壳的三维结构。衣壳颗粒大小较大,结构复杂,由17,280个蛋白亚基组成,包括一个主衣壳蛋白(p72)和四个次衣壳蛋白(M1249L、p17、p49和H240R),组装成五对称体和三对称体的复合结构。主要衣壳蛋白p72的原子分辨结构显示了非洲猪瘟病毒的潜在构象表位,这与其他核质大DNA病毒(NCLDV)明显不同。二级衣壳蛋白在衣壳的内表面形成复杂的蛋白相互作用网络,并通过调节相邻病毒外壳微体之间的作用力来介导衣壳的组装和稳定衣壳的结构。作为核心的组织者,100纳米的M1249L蛋白质沿着三联体的每个边缘桥接两个相邻的五元体,与其他衣壳蛋白质形成延伸的分子间网络,驱动衣壳框架的形成。这些结构细节揭示了衣壳稳定性和组装的分子基础,对研究和开发具有重要的理论意义

中国南方科技大学物理系的张力元研究团队、中国科技大学物理系的乔振华研究团队和新加坡科技大学设计系的杨胜元合作,首次在块体碲化锆晶体中实现了“三维量子霍尔效应”。研究人员测量了碲化锆单晶在磁场下的低温电子输运,在相对较低的磁场下达到了极限量子极限状态(只有最低的朗道能级被占据)。在这种状态下,研究人员观察到一个接近于零的无耗散纵向电阻,并沿磁场方向形成一个与半个费米波长成正比的非常好的霍尔电阻平台。这些是三维霍尔效应出现的决定性迹象。理论分析还表明,这种效应源于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表面不稳定性。通过进一步提高磁场强度,纵向电阻和霍尔电阻都大大增加,表现出金属-绝缘体相变。研究进展为三维量子霍尔效应提供了实验证据,为进一步探索三维电子系统中的奇异量子相及其相变提供了一个有希望的平台。

(原标题公布了2019年中国十大科学发展,而“量子”研究占据了两个席位)

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