2015年度中國科學十大進展

實現單光子多自由度量子隱形傳態等10項科學進展入選2015年度“中國科學十大進展”。此次遴選是從收集整理的256項推薦成果中選出30項候選進展進入終選。

概括

10項重要科學進展包括：實現單光子多自由度量子隱形傳態、理論預言並實驗驗證外爾半金屬的存在、揭示伊波拉病毒演化及遺傳多樣性特徵、實現對反物質間相互作用力的測量、探測到宇宙早期最亮中心黑洞質量最大的類星體、發現東亞最早的現代人化石、揭示人類原始生殖細胞基因表達與表觀遺傳調控特徵、解析細胞炎性壞死的關鍵分子機制、研製出碳基高效光解水催化劑、實現對單個蛋白質分子的磁共振探測。

十大進展

實現多自由度量子隱形傳態

量子隱形傳態在概念上非常類似於科幻小說中的“星際旅行”，可以利用量子糾纏把量子態傳輸到遙遠地點，而無需傳輸載體本身。中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究小組在國際上首次成功實現多自由度量子體系的隱形傳態，成果以封面標題的形式發表於《自然》雜誌。這是自1997年國際上首次實現單一自由度量子隱形傳態以來，科學家們經過18年努力在量子信息實驗研究領域取得的又一重大突破，為發展可擴展的量子計算和量子網路技術奠定了堅實的基礎。該成果被英國物理學會評為“2015年度國際物理學十大突破之首”。

量子信息技術以一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲和傳輸，在信息安全和運算速度等方面突破經典信息技術的瓶頸。量子通信是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務等領域的信息安全問題；量子計算具有超快的並行計算能力，有望為密碼分析、大數據處理和藥物設計等大規模計算難題提供解決方案。在量子通信和量子計算技術的基礎上，可構架多節點多用戶的廣域量子網路平台。而實現以上所有這些技術的一個核心單元就是多自由度的量子隱形傳態。

中國科學家找到外爾費米子

德國科學家外爾1929年指出，當質量為零時，狄拉克方程描述的是一對能量相同但具有相反手性的新粒子，即外爾費米子。80多年過去了，人們一直未能觀測到這種神奇的粒子。

近年來，拓撲絕緣體尤其是拓撲半金屬等領域研究的快速發展為尋找外爾費米子提供了新的思路，它們可以作為準粒子存在於外爾半金屬材料中。尋找外爾半金屬材料是一個非常具有挑戰性的科學問題，也是該領域國際競爭的焦點之一。2015年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)方忠研究組(翁紅明等)通過理論計算預言，TaAs家族材料就是要尋找的外爾半金屬體系；陳根富研究組合成出了該材料的晶體，並觀察到理論預測到的因手征反常導致的負磁阻效應；丁洪研究組(丁洪和錢天等)與合作者用角分辨光電子能譜證實了理論預言的三維電子能譜和費米弧。

中國科學家的一系列工作終於“找到”了外爾費米子這樣一個隱身80多年的“幽靈”粒子。此外，美國普林斯頓大學的Z. Hasan研究組和清華大學的陳宇林研究組及合作者也得到類似的結果。外爾半金屬的發現提出了很多新的科學問題，同時也為開發低能耗電子器件等變革性技術提供了新的思路。

揭示伊波拉病毒演化及遺傳多樣性

2014年初在西非暴發了伊波拉病毒病疫情，之前的研究顯示，此次疫情病毒的變異速率比以往有成倍的提高，該結果引起了全球疫情防控機構的恐慌。人們擔心病毒的高速變異可能導致更加烈性的病毒變異株產生，同時大量變異可能對基於PCR技術的病毒檢測產生漏檢。軍事醫學科學院微生物流行病研究所曹務春研究組與中國科學院微生物研究所高福研究組和軍事醫學科學院放射與輻射醫學研究所賀福初等合作，對2014年9月至11月間的大量病例標本進行基因組測序，獲得來自獅子山的175株病毒的全長基因組數據，發現在此期間伊波拉病毒在系統發生上進一步分化，遺傳多樣性快速增加，出現了多個新的病毒流行分支。但此疫情中伊波拉病毒的變異速率，與先前暴發疫情中伊波拉病毒的變異速率接近。這些研究成果加深了對病毒進化特點以及傳播動力學的理解，消除了國際社會對於伊波拉病毒快速變異的擔憂，同時大量基因組序列的發表為現場病毒檢測PCR引物設計提供了參考，並將有助於對伊波拉病毒疫苗和治療方案的研發。相關研究論文發表在2015年8月6日《自然》上。

首次測量到反物質間 相互作用力

美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)的STAR實驗將質心能量為200GeV的金離子相互碰撞，產生出大量的反質子，這為測量反質子-反質子間相互作用提供了機會。中國科學院上海套用物理研究所馬余剛研究組與美國布魯克海文國家實驗室唐愛洪研究組等合作，利用STAR實驗結果，通過對反質子-反質子之間動量關聯函式的測量，首次提取了反質子-反質子相互作用的有效力程和散射長度。研究表明，反質子-反質子之間存在著強吸引力，可以克服反質子-反質子之間的由於同號(負電荷)所產生的庫倫排斥力，結合成反物質原子核。而且他們測量得到的結果與質子-質子相互作用的對應值在誤差範圍內一致。他們的研究結果提供了兩個反質子間相互作用的直接信息，給出了對量子場論和對稱原理的一個直接驗證，為進一步理解更複雜的反原子核及其屬性奠定了基礎。相關研究論文發表在2015年11月19日《自然》上。《自然》審稿人對該研究給予高度讚賞：“這是首例反質子-反質子作用的直接測量。

人類原始生殖細胞 基因表達與表觀遺傳調控特徵

生殖細胞（精子和卵子）是人類維持生命延續、代代相傳的種子和紐帶。在媽媽的肚子裡，胎兒除了要完成自身發育，還要為其後代做好準備，形成原始生殖細胞（PGC）並進行性腺發育,以保證性成熟後形成正常的精子和卵子。

這類特殊的原始生殖細胞與其他細胞有何不同？基因表達調控的特徵是什麼？除了遺傳序列本身，祖父輩及父母親還把哪些表觀遺傳記憶留在了PGC細胞中？哪些表觀遺傳記憶信息必須需要清除？人類對其還缺乏深刻的認識。

北京大學生物動態光學成像中心湯富酬研究組和北京大學第三醫院喬傑研究組採用最新的單細胞轉錄組高通量測序等關鍵技術，深度解析了人類原始生殖細胞多個發育階段的轉錄組和DNA甲基化組的動態變化，揭示了人類原始生殖細胞基因表達調控的一系列關鍵特徵。

該項研究顯示，處於發育早期的人類原始生殖細胞協同表達一系列多能性基因以及生殖系特異基因。

基因組DNA甲基化作為一種關鍵的表觀遺傳修飾方式，是調控細胞分化過程中基因表達的關鍵機制之一。

他們的研究首次發現女性原始生殖細胞中X染色體重新激活明顯早於小鼠，而且SOX15 僅特異性高表達於人類早期原始生殖細胞，推測其是調控原始生殖細胞發育與性別分化的重要基因。

此外，該項研究發現人類原始生殖細胞在發育過程中會經歷大規模的表觀遺傳記憶(DNA甲基化標記)的擦除，在胚胎第11周時原始生殖細胞中僅有6%—7%的DNA甲基化得以保留；但另外一方面，基因組中的一些特殊的重複序列元件上仍然殘留大量甲基化，這為研究人類隔代遺傳現象的表觀遺傳學基礎提供了重要線索。相關研究論文發表在2015年6月4日《細胞》上。

發現東亞最早的現代人化石

作為人類起源與演化研究的重要組成部分，現代人起源一直是古人類學研究與爭議的熱點。目前，國際學術界的主流觀點支持現代人起源於非洲，認為現代人19萬年前起源於非洲，6萬年前擴散到歐亞大陸，成為當地現代人的祖先。近10年來，中國學者在這個領域的研究取得一系列重要進展，確定早期現代人至少10萬年前在華南地區已經出現。

然而，學術界對於具有完全現代形態的人類在東亞地區出現時間尚不清楚。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所劉武和吳秀傑研究組與英國María Martinón-Torres合作等報告了對中國南部湖南省道縣福岩洞的最新發掘資料。他們先後發現了47枚人類牙齒化石以及大量動物化石。

研究顯示，道縣人類牙齒尺寸較小，明顯小於歐洲、非洲和亞洲更新世中、晚期人類，位於現代人變異範圍，牙齒齒冠和齒根呈現典型現代智人特徵。這些形態和尺寸對比分析說明道縣人類牙齒已經具有完全現代形態，可以明確歸入現代智人。測年結果表明，這批人類化石的埋藏年代在 8—12萬年前。動物群組成則指示出晚更新世早期的特點，進一步支持測年的結果。據此可以確定，具有完全現代形態的人類至少8萬年前在華南局部地區已經出現。這項研究以可靠的地層年代數據和詳實的化石形態特徵提供了迄今最早的現代類型人類在華南地區出現的化石證據，填補了現代類型人類在東亞地區最早出現時間和地理分布的空白。這是繼2010年廣西智人洞下頜骨發現之後，中國學者在東亞現代人起源方面取得的又一項重大突破，對“中國沒有早於6萬年的現代人”這一國際主流觀點提出了有力挑戰。

此外，與這群現代人同時代的北方地區，還生活著形態特徵更原始的“土著居民”，道縣的研究描繪了一幅中國南北地區不同人群共同存在的場景，進而提出現代人在中國擴散的可能路線為由南向北。這些發現對於探討現代人在歐亞地區的出現和擴散具有非常重要的意義。相關研究論文發表在2015年10月29日《自然》上。

發現宇宙早期最亮、中心黑洞質量最大天體

發現遙遠宇宙中的明亮天體對了解早期宇宙的結構極為重要，位於宇宙早期的高紅移類星體是研究早期宇宙的重要探針。迄今為止，天文學家通過大型巡天已經發現了30多萬個類星體，其中大約有40個類星體紅移大於6（即距離超過127億光年）。每個類星體中心都包含一個質量約為10億個太陽質量的黑洞，它們正在猛烈地吞噬其周圍的物質，並在黑洞附近釋放出巨大的能量。

北京大學物理學院吳學兵研究組與合作者基於自主發展的選取高紅移類星體候選體的有效方法和判據，利用中國科學院雲南天文台的2.4米光學望遠鏡首先觀測和國外4台大型光學和紅外地面望遠鏡後續觀測，發現一個距離我們128億光年(紅移6.3)、發光強度是太陽的430萬億倍、中心黑洞質量約為120億太陽質量的超亮類星體。

這是目前發現的在宇宙早期最亮、中心黑洞質量最大的一個類星體，也是世界上第一個利用2米級光學望遠鏡發現的紅移6以上的類星體。該發現證實在宇宙年齡只有9億年時，就已經形成質量為120億太陽質量的黑洞，這對目前的黑洞形成和增長理論以及黑洞和星系共同演化理論都提出了嚴重的挑戰，並為未來研究早期宇宙中黑洞和星系的形成和演化提供了一個特別的實驗室。相關研究論文作為封面推薦論文發表2015年2月26日《自然》上。

解析細胞炎性壞死的關鍵分子機制

細胞炎性壞死（細胞焦亡）是機體的重要免疫防禦反應，在拮抗和清除病原感染和內源危險信號中都發揮重要作用。過度的細胞焦亡會誘發多種自身炎症/免疫性疾病，最新研究顯示愛滋病的發生也和細胞焦亡有關。然而人們對細胞焦亡發生的機制完全不清楚。

北京生命科學研究所邵峰研究組與合作者，利用最新的CRISPR/Cas9基因組編輯技術，針對caspase-1 和caspase-11介導的細胞焦亡通路進行了全基因組範圍遺傳篩選，鑑定出全新的GSDMD蛋白，並證明GSDMD是所有炎性caspase的共有底物，該蛋白的切割對於炎性caspase激活細胞焦亡既是必要的也是充分的。這是20年來首次揭示細胞焦亡的關鍵分子機制，為多種自身炎症性疾病和內毒素誘導的敗血症提供了全新的藥物靶點。該研究還首次發現gasdermin家族蛋白(包含GSDMD)都具有誘導細胞焦亡的功能，進而重新定義了細胞焦亡的概念，並開闢了細胞程式性壞死和天然免疫研究的新領域。相關研究論文發表在2015年10月29日《自然》上。

碳基高效光解水催化劑

利用太陽光直接催化分解水同時製取氫和氧是發展清潔、綠色可再生能源的理想策略之一。在過去40年，聚焦於一步、四電子過程來研究光催化分解水，已經開發出多種無機和有機材料體系的光解水催化劑。然而，大多數光催化劑量子效率較低、穩定性較差。蘇州大學納米科學技術學院康振輝、Yeshayahu Lifshitz和李述湯研究組設計構建出一種非金屬碳納米點-氮化碳納米複合材料高效光解水催化劑，提出並示範了一種兩步、兩電子過程的高效完全光解水新機制，實現了可見光下高效的全分解水。該催化劑具有較好的穩定性(可見光催化活性200天保持不變)以及較高的太陽能到氫能的轉換效率(波長420±20 nm下量子效率為16%，太陽能到氫能的轉換效率約為2%)。此外，該催化劑材料還具備廉價、資源豐富、環境友好等優點。相關研究論文發表在2015年2月27日《科學》上。還被《化學世界》、《國家科學評論》等多家科學媒體進行專題報導。倫敦大學瑪麗女王學院Steve Dunn教授評價該研究為“是該領域的徹底變革”。該研究結果為深入理解和設計高效光催化劑提供了新的思路。

實現對單個蛋白質分子的磁共振探測

在納米尺度上直接測量單個分子的組成、結構及動力學性質，是當今物質科學探索的發展趨勢。自旋磁共振是重要的物質科學研究手段，在前沿科學和國民生產眾多領域均有廣泛的套用。然而基於磁電感應探測原理的傳統磁共振技術，通常只能測量毫米尺度以上百億個分子系綜的統計平均性質，無法實現對單個分子的直接測量。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室(籌)杜江峰領銜的研究團隊使用最新的量子操控技術，基於鑽石量子探針和新穎的自旋量子干涉儀探測原理，實現了單分子磁共振的突破。該團隊於國際上首次獲取了單個蛋白質分子（直徑約5納米）的順磁共振譜，並解析出其動力學信息，成功將電子順磁共振技術解析度從毫米推進到納米，靈敏度從上百億個分子推進到單個分子。該新技術可用來在單分子層面認識物質科學和生命科學的機理，在物理、化學及生命科學等多個領域有廣泛套用前景，特別是其室溫大氣的寬鬆實驗條件為生命科學等領域的研究提供了尤為適宜的條件。相關研究論文發表在2015年3月6日《科學》上。這一成果在國際同領域引起了很大反響，得到美國化學會、德國馬普所等廣泛的新聞報導。《科學》雜誌將該成果選為研究亮點並配發專文報導，稱其“實現了一個崇高的目標”，“是通往活體細胞中單蛋白分子實時成像的重要里程碑”。