圖①多自由度量子隱形傳態(tài)示意圖

　　圖②人類原始生殖細胞基因表達規(guī)律

　　圖③湖南道縣發(fā)現(xiàn)人類牙齒化石

　　圖④鉆石探針實現(xiàn)對單蛋白分子信號的檢測

　　圖⑤反質(zhì)子間相互作用的示意圖

　　圖⑥碳基高效光解水催化反應(yīng)機制

　　圖⑦宇宙早期類星體中心的超大質(zhì)量黑洞示意圖

　　實現(xiàn)多自由度量子隱形傳態(tài)

　　量子隱形傳態(tài)在概念上非常類似于科幻小說中的“星際旅行”，可以利用量子糾纏把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠地點，而無需傳輸載體本身。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究小組在國際上首次成功實現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)，成果以封面標題的形式發(fā)表于《自然》雜志。這是自1997年國際上首次實現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來，科學(xué)家們經(jīng)過18年努力在量子信息實驗研究領(lǐng)域取得的又一重大突破，為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。該成果被英國物理學(xué)會評為“2015年度國際物理學(xué)十大突破之首”。

　　量子信息技術(shù)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(jīng)典信息技術(shù)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(wù)等領(lǐng)域的信息安全問題；量子計算具有超快的并行計算能力，有望為密碼分析、大數(shù)據(jù)處理和藥物設(shè)計等大規(guī)模計算難題提供解決方案。在量子通信和量子計算技術(shù)的基礎(chǔ)上，可構(gòu)架多節(jié)點多用戶的廣域量子網(wǎng)絡(luò)平臺。而實現(xiàn)以上所有這些技術(shù)的一個核心單元就是多自由度的量子隱形傳態(tài)。

　　中國科學(xué)家找到外爾費米子

　　德國科學(xué)家外爾1929年指出，當質(zhì)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(lǐng)域研究的快速發(fā)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于外爾半金屬材料中。尋找外爾半金屬材料是一個非常具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，也是該領(lǐng)域國際競爭的焦點之一。2015年，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)方忠研究組(翁紅明等)通過理論計算預(yù)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，并觀察到理論預(yù)測到的因手征反常導(dǎo)致的負磁阻效應(yīng)；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(yù)言的三維電子能譜和費米弧。

　　中國科學(xué)家的一系列工作終于“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(xué)的Z. Hasan研究組和清華大學(xué)的陳宇林研究組及合作者也得到類似的結(jié)果。外爾半金屬的發(fā)現(xiàn)提出了很多新的科學(xué)問題，同時也為開發(fā)低能耗電子器件等變革性技術(shù)提供了新的思路。

　　揭示埃博拉病毒演化及遺傳多樣性

　　2014年初在西非暴發(fā)了埃博拉病毒病疫情，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(jié)果引起了全球疫情防控機構(gòu)的恐慌。人們擔心病毒的高速變異可能導(dǎo)致更加烈性的病毒變異株產(chǎn)生，同時大量變異可能對基于PCR技術(shù)的病毒檢測產(chǎn)生漏檢。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所曹務(wù)春研究組與中國科學(xué)院微生物研究所高福研究組和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)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，獲得來自塞拉利昂的175株病毒的全長基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在此期間埃博拉病毒在系統(tǒng)發(fā)生上進一步分化，遺傳多樣性快速增加，出現(xiàn)了多個新的病毒流行分支。但此疫情中埃博拉病毒的變異速率，與先前暴發(fā)疫情中埃博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(xué)的理解，消除了國際社會對于埃博拉病毒快速變異的擔憂，同時大量基因組序列的發(fā)表為現(xiàn)場病毒檢測PCR引物設(shè)計提供了參考，并將有助于對埃博拉病毒疫苗和治療方案的研發(fā)。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年8月6日《自然》上。

　　首次測量到反物質(zhì)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(zhì)心能量為200GeV的金離子相互碰撞，產(chǎn)生出大量的反質(zhì)子，這為測量反質(zhì)子-反質(zhì)子間相互作用提供了機會。中國科學(xué)院上海應(yīng)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(jié)果，通過對反質(zhì)子-反質(zhì)子之間動量關(guān)聯(lián)函數(shù)的測量，首次提取了反質(zhì)子-反質(zhì)子相互作用的有效力程和散射長度。研究表明，反質(zhì)子-反質(zhì)子之間存在著強吸引力，可以克服反質(zhì)子-反質(zhì)子之間的由于同號(負電荷)所產(chǎn)生的庫倫排斥力，結(jié)合成反物質(zhì)原子核。而且他們測量得到的結(jié)果與質(zhì)子-質(zhì)子相互作用的對應(yīng)值在誤差范圍內(nèi)一致。他們的研究結(jié)果提供了兩個反質(zhì)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，為進一步理解更復(fù)雜的反原子核及其屬性奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年11月19日《自然》上?！蹲匀弧穼徃迦藢υ撗芯拷o予高度贊賞：“這是首例反質(zhì)子-反質(zhì)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(diào)控特征

　　生殖細胞（精子和卵子）是人類維持生命延續(xù)、代代相傳的種子和紐帶。在媽媽的肚子里，胎兒除了要完成自身發(fā)育，還要為其后代做好準備，形成原始生殖細胞（PGC）并進行性腺發(fā)育，以保證性成熟后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(diào)控的特征是什么？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(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬研究組和北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰研究組采用最新的單細胞轉(zhuǎn)錄組高通量測序等關(guān)鍵技術(shù)，深度解析了人類原始生殖細胞多個發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基化組的動態(tài)變化，揭示了人類原始生殖細胞基因表達調(diào)控的一系列關(guān)鍵特征。

　　該項研究顯示，處于發(fā)育早期的人類原始生殖細胞協(xié)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(guān)鍵的表觀遺傳修飾方式，是調(diào)控細胞分化過程中基因表達的關(guān)鍵機制之一。

　　他們的研究首次發(fā)現(xiàn)女性原始生殖細胞中X染色體重新激活明顯早于小鼠，而且SOX15 僅特異性高表達于人類早期原始生殖細胞，推測其是調(diào)控原始生殖細胞發(fā)育與性別分化的重要基因。

　　此外，該項研究發(fā)現(xiàn)人類原始生殖細胞在發(fā)育過程中會經(jīng)歷大規(guī)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復(fù)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(xiàn)象的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)提供了重要線索。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年6月4日《細胞》上。

　　發(fā)現(xiàn)東亞最早的現(xiàn)代人化石

　　作為人類起源與演化研究的重要組成部分，現(xiàn)代人起源一直是古人類學(xué)研究與爭議的熱點。目前，國際學(xué)術(shù)界的主流觀點支持現(xiàn)代人起源于非洲，認為現(xiàn)代人19萬年前起源于非洲，6萬年前擴散到歐亞大陸，成為當?shù)噩F(xiàn)代人的祖先。近10年來，中國學(xué)者在這個領(lǐng)域的研究取得一系列重要進展，確定早期現(xiàn)代人至少10萬年前在華南地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)。

　　然而，學(xué)術(shù)界對于具有完全現(xiàn)代形態(tài)的人類在東亞地區(qū)出現(xiàn)時間尚不清楚。中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所劉武和吳秀杰研究組與英國María Martinón-Torres合作等報告了對中國南部湖南省道縣福巖洞的最新發(fā)掘資料。他們先后發(fā)現(xiàn)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，明顯小于歐洲、非洲和亞洲更新世中、晚期人類，位于現(xiàn)代人變異范圍，牙齒齒冠和齒根呈現(xiàn)典型現(xiàn)代智人特征。這些形態(tài)和尺寸對比分析說明道縣人類牙齒已經(jīng)具有完全現(xiàn)代形態(tài)，可以明確歸入現(xiàn)代智人。測年結(jié)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(jié)果。據(jù)此可以確定，具有完全現(xiàn)代形態(tài)的人類至少8萬年前在華南局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)。這項研究以可靠的地層年代數(shù)據(jù)和詳實的化石形態(tài)特征提供了迄今最早的現(xiàn)代類型人類在華南地區(qū)出現(xiàn)的化石證據(jù)，填補了現(xiàn)代類型人類在東亞地區(qū)最早出現(xiàn)時間和地理分布的空白。這是繼2010年廣西智人洞下頜骨發(fā)現(xiàn)之后，中國學(xué)者在東亞現(xiàn)代人起源方面取得的又一項重大突破，對“中國沒有早于6萬年的現(xiàn)代人”這一國際主流觀點提出了有力挑戰(zhàn)。

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

　　發(fā)現(xiàn)宇宙早期最亮、中心黑洞質(zhì)量最大天體

　　發(fā)現(xiàn)遙遠宇宙中的明亮天體對了解早期宇宙的結(jié)構(gòu)極為重要，位于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(xué)家通過大型巡天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30多萬個類星體，其中大約有40個類星體紅移大于6（即距離超過127億光年）。每個類星體中心都包含一個質(zhì)量約為10億個太陽質(zhì)量的黑洞，它們正在猛烈地吞噬其周圍的物質(zhì)，并在黑洞附近釋放出巨大的能量。

　　北京大學(xué)物理學(xué)院吳學(xué)兵研究組與合作者基于自主發(fā)展的選取高紅移類星體候選體的有效方法和判據(jù)，利用中國科學(xué)院云南天文臺的2.4米光學(xué)望遠鏡首先觀測和國外4臺大型光學(xué)和紅外地面望遠鏡后續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)一個距離我們128億光年(紅移6.3)、發(fā)光強度是太陽的430萬億倍、中心黑洞質(zhì)量約為120億太陽質(zhì)量的超亮類星體。

　　這是目前發(fā)現(xiàn)的在宇宙早期最亮、中心黑洞質(zhì)量最大的一個類星體，也是世界上第一個利用2米級光學(xué)望遠鏡發(fā)現(xiàn)的紅移6以上的類星體。該發(fā)現(xiàn)證實在宇宙年齡只有9億年時，就已經(jīng)形成質(zhì)量為120億太陽質(zhì)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(zhàn)，并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(guān)研究論文作為封面推薦論文發(fā)表2015年2月26日《自然》上。

　　解析細胞炎性壞死的關(guān)鍵分子機制

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

　　北京生命科學(xué)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(shù)，針對caspase-1 和caspase-11介導(dǎo)的細胞焦亡通路進行了全基因組范圍遺傳篩選，鑒定出全新的GSDMD蛋白，并證明GSDMD是所有炎性caspase的共有底物，該蛋白的切割對于炎性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(guān)鍵分子機制，為多種自身炎癥性疾病和內(nèi)毒素誘導(dǎo)的敗血癥提供了全新的藥物靶點。該研究還首次發(fā)現(xiàn)gasdermin家族蛋白(包含GSDMD)都具有誘導(dǎo)細胞焦亡的功能，進而重新定義了細胞焦亡的概念，并開辟了細胞程序性壞死和天然免疫研究的新領(lǐng)域。相關(guān)研究論文發(fā)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制取氫和氧是發(fā)展清潔、綠色可再生能源的理想策略之一。在過去40年，聚焦于一步、四電子過程來研究光催化分解水，已經(jīng)開發(fā)出多種無機和有機材料體系的光解水催化劑。然而，大多數(shù)光催化劑量子效率較低、穩(wěn)定性較差。蘇州大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院康振輝、Yeshayahu Lifshitz和李述湯研究組設(shè)計構(gòu)建出一種非金屬碳納米點-氮化碳納米復(fù)合材料高效光解水催化劑，提出并示范了一種兩步、兩電子過程的高效完全光解水新機制，實現(xiàn)了可見光下高效的全分解水。該催化劑具有較好的穩(wěn)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(zhuǎn)換效率(波長420±20 nm下量子效率為16%，太陽能到氫能的轉(zhuǎn)換效率約為2%)。此外，該催化劑材料還具備廉價、資源豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年2月27日《科學(xué)》上。還被《化學(xué)世界》、《國家科學(xué)評論》等多家科學(xué)媒體進行專題報道。倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院Steve Dunn教授評價該研究為“是該領(lǐng)域的徹底變革”。該研究結(jié)果為深入理解和設(shè)計高效光催化劑提供了新的思路。

　　實現(xiàn)對單個蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)及動力學(xué)性質(zhì)，是當今物質(zhì)科學(xué)探索的發(fā)展趨勢。自旋磁共振是重要的物質(zhì)科學(xué)研究手段，在前沿科學(xué)和國民生產(chǎn)眾多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。然而基于磁電感應(yīng)探測原理的傳統(tǒng)磁共振技術(shù)，通常只能測量毫米尺度以上百億個分子系綜的統(tǒng)計平均性質(zhì)，無法實現(xiàn)對單個分子的直接測量。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室(籌)杜江峰領(lǐng)銜的研究團隊使用最新的量子操控技術(shù)，基于鉆石量子探針和新穎的自旋量子干涉儀探測原理，實現(xiàn)了單分子磁共振的突破。該團隊于國際上首次獲取了單個蛋白質(zhì)分子（直徑約5納米）的順磁共振譜，并解析出其動力學(xué)信息，成功將電子順磁共振技術(shù)分辨率從毫米推進到納米，靈敏度從上百億個分子推進到單個分子。該新技術(shù)可用來在單分子層面認識物質(zhì)科學(xué)和生命科學(xué)的機理，在物理、化學(xué)及生命科學(xué)等多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，特別是其室溫大氣的寬松實驗條件為生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了尤為適宜的條件。相關(guān)研究論文發(fā)表在2015年3月6日《科學(xué)》上。這一成果在國際同領(lǐng)域引起了很大反響，得到美國化學(xué)會、德國馬普所等廣泛的新聞報道?！犊茖W(xué)》雜志將該成果選為研究亮點并配發(fā)專文報道，稱其“實現(xiàn)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”。

　　本版文圖由科技部基礎(chǔ)研究管理中心提供