生命科学争奇 物质科学斗艳——世界科技一百年（十三）21世纪10年代

王渝生

生命科学争奇 物质科学斗艳
——世界科技一百年（十三）21世纪10年代

王渝生

在21世纪头10年科学技术突飞猛进发展的基础上，21世纪10年代头2年，生命科学和物质科学两方面都取得了突破性进展。人造细胞进而人造生命的研究和千人基因组计划获得重大成果，纳米技术、激光技术和对反物质、暗物质的研究取得重大突破，超级计算机则首次突破了万万亿次大关。

中国的超级杂交水稻产量和超级计算机“天河一号”的计算速度位于世界前列；“嫦娥二号”的发射、“天宫一号”与“神州八号”的交会对接和深海载人潜水、深地探测技术取得可喜成就。

2010年

美人造生命迈出关键一步

美国J.克雷格.文特尔研究所的研究人员在《科学》杂志上报告说，他们人工合成了一种名为蕈状支原体的细菌的脱氧核糖核酸(DNA)，并将其植入另一个内部被掏空的、名为山羊支原体的细菌体内。最终他们使植入人造DNA的细菌重新获得生命，并开始在实验室的培养皿中繁殖。研究人员表示，这是第一个人造细胞，它向人造生命形式迈出了关键一步。这是人类历史上最重要的科技成果。

美首次探测到暗物质粒子

神秘的暗物质一直令科学家感到迷惑不解，这种看不见的物质占宇宙质量的大约四分之三。美国佛罗里达大学科学家首次探测到暗物质粒子。在美国明尼苏达州北部的索丹铁矿地下2000英尺(约610米)，动用了30台高灵敏度探测仪，并将温度降低至零下273.1摄氏度。在这种实验环境下，当一种被称为“弱相互作用大质量粒子”(Wimp)撞击一个普通的原子时，这些探测仪将能够捕捉到撞击事件，从而确定Wimp粒子的存在。

英国等科学家发现“超级细菌”

2010年8月11日，来自英国、瑞典、印度和巴基斯坦的四国科学家在权威医学杂志《柳叶刀-传染病》上联合发表文章称，他们发现了几种“超级细菌”，对几乎所有抗生素都有极高的耐药性，而这些细菌可能对全球的公共健康造成极大影响。这些菌株有一个共同点：都携带着一种相同的基因突变，能编码金属-β-内酰胺酶，简称NDM-1。有了NDM-1，细菌就等于有了非常坚固的护盾，因为这种酶能够水解大多数抗生素，使之失效。上述文章发表后不久，“超级细菌”就在多个国家小规模爆发，引起了不小的恐慌。

欧首次成功制造并捕获反物质原子

欧洲核子研究中心的科学家成功制造出多个反氢原子，并利用磁场使其存在了“较长时间”。这是科学家首次成功捕获反物质原子。氢原子是只有一个质子和一个电子的最简单的原子。实际上，欧洲核子研究中心早在1995年就第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭。此次的突破之处在于，制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场首次成功地使其存在了“较长时间”——约0.17秒。这一成果被看作是物理学领域的一大突破，将大大推动有关反物质的研究。

IBM发布硅纳米光子芯片技术

IBM公司2010年12月2日发布了其在芯片技术领域的最新突破——历时10年研发的CMOS集成硅纳米光子学技术，该芯片技术可将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上，使计算机芯片之间通过光脉冲(而不是电子信号)进行通讯。这一新技术的另一个优势在于它可在一个标准的芯片制造生产线上生产，不需要新的或者特殊的工具。科学家有望据此研制出比传统芯片更小、更快、能耗更低的芯片，为亿亿次超级计算机的研发开辟道路。

“普朗克”卫星绘出首幅宇宙全景

欧洲航天局2010年7月5日宣布，该机构的宇宙探测卫星“普朗克”根据此前收集的数据，绘出了首幅宇宙全景。这幅图的珍贵之处在于捕捉到宇宙微波背景辐射，它形成于宇宙大爆炸时期，经过137亿年的漫长旅行才到达地球，对研究人员而言，它就是研究星系起源的“活化石”。图像正中是地球所在的银河系，其周围布满了冷尘埃形成的纤维状物质，研究人员分析说，这片区域正是恒星形成的地方，而“普朗克”卫星拍下正在诞生的星体以及尚处在萌芽状的恒星。天文学家根据它提供的数据，可以更好地了解宇宙的起源及其现在的运行方式。

欧大型强子对撞机质子束流对撞首获成功

2010年3月30日欧洲核子研究中心宣布，大型强子对撞机总能量为7万亿电子伏特的两个束流对撞获得成功。这是世界上目前能量最高的对撞。科学家认为，对撞成功对探索宇宙起源和粒子研究具有里程碑式的意义。欧洲核子研究中心11月4日宣布，2010年大型强子对撞机质子对撞运行当天圆满结束，已完成今年的实验目标，获得的主要成果包括对撞机的“性能参数亮度”达到设计目标，确认粒子标准模型的部分内容，在质子对撞中首次探测到“顶夸克”，确定“受激夸克”等新粒子产生的能级范围。

“千人基因组计划”获重大成果

由中、美、英国科研机构发起的大型国际科研合作项目“千人基因组计划”，10月28日在英国《自然》杂志上以封面文章形式发布了迄今最详尽的人类基因多态性图谱，同时也在美国《科学》杂志上报告了在基因研究技术手段上的收获，相关成果标志着人类基因研究进入了一个划时代的新阶段。这一计划取得了两个重要成果，第一是获得了迄今最详尽的人类基因多态性图谱，第二是探索出了研究基因多态性的新技术手段。

首份全球海洋生物普查报告发布

2010年10月4日，历时10年的全球“海洋生物普查”项目在伦敦发布最终报告，根据普查得出的统计数据，海洋生物物种总计可能有约100万种，其中25万种是人类已知的海洋物种，其他75万种海洋物种人类知之甚少，这些人类不甚了解的物种大多生活在北冰洋、南极和东太平洋未被深入考察的海域。来自80多个国家和地区的2700多名科学家共发现6000多种新物种，它们以甲壳类动物和软体动物居多，其中有1200种已认知或已命名，新发现待命名的物种约5000种。这是历史上首次进行全球海洋生物普查。

量子纠缠首次在电晶体线路中完美实现

一个由法国、德国和西班牙物理学家组成的研究团队首次确凿地证明：从电晶体装置中分离出来的粒子，仍可实现量子纠缠。这是量子力学的一次突破性进展。量子纠缠在全固体材料中的完美实现，意味着量子力学真正走进了电子元件中，量子纠缠和全固体材料结合的目的就是实现量子计算以及更加固若金汤的通信。该成果让科学家迈入了量子研究的新境界。在以原子为基石的微观世界里，光与电的行为将不再服从古典规则，而是量子物理规律。

中国嫦娥二号成功发射

嫦娥二号2010年10月1日18时59分57秒在西昌卫星发射中心成功升空。作为中国探月工程二期的技术先导星，嫦娥二号的主要任务是为嫦娥三号实现月面软着陆开展部分关键技术试验，并继续进行月球科学探测和研究。10月9日，在顺利完成了第三次近月制动后，嫦娥二号卫星成功进入100公里环月工作轨道，按计划开展了各项科学试验与在轨测试，之后降低轨道对月面虹湾地区进行了成像。虹湾地区位于月球北纬43度左右、西经31度左右，东西长约300公里，南北长约100公里，是嫦娥三号预选着陆区。10月28日，分辨率达1.3米的月面虹湾影像图的传回，标志着嫦娥二号任务所确定的工程目标全部实现。

中国“天河一号”成为全球最快超级计算机

2010年11月17日，国际超级计算机TOP500组织正式发布第36届世界超级计算机500强排名榜。由国防科技大学研制、安装在国家超级计算天津中心的“天河一号”超级计算机系统，以峰值速度4700万亿次、持续速度2566万亿次每秒浮点运算的优异性能位居世界第一，取得了我国自主研制超级计算机综合技术水平进入世界领先行列的历史性突破。“天河一号”采用了自主研制的高速互连芯片，使得CPU之间的通信速度大幅提升。中央处理器也首次部分采用自主研制的“飞腾——1000”芯片。操作系列软件也是自主研制的“麒麟操作系统”。

中国深海载人潜水突破3700米水深纪录

经过约100家科研机构和企业6年努力，中国第一台自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”深海载人潜水器，2010年5月31日至7月18日，在南海进行了3000米级海上试验，最大下潜深度达到3759米。这标志着我国成为继美、法、俄、日之后第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家。“蛟龙号”载人深潜器在世界上同类型的载人潜水器中具有最大设计下潜深度——7000米，这意味着该潜水器可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域使用，代表着深海高技术领域的最前沿。

京沪高铁全线铺通

2010年11月15日，举世瞩目的京沪高速铁路全线铺通。下一步京沪高铁将全力推进以牵引供电、通信、信号、电力“四电集成”施工和站房建设为主的站后工程施工，展开全线联调联试。届时，北京至上海可实现4小时到达。京沪高铁是当今世界一次建成线路里程最长、技术标准最高的高速铁路，全长1318公里，最高时速380公里，设计时速350公里。12月3日，在京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段联调联试和综合试验中，由中国南车集团研制的“和谐号”380A新一代高速动车组在上午11时28分最高时速达到486.1公里。中国高铁再次刷新世界铁路运营试验最高速。

水稻基因育种技术获突破性进展

《自然·遗传学》杂志2010年5月23日报道，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士和中国农业科学院中国水稻研究所钱前研究员等组成的科研团队，在水稻分蘖分子调控机理方面取得突破性进展，成功克隆了一个可帮助水稻增产的关键基因，这种基因产生变异后可使水稻分蘖数减少，穗粒数和千粒重增加，同时茎秆变得粗壮，增加了抗倒伏能力。研究团队将基因分析技术与传统作物种植方法相结合，培育出了改良稻米品种，可使水稻产量提高10%。这是中国科学家在揭示水稻高产的分子奥秘上迈出的重要一步。

中国揭示致癌蛋白作用新机制

武汉大学生命科学学院教授张翼和付向东联合研究组发现，PTB蛋白不仅能直接抑制靶基因的可变剪接，还能直接促进靶基因的可变剪接。该发现打破了已写入教科书的、认为PTB蛋白是抑制蛋白的定论。该研究成果在《细胞》杂志子刊《分子细胞》上作为封面论文发表。评论文章指出，这一研究成果对基因转录后调控研究领域具有引领作用，对理解PTB蛋白的致癌机制和推动抗癌药物开发具有重要意义。

中国实验快堆实现首次临界

由中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆在7月21日上午9点50分实现首次临界。这一成果标志着我国第四代先进核能系统技术实现了重大突破，我国由此成为世界上少数几个掌握快堆研发技术的国家之一。中国实验快堆热功率为65兆瓦，电功率20兆瓦。其形成的核燃料闭合式循环，可使铀资源利用率提高至60%以上，也可使核废料产生量得到最大程度的降低，实现放射性废物最小化。

中国发表“大熊猫基因组”

由深圳华大基因研究院发起，中国科学院昆明动物研究所、中国科学院动物研究所、成都大熊猫繁育研究基地和中国保护大熊猫研究中心参与的合作研究成果《大熊猫基因组测序和组装》，1月21日以封面故事形式在《自然》上发表。研究表明，大熊猫有21对染色体，基因组大小为2.4G，重复序列含量36%，基因2万多个。这是全球第一个完全使用新一代合成法测序技术完成的基因组序列图。这一成果将成为基因组绘图的国际标准。

2011年

英发明超薄“纳米片”制备方法

英国牛津大学等机构的研究人员发明出通用快捷的纳米片制备方法，能够将多种材料制成只有一层原子的超薄纳米片。研究人员在《科学》杂志上报告说，只要将具有层状结构的原材料置于某些溶剂中，然后利用超声波对之进行振荡，就可以使这些材料分解成只有一层原子的纳米片。实验显示，氮化硼、二硫化钼、二硫化钨等物质都可以通过这种方法制成纳米片。本次研究所发明的方法简单快捷、成本低廉且产量高，有望在工业中大规模制备纳米片材料。纳米片可以制成各种薄膜，根据原材料性质的不同而用于诸多领域，如用于生产半导体和下一代电子器件等。本次研究将可能为这些工业领域带来革命性进步。

最大太阳能飞机首次跨国飞行成功

瑞士制造的世界最大的太阳能飞机——“太阳驱动”号5月13日在飞行12小时59分后，在比利时首都布鲁塞尔降落，飞行距离630公里，成功完成首次跨国飞行。“太阳驱动”号翼展长度为63.4米，机翼上覆盖着太阳能电池板，为飞机上总重达400公斤的4个蓄电池充电。“太阳驱动”号自身重量约1600公斤，仅相当于一辆小货车。这次飞行平均时速50公里，最高时速达70公里，平均飞行高度1828米，最高达到3600米。太阳能飞机可充当空中观测和通信平台，其独特之处在于当气象条件允许时，这种飞机可源源不断地获取太阳能，长时间在某一空域盘旋工作。

科学家成功“抓住”反物质原子长达一千秒

欧洲核子研究中心的科研人员2011年6月5日在英国《自然·物理》杂志上报告说，他们成功地将反氢原子“抓住”长达一千秒的时间，也就是超过16分钟，这有利于对反物质性质进行精确研究。科学家在论文中说，他们在这一轮研究中，先后用磁场陷阱抓住了112个反氢原子，时间从1/5秒到一千秒不等。分析还显示，这次抓住的反氢原子大多数处于基态，也就是能量最低、最稳定的状态。这有可能是人类迄今首次制造出的基态反物质原子。如果能让反物质原子在基态存在10分钟到30分钟，就可以满足大多数实验的需要。

美研制出世界上第一束生物激光

美国波士顿市哈佛医学院的物理学家Malte Gather和Seok-Hyun Yun研制出世界上第一束生物激光。这种生物激光的关键是绿色荧光蛋白（GFP）。研究人员将一些产生了GFP的细胞置于两面镜子之间——它们的距离仅仅相当于一个细胞的宽度，即只有约20微米。为了发出激光，细胞中的GFP需要被另一束激光——约1毫微焦耳的低能蓝光脉冲所激发。虽然这种激光很微弱，但能被清晰地探测到，而用于生成激光的这个细胞仍然存活。科学家推测，这种生物激光能够在新型传感器或光基治疗中找到应用。例如，这种激光的使用通过使已有药物产生反应从而杀死癌细胞。

美研制成功反激光器

美国耶鲁大学的科研人员2011年2月17日在《科学》杂志上报告说，他们研制成功一种反激光器，进入这一装置的激光光束将彼此干涉进而互相抵消。该装置在未来的量子计算机等领域具有潜在用途。研究者介绍说，传统激光器吸收电能，并在非常窄的频率范围内释放光。反激光器则吸收激光光束，最终释放热能，这些热能很容易转化为电能。此外，传统激光器利用“增益介质”，比如半导体物质来产生聚焦光束，而反激光器则利用硅作为“损耗介质”来捕获激光光束。这一装置最明显的应用是高能计算机领域，还可以用作随意开关的光学开关，相关技术也会在放射学领域派上用场。

美“好奇”号火星探测器发射升空

2011年11月26日，从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空的探测器主要用于探索火星过去或现在是否存在适宜生命生存的环境。“好奇”号个头与小汽车相当，重约900公斤，是2004年登陆火星的“机遇”号和“勇气”号火星车的5倍多，长度约为它们的两倍。以核燃料钚提供动力的“好奇”号携带的探测设备更多、更先进，在火星表面的连续行驶能力也更强。经过约5.6亿英里（约合9亿公里）的旅程后，它预计于2012年8月6日在火星着陆，展开为期一个火星年（约687个地球日）的探测。

加德晶体中量子纠缠态信息存储成功

加拿大卡尔加里大学科学家和德国科学家合作首次成功在一种特殊晶体中存入光量子纠缠态的编码信息，该项研究成果是量子网络发展的一个里程碑，有望在不久的将来让量子网络成为现实。目前的网络通信，信息是通过光脉冲在光纤中传输实现的。传输的信息可存储在计算机硬盘里以备使用。而量子网络与光纤网络的传输原理相似，但传输载体却非使用光脉冲。在量子通信中，也需要存储和提取数据信息。量子网络的一大优势是可以保护信息在传输过程中不被第三方截取。

中外科学家完成马铃薯基因组测序

14个国家的29个机构联合成立“国际马铃薯基因组测序协作组”，其中包括中国农业科学院蔬菜花卉研究所、深圳华大基因研究院等。经过6年艰苦努力，该协作组发现，马铃薯基因组包含约3.9万个基因，几乎是人类基因数量的两倍。这项研究成果刊登在英国《自然》杂志上，并成为最重要的封面论文。论文通信作者之一、中国农业科学院蔬菜花卉所黄三文博士说，有了全基因组序列图，将加速马铃薯新品种的培育，原本需要10年至12年的育种过程将有望缩短至5年左右。此外，它还将有助于培育抗病、高营养、高产等优良特性的马铃薯新品种。中国在这项国际合作项目中发挥了主导作用。

日研制出世界最快计算机

2011年6月20日，日本富士通公司和理化研究所共同宣布开发出一款运算速度可以达到每秒1.051万万亿次的超级计算机。这款新型超级计算机名为“京”，这是全球首款运算速度越过1万万亿次大关的“超级运算机器”。“京”采用864座机柜，连接超过8.8万块CPU，这些处理器经过设计能够进行联合运算。

荷兰制造出世界最小的分子“电动车”

这是一个结构特殊的分子，它也有四个“轮子”，当接收到电流时就向前“行驶”，不过，它“行驶”的距离要以纳米来计算。《自然》杂志封面报道了荷兰格罗宁根大学等机构的这项成果。他们合成的这个分子在中间有一根“主轴”，前后两端各有两个类似轮子的结构。如果用特别小的探针碰一下这个分子，为之提供电流，四个“轮子”就会开始旋转，驱动整个分子前行。在铜板表面对这辆“电动车”进行的测试显示，如果施加10次电流，它可以前进6纳米。这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需要的地点。

天宫一号与神舟八号成功实现交会对接

2011年11月3日1时36分，神舟八号与天宫一号在太空成功实现首次交会对接。从接触到最后锁紧，它们用了8分钟。对接机构完成锁紧后，天宫一号姿态启控，建立起组合体飞行模式，开始组合体运行，进行一系列相关科学试验。11月14日20时，在北京航天飞行控制中心的精确控制下，天宫一号与神舟八号成功进行了第二次交会对接。这次对接进一步考核检验了交会对接测量设备和对接机构的功能与性能，获取了相关数据，达到了预期目的。11月17日19时32分，神舟八号飞船降落于内蒙古四子王旗主着陆场。天宫一号与神舟八号交会对接任务取得圆满成功。继美俄之后，中国成为世界上第三个掌握完整的太空对接技术的国家。

“蛟龙”号载人潜水器成功突破5000米

2011年7月26日上午，“蛟龙”号在第二次下潜试验中，共有来自13个单位的96名科研人员参加了本次海试任务，有8人完成15人次下潜，下潜深度分别为4027、5057、5180、5184和5188米。潜水器在海底完成多次坐底试验，并在中国大洋协会多金属结核勘探合同区开展海底照相、摄像、海底地形地貌测量、海洋环境参数测量、海底定点取样等作业试验与应用，完成了各项试验任务。“蛟龙”号载人潜水器5000米级海试成功，是我国海洋科技发展的一个里程碑，标志着我国具备了到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力。

百亩超级杂交稻试验田亩产突破900公斤

杂交水稻之父袁隆平院士指导的超级稻第三期目标亩产900公斤高产攻关获得成功。试验田位于湖南省邵阳市隆回县羊古坳乡雷峰村，18块试验田共107.9亩。9月18日，这片由袁隆平研制的“Y两优2号”百亩超级杂交稻试验田正式进行收割、验收。农业部委派的专家组按照严格的测产验收规程，测得隆回县羊古坳乡雷峰村百亩片亩产达到926.6公斤。杂交水稻大面积亩产900公斤，使中国杂交水稻超高产研究保持世界领先地位。

中国首座超导变电站建成

2011年4月19日，由中国科学院电工研究所承担研制的中国首座超导变电站在甘肃白银市正式投入电网运行。这也是世界首座超导变电站，标志着我国在国际上率先实现完整超导变电站系统的运行。这个变电站的运行电压等级为10.5千伏，集成了超导储能系统、超导限流器、超导变压器和三相交流高温超导电缆等多种新型超导电力装置，可大幅改善电网安全性和供电质量，有效降低系统损耗，减少占地面积。这座超导变电站，在核心、关键技术上获得了近70项完全自主知识产权。

中国发现大脑神经网络形成新机制

复旦大学脑科学研究院马兰教授研究团队经3年多研究，发现一种在体内广泛存在的蛋白激酶GRK5，在神经发育和可塑性中有关键作用。这一发现揭示了GRK5在神经系统中的功能，以及调节神经元形态和可塑性的新机制，也给神经元发育异常引起的孤独症和唐氏综合征等疾病的治疗和药物研发提供了新的思路。这一发现刊登在美国《细胞生物学杂志》上，被选为研究亮点和封面论文，并被国际医学和生物论文评价系统“Faculty of 1000”选为“必读”论文，《科学》杂志子刊《科学·信号传导》撰文予以重点介绍。

世界最大激光快速制造装备问世

华中科技大学史玉升科研团队研制成功工业级的1.2米×1.2米、基于粉末床的激光烧结快速制造装备，这是世界上最大成形空间的此类装备，超过德国和美国的同类产品，使我国在快速制造领域达到世界领先水平。已有200多家国内外用户购买和使用这项技术及装备。我国一些铸造企业应用该技术后，将复杂铸件的交货期由传统的3个月左右缩短到10天左右。该技术被欧洲空客公司等单位选中，用于辅助航空航天大型钛合金整体结构件的快速制造。

首座快堆成功实现并网发电

由中国核工业集团公司组织，中国原子能科学研究院具体实施，我国第一个由快中子引起核裂变反应的中国实验快堆2011年7月21日10时成功实现并网发电，标志着我国在占领核能技术制高点，建立可持续发展的先进核能系统上跨出了重要的一步。该堆采用先进的池式结构，核热功率65兆瓦，实验发电功率20兆瓦，是目前世界上为数不多的大功率、具备发电功能的实验快堆，其主要系统设置和参数选择与大型快堆电站相同。

中国首座超深水钻井平台在上海交付

中国船舶工业集团公司上海外高桥造船有限公司为中国海洋石油总公司建造的“海洋石油981”3000米超深水半潜式钻井平台，2011年5月23日在上海命名交付。这座钻井平台是当今世界最先进的第六代超深水半潜式钻井装备，是中国实施南海深水海洋石油开发战略的重点配套项目。该钻井平台投资额60亿元，将用于南海深水油田的勘探钻井、生产钻井、完井和修井作业，最大作业水深3000米，最大钻井深度12000米，总长约114米，宽90米，高137.8米。平台配置了目前世界上最先进的DP3动力定位系统和卫星导航系统。

中国深部探测专项开启地学新时代

深部探测技术与实验研究专项集中了国内118个机构、1000多位科学家和技术专家联合攻关，取得了一系列重大发现。该专项计划实现覆盖大陆的大地电磁探测阵列网。同时，初步建立起适应中国大陆地质地貌条件的深部精细结构探测技术体系，并按照国际标准建立了一个覆盖全国的地球化学基准网，在国际上首次建立了一套81个指标（含78种元素）的地壳全元素精确分析系统。我国首台自主研发和生产的1万米超深科学钻探装备2011年12月20日在成都竣工出厂，标志着深部探测专项取得又一个里程碑式进展。

统稿：本刊编辑姜莹

book=26,ebook=13