近年来国内外重大科技新进展

游清治

（新疆有色金属工业集团公司 乌鲁木齐 830000）

20世纪是科学的世纪，21世纪是高科技的世纪。科学技术和人类的生存和发展息息相关。现代科学技术已经成为人类认识世界和改造世界的重要手段，成为我们在自然界和社会领域争取自由的有力武装。

现代国际间的竞争是综合国力的竞争，关键是科学技术的竞争。要善于抓住机遇，加快发展，以实现十八大确定的建设中国特色社会主义的宏伟目标和实现中华民族百年复兴的伟大强国梦，科学技术是有力的保证和重要的依靠力量。因此，自觉学好科学技术，大力发展科学技术，应成为我们的一项紧迫的任务。高能物理研究所、东南大学……等8单位，台湾的中央大学、中央研究院、中山科学研究院等4个单位，中国共14个单位参加了这项试验。

中国科学家和技术人员，发挥了非常重要的作用。

⑵中国在AMS项目中的最大贡献，是制造了阿尔法磁谱仪的设备—巨大永磁铁。早在20世纪60年代，科学家就希望能将大型磁谱仪送入太空，但一直无法造出无漏磁、无二极磁矩的大型磁体，并且要符合美国宇航局严格的安全要求，这是AMS项目的最大挑战之一。一次偶然的机会，丁肇中在美国的一份文献中看到了中国科学院电工研究所的论文，发现中国能制造这种特殊的磁铁，他把这一方案带回美国，取得一致肯定后，与中国签署了合作协议。中科院电工所的设计非常巧妙，称为“魔环设计”与其他国家的方案相比，这个方案具有重量轻、无漏磁、无二磁矩及磁场均匀等优点。

1995年至1997年中科院高能物理研究所，根据“魔环”构想，将其设计出来，中国运载火箭研究院，负责主要结构的制造，并作了多次模拟空间站环境试验，完全达到了美国宇航局的严格安全要求。此外，磁谱仪整体散热系统，轨迹控制器热控系统、地面模拟系统、电磁量能器结构和地面总装支撑设备的设计研制也分别由中国山东大学、中山大学、大东大学和中科院高能物理研究所独立或参与完成。中国科学家还参与实验数据的分析和物理研究。

⑶AMS实验概况。AMS在国际空间站运行至今，已观测超过300亿个宇宙射线，最高能量达数万亿电子伏特，每年记录约160亿个宇宙射线信号，并传送到地面，由AMS项目组分析。至2012年12月10日，分析了250亿个初级宇宙射线，确认了其中的680万个电子及正电子。实验结果已比较接近暗物质了。

1.1.3 在地球深层搜寻暗物质-中国志在这一领域跻身世界前列

1.1.3.1 概述

1 认识世界-基础理论研究前沿

1.1 探索暗物质的实验

1.1.1 概述

早在20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz·Zwick）通过观测星系时，发现星系的运行速度异常地高，通过计算，估算出星系团的总质量，是可见物质质量的100倍，即在该星系团中99%以上的质量是看不见的，只能通过引力感觉到它的存在。他将其称为“暗物质”。后来越来越多的观测都间接证实了暗物质的存在。

1.1.2 近年来研究暗物质存在的进展

1.1.2.1 阿尔法磁谱仪探寻暗物质的实验

2013年4月3日，诺贝尔物理学奖得主，美藉华裔科学家丁肇中教授在欧洲核子中心（CERN）公布了阿尔法磁谱仪（AMS）在国际空间站上的首批实验结果。从2011年5月至2012年12月，在宇宙射线流中，观察正电子超出40万，这一实验结果符合在宇宙中的暗物质粒子在碰撞湮灭时产生正电子的理论。在人类认识暗物质的道路上迈出了重要的一步，但还不能排除其它可能，还将进一步进行实验。

⑴ 实验团队概况和中国的贡献。AMS团队来自16个国家和地区的56个单位，500多科学家参加。其中我国北京航空航天大学、山东大学、中科院

为避免宇宙射线的干扰，科学家在地下1000多米深处，设置液态氙陷井，以捕捉暗物质粒子，这种粒子与氙相碰时会发光。

地下氙实验室都利用岩石地层来屏蔽宇宙射线，并采用大型液态氙储罐。

1.1.3.2 世界上现有4处地下氙实验装置

（1）美国南科他州霍姆斯特科矿；（2）意大利格朗萨索山；（3）中国锦屏山；（4）日本神冈天文台。

1.1.3.3 中国的地下氙实验项目（PandaX）

实验装置安装在四川省锦屏山的大理岩山脉下，深2500m，是世界上最深的。装一个25kg的氙储罐，并计划2016年将氙扩大到1t。表明中国的实验比其他国家实验做得更好。中国志在做出世界一流的暗物质的研究。

经两年建设，2011年开始使用，因液态氙要从国外进口，因交货延迟，影响了实验的进行，实验结果有待今后报导。

1.2 神秘的暗能量-宇宙的主宰

1.2.1 让学者又恼又迷的宇宙最大谜题，它神秘莫测，但决定宇宙的未来

美国天文学家埃德温·哈勃（1889～1953）在1929年的论文中指出，遥远的星系以非常高的速度远离我们退行，而且退行的速度与地球到星系的距离大致成正比。一个合理的解释是宇宙在膨胀。

⑴完全超出人们的想象的观测结果是：宇宙的膨胀是“加速”的，这是天文学认真观测的事实，就是“暗能量”。

⑵两个研究小组的结果一致地表明“宇宙在加速膨胀”。

⑶超新星之外的其他观测也揭示了暗能量的存在。

各种观测事实，都是间接的，都还不能成为暗能量存在的决定性证据，但是把所有这些证据综合起来，引入暗能量是最为“简单”的办法。

1.2.2 暗能量的性质

1.2.2.1 斥力

宇宙加速膨胀是受到了斥力的影响。就是暗能量具有反抗引力性质，也就是具有与相互吸引相对立的反向排斥（斥力）的性质。

1.2.2.2 密度不变

无论宇宙怎么膨胀，奇妙的暗能量的密度也不会被摊薄。

随着宇宙的膨胀，通常物质或暗物质会相应变稀薄。但暗能量的密度不会改变，所谓暗能量是空间（真空）本身所携有的能量，所以无论膨胀到多大，依然保持有同样的暗能量密度。随着宇宙膨胀，暗能量所占比例也不断增加。

1.2.2.3 空间本身携带的能量是有力的候选者

所谓真空，一般是指其中什么也不存在的一部分空间。话虽如此，即使把所有的物质和暗物质都去除掉这空间也不会完全变成“空”的。

按量子论的观点，能量不是一个定值。这意味着，即使把所有物质去掉后，空间中存在的能量也不是一个为零的定值。

1.2.3 暗能量掌握着宇宙的命运

暗能量是我们了解宇宙的关键因素，也是决定宇宙未来的重要因素。

假如暗能量的密度会随时间发生变化的话，宇宙未来的形态也会因而发生巨大的变化。

⑴如果暗能量的密度变小时，宇宙可以从膨胀转入收缩，宇宙的最终命运，可能压缩到一个点（大挤压）。

⑵密度增加的情况下，宇宙会被撕裂，使宇宙中的物质，都以基本粒子的形态散落在空间。

现在观测并没有发现暗能量密度变化的证据。

2 改选世界-重大应用科技成果

2.1 我国科学家首次实现量子反常霍尔效应

新华社4月10日电，清华大学和中国科学院物理研究所，以薛其坤院士为首的联合团队，在国际上首次从实验中观测到“量子反常霍尔效应”。这项实验被著名物理学家杨振宁教授誉为“诺贝尔奖级”科研成果。相关论文已于2013年3月4日在美国《科学》杂志在线发表。

2.1.1 研究的难度和我国的创新

从1988年开始，各国不断有理论物理学家提出各种方案，但在实验中没有取得任何进展。

2006年美国斯坦福大学，现清华大学教授张首晟教授领导的理论组成功地预言了二级拓朴绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并在2008年提出了在拓扑绝缘体中引入磁性实现量子反常霍尔效应的可能性。2010年中科院物理所万忠、戴希研究员等，与张首晟合作，预言了Cr或Fe掺杂的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3族三维拓扑绝缘体薄膜是实现量子霍尔效应的最佳体系。

薛其坤院士的团队，在2009年至2012年10月，经过4年的研究生长测量了1000多个样品，利用分子束外延法，生长出高质量，Cr掺杂（Bi、Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温度输送测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这项实验难度极大，达到三方面严格的要求。课题组比喻为：这好比要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输送测量等多道难关，一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构，长程铁磁序以及能带拓拓结构的精密调控，为量子反常霍尔效应的实现画了上了圆满的句号。

2.1.2 成果的重大意义

在成果发布会上，诺贝尔物理奖得主，清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授，高度评价了这项重大成果，称为诺贝尔奖级成果。

量子霍尔效应的研究已三次获得诺贝尔奖。

2.1.3 国外的评价

实验成果出来后，张首晟接到国外科学家的邮件，写道：拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学王冠上的明珠。

《科学》杂志的一位审稿人说：这项工作，毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在，我认为这是凝聚在物理学一项非常重要的成就。

另一位审稿人说：这篇论文结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探索，这是里程碑式的文章。

2.1.4 成果的应用前景

我们使用计算机时会遇到计算机发热，能量损耗，速度变慢等问题，这是因为常态下，芯片中的电子运动，没有特定的轨道，相互碰撞而发生能量损耗，量子霍尔效应可以对电子运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上前进。量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算机、量子信息存贮方面具有巨大的应用潜力。然而目前产生量子霍尔效应的电子器件的体积比较大，成本较高，不能安装到个人电脑和便携式计算机中。而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，可由材料的自发磁化来获得磁场。课题组找到的磁性拓扑绝缘体薄膜，有可能带动新一代低能耗晶体管和电子器件的发展，将来计算机的体积，大大缩小，即使千亿次的超级计算机也有望做成现在的平板电脑那么大。

2.2 诱导多功能干细胞（ips细胞）和再生医学

2.2.1 概述

2006年8月，日本京都大学教授山中伸弥（简称山中）博士等人发布的“ips细胞”研究成果，震动了整个世界。这意味着人类可以用简单的方法培育出与俗称全能细胞的“ES”细胞（胚胎干细胞）拥有相似能力，又拥有几乎可以转变成所有细胞的能力。

2.2.2 ips细胞的研究，两条腿走路，兼顾“基础”与应用

2007年11月，人体的ips细胞产生了。对ips细胞的研究，已经成为了日本和美国的国家项目。2009年，日本文部科学省制定了“ips细胞研究规划”，而美国投入的予算资金大约是日本的10倍（每年超过25亿美元），发表的论文数量也在不断增加。

2.2.2.1 基础研究-研究ips细胞的性质

主要关注“对什么样的细胞”“用什么样的方法”产生的细胞接近ES细胞的程度等问题。最初ips细胞是通过向皮肤细胞注入4种基因而产生的，现在人们已经有了多种选择。研究人员发现不同细胞培育出来的ips细胞所拥用的能力也有差异，在考虑应用时，必须使ips细胞的品质均一化，并确认其安全性。

目前已发现的干细胞超过了25种，包括神经干细胞（包括可以分化为脑和脊髓的各种神经细胞），造血干细胞（可以分化为血液中各种血细胞及免疫细胞等）。

2.2.2.2 ips细胞的大课题：“癌化”的风险

最初诱导ips细胞是用无毒化的病毒，向皮肤或纤维细胞核内的DNA中注入4种短小的DNA片段，这样就会产生以注入的DNA为设计图的蛋白质。这些蛋白质与DNA结合，影响其他基因的活动，促进细胞的初始化。继续培育2～5个月，就可得到ips细胞。论文发表后，人们发现这种方法有癌化的风险，现在他们正在寻求更多的改良方法。

日本庆应义塾大学医学部福田惠一博士等人开发的全新方法没有癌化的风险。

福田博士培育ips细胞，用的不是皮肤细胞而是血液中的T细胞，简单抽血就可以得到。只用0.1毫升就可以了。现在培育ips细胞已经有多种多样的方法。

2.2.2.3 在特定情况下，直接转换也可用于治疗

2011年6月铃木博士的团队向白鼠的皮肤细胞中注入两种基因，将其成功地转换为肝细胞。

ips细胞不仅开辟了通向新医学的大道，也振动了细胞直接转换的基础科学研究。

2.2.3 ips的应用研究——走向应用化的ips细胞

ips细胞被称为“终极干细胞”，正向临床试验稳步前进。医疗以外的应用也不断推进。可以用任何人的细胞培育，拥有似乎无限增殖与转变为任何种类细胞的能力。Ips细胞正促进医学发生着巨大的变化，人们所梦想的再生医疗，也终于有了可以实现的希望。此外它还可以用来研究某些病因或开发药物。

我们看一下ips细胞研究的领军人物

（1）山中伸弥博士，ips细胞之父，在日本京都大学ips细胞研究所（CiRA）任所长。主要研究的是疾病研究与制药应用。

（2）高桥政代博士，致力于老年黄斑变性研究，用ips细胞再造视网膜，计划在2013年做临床试验。

（3）冈野荣之博士，致力于通过ips细胞治疗脊髓损伤以及利用ips细胞培育人的生殖细胞。

2.2.3.1 应用之一—修补组织及内脏器官

即将迎来首次临床试验的视网膜再生医疗，这是日本理化研究所发育/再生科学综合研究中心的高桥政代博士小组目前正在进行的研究，为了在今年（2013年）开始首次临床试验，对老年性黄斑变性治疗，进行了两年的研究和准备工作。这次试验计划使用6名重症患者，用患者的细胞培育出ips细胞，再用ips细胞再生视网膜，并移植到患者眼内，予计至少可从失明恢复到0.1左右的视力，取决于病情的发展情况。

2.2.3.2 对脊髓损伤的治疗研究正稳步进行

为了在2016～2017年间进行临床试验，日本庆应义塾大学医学部的冈野荣之博士的研究组一直持续在作相关研究。2011年他们小组使用由人类ips细胞培育出来的神经干细胞，成功地治疗了老鼠的脊髓损伤，对猴子的试验性治疗也获得了成功。

2.2.4 应用之二—探索疑难病的病因

如探索“阿尔茨海默病（老年痴呆）”的病因及“长寿者的延长”。

重视予防的“主动医疗”是未来的趋势。

2.2.5 应用之三—开发新药

包括用ips细胞制作新药，和改善当前新药开发状况。

2.2.6 应用之四

可以新做内脏器官。

2.2.7 应用之五保护濒危物种。

3 我国ips细胞研究进展和有关主张

3.1 我国ips细胞与免疫学研究概况

早在2007年至2010年，我国青年科学家赵同标在美国加州大学圣地亚哥分校徐洋实验室做博士后时，就领队致力于ips细胞的非整合重编程技术的探索。他的团队是世界上最早建立非整合重编程技术的研究小组之一，并借助这项技术率先开展了ips细胞免疫学相关研究，取得了一系列重大科研成果。他们的成果发表在《自然》杂志上，引起了国际同行专家的广泛关注，国外许多实验室纷纷投入到这个领域的研究中。

2012年6月赵同标入选中组部第三批“千人（顶尖）人才引进计划”。回国后，赵同标带领实验室科研人员及研究生（他兼任中国科技大博导）围绕ips细胞的重编程、自我更新和发育分化等重要科学问题，致力于ips细胞的基础研究和临床应用研究。2012年赵同标荣获我国“青年科学家之星”奖。他现在中国科学院动物研究所计划生育生殖生物学国家实验室干细胞与免疫学研究组任组长。

3.2 组装生命—合成生物学

3.2.1 概述

合成生物学是生命科学之一，最早出现于1911年，真正发展为一门科学是2000年。

随着分子生物学、系统生物学、生物信息学的发展，人类对生命的理解更加深入，对细胞和分子的结构和功能细节的了解开始变得越来越清晰，在细胞和分子水平的生物操作，越来越得心应手。

就像我们组装收音机，甚致电视机和电脑那样，合成生物学研究的是用生命元件来组装新的生命。

3.2.2 操作方式有两种

3.2.2.1 自上而下法

对现有基因进行更改、去掉、替换或添加新的基因序列，是在生命系统上的操作。

3.2.2.2 自下而上法

对无生命原料的组分进行操作，来重建生命系统。

3.2.3 组装生命的目的

希望能设计出自然界不存在的，有予期功能的生命系统。这是生命科学与工程学的交叉。工程师们将设备零件换成遗传材料，按合成的理念，根据技术前景，重新进行组装。基因工程是“读DNA”，如克隆或测序，而合成生物学是“写DNA”。

3.2.4 成功的范例

3.2.4.1 生产青蒿素

青蒿素是我国首先发现的抗疟疾良药，它挽救了全世界百万人的生命，在世界医学界占有重要地位。其发现者是中国中医研究院（现中国中医科学院）的屠呦呦，因此获得了2011年度拉斯克临床医学奖。青蒿素一般是通过植物来提取，但产量很低，成本也高。

美国加州大学伯克利分校的科斯林教授，采用合成生物学的方法成功地制造出青蒿素。这一工作完美的展现了合成生物学的魅力，通过人类的操作，成功地解决了来自大砀杆菌、酵母、青蒿多种基因及其代谢途径的组装与精密调控工作；同时，优化发酵工艺，可以进一步提高产量。科斯林对前景非常乐观。他认为，用大约10万升的发酵槽来生产酵母，产生青蒿素，一直运作下去，就可以为全世界生产出足够的青蒿素。

3.2.4.2 绿毒杆菌的牛刀小试

新加坡南洋理工学院的科学家制造了新型的自爆细菌。绿脓杆菌是一种常见的致病菌。能够借助“群体感应”来识别同类菌体。它们通过一些特殊的化学信号进行交流，彼此感知周围的变化，以及是否有同类大量聚集。科学家瞄准了这一特性，对大肠杆菌进行基因改造。第一步将感知绿脓杆菌信号的基因导入大肠杆菌中，第二步给大肠杆菌配备“武器”让它能生成绿脓杆菌素（这原本是绿脓杆菌产生的毒素）用于抑制同类细菌的大量生长。第三步，当经过改造的大肠杆菌“潜伏”到大批绿脓杆菌群体之后，科学家事先安置在大肠杆菌中的“自杀基因”就将启动，将大量绿脓杆菌素释放出来，杀死周围的绿脓杆菌。

实验验证：这种自爆细菌能杀灭99%的绿脓杆菌。今天科学家对一些顽固的耐药菌几乎无计可施时，类似的研究似乎能带来新的启示。

3.2.4.3 改变能源困境

合成生物的又一个重要应用领域在能源领域。《自然》杂志报导，美国能源部联合生物能源研究所（JBEJ）使用合成生物学方法，改造了大肠杆菌和一个酿酒酵母的菌株，使之可以生产没药烯，没药烯作为燃料，有很多优点，它不仅具有与D2生物柴油几乎相同的属性，它的冻结点和浊点更低，以往没药烯的生产原料主要来源于植物，被认为具有替代汽油、柴油和航空煤油的潜力。现在修改细菌，使其直接大规模制造高级生物燃料，已经成为更方便、且性价比最高的方法。

3.2.5 希望与争议并存

我国于2011年在“973”计划中启动了合成生物学项目，中国科学院院士张春霆研究员评价合成生物学时说：合成生物学的各种成就，可能在不远的未来，解决很多目前人类难以解决的问题，比如在生命、医药、环保、能源等很多领域，合成生物学都有用武之地。比起当前的转基因、基因工程等技术，合成生物学的研究更前卫，代表了下一代生物技术。

当然，在人类改造生命的过程中，也存在很多不确定的因素，甚至是风险。主要集中在伦理和生化安全等问题上。一部分学者担心，这些本来不属于自然界的生命和相关技术，万一从实验室泄露出来，就有可能释放出大量有害基因，到那时，人类或许会很难应付。

但从长远看，“人造生命”是必然的发展趋势，我们不应该也不能阻止科学的发展，但应该对科学研究予以规范，让科技真正给人类带来进步和发展。