近年來國內外重大科技新進展

游清治

（新疆有色金屬工業集團公司 烏魯木齊 830000）

20世紀是科學的世紀，21世紀是高科技的世紀。科學技術和人類的生存和發展息息相關。現代科學技術已經成為人類認識世界和改造世界的重要手段，成為我們在自然界和社會領域爭取自由的有力武裝。

現代國際間的競爭是綜合國力的競爭，關鍵是科學技術的競爭。要善于抓住機遇，加快發展，以實現十八大確定的建設中國特色社會主義的宏偉目標和實現中華民族百年復興的偉大強國夢，科學技術是有力的保證和重要的依靠力量。因此，自覺學好科學技術，大力發展科學技術，應成為我們的一項緊迫的任務。高能物理研究所、東南大學……等8單位，臺灣的中央大學、中央研究院、中山科學研究院等4個單位，中國共14個單位參加了這項試驗。

中國科學家和技術人員，發揮了非常重要的作用。

⑵中國在AMS項目中的最大貢獻，是制造了阿爾法磁譜儀的設備—巨大永磁鐵。早在20世紀60年代，科學家就希望能將大型磁譜儀送入太空，但一直無法造出無漏磁、無二極磁矩的大型磁體，并且要符合美國宇航局嚴格的安全要求，這是AMS項目的最大挑戰之一。一次偶然的機會，丁肇中在美國的一份文獻中看到了中國科學院電工研究所的論文，發現中國能制造這種特殊的磁鐵，他把這一方案帶回美國，取得一致肯定后，與中國簽署了合作協議。中科院電工所的設計非常巧妙，稱為“魔環設計”與其他國家的方案相比，這個方案具有重量輕、無漏磁、無二磁矩及磁場均勻等優點。

1995年至1997年中科院高能物理研究所，根據“魔環”構想，將其設計出來，中國運載火箭研究院，負責主要結構的制造，并作了多次模擬空間站環境試驗，完全達到了美國宇航局的嚴格安全要求。此外，磁譜儀整體散熱系統，軌跡控制器熱控系統、地面模擬系統、電磁量能器結構和地面總裝支撐設備的設計研制也分別由中國山東大學、中山大學、大東大學和中科院高能物理研究所獨立或參與完成。中國科學家還參與實驗數據的分析和物理研究。

⑶AMS實驗概況。AMS在國際空間站運行至今，已觀測超過300億個宇宙射線，最高能量達數萬億電子伏特，每年記錄約160億個宇宙射線信號，并傳送到地面，由AMS項目組分析。至2012年12月10日，分析了250億個初級宇宙射線，確認了其中的680萬個電子及正電子。實驗結果已比較接近暗物質了。

1.1.3 在地球深層搜尋暗物質-中國志在這一領域躋身世界前列

1.1.3.1 概述

1 認識世界-基礎理論研究前沿

1.1 探索暗物質的實驗

1.1.1 概述

早在20世紀30年代，瑞士天文學家弗里茨·茲威基（Fritz·Zwick）通過觀測星系時，發現星系的運行速度異常地高，通過計算，估算出星系團的總質量，是可見物質質量的100倍，即在該星系團中99%以上的質量是看不見的，只能通過引力感覺到它的存在。他將其稱為“暗物質”。后來越來越多的觀測都間接證實了暗物質的存在。

1.1.2 近年來研究暗物質存在的進展

1.1.2.1 阿爾法磁譜儀探尋暗物質的實驗

2013年4月3日，諾貝爾物理學獎得主，美藉華裔科學家丁肇中教授在歐洲核子中心（CERN）公布了阿爾法磁譜儀（AMS）在國際空間站上的首批實驗結果。從2011年5月至2012年12月，在宇宙射線流中，觀察正電子超出40萬，這一實驗結果符合在宇宙中的暗物質粒子在碰撞湮滅時產生正電子的理論。在人類認識暗物質的道路上邁出了重要的一步，但還不能排除其它可能，還將進一步進行實驗。

⑴ 實驗團隊概況和中國的貢獻。AMS團隊來自16個國家和地區的56個單位，500多科學家參加。其中我國北京航空航天大學、山東大學、中科院

為避免宇宙射線的干擾，科學家在地下1000多米深處，設置液態氙陷井，以捕捉暗物質粒子，這種粒子與氙相碰時會發光。

地下氙實驗室都利用巖石地層來屏蔽宇宙射線，并采用大型液態氙儲罐。

1.1.3.2 世界上現有4處地下氙實驗裝置

（1）美國南科他州霍姆斯特科礦；（2）意大利格朗薩索山；（3）中國錦屏山；（4）日本神岡天文臺。

1.1.3.3 中國的地下氙實驗項目（PandaX）

實驗裝置安裝在四川省錦屏山的大理巖山脈下，深2500m，是世界上最深的。裝一個25kg的氙儲罐，并計劃2016年將氙擴大到1t。表明中國的實驗比其他國家實驗做得更好。中國志在做出世界一流的暗物質的研究。

經兩年建設，2011年開始使用，因液態氙要從國外進口，因交貨延遲，影響了實驗的進行，實驗結果有待今后報導。

1.2 神秘的暗能量-宇宙的主宰

1.2.1 讓學者又惱又迷的宇宙最大謎題，它神秘莫測，但決定宇宙的未來

美國天文學家埃德溫·哈勃（1889～1953）在1929年的論文中指出，遙遠的星系以非常高的速度遠離我們退行，而且退行的速度與地球到星系的距離大致成正比。一個合理的解釋是宇宙在膨脹。

⑴完全超出人們的想象的觀測結果是：宇宙的膨脹是“加速”的，這是天文學認真觀測的事實，就是“暗能量”。

⑵兩個研究小組的結果一致地表明“宇宙在加速膨脹”。

⑶超新星之外的其他觀測也揭示了暗能量的存在。

各種觀測事實，都是間接的，都還不能成為暗能量存在的決定性證據，但是把所有這些證據綜合起來，引入暗能量是最為“簡單”的辦法。

1.2.2 暗能量的性質

1.2.2.1 斥力

宇宙加速膨脹是受到了斥力的影響。就是暗能量具有反抗引力性質，也就是具有與相互吸引相對立的反向排斥（斥力）的性質。

1.2.2.2 密度不變

無論宇宙怎么膨脹，奇妙的暗能量的密度也不會被攤薄。

隨著宇宙的膨脹，通常物質或暗物質會相應變稀薄。但暗能量的密度不會改變，所謂暗能量是空間（真空）本身所攜有的能量，所以無論膨脹到多大，依然保持有同樣的暗能量密度。隨著宇宙膨脹，暗能量所占比例也不斷增加。

1.2.2.3 空間本身攜帶的能量是有力的候選者

所謂真空，一般是指其中什么也不存在的一部分空間。話雖如此，即使把所有的物質和暗物質都去除掉這空間也不會完全變成“空”的。

按量子論的觀點，能量不是一個定值。這意味著，即使把所有物質去掉后，空間中存在的能量也不是一個為零的定值。

1.2.3 暗能量掌握著宇宙的命運

暗能量是我們了解宇宙的關鍵因素，也是決定宇宙未來的重要因素。

假如暗能量的密度會隨時間發生變化的話，宇宙未來的形態也會因而發生巨大的變化。

⑴如果暗能量的密度變小時，宇宙可以從膨脹轉入收縮，宇宙的最終命運，可能壓縮到一個點（大擠壓）。

⑵密度增加的情況下，宇宙會被撕裂，使宇宙中的物質，都以基本粒子的形態散落在空間。

現在觀測并沒有發現暗能量密度變化的證據。

2 改選世界-重大應用科技成果

2.1 我國科學家首次實現量子反?；魻栃?/h3>

新華社4月10日電，清華大學和中國科學院物理研究所，以薛其坤院士為首的聯合團隊，在國際上首次從實驗中觀測到“量子反?；魻栃薄＿@項實驗被著名物理學家楊振寧教授譽為“諾貝爾獎級”科研成果。相關論文已于2013年3月4日在美國《科學》雜志在線發表。

2.1.1 研究的難度和我國的創新

從1988年開始，各國不斷有理論物理學家提出各種方案，但在實驗中沒有取得任何進展。

2006年美國斯坦福大學，現清華大學教授張首晟教授領導的理論組成功地預言了二級拓樸絕緣體中的量子自旋霍爾效應，并在2008年提出了在拓撲絕緣體中引入磁性實現量子反常霍爾效應的可能性。2010年中科院物理所萬忠、戴希研究員等，與張首晟合作，預言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓撲絕緣體薄膜是實現量子霍爾效應的最佳體系。

薛其坤院士的團隊，在2009年至2012年10月，經過4年的研究生長測量了1000多個樣品，利用分子束外延法，生長出高質量，Cr摻雜（Bi、Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫度輸送測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。這項實驗難度極大，達到三方面嚴格的要求。課題組比喻為：這好比要求一個運動員同時具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。課題組克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸送測量等多道難關，一步步實現了對拓撲絕緣體的電子結構，長程鐵磁序以及能帶拓拓結構的精密調控，為量子反常霍爾效應的實現畫了上了圓滿的句號。

2.1.2 成果的重大意義

在成果發布會上，諾貝爾物理獎得主，清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授，高度評價了這項重大成果，稱為諾貝爾獎級成果。

量子霍爾效應的研究已三次獲得諾貝爾獎。

2.1.3 國外的評價

實驗成果出來后，張首晟接到國外科學家的郵件，寫道：拓撲絕緣體和量子反?；魻栃强茖W王冠上的明珠。

《科學》雜志的一位審稿人說：這項工作，毫無疑問地證實了與普通量子霍爾效應不同來源的單通道邊緣態的存在，我認為這是凝聚在物理學一項非常重要的成就。

另一位審稿人說：這篇論文結束了多年來對無朗道能級的量子霍爾效應的探索，這是里程碑式的文章。

2.1.4 成果的應用前景

我們使用計算機時會遇到計算機發熱，能量損耗，速度變慢等問題，這是因為常態下，芯片中的電子運動，沒有特定的軌道，相互碰撞而發生能量損耗，量子霍爾效應可以對電子運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上前進。量子霍爾效應能解決電子碰撞發熱的問題，因而在未來的量子計算機、量子信息存貯方面具有巨大的應用潛力。然而目前產生量子霍爾效應的電子器件的體積比較大，成本較高，不能安裝到個人電腦和便攜式計算機中。而量子反?；魻栃拿烂钪幨遣恍枰魏瓮饧哟艌觯捎刹牧系淖园l磁化來獲得磁場。課題組找到的磁性拓撲絕緣體薄膜，有可能帶動新一代低能耗晶體管和電子器件的發展，將來計算機的體積，大大縮小，即使千億次的超級計算機也有望做成現在的平板電腦那么大。

2.2 誘導多功能干細胞（ips細胞）和再生醫學

2.2.1 概述

2006年8月，日本京都大學教授山中伸彌（簡稱山中）博士等人發布的“ips細胞”研究成果，震動了整個世界。這意味著人類可以用簡單的方法培育出與俗稱全能細胞的“ES”細胞（胚胎干細胞）擁有相似能力，又擁有幾乎可以轉變成所有細胞的能力。

2.2.2 ips細胞的研究，兩條腿走路，兼顧“基礎”與應用

2007年11月，人體的ips細胞產生了。對ips細胞的研究，已經成為了日本和美國的國家項目。2009年，日本文部科學省制定了“ips細胞研究規劃”，而美國投入的予算資金大約是日本的10倍（每年超過25億美元），發表的論文數量也在不斷增加。

2.2.2.1 基礎研究-研究ips細胞的性質

主要關注“對什么樣的細胞”“用什么樣的方法”產生的細胞接近ES細胞的程度等問題。最初ips細胞是通過向皮膚細胞注入4種基因而產生的，現在人們已經有了多種選擇。研究人員發現不同細胞培育出來的ips細胞所擁用的能力也有差異，在考慮應用時，必須使ips細胞的品質均一化，并確認其安全性。

目前已發現的干細胞超過了25種，包括神經干細胞（包括可以分化為腦和脊髓的各種神經細胞），造血干細胞（可以分化為血液中各種血細胞及免疫細胞等）。

2.2.2.2 ips細胞的大課題：“癌化”的風險

最初誘導ips細胞是用無毒化的病毒，向皮膚或纖維細胞核內的DNA中注入4種短小的DNA片段，這樣就會產生以注入的DNA為設計圖的蛋白質。這些蛋白質與DNA結合，影響其他基因的活動，促進細胞的初始化。繼續培育2～5個月，就可得到ips細胞。論文發表后，人們發現這種方法有癌化的風險，現在他們正在尋求更多的改良方法。

日本慶應義塾大學醫學部福田惠一博士等人開發的全新方法沒有癌化的風險。

福田博士培育ips細胞，用的不是皮膚細胞而是血液中的T細胞，簡單抽血就可以得到。只用0.1毫升就可以了?，F在培育ips細胞已經有多種多樣的方法。

2.2.2.3 在特定情況下，直接轉換也可用于治療

2011年6月鈴木博士的團隊向白鼠的皮膚細胞中注入兩種基因，將其成功地轉換為肝細胞。

ips細胞不僅開辟了通向新醫學的大道，也振動了細胞直接轉換的基礎科學研究。

2.2.3 ips的應用研究——走向應用化的ips細胞

ips細胞被稱為“終極干細胞”，正向臨床試驗穩步前進。醫療以外的應用也不斷推進?？梢杂萌魏稳说募毎嘤?，擁有似乎無限增殖與轉變為任何種類細胞的能力。Ips細胞正促進醫學發生著巨大的變化，人們所夢想的再生醫療，也終于有了可以實現的希望。此外它還可以用來研究某些病因或開發藥物。

我們看一下ips細胞研究的領軍人物

（1）山中伸彌博士，ips細胞之父，在日本京都大學ips細胞研究所（CiRA）任所長。主要研究的是疾病研究與制藥應用。

（2）高橋政代博士，致力于老年黃斑變性研究，用ips細胞再造視網膜，計劃在2013年做臨床試驗。

（3）岡野榮之博士，致力于通過ips細胞治療脊髓損傷以及利用ips細胞培育人的生殖細胞。

2.2.3.1 應用之一—修補組織及內臟器官

即將迎來首次臨床試驗的視網膜再生醫療，這是日本理化研究所發育/再生科學綜合研究中心的高橋政代博士小組目前正在進行的研究，為了在今年（2013年）開始首次臨床試驗，對老年性黃斑變性治療，進行了兩年的研究和準備工作。這次試驗計劃使用6名重癥患者，用患者的細胞培育出ips細胞，再用ips細胞再生視網膜，并移植到患者眼內，予計至少可從失明恢復到0.1左右的視力，取決于病情的發展情況。

2.2.3.2 對脊髓損傷的治療研究正穩步進行

為了在2016～2017年間進行臨床試驗，日本慶應義塾大學醫學部的岡野榮之博士的研究組一直持續在作相關研究。2011年他們小組使用由人類ips細胞培育出來的神經干細胞，成功地治療了老鼠的脊髓損傷，對猴子的試驗性治療也獲得了成功。

2.2.4 應用之二—探索疑難病的病因

如探索“阿爾茨海默病（老年癡呆）”的病因及“長壽者的延長”。

重視予防的“主動醫療”是未來的趨勢。

2.2.5 應用之三—開發新藥

包括用ips細胞制作新藥，和改善當前新藥開發狀況。

2.2.6 應用之四

可以新做內臟器官。

2.2.7 應用之五保護瀕危物種。

3 我國ips細胞研究進展和有關主張

3.1 我國ips細胞與免疫學研究概況

早在2007年至2010年，我國青年科學家趙同標在美國加州大學圣地亞哥分校徐洋實驗室做博士后時，就領隊致力于ips細胞的非整合重編程技術的探索。他的團隊是世界上最早建立非整合重編程技術的研究小組之一，并借助這項技術率先開展了ips細胞免疫學相關研究，取得了一系列重大科研成果。他們的成果發表在《自然》雜志上，引起了國際同行專家的廣泛關注，國外許多實驗室紛紛投入到這個領域的研究中。

2012年6月趙同標入選中組部第三批“千人（頂尖）人才引進計劃”?；貒?，趙同標帶領實驗室科研人員及研究生（他兼任中國科技大博導）圍繞ips細胞的重編程、自我更新和發育分化等重要科學問題，致力于ips細胞的基礎研究和臨床應用研究。2012年趙同標榮獲我國“青年科學家之星”獎。他現在中國科學院動物研究所計劃生育生殖生物學國家實驗室干細胞與免疫學研究組任組長。

3.2 組裝生命—合成生物學

3.2.1 概述

合成生物學是生命科學之一，最早出現于1911年，真正發展為一門科學是2000年。

隨著分子生物學、系統生物學、生物信息學的發展，人類對生命的理解更加深入，對細胞和分子的結構和功能細節的了解開始變得越來越清晰，在細胞和分子水平的生物操作，越來越得心應手。

就像我們組裝收音機，甚致電視機和電腦那樣，合成生物學研究的是用生命元件來組裝新的生命。

3.2.2 操作方式有兩種

3.2.2.1 自上而下法

對現有基因進行更改、去掉、替換或添加新的基因序列，是在生命系統上的操作。

3.2.2.2 自下而上法

對無生命原料的組分進行操作，來重建生命系統。

3.2.3 組裝生命的目的

希望能設計出自然界不存在的，有予期功能的生命系統。這是生命科學與工程學的交叉。工程師們將設備零件換成遺傳材料，按合成的理念，根據技術前景，重新進行組裝?；蚬こ淌恰白xDNA”，如克隆或測序，而合成生物學是“寫DNA”。

3.2.4 成功的范例

3.2.4.1 生產青蒿素

青蒿素是我國首先發現的抗瘧疾良藥，它挽救了全世界百萬人的生命，在世界醫學界占有重要地位。其發現者是中國中醫研究院（現中國中醫科學院）的屠呦呦，因此獲得了2011年度拉斯克臨床醫學獎。青蒿素一般是通過植物來提取，但產量很低，成本也高。

美國加州大學伯克利分校的科斯林教授，采用合成生物學的方法成功地制造出青蒿素。這一工作完美的展現了合成生物學的魅力，通過人類的操作，成功地解決了來自大碭桿菌、酵母、青蒿多種基因及其代謝途徑的組裝與精密調控工作；同時，優化發酵工藝，可以進一步提高產量。科斯林對前景非常樂觀。他認為，用大約10萬升的發酵槽來生產酵母，產生青蒿素，一直運作下去，就可以為全世界生產出足夠的青蒿素。

3.2.4.2 綠毒桿菌的牛刀小試

新加坡南洋理工學院的科學家制造了新型的自爆細菌。綠膿桿菌是一種常見的致病菌。能夠借助“群體感應”來識別同類菌體。它們通過一些特殊的化學信號進行交流，彼此感知周圍的變化，以及是否有同類大量聚集?？茖W家瞄準了這一特性，對大腸桿菌進行基因改造。第一步將感知綠膿桿菌信號的基因導入大腸桿菌中，第二步給大腸桿菌配備“武器”讓它能生成綠膿桿菌素（這原本是綠膿桿菌產生的毒素）用于抑制同類細菌的大量生長。第三步，當經過改造的大腸桿菌“潛伏”到大批綠膿桿菌群體之后，科學家事先安置在大腸桿菌中的“自殺基因”就將啟動，將大量綠膿桿菌素釋放出來，殺死周圍的綠膿桿菌。

實驗驗證：這種自爆細菌能殺滅99%的綠膿桿菌。今天科學家對一些頑固的耐藥菌幾乎無計可施時，類似的研究似乎能帶來新的啟示。

3.2.4.3 改變能源困境

合成生物的又一個重要應用領域在能源領域?！蹲匀弧冯s志報導，美國能源部聯合生物能源研究所（JBEJ）使用合成生物學方法，改造了大腸桿菌和一個釀酒酵母的菌株，使之可以生產沒藥烯，沒藥烯作為燃料，有很多優點，它不僅具有與D2生物柴油幾乎相同的屬性，它的凍結點和濁點更低，以往沒藥烯的生產原料主要來源于植物，被認為具有替代汽油、柴油和航空煤油的潛力?，F在修改細菌，使其直接大規模制造高級生物燃料，已經成為更方便、且性價比最高的方法。

3.2.5 希望與爭議并存

我國于2011年在“973”計劃中啟動了合成生物學項目，中國科學院院士張春霆研究員評價合成生物學時說：合成生物學的各種成就，可能在不遠的未來，解決很多目前人類難以解決的問題，比如在生命、醫藥、環保、能源等很多領域，合成生物學都有用武之地。比起當前的轉基因、基因工程等技術，合成生物學的研究更前衛，代表了下一代生物技術。

當然，在人類改造生命的過程中，也存在很多不確定的因素，甚至是風險。主要集中在倫理和生化安全等問題上。一部分學者擔心，這些本來不屬于自然界的生命和相關技術，萬一從實驗室泄露出來，就有可能釋放出大量有害基因，到那時，人類或許會很難應付。

但從長遠看，“人造生命”是必然的發展趨勢，我們不應該也不能阻止科學的發展，但應該對科學研究予以規范，讓科技真正給人類帶來進步和發展。