2023我們向科學(xué)高峰進(jìn)發(fā)

孫瑜

歲月不居，時(shí)節(jié)如流。轉(zhuǎn)眼間，2023年已悄然過(guò)去。這一年給我們留下了太多值得銘記的精彩時(shí)刻：墨子巡天望遠(yuǎn)鏡開(kāi)啟巡天觀測(cè)，“首秀”邂逅仙女座星系；全球首例非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)成功完成，腦機(jī)接口未來(lái)已來(lái)……

回首過(guò)往，我國(guó)科研人員勇攀高峰，創(chuàng)下一個(gè)又一個(gè)新紀(jì)錄。展望未來(lái)，追逐前沿、崇尚創(chuàng)新的他們將收獲更多驚喜！

基于量子力學(xué)基本原理，量子密鑰分發(fā)可以實(shí)現(xiàn)原理上無(wú)條件安全的保密通信。我國(guó)科學(xué)家通過(guò)發(fā)展高保真度集成光子學(xué)量子態(tài)調(diào)控、高計(jì)數(shù)率超導(dǎo)單光子探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百兆比特率的實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將此前的成碼率紀(jì)錄提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。2023年3月14日，這一成果論文在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》。

量子密鑰分發(fā)可以通俗地理解為在網(wǎng)絡(luò)中額外加入一個(gè)環(huán)節(jié)，雙方通過(guò)密碼驗(yàn)證，確保安全后，再進(jìn)行信息傳輸。提高成碼率對(duì)量子密鑰分發(fā)實(shí)用化至關(guān)重要。高碼率可為更多用戶(hù)提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享、分布式存儲(chǔ)加密等高帶寬需求的應(yīng)用。

此前國(guó)際上最高的實(shí)時(shí)成碼率是10公里標(biāo)準(zhǔn)光纖信道下10兆比特每秒。我國(guó)科學(xué)家突破集成光子片上高速高保真度偏振態(tài)調(diào)制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了10公里標(biāo)準(zhǔn)光纖信道下115.8兆比特每秒的密鑰率，較之前紀(jì)錄提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)50個(gè)小時(shí)，在傳輸距離328公里下碼率超過(guò)200比特每秒。

實(shí)現(xiàn)百兆比特率的實(shí)時(shí)密鑰分發(fā)，將有可能在對(duì)數(shù)據(jù)安全要求高的領(lǐng)域創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)，推動(dòng)滿(mǎn)足高帶寬通信需求和未來(lái)量子通信的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，使量子密鑰分發(fā)技術(shù)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

2023年4月，我國(guó)科學(xué)家提出了一種全新的材料設(shè)計(jì)研發(fā)策略，通過(guò)機(jī)械化學(xué)方法，在稀土氫化物——?dú)浠|晶格中故意制造大量的缺陷和納米微晶，研發(fā)出首個(gè)室溫環(huán)境下超快氫負(fù)離子導(dǎo)體。相關(guān)研究論文4月5日發(fā)表于《自然》。

氫負(fù)離子具有強(qiáng)還原性及高氧化還原電勢(shì)等特點(diǎn)，是一種頗具潛力的氫載體和能量載體。在室溫環(huán)境下表現(xiàn)出超離子傳導(dǎo)的氫負(fù)離子導(dǎo)體材料，將為構(gòu)建全新的全固態(tài)氫化物電池、燃料電池提供巨大的機(jī)遇，有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列的技術(shù)革新。

早在20世紀(jì)的變色玻璃研究中，研究者就發(fā)現(xiàn)氫化鑭具有快速的氫遷移能力，但其電子電導(dǎo)也很高。近幾年，科研人員往氫化鑭晶格中引入氧使其形成氧氫化物以抑制其電子傳導(dǎo)，但氧的引入也同時(shí)顯著阻礙了氫負(fù)離子的傳導(dǎo)。此前報(bào)道的氫負(fù)離子導(dǎo)體只能在300℃左右實(shí)現(xiàn)超快傳導(dǎo)，而我國(guó)科學(xué)家的創(chuàng)新工作實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下（-40℃至80℃溫度范圍內(nèi)）的超快離子傳導(dǎo)。此外，研究人員還首次實(shí)現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負(fù)離子電池的放電，證實(shí)了這種全新的二次電池的可行性。

研究者建立的材料結(jié)構(gòu)調(diào)變方法具有一定的普適性，有望為氫負(fù)離子導(dǎo)體的研發(fā)打開(kāi)局面。《自然》審稿人評(píng)價(jià)，該工作展示了一種非常有趣且新穎的研究方法。

腦機(jī)接口未來(lái)已來(lái)，人類(lèi)與人工智能共生或不再遙遠(yuǎn)。2023年5月4日，全球首例非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京獲得成功，該試驗(yàn)在猴腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)了介入式腦機(jī)接口腦控機(jī)械臂。介入式腦電傳感器通過(guò)頸靜脈，進(jìn)入矢狀竇，到達(dá)猴運(yùn)動(dòng)皮層腦區(qū)，在術(shù)后成功采集并識(shí)別非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物介入式腦電信號(hào)。此試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物對(duì)機(jī)械臂的主動(dòng)控制。

腦機(jī)接口技術(shù)是一種變革性的人機(jī)交互技術(shù)，其作用機(jī)制是繞過(guò)外周神經(jīng)和肌肉，直接在大腦與外部設(shè)備之間建立一種全新的通信與控制通道。它具有監(jiān)測(cè)、替代、改善/恢復(fù)受損或有障礙的自然中樞神經(jīng)系統(tǒng)輸出輸入的功效。

目前，腦機(jī)接口研究大多處于基礎(chǔ)研究階段，也取得了一些臨床成果。2022年，美國(guó)研究人員完成了全球首例雙邊植入腦機(jī)接口人體試驗(yàn)，一位癱瘓30年的受試者通過(guò)腦電信號(hào)成功地操控機(jī)械，完成了遞送蛋糕和自主進(jìn)食。在我國(guó)，上海瑞金醫(yī)院從2020年開(kāi)始通過(guò)腦機(jī)接口和腦深部電刺激方法，治療難治性抑郁癥。

此次在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物腦內(nèi)開(kāi)展的介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)的研究成果，促進(jìn)了介入式腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室前瞻性研究向臨床應(yīng)用邁進(jìn)，對(duì)推動(dòng)腦科學(xué)領(lǐng)域研究具有重要意義，標(biāo)志著我國(guó)腦機(jī)接口技術(shù)躋身國(guó)際領(lǐng)先行列。未來(lái)，該技術(shù)在腦疾病醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的市場(chǎng)前景。

2023年9月6日在線發(fā)表于《自然》的論文顯示，經(jīng)過(guò)近3年的野外發(fā)掘，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所等單位的研究人員，在福建省發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的陸相生物群——政和動(dòng)物群。該生物群是已知侏羅紀(jì)地理位置最靠南的、保存有鳥(niǎo)翼類(lèi)的動(dòng)物群，其年代為距今1.48億年～1.5億年，處于侏羅紀(jì)最晚期。

目前，學(xué)術(shù)界將“包括所有鳥(niǎo)類(lèi)，但不包括恐爪龍類(lèi)的最廣義類(lèi)群”定義為鳥(niǎo)翼類(lèi)，而鳥(niǎo)類(lèi)則指的是現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)及其近親。鳥(niǎo)類(lèi)至少在晚侏羅世就和非鳥(niǎo)類(lèi)獸腳類(lèi)恐龍發(fā)生分化。因此，侏羅紀(jì)的鳥(niǎo)翼類(lèi)對(duì)研究鳥(niǎo)類(lèi)的起源、關(guān)鍵形態(tài)和生物學(xué)特征演化至關(guān)重要。

已知的侏羅紀(jì)鳥(niǎo)翼類(lèi)僅有近鳥(niǎo)龍和其相似物種，物種數(shù)目稀少，而且地理分布單一，多分布在我國(guó)東北地區(qū)距今1.59億年的燕遼生物群。這與之后白堊紀(jì)早期出現(xiàn)的大量鳥(niǎo)類(lèi)在時(shí)間上有長(zhǎng)達(dá)3000萬(wàn)年的空白。

從2021年開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所和福建省地質(zhì)調(diào)查研究院聯(lián)合，在福建省多個(gè)晚中生代盆地開(kāi)展大規(guī)模野外發(fā)掘。2022年10月23日，研究團(tuán)隊(duì)在政和晚侏羅世地層發(fā)現(xiàn)了一件保存近乎完整的恐龍化石。經(jīng)過(guò)8個(gè)月的修復(fù)和研究，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)該化石屬于鳥(niǎo)翼類(lèi)，并將其命名為奇異福建龍，這是福建省首次發(fā)現(xiàn)恐龍化石。

研究發(fā)現(xiàn)，奇異福建龍與近鳥(niǎo)龍類(lèi)構(gòu)成單系類(lèi)群，是鳥(niǎo)翼類(lèi)最早分異的一支。奇異福建龍的發(fā)現(xiàn)，增加了原始鳥(niǎo)翼類(lèi)的生態(tài)多樣性，增進(jìn)了學(xué)界對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)起源伊始生態(tài)習(xí)性演化的認(rèn)知。

2023年9月7日，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞·干細(xì)胞》上發(fā)表封面論文，報(bào)道了利用胚胎補(bǔ)償技術(shù)在豬體內(nèi)成功再造人源中腎的策略。

器官移植已成為多種終末期疾病的唯一有效治療手段，但供體器官?lài)?yán)重缺乏限制了這一療法在臨床上的廣泛應(yīng)用?；诟杉?xì)胞的器官異種動(dòng)物體內(nèi)再生將是未來(lái)解決這一問(wèn)題的理想途徑。

該研究中，研究人員利用新型人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，結(jié)合優(yōu)化的胚胎補(bǔ)償技術(shù)體系，在腎臟缺陷豬模型體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了人源化中腎的異種體內(nèi)再生。這是世界范圍內(nèi)首次報(bào)道的人源化功能性器官異種體內(nèi)再生案例。

已知的侏羅紀(jì)鳥(niǎo)翼類(lèi)僅有近鳥(niǎo)龍和其相似物種，物種數(shù)目稀少，而且地理分布單一，多分布在我國(guó)東北地區(qū)距今1.59億年的燕遼生物群。這與之后白堊紀(jì)早期出現(xiàn)的大量鳥(niǎo)類(lèi)在時(shí)間上有長(zhǎng)達(dá)3000萬(wàn)年的空白。

研究者稱(chēng)，通過(guò)該途徑獲得的人源化器官不僅具有更全面的細(xì)胞類(lèi)型和更完善的器官結(jié)構(gòu)與功能，且由于供體細(xì)胞來(lái)源于患者自體，能有效避免異種器官或同種異體器官移植中存在的免疫排斥等問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了5年多的探索，對(duì)人—豬胚胎補(bǔ)償技術(shù)體系進(jìn)行了全方位優(yōu)化，最終確定了理想的胚胎補(bǔ)償技術(shù)流程，成功實(shí)現(xiàn)了人源化中腎的異種體內(nèi)再生。該成果首次證明了基于干細(xì)胞及胚胎補(bǔ)償技術(shù)在異種大動(dòng)物體內(nèi)再造人源化功能性實(shí)質(zhì)器官的可行性，為利用器官缺陷大動(dòng)物模型進(jìn)行器官異種體內(nèi)再生邁出了關(guān)鍵的第一步，對(duì)解決供體器官?lài)?yán)重短缺難題具有重要意義。

綺夢(mèng)般層層疊疊的藍(lán)紫色塵埃云散發(fā)著柔和朦朧的光彩，這是一張“新鮮”的仙女座星系照片。它由每次30秒共計(jì)150次曝光所得到的照片疊加合成，出自墨子巡天望遠(yuǎn)鏡。去年9月17日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)—紫金山天文臺(tái)大視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡——墨子巡天望遠(yuǎn)鏡在青海冷湖天文基地正式開(kāi)啟巡天觀測(cè)。它的“首秀”之作，邂逅了距離地球約250萬(wàn)光年的仙女座星系。

仙女座星系是距離銀河系最近和最大的旋渦星系。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和金屬豐度與銀河系相近，是探索銀河系及同類(lèi)星系形成與演化的理想研究對(duì)象。墨子巡天望遠(yuǎn)鏡拍攝到的這張照片，揭示了仙女座星系及其周?chē)祗w的明亮至暗弱星光分布特征，可以用于細(xì)致刻畫(huà)星系內(nèi)部及星系間相互作用的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

墨子巡天望遠(yuǎn)鏡坐落于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖鎮(zhèn)賽什騰山，為北半球光學(xué)時(shí)域巡天能力最強(qiáng)設(shè)備，也是冷湖天文基地望遠(yuǎn)鏡群中口徑最大的望遠(yuǎn)鏡。它具備強(qiáng)大的巡天能力，能夠每3個(gè)晚上巡測(cè)整個(gè)北天球一次。它可監(jiān)測(cè)移動(dòng)天體和光變天體，用于高效搜尋和監(jiān)測(cè)天文動(dòng)態(tài)事件，有望在高能時(shí)域天文、太陽(yáng)系天體普查、銀河系結(jié)構(gòu)和近場(chǎng)宇宙學(xué)等領(lǐng)域取得突破性原始創(chuàng)新成果。

巡天望仙，步履不停。未來(lái)，墨子巡天望遠(yuǎn)鏡還將揭開(kāi)宇宙深處的更多秘密。

曾培育出首個(gè)體細(xì)胞克隆猴的科研團(tuán)隊(duì)，再次迎來(lái)新突破。

歷時(shí)5年攻關(guān)，由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心牽頭的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際上首次成功構(gòu)建高比例胚胎干細(xì)胞貢獻(xiàn)的出生存活嵌合體猴。該研究成果論文于2023年11月9日在線發(fā)表于國(guó)際期刊《細(xì)胞》。

中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士評(píng)價(jià)，這一成果對(duì)于生物醫(yī)藥研究的重要性不亞于克隆猴技術(shù)，是構(gòu)建非人靈長(zhǎng)類(lèi)疾病模型的里程碑成果。

胚胎干細(xì)胞是生命發(fā)育早期的“種子”細(xì)胞，不僅可以實(shí)現(xiàn)體外無(wú)限復(fù)制，還能在改變培養(yǎng)條件的情況下被誘導(dǎo)分化成不同組織的細(xì)胞。其在模式動(dòng)物構(gòu)建、細(xì)胞治療、器官再生、類(lèi)器官模型等方面發(fā)揮著重要作用。

之前，人們已經(jīng)在小鼠和大鼠中成功構(gòu)建嵌合體。但經(jīng)典的人和猴的胚胎干細(xì)胞不易形成嵌合體，且靈長(zhǎng)類(lèi)的胚胎干細(xì)胞需要比小鼠更復(fù)雜的培養(yǎng)條件。如今，這只高比例胚胎干細(xì)胞嵌合體猴的誕生讓人們對(duì)相關(guān)問(wèn)題有了更清晰的認(rèn)識(shí)。

學(xué)術(shù)同行認(rèn)為，該研究將為基礎(chǔ)研究和非人靈長(zhǎng)類(lèi)遺傳修飾模型的產(chǎn)生開(kāi)辟新的途徑。使用嵌合體猴技術(shù)有望獲得沒(méi)有個(gè)體差異的批量的疾病猴。這意味著，對(duì)于單個(gè)基因突變?cè)斐傻募膊。热鐫u凍癥，人們可以利用疾病模型猴更好地采取干預(yù)、開(kāi)展新藥研發(fā)。

2023年11月，基于高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)科研人員精確測(cè)量了人類(lèi)目前觀測(cè)到的史上最亮伽馬暴GRB 221009A的高能輻射能譜。他們發(fā)現(xiàn)，高能伽馬光子并沒(méi)有像理論預(yù)言的那樣，輻射強(qiáng)度快速減弱，而是一直維持在較高水平。相關(guān)研究論文11月16日在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

大約20億年前，一顆恒星在燃燒完自身燃料后即將“熄滅”，其坍縮瞬間爆炸形成了巨大的火球。耀眼的“火光”持續(xù)了數(shù)百秒，仿佛一個(gè)巨大的宇宙煙花。位于四川省稻城縣海子山上的“拉索”，目睹了這場(chǎng)絢爛的“宇宙煙花”——GRB 221009A。

科學(xué)家推斷，如此亮的伽馬暴掃過(guò)地球的概率是萬(wàn)年一次。人類(lèi)極其幸運(yùn)，因?yàn)镚RB 221009A恰好落在了“拉索”的最佳觀測(cè)范圍內(nèi)。2022年10月9日，“拉索”記錄到GRB 221009A產(chǎn)生的伽馬光子，其最高能量在10萬(wàn)億電子伏特以上。

理論上，高能伽馬輻射的光子能量越高，其輻射強(qiáng)度就衰減得越快。但“拉索”對(duì)GRB 221009A輻射能譜的精確測(cè)量卻顯示，伽馬暴輻射并沒(méi)有快速衰減，而是一直延伸到13萬(wàn)億電子伏特。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的伽馬暴余輝標(biāo)準(zhǔn)模型，也揭示了宇宙背景光在紅外波段的強(qiáng)度低于預(yù)期，開(kāi)啟了新物理探索之門(mén)。

對(duì)于宇宙背景光對(duì)高能伽馬光子的吸收低于理論預(yù)期這一現(xiàn)象，研究人員給出了兩種可能的解釋?zhuān)嚎赡艽嬖谀撤N超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理機(jī)制，或者可能存在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的一種新粒子軸子。不論如何，“拉索”對(duì)這場(chǎng)史上最亮“宇宙煙花”的觀測(cè)，將促使人們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過(guò)程。

◎ 來(lái)源|科技日?qǐng)?bào)（有刪減）