感受中国基础科学研究的魅力

  【科学向未来】

  编者按

  日前,由诺贝尔物理学奖获得者杨振宁参与指导,由知名科学家和企业家群体共同发起的“未来科学大奖”在北京举行2019年度颁奖典礼,邵峰、王贻芳、陆锦标、王小云4位科学家获奖。从薛其坤、潘建伟,到袁隆平、施一公等,四年来,“未来科学大奖”表彰了一批作出杰出贡献的科学家;未来科学大奖周也成为展示中国科学成果、传播科学知识、弘扬科学精神的重要平台。本期摘录今年部分获奖者和科学家的报告。

  中微子:渺小的“巨人”

  作者:陆锦标(未来科学大奖“物质科学奖”获得者)

  中微子是很小的粒子,它是一个不喜欢跟别人“交流”的东西,但中微子跟人们每一天的生活都有很密切的关系,像一位渺小的“巨人”。

  试想一下,如果有一天,宇宙没有了中微子,世界会变成什么样?从物理学家的研究中看,如果没有中微子的话,太阳将不会发光,也不会发热,人类每一天的生活都会在黑暗的世界。

  为什么科学家要研究中微子呢?因为科学家发现,中微子存在于宇宙的每一个角落!太阳的中心每一天都有很多中微子跑出来;在地球上利用核电的时候,反中微子会跑出来。

  宇宙里一共有三类中微子,第一个是电子中微子,第二个是μ中微子,第三类是τ中微子。

  从20世纪50年代到近期,科学家都相信中微子是没有质量的,这是粒子物理一个很重要的基础。中微子是很“害羞”的粒子,不喜欢跟别的东西有作用。所以要研究中微子物理的时候,科学家需要产生大量的中微子,还有很大的探测器,才可以看到中微子的作用。

  大概20世纪60年代到20世纪90年代,Davis教授的团队在美国Homestake矿洞研究太阳中微子,他们发现太阳中微子的数量跟科学家的计算差了很多,见到的只有预测的1/3,其他的2/3的太阳中微子去哪了?

  另外有一个很奇怪的实验结果,是20世纪90年代,在日本超级神冈探测器得到的,科学家用五万吨的纯水来研究从大气里跑出来的中微子。结果他们发现大气中微子从南极产生出来,经过地球,然后到探测器的时候,大约一半的中微子不见了。

  科学家怎么样去理解太阳中微子和大气中微子不见了的问题呢?一种可能就是中微子振荡。

  开始的时候,一类中微子像白色的“幽灵”产生出来,科学家让这些中微子往前跑;过了一段距离的时候,其中一个变成了另外一类。经过这种演变,就可以理解为何有一些中微子在跑的时候就不见了。

  但怎样证明中微子振荡是正确的?在加拿大的SNO实验,科学家用一千吨的重水做实验,通过不同的中微子作用,观察到电子中微子和其他两类的中微子。科学家就知道中微子是可以改变他们本性的,并且也存在中微子振荡。

  通过中微子振荡,科学家知道中微子是有重量的,所以以前说中微子没有质量是不对的!因为中微子是有质量的,基本上宇宙的中微子总质量和跟发光的星体差不多,中微子的存在,对宇宙的发展有很大关系。所以,现在有新的物理在等待科学家去发展。

  除了太阳中微子和大气中微子振荡以外,还有没有第三类?我们的科研团队在大亚湾核电站做一个新实验,现在已经做到全世界最精准的第三类中微子振荡的结果。

  人类如何保持基因组的稳定

  作者:乔杰(北京大学第三医院院长、中国工程院院士)

  人类最早和其他物种同起源于单细胞生物。随着进化,人类逐渐表现出独特的性状,与其他生物的遗传差别越来越大,并维持自己独有的特征。这种独特特征的传递正是依赖于生殖细胞基因组的稳定。从配子发生到受精以后形成新的个体再发育整个过程,现在科学家都了解得非常少,这一奥秘有赖各领域的科学家共同去探索。

  随着科学技术进步,测序技术不管从价格上还是从人力成本上迅速下降,让科学家能够做更多事,尤其是高通量单细胞测序技术,为人类了解生命起源提供了非常好的手段。转录组,基因组,表观组利用这个技术能揭示细胞命运决定的很多分子机制。

  近年来,我们的科研团队和BIOPIC科研团队合作,围绕生殖细胞的发生、发育与成熟进行了系统研究,揭示了人类早期胚胎发育、着床过程,胎儿生殖细胞产生、育龄男性精子成熟、卵泡成熟等多个关键发育阶段的基因组特征、DNA甲基化重编程及其对基因表达的调控关系。我们使精子及卵细胞中每个基因、碱基都能追踪到亲本来源,为遗传疾病诊断的连锁分析奠定了基础。

  在此过程中有很多有意思的事情,比如配子形成合子后,分裂到两个细胞、八个细胞,再到上百个细胞,这些细胞之间有哪些变化?利用单细胞RNA-Seq技术,可以对卵母细胞和不同发育阶段的早期胚胎进行转录组测序。

  随着受精卵的分裂,胚胎细胞逐渐出现了命运的分化,形成具有三种细胞类型的囊胚,其中以上胚层细胞为主的胚层前体细胞快速增殖、迁移,形成内中外三个胚层,胚层前体细胞命运决定是胚胎发育的关键,如果胚层诱导和分化发生异常,将会导致不良妊娠及胎儿畸形的发生。

  而胚层细胞命运区域化何时建立及如何受到遗传、表观遗传调控,是发育研究的重大基础问题,相关研究一直在进行。近年通过单细胞测序等手段,初步解析了斑马鱼、非洲爪蛙等模式动物原肠期不同胚层细胞谱系的变化特征,小鼠中的研究也表明胚层细胞谱系区域化这一特征可以追溯到卵裂期,这一调控网络的顶端控制因素尚不明确;此外,该过程的关键决定因素是否可以追溯到卵裂期之前也是尚未解决的重要科学问题。

  胎儿原始生殖细胞发育过程的研究也是十分困难的。2017年,我们利用单细胞RNA测序技术,分析了超过2000个胎儿生殖细胞及生殖脊周围体细胞,包括男性和女性胚胎并且涵盖了多个发育时期。此项研究发现女性胎儿生殖细胞经历4个时期:有丝分裂、视黄酸信号传导、减数分裂前期与卵子发生;而男性胎儿生殖细胞则经历3个时期:迁移、有丝分裂与细胞周期阻滞。该项研究描绘的体内正常生理情况下人类胚胎生殖细胞的发育历程,将为生殖细胞相关疾病如不孕不育和畸胎瘤等的诊断和治疗提供路标。

  经过一系列研究就能画出这样一个图谱,精卵DNA甲基化在着床前和胎儿原始生殖细胞阶段发生两次大规模重编程——生命周期中两次大规模甲基化重编程。这一过程中,印记基因甲基化在胚胎发育中维持,原始生殖细胞擦除,精、卵成熟过程分别重新建立父源、母源印记,发现新的等位基因差异甲基化区域,潜在新的印记基因;重复序列元件保留大量甲基化,以保持基因组稳定;而父源母源DNA甲基化对胚胎发育贡献可能不同。

  黑洞研究的历史

  作者:苟利军(中国科学院国家天文台研究员)

  黑洞本身是一个引力非常强的天体,要追溯黑洞的历史,要追溯到人们对万有引力的认识。

  万有引力的发现可以追溯到17世纪,牛顿坐在苹果树下面看到苹果掉下来,激发了灵感。他不仅仅意识到这种现象,而且写下了公式,那就是有关于引力的万有引力公式。在此基础之上,牛顿得到了人们所熟知的逃逸速度公式。

  在此之后,更多科学家根据牛顿的理论作了进一步的应用和推广。在18世纪的法国,数学家拉普拉斯想象在宇宙当中有可能会存在着一种天体,它非常致密,以至于从它自身发出的光都不能够从它周围逃脱出来。现在看来这天体就是最朴素的对于黑洞的一种想法。

  到了19世纪,更多科学家的观测对于牛顿的理论提出了一些挑战。到20世纪初的时候,物理学家爱因斯坦首先提出了狭义相对论,在十年之后又提出了广义相对论,对引力提出了颠覆性的认识,比如认为引力场其实并不是由质量引起的,而是时空被质量、有质量物体弯曲以后的效应。

  在爱因斯坦1915年提出广义相对论之后的几个月,德籍物理学家史瓦西得到了精确的爱因斯坦场方程解,这就是“没有转动黑洞的史瓦西解”。在史瓦西1916年得到这个解之后的几十年间,黑洞研究的进展其实非常缓慢。

  在20世纪30年代末,美国的原子弹之父奥文海默和他的学生得到了一种学说:恒星在死亡塌缩的时候有可能塌缩成一个致密的奇点,并且推导出了这个质量的下限,3.2个太阳质量左右。

  当时间进入20世纪60年代的时候,黑洞的研究迎来了两项突破性进展:1963年新西兰的数学家罗伊·克尔通过数学求解的方式第一次精确得到了爱因斯坦场方程的带有旋转黑洞的精确解。1964年,用观测方法发现了第一颗恒星级的黑洞。正是理论和观测同时的突破,使得黑洞研究领域迎来了它的黄金时代,在接下来的二三十年,一大批天文学家、物理学家投身于这个领域。现在人们所知道的有关于黑洞知识基本上都是在这段时间内得到的。

  在这一时期,有一位非常知名的相对论物理大师——普林斯顿大学的教授约翰·惠勒,他不仅学术研究非常出色,而且在科学传播方面也做了非常多的工作。黑洞这个名字经过他的推广,才得以被众人所知。另外,虫洞这个名词也是他提出的。

  在惠勒之后,霍金进一步发现了所谓的霍金辐射,改变了之前经典广义相对论对于黑洞的认识。

  到目前为止,科学家已经发现了非常多的黑洞,通过质量可以把它们分解为三大类:

  一类是恒星量级的黑洞,也就是说它的质量可以从3倍太阳质量到100个太阳质量之间。

  第二类称之为超大质量的黑洞,它的质量起点是几十万倍的太阳质量,或者上百万倍的太阳质量,一直到几十亿倍甚至于上百亿倍的太阳质量。介于其中的这一类黑洞,称之为中等质量的黑洞。但是对于中等质量的黑洞,现在观测的直接证据非常少,但是理论研究证明,它们应该是存在的,所以寻找中等质量的黑洞也是目前研究的一个热门课题。

  对于黑洞,它可以说是宇宙当中最为神奇,也是最为简单的一类天体。对于黑洞,只需要3个物理量就可以描述它,一个是它的质量,一个是它的转动,另外一个就是它的电荷。

  在宇宙当中,气体几乎都是以等离子体状态存在,会存在非常多的自由电荷。如果一个黑洞带电,那很容易吸附周围的带电粒子而达到电力平衡。所以最终只剩下两个物理量,一个质量,一个转动,这个时候,就可以通过所谓的克尔度规来完整描述天体物理学当中的黑洞,科学家主要的任务就是测量黑洞的这两个基本量。

  在银河系中,按照理论,还应该存在着上亿个恒星量级的黑洞。但遗憾的是人类到目前为止仅仅探测到了几十个,而且只有不到20个恒星量级的黑洞有非常精确的质量测量,其他将近上亿个的黑洞,现在并没有探测到。

  《光明日报》( 2019年11月28日 16版)

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责编:董大正

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