2019年，中国十大科学进展揭晓，月球地幔材料和异质芯片入选。

科学进展一：嫦娥四号着陆场和月球地幔物质投掷的芬森坑。主办方供图
科学进展一：嫦娥四号着陆场和月球地幔物质投掷的芬森坑。主办方供图
本报北京2月27日电(记者孙自法)中国科技部高技术研究发展中心(基础研究管理中心)27日在北京公布并发布2019年中国科学十大进展，月球地幔物质暴露初步证据、人工通用智能异质芯片构建等10个科研项目入选。
2019年中国十大科学成果通过推荐、初选、终选三个环节产生。其他8个项目分别是提出基于DNA检测酶调控的自身免疫性疾病治疗方案、破解藻类水下光合作用的蛋白质结构和功能、基于材料基因工程开发高温块体金属玻璃、阐明铕离子延长钙钛矿太阳能电池寿命的机理、发现青藏高原丹尼索瓦人、实现重力诱导量子退相干模型卫星测试、揭示非洲猪瘟病毒的结构和组装机制、首次观测三维。
其中，“月球地幔物质暴露的初步证据”由中国科学院国家天文台李春来研究组及其合作者基于嫦娥四号任务月球车探测到的数据完成。该项目的意义在于揭示月球地幔的物质组成，为月球早期岩浆海洋的研究提供新的约束，加深对月球内部形成和演化的认识。
“构建人工通用智能的异构芯片”由清华大学史研究组及其合作者完成。该芯片采用多核结构、可重构组件和流线型数据流的混合编码方案，不仅可以独立支持基于计算机科学的机器学习算法、神经科学主导的算法和神经科学中的各种编码方案，还可以支持它们的异构混合建模，提供了一种新的解决方案，有望为更多通用硬件平台的开发铺平道路，推动人工通用智能(AGI)的发展。
“中国科学十大进展”评选活动由科技部高技术研究发展中心(基础研究管理中心)主办，迄今已成功举办15届。2019中国科学十大进展评选共推荐320项科研进展。推荐的科学进展为2018年12月1日至2019年11月30日正式发表的研究成果。根据推荐科学进展的学科分布，分为数学与天文科学、化学与材料科学、地球与环境科学、生命与医学科学等四个学科组。从推荐的科学进展中，初步选出30项进展进入终选。最终采用网络投票的方式，2600多名专家学者，包括中国科学院院士、中国工程院院士、国家重点实验室主任、部分国家重点研发的一般专家组专家；d项目和项目负责人被邀请对30个候选科学进展进行在线投票。票数排名前10的科学进展入选“2019中国科学十大进展”。
3354探测到月球地幔物质暴露的初步证据
月壳和月幔都形成于月球演化的初始阶段。撞击吸积过程产生的能量创造了熔融的岩浆海洋，较轻的富钙斜长石成分上浮形成月壳，而较重的橄榄石、低钙辉石等铁镁矿物结晶下沉形成月幔。然而，在阿波罗和月球任务返回的月球样本中，尚未发现与月球地幔确切物质组成相关的直接证据，关于月球地幔物质组成的推断至今没有得到很好的证实。直径非常大的撞击坑可能会穿透月球地壳，从而挖掘月球地幔物质并进行探测和取样。南极-艾特肯盆地
中国科学院国家天文台李春来研究组及其合作者报告了部署在玉兔二号上的可见光和近红外光谱仪(VNIS)的初步光谱探测结果，发现了低钙辉石和橄榄石的存在，这可能代表了来自月球地幔的深部物质。进一步的地质背景分析表明，这些物质是从附近直径72km的芬森陨石坑中挖掘出来的，被弹射到嫦娥四号的着陆点。这项工作的意义在于揭示了月球地幔的物质组成，为月球早期岩浆海洋的研究提供了新的约束，深化了对月球内部形成和演化的认识。“玉兔2号”将继续探索冯卡门撞击坑底部的这些物质，以了解它们的地质背景、起源和组成，并为未来的月球样品取样和返回任务提供依据。
3354为人工通用智能构建异构芯片。
开发人工通用智能(AGI)一般有两种方式：面向计算机科学或面向神经科学，两者的结合是目前公认的开发AGI的最佳方式。由于他们的思想和编码方案根本不同，这两种方法依赖于完全不同和不兼容的计算平台，因此很难建立一个集成的计算平台，这阻碍了AGI的发展。因此，开发一个通用平台非常重要，它既可以支持基于计算机科学的流行人工神经网络，也可以支持受神经科学启发的模型和算法。
清华大学史研究组及其合作者提出了一种秘密芯片架构，将上述两种方法高效集成，提供了一个异构集成的协同计算平台。该芯片采用多核结构、可重构组件和流线型数据流的混合编码方案，不仅可以独立支持基于计算机科学的机器学习算法、神经科学主导的算法和神经科学中的各种编码方案，还可以支持两者的异构混合建模，提供了一种新的解决方案。研究人员仅使用一个芯片，演示了无人自行车系统中通用算法和模型的同步处理，实现了实时目标检测、跟踪、语音控制、避障、越障和平衡控制。该研究有望为更通用硬件平台的开发铺平道路，促进AGI的发展。
进展二：项目开发的异构芯片。主办方供图
3354提出了基于DNA检测酶调控的自身免疫性疾病治疗方案。
病毒成千上万种，其感染特征和致病途径也千变万化。但病毒入侵时，自身的遗传物质必然会被带入宿主细胞。身体对这些外源遗传物质(如DNA)反应迅速，甚至不惜伤害自己，这是病毒感染导致致命炎症的主要原因。外源DNA诱导免疫反应的知识可以追溯到几百年前，但其背后的机制并不清楚。2013年，国际上在这一领域取得了重要突破。科学家确定蛋白质中的cGAS(环状鸟苷酸-腺苷酸合酶)是细胞内DNA病毒的受体。随着cGAS的发现，科学家发现cGAS的异常激活除了检测病毒入侵外，还直接导致了一种自身免疫性疾病。因此，寻找控制cGAS活性的有效手段，探索其调控机制，对于治疗病毒感染和自身免疫性疾病具有重要意义。
军事研究所(国家生物医学分析中心)的张学敏和李涛研究组及其合作者发现乙酰化是控制cGAS活性的关键分子事件，并揭示了其背后的调控规律。研究人员确定了cGAS的三个关键乙酰化位点(K384、K394和K414)，发现其中任何一个乙酰化修饰都会导致cGAS失去活性。此外，研究人员发现乙酰水杨酸(阿司匹林)可以迫使cGAS在上述关键位点乙酰化，从而抑制其活性。此外，对cGAS调控机制的进一步探索表明，cGAS在细胞中以复合体的形式存在并发挥作用。蛋白质质谱鉴定了cGAS的关键调控因子——G3BP1。该机制揭示了G3BP1与cGAS结合，可以帮助cGAS形成聚合物，以确保它们能够更有效地识别DNA。在缺乏G3BP1的情况下，细胞中cGAS的活性显著降低。重要的是，绿茶多酚的主要成分EGCG是G3BP1的抑制剂。研究人员发现，EGCG可以通过干扰G3BP1和cGAS之间的相互作用来抑制cGAS的激活。上述研究不仅揭示了抗病毒感染的关键调控机制，还发现了有效的cGAS抑制剂，为AGS (Arkady综合征)等自身免疫性疾病提供了潜在的治疗策略。
科学进展3: CGAS结构及其三个关键乙酰化位点。主办方供图
3354破解藻类水下光合作用的蛋白质结构和功能
光合作用利用阳光将二氧化碳和水转化为有机物和氧气，为地球上几乎所有生物的生存提供能量和氧气。为了适应不同的光环境，光合生物进化出了各种色素分子和色素结合蛋白，以便在不同的环境中最大限度地利用光能。硅藻是一种丰富而重要的水生光合真核生物，占水生生物初级有机生产力的40%，或地球总初级生产力的20%。它在全球碳循环中起着重要的作用。硅藻在水生环境中成功繁殖的重要因素之一是其含有岩藻黄素/叶绿素结合膜蛋白(FCPs)，这种膜蛋白使硅藻具有独特的光捕获、光保护和快速适应光强变化的能力。
中国科学院植物研究所沈和匡研究组报道了海洋硅藻三角褐指藻的高分辨率晶体结构，揭示了蛋白质支架中7个叶绿素a、2个叶绿素c、7个岩藻黄素和可能1个硅黄素的详细结合位点，从而揭示了叶绿素a和c之间高效的能量传递途径分析了绿藻莱茵衣藻3354的完整c2s2m 2n 2 PSII-LHC II超级复合体的冷冻电子显微镜结构，分辨率为3.37埃。 结构显示绿藻C2S2M2N2超级复合体为二聚体，每个单体由位于中心的PSII核心复合体和围绕核心的三个LHCII三聚体、一个CP26和一个CP29外围天线亚基组成。这项工作还揭示了几种绿藻不同于高等植物的PSII核和捕光触角LHCII的结构特征。上述研究为揭示绿藻对光能的高效吸收、传输和猝灭机制提供了坚实的结构基础，为揭示PSI-LHCI和PSII-LHCII超分子复合体在演化过程中的变化提供了重要线索。
上述研究进展首次破解了硅藻和绿藻光合膜蛋白的超分子结构和功能之谜，不仅对揭示自然光合作用中光能高效转化机制具有重要意义，也为人工模拟光合作用、指导新型作物设计和构建智能植物工厂提供了新的思路和策略。
进展4:硅藻捕光天线复合体的晶体结构。主办方供图
3354基于材料基因工程开发了高温大块金属玻璃。
玻璃具有独特的无序原子结构，使其具有优异的机械和物理化学性能。广泛应用于能源、通信、航空航天、国防等高科技领域，是现代合金材料的重要组成部分。由于金属玻璃在接近玻璃化转变温度时会塑性流动，机械强度会显著下降，这严重限制了它们的高温应用。虽然目前已经研制出玻璃化转变温度大于1000K的金属玻璃，但其过冷液相区(玻璃化转变温度和晶化温度之间的温度范围)很窄，导致其玻璃形成能力不足，难以形成大尺寸材料。并且其热塑性成型性能很差，难以加工零件。应对上述挑战的关键在于合理设计金属玻璃的成分。迄今发现的具有特定性能的金属玻璃主要是反复试验和尝试的结果。
中国科学院物理研究所刘延辉研究组及其合作者基于材料基因工程概念开发了一种高通量实验方法，具有高效、无损、易于推广的特点。设计了Ir-Ni-Ta-(B)合金体系，获得了玻璃化转变温度为1162K的高温大块金属玻璃。新开发的金属玻璃在高温下具有极高的强度，在1000K时达到3.7吉帕斯卡，远远超过此前报道的大块金属玻璃和传统高温合金。这种金属玻璃的过冷液相区为136K，比之前报道的大多数金属玻璃都要宽，成形能力可以达到3 mm，使得通过热塑性成形获得用于高温或恶劣环境的小尺寸零件成为可能。该研究开发的高通量实验方法具有很强的实用性，颠覆了金属玻璃领域60年来的“爆炒式”材料研发模式，印证了材料基因工程在新材料研发中的有效性和高效性。为解决高效探索新型金属玻璃材料的难题开辟了新的途径，也为新型高温高性能合金材料的设计提供了新的思路。
进展5:基于材料基因工程开发的高温大块金属玻璃。主办方供图
3354说明了铕离子对延长钙钛矿太阳能电池使用寿命的机理。
钙钛矿太阳能电池是新一代光伏技术，其工作稳定性是目前产业化的主要障碍。传统上主要通过元器件优化、封装、界面修饰、紫外过滤等方式来有效抑制氧气、水分、紫外光等因素导致的性能下降，从而提高器件的稳定性。然而，为了进一步提高器件的使用寿命，有必要开发一种长期有效的方法来抑制材料在使用过程中的固有缺陷。
为了提高本征稳定性，北京大学理工学院周研究组、化学与分子工程学院/孙岭东研究组及其合作者提出，通过将铕离子作为“氧化还原对”引入钙钛矿活性层，可以同时消除相关缺陷，大大延长器件的使用寿命。有趣的是，这种离子对在器件使用中没有明显的消耗，对应器件的效率最高达到21.52%(认证值为20.52%)，没有明显的迟滞现象。同时，含铕离子的薄膜器件表现出优异的热稳定性和光稳定性，在连续太阳光照射或85加热1000小时后，器件仍能分别保持91%和89%的原始效率。在最大功率点下连续工作500小时后，保持原有效率的91%。该方法解决了限制铅卤钙钛矿太阳能电池稳定性的一个重要本质因素，并可推广到其他钙钛矿光电器件，对其他面临类似问题的无机半导体器件也有借鉴意义。
科学进展6:钙钛矿太阳能电池的结构(A)和实物(B)。主办方供图
青藏高原发现3354只丹尼索瓦人。
丹尼索瓦人是一个神秘的古代民族，他们已经消失了。过去关于它们的知识主要是基于仅在西伯利亚杰尼索夫洞穴出土的少量化石碎片，以及其中保存的高质量的远古基因信息。遗传学研究表明，丹尼索瓦人对部分现代低海拔东亚人和高海拔现代藏人有遗传贡献，对现代藏人适应高海拔环境有重要意义。由于缺乏化石形态信息，科学家很难评估丹尼索瓦人与散布在亚洲和其他地区的丰富古人类化石的关系，也很难准确了解丹尼索瓦人与现代亚洲人的关系。此外，青藏高原人如现代藏族特有的高海拔环境适应基因的来源，特别是是否继承了丹尼索瓦人，是一个非常重要而迫切的科学问题。
中国科学院青藏高原研究所陈发虎研究组、兰州大学张东菊研究组和德国马普学会进化人类学研究所Jean-Jacques Hublin研究组报告了一个经古蛋白质分析方法鉴定的丹尼索瓦人下颌骨，该下颌骨来自中国甘肃省夏河县白石崖洞穴。研究人员用铀系法测定附着在化石上的碳酸盐结核的年代，确定下颌骨至少有16万年的历史。这个化石标本是丹尼索瓦人化石在丹尼索瓦洞穴外发现的第一个证据。对标本的综合分析也为丹尼索瓦人的研究提供了丰富的物理形态信息，包括颌骨和牙齿形态的信息。这项研究表明，丹尼索瓦人在现代智人到来之前的中更新世晚期就生活在青藏高原高海拔地区，并成功适应了寒冷缺氧的环境。
科学进展7:夏河下颌骨化石。主办方供图
3354实现重力诱导量子退相干模型的卫星验证
量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。但是，任何试图将量子力学和广义相对论结合起来的理论工作都会遇到很大的困难。目前关于量子力学和引力理论如何融合的模型很多，但都普遍缺乏实验检验。中国科学技术大学的潘建伟，他的同事彭承志和范景云等。而他们的合作者在国际上率先利用墨子号量子科学实验卫星进行了空间引力诱导量子纠缠的消相干实验测试，测试了量子纠缠光子通过地球引力场的消相干。根据“事件形式”的理论模型，纠缠光子对在地球引力场中的关联将在概率上丧失。根据现有的量子力学理论，所有的纠缠光子对都将保持纠缠。最终，卫星实验的检验结果并不支持“事件形式”理论模型的预测，而是与标准量子理论一致。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中检验量子力学和广义相对论相结合的理论，将对相关物理学的基础理论和实验研究产生巨大的推动作用。
科学进展8:重力诱导量子消相干模型卫星测试实现。主办方供图
3354揭示了非洲猪瘟病毒的结构和装配机制
非洲猪瘟病毒(ASFV)是一种巨大而复杂的DNA病毒，可引起家猪和野猪的急性、热性和高度传染性疾病。发病率和死亡率可高达100%，给生猪养殖产业链造成巨大的经济损失。目前，还没有可用的疫苗。中国农业科学院生物物理研究所饶何姿/王祥喜团队和中国农业科学院哈尔滨兽医研究所布高智团队联合上海科技大学等单位，在上海科技大学冷冻电镜中心连续采集高质量数据，采用优化的图像重建策略分析非洲猪瘟病毒衣壳的三维结构，分辨率达到4.1埃。衣壳颗粒体积巨大，结构复杂，由17280个蛋白质亚基组成，包括一个主蛋白(p72)和四个二级衣壳蛋白(M1249L、p17、p49和H240R)，组装成五对称和三对称的复合结构。主要衣壳蛋白p72的原子分辨率结构显示了非洲猪瘟病毒的潜在构象表位，这与其他核质大DNA病毒(NCLDV)有显著差异。二级衣壳蛋白在衣壳内表面形成复杂的蛋白质相互作用网络，通过调节相邻病毒衣壳微体之间的作用力，介导衣壳的组装，稳定衣壳的结构。M1249L蛋白作为核心的组织者，长100 nm，沿着三联体的每条边桥接两个相邻的五重对称，与其他衣壳蛋白形成延伸的分子间网络，驱动衣壳框架的形成。这些结构细节揭示了衣壳稳定和组装的分子基础，对非洲猪瘟疫苗的研发具有重要的理论意义。
科学9:非洲猪瘟病毒衣壳蛋白的结构和组装。主办方供图
3354年首次观察到三维量子霍尔效应
二维电子系统中量子霍尔效应的发现，使得拓扑学在凝聚态物理中发挥了核心作用。30多年前，Bertrand Halperin等人从理论上预言了三维电子气系统中可能出现量子霍尔效应，但到目前为止，还没有在实验上观察到“三维量子霍尔效应”。
科学进展10:三维量子霍尔效应。主办方供图
中国南方科技大学物理系张力元研究组、中国科技大学物理系乔振华研究组、新加坡科技设计大学杨生元等。首次合作在块状碲化锆(ZrTe5)晶体中实现了“三维量子霍尔效应”。研究人员测量了碲化锆单晶在磁场中的低温电子输运，它在相对较低的磁场中达到了极端的量子极限状态(只有最低的朗道能级被占据)。在这种状态下，研究人员观察到一个接近于零的无耗散纵向电阻，沿着磁场方向形成了一个与费米波长的一半成正比的良好霍尔电阻平台。这些都是三维霍尔效应出现的确凿迹象。理论分析还表明，这种效应是由于极端量子极限下电子关联增强引起的电荷密度波驱动的费米表面不稳定性。通过进一步增加磁场强度，纵向电阻和霍尔电阻大大增加，呈现金属-绝缘体相变。该研究进展为三维量子霍尔效应提供了实验证据，为进一步探索三维电子系统中的奇异量子相及其相变提供了有前景的平台。(完)