2010年度中国高等学校十大科技进展
【浏览字体:    2010-12-18 文章来源: 《中国教育报》
 

  1.实时三维图形平台BH_GRAPH

  实时三维图形平台是虚拟现实、三维游戏、动漫和影视、图形界面等计算机涉图应用系统开发与运行必不可少的基础软件系统,是计算机领域继操作系统、数据库之后又一日益普及的大型通用基础软件系统,直接影响社会各行业计算机应用的水平,成为软件知识产权和基础软件市场竞争的新目标。

  北京航空航天大学实时三维图形平台科研团队,历时10年时间,研制成功了第一个集成贯通了建模工具、布景工具和绘制引擎的大型图形基础软件系统BH_GRAPH,在可扩展的图形绘制引擎体系结构、多深度图像自动配准与高精度建模方法、复杂场景和对象几何模型数据管理与优化方法、大规模场景与对象实时绘制方法、复杂场景与对象逼真绘制方法等实时三维图形平台相关技术方面取得了重要创新和突破,使我国图形支撑技术取得重大进步,大型图形基础软件实现了从无到进入国际前列的跨越。

  BH_GRAPH在国内一些单位以及重大军事和民事应用中取代了国外同类软件,各类用户近千个。基于BH_GRAPH开发的应用系统为2008北京奥运会开幕式、60周年国庆阅兵、军事指挥模拟训练等作出了突出贡献,产生了重大的社会效益、军事效益和良好的经济效益。BH_GRAPH实时三维图形平台作为2010年度国家科技进步一等奖,已通过国家奖励委员会审定。

  2.Gbps无线传输及组网研究

  在宽带无线移动通信领域,研制1Gbit/s 4G系统代表了一个国家的研究实力和水平,具有重要的战略意义。

  4G峰值速率为3G的50~500倍,这不仅要求带宽更宽,还需研制提升频谱效率十倍以上的先进技术。北京邮电大学张平教授团队完成了世界上首个具有4G特征的TDD-OFDM-MIMO移动通信演示系统,移动状态下峰值速率达100Mbps,其成果获2008年国家技术发明奖二等奖。2009年12月,团队又实现了更高的跨越,完成了世界上首个点对多点的TDD Gbps无线系统,其速率是3G系统的500倍,实测误码率达到了10-8。该系统的成功研制,标志着我国在此领域达到了世界的前列。

  团队在TDD Gbps领域获专利42项,发表SCI论文50篇,被国内外标准化组织接纳提案40项。其中,基于Gbps系统完成了包含我国环境特征的4G信道测量与建模,形成ITU M.2135标准(4G领域的首批国际标准),获2009年中国通信标准化协会科技进步二等奖。

  3.代谢乙酰化调控机理的发现

  能量代谢是所有生物最基础也是最重要的生命活动。能量代谢必须得到严格而且协调的调节以满足生物活动及适应不同生存环境的需求。严重威胁人类健康的重大疾病如糖尿病、肥胖以及心血管疾病都是由于代谢的失调引起的,近年的研究发现即使是癌症的发生也与能量代谢的失调有密切关系。由复旦大学赵世民教授和复旦大学兼职教授赵国屏院士、管坤良教授及熊跃教授共同领导的复旦大学研究团队在能量代谢的调控领域有了全新的发现。他们发现从原始的原核生物到人,一种名为乙酰化的蛋白质修饰对于能量代谢的调控起着至关重要的调控功能。这种调控和以前发现的多种代谢调控机制相比,具有直接感知细胞整体能量状态及更广泛的调节范围的优势,堪比能量代谢的智能开关。2010年二月,国际顶级期刊《科学》罕见地分别以《代谢酶的乙酰化协调碳源的利用和代谢》及《蛋白赖氨酸的乙酰化调控》为题同时发表了这项研究的两篇研究论文,并同时配发以《竞争对手的崛起》为题的长篇评述文章对该研究进行了高度评价。由于乙酰化调控的能量代谢酶绝大多数都是一种或多种药物的靶标,所以该发现为大范围获得治疗重大人类疾病的新药靶标以及创新药物的研究提供了新的机遇。

  4.  抗条纹叶枯病优质高产水稻分子育种及应用

  南方粳稻区面积5000多万亩,是我国重要的粮食基地。2000年起水稻条纹叶枯病在该稻区爆发流行,仅2004年发病面积就达2300多万亩,绝收面积7.8万亩,损失稻谷25亿公斤。水稻条纹叶枯病是灰飞虱传播的病毒病,其抗性鉴定往往受灰飞虱种群数量及其带毒率的限制,实际操作非常困难,准确率低。针对我国水稻条纹叶枯病抗性鉴定和分子标记聚合育种技术体系尚未建立,抗病种质、基因和品种匮乏等突出问题,南京农业大学万建民研究小组建立了规模化水稻条纹叶枯病抗性鉴定技术体系,筛选抗病种质212份,优异种质26份。挖掘和标记抗条纹叶枯病基因/QTL 24个,占国内外已发现的抗条纹叶枯病基因/QTL的71%,创建分子标记聚合育种技术体系,创制抗病优质新种质16份。选育出适应不同生态区的早中晚熟系列抗条纹叶枯病高产优质新品种10个;制定栽培技术规程13个;其中宁粳1号被农业部确认为超级稻主导品种,年推广面积稳居全国粳稻品种前3名。2007-2009年新品种推广8314.57万亩,社会效益116.1亿元,2009年推广面积占南方粳稻区种植面积的78%。累计推广13634.17万亩,社会效益190.14亿元。获新品种权9项,获得国家发明专利2项,申请国家发明专利4项,发表论文139篇,其中,在Plant J,Genetics,TAG,PMB等杂志发表SCI论文46篇,被引用315次。有效解决了南方粳稻区受条纹叶枯病流行危害的难题,为保障我国粮食安全、农民增收和农业可持续发展作出了重要贡献。获得2010年国家科技进步一等奖。

  5.拓扑量子态的研究

  拓扑绝缘体是物理学刚刚发展起来的一个全新的前沿方向,是目前国际上凝聚态物理领域备受关注的一个研究热点。传统意义上的材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类,拓扑绝缘体则介于这两大类材料之间,是由电子的自旋运动和轨道运动相互作用所导致的一种新的量子物态,它使绝缘材料的表面变成导电的金属。这种特殊的“金属态”受拓扑性质的保护,与材料的具体几何结构没有直接关系,具有极强的抗干扰能力,因此非常稳定。在拓扑绝缘体中,信息的处理和传递与电子的自旋运动紧密相关,而不像目前信息技术中仅靠电子的电荷性质。这种奇特的性质使得拓扑绝缘体有可能在未来低能耗自旋电子学和量子计算等领域,具有重大的应用前景,有可能会导致信息技术的重大革命。

  清华大学物理系薛其坤院士领导的研究团队,与中国科学院物理研究所的同事合作,在国际上首次发展了高质量拓扑绝缘体薄膜的分子束外延制备技术,观察到了拓扑绝缘体表面金属态的朗道量子化,从实验上证明了拓扑绝缘体是二维无质量的狄拉克费米体系并受时间反演对称性保护。这些基础研究工作具有突破性的意义,为实现理论预期的拓扑绝缘体的许多重要效应并使这种材料走向应用奠定了基础。清华大学该研究团队在这一领域取得的一系列创新性成果,使得我国在这一方向上的研究处于国际领先地位。

  6.膜蛋白的结构与功能

  人类基因组编码蛋白质的所有基因中约有30%编码膜蛋白。膜蛋白在生命过程中起着关键作用,并且与许多重要疾病,诸如老年痴呆症、心血管疾病等等有直接联系。国际上将近一半的药物以膜蛋白作为靶点。因此,对膜蛋白结构与功能的深入研究不仅具有重要的科学价值,还可能为攻克重大疾病提供新的制药靶点。但是,膜蛋白的结构生物学研究一直以来是生命科学领域公认的重点及难点。1985年,第一个膜蛋白结构问世。时至今日,在公共数据库收录的近7万个生物大分子结构中,膜蛋白仅占1%左右。目前,绝大多数膜蛋白家族尚无原子分辨率的结构,严重影响人类对生命的了解和疾病的控制。

  清华大学的结构生物学团队在施一公教授的带领下,自2007年以来致力于研究重要膜蛋白的结构与功能,在过去两年内取得重大突破,先后解析了APC超家族、FNT超家族以及ECF超家族膜转运蛋白或通道蛋白AdiC、FocA和RibU的第一个原子结构,以及捕获了MFS超家族转运蛋白FucP的特殊构象,填补了这些领域的重大空白。他们还结合生物化学和生物物理的方法,初步揭示了这些重要膜蛋白家族的功能机理。2009年5月以来,他们发表研究论文于《科学》1篇,《自然》4篇。这些工作为我国及世界的膜蛋白结构生物学研究作出了重要贡献,其成果在国际生命科学研究领域获得了广泛关注。

  7.微纳尺度材料形变特性及其尺寸效应

  微电子与微纳器件行业的快速发展使得其所用材料尺寸减小到亚微米甚或纳米级,原适用于宏、微观领域的经典理论尚无法解释该尺度下材料性能的尺寸效应及其特异变形行为。西安交通大学孙军教授及其合作者利用自主研发的微纳尺度试样制备专利技术,发现了密排六方钛铝单晶中变形孪晶的强烈尺寸效应,且当晶体尺寸小于一个微米时,材料变形方式由孪晶主导转变为位错主导,其流变应力达到饱和状态和以前从未达到的理想强度“天花板”水平。该工作发表在今年1月21日出版的英国《自然》杂志上。同期国际权威学者在《自然-材料》上为此发表专题评述文章,认为该结果颠覆了长期以来人们的直觉。《自然—亚太版》也在其“研究焦点”专栏专门推介该文。同时他们利用金属钨单晶纳米线孪晶界极低的移动阻力和表面能的差异,提出了一种利用表面能进行高效存储和释放机械能的新概念和新装置——“纳米弹簧”。该结果今年4月发表在美国《纳米快报》上。《自然—亚太版》在其“特色焦点”专栏专门推介该文。随后该团队发现电子辐照可以急剧提高室温极脆的玻璃态二氧化硅球体在室温下的塑性变形能力,同时其流变应力可降低4倍之多。该成果今年6月在线发表于英国《自然—通讯》上。上述工作对微纳器件的设计和制造等方面具有重要的指导意义,并为发展微纳尺度材料形变理论提供了重要的实验和理论依据。

  8.海洋微型生物碳泵

  海洋是全球气候的调节器。已知的海洋储碳生物学机制是“生物泵”,即通过光合作用固碳将CO2转化为颗粒有机碳并通过沉降转移到海底长期保存。然而,生物泵输送到海底的碳量不足表层固碳量的0.1%。事实上,海洋中95%的有机碳是溶解态的,而其中95%又是惰性的,可在海洋中保存5000年。然而,惰性溶解有机碳的形成机制至今尚未明了。厦门大学“长江学者”特聘教授焦念志的“微型生物碳泵”理论提出了不依赖于颗粒碳沉降的储碳机制。2010年6月20日出版的Science杂志(SCIENCE 328:1476-1477)就“微型生物碳泵”理论对7个国家的十多位科学家进行了采访,在其“新闻聚焦”栏目中进行专题报道,将“微型生物碳泵”称为“巨大碳库的幕后推手”。 焦念志与其率领的国际海洋科学研究委员会“微型生物碳泵”科学工作组SCOR-WG134,进一步系统地揭示了微型生物生态过程在惰性溶解有机碳形成过程中的作用。代表成果发表在2010年8月NATURE 微生物学综述(8(8): 593-599),并被作为Featured Article 在其封面、目录、网站首页上进行了Highlight。“微型生物碳泵”被国际湖沼海洋科学促进会(ASLO)遴选为“ASLO前沿论题”。最近,美国科学家指出,“微型生物碳泵”理论也适用于陆地储碳。焦念志应邀再次在NATURE 微生物学综述(29 Nov 2010 doi:10.1038/nrmicro2386-c2)发表了陆海统筹增加微型生物碳汇的观点,展示了海洋在CO2减排和发展低碳经济方面的巨大潜力。

  9.难处理有色金属氧化矿清洁高效利用的基础理论与重大创新技术

  中南大学陈启元教授领衔的研究团队,针对我国锌镍钛等难处理有色金属氧化矿的特点和清洁高效分离提取的重大技术难题,通过实施国家“973”计划“战略有色金属难处理资源高效分离提取的科学基础”,在科学与工程的前沿开展探索和研究,取得了一系列突破性成果,较好地解决了低品位有色金属氧化矿中有价矿物的高效富集、碱性提取过程的选择性清洁高效分离、由矿物短流程直接制备材料等关键技术问题,为我国难处理资源高效利用和国民经济可持续发展提供了重要保障。项目特色与主要创新成果主要体现在:首次提出了控制分散-离子选择性沉积的氧化矿浮选新理论,建立了低品位氧化锌矿不脱泥原浆浮选新技术;通过碱性冶金体系的系统研究,确定了有价元素选择性配合浸出-高位阻螯合萃取/直接电积的分离提取理论基础,建立了难处理氧化矿碱性提取的系列创新技术;提出了多元冶金新思路,建立了多金属同时提取-定向净化-组成调控-固态组织定向生长与形貌控制的理论体系,开发了多金属氧化矿短流程的多元材料清洁制备技术。近三年内在冶金行业国际权威期刊等发表论文200余篇,被SCI、EI和ISTP检索166篇次;申报专利70项,获授权11项,成果鉴定1项,获省级科技进步一等奖1项。

  10.外源性细胞凋亡信号通路在脊索动物中的发现

  文昌鱼,为迄今5亿多年前出现的最原始的脊索动物,一直以来被认为是研究脊椎动物起源与演化最重要的节点之一。中山大学有害生物控制与资源利用国家重点实验室主任徐安龙教授团队,通过长期致力于文昌鱼免疫系统的研究,于近期发现:外源性细胞凋亡信号通路(又称死亡受体诱导凋亡通路)在文昌鱼中已经形成。该研究成果发表在《科学——信号传导》上。

  细胞凋亡的执行可以通过内源性和外源性两条途径执行,内源性途径被认为保守存在于所有多细胞动物中,而外源性的途径则被认为是脊椎动物所特有,是随着适应性免疫系统的出现而协同出现的。因此外源性细胞凋亡通路在文昌鱼中的发现,不仅改写了传统及现行教科书的观点,将外源性凋亡信号通路的形成往前推进了近一亿年。研究人员还通过比较无脊椎动物与脊椎动物FADD介导信号通路的异同点(FADD分子为死亡信号转导通路及病原识别通路中重要的连接蛋白),展示了文昌鱼细胞凋亡通路的特殊性,为研究脊椎动物FADD分子功能的多样性提供了承上启下的重要信息。因此在文章发表的同时,《科学——信号传导》的编辑对该团队的研究成果发表了评论。评论认为:该研究成果除了证明了外源性通路不是脊椎动物所特有之外,还为阐明蛋白结构域重组产生新的细胞信号传导模式,提供了一个崭新的机制和演化过程。

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2010-12-18