“人类基因组计划”回顾与展望：从基因组生物学到精准医学

“人类基因组计划”这个具有划时代意义的大科学计划已经完成10 年了。10 年来,基因组科学的发展形成了新的目标--精准医学。未来的生物医学基础和临床科学的发展就是要整合基因组生物学新前沿,运用新的概念和技术,不断积累临床资源,凝练大科学问题,规划和启动大科学项目,及时、有效地为全社会提供“从实验室到病床”、“从实验室到家庭和个人”的卫生与健康保障。     

力学信息学简介

数据在力学的发展中始终属于最基础和最重要的角色。在古典力学时代,通过对海量数据的总结归纳,科学大师们得出了以牛顿运动三大定律为代表的自然世界运行的客观规律。在当今时代,快速发展的力学实验自动化技术和高通量技术,使力学数据呈爆炸式增长,如何基于迅猛增长的数据来快速发现、发展和革新力学理论,成为一个迫切需要解决的问题。力学工作者可以借助当下快速发展的人工智能算法,直接智能地优化实验和生产工艺,或者利用诸如符号回归、稀疏回归和流形学习等机器学习方法对数据进行挖掘处理,发现并给出数据所遵循的公式形式,将数据上升为知识。这一人工智能和力学相结合的交叉学科便是“力学信息学”。基于力学信息学方法,古老的力学学科也必将迎来新的春天。     

人类起源与智能进化

演化为人的进化长河至少可追溯到500万年前,对该长河中的两个缺失环节,即“根人”和“南方古猿源泉种”的仔细分析再次证实了达尔文的渐变理论。现代人起源的“走出非洲”和多地域假说争论不休,对尼安德特人和丹尼沙瓦人全基因组草图测序和分析表明,混合上述两个假说的提议似乎更可取。人之所以为人的根本解释,今已聚焦到开创文化的大脑上。大量证据表明,智能进化支持了四个等级语言和三个世界框架体系。     

铁基超导材料制备研究进展

超导现象于1911年首次被发现, 此后科学家们一直都在寻找拥有更高临界温度的超导材料, 研究重点也逐渐从金属系物质转到铜氧化物. 目前, 物理学界对高温超导机制仍未形成一致看法, 研究人员希望在铜氧化物超导材料以外再找到新的高温超导材料, 以期从新的途径来破译高温超导机理. 2008年初, 日本学者发现了临界温度可以达到26 K的新型超导材料—— LaO_1-xF_xFeAs, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 随后, 科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究. 中国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置. 铁基超导材料的研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 本文按照体系分类, 以时间顺序, 分别对铁基超导材料的四大主要研究体系(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)的具体材料制备研究进展进行了分析, 比较全面地介绍了各种铁基超导材料的合成方法及其关键物理参数.     

科学播下希望的种子

新年的钟声刚刚响过,科学探索的新成果已经频频传来。受人瞩目的“嫦娥一号”探月卫星在顺利完成探月一期任务之后,将以一撞完成最后的使命为后续的探索搜集资料。对火星甲烷的新研究再次点燃了人类探索火星生命的激情。恐龙身上的原始羽毛、新型超导材料特性、“钙闪烁”引导细胞定向迁移,这些新发现是中国科学家对科学界的贡献,为未来的古生物、材料和医学的研究打开一个广阔的空间。“奶粉事件”后科学家开展了对三聚氰胺与人类泌尿系统结石的病理生理机制的研究,用科学为人类的食品安全保驾护航。     

填充方钴矿热电材料的研究进展

热电转换是一种新兴的清洁能源技术, 可实现热能和电能的直接转换, 提高能源的使用效率, 降低石化能源的消费比重, 减少二氧化碳的排放, 达到保护环境的目的,相关研究在国际上引起了广泛关注. 由于材料中电和热的输运强烈地耦合在一起, 难以独立调控, 热电材料的性能优值长期徘徊在1.0左右, 仅在室温制冷等若干特殊领域获得了小规模应用. 有效提高热电材料性能已成为热电转换技术工业应用与热电材料科学领域亟待解决的热点与难点.科学家G. Slack提出理想化热电材料应该具有“声子玻璃-电子晶体”的特征, 相关研究成为近年来热电材料领域最重要和最具有代表意义的方向. 一些具有孔洞结构的笼状化合物, 如方钴矿材料被认为可能有“声子玻璃-电子晶体”特性, 而得到了广泛的关注; 但该笼状化合物中与输运性能相关的诸多物理机制, 以及与“声子玻璃-电子晶体”特征之间的关联尚不清楚, 限制了对该类材料的进一步认识和性能优化.     

高等植物生长发育中同化物的转移

陆生高等植物(包括农作物)能够吸收外界原料,利用太阳辐射的能量合成生长发育所需的物质. 它的根、茎、叶分别处在土壤与大气中、阳光下, 分工经营: 根系吸收矿物质; 叶片吸收CO₂ 与太阳能以进行有机物的光合生产; 两者靠茎来支持与联络以及进行原料的调配. 植物能够自力更生正是依靠这样自行组建的“绿色工厂”, 人类以及所有高、低等动物,甚至微生物, 最终都要靠其产品来维持生活. 这“工厂”各“车间”(根、茎、叶、花、果实)的循序建立、规模的大小与定型, 无一不受环境中光、温、水、肥等的时空分布与变化的启发与调控; 而且某一“车间”的操作进行得顺利与否, 关系着生产全过程的进度.“绿色工厂”要靠各“车间”的协调发展、和衷共济, 才能发挥整体的行为, 充分利用外界资源, 抗拒逆境的胁迫.     

有趣的发光生物与奇妙的发光蛋白*

“生物发光”现象一直以来都吸引着科学家的好奇心,它看似神奇,但在自然界十分普遍。“生物发光”现象有着独特的生态功能和进化意义。在漫漫历史长河中,人类对生物发光现象的探索从未停止过。从用发光生物作为最原始的照明工具,到利用绿色荧光蛋白标记细胞内组分;从对生物发光机理的探究,到荧光蛋白种类的开发, 科学的脚步在一步步前进,生命的秘密也在一点点被点亮。     

模仿生物视觉的凝视红外成像全向感知技术

把近水面鱼类仰视半球空域的功能用工程方法在长波和中波红外区仿造, 实现全向凝视、对目标定向、动目标提取、目标距离感知和速度感知等鱼眼视觉功能; 再用辅助功能模块仿造人眼感知亮度的对数变换属性、亮度对比恒定特征、目标轮廓强化效应等视觉特性; 以DSP, FPGA执行所有这些有利于目标探测的视觉功能, 制成“仿生式微小型红外成像探测系统”(BMIRIDS), 它以凝视成像方式实现真正意义上的“全向”、“实时”态势感知和动态信息提取. 采用功能仿生手段使这个体小、质轻、功耗低的鱼眼式红外系统突破现行技术和设备的某些局限, 从而建立光电侦测设备的一种新体制, 为光电信息获取和新装备研制探索新途径.     

计算机分子模拟——2013年诺贝尔化学奖简介

计算机分子模拟技术的发展至今已有半个世纪的历史,现被广泛应用于解决各种复杂化学和生物学问题,比如药物设计和材料设计。2013 年诺贝尔化学奖授予给卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔三位美国科学家,以表彰他们在“发展多尺度模型研究复杂化学体系”上的贡献。这次授奖表明,对于今天的化学家来说,计算机分子模拟已和试管实验同等重要,理论和实践要密切合作才能解决复杂问题。笔者主要介绍计算机分子模拟技术的基本概念、发展简史,以及主要应用领域,并对此技术的未来发展做了展望。     

纳米飞行器概念设计

纳米飞行器(NAV)指尺寸7.5cm以内、携带载荷2g以上、具有悬停和低速前飞等多种飞行模式的新概念可控无人飞行器,是无人飞行器系统的重要组成部分,可在狭窄空间中探测、侦察、数据中继和释放载荷,具有重要的军事和民用价值.本文阐述了NAV的设计要求、概念研究的最新进展.同时就设计中关键理论和技术进行了评述,主要为:NAV外形选择方法的提出;极低雷诺数空气动力学机理、极低雷诺数下旋翼外形和扑翼外形流场特征的分析;当前极低雷诺数研究方法和研究现状、新材料在NAV设计中应用前景及微推进技术和微电子技术研究进展的综述.     

后基因组时代十年志——兼论十年间生命科学的发展及所面临的挑战

   十年前,“人类基因组计划”这一耗资30亿美元、耗时十余年的伟大科学工程完成之际,人们以为得到了揭开自身生命奥秘的天书,生命科学也划时代地进入了后基因组时代。十年间,一方面,人类基因组的后续工作陆续展开,生命科学持续蓬勃发展的态势;另一方面,基因药物却迟迟不能问世,基因产业逐渐沦为泡沫经济。2010年恰逢人类基因组草图完成10周年,回顾十年间生命科学取得的伟大成就,分析生命科学当下面临的挑战,或许更能理清后基因组时代现代生命科学的发展脉络与走势。     

照亮地球深部的“明灯”——高温高压实验

地球是人类赖以生存和发展的家园,相对于其表层系统(大气圈、水圈、生物圈),人类对地球深部的认识仍然非常有限。地质学/地球化学方法通过研究地表出露的来自地球深部的岩石矿物和来自外太空宇宙的陨石等样品,来推测地球内部物质的性质。地球物理方法则利用地震波来探测地球内部的结构。半个多世纪以来兴起的高温高压技术,使得科学家能够在实验室中模拟地球内部的极端压力和温度环境,同时结合各种现代化分析测试手段,对岩石和矿物在极端高温高压条件下的性质状态进行原位研究,极大地促进了我们对地球内部的物质组成和结构的认识。因此,高温高压实验技术已经成为人类探索地球深部结构和物质组成的“明灯”。     

石墨烯：单原子层二维碳晶体——2010年诺贝尔物理学奖简介

  石墨烯--石墨的极限形式,具有独特的单原子层二维晶体结构,2004年首次由英国曼彻斯特大学的两位科学家：安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）成功剥离出来。2010年,二人因在石墨烯方面的开创性实验而获得诺贝尔物理学奖。作者从碳材料的发展史出发,结合石墨烯的结构、制备方法及其性能,综述了石墨烯领域的研究工作,对其发展趋势及将面临的挑战进行了评述。     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

浅谈建筑材料的检测及其影响因素

工程质量是永恒的主题。建材检测是建筑工程质量保证体系中的一个重要环节,是确保建筑工程质量的先决条件。文章在此主要分析常用建材质量检测方法、常用建材检测项目、建筑材料检测取样、建材检测的影响因素及数据处理,以供参考。     

钠冷快堆的安全性

 钠冷快堆具有许多固有安全特征: 高的热导率,低压的钠系统,钠对快堆材料腐蚀甚微,熔融燃料与钠无剧烈相互作用,钠辐照后不产生长寿命放射性核素,有足够的运动粘度和热膨胀系数,易于设计非能动事故余热排出系统等。中国实验快堆是一座热功率65 MW、电功率20 MW的钠冷池式快堆,除具有上述固有安全特征外,它还设计有负的温度效应、功率效应和堆芯钠空泡效应,设有独立的非能动事故余热排出系统、非能动接钠盘、堆容器非能动超压保护系统、非能动冷却的堆芯熔化收集器等,以及具有完备可靠的主动安全系统。中国实验快堆达到了第四代核电系统的安全目标。     

透岩浆流体成矿作用理论简介*

近十年来中国学者在内生金属成矿理论研究方面取得了一系列重要进展,可以用透岩浆流体作用将这些研究进展整合在一起,称为透岩浆流体成矿理论。与传统的岩浆热液成矿理论不同,岩浆与含矿流体被看作是两个完全不同的地质体系,它们的耦合有利于成矿物质的迁移,解耦导致成矿作用。该理论更注重成矿预测的宏观标志,有助于矿产资源的快速预测。本文的目的是以与高位火成岩相关的成矿作用为例,简要介绍透岩浆流体成矿作用理论模型。