[科学走向未来]

编者按

日前，在诺贝尔奖获得者杨振宁的指导下，由著名科学家和企业家共同发起的“未来科学奖”在北京举行了2019年度颁奖仪式。来自邵峰、王方毅、鲁冠军和王小云的四名科学家获得了该奖项。在过去的四年里，从薛启坤、潘建伟到袁隆平、石龚毅，未来科学奖表彰了一批做出突出贡献的科学家。未来科学奖周也将成为展示中国科学成就、传播科学知识、弘扬科学精神的重要平台。本期摘录了今年一些获奖者和科学家的报告。

中微子:一个小“巨人”

作者:陆接君(未来科学奖“材料科学奖”获得者)

中微子是非常小的粒子。他们不喜欢和别人“交流”。然而，中微子与人们的日常生活密切相关，就像一个小“巨人”。

想象一下，如果有一天宇宙中没有中微子，世界会是什么样子。从物理学家的研究来看，如果没有中微子，太阳就不会发光或发热，人类生活将每天都在黑暗的世界里。

科学家为什么要研究中微子？因为科学家发现中微子存在于宇宙的每个角落！每天都有许多中微子从太阳中心出来。当核能在地球上使用时，反中微子将耗尽。

宇宙中有三种中微子，第一种是电子中微子，第二种是μ中微子，第三种是τ中微子。

从20世纪50年代到不久的将来，科学家们认为中微子没有质量，这是粒子物理学的一个非常重要的基础。中微子是非常“害羞”的粒子，不喜欢对其他东西有任何影响。因此，在研究中微子物理时，科学家需要产生大量的中微子和大量的探测器来观察中微子的影响。

从20世纪60年代到90年代，戴维斯教授的团队研究了美国霍姆斯塔克矿的太阳中微子。他们发现太阳中微子的数量远远低于科学家的计算。他们只看到预测的三分之一。其他三分之二的太阳中微子在哪里？

20世纪90年代在超级神冈代获得了另一个奇怪的实验结果。科学家用50，000吨纯水来研究从大气中逃逸的中微子。结果，他们发现大气中微子是从南极产生的，穿过地球，然后当它们到达探测器时，大约一半的中微子消失了。

科学家如何理解太阳中微子和大气中微子的消失？一种可能性是中微子振荡。

起初，一种中微子像白色的“幽灵”一样出现。科学家让这些中微子向前运行。过了一段距离，他们中的一个变成了另一个。经过这种进化，我们可以理解为什么一些中微子在运行时消失了。

但是如何证明中微子振荡是正确的呢？在加拿大的SNO实验中，科学家用1000吨重水做实验，通过不同的中微子效应观察电子中微子和其他两种中微子。科学家们知道中微子可以改变它们的性质，并且存在中微子振荡。

通过中微子振荡，科学家知道中微子有重量，所以说中微子以前没有质量是错误的！因为中微子有质量，所以宇宙中中微子的总质量基本上与发光恒星的质量相同。中微子的存在与宇宙的发展有很大关系。因此，新物理学正在等待科学家的发展。

除了太阳中微子和大气中微子振荡，还有第三类吗？我们的研究小组在大亚湾核电站做了一项新的实验，现在已经获得了世界上第三种中微子振荡最精确的结果。

人类如何保持基因组稳定性

作者:巧姐(北京大学第三医院院长、中国工程院院士)

人类起源于单细胞生物和其他物种。随着进化，人类逐渐显示出独特的特征，这些特征越来越不同于其他生物，并保持着它们独特的特征。这一独特特征的传播取决于生殖细胞基因组的稳定性。科学家们现在对从配子发生到受精后新个体形成的整个过程知之甚少，这个谜取决于不同领域科学家的共同探索。

随着科学技术的进步，测序技术在价格和劳动力成本方面都在迅速下降，使科学家们能够做得更多，特别是高通量单细胞测序技术，它为人类了解生命的起源提供了非常好的手段。转录组、基因组和表观组可以通过使用这项技术揭示许多决定细胞命运的分子机制。

近年来，我们的科研团队和BIOPIC科研团队对生殖细胞的发生、发育和成熟进行了系统的研究，揭示了人类早期胚胎发育、植入过程、胎儿生殖细胞的产生、可育男性精子的成熟和卵泡成熟、脱氧核糖核酸甲基化重编程及其对基因表达的调控等几个关键发育阶段的基因组特征。我们使精子和卵细胞中的每一个基因和碱基都能追溯到亲本的来源，为遗传病诊断的连锁分析奠定基础。

在这个过程中有许多有趣的事情。例如，配子形成合子后，它们分裂成两个细胞、八个细胞和数百个细胞。这些细胞有什么变化？使用单细胞RNA-Seq技术，转录组测序可以在不同发育阶段的卵母细胞和早期胚胎上进行。

随着受精卵的分裂，胚胎细胞逐渐出现命运的分化，形成三种细胞类型的胚泡。其中，以上皮细胞为主的胚盘前体细胞快速增殖和迁移，形成内外三个胚盘。胚盘前体细胞命运的决定是胚胎发育的关键。如果胚盘的诱导和分化异常，将导致不良妊娠和胎儿畸形。

然而，生殖层细胞的命运区域化是何时以及如何由遗传和表观遗传学建立和调控的，是发展研究中的一个重要的基础问题，相关研究一直在进行中。近年来，单细胞测序等方法已被用于初步分析斑马鱼和非洲爪蟾等模型动物肠道前期不同生殖层细胞谱系的变异特征。对小鼠的研究还表明，生殖层细胞谱系区域化的特征可以追溯到卵裂期，这一调控网络的最高控制因子仍不清楚。此外，这一过程的关键决定因素能否追溯到卵裂前，也是一个尚未解决的重要科学问题。

研究胎儿原始生殖细胞的发育过程也非常困难。2017年，我们使用单细胞核糖核酸测序技术分析了生殖嵴周围的2000多个胚胎生殖细胞和体细胞，包括男性和女性胚胎，并涵盖多个发育阶段。研究发现，女性胎儿生殖细胞经历四个阶段:有丝分裂、视黄酸信号传导、减数分裂前期和卵子发生。然而，男性胎儿生殖细胞经历三个阶段:迁移、有丝分裂和细胞周期停滞。本研究描述的人类胚胎生殖细胞在正常生理条件下的发育过程将为生殖细胞相关疾病如不孕症和畸胎瘤的诊断和治疗提供路线图。

经过一系列的研究，这样的地图可以画出来。精子和卵子的脱氧核糖核酸甲基化在植入前和胚胎原始生殖细胞阶段经历了两次大规模的重编程——生命周期中的两次大规模甲基化重编程。在这个过程中，印记基因的甲基化在胚胎发育过程中得以维持，原始生殖细胞被清除，父系和母系印记分别在精子和卵子成熟过程中得以重建。发现了新的等位基因差异甲基化区域和潜在的新印记基因。重复序列元件保留大量甲基化以维持基因组稳定性；然而，母体脱氧核糖核酸甲基化对胚胎发育的贡献可能不同。

黑洞研究史

作者:郭立军(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。黑洞的历史应该追溯到人们对宇宙引力的理解。

万有引力的发现可以追溯到17世纪。牛顿坐在苹果树下，看到苹果掉了下来，这启发了他。他不仅意识到了这一现象，还写下了公式，即万有引力公式。在此基础上，牛顿得到了著名的逃逸速度公式。

此后，更多的科学家进一步应用和推广了牛顿理论。在18世纪的法国，数学家拉普拉斯想象宇宙中可能有一个天体。它是如此的致密，以至于没有光线能从它周围逃逸。现在看来，这个天体是黑洞最简单的概念。

在19世纪，更多科学家的观察对牛顿的理论提出了一些挑战。20世纪初，物理学家爱因斯坦首次提出狭义相对论，十年后他又提出广义相对论，对重力有了颠覆性的理解。例如，他认为引力场实际上不是由质量引起的，而是时间空被质量和质量物体弯曲的影响。

爱因斯坦在1915年提出广义相对论几个月后，德国物理学家史瓦西(Schwarzschild)得到了爱因斯坦场方程的精确解，即没有旋转黑洞的史瓦西解。史瓦西在1916年得到这个解决方案后的几十年里，黑洞研究的进展实际上非常缓慢。

20世纪30年代末，美国原子弹之父奥本海默和他的学生得到了一个理论，即恒星在死亡和坍缩时可能坍缩成密集的奇点，并推导出这个质量的下限，约为3.2个太阳质量。

当时间进入20世纪60年代时，黑洞的研究取得了两项突破:新西兰数学家罗伊·克尔(Roy Kerr)在1963年首次通过数学解获得了爱因斯坦带旋转黑洞的场方程的精确解。1964年，通过观察发现了第一个恒星黑洞。理论和观测的突破开启了黑洞研究的黄金时代。在接下来的20到30年里，大量的天文学家和物理学家致力于这个领域。人们对黑洞的了解基本上是在这段时间内获得的。

在此期间，有一位非常著名的相对论物理学大师，普林斯顿大学的约翰·惠勒教授。他不仅做了出色的学术研究，还在科学传播方面做了大量工作。黑洞这个名字在所有人都知道之前就被他推广了。此外，虫洞一词也是由他提出的。

惠勒之后，霍金进一步发现了所谓的霍金辐射，这改变了以前对经典广义相对论中黑洞的理解。

迄今为止，科学家们已经发现了许多黑洞，按质量可以分为三类:

一个是恒星黑洞，这意味着它的质量可以从太阳质量的3倍到100倍不等。

第二种被称为超大质量黑洞，其质量起点是太阳质量的几十万倍，或者是太阳质量的几百万倍，达到太阳质量的几十亿倍，甚至几百亿倍。这种介于两者之间的黑洞称为中等质量黑洞。然而，对于中等质量黑洞，目前观察到的直接证据很少，但理论研究证明它们应该存在，因此寻找中等质量黑洞也是目前的一个热门研究课题。

对于黑洞来说，它可以说是宇宙中最神奇和最简单的天体。对于黑洞来说，只需要三个物理量来描述它，一个是它的质量，一个是它的旋转，另一个是它的电荷。

在宇宙中，几乎所有的气体都以等离子体状态存在，并且会有大量的自由电荷。如果黑洞带电，它很容易吸附周围的带电粒子以达到能量平衡。所以最终只有两个物理量，一个质量和一个旋转。这时，所谓的克尔规可以用来完全描述天体物理学中的黑洞。科学家的主要任务是测量黑洞的这两个基本量。

根据理论，银河系中应该有数亿个恒星级的黑洞。然而，遗憾的是，迄今为止只探测到几十个恒星级黑洞，只有不到20个黑洞有非常精确的质量测量，而还有近亿个其他黑洞尚未被探测到。

(2019年11月28日，第16版)

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