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2024中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展發(fā)布
北京大學(xué)物理學(xué)院馬仁敏教授
實(shí)現(xiàn)原子級(jí)特征尺度與可重構(gòu)光頻相控陣的
納米激光器
北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探茉菏繄F(tuán)隊(duì)
額外X染色體多維度影響男性生殖細(xì)胞發(fā)育
兩項(xiàng)成果入選
微納尺度再拓新途
基因之鑰守護(hù)生命起點(diǎn)
北大科研解鎖微觀極限
守護(hù)生命起點(diǎn)
基礎(chǔ)前沿與臨床轉(zhuǎn)化
詮釋北大人科技強(qiáng)國(guó)的使命擔(dān)當(dāng)
國(guó)家自然科學(xué)基金委發(fā)布的“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”是我國(guó)科研領(lǐng)域的年度高光總結(jié)。每年評(píng)選出的十大進(jìn)展，代表著國(guó)內(nèi)過(guò)去一年在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得的重大突破。這些成果不僅彰顯我國(guó)科研人員的智慧與努力，更對(duì)科技發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步乃至全球科研格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從基礎(chǔ)科學(xué)理論的重大創(chuàng)新，到關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的突破，十大進(jìn)展覆蓋多學(xué)科領(lǐng)域，是我國(guó)科研實(shí)力的集中體現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)原子級(jí)特征尺度與可重構(gòu)光頻相控陣的納米激光器
主要完成人：北京大學(xué)物理學(xué)院教授 馬仁敏
提出奇點(diǎn)色散方程
建立介電體系突破衍射極限理論框架
成功研制出模式體積最小的激光器
——奇點(diǎn)介電納米激光器
將激光器的特征尺度
推進(jìn)至原子級(jí)別
該研究提出了奇點(diǎn)色散方程，在介電體系突破了光學(xué)衍射極限，研制出了原子級(jí)特征尺度的介電納米激光器；實(shí)現(xiàn)了納米激光器可重構(gòu)光頻相控陣，能夠以任意圖形生成可重構(gòu)的陣列化相干激射，展現(xiàn)了其在集成光子學(xué)、微納光源陣列和光通信領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，為信息技術(shù)領(lǐng)域提供了一種新的光源。
奇點(diǎn)介電納米激光器示意圖（a），激光器電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖（b）
20世紀(jì)的四大發(fā)明中，晶體管和激光器占據(jù)重要地位。晶體管依托電子，激光器依托光子。電子和光子作為兩類基本粒子，均可用于承載能量與信息。電力的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了工業(yè)革命和現(xiàn)代化進(jìn)程，極大提升了社會(huì)生產(chǎn)力；而作為信息載體的電子芯片，則催生了信息技術(shù)革命，引領(lǐng)人類邁入數(shù)字化時(shí)代。自1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼成功研制出首臺(tái)激光器以來(lái)，激光技術(shù)便在兩個(gè)極端方向上不斷拓展：一方面，向超高功率發(fā)展，例如用于可控核聚變的中國(guó)神光激光裝置。正如錢學(xué)森先生形象地描述，這一技術(shù)相當(dāng)于在地球上創(chuàng)造一個(gè)“小太陽(yáng)”，未來(lái)有望提供穩(wěn)定而持久的清潔能源。另一方面，激光器的微型化趨勢(shì)日益加速。正如晶體管的微縮推動(dòng)了電子芯片的發(fā)展，微型激光器的進(jìn)步極大促進(jìn)了光子技術(shù)的革新。
將激光器的研制推進(jìn)至原子級(jí)別，標(biāo)志著激光光場(chǎng)在空間維度的壓縮達(dá)到了新的極限，其尺度已逼近原子結(jié)構(gòu)，為激光技術(shù)的未來(lái)發(fā)展開辟了新的方向。一方面，具備極端局域化光場(chǎng)的納米激光器具有高能效與高集成度的優(yōu)勢(shì)，有望發(fā)展成為信息技術(shù)領(lǐng)域的新一代光源，推動(dòng)低能耗數(shù)據(jù)通信以及納光電子集成芯片的創(chuàng)新與實(shí)際應(yīng)用；另一方面，直接在原子尺度上產(chǎn)生相干光場(chǎng)，有可能催生極限分辨率的新型光學(xué)成像技術(shù)，為DNA和RNA等生物分子的直接觀測(cè)開辟新途徑；此外，在基礎(chǔ)物理研究方面，極端局域化的光場(chǎng)能顯著增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，為腔量子電動(dòng)力學(xué)、非線性光學(xué)與量子光學(xué)等前沿領(lǐng)域提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
他們還基于納米激光器構(gòu)建了可重構(gòu)光頻相控陣，使得納米激光器陣列可以同步起舞，生成可重構(gòu)的任意相干激射圖案。
基于納米激光器的可重構(gòu)光頻相控陣。莫爾納米激光器陣列可以“P”“K”“U”和 “中”“國(guó)”圖形生成陣列化相干激射。由于莫爾平帶的本征能量簡(jiǎn)并特性，任意形狀的莫爾納米激光器陣列均能夠通過(guò)自發(fā)相位鎖定產(chǎn)生相干激射
相關(guān)研究論文分別發(fā)表于2023年12月13日的《自然》（Nature）[624: 282—288]和2024年7月17日的《自然》[632, 287—293]。《自然》專題報(bào)道認(rèn)為，該研究為探索更小、更智能、更強(qiáng)大的激光光源開辟了道路（Nature624, 260—261, 2023）。《自然·材料》（Nature Materials）綜述文章評(píng)價(jià)該成果，實(shí)現(xiàn)了激光研究領(lǐng)域長(zhǎng)期追求的一個(gè)目標(biāo)（Nature Materials23, 1179—1192, 2024）。
馬仁敏，北京大學(xué)博雅特聘教授、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，長(zhǎng)期專注于微納激光物理與器件研究。在激光微型化機(jī)理與器件、極端尺度下光與物質(zhì)相互作用等前沿領(lǐng)域取得了一系列具有國(guó)際影響力的成果。擔(dān)任國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)總體專家組成員，曾獲科學(xué)探索獎(jiǎng)、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)王大珩光學(xué)獎(jiǎng)、王選青年學(xué)者獎(jiǎng)、全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)、葉企孫實(shí)驗(yàn)物理一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)，并于2019至2021年連續(xù)三年獲評(píng)北京大學(xué)優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)教師。
獲獎(jiǎng)成果論文作者：馬仁敏（中）、歐陽(yáng)云浩（左一）、欒弘義（右二）、趙紫薇（左二）和毛文志（右一）
馬仁敏（右）、欒弘義（中）、歐陽(yáng)云浩（左）在實(shí)驗(yàn)室
馬仁敏（右）與毛文志（左）在實(shí)驗(yàn)室
額外X染色體多維度影響男性生殖細(xì)胞發(fā)育
主要完成人：?jiǎn)探堋⒃i、閆麗盈、魏瑗
對(duì)患者胎兒期的生殖細(xì)胞
展開了深入研究
揭示了額外X染色體的
活性狀態(tài)、轉(zhuǎn)錄特征
和影響生殖細(xì)胞發(fā)育的機(jī)制
突破性提出
改善克氏綜合征患者
生殖細(xì)胞發(fā)育障礙的潛在方法
為患者帶來(lái)新希望
該研究發(fā)現(xiàn)克氏綜合征患者的生殖細(xì)胞早在胎兒期就已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的發(fā)育阻滯，并揭示了這類患者的額外X染色體損害生殖細(xì)胞發(fā)育的多維度機(jī)制。這一成果為克氏綜合征患者生殖細(xì)胞發(fā)育缺陷的機(jī)制提供了重要見解，為該疾病的早期治療提供了重要的理論依據(jù)。
蛋白/RNA/DNA三重?zé)晒庠粰z測(cè)技術(shù)和空間統(tǒng)計(jì)學(xué)算法
克氏綜合征患者FGC發(fā)育異常機(jī)制示意圖
2024年10月30日，北京大學(xué)第三醫(yī)院婦產(chǎn)科喬杰/袁鵬/閆麗盈/魏瑗團(tuán)隊(duì)合作在《自然》發(fā)表了題為“How the extra X chromosome impairs the development of male fetal germ cells”的研究文章。
人類性染色體存在差異：男性為XY，女性為XX。X染色體包含約1000個(gè)基因，而Y染色體僅有約50個(gè)基因。為維持X染色體基因表達(dá)的平衡，女性細(xì)胞會(huì)隨機(jī)失活一條X染色體。若這種平衡被打破，可能引發(fā)疾病。例如，克氏綜合征患者性染色體為XXY，是導(dǎo)致男性不育最常見的遺傳病因之一，其生殖細(xì)胞在青春期前就大量丟失。盡管其病因在1959年就已確定，但生殖細(xì)胞丟失之前發(fā)生了什么、何時(shí)出現(xiàn)發(fā)育異常，以及X染色體如何發(fā)揮作用，此前并不清楚。
北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)揭開了這些謎團(tuán)。他們的研究發(fā)現(xiàn)，克氏綜合征患者的生殖細(xì)胞早在胎兒期就已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的發(fā)育阻滯，并且從多維度揭示了其中的機(jī)制：在克氏綜合征患者的生殖細(xì)胞中，額外X染色體未失活，導(dǎo)致X染色體基因表達(dá)過(guò)量，從而引發(fā)了與維持細(xì)胞幼稚狀態(tài)相關(guān)的基因（如WNT和TGF-β通路、多能性、有絲分裂基因）表達(dá)上調(diào)，而與生殖細(xì)胞分化相關(guān)的基因（如減數(shù)分裂、piRNA代謝、癌睪基因）表達(dá)下調(diào)，最終導(dǎo)致發(fā)育阻滯。此外，支持細(xì)胞與生殖細(xì)胞之間遷移相關(guān)的信號(hào)異常，阻礙了生殖細(xì)胞向睪丸索基底部遷移，加劇了發(fā)育阻滯。
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)抑制TGF-β通路可以促進(jìn)克氏綜合征胎兒生殖細(xì)胞分化，從而為克氏綜合征不育癥的早期治療提供重要的理論基礎(chǔ)。
北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探茉菏勘硎荆骸氨狙芯坎粌H揭示了X染色體劑量異常影響克氏綜合征胎兒生殖細(xì)胞發(fā)育的潛在機(jī)制，也豐富了對(duì)正常胎兒生殖細(xì)胞發(fā)育基本規(guī)律的理解，最為關(guān)鍵的是還提出了治療克氏綜合征無(wú)精子癥的潛在新策略。此成果的發(fā)表，不僅得益于團(tuán)隊(duì)在生殖發(fā)育領(lǐng)域長(zhǎng)期的研究積淀，更離不開青年科研人才不斷探索、勇攀高峰的精神和闖勁。我們將繼續(xù)深入探究生殖細(xì)胞發(fā)育的生理和病理機(jī)制，為生殖障礙相關(guān)疾病的診斷與治療持續(xù)貢獻(xiàn)北大力量。”
研究團(tuán)隊(duì)合影
北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探芙淌凇⒃i副研究員、閆麗盈教授、魏瑗教授為該論文的共同通訊作者，盧永杰博士后、秦萌博士、賀麒龍博士后、花凌月博士和齊心童博士為共同第一作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程以及北京大學(xué)第三醫(yī)院臨床隊(duì)列建設(shè)項(xiàng)目資助。
