进入21世纪以来，中国基础研究可谓精彩纷呈，群星璀璨：在量子通信领域建成世界首个全通型量子通信网，让我们通信更安全；利用诱导性多能干细胞培育出活体小鼠，让我们对生命的认识更进一步……
    我们从未停止向未知世界、向前沿领域更深更广的探索，远到浩瀚宇宙，近到衣食住行，大到庞然大物，小到纳米尺度的微观世界。这一远一近，一大一小，昭示了我们人类生存的浩淼空间，更显示了科技创新的广阔天地。 
    我国基础研究的成就，不仅丰富了人类的知识宝库，还为提升我国在国际学术界的地位，为科学的发展和繁荣做出了重要贡献。本版撷取若干重大基础研究成果，虽是挂一漏万，但相信读者可从中一窥中国基础研究十年发展的概貌。
    ——编者  

    破解水稻生长的 “基因密码”
    水稻是人类赖以生存的最重要的粮食作物之一，这一古老的农作物不断焕发着新的生命力，养育着世界一半以上的人口。我国水稻种植历史最为久远。新中国成立以来，为了解决我国粮食紧张问题，我国科学家在水稻育种方面做出了杰出的贡献。
    上世纪60年代，以黄耀祥为代表的老一代科学家克服重重困难，培育出全世界第一个矮秆釉稻高产品种——“广场稻”，使我国水稻产量提高了30%，黄耀祥被誉为“半矮秆水稻之父”，这是我国水稻科技革命的第一次重大飞跃。70年代，以袁隆平为代表的科学家培育成功的三系杂交水稻，又比矮秆水稻产量提高20%，袁隆平被誉为“杂交水稻之父”，这是我国水稻科技革命的第二次重大飞跃。
    进入新世纪，以李家洋为代表的一批科学家瞄准世界水稻育种科学难题长期潜心研究，在水稻理想株型发育的基因调控方面取得重大进展，为塑造水稻理想株型、培育超级水稻品种奠定了基础，将使水稻产量显著提高，成为继矮秆水稻和杂交水稻之后的又一次水稻育种重大突破。
    随着我国水稻基础研究的深入，遗传学家已可从分子水平上来确定基因型的结构，分子育种的时代已经来临。在水稻基因组序列中蕴藏着水稻高产优质、味美色香的关键因素，包含着无数抗病抗虫、耐寒耐涝、抗倒伏等优良性状的遗传信息。解析水稻基因组序列，是改进水稻品质、提高水稻产量必不可少的前提。近几年，973计划等基础研究项目在相关研究中取得了一系列巨大突破。
    水稻功能基因组研究取得重要进展。2008年，中国科学家克隆了一个对水稻每穗粒数、株高和生育期均有重要作用的多效性基因Ghd7，它编码一个含有CCT结构域的蛋白质，该蛋白不仅参与了开花的调控，而且对水稻的生长、发育和产量性状的形成都有重要作用。同时该基因与水稻品种的生态地理适应性有密切的关系。在水稻株型调控的分子机理研究方面取得突破，克隆了分蘖角度控制基因LA1和TAC1，水稻分蘖数目和分蘖角度是决定水稻株型并与产量密切相关的重要农艺性状。以往的研究仅限于表型描述、生理检测，对其调控机理的研究几乎还是空白。LA1和TAC1等基因的克隆和功能研究是水稻株型调控方面的突破性进展，为水稻育种奠定了坚实基础。
    在水稻功能基因的研究中，我国科学家克隆了一批水稻的功能基因并明确了其作用机制，如决定水稻分蘖产生的基因，株高和穗粒数多效性基因，决定谷粒长度的基因，抗稻瘟病基因，耐盐基因等等。这些基因的研究成果为水稻的遗传改良奠定了理论基础。
    今后，利用水稻全基因组测序成果，在主要农艺性状基因功能明确的基础上，通过有利基因的剪切、聚合，科学家可以培育出在产量、米质、抗性等多方面突破的超级稻新品种。在改变水稻品种遗传基础单一，实现水稻育种的第三次突破的过程中，基因技术还大有可为。

    在量子通信中“纠缠”出“中国创造”
    2010年6月1日出版的《自然·光子学》，封面论文发表了一个里程碑似的成果——来自中科大和清华的联合研究团队，在河北怀来和北京八达岭之间分发了一对纠缠光子。16公里！这是目前国际上量子密钥分发的最大距离。这代表中国又向量子保密通信前进了一大步。
    量子保密通信是利用量子纠缠原理实现的，尽管国际上早已提出该理念，但目前还不能实用，原因是很难让一对纠缠粒子在长距离上保持稳定。不过近年来，中国科学家一直在努力刷新量子传输的距离纪录。2010年中科大和清华团队成功地在16公里长度实现量子传输，这证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，其纠缠特性仍然能够保持。这样的话，用卫星传输纠缠光子就完全可能实现。这是量子通信技术走向实用的重要一步。
    从2004年开始，我国的量子通信研究水平领跑世界，当年中国首次实现了五粒子纠缠态的制备与操纵，并利用五光子纠缠源在实验上演示了“终端开放”的量子态隐形传输，被美国物理学会和欧洲物理学会同时评选为2004年度国际物理学十大进展之一。
    同样在2004年，在北京与天津之间成功实现了125公里光纤的点对点的量子密钥分配，解决了量子密码系统的稳定性问题。2007年，在北京商用光纤上实现了40公里范围内四用户的城域量子通信网络。2009年，国庆60年之际，在关键区域之间也构成绝对安全的实时语音密量子通讯热线。 
    量子保密通信的原理是什么呢？无论是军队用的电报密码本，还是银行用的口令本，总有被人截获的危险。然而，靠着量子纠缠的同步性，科学家就可以给出一个无法窃取的一次性的密钥。
    只要制造一对量子纠缠的粒子A和B，分别给信息的传送人和接收人，这对粒子就好像古代战争用的虎符一样，总是严格吻合。由此，发信人和收信人可以确保拿到同一个数值——这就是密钥。有了密钥，就可以把信息加密发出去了。
    量子密钥不可能被半路侦测，因为量子态脆弱到极限，一测量就崩溃。偷窥者拿不到密钥（解密算法），对任何加密的信息都束手无策。
    由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题。
    国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究，并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案，但是没有一个是能用现有技术实现的。潘建伟等我国科学家发现了可行的量子纠缠态纯化的方案，原则上解决了目前在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价。
    量子通信研发的国际竞争非常激烈，有科学家提出，未来5到10年将实现千公里级的量子通信，包括多节点量子通信网络和基于卫星的量子通信。在欧洲和日本都有一系列的计划来做这些工作，而中国在这方面已有很好的基础。

    铁基超导材料研究将中国物理学推向前沿
    如果一种材料的电阻能达到0，就称之为超导材料。假如超导材料能够大规模应用，很多神奇的设想就能成真。可惜目前发现的任何一种超导材料，都必须降到很低的温度（只比绝对零度高几十度），才表现出超导性。相对而言，从1986年开始，科学家发现的一系列铜氧化物不需要太低的温度就能超导，被叫做“高温”超导材料。自那以后，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点。 
    然而对于铜基超导材料的高温超导机制，物理学界仍未形成一致看法，这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。因此很多科学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够使高温超导机制更加明朗。
    能不能找到铜氧化物之外的高温超导材料呢？2008年几位中国科学家发现，许多含铁的化合物也有高温超导性质。这被世界物理学界认为是高温超导研究领域的重大进展。
    2008年3月25日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组报告说：氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文（零下230.15摄氏度）时变成超导体。3天后，中科院赵忠贤小组报告，氟掺杂镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达52开尔文；假如施以压力，其超导临界温度可进一步提升至55开尔文。此外，中科院闻海虎小组报告说，锶掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为25开尔文。
    这些铁基高温超导材料的发现，引起了超导学界的热议。接下来，中国科学家在铁基超导体超导电性与机理研究方面，也做出了极大的贡献，率先发现样品具有多带特性。铁基超导体的磁通相图具有极高的上临界场和临界电流密度，揭示了铁基超导体应用前景。另外，中国科学家在超导配对对称性以及超导能隙研究等物理研究方面还做出了很多开创性工作。
    我国科学家研究铁基超导材料的成就被选入2008年美国《科学》杂志的十大科技进展，国内基础研究十大新闻，部分科学家因为铁基超导体获得2009年香港求是杰出科技成就集体奖。
    今年是超导现象发现100周年。前不久中国科学家发现铁基材料的超导机理同过去的高温超导材料不同，从新的机制出发，有可能预言一些超导物质，这为寻找超导温度更高的铁基材料提供了新的启示。 
    尽管对新老两类材料的高温超导机制是否一样还没有明确答案，但目前科学家们都认同一点，那就是新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。20年来，铜氧化合物一直是研究热点，但用这种陶瓷性金属氧化物来做超导导线，延伸性不够。相比而言，铁基超导物有优势，它不含氧，而是和两个元素形成的合金。下一步，科学家们将着眼于合成由单晶体构成的高品质铁基高温超导材料。

    “小小”为中国干细胞研究赢得话语权
    一只名为“小小”的小老鼠诞生引起了大大的震动。因为它是中国科学家首次利用诱导多功能干细胞即iPS细胞克隆出的活体实验鼠，从而证实iPS细胞与胚胎干细胞一样具有全能性。这项研究的完成，避免了使用胚胎干细胞引发的伦理争议，在器官移植、基因治疗方面具有重要意义。外媒称这“为克隆成年哺乳动物开辟了全新道路”。
    干细胞是生物体中最原始的细胞，它可以分化为不同器官的细胞，就好像树干能够分出许多枝条。人们希望利用人类干细胞的无限潜力来治疗疾病——用患者的干细胞发育出新器官，替换生病的器官。
    干细胞过去取自胚胎，这就使科学研究受到了伦理学上的限制。自2006年以来，iPS细胞成为干细胞领域的研究热点——如果能将正常体细胞逆转编程，变成“诱导式多能干细胞”。那么这种iPS细胞可以同胚胎干细胞媲美，又没有伦理学障碍。
    证实iPS细胞全能性的，是几位中国科学家。在973计划和“发育与生殖研究”国家重大科学研究计划的支持下，周琪和上海交通大学医学院曾凡一研究员，利用iPS细胞通过四倍体补偿实验，成功获得了27只成活的健康小鼠。研究人员将第一只小鼠命名为“小小”，从而在世界上第一次证明了iPS细胞的全能性。
    他们使用老鼠皮肤细胞中发现的成纤维细胞，制造了37株iPS细胞，并给其中的6株iPS细胞系注射了1500多个四倍体胚胎，最终3株iPS细胞系获得27个活体小鼠。经多种分子生物学技术鉴定，证实该小鼠确实从iPS细胞发育而成，有些小鼠已发育成熟并繁殖后代。
    2009年7月23日，《自然》杂志在线刊发了这一成果，并于7月22日专门组织了新闻发布会，向全球30多家重要媒体公布我国科学家的这项研究成果。《自然》报道称，中国科学家“为克隆成年哺乳动物开辟了一条全新道路”，并指出“该方法比传统克隆方法更高效、更安全”，“在克隆研究的道路上，‘小小’接过了克隆羊‘多莉’点燃的火炬”。这项成果被美国《时代周刊》评为2009年全球十大生物医学进展之一。
    iPS细胞研究中的一个限制性瓶颈就是转化效率过低。我国科学家在研究体细胞的重编程过程中，发现细胞内发生能量代谢变化的时候会产生大量的活性氧成分，这些成分能导致细胞老化，可能是造成诱导多能干细胞转化效率低的原因。因此他们另辟蹊径，将研究的着眼点从细胞内移到细胞外，将研究重点放到了细胞外环境——培养基成分上。他们在培养基里添加抗氧化剂来提高体细胞重编程效率的实验，并且发现了维生素C提高iPS细胞诱导效率的神奇作用。该项成果在世界干细胞权威杂志《细胞·干细胞》发表，并且被选为封面文章，这是来自中国的科研成果第一次获此殊荣。

    四代科学家风雨接力《中国植物志》
    写一本书，有时会耗尽一个人的毕生心血；而《中国植物志》从酝酿到付梓，却经历了四代科学家80多年风雨的接力前行……
    陈心启研究员，《中国植物志》的副主编，已经年过八旬。然而他自称，在这前赴后继、薪火传承的事业中，自己的辈分也只能算是“徒孙”级别。
    41年准备，45年编研，146个单位参加，312位作者，164位绘图人员……当无限绵长的时光流逝和人生恨短的个体命运更替交错，经纬交汇成这部旷世巨著时，它所承载的厚重与感喟，就很难用言语表达了。“每个人仅仅只是一个符号。”陈心启说。
    早在20世纪20年代，老一辈植物学家开始研究中国植物。
    植物志既是记载植物“身份”的“户口簿”，又是全面记录植物特征的“信息库”。但限于当时的条件，特别是在标本、文献资料、经费、协作等方面存在诸多困难，这一愿望直到新中国成立以后才得以实现。《中国植物志》的编研工作于1959年正式启动。可是，1959年至1976年18年中仅出版4卷册，占总卷册数的3.2%。改革开放之后，编研工作加快了步伐，2004年全部出版。
    《中国植物志》详细记载了中国全部已知植物“户口信息”，这包括科学名称、形态特征、系统位置、地理分布、海拔高度、生态环境、物候期以及经济用途等重要科学价值的信息。
    主编吴征镒曾说过：“《中国植物志》的编研，像唐僧西天取经一样，是经过九九八十一难才完成的。”兹事体大，乃至世界上许多国家至今仍未完成本国植物志的编纂工作。
    做此工作，首先，研究者要皓首穷经，追根溯源，查原始文献。“上至神农尝百草，以及18、19世纪西欧的文献”，陈心启说，研究者要了解浩如烟海的前人论著，研究保藏于世界各国标本馆中的中国植物标本，特别是前人命名中国新植物的凭证，即模式标本。
    研究植物，不仅要读破万卷书，更要行走万里路。“案头”与“脚下”功夫具备，是植物志编撰者的基本功。他们要用脚板去发现，去对国内各地区特别是空白地区进行反复考察与采集，积累必要科学资料、信息和标本以供研究；还要充分了解邻近国家或地区的植物，进行对比研究。弄清一个科的植物，要花费几年甚至几十年的岁月。
    此前，世界上已出版的最大型植物志《苏联植物志》仅仅25卷，还花了20余年时间。而《中国植物志》总计80卷126册，记载中国维管束植物300个科、3408个属、31142种，并提出了一些类群的新分类系统，被称为中国植物资源的“国情报告”。它也是世界上已出版的植物志中种类最多、篇幅最大、图版最多的一部巨著。
    为什么要做如此复杂的工作？“我们的衣食住行都离不开它。”陈心启以水稻为例，袁隆平搞超级水稻，需要挑选野生水稻以供杂交，培育新品种，那就需要摸清我国野生稻的种类、分布情况等各种详细信息。《中国植物志》就是能够提供中国各种植物资源的百科全书。

（科技日报）