【科學(xué)向未來】

編者按

近日，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學(xué)院文獻情報中心和科睿唯安公司聯(lián)合發(fā)布《2019研究前沿》和《2019研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》，遴選出2019年自然科學(xué)和社會科學(xué)十大學(xué)科領(lǐng)域中排名最前的100個熱點前沿和37個新興前沿，本期摘登報告的部分內(nèi)容。

作者：中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院《2019研究前沿》及《2019研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》報告研制組

農(nóng)業(yè)、植物學(xué)和動物學(xué)

熱點前沿主要分布在植物生理調(diào)控機制、作物性狀改良、除草劑抗性、植物活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能、農(nóng)田土壤污染修復(fù)、家畜胃腸道消化、農(nóng)用無人機等研究方向。植物生理調(diào)控機制方向今年熱點前沿分別是調(diào)控植物生長和防御的茉莉酸信號傳導(dǎo)機制，植物自噬的分子調(diào)控機理研究，植物細胞壁中纖維素合成與結(jié)構(gòu)研究及其與木聚糖的互作，植物光形態(tài)發(fā)生的調(diào)控機制。作物性狀改良和除草劑抗性兩個方向今年的熱點前沿是植物生物刺激劑促進蔬果作物生長和提高抗逆性的作用，草甘膦除草劑抗性研究。植物活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能、農(nóng)田土壤污染修復(fù)、家畜胃腸道消化、農(nóng)用無人機是今年新出現(xiàn)的熱點前沿研究方向，對應(yīng)的前沿分別是植物活性多糖的結(jié)構(gòu)和功能研究，生物炭對農(nóng)田土壤重金屬鎘污染的修復(fù)作用，牛瘤胃微生物組與腸道甲烷排放研究，無人機系統(tǒng)在作物表型分析中的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)、植物學(xué)和動物學(xué)的新興前沿是水稻OsAUX1基因低磷條件下促進根毛伸長的機理研究。

化學(xué)與材料科學(xué)

熱點前沿主要分布在有機合成、電化學(xué)合成、先進材料、機器學(xué)習(xí)在本領(lǐng)域的應(yīng)用等研究方向。其中，一半熱點前沿曾入選《研究前沿》報告，一半是首次進入，表現(xiàn)出既有延續(xù)又有發(fā)展的特點。有機合成方向今年有4個熱點前沿，分別是過渡金屬催化的電化學(xué)促進的碳氫鍵官能團化反應(yīng)，過渡金屬催化的酰胺碳氮鍵活化，鉗形錳絡(luò)合物有機催化劑，分子機器。電化學(xué)合成方向今年有2個熱點前沿，除了前述電化學(xué)用于碳氫鍵官能團化反應(yīng)，還有電化學(xué)合成氨。先進材料方向今年有4個熱點前沿，分別是無鉛鈣鈦礦吸光層材料，高能量密度聚合物納米復(fù)合材料，有機超長磷光材料，界面光蒸汽轉(zhuǎn)化。機器學(xué)習(xí)在本領(lǐng)域的應(yīng)用方向今年有1個熱點前沿：機器學(xué)習(xí)預(yù)測分子性質(zhì)?；瘜W(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域有5個新興前沿，分別是半導(dǎo)體聚合物用于光熱治療，采用遠端遷移策略實現(xiàn)非活化烯烴的雙官能團化，鉍系光催化劑，雜原子摻雜的碳納米材料用于鋅空氣電池，氧氣作為氧化劑和氧源用于合成含氧化合物。

天文學(xué)與天體物理學(xué)

熱點前沿體現(xiàn)出與空間科學(xué)任務(wù)平臺高度相關(guān)的特點。其中，引力波方向今年有3個熱點前沿，分別是對雙中子星并合引力波事件GW170817的多信使觀測，對雙黑洞并合引力波事件的觀測和理論研究，標(biāo)量—張量引力修正理論及引力波事件的影響。其他熱點前沿分別是基于“阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列”“甚大望遠鏡”等對原行星盤的觀測研究，快速射電暴的觀測和理論研究，通過多種方法測量哈勃常數(shù)，南極“冰立方中微子天文臺”和“費米伽馬射線空間望遠鏡”對高能中微子和伽馬射線的觀測研究，對銀心伽馬射線超出現(xiàn)象的多種理論解釋，利用宇宙流體動力學(xué)模擬方法研究星系形成演化，利用“哈勃空間望遠鏡”開展宇宙早期暗淡星系性質(zhì)研究。天文學(xué)與天體物理領(lǐng)域有3個新興前沿，分別是昴星團望遠鏡主焦點相機戰(zhàn)略計劃及其巡天觀測發(fā)現(xiàn)，基于21厘米超精細譜線觀測研究早期宇宙中的暗物質(zhì)，基于引力波多信使觀測約束中子星的質(zhì)量、半徑和狀態(tài)方程。

生態(tài)與環(huán)境科學(xué)

熱點前沿主要分布在污水處理技術(shù)、水中污染物分析分離技術(shù)、環(huán)境污染物的環(huán)境特征與風(fēng)險研究、宏觀大尺度的生物圈和生態(tài)系統(tǒng)的變化與風(fēng)險等研究方向。其中，污水處理技術(shù)方向今年的熱點前沿分別是活性污泥消化技術(shù)的機理、工藝與影響因素，消化過程中微生物種間電子轉(zhuǎn)移的機理及應(yīng)用，厭氧氨氧化技術(shù)及在污水處理中的應(yīng)用。水中污染物分析分離技術(shù)方向今年的熱點前沿是利用納米復(fù)合材料吸附去除水中有毒金屬離子，金屬有機框架材料去除水中污染物，用于分析分離液體中有毒物質(zhì)及生物活性物質(zhì)的新型材料的制備與功能。環(huán)境污染物的環(huán)境特征與風(fēng)險研究方向今年的熱點前沿有內(nèi)分泌干擾物的環(huán)境特征、人體暴露與健康風(fēng)險。宏觀大尺度的生物圈和生態(tài)系統(tǒng)的變化與風(fēng)險方向今年熱點前沿是地表植被覆蓋變化對氣候的影響，全球尺度外來物種入侵監(jiān)測及影響分析，磷排放及藍藻水華的污染和健康風(fēng)險。生態(tài)與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的新興前沿是環(huán)境污染物對腸道微生物菌群的影響。

生物科學(xué)

熱點前沿主要分布在藥物開發(fā)、衰老研究、合成生物學(xué)、細菌耐藥機制、T細胞等研究方向。其中，藥物開發(fā)方向熱點前沿分別是誘導(dǎo)蛋白降解的小分子PROTACs，3D打印醫(yī)療藥物，綠色合成納米顆粒在防治蚊媒疾病和癌癥中的應(yīng)用。衰老研究方向熱點前沿分別是衰老和年齡相關(guān)疾病中的細胞衰老：從機制到治療，DNA甲基化與衰老表觀遺傳時鐘理論，一種新的細胞死亡模式——鐵死亡。合成生物學(xué)方向熱點前沿是一種靶向RNA的新型CRISPR基因編輯系統(tǒng)——Cas13，人工合成基因組。細菌耐藥機制和T細胞方向今年各有1個熱點前沿，分別是質(zhì)粒介導(dǎo)的多粘菌素抗性基因，組織駐留記憶T細胞及其腫瘤免疫保護機制。生物科學(xué)有6個新興前沿：環(huán)狀RNA作為癌癥新的生物標(biāo)志物，用于疾病建模和藥物篩選的腫瘤近生理類有機物培養(yǎng)系統(tǒng)，F(xiàn)OXO蛋白轉(zhuǎn)錄因子在癌癥中的新作用，新一代超敏XpertMTBRIFUltra檢測法快速檢測結(jié)核病，巨型病毒的翻譯機制，單細胞水平下的細胞譜系追蹤。

地球科學(xué)

熱點前沿主要分布在固體地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)、氣候變化、地球化學(xué)等研究方向。其中，固體地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)方向今年有6個熱點前沿，分別是磁層多尺度任務(wù)科學(xué)研究進展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測太陽輻射中的應(yīng)用，大型地震復(fù)雜破裂過程及走滑機制研究，地下流體注入誘發(fā)美國多地地震機理研究，利用“好奇號”開展蓋爾隕石坑的巖石礦物學(xué)研究，歐洲和中東地區(qū)地震數(shù)據(jù)庫與地面運動模型。氣候變化方向今年有3個熱點前沿，分別是利用CESM模式和RCP8.5情景研究全球氣候變化，利用熱帶降雨測量任務(wù)和全球降水測量任務(wù)開展全球多地區(qū)降水分析，元古代時期大氣和海洋的氧化作用。地球化學(xué)方向今年有1個熱點前沿：中國主要礦藏重金屬地理累積情況與環(huán)境風(fēng)險管控。地球科學(xué)領(lǐng)域的新興前沿是熱損傷對巖石力學(xué)特性的影響研究。

數(shù)學(xué)、計算機、工程學(xué)

熱點前沿分別是高階非線性薛定諤方程孤子解求解及其在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用，基于D數(shù)理論、DEMATEL方法、TOPSIS理論的決策方法研究，水下瞬態(tài)空化湍流的數(shù)值模擬研究，無人機中繼網(wǎng)絡(luò)的部署和軌跡優(yōu)化，時滯系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法研究，高溫構(gòu)件壽命預(yù)測及可靠性評估，氧化鎵材料生長及器件研制，云計算環(huán)境中的數(shù)據(jù)安全，非正交多路訪問網(wǎng)絡(luò)，電動汽車用鋰離子電池的荷電狀態(tài)估計。

數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、工程學(xué)領(lǐng)域有5個新興前沿，分別是時間分數(shù)階發(fā)展方程求解，基于最小二乘的迭代參數(shù)估計算法及其應(yīng)用，馬爾可夫跳躍系統(tǒng)的H-infinity控制，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在磁共振圖像處理中的應(yīng)用，工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能城市。

臨床醫(yī)學(xué)

熱點前沿主要分布在慢病管理及新技術(shù)應(yīng)用、疾病新機制發(fā)現(xiàn)、影像診斷新技術(shù)與安全性、腫瘤免疫療法、生物技術(shù)藥臨床應(yīng)用等研究方向。其中，慢病管理及新技術(shù)應(yīng)用方向今年有4個熱點前沿，分別是高血壓降壓治療后的血壓與心血管事件轉(zhuǎn)歸，連續(xù)血糖監(jiān)測與人工胰腺系統(tǒng)用于糖尿病管理，藥物基因組學(xué)技術(shù)指導(dǎo)PCI術(shù)后抗血小板治療，支氣管擴張癥臨床特點與治療。疾病新機制發(fā)現(xiàn)方向今年有2個熱點前沿，分別是長鏈非編碼RNAPV1在腫瘤中的功能和作用機制，中樞神經(jīng)系統(tǒng)周細胞功能障礙在阿爾茨海默病中的作用。影像診斷新技術(shù)與安全性方向今年有2個熱點前沿，分別是Tau蛋白示蹤劑在神經(jīng)退行疾病PET中的結(jié)合特性，磁共振含釓造影劑腦部沉淀危害研究。腫瘤免疫療法和生物技術(shù)藥臨床應(yīng)用兩個方向今年各有1個熱點前沿，分別是PD-1/L1抗體腫瘤免疫治療不良反應(yīng)，英利昔單抗生物類似藥臨床療效和安全性。臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有11個新興前沿，分別是穩(wěn)定性冠脈病變行PCI的臨床效益，68Ga-PSMAPET/CT結(jié)果對前列腺癌管理模式的影響，新型口服降糖藥SGLT-2抑制劑降低2型糖尿病患者心血管事件風(fēng)險的真實世界研究，彌漫型大細胞淋巴瘤基因分型，溶瘤病毒助力腫瘤免疫療法，代謝正常肥胖與心血管疾病風(fēng)險，免疫檢查點抑制劑聯(lián)合用藥治療腎細胞癌的臨床1/2期研究，PD-L1表達分子調(diào)節(jié)機制及腫瘤免疫治療增強策略，非他汀降脂藥與心血管疾病風(fēng)險，DAAs藥物Glecaprevir/Pibrentasvir復(fù)方治療伴有或不伴有肝硬化的慢性丙肝療效與安全性，免疫治療時代腫瘤療效評估。

經(jīng)濟學(xué)、心理學(xué)及其他社會科學(xué)

熱點前沿分別是基于共享社會經(jīng)濟的預(yù)測問題研究，共享經(jīng)濟的若干問題研究，智能手機成癮的原因及對人身心健康的負面影響，偏好最小二乘結(jié)構(gòu)方程模型(PLS-SEM)及其應(yīng)用，大數(shù)據(jù)分析在商業(yè)管理中的應(yīng)用，能源消耗及碳排放的分解分析方法，在線眾籌背景下投資者行為研究，大腦功能結(jié)構(gòu)及連接模式的fMRI研究方法，多區(qū)域投入產(chǎn)出模型在世界經(jīng)濟和資源環(huán)境研究中的應(yīng)用，社會隔離(孤立)對人身心健康的影響。

經(jīng)濟學(xué)、心理學(xué)及其他社會科學(xué)領(lǐng)域有2個新興前沿，分別是“多屬性(目標(biāo))決策的一些新模型”和“工業(yè)4.0及其影響”。

物理學(xué)

熱點前沿主要分布在凝聚態(tài)物理、光學(xué)、理論物理、高能物理等研究方向。其中，凝聚態(tài)物理方向今年有4個熱點前沿，分別是量子自旋液體的理論和實驗研究，氮族二維材料銻烯、砷烯和鉍烯的特性研究，馬約拉納費米子研究，拓撲聲子晶體和拓撲聲學(xué)機制研究。光學(xué)方向今年有3個熱點前沿，分別是新型深紫外非線性光學(xué)晶體材料的合成和性質(zhì)研究，金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離激元性質(zhì)研究，光學(xué)原子鐘研究。理論物理方向今年有2個熱點前沿，分別是量子力學(xué)模型Sachdev-Ye-Kitaev模型研究，周期性驅(qū)動量子系統(tǒng)的特性研究。高能物理方向今年有1個熱點前沿：四夸克態(tài)和五夸克態(tài)的實驗和理論研究。物理學(xué)領(lǐng)域有2個新興前沿，分別是基于無時序相關(guān)函數(shù)的量子多體系統(tǒng)研究，B介子反常研究。

世界科研競爭的四個趨勢

(1)世界主要科技強國積極部署前沿科技研發(fā)，例如，中國和七國集團都在積極研究分子機器。

(2)各國積極通過科技創(chuàng)新解決面臨的社會挑戰(zhàn)，例如，沙特阿拉伯、新加坡等淡水資源緊張國家對界面光蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)很感興趣，韓國積極研發(fā)英利昔單抗生物類似藥以滿足患者減輕醫(yī)藥經(jīng)濟負擔(dān)的需求。

(3)各國在基礎(chǔ)前沿競爭激烈，例如，2012年荷蘭研究人員報道了在一維系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子態(tài)存在的證據(jù)，2016年中國研究人員報道了二維系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)馬約拉納費米子態(tài)存在的證據(jù)。

(4)國際合作有助于取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，例如，通過美國、歐洲、中國等國家和地區(qū)的70余個地基和天基天文臺聯(lián)合密集觀測，GW170817引力波事件被證實是由雙中子星并合所產(chǎn)生。

中國基礎(chǔ)研究亮點

近兩年，中國科學(xué)家在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域取得了諸多重要成果，列舉如下:

在農(nóng)業(yè)、植物學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了不遵循孟德爾遺傳規(guī)律的水稻自私基因和氮肥高效利用的關(guān)鍵基因GRF4，首次解析了硅藻捕光天線蛋白復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)。

在生態(tài)、環(huán)境、地球科學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)建了1997—2015年中國及省域二氧化碳排放清單，表明中國二氧化碳排放總量被高估了9%～18%。

在臨床科學(xué)領(lǐng)域，首次利用基因編輯造血干細胞治療艾滋病合并白血病患者，移植后患者的急性淋巴細胞白血病得到完全緩解，且未發(fā)生與基因編輯相關(guān)的不良事件。

在生物科學(xué)領(lǐng)域，成功克隆出“中中”“華華”兩只獼猴，填補了克隆靈長類動物的空白;成功改變了真核染色體的數(shù)目，人工創(chuàng)建出含有單條染色體的酵母細胞。

在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域，成功開發(fā)出一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑協(xié)同光催化體系，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的科學(xué)難題;合成了銫鉛溴鈣鈦礦納米晶閃爍體，可用于實現(xiàn)超靈敏X射線檢測。

在物理學(xué)領(lǐng)域，首次獲得了離子水合物的原子級分辨圖像，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星實現(xiàn)了距離達7600千米的洲際量子密鑰分發(fā)、開展了引力誘導(dǎo)量子糾纏退相干實驗檢驗。

報告的研究方法

研究報告首先把ESI數(shù)據(jù)庫的21個學(xué)科劃分到10個高度聚合的大學(xué)科領(lǐng)域中，然后對每個ESI學(xué)科中的研究前沿的核心論文，按照總被引頻次進行排序，提取排在每個ESI學(xué)科前10%的最具引文影響力的研究前沿，并將其整合到十大領(lǐng)域中。以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再根據(jù)核心論文出版年的平均值重新排序，遴選出每個領(lǐng)域中那些“最年輕”的研究前沿。

通過上述幾個步驟在每個大學(xué)科領(lǐng)域分別選出10個熱點前沿，共計100個熱點前沿。因為每個領(lǐng)域具有不同的特點和引用行為，有些學(xué)科領(lǐng)域中的很多研究前沿在核心論文數(shù)和總被引頻次上會相對較小，所以從十大學(xué)科領(lǐng)域中分別遴選出的排名前10的熱點前沿，代表各大領(lǐng)域中最具影響力的研究前沿，但并不一定代表跨數(shù)據(jù)庫(所有學(xué)科)中最大最熱的研究前沿。

為了選取新興的前沿，組成研究前沿的基礎(chǔ)文獻即核心論文的時效性是優(yōu)先考慮的因素，報告稱其為“新興前沿”。為了識別新興前沿，報告對研究前沿中核心論文的出版年賦予了更多的權(quán)重或優(yōu)先權(quán)，核心論文平均出版年在2017年6月之后的研究前沿才被考慮，將每個ESI學(xué)科的研究前沿按被引頻次從高到低排序，選取被引頻次排在前10%的研究前沿，然后各學(xué)科戰(zhàn)略情報研究人員經(jīng)過調(diào)研和評審，遴選出每個ESI學(xué)科中的新興前沿，并將其整合到十大領(lǐng)域中，從而遴選出了十大領(lǐng)域的37個新興前沿。因此，遴選不限定學(xué)科，37個新興前沿在十大學(xué)科領(lǐng)域中分布并不均勻。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)