2024年未来科学大奖获奖名单公布，长期主义者的胜利

撰文丨张天祁 严胜男

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数学与计算机科学奖

获奖者：孙斌勇

获奖理由：表彰他在李群表示论上的杰出贡献

孙斌勇，中国科学院院士，浙江大学数学高等研究院教授。孙斌勇的研究领域包括李群表示论、自守形式和朗兰兹纲领，特别在典型群无穷维表示论、L-函数及其相互联系的基本问题研究中取得了一系列重要成果。

前段时间，一个由 9 位数学家组成的团队成功证明了几何朗兰兹猜想（Geometric Langlands Conjecture），引起了整个数学界的关注。

朗兰兹纲领是现代数学的一个宏大构想，也被称为数学的大统一理论，包含众多命题。朗兰兹纲领提出，基础数学的三个方向数论、群表示论、代数几何之间存在非常密切的内在联系[1]。

孙斌勇的研究和朗兰兹猜想密切相关。在香港科技大学跟从导师励建书读博时，导师相继给了他三个朗兰兹纲领相关的重要方向，分别是自守形式与李群表示理论、Howe对偶猜想、表示论中的矩阵系数。并且告诉他，只要做出来其中一个就能毕业。

整个博士生涯，孙斌勇投入了全部精力在这些难题上。直至2004年博士毕业，孙斌勇没有在期刊上正式发表一篇论文，只有一篇博士论文。

最终，孙斌勇完成了第三个问题的研究，而对于其余两个问题，鉴于当时的时间限制和个人知识积累的程度，他选择暂时搁置[2]。然而，这些未竟的问题并未被遗忘，相反，它们成为了孙斌勇日后科研征途上着力攻克的重点。

毕业后，孙斌勇的研究仍然围绕着郎兰兹纲领进行，他把自己的研究重点放在突破“典型群无穷维表示论”中的重大问题上。典型群属于李群的一个子类，典型群表示论也是李群表示论的一个分支，它的无穷维表示论在朗兰兹纲领的中心对象L-函数研究中起重要作用[3]。

2008年，孙斌勇与合作者在阿基米德域情形证明了关于典型群无穷维表示的重数一猜想，标志着这一问题的完全解决。这一猜想在1980年代由一位美国科学院院士提出，是典型群无穷维表示论的基本问题之一。中科院数学院研究员王跃飞当时评价，“重数一定理的完全证明为典型群表示及其L-函数算术性质的进一步研究奠定了基础”[4]。

孙斌勇的第二个大突破，是完全证明典型群Theta对应理论的两个关键猜想：Howe对偶猜想（包含一一对应猜想和重数保守猜想两个论断）和Kudla-Rallis守恒律猜想。典型群的Theta对应理论，实质上是从典型群有限维表示中的经典不变量理论，向无穷维表示发展，在表示论和自守形式理论中有重要应用[5]。

其中，Howe对偶猜想也是孙斌勇博士时期未能完成的难题之一，为了证明这一难题，孙斌勇说自己“又想了六七年”。

下一个突破，仍然和孙斌勇博士阶段的积累有关，这次他在 L-函数算术研究中取得关键突破。L-函数是朗兰兹纲领中连接三大数学方向的纽带，数学界著名的七个“千禧年大奖问题”中有两个是关于L-函数的(黎曼假设和BSD猜想)。

目前最被广泛研究的周期积分有两类，分别叫Rankin-Selberg周期和线性周期。在用 Rankin-Selberg 周期对L-函数算术性质进行研究的过程中有一个被称为非零假设的障碍。

它最早由两位美国科学院院士 D.Kazhdan 和B.Mazur在 1970 年代提出。它断言作为分母出现在L-函数特殊值表达式中的一个局部zeta积分非零。《美国数学会杂志》审稿人指出非零假设是这个方向“所有工作中的一个根本难点[6]”。

孙斌勇利用自己博士学位论文的部分结果，以及先前与合作者证明的典型群重数一定理，完成了这个假设的证明。这项工作被国际同行称为“孙的突破”，在2014年韩国首尔举行的国际数学家大会（ICM）上的45分钟报告中，哥伦比亚大学教授Michael Harris指出：由于非零假设的证明，人们可以预计L-函数特殊值这个问题将在近年得到快速发展[7]。

如果只看经历和成绩，孙斌勇几乎处处快人一步。他在初中时以特招生的身份被高中提前录取。高中时，他获得全国数学奥林匹克竞赛一等奖，并提前一年被保送至浙江大学数学系。在2018年度国家科学技术奖励大会上，孙斌勇的“典型群表示论”项目被评为国家自然科学奖二等奖。2019年，42岁的孙斌勇当选为中国科学院数学物理学部院士，也是当年最年轻的院士[8]。

但孙斌勇却认为自己是一个慢性子。从求学时代开始，他在学习上从不求快，而是要弄懂书上的每一个概念、定义和定理的含义和推导过程。这种扎实仔细的风格，也融入了他自博士阶段起十余年来对朗兰兹纲领的持续深耕。

“做数学要慢一点，把每一步都走得非常扎实，一点一点进步，这样会走得比较远。”孙斌勇说[9]。

生命科学奖

获奖者：邓宏魁

获奖理由：表彰他开创的利用化学方法将体细胞重编成为多能干细胞，改变细胞命运和状态方面的杰出工作。

邓宏魁，北京大学生命科学学院教授、长江学者特聘教授，北京大学干细胞研究中心主任。长期以来致力于开发调控细胞命运的新方法和建立多潜能干细胞制备的全新底层技术。

多能干细胞(Pluripotent Stem Cells)是一类具有自我更新、自我复制能力的多潜能细胞，能够分化出多种人体细胞和组织。在细胞治疗、药物筛选和疾病模型等领域具有广泛的应用价值，是再生医学领域最为关键的“种子细胞”。

在蝾螈等动物体内，细胞具有强大的再生潜力，一旦组织遭受损伤，能够激活一套精密的再生基因程序促使细胞重建与修复。而哺乳动物的多潜能干细胞，只短暂存在于胚胎发育的早期阶段，随后很快会发育成身份与功能高度专业化的细胞，这更好地适应更为复杂的生命机能与组织稳定性，同时也限制了损伤后的自我修复能力。

如果能够通过特定方法，使高度分化的成体细胞重新获得类似胚胎发育早期的多潜能状态，那么就有可能制备出人的器官、组织、细胞，用于修补衰老、疾病、损伤或遗传带来的各类问题。如何逆转生命时钟，就是再生医学领域最重要的问题[10]。

1996年，克隆羊多莉诞生。研究团队利用体细胞核移植技术，将成年绵羊的体细胞核移植到去核卵母细胞中，通过适当的激活和培育条件使这个新的胚胎发育成了完整的动物个体。1998年，美国威斯康辛大学的研究人员首次建立了人胚胎干细胞系。

这两件发现震动了全世界，多莉的诞生证明，哺乳动物高度分化的体细胞也可以被逆转为早期胚胎的初始状态，并获得了发育为整个动物个体的能力。而人类干细胞的分离，也开启了对人类多潜能干细胞的研究。这让当时在国外学习免疫学的邓宏魁决定转向再生医学，他认定这就是自己未来想做的事[11]。

直到2006年，日本科学家山中伸弥使用转基因的方式将小鼠成体细胞重编程为多潜能干细胞，称为诱导多潜能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPS）。不需要经过胚胎发育，只需要放入调控基因表达的转录因子，就能将细胞的命运逆转。

看到日本科学家的方法，邓宏魁开始思考有没有更有效的方式实现目标。山中伸弥利用的是四种转录因子（生物大分子）对体细胞进行重编程，大分子无法进入细胞内部。而当时正在做化学生物学研究的邓宏魁，选择了能够自由进出细胞的化学小分子。

2010年，邓宏魁回国在北大建立实验室，在几乎白手起家的条件下取得了突破。2013年，邓宏魁课题组首次报道了完全通过小分子组合诱导小鼠体细胞重编程为多潜能干细胞（chemically induced pluripotent stem cells, CiPS)的方法，这种方法不依赖卵母细胞和转录因子等细胞内源物质，仅使用外源性化学小分子就可以逆转细胞命运。

这是人类第一次可以在不使用关键生物材料（如卵母细胞和转录因子）的情况下对细胞进行重编程。相比利用卵母细胞和转录因子的前两代技术，完全使用外源性化学小分子的重编程策略属于第三代技术，也是中国原创的底层技术[12]。

为了有效地调控细胞命运，需要协同调节多种信号和靶点。传统基于转录因子的重编程策略在协同调节的灵活度和作用时间方面都受到限制，而外源性的化学小分子不与基因组整合，可控性强，更为灵活，可以驱动细胞命运以分阶段的方式发生转变，能够提高可控性和标准化程度。

不过邓宏魁不满足于重编程方法的创新，他更大的目标是培养人多潜能干细胞。不过从小鼠到人的距离仍然很大，人类成体细胞特性和稳态调控的复杂性远高于小鼠成体细胞。

“当时我们想法比较简单，老鼠做成了，那人是不是就很容易做了？但这比我想象要难的多。”邓宏魁说。“进化程度越高，克服细胞稳态的难度就像跳高，又高出了一截。”

自2013年以来，众多国际团队一直未能解决人类成体细胞的化学重编程问题。以至于领域内普遍认为，很可能无法通过化学重编程激发人类成体细胞获得多潜能性[13]。

直到2022年，邓宏魁团队在Nature上发文，指出通过分步策略诱导，可以将人成体细胞重编程为多潜能性干细胞。这是首次在国际上报道完全使用化学小分子诱导人成体细胞转变为多潜能干细胞的案例。

这次的思路来自蝾螈等低等动物肢体受损后的再生过程。受伤后，蝾螈的体细胞会自发失去原有的分化结构和功能。通过去分化过程获得一定的可塑性，从而基于这种可塑的中间状态实现肢体的再生。而邓宏魁团队发现人成体细胞在特定化合物的诱导下，能够产生类似去分化的现象，进而诱导人成体细胞转变为多潜能干细胞[14]。

既然能够逆转细胞的生命时钟，让它回到早期状态，那么转换体细胞之间的类型也就成了可能，比如直接将皮肤细胞重编程为功能神经元，或者在体外制造一个人工肝来度过肝衰危险期。将化学重编程的策略拓展到了调控细胞命运的不同方面应用，这些研究也是邓宏魁正在进一步尝试的。

“我们一直在追求一种更加简单、精准和可控的方法，不涉及任何复杂操作，仅仅在细胞培养基中添加一些特定的外源化学小分子，就能控制细胞的特性，甚至逆转发育特征。”邓宏魁在接受澎湃新闻采访时曾表示[15]。

在邓宏魁看来，化学重编程可以精确调控细胞命运，有望成为高效制备各种功能细胞类型的通用技术。这会为治疗重大疾病开辟了新的途径，同样也是打开人类的再生医学的大门的关键。

物质科学奖

获奖人：张涛、李亚栋

获奖理由：表彰他们对单原子催化的发展和应用所做出的开创性贡献。

李亚栋，无机化学家，清华大学化学系教授，安徽师范大学校长，主要从事无机纳米材料合成化学研究。

张涛，中国科学院大连化学物理研究所研究员，中国科学院副院长，主要从事能源化工及催化新材料等方面研究。

催化剂在当代化学工业中扮演着核心角色，超过80%的化工过程离不开催化技术，而负载贵金属的催化剂占据了其中的半壁江山。随着经济的迅猛发展，人们对催化剂的需求也急剧上升。然而，真正参与催化反应的活性中心数量很少，导致大量贵金属在过程中被浪费，与之对应的，贵金属资源有限且成本高昂。因此如何提高贵金属的利用效率成为化工领域亟待解决的关键问题。

100多年来，确定这些活性位点并明确其反应机理一直是该领域面临的重要难题，这主要是由于催化剂的结构复杂多变以及反应途径众多[16]。

最早关于金属单原子作为多相催化剂的预测可以追溯到20世纪80年代，但那时候还没有足够的技术手段来制造和检查金属原子的分布情况，单原子分散的想法还只是停留在理论推测阶段[16]。

“单原子催化”这一革命性的催化剂设计为贵金属的减量化指明了道路。这一概念由中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛等于2011年首次提出（Singl-atom catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx．NatureChemistry）迅速引发了国际研究热潮，成为催化领域的前沿方向。经过十多年的发展，单原子催化研究已从热催化快速拓展至电催化、光催化、酶催化等领域。至此，纳米研究正式迈入单原子时代。

单原子催化剂将活性金属以单个原子的形式分布在载体上。这种设计不仅将催化活性中心在空间尺度上缩减至最小，也实现了金属原子利用效率的最大化。 单原子催化剂具有特殊的结构，因而呈现出显著不同于常规纳米催化剂的活性、选择性和稳定性，不仅为研究催化机理提供了强有力的支持，而且还成为沟通均相催化与多相催化的桥梁[16]。

极致专注单原子催化是张涛科研人生的写照。其系统开展了航天航空催化剂的应用基础研究，针对毫秒时间尺度的推进剂快速分解气体膨胀反应过程，在孔径可控的新型有序介孔氧化铝、有序介孔炭材料、具有类贵金属性质的过渡金属碳/氮/磷化物催化剂研究方面取得较大进展。拓展了催化剂在航空航天应用的新领域。负责研制多种新型催化剂成功应用于我国航天、航空和石化领域，为我国载人航天等工作做出重要贡献[17]。

2020年，中国科学院大连化学物理研究所自主研发的多相单原子催化剂在宁波投产，用于乙烯氢甲酰化及加氢技术生产正丙醇，年产5万吨，为单原子催化剂的广泛工业应用提供了成功范例，能缓解我国醇、酸、脂等重要化工原料的供需矛盾[18]。

而李亚栋最早的标志性成果当属他于2005年发表在Nature上的工作A general strategy for nanocrystal synthesis（《纳米晶体的通用合成策略》）。他通过纳米晶“液相-固相-溶液”界面调控机制，实现了不同类型纳米晶的可控制备，包括贵金属、磁性材料、半导体等材料，都可以通过这一种方法制备得到。这一重要研究成果入选“2005年度中国基础研究十大新闻”。

近年来，李亚栋也将研究重心转移至单原子催化，其发展了系列化的单原子催化剂以及团簇催化剂和纳米颗粒催化剂的普适性、规模化制备策略。尤其是在单原子催化剂制备技术方面，长期引领国际研究趋势，为低成本、高性能单原子催化剂的研制和工业化应用奠定了基础[19]。

“在任何细小的地方都能与众不同、出类拔萃，是走向成功的第一要义”[20]，这位科学家曾以自己的亲身经历来说明极端勤奋的重要性。他曾表示，自己读大学时成绩只是中上等，并不拔尖，大学毕业后在一所中学任教，但一直没有放弃学习，依靠勤奋才慢慢实现人生的一次次突破[21]。这段中学的任教经历，与2023年未来科学大奖物质科学奖得主陈仙辉极为相似。在中国科学技术大学学习期间，李亚栋和陈仙辉都师从无机化学家钱逸泰院士。

李亚栋曾在家乡“安庆新闻联播”中分享道，“我一直告诫我的孩子和学生，也包括我自己，我认为成才有三条定律。第一条是欧姆定律。欧姆定律表明电流总是选择电阻最小的路径，人也往往选择容易走的路，不愿意做艰苦的事。因此，我们应当鼓励那些愿意下苦功夫、做笨功夫的人，只有他们才能最终成功。

第二条是牛顿第二定律，即F=ma。每个人的能力F有所不同，如果想要获得更大的加速度a，就必须减小m。m代表我们的各种欲望、想法和阻力。只有集中精力，才能提升加速度。虽然最初可能不明显，但随着时间的积累，人生是一场长跑，几年、几十年后，你就会超越他人。

第三条是能量守恒与转化定律。就像喜马拉雅山顶上的一块石头，它的势能很大，但如果不转化为动能，就无法做功。当我们有能力帮助他人时，应该善良地去帮助，这就是'达则兼济天下'。能够将势能转化为动能，为社会做出贡献，这才是有意义的。”  [22] 

 参考文献：（上下滑动可浏览） 

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