理论物理中的额外空间维、粒子物理中的中微子振荡以及天体物理中的宇宙的几何形状和加速膨胀是一年来物理学领域中最热门的前沿课题。特别是前二者曾一度囊括了热门论文的前10名。额外空间维的引入和中微子振荡的研究都与对克服基本粒子及其相互作用的标准模型的不足所引发的浓厚兴趣分不开。标准模型虽然取得了巨大的成功，但带有相当的局限性，如认为中微子没有质量，但实验上观察到的中微子振荡却意味着中微子具有一定的质量。又如标准模型还具有18个必须用实验而不是用计算能找到的自由参量，而且该模型回避了引力。然而在高能物理中，引力效应在普朗克尺度下变得很重要。为了解决这些问题，－些物理学家建立了具有１０维空间的弦论，其中的6维空间在普朗克尺度下变得很紧密，以致探测不到。不过最新提出的理论认为，只需要一个额外空间维就够了，而且它是无限的。由这个无限的第五空间维可产生一种酷似纯四维引力的引力理论，其中引力被约束在子空间中，子空间之外引力变得很弱。这一新思想很可能对引力论、宇宙论、粒子物理以及弦论都有深远的含义。另一方面，对中微子振荡研究的进展在很大程度上得益于当今世界上最强有力的探测器，例如以观测超新星中微子、太阳中微子和大气中微子而著称的日本巨型切伦科夫探测器 --- Super Kamiokande --- 在提供中微子振荡的实验数据方面起了关键的作用，所以相关的论文很自然地获得了最高的引用率。
   

 
左图为埋在地下2000米处中微子观测站结构示意图，
右图为中微子探测器的外观图

宇宙加速膨胀和宇宙几何形状是物理学领域中仅次于额外空间维和中微子振荡的热门课题。为了弄清楚我们生活所在的宇宙究竟具有什么形状以及这个形状正在起着怎样的变化，科学家必须对尽可能遥远的辐射源进行观测，因为光子在宇宙中穿越的距离越远，它们在抵达我们的望远镜时就能提供越多的有关宇宙形状的信息。遥远星系中的高红移超新星以及宇宙微波背景辐射是通常被选择的最佳观测对象。这两种观测所提供的最新证据表明，宇宙迄今己有149亿年，其形状是扁平的，其膨胀是加速的。新的观测还发现，一般物质和暗物质只占宇宙的一小半，另外还有无所不在的暗能量，这种暗能量不受引力的支配，相反它对物质产生排斥作用，于是推动宇宙加速膨胀。
    玻色－爱因斯坦凝聚和铜酸盐的高温超导性这两个早先的前沿热门课题中的明星近来又重获新生。实际上，玻色－爱因斯坦凝聚中的超流性与超导性有着密切的关系，即后者不过是前者的一个特殊情况。凝聚态物理中对磁性氧化物巨磁阻的研究也是这一时期的热门课题，因为巨磁阻效应可能会有重要的技术上的应用价值，例如能提高磁介质的储存密度等。此外，夸克－胶子等离子体的产生和观测是物理领域最新的热门课题，该研究对粒子物理和宇宙论均有重要意义，因为在宇宙年龄只有1微秒的时刻，应该发生从夸克—胶子等离子体转化为强子的相变。

二、化　学

    大分子结构、与大分子结构密切相关的晶体结构的确定及其工具一年来仍是化学领域最热门的前沿课题。不难想象，到了后基因组时代，人们迫切需要用于确定大分子结构的强有力的工具，于是任何能提供友好互动图形接口、增进效率、改善精度、提高自动化程度的研究成果必然受到人们的密切关注，其论文必然获得极高的引用率，热度持续不减。
    对DNA中氢链的直接观测是这一时期最引人注目的新的热门课题之一。在所有的化学键中，氢键最弱、最重要，但人们对它懂得最少而且它也最难测量。如果没有氢键，就很可能没有生命，因为正是氢键利用其电荷吸引力将DNA中的双螺旋支撑在一起。利用核磁共振直接观测DNA中的弱氢键取得成功的关键是采用富含带磁矩的氮同位素的核酸，测量其氮原子的耦合。实验证明这种耦合相当惊人。另一个引起人们极大兴趣的新的热门课题就是观察生命体中一瞬即逝的NO分子。应该指出，即使对于化学家来说NO分子也是一个谜。纯净的NO是无色的稳定气体，但它又是一种自由基，所以无论碰到什么分子几乎都会立即发生反应。最令人费解的是，这种分子居然会在有生命的有机体中不断地产生，并被用来在细胞内和细胞间传递信息。NO在生命体中的重要作用还表现在它参与心血管系统、免疫系统以及中枢和外围神经系统的调控。然而由于它是自由基，它在生命体中的寿命如此短暂，以至要想在它的活动过程中对它进行观察几乎不可能。通过设计一种与NO反应时产生荧光的化合物终于解决了这一难题。这种被称为二氨基荧光素的化合物用来探测活体中的NO时，具有灵敏度高、选择性好等优点。
    催化与聚合是化学领域经久不衰的前沿课题，一年来这方面最热门的莫过于一种新发现的以钌为催化剂的烯烃置换反应，它能使环闭合反应进行快、洁净和完整。与早先的钌催化剂不同之处在于，新催化剂在空气中是稳定的，对水有耐受性，而且能在较高的温度下起作用。此外，新的钌催化剂具有商业潜力，可能应用于大规模聚合物、药品中介物以及昆虫信息素的合成，还可能用于生产生物活性分子。
    基于锌的多孔材料也是近期热度上升很快的新前沿，它具有比天然沸石还要高5倍的多孔性，可能用来作催化剂、吸收材料以及用于化学分离和气体储藏。另一个颇具应用前景的热门课题是用聚合物包覆多种类型的纳米粒子进行多层涂布，被涂布的粒子可以获得独特的磁性、光学和催化性质，可能广泛用于化妆品、制药和电子工业。－种能将不同性质的聚合物结合起来从而产生新特性的所谓活原子团聚合方法也是近期新出现的热门课题，在生物技术、纳米技术和微电子技术产品方面有广泛应用前景。一年来其他进入过前沿热门课题前10名的还包括研究DNA氧化损伤机理的电荷长程空穴输运、化学物理方面的密度函数理论和激发能以及分子理论、碳纳米管列阵的合成和性质、核酸的毛细管电泳分析、多荧烷液晶的蓝色偏振电致发光以及光合作用过程等。

三、生 物 学

    与生命体内细胞的死亡和存活机制有关的研究仍是一年来生物学前沿热门课题的超级巨星，在热门课题前10名的连续6次统计中，出现的频率约占总数的1/3。然而与基因组相关的前沿课题却更胜一筹，不仅在热门课题前10名的6次统计中也几乎占总数的1/3，而且连续6次独占鳌头。蛋白质数据库也是这一时期最受关注的热门课题之一。对免疫系统机制的研究以及利用基因芯片诊断淋巴瘤则是新近出现的生物学领域引用率很高的前沿课题。
    人类基因组排序的宏伟计划由于采用了WGS方法而极大地加快了步伐，其间一个重要的里程碑就是提前完成了果蝇全基因组的测序，而果蝇的许多基因与人类基因是相同的．WGS不仅加快了基因组测序，其重要性和正确性还表现在它能找到一些用一股测序法几乎肯定会漏掉的基因。比如果蝇基因组中有1/3是所谓的常染色质，它多半有重复的序列组成，但这些重复序列会使普通定序工具遇到困难。人类第22号染色体DNA测序的完成可说是人类完整基因组草图公布的前奏曲。一大批生物信息学、分子生物学等领域的科学家一直在等待着这一长序列以便推广到人类基因组的其他部分。此外，医学研究人员对此也很感兴趣，因为人类第22号染色体的不完善与许多发育异常有关，如心脏缺陷、胯裂、胸腺发育不全、低血钙等病人多半第22号在染色体中缺少了几百万碱基对，也就是少了一百多个基因。弄清楚缺少哪些基因会引起怎样的发育异常无疑具有医学上极其重要的价值。利用基因芯片诊断淋巴瘤是这一时期最新出现的前沿热门课题之一。患扩散型大B细胞淋巴瘤（DLBCL）的病人分为两类，10％的病人对常规治疗的反应不错，多能幸存，其他的病人则病情发展很快，经治疗后能活下去的极少。问题在于以前一直无法预期患者将属于哪一类。专为诊断此病设计的基因芯片包含18 000个DNA探针，能用来区分DLBCL患者的两种决然不同的基因特征，从而能较明确地诊断出病人究竟属于哪种类型。
    对免疫系统的机制研究作出重要贡献的是在认知所谓TLR受体的作用方面取得的突破性进展。生命体内的免疫功能分为两种，一种是针对特定的入侵者（细菌、病毒等）产生特定抗体，而产生这种特定抗体的细胞也得到增殖，这是获得性免疫机制；另一种则是天然的免疫系统，它会对广泛的病原体作出非针对性的反应，其重要性在于对迄今研究过的所有动物而言，天然的免疫系统都会在机体受到入侵后，在获得性免疫机制发挥作用之前对机体进行保护。以果蝇的Toll基因取名的TLR受体正是固有免疫反应中的重要组成部分。TLR的缺陷很可能导致人类对许多疾病的易感性，而有关TLR受体的研究成果无疑会有医药方面的重要应用价值，例如能为对生命构成威胁的败血症患者找到有效的治疗方法。
    蛋白质数据库是生物学界另一个引用率极高的热门课题，因为基因组学的前沿已不再是阅读序列，而是要懂得序列，而蛋白质数据库正是研究各种基因序列所起的作用的强有力的工具，也是分析大分子结构的不可缺少的武器。一年来，生物学其他热门课题还包括人类基因编码区的多态特征及老年痴呆症的机制等。

四、医　学

    与心血管系统相关的疾病，包括冠心病、高血压、心力衰竭等，一年来在最热门的医学前沿课题中仍然出现最频繁，反映了人们继续关注对人类构成最大威胁的常见病、多发病的这一事实。这方面新近出现的热门课题都与心血管疾病的早期诊断和预防分不开。利用高分辨率的超声波扫描能方便和准确地测量颈动脉内膜与中膜间的厚度，从而判断患心血管病危险性的大小，因为在其他情况相同的条件下，这一厚度越大，发作心脏病和脑卒中的危险都上升。另一种预见患心血管病危险性大小的办法是测量所谓C活性蛋白质（CRP）的浓度。一般浓度越高，危险性越大。以前这一结论只是针对男性，新的研究结果证实这一结论对女性也适用。而且，能降低CPR浓度的药物也能减低患心血管病的危险。
    乳腺癌的防治是另一个常见病和多发病中最热门的课题。20多年来一直用于治疗乳腺癌的药物Tamoxifene被证实也具有预防乳腺癌的功效，例如它能降低乳房切除术后对侧乳房患乳腺癌的危险。Raloxifene也是一种经随机临床试验证实能降低患乳腺癌危险的药物。当然这些药物并非无不良反应，在使用前要仔细权衡利弊。淋巴结活组织检查是有关乳腺癌手术治疗方面的前沿热点。外科医生在为乳腺癌患者动手术之前必须清楚癌细胞已扩散到多远，而由于这一扩散过程是通过淋巴系统进行的，故腋下淋巴结应该是关键的检查部位。然而作为治疗方案的一部分或为了诊断而将这些淋巴结全部摘除可能会给患者带来严重后果。为了避免不必要的摘除，就必须能对最靠近预定手术部位的淋巴结进行仔细检查，这可以借助染色剂、射线照相反衬介质以及核医学技术来完成。这一研究课题非常热门，一年之内发表了约150篇论文。不过迄今尚未完成随机临床试验，所以对于淋巴结活组织检查是否比其他方法都优越尚无定沦。虽然如此，估计这一技术的使用将日趋频繁，因为不仅从开发这一技术的主要医疗中心获得了鼓舞人心的结果，而且要求采用这一技术的患者也在不断增加。
    病毒或细菌对抗生素的抗药性是医学领域新近出现的一个值得重视的前沿课题。抗生素的发明无疑是人类医学史上的一个划时代的进步。可惜的是，对病原体取得的这一伟大胜利并非一劳永逸。20世纪40年代出现的青霉素的确给许多受细菌感染的患者带来了有效的治愈途径，然而细菌很快就获得了对青霉素的抗药性。60年代有了半合成青霉素之后，不久就发现了葡萄球菌的抗药性。十多年来，对甲氧苯青霉素具有抗药性的所谓MRSA感染一直困扰全球。对这种疾病的主要治疗手段是采用万古霉素，它是一种糖肽类抗素，然而几年前首先在日本，而后在美国发现了对万古霉素的抗药性。对抗生素产生抗药性的例子不胜枚举，而且一旦一个细菌获得一种抗生素的抵抗基因，这种基因就有传到其他细菌的潜在威胁，于是抗药性就有可能在患者之间、医院之间进行扩散。应该说对抗药性机制的研究是生物学与医学交叉的前沿热点。
    乙型肝炎的治疗和药物试验以及丙型肝炎的联合药物治疗，一年来在最热门的前沿课题中出现的次数仅次于心血管疾病。这一时期医学领域的其他热门课题还包括艾滋病病理稞治疗、利用Raloxifene减低骨折危险、黑色素瘤和儿童肺炎疫苗替换药物的使用趋势等。

参 考 文 献

   1 Science Watch,2000(5,6)
   2 Science Watch,2001(1-4)

Frontier and Hot Topics in Physics,Chemistry,Biology/Medicine
from September 2000 to August 2001

    Statistical citation data published in the journal“Science Watch”were used to identify the cutting-edge areas and hot topics in the fields of physics,chemistry,biology/medicine from September 2000 to August 2001.The identification was based on the top ten most highly cited papers in each field,the hot papers that reflect exciting and important discoveries in specific specialty areas by leading institutions and top researchers across the world.
    Extra dimensions, neutrino oscillations and geometric shape and accelerating expansion of the universe were the hottest topics in physics for this period .Some former stars,such as Bose-Einstein condensate and the properties of superconducting copper oxides also showed their rebirth.Other front-edge areas include colossal magnetoresistance,quark-gluon plasma,string theory and high redshift galaxies.In chemistry,macromolecular structure and crystal structure determination,carbon nanotubes and nano particle coating enjoyed most scientific citations. Direct observation of hydrogen bonds,detection and imaging of nitric oxide were the new comers in hot top ten that attracted much interest.Catalysts and synthesis remain constant hot subjects.Among other cutting-edge areas are density-functional theory and zinc-based porous material.Apoptosis and genome sequence were the “superstars”in biology,each of which accounts for one third of the total number of entry in the top ten hot topics during this one-year period.Protein data base,mechanisms of immune systems,lymphoma diagnosis with DNA chips were other subjects that drew a great attention.In medicine,frequently occurring diseases and complicated cases of illness,such as cardiovascular disease,hepatitis,breast cancer and HTV-1,continued to dominate front-edge research areas. Other interesting hot topics include osteoporosis treated with raloxifene,vaccines for melanoma and pneumococcas,antibiotics and bacterial resistance,as well as trends in alternative medicine use.