2021年中國十大科技進展新聞：首次火星探測、中國空間站上榜

由中國科學院、中國工程院主辦，中國科學院學部工作局、中國工程院辦公廳、中國科學報社承辦，中國科學院院士和中國工程院院士投票評選的2021年中國十大科技進展新聞、世界十大科技進展新聞于2022年1月18日在京揭曉。

此項年度評選活動至今已舉辦了28次。評選結果經(jīng)新聞媒體廣泛報道后，在社會上產(chǎn)生了強烈反響，使公眾進一步了解國內(nèi)外科技發(fā)展的動態(tài)，對普及科學技術起到了積極作用。

2021年中國十大科技進展新聞是：

? 我國首次火星探測任務取得圓滿成功

環(huán)繞器與火星合影--國家航天局供圖

2021年6月11日，國家航天局在京舉行天問一號探測器著陸火星首批科學影像圖揭幕儀式，公布了由祝融號火星車拍攝的著陸點全景、火星地形地貌、“中國印跡”和“著巡合影”等影像圖。首批科學影像圖的發(fā)布，標志著我國首次火星探測任務取得圓滿成功。據(jù)悉，我國首次火星探測任務于2013年全面啟動論證，2016年1月批準立項。2020年7月23日天問一號探測器于海南文昌成功發(fā)射，歷經(jīng)地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測等階段，工程任務按計劃順利開展。

? 中國空間站開啟有人長期駐留時代

天和核心艙--航天科技集團五院供圖

2021年6月17日和10月16日，神舟十二號、神舟十三號載人飛船相繼發(fā)射成功，順利將航天員送入太空。神舟十二號與天和核心艙對接形成組合體，3名航天員進駐核心艙，進行了為期3個月的駐留，開展了一系列空間科學實驗和技術試驗，在軌驗證了航天員長期駐留、再生生保、空間物資補給、出艙活動、艙外操作、在軌維修等空間站建造和運營關鍵技術。神舟十三號入軌后，與天和核心艙和天舟二號、天舟三號組合體完成自主快速交會對接，3位航天員開啟為期6個月的在軌駐留，其間將開展機械臂操作、出艙活動、艙段轉位及空間科學實驗與技術試驗等工作，進一步驗證航天員長期在軌駐留、再生生保等一系列關鍵技術，中國空間站有人長期駐留時代到來。

? 我國實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成

科研人員觀察試管中的人工合成淀粉

淀粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，也是重要的工業(yè)原料。其主要合成方式是由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳來進行。長期以來，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所研究人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解產(chǎn)生的氫氣為原料，成功生產(chǎn)出淀粉，在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，使淀粉生產(chǎn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉變成為可能，取得原創(chuàng)性突破。相關研究成果2021年9月24日在線發(fā)表于《科學》雜志。

? 我國團隊憑打破“量子霸權”的超算應用摘得2021年度“戈登貝爾獎”

獲獎現(xiàn)場——之江實驗室、國家超算無錫中心供圖

2021年11月18日下午于美國密蘇里州圣路易斯舉行的全球超級計算大會（SC21）上，國際計算機協(xié)會（ACM）將2021年度“戈登貝爾獎”授予中國超算應用團隊。這支由之江實驗室、國家超算無錫中心等單位研究人員組成的聯(lián)合科研團隊，基于新一代神威超級計算機的應用“超大規(guī)模量子隨機電路實時模擬”（SWQSIM）獲此殊榮。在這項工作中，研究人員引入了一個系統(tǒng)的設計過程，涵蓋了模擬所需的算法、并行化和系統(tǒng)架構。使用新一代神威超級計算機，研究團隊有效模擬了一個深度為10x10(1+40+1)隨機量子電路。與谷歌量子計算機“懸鈴木”200秒完成百萬0.2%保真度采樣任務相比較，“頂點”需要一萬年完成同等復雜度的模擬，該團隊SWQSIM應用則可在304秒以內(nèi)得到百萬更高保真度的關聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無關聯(lián)樣本，一舉打破其所宣稱的“量子霸權”。

? 1400萬億電子伏特我國科學家觀測到迄今最高能量光子

2021年5月17日，中國科學院高能物理研究所與Springer Nature聯(lián)合舉辦重大科學成果新聞發(fā)布會。

中國科學院高能物理研究所牽頭的國際合作組依托國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”，在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個超高能宇宙線加速器，并記錄到能量達1.4拍電子伏（PeV，拍=千萬億）的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠把粒子加速到超過1PeV的宇宙線加速器，開啟了“超高能伽馬天文”觀測時代。相關成果5月17日發(fā)表于《自然》。

? 嫦娥五號樣品重要研究成果先后出爐

顯微鏡下挑選月壤中的微米級顆粒

2021年10月19日，中國科學院發(fā)布嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所和國家天文臺主導，聯(lián)合多家研究機構通過3篇《自然》論文和1篇《國家科學評論》論文，報道了圍繞月球演化重要科學問題取得的突破性進展。在最新的研究中，科研人員利用超高空間分辨率鈾—鉛（U-Pb）定年技術，對嫦娥五號月球樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物（斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石）進行分析，確定玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年，表明月球直到20億年前仍存在巖漿活動，比以往月球樣品限定的巖漿活動延長了約8億年。研究顯示，嫦娥五號月球樣品玄武巖初始熔融時并沒有卷入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質(zhì)”，嫦娥五號月球樣品富集“克里普物質(zhì)”的特征，是由于巖漿后期經(jīng)過大量礦物結晶固化后，殘余部分富集而來。這一結果排除了嫦娥五號著陸區(qū)巖石的初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期巖漿活動過程。據(jù)悉，此次研究采用的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術處于國際領先水平，為珍貴地外樣品年代學等研究提供了新的技術方法。

? 異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破

異源四倍體野生稻與二倍體栽培稻的植株表型

隨著世界人口的快速增長，至2050年糧食產(chǎn)量或?qū)⒃黾?0%才能完全滿足需求。與此同時，近年來世界氣候變化加劇，全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)等都為糧食安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，如何進一步提高作物單產(chǎn)成為亟待解決的嚴峻問題。中國科學院種子創(chuàng)新研究院／遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋院士團隊首次提出了異源四倍體野生稻快速從頭馴化的新策略，旨在最終培育出新型多倍體水稻作物，從而大幅提升糧食產(chǎn)量并增加作物環(huán)境變化適應性。本項研究為未來應對糧食危機提出了一種新的可行策略，開辟了全新的作物育種方向。相關研究成果2021年2月4日發(fā)表于《細胞》。

? 我國研發(fā)成功-271℃超流氦大型低溫制冷裝備

大型低溫制冷系統(tǒng)

2021年4月15日，由中國科學院理化技術研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”通過驗收及成果鑒定，標志著我國具備了研制液氦溫度（零下269攝氏度）千瓦級和超流氦溫度（零下271攝氏度）百瓦級大型低溫制冷裝備的能力，可滿足大科學工程、航天工程、氦資源開發(fā)等國家戰(zhàn)略高技術發(fā)展的迫切需要。項目的成功實施，還帶動了我國高端氦螺桿壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等行業(yè)的快速發(fā)展，提高了一批高科技制造企業(yè)的核心競爭力，使相關技術實現(xiàn)了從無到有、從低端到高端的提升，在我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。

? 植物到動物的功能基因轉移首獲證實

張友軍研究員及其團隊成員觀察煙粉虱為害番茄情況

中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所張友軍團隊經(jīng)過20年追蹤研究，發(fā)現(xiàn)被聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）認定的迄今唯一“超級害蟲”煙粉虱，具有一種類似“以子之矛、攻子之盾”的本領：其從寄主植物那里獲得了防御性基因。這是現(xiàn)代生物學誕生100多年來，首次研究證實植物和動物之間存在功能性基因水平轉移現(xiàn)象。相關科研成果2021年3月25日在線發(fā)表于《細胞》，并作為《細胞》封面文章于4月1日出版。這是我國農(nóng)業(yè)害蟲研究領域在《細胞》雜志的首篇論文，揭示了昆蟲如何利用水平轉移基因來克服宿主的防御，為探索昆蟲適應性進化規(guī)律開辟了新的視角，也為新一代靶標基因?qū)虻臒煼凼镩g精準綠色防控技術研發(fā)提供全新思路。

?稀土離子實現(xiàn)多模式量子中繼及1小時光存儲

稀土離子實現(xiàn)多模式量子中繼作為Nature封面故事論文發(fā)表，封面故事標題為“量子連接”（Quantum Connections）

量子不可克隆定律賦予了量子通信基于物理學原理的安全性。而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統(tǒng)的放大器來克服，使得遠程量子通信成為當今量子信息科學的核心難題之一。量子中繼和可移動量子存儲是實現(xiàn)遠程量子通信的兩種可行方案，其共性需求是高性能的量子存儲器。在量子中繼方面，國際已有實驗研究都聚焦于發(fā)射型存儲器的架構，無法同時滿足確定性發(fā)光和多模式復用這兩個關鍵技術需求。可移動量子存儲方面，國際上光存儲的時間最長僅1分鐘，無法滿足可移動量子存儲小時量級存儲時間的需求。中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組基于稀土離子摻雜晶體研制出高性能的固態(tài)量子存儲器，并在上述兩條技術路線上取得了重要進展，實現(xiàn)了一種基于吸收型存儲器的多模式量子中繼，并成功將光存儲時間提升至1小時。相關成果于2021年4月22日和6月2日分別發(fā)表于《自然—通訊》和《自然》。

2021年世界十大科技進展新聞是：

? 全球首個“自我復制”的活體機器人誕生

一個活體機器人將單個細胞組裝成一個新的細胞團。圖源：Douglas Blackiston

美國佛蒙特大學、塔夫茨大學和哈佛大學威斯生物啟發(fā)工程研究所的科學家發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，并利用其創(chuàng)造了有史以來第一個可進行自我復制多代的活體機器人——Xenobots 3.0。它僅有毫米大小，既不是傳統(tǒng)的機器人，也不是已知的動物物種，而是一種從未在地球上出現(xiàn)過的、活的、可編程的全新有機體。據(jù)悉，該活體機器人或許可以有助于醫(yī)學的全新突破——除了有望用于精準的藥物遞送之外，它的自我復制能力也使得再生醫(yī)學有了新的幫手，或可為出生缺陷、對抗創(chuàng)傷、癌癥與衰老提供開創(chuàng)性的解決思路。2021年11月29日，相關研究成果發(fā)表于美國《國家科學院院刊》。

? 核聚變向“點火”邁進一大步

NIF的192束激光束進入一個橡皮擦大小的金圓柱體，從內(nèi)部加熱產(chǎn)生X射線，使燃料艙內(nèi)爆，產(chǎn)生核聚變。圖源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

我們在地球上之所以能看到陽光、感受到溫暖，都是源自于發(fā)生在太陽核心的核聚變。核聚變指的是當原子合并在一起時，釋放出巨大能量的過程，這個過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。但是，想在實驗室里實現(xiàn)核聚變并非易事，一個重大的挑戰(zhàn)就是“點火”（即聚變反應所產(chǎn)生的能量等于或超過輸入能量的時刻）。2021年8月8日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）進行了一項新的實驗。NIF的科學家團隊重現(xiàn)了存在于太陽核心的極端溫度和壓力，NIF的強大的激光脈沖引發(fā)了燃料丸的核聚變爆炸，產(chǎn)生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大約相當于一輛時速160公里的汽車的動能。這一能量達到觸發(fā)該過程的激光脈沖能量的70%，意味著接近核聚變“點火”，即反應產(chǎn)生的能量足以使反應持續(xù)下去，在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。

? 科學家借助AI技術破解蛋白質(zhì)結構預測難題

AI現(xiàn)在可以快速可靠地預測大多數(shù)蛋白質(zhì)的三維形狀。圖片源：DEEPMIND

科學家們一直希望通過基因序列簡單地預測蛋白質(zhì)形狀——如果能夠成功，這將開啟一個洞察生命運作機理的新世界。美國華盛頓大學和英國DeepMind公司分別公布了多年工作的成果：先進的建模程序，可以預測蛋白質(zhì)和一些分子復合物的精確三維原子結構，并將這些結構放入公開的數(shù)據(jù)庫免費供全球科研人員使用。據(jù)DeepMind公司報告顯示，其人工智能程序AlphaFold預測出98.5%的人類蛋白質(zhì)結構，有助于深入理解一些關鍵生物學信息，從而更好開展藥物研發(fā)。而美國華盛頓大學創(chuàng)建的高精確的蛋白質(zhì)結構預測程序名叫RoseTTAFold，基于深度學習，它不僅能預測蛋白質(zhì)的結構，還能預測蛋白質(zhì)之間的結合形式。僅需十分鐘，RoseTTAFold就能用一臺游戲電腦準確計算出蛋白質(zhì)結構。相關論文于2021年7月15日分別刊登于《自然》和《科學》。

? “基因剪刀”首次治療遺傳病

研究人員首次利用CRISPR治療罕見致命肝病，該方法依賴一種包含編碼DNA剪切酶的mRNA和另一種將其引導到特定基因序列的RNA。圖源：ELLA MARU STUDIO

一直以來，人們?nèi)粢褂帽环Q為“基因剪刀”的CRISPR基因編輯技術治療遺傳疾病，需要清除一個巨大的障礙：將分子剪刀工具直接注射到受影響的細胞中，從而實現(xiàn)DNA切割。英國倫敦大學研究人員發(fā)現(xiàn)CRISPR技術能使一種突變基因失活。研究首次將CRISPR藥物注射到一種罕見遺傳?。ㄞD甲狀腺素蛋白淀粉樣變性?。┗颊叩难褐校l(fā)現(xiàn)其中3人的肝臟幾乎停止產(chǎn)生有毒的蛋白質(zhì)。雖然目前還不能確定CRISPR治療是否能緩解該疾病的癥狀，但初步數(shù)據(jù)讓人們對這種一次性治療的效果感到興奮。相關研究結果2021年5月28日發(fā)表于《新英格蘭醫(yī)學雜志》。據(jù)悉，這項新工作在能夠滅活、修復或替換身體任何部位的致病基因方面，邁出了關鍵的第一步。

? 史上最冷反物質(zhì)問世

反物質(zhì)被激光操縱的藝術圖 圖源：Chukman So TRIUMF

加拿大國家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara團隊與合作者在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究組織粒子物理實驗室進行了一項名為ALPHA-2的反氫捕獲實驗，演示了反氫原子的激光冷卻，將樣品冷卻到了接近絕對零度。激光冷卻經(jīng)常被用來測量常規(guī)原子的能量躍遷——電子運動到不同能級。該團隊開發(fā)了一種激光，它能以適當?shù)牟ㄩL發(fā)射被稱為光子的光粒子，從而降低正在直接朝向激光移動的反原子的速度。研究人員將反原子的速度降低到1/10以下。對于冷卻的反氫原子，該團隊獲得的測量精度幾乎是未冷卻的反原子的3倍。該研究產(chǎn)生了比以往任何時候都更冷的反物質(zhì)，并使一種全新的實驗成為可能，有助于科學家在未來更多地了解反物質(zhì)。相關研究成果2021年3月31日刊登于《自然》。

? “芝麻粒”大小心臟模型問世

心臟模型發(fā)育的再現(xiàn)性。圖源：Sasha Mendjan等

奧地利科學院生物學家Sasha Mendjan和團隊使用人類多能干細胞培養(yǎng)出芝麻大小的心臟模型，又稱心臟線。它可以自發(fā)地進行組織，在不需要實驗支架的情況下發(fā)展出一個中空的心房。Mendjan團隊以特定的順序激活所有參與胚胎心臟發(fā)育的6個已知信號通路，誘導干細胞自我組織。隨著細胞分化，它們開始形成不同的層——類似心臟壁的結構。經(jīng)過一周的發(fā)育，這些類器官自組織成一個有封閉腔的3D結構，幾乎重現(xiàn)了人類心臟的自發(fā)生長軌跡。此外，研究小組還發(fā)現(xiàn)心臟壁狀組織能有節(jié)奏地收縮，擠壓腔內(nèi)的液體。該團隊還測試了心臟類器官對組織損傷的反應。他們用一根冷鋼棒冷凍部分心臟類器官，并殺死該部位的許多細胞，研究發(fā)現(xiàn)，心臟成纖維細胞（一種負責傷口愈合的細胞）開始向損傷部位遷移，并產(chǎn)生修復損傷的蛋白質(zhì)。相關研究2021年5月20日發(fā)表于《細胞》，這項進展使得科學家能創(chuàng)造出一些迄今為止最真實的心臟類器官，為制藥公司將更多藥物引入臨床試驗提供了可能。

? 科學家利用人工智能實現(xiàn)兩項數(shù)學突破

一個簡單的結 圖源：DeepMind

純數(shù)學研究工作的關鍵目標之一是發(fā)現(xiàn)數(shù)學對象間的規(guī)律，并利用這些聯(lián)系形成猜想。從20世紀60年代開始，數(shù)學家開始使用計算機幫助發(fā)現(xiàn)規(guī)律和提出猜想，但人工智能系統(tǒng)尚未普遍應用于理論數(shù)學研究領域。2021年12月1日，一篇發(fā)表在《自然》上的論文顯示，DeepMind公司研發(fā)出一個機器學習框架，能幫助數(shù)學家發(fā)現(xiàn)新的猜想和定理。此前，該框架已經(jīng)幫助發(fā)現(xiàn)了不同純數(shù)學領域的兩個新猜想。研究人員將這一方法應用于兩個純數(shù)學領域，發(fā)現(xiàn)了拓撲學（對幾何形狀性質(zhì)的研究）的一個新定理，和一個表示論（代數(shù)系統(tǒng)研究）的新猜想。研究人員表示，這是計算機科學家和數(shù)學家首次使用人工智能來幫助證明或提出復雜數(shù)學領域的新定理。

? 科學家成功在實驗室中構建人類早期胚胎樣結構

人造囊胚 圖源：UT Southwestern

美國得克薩斯大學達拉斯西南醫(yī)學中心研究人員領銜的團隊成功用人多能干細胞分化誘導出人類早期胚胎樣結構。該結構與人囊胚期胚胎具有類似的結構，能正確表達相應的基因與蛋白，并且可在體外發(fā)育2至4天，形成類羊膜囊等結構。相關研究成果3月17日刊登于《自然》。據(jù)介紹，借助人類早期胚胎樣結構，研究人員能深入研究胚胎的早期發(fā)育，更加了解人類早期重大疾病造成的流產(chǎn)、畸形兒、女性受孕障礙等現(xiàn)象，并為其尋找可行的解決方案。此外，研究人員還可以通過這項技術建立藥物篩選模型，為進入臨床應用的孕婦藥品提供安全性模擬檢測。

? 激光傳輸穩(wěn)定自如創(chuàng)世界紀錄

建筑間點對點相位穩(wěn)定光頻傳輸 圖源：《自然》

澳大利亞國際射電天文學研究中心（ICRAR）和西澳大利亞大學（UWA）等機構的研究人員創(chuàng)造了在大氣層中最穩(wěn)定傳輸激光信號的世界紀錄。該團隊將相位穩(wěn)定技術與先進的自導向光學終端相結合，實現(xiàn)了此次最穩(wěn)定的激光傳輸。新技術有效地消除了大氣湍流，允許激光信號從一個點發(fā)送到另一個點，而不會受到大氣的干擾。這一結果是用一個通過大氣傳輸?shù)募す庀到y(tǒng)比較兩個不同地點間時間流動的全球最精確的方法。相關論文2021年1月22日發(fā)表于《自然—通訊》。據(jù)悉，這項研究有廣闊的應用前景，可以用來精確地檢驗愛因斯坦的廣義相對論，或者發(fā)現(xiàn)基本物理常數(shù)是否隨著時間而變化。同時，這項技術的精確測量能力在地球科學和地球物理學中也有實際用途，可以改進有關地下水位如何隨時間變化的衛(wèi)星研究或?qū)ふ业叵碌V藏。此外，該技術在光通信領域的應用可以將衛(wèi)星到地面的數(shù)據(jù)傳輸速率提高幾個數(shù)量級，下一代大型數(shù)據(jù)收集衛(wèi)星能更快地將關鍵信息傳送到地面。

? 科學家“繪制”最清晰原子“特寫”

打破世界紀錄的晶體原子“特寫”。 圖源：康奈爾大學

美國康奈爾大學的Muller團隊捕捉到了迄今為止最高分辨率的原子圖像，打破了其2018年所創(chuàng)下的紀錄。據(jù)悉，Muller團隊使用疊層成像技術，用X射線照射鈧酸鐠晶體，然后利用散射電子的角度來計算散射它們的原子的形狀。這些進步使得研究小組能夠觀察更稠密的原子樣本，并獲得更好的分辨率。據(jù)了解，這種最新形式的電子疊層成像分析技術使科學家可以在所有三個維度上定位單個原子。研究人員還將能夠一次發(fā)現(xiàn)異常結構中的雜質(zhì)原子，并對它們及其振動進行成像。相關論文2021年5月21日刊登于《科學》。