2021年，是探索與挑戰的一年。“天宮”空間站在軌組建，“天問一号”抵達火星，遼闊的星際空間給了科學探索無數的想象和期待。而在這顆藍色的地球上，科學家也在探索科學的邊界：缪子g-2實驗帶來新實體的曙光；首次實作從頭合成澱粉，成為人工合成天然大分子領域的一次飛躍。
盡管挑戰依然存在，但并不能成為阻礙我們前行的理由：面對新冠疫情的陰影，不斷湧現的特效藥讓人們看到了擊退疫情的希望；“雙碳”行動的積極推動，也讓我們有理由期待更加綠色和更加宜居的未來……在2021年的最後一天，讓我們一起回顧科學給出的答案。
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中國空間站建造全面開啟
入選理由：國際空間站退役後，“天宮”将成為唯一可用空間站。
圖檔來源：中國載人航天工程網
2021年4月29日，“天和”核心艙發射升空并順利抵達軌道，标志着我國“天宮”空間站在軌組建工作全面展開。6月17日，神舟十二号載人飛船将3名航天員送入“天和”核心艙，航天員随後開展了3個月的太空任務，并于9月17日順利傳回。10月16日，神舟十三号載人飛船發射升空，“天和”核心艙再次迎來3名航天員，這是空間站關鍵技術驗證階段的最後一次飛行任務。中國空間站預計于2022年年底前建成，由一個核心艙和兩個實驗艙組成。空間站開啟常态化運作後，将有3名航天員作為一個乘組長期駐留，定期輪換。此外，随着國際空間站的退役時間臨近，中國的“天宮”空間站很有可能在未來成為唯一可用的空間站。
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多國火星探測項目取得進展
入選理由：火星探測季進入全新階段。
圖檔來源：國家航天局
2021年5月22日，我國首次火星探測任務“天問一号”着陸巡視器攜帶的火星車“祝融号”安全駛離着陸平台，到達火星烏托邦平原表面，開始巡視探測。這意味着中國成為了首個一次完成繞、落、巡三大任務的國家。美國“毅力”号火星車也于2021年2月直接進入火星大氣層，并成功着陸。4月，在“毅力”号的注視下，“機智”号無人機完成了在火星的首次飛行。與此同時，阿聯酋的“希望”号探測器也成功進入火星軌道，開始拍攝火星圖像。3台火星探測器已經紛紛抵達目标地點并開始正常工作，未來它們将傳回大量與火星相關的重要資訊。
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缪子g-2實驗結果公布
入選理由：理論與實驗結果之間的沖突，讓科學家看到了新實體的曙光。
圖檔來源：Reidar Hahn Fermi National Accelerator Laboratory
2021年4月7日，美國費米國家實驗室缪子g-2實驗的資料公布，實驗測到的缪子磁矩與理論預測之間存在明顯的偏差，然而，偶然誤差導緻這種偏差的機率僅有1/40000。标準模型是目前描述基本粒子和基本作用力的最佳模型，面對最新的實驗結果，科學家不得不思考：理論與實驗結果之間的這種偏差究竟是源自标準模型深層次的誤差，還是存在标準模型之外的作用力和粒子。在未來，第二、三次的實驗資料會逐漸公布，修正後的理論計算結果也會逐漸出爐。如果到時實驗資料和理論值之間仍然存在不可忽略的偏差，那它很有可能會動搖現代實體學大廈的根基。
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中國科學家首次實作從頭合成澱粉
入選理由：人類第一次從二氧化碳出發成功合成出澱粉。
圖檔來源：Cai, Tao, et al., Science, 2021
2021年9月，中國科學院的研究團隊宣布，他們從頭設計了11步反應路徑，利用無機催化劑和生物酶，首次在全球實作了從二氧化碳到澱粉的全合成。在自然界，植物需要通過光合作用把空氣中的二氧化碳轉化為澱粉，這個過程涉及60多步反應，且隻有2%左右的能量轉化效率。這項研究不僅能合成與天然澱粉結構幾乎一緻的澱粉分子，還比天然合成路徑更高效。它的能量轉化效率約是自然光合作用的3.5倍，澱粉合成速率更是天然合成的8.5倍。這項研究是從頭合成生物大分子的一次裡程碑式突破，也是模仿甚至超越自然合成機制的一大步。
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新冠德爾塔和奧密克戎毒株帶來新挑戰
入選理由：新冠病毒持續演化，不斷出現的新毒株影響波及全球。
圖檔來源：UC San Diego’s Lorenzo Casalino, the Amaro Lab, and members of the research team
2021年5月，新冠病毒“德爾塔”毒株被世界衛生組織（WHO）列為“受關切變異株”（VOC），目前已擴散到超過200個國家和地區，是全球最流行的新冠病毒毒株。德爾塔毒株病毒載量高、傳播能力強、潛伏期短，能部分逃脫抗體的中和反應。此外，全球多款疫苗對德爾塔毒株的保護效力均有所下降。11月初，“奧密克戎”毒株在南非被首次檢測到，不到20天後便被WHO列為VOC，截至12月中旬已蔓延到80多個國家和地區。奧密克戎毒株刺突蛋白上存在多達32處突變，其中3處可能增強免疫逃逸能力。全球抗疫之路仍然充滿挑戰。
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人工智能算法準确預測蛋白質結構
入選理由：改寫了蛋白質結構研究，極大地推動對生命本質的探尋和藥物研發。
圖檔來源：DeepMind
2021年7月，DeepMind宣布人工智能算法AlphaFold2開源，随後又與歐洲生物資訊學研究所合作，公布了這套算法精準預測的人類蛋白組中98.5%的蛋白質結構，以及20種模式生物同等比例的蛋白質結構。AlphaFold2預測的精準度已達到原子級别，能媲美目前最精準的測量儀器，預測還将用時從幾個月縮短到幾天甚至數個小時。同月，由華盛頓大學等機構研發的算法RoseTTAFold開源，它能更好地預測蛋白質複合物的結構。AI蛋白質結構預測算法的爆發，解決了科學界的一個關鍵難題，拓展了對生命基礎物質的認知，将極大地推動生物醫藥領域的發展。
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COP26落幕，中國積極推進“雙碳”行動
入選理由：各國的共同承諾，讓1.5℃的目标“活了下來”。
圖檔來源：123RF
2021年11月13日，第26屆聯合國氣候大會（COP26）艱難落下帷幕，197個締約方簽署了《格拉斯哥氣候公約》，使《巴黎協定》“全球平均氣溫升幅控制在1.5℃之内”的目标有可能實作。盡管未能将“1.5℃”的目标寫入公約，但與會的世界各國代表終于就《巴黎協定》第6條實施細則達成共識，并承諾結束森林砍伐、逐漸減少煤炭使用等。會前，中國向世界做出了“力争二氧化碳排放于2030年前達到峰值，2060年前實作碳中和”的承諾。邁向綠色低碳的行動不僅有助于地球免遭災難性氣候變化的重擊，還為國内新能源産業等綠色産業的發展提供了新的機遇。
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發現海量快速射電暴
入選理由：快速射電暴研究進入下一階段，中國天眼貢獻顯著。
圖檔來源：NAOC
2021年6月8日，加拿大CHIME射電望遠鏡公布了536次新發現的快速射電暴（FRB）。2021年10月13日，中國天眼（FAST）宣布從重複源FRB121102觀測到了1652次FRB。兩台望遠鏡将人類觀測到的FRB數量從200餘次提升到2000多次。2020年，包括我國慧眼衛星在内的觀測表明，FRB很可能起源于磁陀星。但此次FAST觀測到的FRB不具周期性，且總能量接近磁陀星可用能量上限，研究團隊認為這基本排除了FRB121102是由單一磁陀星産生的可能。目前，科學家認為FRB可能具有多種起源。這兩台望遠鏡共同提升了人類觀測FRB的能力，為天文學家對FRB的進一步研究鋪平了道路。
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抗新冠特效藥相繼問世
入選理由：特效藥為對抗疫情再添利器。
2021年11月，全球首款口服抗新冠病毒藥物molnupiravir在英國獲批。同月，輝瑞公司公布了其開發的口服抗新冠病毒藥物的臨床效果。這兩款作用機制不同的藥物均能抑制病毒增殖，極大地降低了患者住院和死亡的風險。12月8日，安巴韋單抗與羅米司韋單抗（BRII-196/BRII-198）聯合用藥方案獲得中國國家藥品監督管理局應急準許，成為我國首個獲批的自主知識産權新冠病毒中和抗體聯合治療方案。這類藥物可以通過阻止病毒吸附細胞，阻斷病毒增殖。相比“老藥新用”的方案，不斷湧現的新款特效藥的靶向性更強、療效更好、安全性更高，在疫苗之外，也為抗擊新冠疫情提供了新的希望。
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首個人猴嵌合體胚胎引争議
入選理由：由于潛在的倫理問題，嵌合體胚胎研究引發了激烈讨論。
圖檔來源：WEIZHI JI/KUNMING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
2021年4月，美國索爾克研究所和昆明理工大學等機構的科學家培養出了首個人猴嵌合體胚胎。他們将人的擴充多能幹細胞注入132個食蟹猴的早期囊胚内培養，胚胎最長存活了20天。這項研究和另一項将人多能幹細胞和成纖維細胞轉化成人早期胚胎的研究一起，極大地沖擊了人類胚胎體外培養的“14天規則”。相關研究不僅在學術界引起了大量讨論，也在社會上引發了關于科研倫理規範的激烈讨論。在經過多輪的商讨和權衡後，國際幹細胞研究學會于5月首次放寬了這一規則限制，提出對于培養人類胚胎超過2周的研究需進行多輪稽核，來決定終止時間。
在評選本年度“十大科學新聞”的過程中，我們得到了專家顧問團隊的的大力支援。本次釋出還邀請到了以下優秀學術媒體合作，他們是（按拼音順序排列）：科學大院、量子位、瞭望智庫、MedSci梅斯、神經現實、學術經緯、研之成理、尹哥聊基因、中科院實體所，在此向他們表示感謝。