兩院院士投票！2021中國、世界十大科技進展新聞揭曉

1月18日，由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在京揭曉。天問“探火”、中國空間站、二氧化碳到澱粉的從頭合成等成果入選中國十大科技進展新聞；全球首個“自我複制”活體機器人誕生、核聚變向“點火”邁進一大步等成果入選世界十大科技進展新聞。

在中國十大科技進展新聞中，“大陸首次火星探測任務取得圓滿成功”“中國空間站開啟有人長期駐留時代”“嫦娥五号樣品重要研究成果先後出爐”等三項中國航天領域重要成果入選，展現宇宙中的中國身影。

“大陸實作二氧化碳到澱粉的從頭合成”“大陸團隊憑打破‘量子霸權’的超算應用摘得2021年度‘戈登貝爾獎’”“大陸科學家觀測到迄今最高能量光子”“異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破”等重大科技進展也同時入選，展現了中國科學家實作原創性突破、打破技術壟斷的成果。

本次評選由中國科學院、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。此項年度評選活動至今已舉辦了28次，使公衆進一步了解國内外科技發展的動态，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

1.大陸首次火星探測任務取得圓滿成功

6月11日，國家航天局在京舉行天問一号探測器着陸火星首批科學影像圖揭幕儀式，公布了由祝融号火星車拍攝的着陸點全景、火星地形地貌、“中國印迹”和“着巡合影”等影像圖。首批科學影像圖的釋出，标志着大陸首次火星探測任務取得圓滿成功。據悉，大陸首次火星探測任務于2013年全面啟動論證，2016年1月準許立項。2020年7月23日天問一号探測器于海南文昌成功發射，曆經地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌着陸和科學探測等階段，工程任務按計劃順利開展。

2.中國空間站開啟有人長期駐留時代

6月17日和10月16日，神舟十二号、神舟十三号載人飛船相繼發射成功，順利将航天員送入太空。神舟十二号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營運關鍵技術。神舟十三号入軌後，與天和核心艙和天舟二号、天舟三号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，其間将開展機械臂操作、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。

3.大陸實作二氧化碳到澱粉的從頭合成

澱粉是“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，最終提升澱粉的生産效率。中國科學院天津工業生物技術研究所研究人員提出了一種颠覆性的澱粉制備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解産生的氫氣為原料，成功生産出澱粉，在國際上首次實作了二氧化碳到澱粉的從頭合成，使澱粉生産從傳統農業種植模式向工業工廠中的房間生産模式轉變成為可能，取得原創性突破。相關研究成果9月24日線上發表于《科學》雜志。

4.大陸團隊憑打破“量子霸權”的超算應用摘得2021年度“戈登貝爾獎”

11月18日下午于美國密蘇裡州聖路易斯舉行的全球超級計算大會（SC21）上，國際計算機協會（ACM）将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機關研究人員組成的聯合科研團隊，基于新一代神威超級計算機的應用“超大規模量子随機電路實時模拟”（SWQSIM）獲此殊榮。在這項工作中，研究人員引入了一個系統的設計過程，涵蓋了模拟所需的算法、并行化和系統架構。使用新一代神威超級計算機，研究團隊有效模拟了一個深度為10x10 (1+40+1)随機量子電路。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複雜度的模拟，該團隊SWQSIM應用則可在304秒以内得到百萬更高保真度的關聯樣本，在一星期内得到同樣數量的無關聯樣本，一舉打破其所宣稱的“量子霸權”。

5.1400萬億電子伏特！大陸科學家觀測到迄今最高能量光子

中國科學院高能實體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）”，在銀河系内發現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認知，揭示了銀河系内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日發表于《自然》。

6.嫦娥五号樣品重要研究成果先後出爐

10月19日，中國科學院釋出嫦娥五号月球科研樣品最新研究成果。中國科學院地質與地球實體研究所和國家天文台主導，聯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，對嫦娥五号月球樣品玄武岩岩屑中50餘顆富鈾礦物（斜锆石、鈣钛锆石、靜海石）進行分析，确定玄武岩形成年齡為20.30±0.04億年，表明月球直到20億年前仍存在岩漿活動，比以往月球樣品限定的岩漿活動延長了約8億年。研究顯示，嫦娥五号月球樣品玄武岩初始熔融時并沒有卷入富集鉀、稀土元素、磷的“克裡普物質”，嫦娥五号月球樣品富集“克裡普物質”的特征，是由于岩漿後期經過大量礦物結晶固化後，殘餘部分富集而來。這一結果排除了嫦娥五号着陸區岩石的初始岩漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期岩漿活動過程。據悉，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準，為珍貴地外樣品年代學等研究提供了新的技術方法。

7.異源四倍體野生稻快速從頭馴化獲得新突破

随着世界人口的快速增長，至2050年糧食産量或将增加50%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、極端天氣頻發等都為糧食安全帶來了巨大挑戰。在此背景下，如何進一步提高作物單産成為亟待解決的嚴峻問題。中國科學院種子創新研究院／遺傳與發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政策，旨在最終培育出新型多倍體水稻作物，進而大幅提升糧食産量并增加作物環境變化适應性。本項研究為未來應對糧食危機提出了一種新的可行政策，開辟了全新的作物育種方向。相關研究成果2月4日發表于《細胞》。

8.大陸研發成功-271℃超流氦大型低溫制冷裝備

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“液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統研制”通過驗收及成果鑒定，标志着大陸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、氦資源開發等國家戰略高技術發展的迫切需要。項目的成功實施，還帶動了大陸高端氦螺杆壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等行業的快速發展，提高了一批高科技制造企業的核心競争力，使相關技術實作了從無到有、從低端到高端的提升，在大陸初步形成了功能齊全、分工明确的低溫産業群。

9.植物到動物的功能基因轉移首獲證明

中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍團隊經過20年追蹤研究，發現被聯合國糧農組織（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：其從寄主植物那裡獲得了防禦性基因。這是現代生物學誕生100多年來，首次研究證明植物和動物之間存在功能性基因水準轉移現象。相關科研成果3月25日線上發表于《細胞》，并作為《細胞》封面文章于4月1日出版。這是大陸農業害蟲研究領域在《細胞》雜志的首篇論文，揭示了昆蟲如何利用水準轉移基因來克服宿主的防禦，為探索昆蟲适應性進化規律開辟了新的視角，也為新一代靶标基因導向的煙粉虱田間精準綠色防控技術研發提供全新思路。

10.稀土離子實作多模式量子中繼及1小時光存儲

量子不可克隆定律賦予了量子通信基于實體學原理的安全性。而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統的放大器來克服，使得遠端量子通信成為當今量子資訊科學的核心難題之一。量子中繼和可移動量子存儲是實作遠端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射型存儲器的架構，無法同時滿足确定性發光和多模式複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态量子存儲器，并在上述兩條技術路線上取得了重要進展，實作了一種基于吸收型存儲器的多模式量子中繼，并成功将光存儲時間提升至1小時。相關成果于4月22日和6月2日分别發表于《自然—通訊》和《自然》。

2021年世界十大科技進展新聞

1.全球首個“自我複制”的活體機器人誕生

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

2.核聚變向“點火”邁進一大步

我們在地球上之是以能看到陽光、感受到溫暖，都是源自于發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，想在實驗室裡實作核聚變并非易事，一個重大的挑戰就是“點火”（即聚變反應所産生的能量等于或超過輸入能量的時刻）。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的科學家團隊重制了存在于太陽核心的極端溫度和壓力，NIF的強大的雷射脈沖引發了燃料丸的核聚變爆炸，産生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大約相當于一輛時速160公裡的汽車的動能。這一能量達到觸發該過程的雷射脈沖能量的70%，意味着接近核聚變“點火”，即反應産生的能量足以使反應持續下去，在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。

3.科學家借助AI技術破解蛋白質結構預測難題

科學家們一直希望通過基因序列簡單地預測蛋白質形狀——如果能夠成功，這将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公司分别公布了多年工作的成果：先進的模組化程式，可以預測蛋白質和一些分子複合物的精确三維原子結構，并将這些結構放入公開的資料庫免費供全球科研人員使用。據DeepMind公司報告顯示，其人工智能程式AlphaFold預測出98.5%的人類蛋白質結構，有助于深入了解一些關鍵生物學資訊，進而更好開展藥物研發。而美國華盛頓大學建立的高精确的蛋白質結構預測程式名叫RoseTTAFold，基于深度學習，它不僅能預測蛋白質的結構，還能預測蛋白質之間的結合形式。僅需十分鐘，RoseTTAFold就能用一台遊戲電腦準确計算出蛋白質結構。相關論文于7月15日分别刊登于《自然》和《科學》。

4.“基因剪刀”首次治療遺傳病

一直以來，人們若要使用被稱為“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：将分子剪刀工具直接注射到受影響的細胞中，進而實作DNA切割。英國倫敦大學研究人員發現CRISPR技術能使一種突變基因失活。研究首次将CRISPR藥物注射到一種罕見遺傳病（轉甲狀腺素蛋白澱粉樣變性病）患者的血液中，并發現其中3人的肝髒幾乎停止産生有毒的蛋白質。雖然目前還不能确定CRISPR治療是否能緩解該疾病的症狀，但初步資料讓人們對這種一次性治療的效果感到興奮。相關研究結果5月28日發表于《新英格蘭醫學雜志》。據悉，這項新工作在能夠滅活、修複或替換身體任何部位的緻病基因方面，邁出了關鍵的第一步。

5.史上最冷反物質問世

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内瓦附近的歐洲核子研究組織粒子實體實驗室進行了一項名為ALPHA-2的反氫捕獲實驗，示範了反氫原子的雷射冷卻，将樣品冷卻到了接近絕對零度。雷射冷卻經常被用來測量正常原子的能量躍遷——電子運動到不同能級。該團隊開發了一種雷射，它能以适當的波長發射被稱為光子的光粒子，進而降低正在直接朝向雷射移動的反原子的速度。研究人員将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。該研究産生了比以往任何時候都更冷的反物質，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。相關研究成果3月31日刊登于《自然》。

6.“芝麻粒”大小心髒模型問世

奧地利科學院生物學家Sasha Mendjan和團隊使用人類多能幹細胞培養出芝麻大小的心髒模型，又稱心髒線。它可以自發地進行組織，在不需要實驗支架的情況下發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髒發育的6個已知信号通路，誘導幹細胞自我組織。随着細胞分化，它們開始形成不同的層——類似心髒壁的結構。經過一周的發育，這些類器官自組織成一個有封閉腔的3D結構，幾乎重制了人類心髒的自發生長軌迹。此外，研究小組還發現心髒壁狀組織能有節奏地收縮，擠壓腔内的液體。該團隊還測試了心髒類器官對組織損傷的反應。他們用一根冷鋼棒冷凍部分心髒類器官，并殺死該部位的許多細胞，研究發現，心髒成纖維細胞（一種負責傷口愈合的細胞）開始向損傷部位遷移，并産生修複損傷的蛋白質。相關研究5月20日發表于《細胞》，這項進展使得科學家能創造出一些迄今為止最真實的心髒類器官，為制藥公司将更多藥物引入臨床試驗提供了可能。

7.科學家利用人工智能實作兩項數學突破

純數學研究工作的關鍵目标之一是發現數學對象間的規律，并利用這些聯系形成猜想。從20世紀60年代開始，數學家開始使用計算機幫助發現規律和提出猜想，但人工智能系統尚未普遍應用于理論數學研究領域。12月1日，一篇發表在《自然》上的論文顯示，DeepMind公司研發出一個機器學習架構，能幫助數學家發現新的猜想和定理。此前，該架構已經幫助發現了不同純數學領域的兩個新猜想。研究人員将這一方法應用于兩個純數學領域，發現了拓撲學（對幾何形狀性質的研究）的一個新定理，和一個表示論（代數系統研究）的新猜想。研究人員表示，這是計算機科學家和數學家首次使用人工智能來幫助證明或提出複雜數學領域的新定理。

8.科學家成功在實驗室中建構人類早期胚胎樣結構

美國得克薩斯大學達拉斯西南醫學中心研究人員領銜的團隊成功用人多能幹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，能正确表達相應的基因與蛋白，并且可在體外發育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育，更加了解人類早期重大疾病造成的流産、畸形兒、女性受孕障礙等現象，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拟檢測。

9.雷射傳輸穩定自如創世界紀錄

澳洲國際射電天文學研究中心（ICRAR）和西澳洲大學（UWA）等機構的研究人員創造了在大氣層中最穩定傳輸雷射信号的世界紀錄。該團隊将相位穩定技術與先進的自導向光學終端相結合，實作了此次最穩定的雷射傳輸。新技術有效地消除了大氣湍流，允許雷射信号從一個點發送到另一個點，而不會受到大氣的幹擾。這一結果是用一個通過大氣傳輸的雷射系統比較兩個不同地點間時間流動的全球最精确的方法。相關論文1月22日發表于《自然—通訊》。據悉，這項研究有廣闊的應用前景，可以用來精确地檢驗愛因斯坦的廣義相對論，或者發現基本實體常數是否随着時間而變化。同時，這項技術的精确測量能力在地球科學和地球實體學中也有實際用途，可以改進有關地下水位如何随時間變化的衛星研究或尋找地下礦藏。此外，該技術在光通信領域的應用可以将衛星到地面的資料傳輸速率提高幾個數量級，下一代大型資料收集衛星能更快地将關鍵資訊傳送到地面。

10.科學家“繪制”最清晰原子“特寫”

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年所創下的紀錄。據悉，Muller團隊使用疊層成像技術，用X射線照射钪酸镨晶體，然後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次元上定位單個原子。研究人員還将能夠一次發現異常結構中的雜質原子，并對它們及其振動進行成像。相關論文5月21日刊登于《科學》。

圖檔來源：北晚新視覺