“天問一号”落火、“天和”成功發射、二氧化碳到澱粉實作人工合成……2021年，這10項重大科技進展從310項推薦的科學研究進展中“過關斬将”，并經兩院院士、國家重點實驗室主任、國家重點研發計劃有關重點專項總體專家組成員和項目負責人、原“973計劃”顧問組和咨詢組專家、項目首席科學家等3500餘位知名專家學者進行網上投票，最終脫穎而出，成為2021年度中國科學十大進展，由科學技術部高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）于2022年2月28日釋出。
科學發現燦若星辰，它們緣何最閃亮？讓我們來一看究竟。
進展一：火星探測任務天問一号探測器成功着陸火星
2021年5月15日7時18分，天問一号探測器成功着陸于火星烏托邦平原南部預選着陸區，大陸首次火星探測任務着陸火星取得成功。任務采用了“氣動減速-傘降減速-動力減速-着陸緩沖”四級串聯減速技術路線，建立了設計疊代改進流程和多學科綜合優化方法，提高了系統應對故障工況和進入條件極限拉偏下的安全着陸能力。
入選理由：天問一号探測器着陸火星，是大陸首次實作地外行星着陸，邁出了大陸星際探測征程的重要一步，實作了從地月系到行星際的跨越，在火星上首次留下中國人的印迹，使大陸成為第二個成功着陸火星的國家，是大陸航天事業發展的又一具有裡程碑意義的進展。
天問一号探測器
進展二：中國空間站天和核心艙成功發射，神舟十二号、十三号載人飛船成功發射并與天和核心艙成功完成對接
2021年4月29日，中國空間站天和核心艙在海南文昌航天發射場發射升空，準确進入預定軌道，任務取得成功。6月17日，神舟十二号載人飛船發射成功，并與天和核心艙成功完成對接，順利将聶海勝、劉伯明、湯洪波3位航天員送入太空，這是天和核心艙發射入軌後，首次與載人飛船進行的交會對接。10月16日，神州十三号載人飛船發射成功，并采用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙徑向端口，順利将翟志剛、王亞平、葉光富3位航天員送入太空，實作了大陸載人飛船在太空的首次徑向交會對接。
入選理由：天和核心艙發射成功，标志着大陸空間站建造進入全面實施階段，為後續任務展開奠定了堅實基礎。大陸的載人航天飛船脫離試驗階段，開始實作太空往返常态化，标志着大陸正式進入太空站時代。
中國空間站模拟圖
進展三：從二氧化碳到澱粉的人工合成
中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和等報道了由11步核心反應組成的人工澱粉合成途徑（簡稱ASAP），該途徑在實驗室實作了從二氧化碳和氫氣到澱粉分子的人工全合成。在氫氣驅動下ASAP将二氧化碳轉化為澱粉分子的速度比玉米澱粉合成速度高8.5倍；ASAP澱粉合成的理論能量轉化效率為7%，是玉米等農作物的3.5倍，并可實作直鍊和支鍊澱粉的可控合成。
入選理由：澱粉是糧食最主要的組分，也是重要的工業原料。該成果不依賴植物光合作用，通過從頭設計二氧化碳到澱粉合成的非自然途徑，采用子產品化反應适配與蛋白質工程手段，解決了計算機途徑熱力學比對、代謝流平衡以及副産物抑制等問題，克服了人工途徑組裝與級聯反應進化等難題，實作了二氧化碳到澱粉的人工全合成。
人工澱粉合成途徑
進展四：嫦娥五号月球樣品揭示月球演化奧秘
中國科學院地質與地球實體研究所李獻華、楊蔚、胡森、林楊挺和中國科學院國家天文台李春來等利用過去十多年來建立的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術，對嫦娥五号月球樣品玄武岩進行了精确的年代學、岩石地球化學及岩漿水含量的研究。結果顯示，嫦娥五号玄武岩形成于20.30±0.04億年，确證月球的火山活動可以持續到20億年前，比以往月球樣品限定的火山活動延長了約8億年。
入選理由：這一結果為撞擊坑定年提供了關鍵錨點，将大幅提高内太陽系星體表面撞擊坑定年的精度。研究還揭示嫦娥五号玄武岩的月幔源區并不富含放射性生熱元素和水，排除了放射性元素提供熱源，或富含水降低熔點兩種月幔熔融機制，對未來的月球探測和研究提出了新的方向。
嫦娥五号月壤樣品（玄武岩岩屑）的顯微圖像
進展五：揭示SARS-CoV-2逃逸抗病毒藥物機制
在生命周期中，新冠病毒的一系列轉錄複制酶組裝成“轉錄複制複合體”超分子機器，負責病毒轉錄複制的全過程，且在各型突變株中高度保守，是開發廣譜抗病毒藥物的核心靶點。清華大學婁智勇、饒子和與上海科技大學高岩等發現并重構了病毒“加帽中間态複合體”、“mRNA加帽複合體”和“錯配校正複合體”，并闡明其工作機制。揭示了新冠病毒轉錄複制機器的完整組成形式；發現病毒聚合酶的核苷轉移酶結構域是催化mRNA“加帽”成熟的關鍵酶，明确了帽結構的合成過程。
入選理由：不斷出現的新冠病毒突變株對目前已有的疫苗、中和抗體等抗病毒手段提出嚴峻挑戰，亟需發展能有效應對各型突變株的廣譜藥物。本項科學進展為發展新型、安全的廣譜抗病毒藥物提供了全新靶點，發現病毒以“反式回溯”的方式對錯配堿基和抗病毒藥物進行“剔除”，闡明了瑞德西韋等藥物效果不良的分子機制，為優化針對聚合酶的抗病毒藥物提供了關鍵科學依據。
新冠病毒“反式回溯”的複制矯正機制
進展六：FAST捕獲世界最大快速射電暴樣本
FRB 121102是人類所知的第一個重複快速射電暴，中國科學院國家天文台李菂等使用“中國天眼”FAST成功捕捉到FRB 121102的極端活動期，最劇烈時段達到每小時122次爆發，累計擷取了1652個高信噪比的爆發信号，構成目前最大的FRB爆發事件集合。FAST樣本排除了FRB 121102爆發在一毫秒至一小時之間的周期性或準周期性，嚴格限制了重複快速射電暴由單一緻密天體起源的可能性。
入選理由：快速射電暴（FRB）是無線電波段宇宙最明亮的爆發現象。該研究首次展現了FRB的完整能譜，深入揭示了FRB的基礎實體機制。
FAST捕獲快速射電暴樣品示意圖
進展七：實作高性能纖維锂離子電池規模化制備
如何通過設計新結構（如建立纖維锂離子電池）滿足電子産品高度內建化和柔性化發展要求，是锂離子電池領域面臨的重大挑戰。複旦大學彭慧勝、陳培甯等發現纖維锂離子電池内阻與長度之間獨特的雙曲餘切函數關系，即内阻随長度增加并不增大，反而先下降後趨于穩定。
入選理由：在此理論指導下建構的纖維锂離子電池具有優異且穩定的電化學性能，能量密度較過去提升了近2個數量級，彎折10萬次後容量保持率超過80%；建立的世界上首條纖維锂離子電池生産線，實作了其規模化連續制備；編織內建得到的纖維锂離子電池系統，電化學性能與商業锂離子電池相當，而穩定性和安全性更加優異。
纖維聚合物锂離子電池的內建組裝示意圖
進展八：可程式設計二維62比特超導處理器“祖沖之号”的量子行走
量子行走是經典随機行走的量子力學模拟，是實作量子模拟、量子搜尋算法乃至通用量子計算的工具。中國科學技術大學朱曉波、潘建偉等通過研發相容平面工藝的三維引線技術，實作了量子比特結構從一維向二維的拓展，設計并制作了一個由62個比特組成的8×8的二維結構超導量子比特陣列，建構了“祖沖之号”量子計算原型機，并通過該裝置示範高保真的單粒子和雙粒子連續時間量子行走。
入選理由：該工作是世界範圍内公開發表的首個比特數超過60的超導量子計算領域的成果，為研制祖沖之二号、實作“量子計算優越性”奠定了基礎。
祖沖之号
進展九：自供電軟機器人成功挑戰馬裡亞納海溝
深海機器人與裝備需要高強度金屬耐壓外殼或壓力補償系統來保護内部機電系統。浙江大學李鐵風等從深海獅子魚“頭部骨骼分散融合在軟組織中”這一生理特性提取仿生靈感，揭示了深海極端壓力條件下，軟機器人功能器件破壞及驅動失效的内在機制；提出了硬質器件分散融入軟基體實作内應力調控的方法，以及适應深海低溫、高壓環境的電驅動人工肌肉融合制造方法；建立了萬米深海軟機器人的系統構造方法和驅動理論。所研制的自供電軟機器人成功挑戰馬裡亞納海溝，實作了10900米海底深潛和驅動，在南海海平面以下3224米實作深海航行。
入選理由：該研究大幅降低了深海機器人的重量及經濟成本，推動了軟體機器人在深海工程領域的應用。
軟機器人在馬裡亞納海溝萬米深海驅動實驗
進展十：揭示鳥類遷徙路線成因和長距離遷徙關鍵基因
中國科學院動物所詹祥江等曆時12年，利用衛星追蹤資料和基因組資訊，建立了一套北極遊隼遷徙研究系統，發現遊隼主要使用5條路線穿越亞歐大陸，西部遊隼表現為短距離遷徙，東部為長距離遷徙。在末次冰盛期到全新世的轉換過程中，冰川消退所導緻的繁殖和越冬地變遷，可能是遷徙路線形成的主要曆史原因。研究還發現遷徙距離更長的遊隼攜帶ADCY8優勢等位基因，該基因與長時記憶形成有關，表明長時記憶可能是鳥類長距離遷徙的重要基礎。
入選理由：“遷徙生物如何發現其遷徙路線”一直是社會和學術界廣泛關注的議題，也是《科學》雜志提出的125個最具挑戰性科學問題之一。該研究結合遙感衛星追蹤、基因組學、神經生物學等研究手段，通過多學科整合分析方法闡明了鳥類遷徙路線變遷成因和遺傳基礎。
北極遊隼遷徙路線成因與長距離遷徙關鍵基因
（光明日報全媒體記者楊舒）
來源：光明日報全媒體記者 楊舒
責編：王遠方
編輯：常瑩 朱曉帆