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2020 年中国、世界十大科技进展
发布时间:2021.01.23 来源:小木虫 浏览次数: 所属栏目: 科学

小木虫

由中国科学院、中国工程院主办,中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办,腾讯集团发展研究办公室协办的中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的 2020 年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻,2021 年 1 月 20 日在京揭晓。

此项年度评选活动至今已举办了 27 次。这 20 项成果中有 8 项来自生物、医学领域进展,欢迎大家赏析,给自己的研究工作带来启发!

2020 年中国十大科技进展新闻

1、嫦娥五号探测器完成我国首次地外天体采样返回之旅,科学研究已启动

 

嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆后全景相机环拍成像。国家航天局供图

11 月 24 日 4 时 30 分,我国成功发射探月工程嫦娥五号探测器,12 月 1 日晚间成功着陆在预选着陆区。完成月壤取样后,嫦娥五号上升器于 12 月 3 日从月面起飞,嫦娥五号返回器于 12 月 17 日 1 时 59 分在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。

随后,重达 1731 克的嫦娥五号样品移交中国科学院,将在位于国家天文台的「月球样品实验室」中存储、处理和分析,正式开启月球样品与科学数据的应用和研究。

嫦娥五号任务作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,对于我国提升航天技术水平、完善探月工程体系、开展月球科学研究、组织后续月球及星际探测任务,具有承前启后、里程碑式的重要意义。

2、北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功,北斗全球系统星座部署完成

发射现场。胡煦劼摄

6 月 23 日 9 时 43 分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星暨北斗三号最后一颗全球组网卫星。

此次发射的北斗导航卫星和配套运载火箭分别由中国航天科技集团有限公司所属的中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院抓总研制,中国科学院微小卫星创新研究院等多家科研院所全方位参与了研制建设。

这是长征系列运载火箭的第 336 次飞行。在测控、地面运控、星间链路运管、应用验证等系统的强有力支撑下,此前发射的所有在轨卫星都已入网。至此,北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

3、深潜再传捷报,我国无人潜水器和载人潜水器均取得新突破

「海斗一号」。中科院沈阳自动化研究所供图

6 月 8 日,由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的「海斗一号」全海深自主遥控潜水器搭乘「探索一号」科考船海试归来。在此航次中,「海斗一号」在马里亚纳海沟实现近海底自主航行探测和坐底作业,最大下潜深度 10907 米,填补了我国万米级作业型无人潜水器的空白。

「奋斗者」号。中船 702 所供图

11 月 28 日,由中国船舶集团有限公司第七〇二研究所牵头总体设计和集成建造、中国科学院深海科学与工程研究所等多家科研机构联合研发的「奋斗者号」全海深载人潜水器随「探索一号」科考船返航。

此次「奋斗者」号在马里亚纳海沟成功坐底,创造了 10909 米的中国载人深潜新纪录,标志着我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。此外,还有助于科学家了解深渊海底生物、矿藏、海山火山岩的物质组成和成因,以及深海海沟在调节气候方面的作用。

4、我国率先实现水平井钻采深海可燃冰

蓝鲸 II 号平台。中国地质调查局供图

3 月 26 日,自然资源部召开了我国海域天然气水合物第二轮试采成果汇报视频会,会议透露,此轮试采日前取得成功,并超额完成目标任务。天然气水合物通常称为可燃冰。在水深 1225 米的南海神狐海域的试采创造了「产气总量 86.14 万立方米、日均产气量 2.87 万立方米」两项新世界纪录。

此次试采中,研究人员还自主研发了一套实现天然气水合物勘查开采产业化的关键技术装备体系,创建了独具特色的环境保护和监测体系,自主创新形成了环境风险防控技术体系。

此次试采攻克了深海浅软地层水平井钻采核心技术,实现了从探索性试采向试验性试采的重大跨越,在产业化进程中取得标志性成果。我国也成为全球首个采用水平井钻采技术试采海域天然气水合物的国家。

5、科学家找到小麦「癌症」克星

受赤霉病侵染的小麦。山东农业大学孔令让团队供图

小麦赤霉病,是世界范围内极具毁灭性且防治困难的真菌病害,有小麦「癌症」之称。山东农业大学农学院教授、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家孔令让及其团队从小麦近缘植物长穗偃麦草中首次克隆出抗赤霉病主效基因 Fhb7,且成功将其转移至小麦品种中,首次明确并验证了其在小麦抗病育种中不仅具有稳定的赤霉病抗性,而且具有广谱的解毒功能。相关研究成果 4 月 10 日在线发表于《科学》。

目前,已有 30 多家单位利用抗赤霉病的种质材料进行小麦抗赤霉病遗传改良,并在山东、河南、江苏、安徽等地进行广泛试验,结果表现良好。上述成果为解锁赤霉病这一世界性难题找到了「金钥匙」。

6、科学家达到「量子计算优越性」里程碑

光量子干涉实物图:左下方为输入光学部分,右下方为锁相光路,上方共输出 100 个光学模式,分别通过低损耗单模光纤与 100 超导单光子探测器连接。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队供图

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心的研究人员合作,构建了 76 个光子的量子计算原型机「九章」,实现了具有实用前景的「高斯玻色取样」任务的快速求解,使得我国成功达到量子计算研究的首个里程碑 —— 量子计算优越性,为实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定技术基础。相关成果 12 月 4 日在线发表于《科学》。

7、科学家重现地球 3 亿多年生物多样性变化历史

古生代海洋生物多样性曲线与重要演化事件。南京大学供图

生命起源与演化是世界十大科学之谜之一。地球上曾经生活过的生物 99% 以上已经灭绝,通过化石记录重建地球生物多样性变化历史是认识当今人类居住地球生物多样性现状与发展趋势的重要途径。

南京大学樊隽轩教授、沈树忠院士等自建大型数据库,自主研发人工智能算法,利用「天河二号」超算取得突破,获得了全球第一条高精度的古生代 3 亿多年的海洋生物多样性变化曲线,其分辨率较国际同类研究提高 400 倍。

新曲线精确刻画出地质历史中多次重大生物灭绝和辐射事件及其与环境变化的关系。成果于 1 月 17 日以研究长文形式发表于《科学》。

8、我国最高参数「人造太阳」建成

中国环流器二号 M 装置。中核集团核工业西南物理研究院供图

我国新一代可控核聚变研究装置「中国环流器二号 M」(HL-2M)12 月 4 日在成都正式建成放电,标志我国正式跨入全球可控核聚变研究前列,HL-2M 将进一步加快人类探索未来能源的步伐。

该项目由中核集团核工业西南物理研究院自主设计建造。据悉,该装置是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置,是我国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置,采用更先进的结构与控制方式,等离子体体积达到国内现有装置 2 倍以上,等离子体电流能力提高到 2.5 兆安培以上,等离子体离子温度可达到 1.5 亿摄氏度,能实现高密度、高比压、高自举电流运行,是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置,也是我国消化吸收 ITER 技术不可或缺的重要平台。

9、科学家攻克 20 余年悬而未决的几何难题

阐释图片。中国科学技术大学供图

中国科学技术大学教授陈秀雄、王兵发表的关于高维凯勒里奇流收敛性的论文,率先攻克了哈密尔顿 — 田猜想和偏零阶估计猜想 —— 这些均为几何分析领域 20 余年来悬而未决的核心猜想。

相关成果于 11 月初发表在《微分几何学杂志》上。据了解,论文篇幅超过 120 页,从投稿到正式发表耗时 6 年。该论文引进了众多新思想和新方法,对几何分析,尤其是里奇流的研究产生了深远的影响。

据悉,该文是几何分析领域内的重大进展,或将推进诸多相关工作。

10、机器学习模拟上亿原子:中美团队获 2020 高性能计算应用领域最高奖项戈登贝尔奖

机器学习 + 物理模拟 + 高性能计算 = 新的科学范式。贾伟乐供图

11 月 19 日下午,由中国科学院计算技术研究所贾伟乐副研究员、中国科学院院士鄂维南、北京大数据研究院张林峰研究员及其合作者共同完成的应用成果获得国际高性能计算应用领域最高奖 —— 戈登贝尔奖。

该项工作在国际上首次采用智能超算与物理模型的结合,引领了科学计算从传统的计算模式朝着智能超算的方向前进。

据悉,第一性原理分子动力学以其高精度和算法复杂著称,长期以来,其计算的空间尺度和时间尺度受算法和算力限制,即使利用世界上最快的超级计算机,也只能计算数千原子体系规模。

该成果通过高性能计算和机器学习将分子动力学极限提升了数个量级,达到了上亿原子的体系规模,同时仍保证了「从头算(ab initio)」的高精度,且模拟时间尺度较传统方法至少提高 1000 倍。

据了解,基于深度学习的分子动力学模拟通过高性能计算和机器学习的有机结合,将精确的物理建模带入了更大尺度的材料模拟中,有望在将来为力学、化学、材料、生物乃至工程领域解决实际问题发挥更大作用。

2020 年世界十大科技进展新闻

1、科学界完成迄今最全面癌症基因组分析

人乳腺癌细胞。图源 / CECIL H. FOX

2 月 5 日,英国韦尔科姆基金会桑格研究所宣布,一个国际团队完成了迄今覆盖面最广泛的癌症全基因组分析,这有助于加深研究人员对癌症的认识,为开发出更高效的治疗方案铺平道路。

这个被称为「泛癌症计划」的项目由来自 37 个国家的 1300 多名科学家合作开展,旨在研究可导致癌症的变异基因,绘制出这些基因的全图谱,团队分析了 38 种不同类型肿瘤的 2658 个全基因组,为癌症研究获取了丰富的基因数据。

相关成果在当天以 20 多篇系列报告的形式发表在 Nature 杂志及子刊上。

2、人造叶绿体研制成功

在这些 90 微米的液滴中,叶绿体中的类囊体利用阳光将二氧化碳转化为有机化合物。图源 / T. MILLER

德国马克斯・普朗克陆地微生物研究所和法国波尔多大学的研究人员 5 月 8 日在《科学》上发文,他们通过将菠菜的「捕光器」与 9 种不同生物体的酶结合起来,制造了人造叶绿体。这种叶绿体可在细胞外工作、收集阳光,并利用由此产生的能量将二氧化碳转化成富含能量的分子。

研究人员希望他们制造的加强版光合作用系统,最终能将二氧化碳直接转化成有用的化学物质,或者使转基因植物吸收大气中二氧化碳的量达到普通植物的 10 倍。

这种新的光合作用将为转基因作物打开新大门,创造出比现有品种生长速度更快的新品种。在世界人口激增的背景下,这对农业发展是一个福音。

3、人工智能首次成功解析蛋白质结构

 

蓝色为计算机预测的蛋白质结构,绿色为实验验证结果,二者相似度非常高。

生物学界最大的挑战之一 —— 蛋白质三维结构解析如今有望被破解。谷歌旗下人工智能公司 DeepMind 开发的深度学习程序 AlphaFold 能够精确预测其三维形状。

长久以来,人们需要借助实验确定完整的蛋白质结构,这些方法往往需要数月甚至数年时间。而现在,人工智能也有能力给出精确预测的计算方法,可能只要几天甚至半个小时。

11 月 30 日,在蛋白质预测结构挑战赛 CASP 上,AlphaFold 程序在百余支队伍中脱颖而出。将深度学习与张力控制算法结合,并应用于结构和遗传数据,该深度学习网络利用目前已知的 17 万种解析完毕的蛋白质进行了训练。

DeepMind 有关研发团队表示,还将继续对 AlphaFold 展开训练,以便更好地解析更复杂的蛋白质结构。

4、新型催化剂将二氧化碳变为甲烷

一种新的催化剂增加了利用可再生能源产生甲烷的希望。图源 / MEHMETCAN

研究人员一直试图模仿光合作用,利用太阳的能量制造化学燃料。现在,美国科学家开发出一种新型铜 - 铁基催化剂,可借助光将二氧化碳转化为天然气主要成分甲烷,这一方法是迄今最接近人造光合作用的方法。

研究人员称,新催化剂如获进一步改良,将降低人类对化石燃料的依赖。1 月出版的美国 PNAS 报道了这种新型催化剂,作为将二氧化碳转化为甲烷的光驱动催化剂,其效率和产量是有史以来最高的。

5、脑 - 机接口技术助瘫痪男子重获触觉

 

在 2010 年遭受严重脊髓损伤后,伊恩・伯克哈特在他的运动皮层植入了微型芯片,将大脑电信号转到电脑上控制手臂,使其能够再次抓住和感觉物体。图源 / Battelle Memorial Institute

4 月 23 日,美国巴泰尔科研中心和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的研究团队在《细胞》上发文,他们成功利用脑 — 机接口(BCI)系统帮一位瘫痪患者恢复了手部触觉。

这项技术能捕捉到人所无法感知的微弱神经信号,并通过发回受试者大脑的人工感觉反馈来增强这些信号,从而极大地优化受试者的运动功能。

BCI 系统在改进后成为首个同时恢复运动与触觉功能的系统,不仅能让受试者仅靠触觉就能感知到物体,还能够感知握持或捡拾物体时所需的压力。

6、科研人员绘出迄今最大三维宇宙结构图

右图中 2D 星系经过距离测量确定后,放置入 3D 星图中(左)图源 / Image: Sloan Digital Sky Survey

据物理学家组织网 7 月 20 日报道,在对 400 多万个星系和蕴含巨大能量的超亮类星体进行分析后,国际斯隆数字巡天调查(SDSS)项目发布了迄今最大的宇宙三维(3D)结构图。

绘出该图的是多国科研人员组成的「扩展重子振荡光谱巡天(eBOSS)」项目,它是世界最大星系巡天项目「斯隆数字巡天(SDSS)」的一部分。最新成果建立在世界各地数十家机构的数百名科研人员超过 20 年合作的基础上,由 eBOSS 项目耗费数年完成。

目前理论认为宇宙产生于约 138 亿年前的大爆炸。通过理论分析和天文观测,科研人员此前对宇宙的远古历史和最近的膨胀史都有相当了解,但中间却存在一个约 110 亿年的认知缺口。有关研究人员表示,新成果终于填补了这一空白,是宇宙学领域的重大进展。

7、美研究人员在超高压下实现室温超导

一种氢、硫和碳的化合物被压在两颗钻石之间,在室温下实现超导。图源 / ADAM FENSTER

10 月 16 日,美国的一个科研团队在《自然》杂志发表研究成果。该团队在超高压下的一种氢化物材料中观察到室温超导现象,这一新突破让研究人员朝着创造出具有极优效率的电力系统迈进了一步。近年来超导研究的进展已表明,富氢材料在高压下可将超导温度提高至零下 23 摄氏度左右。

美国罗切斯特大学科研人员在实验室中将可实现零电阻的温度提高到了 15 摄氏度,这个效果在 2670 亿帕斯卡压力下的一个光化学合成三元含碳硫化氢系统中被观察到,这个压力约是典型胎压的 100 万倍,并且达到了实验中实现的最高压力值。

8、「基因魔剪」首次直接用于人体试验

人类视网膜。CRISPR 疗法首次被直接用于人体,以治疗一名遗传性失明患者。

一名遗传失明症患者成为接受 CRISPR-Cas9 基因疗法直接人体试验的第一人。据 3 月初英国《自然》网站报道,科学家首次开展临床试验,将 CRISPR-Cas9 基因疗法直接用于人体,治疗遗传性眼病 —— 莱伯氏先天性黑蒙症(LCA10)。

LCA10 是导致儿童失明的主要原因,目前尚无治疗方法。CRISPR-Cas9 有「基因魔剪」之称,在最新试验中,这种基因编辑系统的组件将被编码于病毒基因组中,然后直接注入患者眼睛的近光感受器细胞内。

这项最新实验名为「光明」(BRILLIANCE),由美国俄勒冈健康与科学大学遗传性视网膜疾病专家马克・彭勒斯与美国 Editas Medicine 公司等携手开展,他们表示,此试验旨在测试该基因编辑技术移除导致 LCA10 的基因突变的能力,具有里程碑意义。

9、引力波探测器发现迄今最强黑洞合并事件

黑洞碰撞概念图。图源 / Science Photo Library

引力波探测器探测到了天文学家未曾想到的惊人发现 —— 迄今为止我们所知的最大规模的黑洞合并事件。9 月 2 日,《物理评论快报》和《天体物理学期刊快报》分别上线文章,介绍了这项发现。

此次黑洞合并最早被发现于 2019 年 5 月 21 日,合并产生的引力波被美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利室女座干涉仪(Virgo)探测到,合并事件被命名为 GW190521。

这是上述引力波探测器今年第二次探测到非常规的黑洞合并事件。此次合并事件中,两个黑洞的质量分别是太阳的 85 倍和 66 倍,合并后形成的新黑洞质量接近 150 个太阳。

10、冷冻电镜技术突破原子分辨率障碍

冷冻电镜揭示了去铁铁蛋白的原子细节。图源 / PAUL EMSLEY

如果想绘制出蛋白质最微小的部分,科学家通常需要使数百万个单个蛋白质分子排列成晶体,然后用 X 射线晶体学分析它们;或者快速冷冻蛋白质的副本,然后用电子轰击它们,这是一种低分辨率的方法,叫做冷冻电镜技术。

在电子束技术、探测器和软件进一步的帮助下,来自英国和德国的两组研究人员将分辨率缩小到 1.25 埃或更小,这已经足以计算出单个原子的位置。

增强的分辨率或使更多的结构生物学家选择使用冷冻电镜技术。目前,这项技术只适用于异常坚硬的蛋白质。下一步,研究人员将努力在刚性较小、较大的蛋白质复合物(如剪接体)中达到类似清晰程度的分辨率。相关论文于 10 月 21 日发表在 Nature

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