2021年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展
|
|
中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 “中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”遴選活動(dòng)由科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心（基礎(chǔ)研究管理中心）牽頭舉辦，截至?2022?年已舉辦?17?屆。2021?年度，《中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)》《科技導(dǎo)報(bào)》《中國(guó)科學(xué)院院刊》《中國(guó)科學(xué)基金》和《科學(xué)通報(bào)》5?家編輯部共推薦了?310?項(xiàng)科學(xué)研究進(jìn)展（所推薦的科學(xué)進(jìn)展均是?2020?年?12?月?1?日至?2021?年11月?30日期間正式發(fā)表或完成的研究成果），由中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)工程院院士、全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃有關(guān)重點(diǎn)專項(xiàng)總體專家組成員和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、“973?計(jì)劃”歷屆專家顧問(wèn)組和領(lǐng)域?qū)＜易稍兘M專家及項(xiàng)目首席科學(xué)家等專家學(xué)者，經(jīng)過(guò)初選和終選兩輪投票選出以下?10?項(xiàng)研究。該項(xiàng)活動(dòng)旨在加強(qiáng)對(duì)我國(guó)重大基礎(chǔ)研究進(jìn)展的宣傳，激勵(lì)廣大科技工作者的科學(xué)熱情和奉獻(xiàn)精神，開展基礎(chǔ)研究科學(xué)普及，促進(jìn)公眾更加理解、關(guān)心和支持科學(xué)，在全社會(huì)營(yíng)造良好的科學(xué)氛圍。該項(xiàng)活動(dòng)已成為我國(guó)基礎(chǔ)研究傳播工作的一個(gè)品牌，在科技界產(chǎn)生了良好反響。
火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功著陸火星
2021?年?5?月?15?日?7?時(shí)?18?分，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得成功。任務(wù)采用了“氣動(dòng)減速-傘降減速-動(dòng)力減速-著陸緩沖”四級(jí)串聯(lián)減速技術(shù)路線，建立了設(shè)計(jì)迭代改進(jìn)流程和多學(xué)科綜合優(yōu)化方法，提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障工況和進(jìn)入條件極限拉偏下的安全著陸能力。
天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器著陸火星，是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)地外行星著陸，邁出了我國(guó)星際探測(cè)征程的重要一步，實(shí)現(xiàn)了從地月系到行星際的跨越，在火星上首次留下中國(guó)人的印跡，使我國(guó)成為第二個(gè)成功著陸火星的國(guó)家，是我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的又一具有里程碑意義的進(jìn)展。
中國(guó)空間站天和核心艙成功發(fā)射，神舟十二號(hào)、十三號(hào)載人飛船成功發(fā)射并與天和核心艙成功完成對(duì)接
2021?年?4?月?29?日，中國(guó)空間站天和核心艙在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，任務(wù)取得成功。天和核心艙發(fā)射成功，標(biāo)志著我國(guó)空間站建造進(jìn)入全面實(shí)施階段，為后續(xù)任務(wù)展開奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
6?月?17?日，神舟十二號(hào)載人飛船發(fā)射成功，并與天和核心艙成功完成對(duì)接，順利將聶海勝、劉伯明、湯洪波?3?位航天員送入太空，這是天和核心艙發(fā)射入軌后，首次與載人飛船進(jìn)行的交會(huì)對(duì)接。我國(guó)的載人航天飛船脫離試驗(yàn)階段，開始實(shí)現(xiàn)太空往返常態(tài)化，我國(guó)正式進(jìn)入太空站時(shí)代。
10?月?16?日，神州十三號(hào)載人飛船發(fā)射成功，并采用自主快速交會(huì)對(duì)接模式成功對(duì)接于天和核心艙徑向端口，順利將翟志剛、王亞平、葉光富?3?位航天員送入太空，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)載人飛船在太空的首次徑向交會(huì)對(duì)接。
從二氧化碳到淀粉的人工合成
淀粉是糧食最主要的組分，也是重要的工業(yè)原料。中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬延和等報(bào)道了由?11?步核心反應(yīng)組成的人工淀粉合成途徑（ASAP）；該途徑偶聯(lián)化學(xué)催化與生物催化反應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳和氫氣到淀粉分子的人工全合成。
通過(guò)從頭設(shè)計(jì)二氧化碳到淀粉合成的非自然途徑，采用模塊化反應(yīng)適配與蛋白質(zhì)工程手段，解決了計(jì)算機(jī)途徑熱力學(xué)匹配、代謝流平衡及副產(chǎn)物抑制等問(wèn)題，克服了人工途徑組裝與級(jí)聯(lián)反應(yīng)進(jìn)化等難題。在氫氣驅(qū)動(dòng)下?ASAP?將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉分子的速度為每分鐘每毫克催化劑?22 nmol?碳單元，比玉米淀粉合成速度高?8.5?倍；ASAP?淀粉合成的理論能量轉(zhuǎn)化效率為?7%，是玉米等農(nóng)作物的?3.5?倍，并可實(shí)現(xiàn)直鏈和支鏈淀粉的可控合成。該成果不依賴植物光合作用，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的人工全合成。
嫦娥五號(hào)月球樣品揭示月球演化奧秘
中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李獻(xiàn)華、楊蔚、胡森、林楊挺和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)李春來(lái)等利用過(guò)去?10?多年來(lái)建立的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術(shù)，對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖進(jìn)行了精確的年代學(xué)、巖石地球化學(xué)及巖漿水含量的研究。結(jié)果顯示，嫦娥五號(hào)玄武巖形成于?20.30±0.04?億年，確證月球的火山活動(dòng)可以持續(xù)到?20?億年前，比以往月球樣品限定的火山活動(dòng)延長(zhǎng)了約?8?億年。
這一結(jié)果為撞擊坑定年提供了關(guān)鍵錨點(diǎn)，將大幅提高內(nèi)太陽(yáng)系星體表面撞擊坑定年的精度。研究還揭示嫦娥五號(hào)玄武巖的月幔源區(qū)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和富含水降低熔點(diǎn)?2?種月幔熔融機(jī)制，對(duì)未來(lái)的月球探測(cè)和研究提出了新的方向。
揭示?SARS-CoV-2?逃逸抗病毒藥物機(jī)制
不斷出現(xiàn)的新型冠狀病毒突變株對(duì)當(dāng)前已有的疫苗、中和抗體等抗病毒手段提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，急需發(fā)展能有效應(yīng)對(duì)各型突變株的廣譜藥物。在生命周期中，病毒的一系列轉(zhuǎn)錄復(fù)制酶組裝成“轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)合體”超分子機(jī)器，負(fù)責(zé)病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制的全過(guò)程，且在各型突變株中高度保守，是開發(fā)廣譜抗病毒藥物的核心靶點(diǎn)。
清華大學(xué)婁智勇、饒子和與上海科技大學(xué)高巖等發(fā)現(xiàn)并重構(gòu)了病毒“加帽中間態(tài)復(fù)合體”“mRNA?加帽復(fù)合體”和“錯(cuò)配校正復(fù)合體”，并闡明其工作機(jī)制。揭示了新型冠狀病毒轉(zhuǎn)錄復(fù)制機(jī)器的完整組成形式；發(fā)現(xiàn)病毒聚合酶的核苷轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域是催化?mRNA“加帽”成熟的關(guān)鍵酶，明確了帽結(jié)構(gòu)的合成過(guò)程，為發(fā)展新型、安全的廣譜抗病毒藥物提供了全新靶點(diǎn)；發(fā)現(xiàn)病毒以“反式回溯”的方式對(duì)錯(cuò)配堿基和抗病毒藥物進(jìn)行“剔除”，闡明了瑞德西韋等藥物效果不良的分子機(jī)制，為優(yōu)化針對(duì)聚合酶的抗病毒藥物提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。
FAST?捕獲世界最大快速射電暴樣本
快速射電暴（FRB）是無(wú)線電波段宇宙最明亮的爆發(fā)現(xiàn)象。FRB 121102?是人類所知的第一個(gè)重復(fù)快速射電暴，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)李菂等使用?500?米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）成功捕捉到?FRB 121102?的極端活動(dòng)期，最劇烈時(shí)段達(dá)到每小時(shí)?122?次爆發(fā)，累計(jì)獲取了?1?652?個(gè)高信噪比的爆發(fā)信號(hào)，構(gòu)成目前最大的?FRB?爆發(fā)事件集合。研究發(fā)現(xiàn)?FRB?爆發(fā)率存在特征能量?E0=4.8×1037 erg；探測(cè)到其能譜的雙峰結(jié)構(gòu)，即低能端接近正則對(duì)數(shù)，展現(xiàn)快速射電暴重復(fù)過(guò)程的隨機(jī)性；高能端接近洛倫茲函數(shù)，展現(xiàn)強(qiáng)輻射存在可能的相關(guān)過(guò)程。FAST?樣本排除了?FRB 121102?爆發(fā)在?1 ms?至?1 h?之間的周期性或準(zhǔn)周期性，嚴(yán)格限制了重復(fù)快速射電暴由單一致密天體起源的可能性。該研究首次展現(xiàn)了?FRB?的完整能譜，深入揭示了?FRB?的基礎(chǔ)物理機(jī)制。
實(shí)現(xiàn)高性能纖維鋰離子電池規(guī)模化制備
如何通過(guò)設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)（如創(chuàng)建纖維鋰離子電池）滿足電子產(chǎn)品高度集成化和柔性化發(fā)展要求，是鋰離子電池領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。
復(fù)旦大學(xué)彭慧勝、陳培寧等發(fā)現(xiàn)纖維鋰離子電池內(nèi)阻與長(zhǎng)度之間獨(dú)特的雙曲余切函數(shù)關(guān)系，即內(nèi)阻隨長(zhǎng)度增加并不增大，反而先下降后趨于穩(wěn)定。在此理論指導(dǎo)下構(gòu)建的纖維鋰離子電池具有優(yōu)異且穩(wěn)定的電化學(xué)性能，能量密度較過(guò)去提升了近?2?個(gè)數(shù)量級(jí)，彎折?10?萬(wàn)次后容量保持率超過(guò)?80%；建立的世界上首條纖維鋰離子電池生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了其規(guī)模化連續(xù)制備；編織集成得到的纖維鋰離子電池系統(tǒng)，電化學(xué)性能與商業(yè)鋰離子電池相當(dāng)，而穩(wěn)定性和安全性更加優(yōu)異。
可編程二維?62?比特超導(dǎo)處理器“祖沖之號(hào)”的量子行走
量子行走是經(jīng)典隨機(jī)行走的量子力學(xué)模擬，是實(shí)現(xiàn)量子模擬、量子搜索算法乃至通用量子計(jì)算的工具。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱曉波、潘建偉等通過(guò)研發(fā)兼容平面工藝的三維引線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了量子比特結(jié)構(gòu)從一維向二維的拓展，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)由?62?個(gè)比特組成的?8×8?的二維結(jié)構(gòu)超導(dǎo)量子比特陣列，構(gòu)建了“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)，并通過(guò)該裝置演示高保真的單粒子和雙粒子連續(xù)時(shí)間量子行走。利用量子處理器的高可編程性，實(shí)現(xiàn)了量子比特激發(fā)粒子行走路徑的精確調(diào)控，在固態(tài)量子芯片實(shí)現(xiàn)了馬赫-曾德爾干涉儀。
該工作是世界范圍內(nèi)公開發(fā)表的首個(gè)比特?cái)?shù)超過(guò)?60?的超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域的成果，驗(yàn)證了對(duì)含噪聲中等規(guī)模量子比特系統(tǒng)的高精度量子調(diào)控能力，為研制“祖沖之二號(hào)”、實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”奠定了基礎(chǔ)。
自供電軟機(jī)器人成功挑戰(zhàn)馬里亞納海溝
深海機(jī)器人與裝備需要高強(qiáng)度金屬耐壓外殼或壓力補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)保護(hù)內(nèi)部機(jī)電系統(tǒng)。浙江大學(xué)李鐵風(fēng)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(jī)器人功能器件破壞及驅(qū)動(dòng)失效的內(nèi)在機(jī)制；提出了硬質(zhì)器件分散融入軟基體實(shí)現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力調(diào)控的方法，以及適應(yīng)深海低溫、高壓環(huán)境的電驅(qū)動(dòng)人工肌肉融合制造方法；建立了萬(wàn)米深海軟機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)造方法和驅(qū)動(dòng)理論。
所研制的自供電軟機(jī)器人成功挑戰(zhàn)馬里亞納海溝，實(shí)現(xiàn)了?10?900 m?海底深潛和驅(qū)動(dòng)；在南海海平面以下?3?224 m?實(shí)現(xiàn)深海航行。該研究大幅降低了深海機(jī)器人的重量及經(jīng)濟(jì)成本，推動(dòng)了軟體機(jī)器人在深海工程領(lǐng)域的應(yīng)用。
揭示鳥類遷徙路線成因和長(zhǎng)距離遷徙關(guān)鍵基因
“遷徙生物如何發(fā)現(xiàn)其遷徙路線？”一直是社會(huì)和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的議題，也是?Science?雜志“125?個(gè)最具挑戰(zhàn)性科學(xué)問(wèn)題”之一。
中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所詹祥江等歷時(shí)?12?年，利用衛(wèi)星追蹤數(shù)據(jù)和基因組信息，建立了一套游隼遷徙研究系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)游隼主要使用?5?條路線穿越亞歐大陸；其中，西部游隼表現(xiàn)為短距離遷徙，東部為長(zhǎng)距離遷徙。在末次冰盛期到全新世的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，冰川消退所導(dǎo)致的游隼繁殖和越冬地變遷，可能是遷徙路線形成的主要?dú)v史原因。研究還發(fā)現(xiàn)遷徙距離更長(zhǎng)的游隼攜帶?ADCY8?優(yōu)勢(shì)等位基因，該基因與長(zhǎng)時(shí)記憶形成有關(guān)，這表明長(zhǎng)時(shí)記憶可能是鳥類長(zhǎng)距離遷徙的重要基礎(chǔ)。該研究結(jié)合遙感衛(wèi)星追蹤、基因組學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等研究手段，通過(guò)多學(xué)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(chǔ)。
（《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）