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2020年中國十大科技進展新聞

嫦娥五號完成我國首次地外天體采樣返回之旅

11月24日4時30分，我國成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器，12月1日成功著陸在預選著陸區(qū)。完成月壤取樣后，嫦娥五號上升器于12月3日從月面起飛，嫦娥五號返回器于12月17日1時59分在內蒙古四子王旗預定區(qū)域成功著陸，標志著我國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成。隨后，重達1731克的嫦娥五號樣品移交中國科學院，將在位于國家天文臺的“月球樣品實驗室”中存儲、處理和分析，正式開啟月球樣品與科學數(shù)據(jù)的應用和研究。嫦娥五號任務作為我國復雜度最高、技術跨度最大的航天系統(tǒng)工程，對于我國提升航天技術水平、完善探月工程體系、開展月球科學研究、組織后續(xù)月球及星際探測任務，具有承前啟后、里程碑式的重要意義。

嫦娥五號著陸后全景相機環(huán)拍成像

北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功

6月23日9時43分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第55顆導航衛(wèi)星暨北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。此次發(fā)射的北斗導航衛(wèi)星和配套運載火箭分別由中國航天科技集團有限公司所屬的中國空間技術研究院和中國運載火箭技術研究院抓總研制，中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等多家科研院所全方位參與了研制建設。這是長征系列運載火箭的第336次飛行。在測控、地面運控、星間鏈路運管、應用驗證等系統(tǒng)的強有力支撐下，此前發(fā)射的所有在軌衛(wèi)星都已入網(wǎng)。至此，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署比原計劃提前半年全面完成。

北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射  胡煦劼攝

我國無人潛水器和載人潛水器均取得新突破

6月8日，由中國科學院沈陽自動化研究所主持研制的“海斗一號”全海深自主遙控潛水器搭乘“探索一號”科考船海試歸來。在此航次中，“海斗一號”在馬里亞納海溝實現(xiàn)近海底自主航行探測和坐底作業(yè)，最大下潛深度10907米，填補了我國萬米級作業(yè)型無人潛水器的空白。11月28日，由中國船舶集團有限公司第七〇二研究所牽頭總體設計和集成建造、中國科學院深海科學與工程研究所等多家機構聯(lián)合研發(fā)的“奮斗者”號全海深載人潛水器隨“探索一號”科考船返航。此次“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功坐底，創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀錄，標志著我國在大深度載人深潛領域達到世界領先水平。

“海斗一號”和“奮斗者”號（右）

我國率先實現(xiàn)水平井鉆采深?？扇急?/span>

天然氣水合物通常稱為可燃冰。3月26日，自然資源部召開視頻會透露，在水深1225米的南海神狐海域的試采創(chuàng)造了“產氣總量86.14萬立方米、日均產氣量2.87萬立方米”兩項新世界紀錄。此次試采中，研究人員還自主研發(fā)了一套實現(xiàn)天然氣水合物勘查開采產業(yè)化的關鍵技術裝備體系，創(chuàng)建了獨具特色的環(huán)境保護和監(jiān)測體系，自主創(chuàng)新形成了環(huán)境風險防控技術體系。此次試采攻克了深海淺軟地層水平井鉆采核心技術，實現(xiàn)了從探索性試采向試驗性試采的重大跨越，在產業(yè)化進程中取得標志性成果。我國也成為全球首個采用水平井鉆采技術試采海域天然氣水合物的國家。

試采火炬

科學家找到小麥“癌癥”克星

小麥赤霉病，是世界范圍內極具毀滅性且防治困難的真菌病害，有小麥“癌癥”之稱。山東農業(yè)大學農學院教授、山東省現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系小麥創(chuàng)新團隊首席專家孔令讓及其團隊從小麥近緣植物長穗偃麥草中首次克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7，且成功將其轉移至小麥品種中，首次明確并驗證了其在小麥抗病育種中不僅具有穩(wěn)定的赤霉病抗性，而且具有廣譜的解毒功能。相關研究成果4月10日在線發(fā)表于《科學》。目前，已有30多家單位利用抗赤霉病的種質材料進行小麥抗赤霉病遺傳改良，并在山東、河南、江蘇、安徽等地進行廣泛試驗，結果表現(xiàn)良好。上述成果為解鎖赤霉病這一世界性難題找到了“金鑰匙”。

受赤霉病侵染的小麥

科學家達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑

中國科學技術大學潘建偉院士、陸朝陽教授等人與中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心的研究人員合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解，使得我國成功達到量子計算研究的首個里程碑——量子計算優(yōu)越性，為研制可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M機奠定技術基礎。相關成果12月4日在線發(fā)表于《科學》。

光量子干涉實物圖

科學家重現(xiàn)地球3億多年生物多樣性變化歷史

生命起源與演化是世界十大科學之謎之一。地球上曾經生活過的生物99%以上已經滅絕，通過化石記錄重建地球生物多樣性變化歷史是認識地球生物多樣性現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的重要途徑。南京大學樊雋軒教授、沈樹忠院士等自建大型數(shù)據(jù)庫，自主研發(fā)人工智能算法，利用“天河二號”超算取得突破，獲得了全球第一條高精度的古生代3億多年的海洋生物多樣性變化曲線，其分辨率較國際同類研究提高400倍。新曲線精確刻畫出地質歷史中多次重大生物滅絕和輻射事件及其與環(huán)境變化的關系。成果于1月17日以研究長文形式發(fā)表于《科學》。

團隊開發(fā)的超算系統(tǒng)Conop

我國最高參數(shù)“人造太陽”建成

我國新一代可控核聚變研究裝置“中國環(huán)流器二號M”（HL-2M）12月4日建成放電，標志我國跨入全球可控核聚變研究前列。該項目由中核集團核工業(yè)西南物理研究院自主設計建造。據(jù)悉，該裝置是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進托卡馬克裝置，是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置，采用更先進的結構與控制方式，等離子體體積達到國內現(xiàn)有裝置2倍以上、電流能力提高到2.5兆安培以上、離子溫度可達到1.5億攝氏度，能實現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運行，是實現(xiàn)我國核聚變能開發(fā)事業(yè)跨越式發(fā)展的重要依托，也是我國消化吸收ITER技術的重要平臺。

“中國環(huán)流器二號M”裝置

科學家攻克20余年懸而未決的幾何難題

中國科學技術大學教授陳秀雄、王兵發(fā)表的關于高維凱勒·里奇流收斂性的論文，率先攻克了哈密爾頓—田猜想和偏零階估計猜想——這些均為幾何分析領域20余年來懸而未決的核心猜想。相關成果于11月初發(fā)表在《微分幾何學雜志》上。據(jù)了解，論文篇幅超過120頁，從投稿到正式發(fā)表耗時6年。該論文引進了眾多新思想和新方法，對幾何分析，尤其是里奇流的研究產生了深遠的影響。據(jù)悉，該文是幾何分析領域內的重大進展，或將推進諸多相關工作。

測地球和函數(shù)水平集之間的比較

中美團隊獲2020戈登貝爾獎

11月19日，由中國科學院計算技術研究所賈偉樂、中科院院士鄂維南、北京大數(shù)據(jù)研究院張林峰及其合作者完成的應用成果獲得國際高性能計算應用領域最高獎——戈登貝爾獎。該工作在國際上首次采用智能超算與物理模型的結合，引領了科學計算從傳統(tǒng)的計算模式朝著智能超算的方向前進。該成果通過高性能計算和機器學習將分子動力學極限提升了數(shù)個量級，達到了上億原子的體系規(guī)模，并保證了“從頭算”的高精度，且模擬時間尺度較傳統(tǒng)方法提高1000倍，有望為力學、化學、材料、生物乃至工程領域解決實際問題發(fā)揮更大作用。

機器學習模擬1億原子

2020年世界十大科技進展新聞

科學界完成迄今最全面癌癥基因組分析

2月5日，英國韋爾科姆基金會桑格研究所宣布，一個國際團隊完成了迄今覆蓋面最廣泛的癌癥全基因組分析，這有助于加深研究人員對癌癥的認識，為開發(fā)出更高效的治療方案鋪平道路。這個被稱為“泛癌癥計劃”的項目由來自37個國家的1300多名科學家合作開展，旨在研究可導致癌癥的變異基因，繪制出這些基因的全圖譜，團隊分析了38種不同類型腫瘤的2658個全基因組，為癌癥研究獲取了豐富的基因數(shù)據(jù)。相關成果在當天以20多篇系列報告的形式發(fā)表在《自然》雜志及子刊上。

圖為人乳腺癌細胞。大量新的數(shù)據(jù)揭示了基因變化是如何驅動腫瘤生長的。

人造葉綠體研制成功

德國馬克斯·普朗克陸地微生物研究所和法國波爾多大學的研究人員5月8日在《科學》上發(fā)文，他們通過將菠菜的“捕光器”與9種不同生物體的酶結合，制造了人造葉綠體。這種葉綠體可在細胞外工作、收集陽光，并利用由此產生的能量將二氧化碳轉化成富含能量的分子。研究人員希望他們制造的加強版光合作用系統(tǒng)，最終能將二氧化碳直接轉化成有用的化學物質，或者使轉基因植物吸收大氣中二氧化碳的量達到普通植物的10倍。這種新的光合作用將為轉基因作物打開新大門，創(chuàng)造出比現(xiàn)有品種生長速度更快的新品種。在世界人口激增的背景下，這對農業(yè)發(fā)展是一個福音。

在這些90微米的液滴中，葉綠體的類囊體利用陽光將二氧化碳轉化為有機化合物。

人工智能首次成功解析蛋白質結構

生物學界最大的挑戰(zhàn)之一 ——蛋白質三維結構解析如今有望被破解。谷歌旗下人工智能公司DeepMind開發(fā)的深度學習程序AlphaFold能夠精確預測其三維形狀。長久以來，人們需要借助實驗確定完整的蛋白質結構，這些方法往往需要數(shù)月甚至數(shù)年時間。而現(xiàn)在，人工智能也有能力給出精確預測的計算方法，可能只要幾天甚至半個小時。11月30日，在蛋白質預測結構挑戰(zhàn)賽CASP上，AlphaFold程序在百余支隊伍中脫穎而出。將深度學習與張力控制算法結合，并應用于結構和遺傳數(shù)據(jù)，該深度學習網(wǎng)絡利用目前已知的17萬種解析完畢的蛋白質進行了訓練。

圖中藍色為計算機預測的蛋白質結構，綠色為實驗驗證結果，二者相似度非常高。

新型催化劑將二氧化碳變?yōu)榧淄?/span>

研究人員一直試圖模仿光合作用，利用太陽的能量制造化學燃料?，F(xiàn)在，美國科學家開發(fā)出一種新型銅—鐵基催化劑，可借助光將二氧化碳轉化為天然氣主要成分甲烷，這一方法是迄今最接近人造光合作用的方法。研究人員稱，新催化劑如獲進一步改良，將降低人類對化石燃料的依賴。1月出版的美國《國家科學院院刊》報道了這種新型催化劑，作為將二氧化碳轉化為甲烷的光驅動催化劑，其效率和產量是有史以來最高的。

一種新的催化劑增加了利用可再生能源產生甲烷的希望。

腦—機接口技術助癱瘓男子重獲觸覺

4月23日，美國巴泰爾科研中心和俄亥俄州立大學韋克斯納醫(yī)學中心的研究團隊在《細胞》上發(fā)文，他們成功利用腦—機接口（BCI）系統(tǒng)幫一位癱瘓患者恢復了手部觸覺。這項技術能捕捉到人所無法感知的微弱神經信號，并通過發(fā)回受試者大腦的人工感覺反饋來增強這些信號，從而極大地優(yōu)化受試者的運動功能。BCI系統(tǒng)在改進后成為首個同時恢復運動與觸覺功能的系統(tǒng)，不僅能讓受試者僅靠觸覺就能感知到物體，還能夠感知握持或撿拾物體時所需的壓力。

伊恩·伯克哈特的運動皮層被植入了微型芯片，從而能夠再次抓住和感覺物體。

科研人員繪出迄今最大三維宇宙結構圖

據(jù)物理學家組織網(wǎng)7月20日報道，在對400多萬個星系和蘊含巨大能量的超亮類星體進行分析后，國際斯隆數(shù)字巡天調查項目團隊發(fā)布了迄今最大的宇宙三維結構圖。繪出該圖的是多國科研人員組成的“擴展重子振蕩光譜巡天（eBOSS）”項目團隊，該項目是世界最大星系巡天項目“斯隆數(shù)字巡天”的一部分。最新成果建立在世界各地數(shù)十家機構的數(shù)百名科研人員超過20年合作的基礎上，由eBOSS項目團隊耗費數(shù)年完成。通過理論分析和天文觀測，科研人員此前對宇宙的遠古歷史和最近的膨脹史都有相當了解，但中間卻存在一個約110億年的認知缺口。有關研究人員表示，新成果填補了這一空白，是宇宙學領域的重大進展。

圖中2D星系（右）經過距離測量確定后，置入3D星圖中（左）。

美研究人員在超高壓下實現(xiàn)室溫超導

10月16日，美國的一個科研團隊在《自然》雜志發(fā)表研究成果。該團隊在超高壓下的一種氫化物材料中觀察到室溫超導現(xiàn)象，這一新突破讓研究人員朝著創(chuàng)造出具有極優(yōu)效率的電力系統(tǒng)邁進了一步。近年來超導研究的進展已表明，富氫材料在高壓下可將超導溫度提高至零下23攝氏度左右。美國羅切斯特大學科研人員在實驗室中將可實現(xiàn)零電阻的溫度提高到了15攝氏度，這個效果在2670億帕斯卡壓力下的一個光化學合成三元含碳硫化氫系統(tǒng)中被觀察到，這個壓力約是典型胎壓的100萬倍，并且達到了實驗中實現(xiàn)的最高壓力值。

一種氫、硫和碳的化合物被壓在兩顆鉆石之間，在室溫下實現(xiàn)超導。

“基因魔剪”首次直接用于人體試驗

一名遺傳失明癥患者成為接受CRISPR-Cas9基因療法直接人體試驗的第一人。據(jù)3月初英國《自然》網(wǎng)站報道，科學家首次開展臨床試驗，將CRISPR-Cas9基因療法直接用于人體，治療遺傳性眼病——萊伯氏先天性黑蒙癥（LCA10）。LCA10是導致兒童失明的主要原因，目前尚無治療方法。CRISPR-Cas9有“基因魔剪”之稱，在最新試驗中，這種基因編輯系統(tǒng)的組件被編碼于病毒基因組中，然后直接注入患者眼睛的近光感受器細胞內。這項最新試驗名為“光明”（BRILLIANCE），旨在測試該基因編輯技術移除導致LCA10的基因突變的能力，具有里程碑意義。

圖為人類視網(wǎng)膜。CRISPR療法首次被直接用于人體，以治療一名遺傳性失明患者。

引力波探測器發(fā)現(xiàn)迄今最強黑洞合并事件

引力波探測器探測到了天文學家未曾想到的驚人發(fā)現(xiàn)——迄今為止我們所知的最大規(guī)模的黑洞合并事件。9月2日，《物理評論快報》和《天體物理學期刊快報》分別上線文章，介紹了這項發(fā)現(xiàn)。此次黑洞合并最早發(fā)現(xiàn)于2019年5月21日，合并產生的引力波被美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）和意大利室女座干涉儀（Virgo）探測到，合并事件被命名為GW190521。這是上述引力波探測器當年第二次探測到非常規(guī)的黑洞合并事件。此次合并事件中，兩個黑洞的質量分別是太陽的85倍和66倍，合并后形成的新黑洞質量接近150個太陽。

黑洞碰撞概念圖

冷凍電鏡技術突破原子分辨率障礙

如果想繪制出蛋白質最微小的部分，科學家通常需要使數(shù)百萬個單個蛋白質分子排列成晶體，然后用X射線晶體學分析它們；或者快速冷凍蛋白質的副本，然后用電子轟擊它們，這是一種低分辨率的方法，叫做冷凍電鏡技術。在電子束技術、探測器和軟件進一步的幫助下，來自英國和德國的兩組研究人員將分辨率縮小到1.25?；蚋。@已經足以計算出單個原子的位置。增強的分辨率或使更多的結構生物學家選擇使用冷凍電鏡技術。目前，這項技術只適用于異常堅硬的蛋白質。下一步，研究人員將努力在剛性較小、較大的蛋白質復合物（如剪接體）中達到類似清晰程度的分辨率。相關論文于10月21日發(fā)表于《自然》。

冷凍電鏡揭示了去鐵鐵蛋白的原子細節(jié)。

參考資料

[1] 兩院院士評選2020年中國、世界十大科技進展新聞揭曉,https://mp.weixin.qq.com/s/66r8CtDdJ-QpvB_bA47ScQ