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2020年中國十大科技進(jìn)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(shí)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(yù)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(shí)59分在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域成功著陸，標(biāo)志著我國首次地外天體采樣返回任務(wù)圓滿完成。隨后，重達(dá)1731克的嫦娥五號樣品移交中國科學(xué)院，將在位于國家天文臺的“月球樣品實(shí)驗(yàn)室”中存儲、處理和分析，正式開啟月球樣品與科學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和研究。嫦娥五號任務(wù)作為我國復(fù)雜度最高、技術(shù)跨度最大的航天系統(tǒng)工程，對于我國提升航天技術(shù)水平、完善探月工程體系、開展月球科學(xué)研究、組織后續(xù)月球及星際探測任務(wù)，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(jī)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(shí)43分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)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(dǎo)航衛(wèi)星和配套運(yùn)載火箭分別由中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬的中國空間技術(shù)研究院和中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制，中國科學(xué)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(shè)。這是長征系列運(yùn)載火箭的第336次飛行。在測控、地面運(yùn)控、星間鏈路運(yùn)管、應(yīng)用驗(yàn)證等系統(tǒng)的強(qiáng)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(dǎo)航系統(tǒng)星座部署比原計(jì)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(xué)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(shí)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(bǔ)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(tuán)有限公司第七〇二研究所牽頭總體設(shè)計(jì)和集成建造、中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所等多家機(jī)構(gòu)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(jì)錄，標(biāo)志著我國在大深度載人深潛領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

“海斗一號”和“奮斗者”號（右）

我國率先實(shí)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(chǎn)氣總量86.14萬立方米、日均產(chǎn)氣量2.87萬立方米”兩項(xiàng)新世界紀(jì)錄。此次試采中，研究人員還自主研發(fā)了一套實(shí)現(xiàn)天然氣水合物勘查開采產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)裝備體系，創(chuàng)建了獨(dú)具特色的環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測體系，自主創(chuàng)新形成了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)體系。此次試采攻克了深海淺軟地層水平井鉆采核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從探索性試采向試驗(yàn)性試采的重大跨越，在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中取得標(biāo)志性成果。我國也成為全球首個采用水平井鉆采技術(shù)試采海域天然氣水合物的國家。

試采火炬

科學(xué)家找到小麥“癌癥”克星

小麥赤霉病，是世界范圍內(nèi)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(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席專家孔令讓及其團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)移至小麥品種中，首次明確并驗(yàn)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(guān)研究成果4月10日在線發(fā)表于《科學(xué)》。目前，已有30多家單位利用抗赤霉病的種質(zhì)材料進(jìn)行小麥抗赤霉病遺傳改良，并在山東、河南、江蘇、安徽等地進(jìn)行廣泛試驗(yàn)，結(jié)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(xué)家達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑

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

光量子干涉實(shí)物圖

科學(xué)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(xué)之謎之一。地球上曾經(jīng)生活過的生物99%以上已經(jīng)滅絕，通過化石記錄重建地球生物多樣性變化歷史是認(rèn)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(xué)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(zhì)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(guān)系。成果于1月17日以研究長文形式發(fā)表于《科學(xué)》。

團(tuán)隊(duì)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(biāo)志我國跨入全球可控核聚變研究前列。該項(xiàng)目由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計(jì)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(jìn)托卡馬克裝置，是我國新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置，采用更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，等離子體體積達(dá)到國內(nèi)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(dá)到1.5億攝氏度，能實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行，是實(shí)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(shù)的重要平臺。

“中國環(huán)流器二號M”裝置

科學(xué)家攻克20余年懸而未決的幾何難題

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳秀雄、王兵發(fā)表的關(guān)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(jì)猜想——這些均為幾何分析領(lǐng)域20余年來懸而未決的核心猜想。相關(guān)成果于11月初發(fā)表在《微分幾何學(xué)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(shí)6年。該論文引進(jìn)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(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。據(jù)悉，該文是幾何分析領(lǐng)域內(nèi)的重大進(jìn)展，或?qū)⑼七M(jìn)諸多相關(guān)工作。

測地球和函數(shù)水平集之間的比較

中美團(tuán)隊(duì)獲2020戈登貝爾獎

11月19日，由中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)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(yīng)用成果獲得國際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)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(jié)合，引領(lǐng)了科學(xué)計(jì)算從傳統(tǒng)的計(jì)算模式朝著智能超算的方向前進(jìn)。該成果通過高性能計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)將分子動力學(xué)極限提升了數(shù)個量級，達(dá)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(shí)間尺度較傳統(tǒng)方法提高1000倍，有望為力學(xué)、化學(xué)、材料、生物乃至工程領(lǐng)域解決實(shí)際問題發(fā)揮更大作用。

機(jī)器學(xué)習(xí)模擬1億原子

2020年世界十大科技進(jìn)展新聞

科學(xué)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(tuán)隊(duì)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(rèn)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(jì)劃”的項(xiàng)目由來自37個國家的1300多名科學(xué)家合作開展，旨在研究可導(dǎo)致癌癥的變異基因，繪制出這些基因的全圖譜，團(tuán)隊(duì)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(guān)成果在當(dāng)天以20多篇系列報(bào)告的形式發(fā)表在《自然》雜志及子刊上。

圖為人乳腺癌細(xì)胞。大量新的數(shù)據(jù)揭示了基因變化是如何驅(qū)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(xué)的研究人員5月8日在《科學(xué)》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(jié)合，制造了人造葉綠體。這種葉綠體可在細(xì)胞外工作、收集陽光，并利用由此產(chǎn)生的能量將二氧化碳轉(zhuǎn)化成富含能量的分子。研究人員希望他們制造的加強(qiáng)版光合作用系統(tǒng)，最終能將二氧化碳直接轉(zhuǎn)化成有用的化學(xué)物質(zhì)，或者使轉(zhuǎn)基因植物吸收大氣中二氧化碳的量達(dá)到普通植物的10倍。這種新的光合作用將為轉(zhuǎn)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(nóng)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(zhuǎn)化為有機(jī)化合物。

人工智能首次成功解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

生物學(xué)界最大的挑戰(zhàn)之一 ——蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)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(xué)習(xí)程序AlphaFold能夠精確預(yù)測其三維形狀。長久以來，人們需要借助實(shí)驗(yàn)確定完整的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這些方法往往需要數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間。而現(xiàn)在，人工智能也有能力給出精確預(yù)測的計(jì)算方法，可能只要幾天甚至半個小時(shí)。11月30日，在蛋白質(zhì)預(yù)測結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)賽CASP上，AlphaFold程序在百余支隊(duì)伍中脫穎而出。將深度學(xué)習(xí)與張力控制算法結(jié)合，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和遺傳數(shù)據(jù)，該深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)利用目前已知的17萬種解析完畢的蛋白質(zhì)進(jìn)行了訓(xùn)練。

圖中藍(lán)色為計(jì)算機(jī)預(yù)測的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，綠色為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)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(xué)燃料?，F(xiàn)在，美國科學(xué)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(zhuǎn)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(jìn)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(xué)院院刊》報(bào)道了這種新型催化劑，作為將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的光驅(qū)動催化劑，其效率和產(chǎn)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(chǎn)生甲烷的希望。

腦—機(jī)接口技術(shù)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(xué)韋克斯納醫(yī)學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》上發(fā)文，他們成功利用腦—機(jī)接口（BCI）系統(tǒng)幫一位癱瘓患者恢復(fù)了手部觸覺。這項(xiàng)技術(shù)能捕捉到人所無法感知的微弱神經(jīng)信號，并通過發(fā)回受試者大腦的人工感覺反饋來增強(qiáng)這些信號，從而極大地優(yōu)化受試者的運(yùn)動功能。BCI系統(tǒng)在改進(jìn)后成為首個同時(shí)恢復(fù)運(yùn)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(shí)所需的壓力。

伊恩·伯克哈特的運(yùn)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(jié)構(gòu)圖

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月20日報(bào)道，在對400多萬個星系和蘊(yùn)含巨大能量的超亮類星體進(jìn)行分析后，國際斯隆數(shù)字巡天調(diào)查項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)布了迄今最大的宇宙三維結(jié)構(gòu)圖。繪出該圖的是多國科研人員組成的“擴(kuò)展重子振蕩光譜巡天（eBOSS）”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，該項(xiàng)目是世界最大星系巡天項(xiàng)目“斯隆數(shù)字巡天”的一部分。最新成果建立在世界各地?cái)?shù)十家機(jī)構(gòu)的數(shù)百名科研人員超過20年合作的基礎(chǔ)上，由eBOSS項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)耗費(fèi)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(yuǎn)古歷史和最近的膨脹史都有相當(dāng)了解，但中間卻存在一個約110億年的認(rèn)知缺口。有關(guān)研究人員表示，新成果填補(bǔ)了這一空白，是宇宙學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

圖中2D星系（右）經(jīng)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(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)

10月16日，美國的一個科研團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表研究成果。該團(tuán)隊(duì)在超高壓下的一種氫化物材料中觀察到室溫超導(dǎo)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(jìn)了一步。近年來超導(dǎo)研究的進(jìn)展已表明，富氫材料在高壓下可將超導(dǎo)溫度提高至零下23攝氏度左右。美國羅切斯特大學(xué)科研人員在實(shí)驗(yàn)室中將可實(shí)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(xué)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(dá)到了實(shí)驗(yàn)中實(shí)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(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

“基因魔剪”首次直接用于人體試驗(yàn)

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(yàn)的第一人。據(jù)3月初英國《自然》網(wǎng)站報(bào)道，科學(xué)家首次開展臨床試驗(yàn)，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(dǎo)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(yàn)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(xì)胞內(nèi)。這項(xiàng)最新試驗(yàn)名為“光明”（BRILLIANCE），旨在測試該基因編輯技術(shù)移除導(dǎo)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(qiáng)黑洞合并事件

引力波探測器探測到了天文學(xué)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(bào)》和《天體物理學(xué)期刊快報(bào)》分別上線文章，介紹了這項(xiàng)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(chǎn)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(dāng)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(zhì)量分別是太陽的85倍和66倍，合并后形成的新黑洞質(zhì)量接近150個太陽。

黑洞碰撞概念圖

冷凍電鏡技術(shù)突破原子分辨率障礙

如果想繪制出蛋白質(zhì)最微小的部分，科學(xué)家通常需要使數(shù)百萬個單個蛋白質(zhì)分子排列成晶體，然后用X射線晶體學(xué)分析它們；或者快速冷凍蛋白質(zhì)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(shù)。在電子束技術(shù)、探測器和軟件進(jìn)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(jīng)足以計(jì)算出單個原子的位置。增強(qiáng)的分辨率或使更多的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家選擇使用冷凍電鏡技術(shù)。目前，這項(xiàng)技術(shù)只適用于異常堅(jiān)硬的蛋白質(zhì)。下一步，研究人員將努力在剛性較小、較大的蛋白質(zhì)復(fù)合物（如剪接體）中達(dá)到類似清晰程度的分辨率。相關(guān)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(xì)節(jié)。

參考資料

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