以科技之光照亮未來之路

在剛剛過去的2020年里，國內(nèi)外科學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了哪些大事？本刊根據(jù)各大機(jī)構(gòu)的盤點(diǎn)，綜合梳理出這些值得被記住的科學(xué)事件。

2020年，突如其來的新冠肺炎疫情，讓所有人的心都為之牽動;急劇變化的外部環(huán)境，讓全球發(fā)展晦暗不明;受到嚴(yán)重沖擊的國內(nèi)經(jīng)濟(jì)，讓每個人都感受到巨大壓力……2020年注定是不平凡的一年。

面對各種不利環(huán)境，我們卻驚喜地發(fā)現(xiàn)，2020年科技之樹依然碩果累累：從“激活”隱藏的HIV病毒到最大規(guī)模人類遺傳變異體目錄公布，科技成果不斷造福人類健康;從破解蛋白折疊難題到第一張人類細(xì)胞圖譜，人類也在重新認(rèn)識生命的本質(zhì);從第一次室溫超導(dǎo)到證明困擾數(shù)學(xué)界20多年的核心猜想，我們?yōu)槲磥順?gòu)筑起更多可能;從嫦娥五號登上月球到“奮斗者”號載人深潛，人類的上天入海之旅又寫下新篇章……一項項前沿科技成果凝聚全球關(guān)注的目光，讓人感受到愈發(fā)強(qiáng)勁的澎湃活力。

科技不是冰冷的符號，也不是呆板的公式，而是我們心中的希望之光，未來之路。2021年，我們期待更多科技成果落地開花、惠澤全世界人民。

國際十大科技新聞：新冠疫情下依然精彩

在新冠病毒的陰影下，科學(xué)雖會遭遇波折，但前進(jìn)的步伐從未停滯：新型催化劑將二氧化碳變?yōu)榧淄?、“激活并殺死”潛伏在?xì)胞中的HIV病毒、快速射電暴在銀河系內(nèi)起源首次確定……盡管這其中的具體原理有些高深莫測、晦澀難懂，但這些發(fā)現(xiàn)也正在或終將切切實實地影響我們的生活。

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。現(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。2020年1月出版的美國《國家科學(xué)院院刊》報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。

艾滋病由人體免疫缺陷病毒（HIV）引起，而HIV是一種逆轉(zhuǎn)錄病毒，其無法治愈的原因在于目前的抗逆轉(zhuǎn)錄病毒治療不能徹底清除HIV感染，這種病毒會在細(xì)胞中潛伏，以此方式“躲避”免疫系統(tǒng)。因此，在長期病毒抑制治療后清除病毒感染一直是研究的焦點(diǎn)。盡管科學(xué)家設(shè)計出了“激活并殺死”的方法，但方法一直不算成功或有效。

2020年2月，美國的科學(xué)家通過兩種方法來逆轉(zhuǎn)HIV的潛伏，而當(dāng)逆轉(zhuǎn)潛伏法與適當(dāng)藥物相結(jié)合，顯著提高了清除該病毒的概率。這種“激活”隱藏病毒的手段，是迄今最強(qiáng)大的潛伏逆轉(zhuǎn)方法。當(dāng)然，兩種“激活”法要結(jié)合后續(xù)的“殺死”步驟才能完成清除功能，但其無疑為醫(yī)學(xué)界進(jìn)一步理解病毒維持機(jī)制打開了一扇新的大門，讓艾滋病治療研究向前邁出了“令人震驚的一步”。

2020年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，還能夠讓受試者感知握持或撿拾物體時所需的壓力。

發(fā)表在《自然》雜志上的三篇論文中，科學(xué)家首次確定了一個快速射電暴在銀河系內(nèi)的起源。有趣的是，快速射電暴還伴隨著一連串的X射線。這一發(fā)現(xiàn)是通過將多臺天基和陸基望遠(yuǎn)鏡的觀測拼湊在一起而獲得和理解的?！翱焖偕潆姳边@個名字很好地描述了它們的含義：持續(xù)時間大致在毫秒級的明亮無線電波爆發(fā)?？焖偕潆姳┦状伟l(fā)現(xiàn)于2007年，它們的短命特性使得探測它們和確定它們在天空中的位置變得具有挑戰(zhàn)性。這是第一個探測到無線電波以外的輻射的快速射電暴，且是第一個在銀河系中被發(fā)現(xiàn)的，同時也是第一個與被稱為磁星的恒星殘留物有關(guān)的快速射電暴，這證明了磁星可以是快速射電暴的起源。

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2020年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。

2020年5月30日，美國時隔9年重新在本土利用航天器將宇航員送入地球軌道。這一次幫助美國重拾航天夢的是美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX），這也是歷史上的首次商業(yè)載人航天任務(wù)。此次任務(wù)屬于Demo-2演示任務(wù)的最后一環(huán)，載人龍飛船攜帶了2名宇航員前往國際空間站。龍飛船在整個任務(wù)期間完成了發(fā)射、國際空間站對接、脫離軌道和濺落的近乎全自動化流程，并確保了宇航員的安全。2020年11月，載人龍飛船在首次經(jīng)批準(zhǔn)的正式載人航天任務(wù)中，運(yùn)送3名美國國家航空航天局（NASA）宇航員和1名日本宇航員發(fā)射升空，4名宇航員將開展約半年的太空站任務(wù)。至此，商業(yè)載人航天的序幕也正式開啟。

深入研究人類基因組成為解鎖諸多重大疾病病因的關(guān)鍵。2020年6月，《自然》《自然·通訊》《自然·醫(yī)學(xué)》雜志同時發(fā)表一系列報告，集中描述了對一個匯集了逾14萬人樣本的數(shù)據(jù)庫——基因組聚集數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，其涵蓋從125 748個全外顯子組和15 708個全基因組測序數(shù)據(jù)集中，鑒定出的443 769個預(yù)測的功能喪失型變異體。這是人們迄今擁有的最大規(guī)模人類遺傳變異體公開目錄。

盡管科學(xué)家距離鑒定出人類全部的預(yù)測功能喪失型變異體還很遙遠(yuǎn)，但這一研究依然是我們現(xiàn)階段深入認(rèn)識人類基因功能、發(fā)現(xiàn)新疾病相關(guān)基因的寶貴資源。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2020年7月20日報道，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)查項目團(tuán)隊發(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）”項目團(tuán)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(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項目團(tuán)隊耗費(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。

自1911年超導(dǎo)首次發(fā)現(xiàn)以來，尋找能在室溫條件下達(dá)到的超導(dǎo)體一直是眾多科學(xué)家競相追求的目標(biāo)。

此前研究表明，富氫材料在高壓下可以將超導(dǎo)溫度提高至零下2攝氏度左右。2020年10月，《自然》雜志刊登的研究成果顯示人類將可以實現(xiàn)零電阻的溫度提高到了15攝氏度，但這是在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)中實現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了室溫超導(dǎo)體的研究工作——這類材料可以帶來重大技術(shù)變革并節(jié)約大量能源。

50年來，科學(xué)家們一直致力于解決生物學(xué)領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一：預(yù)測一系列氨基酸在“變身”為工作蛋白質(zhì)時會折疊成何種精確三維形狀。2020年，他們實現(xiàn)了這個目標(biāo)。

2020年12月1日，谷歌旗下的“深度思維”公司宣布，其新一代AlphaFold人工智能系統(tǒng)在國際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測競賽上擊敗了其余參會選手，精確預(yù)測了蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確性可與冷凍電子顯微鏡、X射線晶體學(xué)等實驗技術(shù)相媲美。

研究人員指出，鑒于蛋白質(zhì)的精確形狀決定了它的生化功能，這一新進(jìn)展可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)疾病的發(fā)病原理，開發(fā)新藥，甚至創(chuàng)造出耐旱植物和更便宜的生物燃料。

國內(nèi)十大科技新聞：中國科技華光璀璨

2020年，中國巨輪無懼風(fēng)雨、砥礪前行。盡管經(jīng)受了新冠肺炎疫情的嚴(yán)峻沖擊，但科技領(lǐng)域還是捷報頻傳：中國北斗正式登上世界舞臺、三峽工程完成整體竣工驗收、嫦娥五號登上月球、“奮斗者”號載人深潛……科技工作者上天下海演繹敢為人先的創(chuàng)新精神。

天然氣水合物通常稱為可燃冰。2020年3月26日，自然資源部召開視頻會議透露，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”兩項世界紀(jì)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(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)，實現(xiàn)了從探索性試采向試驗性試采的重大跨越，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。

小麥赤霉病是一種世界范圍內(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)隊首席專家孔令讓及其團(tuán)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(zhuǎn)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(guān)研究成果于2020年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，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”。

2020年6月，由中車四方股份公司承擔(dān)研制的時速600公里高速磁浮試驗樣車在上海同濟(jì)大學(xué)磁浮試驗線上成功試跑。此次試驗樣車成功試跑，實現(xiàn)了從靜態(tài)到動態(tài)運(yùn)行的突破，獲取了大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，高速磁浮系統(tǒng)及核心部件的關(guān)鍵性能得到了初步驗證，為后續(xù)高速磁浮工程樣車的研制優(yōu)化提供了重要的技術(shù)支持。

時速600公里高速磁懸浮交通研發(fā)項目是國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計劃現(xiàn)代軌道交通專項，此次研制重大突破表明，人類向貼地飛行的新交通革命大大邁進(jìn)了一步。

此時此刻，來自地球的使者天問一號正在穿越茫茫的星際旅程，向火星疾馳。從2020年7月23日12時41分踏上“奔火”征途以來，天問一號距離火星的距離越來越近。據(jù)悉2月10日將是天問一號接近火星制動捕獲的關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)，屆時它將成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。

天問一號成功發(fā)射標(biāo)志著中國邁出了獨(dú)立火星探測和行星際探測的第一步，開啟了中國航天新紀(jì)元。對國際航天界來說，重約5噸的天問一號不僅是人類有史以來第一次向火星發(fā)射的最大規(guī)模探測器，而且將實現(xiàn)對火星“環(huán)繞、著陸、巡視探測”，將以高效率的“三合一”探測成為人類“探火”的佼佼者。

“三合一”探測的效果還需要耐心等待，但是“天問一號”到目前一直保持良好的狀態(tài)，成功拍攝并發(fā)回地球與月球的合影，完成了深空“自拍”并回傳地球。飛行控制團(tuán)隊對其實施了數(shù)次軌道修正，其飛行姿態(tài)穩(wěn)定，能源平衡，各系統(tǒng)工作正常。地面測控通信各中心和臺站對其跟蹤正常。

2020年7月31日，中國向全世界鄭重宣告，中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成，開啟了高質(zhì)量服務(wù)全球、造福人類的嶄新篇章。

與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采取單一軌道星座構(gòu)型相比，中國北斗系統(tǒng)獨(dú)樹一幟，堅定選擇了混合星座的特色發(fā)展之路。

北斗一號在國際上首次實現(xiàn)了地球靜止軌道衛(wèi)星提供導(dǎo)航定位服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，北斗二號系統(tǒng)在國際上首創(chuàng)以地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星為骨干，兼有中圓軌道衛(wèi)星的混合星座。北斗三號系統(tǒng)進(jìn)一步將混合星座構(gòu)型發(fā)揚(yáng)光大，建成由24顆中圓軌道衛(wèi)星、3顆地球靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星組成的全球系統(tǒng)，為建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供了全新范式。

中國北斗除了應(yīng)有的扎實“基本功”，還擁有自己的“獨(dú)門絕技”。例如其短報文通信功能，開創(chuàng)了通信導(dǎo)航一體化的獨(dú)特服務(wù)模式。

2020年8月13日，中國電子發(fā)布銀河麒麟操作系統(tǒng)V10。該系統(tǒng)被認(rèn)為是中國電子40年來在操作系統(tǒng)自主創(chuàng)新征程中的階段性、代表性成果。麒麟軟件有限公司執(zhí)行總裁孔金珠表示，新發(fā)布的版本具有國內(nèi)最高安全等級，快速實現(xiàn)了國產(chǎn)操作系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，擁有內(nèi)生安全、融入移動、性能領(lǐng)先、生態(tài)豐富、體驗提升、云端賦能6大亮點(diǎn)，集合了中國電子多年技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品打造和工程實踐積累的最新成果。

簡而言之，銀河麒麟V10解決了困擾國產(chǎn)操作系統(tǒng)已久的幾個大問題：安全、生態(tài)、市場。

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2020年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。

2020年11月24日，中國探月工程嫦娥五號探測器在文昌航天發(fā)射場順利升空，開啟中國首次地外天體采樣返回之旅。這是探月工程的第六次任務(wù)，也是我國航天領(lǐng)域迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。

整個任務(wù)嫦娥五號經(jīng)歷了11個階段、23天的在軌工作，采集了約1731克月球樣品返回地球。這一任務(wù)開啟了在月球自動采樣并將樣品帶回地球的新篇章，對增加人類對月球歷史的了解具有革命性意義。

2020年11月28日，創(chuàng)造了10 909米中國載人深潛新紀(jì)錄的“奮斗者”號，完成第二階段海試，勝利返航。1個多月時間，累計完成13次下潛，其中8次突破萬米。10 909米的紀(jì)錄讓人類在大深度載人深潛領(lǐng)域有了新坐標(biāo)。

“奮斗者”號是我國自主設(shè)計、集成的萬米載人潛水器。其成功研制顯著提升了我國載人深潛技術(shù)裝備能力和自主創(chuàng)新水平，為我國探索深?？茖W(xué)奧秘、保護(hù)和合理利用海洋資源提供了又一利器。

“奮斗者”號的成功海試，充分驗證了潛水器各項功能、性能以及我國在深海裝備和深海技術(shù)上的突破，標(biāo)志著我國進(jìn)入深?？瓶嫉谝惶蓐?，將為我國后續(xù)深淵深?？茖W(xué)研究提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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）2020年12月4日建成放電，標(biāo)志著我國跨入全球可控核聚變研究前列。該項目由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)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(jìn)托卡馬克裝置，是我國新一代先進(jìn)磁約束核聚變實驗研究裝置，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，能實現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)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（國際熱核實驗堆）技術(shù)的重要平臺。