回顧2020，兩院院士評選出的這些科技進展值得關注！

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嫦娥五號著陸器和上升器組合體著陸後全景相機環拍成像。國家航天局供圖

2.北鬥三號最後一顆全球組網衛星發射成功，北鬥全球系統星座部署完成

2020年6月23日9時43分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射北鬥系統第五十五顆導航衛星暨北鬥三號最後一顆全球組網衛星。此次發射的北鬥導航衛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，中國科學院微小衛星創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、應用驗證等系統的強有力支撐下，此前發射的所有在軌衛星都已入網。至此，北鬥三號全球衛星導航系統星座部署比原計劃提前半年全面完成。

發射現場。胡煦劼攝

3.深潛再傳捷報，我國無人潛水器和載人潛水器均取得新突破

2020年6月8日，由中國科學院沈陽自動化研究所主持研制的“海鬥一號”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，“海鬥一號”在馬裏亞納海溝實現近海底自主航行探測和坐底作業，最大下潛深度10907米，填補了我國萬米級作業型無人潛水器的空白。

2020年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科研機構聯合研發的“奮鬥者”號全海深載人潛水器隨“探索一號”科考船返航。此次“奮鬥者”號在馬裏亞納海溝成功坐底，創造了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。此外，還有助於科學家了解深淵海底生物、礦藏、海山火山岩的物質組成和成因，以及深海海溝在調節氣候方面的作用。

“海鬥一號”。中科院沈陽自動化研究所供圖

4.我國率先實現水平井鑽采深海可燃冰

2020年3月26日，自然資源部召開了我國海域天然氣水合物第二輪試采成果匯報視頻會，會議透露，此輪試采日前取得成功，並超額完成目標任務。天然氣水合物通常稱為可燃冰。在水深1225米的南海神狐海域的試采創造了“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了一套實現天然氣水合物勘查開采產業化的關鍵技術裝備體系，創建了獨具特色的環境保護和監測體系，自主創新形成了環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鑽采核心技術，實現了從探索性試采向試驗性試采的重大跨越，在產業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鑽采技術試采海域天然氣水合物的國家。

藍鯨II號平台。中國地質調查局供圖

5.科學家找到小麥“癌症”克星

小麥赤黴病，是世界範圍內極具毀滅性且防治困難的真菌病害，有小麥“癌症”之稱。山東農業大學農學院教授、山東省現代農業產業技術體系小麥創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黴病主效基因Fhb7，且成功將其轉移至小麥品種中，首次明確並驗證了其在小麥抗病育種中不僅具有穩定的赤黴病抗性，而且具有廣譜的解毒功能。相關研究成果2020年4月10日在線發表於《科學》。

目前，已有30多家單位利用抗赤黴病的種質材料進行小麥抗赤黴病遺傳改良，並在山東、河南、江蘇、安徽等地進行廣泛試驗，結果表現良好。上述成果為解鎖赤黴病這一世界性難題找到了“金鑰匙”。

受赤黴病侵染的小麥。山東農業大學孔令讓團隊供圖

6.科學家達到“量子計算優越性”里程碑

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與中科院上海微系統與信息技術研究所、國家並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——量子計算優越性，為實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定技術基礎。相關成果2020年12月4日在線發表於《科學》。

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊供圖

7.科學家重現地球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當今人類居住地球生物多樣性現狀與發展趨勢的重要途徑。

南京大學樊雋軒教授、沈樹忠院士等自建大型數據庫，自主研發人工智能算法，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境變化的關系。成果於2020年1月17日以研究長文形式發表於《科學》。

古生代海洋生物多樣性曲線與重要演化事件。南京大學供圖

8.我國最高參數“人造太陽”建成

我國新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”（HL－2M）2020年12月4日在成都正式建成放電，標志我國正式跨入全球可控核聚變研究前列，HL－2M將進一步加快人類探索未來能源的步伐。該項目由中核集團核工業西南物理研究院自主設計建造。

據悉，該裝置是我國目前規模最大、參數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有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達到1.5億攝氏度，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行，是實現我國核聚變能開發事業跨越式發展的重要依托裝置，也是我國消化吸收ITER技術不可或缺的重要平台。

中國環流器二號M裝置。中核集團核工業西南物理研究院供圖

9.科學家攻克20餘年懸而未決的幾何難題

中國科學技術大學教授陳秀雄、王兵發表的關於高維凱勒裏奇流收斂性的論文，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餘年來懸而未決的核心猜想。相關成果於2020年11月初發表在《微分幾何學雜志》上。

據了解，論文篇幅超過120頁，從投稿到正式發表耗時6年。該論文引進了眾多新思想和新方法，對幾何分析，尤其是裏奇流的研究產生了深遠的影響。據悉，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。

闡釋圖片。中國科學技術大學供圖

10.機器學習模擬上億原子：中美團隊獲2020高性能計算應用領域最高獎項戈登貝爾獎

2020年11月19日下午，由中國科學院計算技術研究所賈偉樂副研究員、中國科學院院士鄂維南、北京大數據研究院張林峰研究員及其合作者共同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。該項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的計算模式朝著智能超算的方向前進。

據悉，第一性原理分子動力學以其高精度和算法複雜著稱，長期以來，其計算的空間尺度和時間尺度受算法和算力限制，即使利用世界上最快的超級計算機，也只能計算數千原子體系規模。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個量級，達到了上億原子的體系規模，同時仍保證了「從頭算（ab　initio）」的高精度，且模擬時間尺度較傳統方法至少提高1000倍。據了解，基於深度學習的分子動力學模擬通過高性能計算和機器學習的有機結合，將精確的物理建模帶入了更大尺度的材料模擬中，有望在將來為力學、化學、材料、生物乃至工程領域解決實際問題發揮更大作用。

機器學習＋物理模擬＋高性能計算＝新的科學範式。賈偉樂供圖

世界十大科技進展新聞

1.科學界完成迄今最全面癌症基因組分析

2020年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症全基因組分析，這有助於加深研究人員對癌症的認識，為開發出更高效的治療方案鋪平道路。

這個被稱為“泛癌症計劃”的項目由來自37個國家的1300多名科學家合作開展，旨在研究可導致癌症的變異基因，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，為癌症研究獲取了豐富的基因數據。相關成果在當天以20多篇系列報告的形式發表在《自然》雜志及子刊上。

人乳腺癌細胞。圖源／CECIL　H.　FOX

2.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2020年5月8日在《科學》上發文，他們通過將菠菜的“捕光器”與9種不同生物體的酶結合起來，制造了人造葉綠體。這種葉綠體可在細胞外工作、收集陽光，並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，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，創造出比現有品種生長速度更快的新品種。在世界人口激增的背景下，這對農業發展是一個福音。

在這些90微米的液滴中，葉綠體中的類囊體利用陽光將二氧化碳轉化為有機化合物。圖源／T.　MILLER

3.人工智能首次成功解析蛋白質結構

生物學界最大的挑戰之一——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月甚至數年時間。而現在，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。

2020年11月30日，在蛋白質預測結構挑戰賽CASP上，AlphaFold程序在百餘支隊伍中脫穎而出。將深度學習與張力控制算法結合，並應用於結構和遺傳數據，該深度學習網絡利用目前已知的17萬種解析完畢的蛋白質進行了訓練。DeepMind有關研發團隊表示，還將繼續對AlphaFold展開訓練，以便更好地解析更複雜的蛋白質結構。

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。

4.新型催化劑將二氧化碳變為甲烷

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。現在，美國科學家開發出一種新型銅－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。2020年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。圖源／MEHMETCAN

5.腦－機接口技術助癱瘓男子重獲觸覺

2020年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學中心的研究團隊在《細胞》上發文，他們成功利用腦—機接口（BCI）系統幫一位癱瘓患者恢複了手部觸覺。這項技術能捕捉到人所無法感知的微弱神經信號，並通過發回受試者大腦的人工感覺反饋來增強這些信號，從而極大地優化受試者的運動功能。BCI系統在改進後成為首個同時恢複運動與觸覺功能的系統，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。

在2010年遭受嚴重脊髓損傷後，伊恩·伯克哈特在他的運動皮層植入了微型芯片，將大腦電信號轉到電腦上控制手臂，使其能夠再次抓住和感覺物體。圖源／Battelle　Memorial　Institute

6.科研人員繪出迄今最大三維宇宙結構圖

據物理學家組織網2020年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後，國際斯隆數字巡天調查（SDSS）項目發布了迄今最大的宇宙三維（3D）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，它是世界最大星系巡天項目“斯隆數字巡天（SDSS）”的一部分。

最新成果建立在世界各地數十家機構的數百名科研人員超過20年合作的基礎上，由eBOSS項目耗費數年完成。目前理論認為宇宙產生於約138億年前的大爆炸。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，新成果終於填補了這一空白，是宇宙學領域的重大進展。右圖中2D星系經過距離測量確定後，放置入3D星圖中（左）圖源／Image＆colon；Sloan　Digital　Sky　Survey

7.美研究人員在超高壓下實現室溫超導

2020年10月16日，美國的一個科研團隊在《自然》雜志發表研究成果。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象，這一新突破讓研究人員朝著創造出具有極優效率的電力系統邁進了一步。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中被觀察到，這個壓力約是典型胎壓的100萬倍，並且達到了實驗中實現的最高壓力值。

一種氫、硫和碳的化合物被壓在兩顆鑽石之間，在室溫下實現超導。圖源／ADAM　FENSTER

8.“基因魔剪”首次直接用於人體試驗

一名遺傳失明症患者成為接受CRISPR－Cas9基因療法直接人體試驗的第一人。據2020年3月初英國《自然》網站報道，科學家首次開展臨床試驗，將CRISPR－Cas9基因療法直接用於人體，治療遺傳性眼病——萊伯氏先天性黑蒙症（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，這種基因編輯系統的組件將被編碼於病毒基因組中，然後直接注入患者眼睛的近光感受器細胞內。

這項最新實驗名為“光明”（BRILLIANCE），由美國俄勒岡健康與科學大學遺傳性視網膜疾病專家馬克·彭勒斯與美國Editas　Medicine公司等攜手開展，他們表示，此試驗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。

人類視網膜。CRISPR療法首次被直接用於人體，以治療一名遺傳性失明患者。

9.引力波探測器發現迄今最強黑洞合並事件

引力波探測器探測到了天文學家未曾想到的驚人發現——迄今為止我們所知的最大規模的黑洞合並事件。2020年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，介紹了這項發現。此次黑洞合並最早被發現於2019年5月21日，合並產生的引力波被美國激光幹涉引力波天文台（LIGO）和意大利室女座幹涉儀（Virgo）探測到，合並事件被命名為GW190521。

這是上述引力波探測器今年第二次探測到非常規的黑洞合並事件。此次合並事件中，兩個黑洞的質量分別是太陽的85倍和66倍，合並後形成的新黑洞質量接近150個太陽。

黑洞碰撞概念圖。圖源／Science　Photo　Library

10.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百萬個單個蛋白質分子排列成晶體，然後用X射線晶體學分析它們；或者快速冷凍蛋白質的副本，然後用電子轟擊它們，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埃或更小，這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，這項技術只適用於異常堅硬的蛋白質。下一步，研究人員將努力在剛性較小、較大的蛋白質複合物（如剪接體）中達到類似清晰程度的分辨率。相關論文於2020年10月21日發表在《自然》。

冷凍電鏡揭示了去鐵鐵蛋白的原子細節。圖源／PAUL　EMSLEY

（經濟日報記者 沈慧）