2021年度中國科學十大進展
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中國網/中國發展門戶網訊 “中國科學十大進展”遴選活動由科學技術部高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）牽頭舉辦，截至?2022?年已舉辦?17?屆。2021?年度，《中國基礎科學》《科技導報》《中國科學院院刊》《中國科學基金》和《科學通報》5?家編輯部共推薦了?310?項科學研究進展（所推薦的科學進展均是?2020?年?12?月?1?日至?2021?年11月?30日期間正式發表或完成的研究成果），由中國科學院院士、中國工程院院士、全國重點實驗室主任、國家重點研發計劃有關重點專項總體專家組成員和項目負責人、“973?計劃”歷屆專家顧問組和領域專家咨詢組專家及項目首席科學家等專家學者，經過初選和終選兩輪投票選出以下?10?項研究。該項活動旨在加強對我國重大基礎研究進展的宣傳，激勵廣大科技工作者的科學熱情和奉獻精神，開展基礎研究科學普及，促進公眾更加理解、關心和支持科學，在全社會營造良好的科學氛圍。該項活動已成為我國基礎研究傳播工作的一個品牌，在科技界產生了良好反響。
火星探測任務天問一號探測器成功著陸火星
2021?年?5?月?15?日?7?時?18?分，天問一號探測器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區，我國首次火星探測任務著陸火星取得成功。任務采用了“氣動減速-傘降減速-動力減速-著陸緩沖”四級串聯減速技術路線，建立了設計迭代改進流程和多學科綜合優化方法，提高了系統應對故障工況和進入條件極限拉偏下的安全著陸能力。
天問一號探測器著陸火星，是我國首次實現地外行星著陸，邁出了我國星際探測征程的重要一步，實現了從地月系到行星際的跨越，在火星上首次留下中國人的印跡，使我國成為第二個成功著陸火星的國家，是我國航天事業發展的又一具有里程碑意義的進展。
中國空間站天和核心艙成功發射，神舟十二號、十三號載人飛船成功發射并與天和核心艙成功完成對接
2021?年?4?月?29?日，中國空間站天和核心艙在海南文昌航天發射場發射升空，準確進入預定軌道，任務取得成功。天和核心艙發射成功，標志著我國空間站建造進入全面實施階段，為后續任務展開奠定了堅實基礎。
6?月?17?日，神舟十二號載人飛船發射成功，并與天和核心艙成功完成對接，順利將聶海勝、劉伯明、湯洪波?3?位航天員送入太空，這是天和核心艙發射入軌后，首次與載人飛船進行的交會對接。我國的載人航天飛船脫離試驗階段，開始實現太空往返常態化，我國正式進入太空站時代。
10?月?16?日，神州十三號載人飛船發射成功，并采用自主快速交會對接模式成功對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，實現了我國載人飛船在太空的首次徑向交會對接。
從二氧化碳到淀粉的人工合成
淀粉是糧食最主要的組分，也是重要的工業原料。中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和等報道了由?11?步核心反應組成的人工淀粉合成途徑（ASAP）；該途徑偶聯化學催化與生物催化反應，在實驗室實現了從二氧化碳和氫氣到淀粉分子的人工全合成。
通過從頭設計二氧化碳到淀粉合成的非自然途徑，采用模塊化反應適配與蛋白質工程手段，解決了計算機途徑熱力學匹配、代謝流平衡及副產物抑制等問題，克服了人工途徑組裝與級聯反應進化等難題。在氫氣驅動下?ASAP?將二氧化碳轉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化效率為?7%，是玉米等農作物的?3.5?倍，并可實現直鏈和支鏈淀粉的可控合成。該成果不依賴植物光合作用，實現了二氧化碳到淀粉的人工全合成。
嫦娥五號月球樣品揭示月球演化奧秘
中國科學院地質與地球物理研究所李獻華、楊蔚、胡森、林楊挺和中國科學院國家天文臺李春來等利用過去?10?多年來建立的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術，對嫦娥五號月球樣品玄武巖進行了精確的年代學、巖石地球化學及巖漿水含量的研究。結果顯示，嫦娥五號玄武巖形成于?20.30±0.04?億年，確證月球的火山活動可以持續到?20?億年前，比以往月球樣品限定的火山活動延長了約?8?億年。
這一結果為撞擊坑定年提供了關鍵錨點，將大幅提高內太陽系星體表面撞擊坑定年的精度。研究還揭示嫦娥五號玄武巖的月幔源區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?2?種月幔熔融機制，對未來的月球探測和研究提出了新的方向。
揭示?SARS-CoV-2?逃逸抗病毒藥物機制
不斷出現的新型冠狀病毒突變株對當前已有的疫苗、中和抗體等抗病毒手段提出嚴峻挑戰，急需發展能有效應對各型突變株的廣譜藥物。在生命周期中，病毒的一系列轉錄復制酶組裝成“轉錄復制復合體”超分子機器，負責病毒轉錄復制的全過程，且在各型突變株中高度保守，是開發廣譜抗病毒藥物的核心靶點。
清華大學婁智勇、饒子和與上海科技大學高巖等發現并重構了病毒“加帽中間態復合體”“mRNA?加帽復合體”和“錯配校正復合體”，并闡明其工作機制。揭示了新型冠狀病毒轉錄復制機器的完整組成形式；發現病毒聚合酶的核苷轉移酶結構域是催化?mRNA“加帽”成熟的關鍵酶，明確了帽結構的合成過程，為發展新型、安全的廣譜抗病毒藥物提供了全新靶點；發現病毒以“反式回溯”的方式對錯配堿基和抗病毒藥物進行“剔除”，闡明了瑞德西韋等藥物效果不良的分子機制，為優化針對聚合酶的抗病毒藥物提供了關鍵科學依據。
FAST?捕獲世界最大快速射電暴樣本
快速射電暴（FRB）是無線電波段宇宙最明亮的爆發現象。FRB 121102?是人類所知的第一個重復快速射電暴，中國科學院國家天文臺李菂等使用?500?米口徑球面射電望遠鏡（FAST）成功捕捉到?FRB 121102?的極端活動期，最劇烈時段達到每小時?122?次爆發，累計獲取了?1?652?個高信噪比的爆發信號，構成目前最大的?FRB?爆發事件集合。研究發現?FRB?爆發率存在特征能量?E0=4.8×1037 erg；探測到其能譜的雙峰結構，即低能端接近正則對數，展現快速射電暴重復過程的隨機性；高能端接近洛倫茲函數，展現強輻射存在可能的相關過程。FAST?樣本排除了?FRB 121102?爆發在?1 ms?至?1 h?之間的周期性或準周期性，嚴格限制了重復快速射電暴由單一致密天體起源的可能性。該研究首次展現了?FRB?的完整能譜，深入揭示了?FRB?的基礎物理機制。
實現高性能纖維鋰離子電池規模化制備
如何通過設計新結構（如創建纖維鋰離子電池）滿足電子產品高度集成化和柔性化發展要求，是鋰離子電池領域面臨的重大挑戰。
復旦大學彭慧勝、陳培寧等發現纖維鋰離子電池內阻與長度之間獨特的雙曲余切函數關系，即內阻隨長度增加并不增大，反而先下降后趨于穩定。在此理論指導下構建的纖維鋰離子電池具有優異且穩定的電化學性能，能量密度較過去提升了近?2?個數量級，彎折?10?萬次后容量保持率超過?80%；建立的世界上首條纖維鋰離子電池生產線，實現了其規模化連續制備；編織集成得到的纖維鋰離子電池系統，電化學性能與商業鋰離子電池相當，而穩定性和安全性更加優異。
可編程二維?62?比特超導處理器“祖沖之號”的量子行走
量子行走是經典隨機行走的量子力學模擬，是實現量子模擬、量子搜索算法乃至通用量子計算的工具。
中國科學技術大學朱曉波、潘建偉等通過研發兼容平面工藝的三維引線技術，實現了量子比特結構從一維向二維的拓展，設計并制作了一個由?62?個比特組成的?8×8?的二維結構超導量子比特陣列，構建了“祖沖之號”量子計算原型機，并通過該裝置演示高保真的單粒子和雙粒子連續時間量子行走。利用量子處理器的高可編程性，實現了量子比特激發粒子行走路徑的精確調控，在固態量子芯片實現了馬赫-曾德爾干涉儀。
該工作是世界范圍內公開發表的首個比特數超過?60?的超導量子計算領域的成果，驗證了對含噪聲中等規模量子比特系統的高精度量子調控能力，為研制“祖沖之二號”、實現“量子計算優越性”奠定了基礎。
自供電軟機器人成功挑戰馬里亞納海溝
深海機器人與裝備需要高強度金屬耐壓外殼或壓力補償系統來保護內部機電系統。浙江大學李鐵風等從深海獅子魚“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器人功能器件破壞及驅動失效的內在機制；提出了硬質器件分散融入軟基體實現內應力調控的方法，以及適應深海低溫、高壓環境的電驅動人工肌肉融合制造方法；建立了萬米深海軟機器人的系統構造方法和驅動理論。
所研制的自供電軟機器人成功挑戰馬里亞納海溝，實現了?10?900 m?海底深潛和驅動；在南海海平面以下?3?224 m?實現深海航行。該研究大幅降低了深海機器人的重量及經濟成本，推動了軟體機器人在深海工程領域的應用。
揭示鳥類遷徙路線成因和長距離遷徙關鍵基因
“遷徙生物如何發現其遷徙路線？”一直是社會和學術界廣泛關注的議題，也是?Science?雜志“125?個最具挑戰性科學問題”之一。
中國科學院動物研究所詹祥江等歷時?12?年，利用衛星追蹤數據和基因組信息，建立了一套游隼遷徙研究系統，發現游隼主要使用?5?條路線穿越亞歐大陸；其中，西部游隼表現為短距離遷徙，東部為長距離遷徙。在末次冰盛期到全新世的轉換過程中，冰川消退所導致的游隼繁殖和越冬地變遷，可能是遷徙路線形成的主要歷史原因。研究還發現遷徙距離更長的游隼攜帶?ADCY8?優勢等位基因，該基因與長時記憶形成有關，這表明長時記憶可能是鳥類長距離遷徙的重要基礎。該研究結合遙感衛星追蹤、基因組學、神經生物學等研究手段，通過多學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。
（《中國科學院院刊》供稿）