科学杂志2021十大科学突破

2021年已经过去，回顾这一年来全球 科技 领域的发展进步，人类有哪些科学技术取得了突破和进展？以下内容根据读者关注度，按照科研成果公布的时间顺序进行简要回顾。 曾经，关于导致恐龙灭绝原因的说法有几种：比如，连续火山喷发、小行星撞击地球等全球性灾难。2021年2月24日发表在《Science》子期刊《Science Advances》上的新研究成果，终于给这项长时间的调查研究结案了。 研究阐述：从目前为止收集的所有证据来看，可以断定恐龙的灭绝是6600万年前一颗小行星 撞击地球导致的。研究指出，在撞击后长达20年间，地球上75%的生物逐渐饿死、灭绝，其中包括恐龙。 公元79年，意大利维苏威火山（Vesuvius）喷发，导致庞贝城内约2000人遇难。在后来挖掘庞贝城（Pompeii）的遗址看到，很多人死亡时还保持着日常生活的姿势。这让这场灾难显得很神秘，说明这些人在意外的状态下，在很短的时间内全部遇难。 该研究报告发表于2021年3月2日《自然》子刊《科学报告》，研究显示庞贝城的居民在17分钟时间内，就被浓密的火山灰呛死，而不是像以前猜测的被岩浆“活埋”，或是被高温空气烫死。 以前科学家只在微观世界中观测到量子纠缠现象——两个粒子隔空保持同步的神奇状态。2021年5月7日发表于《科学》（Science）期刊的一份研究报告显示，在宏观尺度上也观测到这种现象。该研究发现它打破了量子力学上经典的“测不准原理”（不确定性原理）。 研究人员使用两面只有10微米左右的铝制鼓面，用微波光子使它们的鼓膜振动，发现它们能够保持量子纠缠的同步状态。以前的研究受限于“测不准原理”，无法对纠缠的物体进行精确测量，只能通过推测得到估值，而这份研究第一次打破了这个原理，对纠缠状态下的物体进行了测量。 2021年7月23日发表在《科学》（Science）期刊的研究报告指出：基于火星的洞察号探测器（InSight）收集的数据进行分析，火星地壳层辐射性比以前所知的强得多。研究者表示，火星地壳层所含的核放射性元素是以前通过卫星探测值的13 20倍。 这项研究发现与美国等离子物理学家约翰‧勃兰登堡（John Brandenburg）提出的理论相符。2015年，勃兰登堡展示的研究显示：火星上在远古时期曾发生过巨大的核爆炸，其规模之大，完全有可能彻底改变火星的气候环境，导致火星变成现在的样子。 按照进化论，地球上的植物是逐步地从苔藓那样最简单的植物发展到陆地植物、再到会开花的植物，复杂度不断增加。2021年一项研究发现，地球上植物的发展出现了两次跳跃，之间间隔长达2.5亿年。这么长的时期内，植物并没有“进化”的动作。该研究2021年9月17日发表于《科学》（Science）期刊。 研究人员描绘在泥盆纪（Devonian）初期，即距今大约4.2亿年 3.6亿年前的时期，陆地上的植物经历了第一波繁荣潮。当时地球陆地上没有树木，只有草丛，能长到20英尺高、形似树墩的菌类植物可能是当时最高的植物。这之后，植物的发展停滞了，直到白垩纪（Cretaceous）晚期，即距今1亿年 6600万年前，地球上突然出现了大量能开花的复杂植物，生态环境才比较接近现在人们看到的样子。 2021年10月15日发表在《科学》子刊《科学进展》上的一份研究发现，大约在45亿年前太阳系形成的初期，太阳周围浓厚的尘埃盘内有一圈明显空隙。这终于能解释为什么来自太阳系的陨石总是明显地来自两个地带——正是这圈空隙把太阳系分成了距离太阳远近不同的外围和内围两块地界。 地球上发现的陨石里面，一类来自较靠近太阳的区域，另一类则来自距离太阳较远的区域。研究发现，在太阳系形成初期，距离太阳较远区域的磁场强过距离太阳较近的区域。这意味着，太阳系外围区域行星的吸积能力比内围的行星更强。木星这颗巨大的气体行星就位于太阳系的外围区域。 2021年12月10日发表于《天体物理学期刊》（The Astrophysical Journal）的一份研究发现，地球和整个太阳系，位于一个巨大的磁场隧道内，而隧道长度大约是一千光年。 研究人员发现，这个隧道有一定弧度，带电粒子和磁场组成了一条条又长又细的绳状结构，充斥在隧道内。研究特别提到，原来认为不相干的两个大型天体结构——平行位于地球两侧的“北银极支”（North Polar Spur）和“扇区”（Fan Region）都是这个隧道的一部分，。 很长时间以来，科学家都认为1974年科学家发现的一具远古时期人类的骨骸（后被命名为Lucy）是唯一一种远古时期的人类。然而2021年12月1日发表于《自然》（Nature）杂志的一份研究，对几个原以为是熊留下的脚印化石重新分析后发现，它们其实是史前人类留下的，而且与Lucy不是同一种人。这些脚印来自的年代与Lucy生活的年代类似。 这项发现意味着，370万年前同时生活在地球上的人类不止一种。研究者表示，从化石遗址上的各种线索来看，位于非洲的该地区在那段史前时期有着完整的自然环境，不仅至少有两种人，还有鸟类、羚羊、鬣狗等各种动物。 2021年11月29日，发表于《自然‧天文学》（Nature Astronomy）期刊的重要研究发现，太阳风内带电的粒子遇到太空尘埃会变成水！这项研究终于解开了科学家对于地球上水资源来源的谜团。 科学家以前只知道坠入地球的陨石为地球带来了水分，但是通过研究显示，陨石中的水分内所含的重水比例相对于地球的指标要高。研究人员指出，如果把来自尘埃辐射产生的水资源和来自陨石的水资源按照50:50的比例混合，所得到的水资源内氘和氢同位素的比例，正好和地球上的水相同。由此，研究人员认为地球上至少一半的水来自太阳风与尘埃的作用。 美国宇航局（NASA）发出的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）每次飞掠太阳都距离太阳更近一些，2021年是帕克太阳探测器第十次飞掠太阳，也是第一次进入了太阳的大气层。探测器首次发回了在日冕层内穿梭的视频，NASA称这犹如飞进“风暴之眼”。这一次，天体物理学家发现日冕层的表面不是光滑的球面，而是凹凸不平，有很多皱折。2021年12月14日，该研究发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

近日，由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办，中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2021年中国十大 科技 进展新闻（the top 10 news stories of scientific and technological progress）于2022年1月18日在京揭晓。

此项年度评选活动至今已举办了28次。评选结果经新闻媒体广泛报道后，在 社会 上产生了强烈反响，使公众进一步了解国内外 科技 发展的动态，对普及科学技术起到了积极作用。

此次评出的2021年中国十大 科技 进展新闻分别是：

1 我国首次火星探测任务取得圆满成功

6月11日，中国国家航天局公布了“祝融”号火星车拍摄的首批火星图像，标志着中国的火星任务取得圆满成功。三张照片是由“祝融”号的相机拍摄的，包括着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”（即着陆平台）影像图。另一张是由祝融释放出车底部的分离相机拍摄的“着巡合影”图，为火星车与着陆平台的合影。

天问一号于2020年7月23日由长征五号重型运载火箭从最南端海南省的文昌航天发射中心发射，启动了中国首次火星任务。

2 中国空间站开启有人长期驻留时代

6月17日，神舟十二号载人飞船发射升空，与中国空间站核心舱天和成功对接。3名航天员进驻核心舱，进行了为期3个月的驻留，开展了一系列空间科学实验和技术试验，在轨验证了航天员长期驻留、再生生保、空间物资补给、出舱活动、舱外操作、在轨维修等空间站建造和运营关键技术。

10月16日，神舟十三号发射升空，将另外三名宇航员送往天宫空间站，开启为期6个月的在轨驻留，期间将开展一系列科学实验，进一步验证在轨长期居住的情况，中国空间站有人长期驻留时代到来。

3 我国实现二氧化碳到淀粉的从头合成

淀粉是“粥饭”中最主要的碳水化合物，是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分，也是重要的工业原料。其主要合成方式是由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳来进行。长期以来，科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程，希望提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率，最终提升淀粉的生产效率。

4 我国团队凭打破“量子霸权”的超算应用摘得2021年度“戈登贝尔奖”

11月18日于美国密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会（SC21）上，国际计算机协会（ACM）将2021年度“戈登贝尔奖”授予中国超算应用团队。这支由之江实验室、国家超算无锡中心等单位研究人员组成的联合科研团队，基于新一代神威超级计算机的应用“超大规模量子随机电路实时模拟”（SWQSIM）获此殊荣。

量子优越性，或称量子优势，指的是一个量子设备可以在任何可行的时间内解决任何经典计算机无法解决的问题。谷歌和中国 科技 大学的研究人员都曾声称他们已经开发出了达到量子优势的设备。

确定一个设备是否在给定任务下实现量子优势，首先要对随机量子电路（RQC）中不同量子比特的相互作用进行采样。由于随机量子电路中的量子比特之间可能存在大量的相互作用，对其相互作用进行建模只能由高性能计算机解决。

在这项工作中，中国研究人员介绍了一个设计过程，涵盖了模拟所需的算法、并行化和架构。使用新一代神威超级计算机，他们有效地模拟了10x10x（1+40+1）的随机量子电路，这也被认为是模拟RQC的一个新的里程碑，远远超过了谷歌“顶点”超级计算机的表现。

5 1400万亿电子伏特 我国科学家观测到迄今最高能量光子

中国科学院高能物理研究所牵头的国际合作组依托国家重大 科技 基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”，在银河系内发现12个超高能宇宙线加速器，并记录到能量达1.4拍电子伏（PeV，拍=千万亿）的伽马射线光子，这是迄今为止能量最高的光。

研究成果突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，揭示了银河系内普遍存在能够把粒子加速到超过1PeV的宇宙线加速器，开启了“超高能伽马天文”观测时代。相关成果5月17日发表于《自然》。

6 嫦娥五号样品重要研究成果先后出炉

10月19日，中国科学院地质与地球物理研究所和国家天文台主导，联合多家研究机构发布了围绕月球演化重要科学问题取得的突破性进展。相关研究成果发表在《自然》。

科研人员利用超高空间分辨率铀 — 铅（U-Pb）定年技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物（斜锆石、钙钛锆石、静海石）进行分析，确定玄武岩形成年龄为20亿年，表明月球直到20亿年前仍存在岩浆活动，比以往月球样品限定的岩浆活动延长了约8亿年。

研究显示，嫦娥五号月球样品玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”——生热元素，嫦娥五号月球样品富集这些生热元素的特征，是由于岩浆后期经过大量矿物结晶固化后，残余部分富集而来。这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石的初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说。

7 异源四倍体野生稻快速 从头驯化获得新突破

随着世界人口的快速增长，至2050年粮食产量或将增加50%才能完全满足需求。与此同时，近年来世界气候变化加剧，全球气候变暖、极端天气频发等都为粮食安全带来了巨大挑战。在此背景下，如何进一步提高作物单产成为亟待解决的严峻问题。

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队首次提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，旨在最终培育出新型多倍体水稻作物，这是一种一直令科学家渴望培育出的水稻品种，其活力和环境稳健性有助于大幅提高粮食产量并增加作物环境变化适应性。本项研究为未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略，相关研究成果2月4日发表于《细胞》。

8 我国研发成功-271 超流氦大型低温制冷装备

液氦到超流氦温区大型低温制冷系统（模型） 图源：中国科学报 中科院理化技术研究所供图

4月15日，由中国科学院理化技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目 “液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制 ”通过验收及成果鉴定，标志着我国具备了研制液氦温度（零下269摄氏度）千瓦级和超流氦温度（零下271摄氏度）百瓦级大型低温制冷装备的能力。液氦到超流氦温区大型低温制冷系统可满足航空航天工业、氢能储运、氦资源开发等领域的迫切需要。

9 植物到动物的功能基因转移首获证实

中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队经过20年追踪研究，发现被联合国粮农组织（FAO）认定的迄今唯一“超级害虫”烟粉虱，从寄主植物那里获得了防御性基因。这是现代生物学诞生100多年来，首次研究证实植物和动物之间存在功能性基因水平转移现象。

这是我国农业害虫研究领域在《细胞》杂志的首篇论文，揭示了昆虫如何利用水平转移基因来克服宿主的防御，为 探索 昆虫适应性进化规律开辟了新的视角，也为新一代基因导向的害虫防控技术研发提供全新思路。

10 稀土离子实现多模式量子中继及1小时光存储

光纤中的光子损耗阻碍了量子信息在地面的长距离传播。量子中继器是一种解决方案，但由于量子中继器方案的系统复杂性，到目前为止，通信距离仍然有限。另一种解决方案包括可运输的量子存储器和装有量子存储器的卫星，其中长寿命的光量子存储器是实现全球量子通信的关键部件。然而，迄今为止的光存储器的最长存储时间约为1分钟。

中国 科技 大学郭光灿院士领导的研究团队开发了基于稀土离子掺杂晶体的高性能固体量子存储器，成功将光的存储时间提高至1小时，为未来基于长寿命固体量子存储器的大规模量子通信提供了方案。该成果分别于4月22日和6月2日发表于《自然通讯》和《自然》。

2021年十大科技成果：

1、火星探测任务天问一号探测器成功着陆火星

2021年5月，天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国首次火星探测任务着陆火星取得成功。任务采用“气动减速－伞降减速－动力减速－着陆缓冲”四级串联减速技术路线，建立设计迭代改进流程和多学科综合优化方法，提高了系统应对故障工况和进入条件极限拉偏下的安全着陆能力。

2、中国空间站天和核心舱成功发射，神舟十二号、十三号载人飞船成功发射并与天和核心舱成功完成对接

2021年4月29日，中国空间站天和核心舱在海南文昌航天发射场发射升空，准确进入预定轨道，任务取得成功。天和核心舱发射成功，标志着中国空间站建造进入全面实施阶段，为后续任务展开奠定坚实基础。

3、从二氧化碳到淀粉的人工合成

淀粉是粮食最主要的组分，也是重要的工业原料。中国科学院天津工业生物技术研究所马延和等报道了由11步核心反应组成的人工淀粉合成途径（ASAP)，该途径偶联化学催化与生物催化反应，在实验室实现了从二氧化碳和氢气到淀粉分子的人工全合成。

4、嫦娥五号月球样品揭示月球演化奥秘

中国科学院地质与地球物理研究所李献华、杨蔚、胡森、林杨挺和中国科学院国家天文台李春来等利用过去十多年来建立的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩进行精确的年代学、岩石地球化学及岩浆水含量的研究。

5、揭示新冠病毒（SARS-CoV-2)逃逸抗病毒药物机制

不断出现的新冠病毒突变株对当前已有的疫苗、中和抗体等抗病毒手段提出严峻挑战，亟需发展能有效应对各型突变株的广谱药物。在生命周期中，病毒的一系列转录复制酶组装成“转录复制复合体”超分子机器，负责病毒转录复制的全过程，且在各型突变株中高度保守，是开发广谱抗病毒药物的核心靶点。

6、“中国天眼”（FAST)捕获世界最大快速射电暴样本

快速射电暴（FRB)是无线电波段宇宙最明亮的爆发现象。FRB121102是人类所知的第一个重复快速射电暴，中国科学院国家天文台李菂等使用“中国天眼”（FAST)成功捕捉到FRB121102的极端活动期，最剧烈时段达到每小时122次爆发，累计获取1652个高信噪比的爆发信号，构成目前最大的FRB爆发事件集合。

7、实现高性能纤维锂离子电池规模化制备

如何通过设计新结构（如创建纤维锂离子电池）满足电子产品高度集成化和柔性化发展要求，是锂离子电池领域面临的重大挑战。复旦大学彭慧胜、陈培宁等发现纤维锂离子电池内阻与长度之间独特的双曲余切函数关系，即内阻随长度增加并不增大，反而先下降后趋于稳定。

8、可编程二维62比特超导处理器“祖冲之号”的量子行走

量子行走是经典随机行走的量子力学模拟，是实现量子模拟、量子搜索算法乃至通用量子计算的工具。

9、自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟

深海机器人与装备需要高强度金属耐压外壳或压力补偿系统来保护内部机电系统。浙江大学李铁风等从深海狮子鱼“头部骨骼分散融合在软组织中”这一生理特性提取仿生灵感，揭示深海极端压力条件下软机器人功能器件破坏及驱动失效的内在机制；提出硬质器件分散融入软基体实现内应力调控的方法，以及适应深海低温、高压环境的电驱动人工肌肉融合制造方法。

10、揭示鸟类迁徙路线成因和长距离迁徙关键基因

“迁徙生物如何发现其迁徙路线？”一直是社会和学术界广泛关注的议题，也是《科学》（Science)杂志125个最具挑战性科学问题之一。中国科学院动物研究所詹祥江等历时12年，利用卫星追踪数据和基因组信息，建立了一套北极游隼迁徙研究系统，发现游隼主要使用5条路线穿越亚欧大陆，西部游隼表现为短距离迁徙，东部为长距离迁徙。