从即日起到2022年1月7日，2021年度两院院士评选“中国/世界十大科技进展新闻”投票环节正式开始！

此项年度评选活动始于1994年，由中国科学院、中国工程院主办，中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅及中国科学报社承办。为满足广大科技工作者历年来的参与要求，中国科学报今年首次开启了大众评选类别。需要特别指出的是，大众评选和院士评选的材料简介和条目类别完全一致，两者同时独立进行。

现在，你也有一个机会，像两院院士一样，独立投票选出你认为的中国/世界十大科技进展新闻。快来和他们比比眼光吧！

以下为候选条目简介，分国内国际两部分，各20条；最后为投票区，请在国内国际部分各选出10条。

两院院士评选2021年“中国十大科技进展新闻”候选条目（按新闻发布时间排序）

01

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。中国科学院种子创新研究院／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，从而大幅提升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，开辟了全新的作物育种方向。相关研究成果2月4日发表于《细胞》。

02

我国科学家成功破解鸟类迁徙密码

“迁徙生物如何发现其迁徙路线”作为SCIENCE杂志公布的125个最具挑战性科学问题之一，一直备受学术界的关注。其中，迁徙路线的形成维持和未来变化趋势，以及迁徙策略的遗传基础，一直是学界的研究热点和难点。

中国科学院动物研究所詹祥江团队历时6年，以世界上飞行速度最快的猛禽——游隼为研究对象，创新性地运用卫星追踪和基因组测序两种前沿技术，通过时空动态分析，揭示了北极游隼迁徙路线形成的主要历史原因和长距离迁徙的遗传基础，阐明了现今维持机制以及未来变化趋势。

该研究首次全面结合遥感卫星追踪、基因组学、神经生物学等跨学科研究手段，建立了一套完整的游隼迁徙研究系统，从行为、进化、遗传、生态及气候变化等多维度阐明北极鸟类的迁徙路线变迁和遗传基础，并首次发现了鸟类长距离迁徙的关键基因，为探索鸟类迁徙开拓了新模式，也为交叉学科研究提供了新范式。3月11日，《自然》以封面文章形式刊登了该进展，并同期发表了亮点评述文章。此外，该成果被《自然—生态与进化》杂志评为12项年度回顾工作之一。

03

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，具有一种类似“以子之矛、攻子之盾”的本领：其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。相关科研成果3月25日在线发表于《细胞》，并作为《细胞》封面文章于4月1日出版。

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，也为新一代靶标基因导向的烟粉虱田间精准绿色防控技术研发提供全新思路。

04

我国研发成功-271℃超流氦大型低温制冷装备

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，可满足大科学工程、航天工程、氦资源开发等国家战略高技术发展的迫切需要。

项目的成功实施，还带动了我国高端氦螺杆压缩机、低温换热器和低温阀门等行业的快速发展，提高了一批高科技制造企业的核心竞争力，使相关技术实现了从无到有、从低端到高端的提升，在我国初步形成了功能齐全、分工明确的低温产业群。

05

世界首个人—猴嵌合体胚胎诞生

4月15日，中外科学家团队在《细胞》上发表论文，宣布构建了世界上首个人—猴嵌合体胚胎，也就是同时具有人源细胞和猴源细胞的胚胎。这项研究由昆明理工大学灵长类转化医学研究院和省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室季维智院士团队，谭韬、牛昱宇、代绍兴课题组与美国索尔克生物研究所胡安·卡洛斯·伊斯皮瓦·贝尔蒙特（Juan Carlos Izpisúa Belmonte） 和得克萨斯大学西南医学中心吴军等合作完成。

据悉，该研究下一步的重点是更详细地评估参与种间通信的所有分子途径，并找出对发育过程至关重要的途径。从长远来看，研究人员希望，不仅能利用嵌合体研究早期人类发育、设计疾病模型，而且找到筛选新药以及产生可移植细胞、组织或器官的新方法。

06

稀土离子实现多模式量子中继及1小时光存储

量子不可克隆定律赋予了量子通信基于物理学原理的安全性。而这一定律也决定了光子传输损耗不能使用传统的放大器来克服，使得远程量子通信成为当今量子信息科学的核心难题之一。量子中继和可移动量子存储是实现远程量子通信的两种可行方案，其共性需求是高性能的量子存储器。

在量子中继方面，国际已有实验研究都聚焦于发射型存储器的架构，无法同时满足确定性发光和多模式复用这两个关键技术需求。可移动量子存储方面，国际上光存储的时间最长仅1分钟，无法满足可移动量子存储小时量级存储时间的需求。

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组基于稀土离子掺杂晶体研制出高性能的固态量子存储器，并在上述两条技术路线上取得了重要进展，实现了一种基于吸收型存储器的多模式量子中继，并成功将光存储时间提升至1小时。相关成果于4月22日和6月2日分别发表于《自然—通讯》和《自然》。

07

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）的伽马光子。

这是人类迄今观测到的最高能量光子，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1 PeV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》。

08

古DNA绘制欧亚大陆旧石器时代以来人群演化图谱

随着古基因组技术与遗传学分析手段的不断进步及跨学科合作的开展，针对东亚人群的古基因组研究发展迅速。

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队与云南大学张虎才研究组合作于5月27日在《细胞》杂志发文，首次在东亚地区开展跨度为四万年的大规模人类古基因组研究，且首次利用古基因组在适应性方面探究东亚人群重要表性特征的演化来源，揭示出东亚北部距今40000-3400年的人群动态遗传历史，并为进一步探索东亚人群与环境的关系提供了重要遗传学证据。

此外，付巧妹团队与云南省文物考古研究所等共同主导于2021年6月24日在《细胞》杂志在线发表成果，对东亚南部人群的古基因组开展研究，揭示了自1.1万年以来东亚与东南亚交汇处人群迁徙与互动的历史，填补了两地接壤区域人类古基因组的空白，更新了我们对两地人群交流历史的认识，还追溯了现今生活在广西地区侗傣语系和苗瑶语系人群的祖先。

据悉，付巧妹团队还受邀在《科学》特刊-《人类基因组发布20周年》上发表古人类基因组学研究的发展以及前沿研究综述。

09

我国首次火星探测任务取得圆满成功

6月11日，国家航天局在京举行天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式，公布了由祝融号火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图。首批科学影像图的发布，标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。

据悉，我国首次火星探测任务于2013年全面启动论证，2016年1月批准立项。2020年7月23日天问一号探测器于海南文昌成功发射，历经地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等阶段，工程任务按计划顺利开展。

10

精神神经疾病重要靶点获深入解析

当前，全世界约有7000万至1亿人患有早期阿尔茨海默病，10亿人正遭受精神障碍困扰。精神神经系统疾病的新药创制迫在眉睫。6月16日，《自然》在线发表了由中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究组等多个研究团队合作完成的两项“背靠背”研究成果。

一篇题为《代谢型谷氨酸受体mGlu2和mGlu4与G蛋白复合物结构》，另一篇题为《人源mGlu2和mGlu7同源和异源二聚体结构》。

上述研究首次对代谢型谷氨酸受体（mGlu）从非活化到完全活化状态精细构象变化过程进行了全面阐释，并揭示了其同源和异源二聚体复杂的信号转导模式，为深入认识该类受体在中枢神经系统中的功能调控机理提供了重要依据，对全面认识C类G蛋白偶联受体（GPCR）的信号转导机制具有重大意义。

11

中国空间站开启有人长期驻留时代

6月17日和10月16日，神舟十二号、神舟十三号载人飞船相继发射成功，顺利将航天员送入太空。

神舟十二号与天和核心舱对接形成组合体，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。

神舟十三号入轨后，与天和核心舱和天舟二号、天舟三号组合体完成自主快速交会对接，3位航天员开启为期6个月的在轨驻留，其间将开展机械臂操作、出舱活动、舱段转位及空间科学实验与技术试验等工作，进一步验证航天员长期在轨驻留、再生生保等一系列关键技术，中国空间站有人长期驻留时代到来。

12

第一代基因组设计杂交马铃薯问世

马铃薯，俗称“土豆”，是世界最重要的块茎类粮食作物，全球有13亿人口以马铃薯为主食。

但是千百年来，它的生产都依靠薯块进行无性繁殖，导致繁殖系数低、储运成本高、易携带病虫害……中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队最新研究成果一举颠覆了这一现实，即应用“基因组设计”理论和方法体系培育杂交马铃薯，用二倍体育种替代四倍体育种，并用杂交种子繁殖替代薯块繁殖。

相关研究成果6月24日在线发表于《细胞》，这是“优薯计划”实施以来取得的里程碑式突破。

13

金沙江白鹤滩水电站首批机组正式投产发电

6月28日上午，全球在建规模最大、单机容量最大、技术难度最高的水电工程——金沙江白鹤滩水电站首批2台机组正式投产发电。

白鹤滩水电站总装机容量1600万千瓦，是我国实施“西电东送”的国家重大工程。水电站大坝为300米级特高混凝土双曲拱坝，共安装16台我国自主研制的全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组。发电机组实现了我国高端装备制造的重大突破。

据悉，白鹤滩水电站主体工程2017年7月全面开工建设，全部机组将于2022年7月投产发电，多年平均发电量624.43亿千瓦时，相当于每年可节约标煤约1968万吨，减少排放二氧化碳5160万吨，将与三峡、葛洲坝以及金沙江乌东德、溪洛渡、向家坝水电站一起，构成世界最大的清洁能源走廊。

14

小型化自由电子激光器首次“发光”

中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室团队，利用自主研制的高性能重频超强超短激光装置，驱动产生了高品质的电子束，并首次实现自由电子激光放大输出，在国际上率先完成台式化自由电子激光原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。

当前，世界上已经建好、正在运行的X射线自由电子激光装置只有8台，主要基于传统加速器对电子束进行加速，全部是需要绵延公里量级的大科学装置。

此次我国科学团队采用激光加速器的全新方式，从实验层面证实，这一装置规模可以缩短至十米量级。相关研究成果7月22日以封面文章形式刊登于《自然》。

15

单分子化学反应首度实现超分辨成像

单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一，也是化学测量学面临的一个挑战。浙江大学化学系研究员冯建东团队发明了一种可以直接对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，并实现了超高时空分辨成像。

据悉，该技术在化学成像和生物成像领域具有重要的应用价值，能帮助研究人员看到更清晰的微观结构和细胞图像。

未来这项显微技术或将为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域提供新的可能，具备广泛的应用前景。8月12日，该成果作为封面论文刊登于《自然》。

16

可穿戴新突破：锂离子电池做成储能织物

“便携式电池”这类可穿戴设备的研究课题一直以来都是科研人员的一项重点项目。复旦大学高分子科学系彭慧胜团队通过系统揭示纤维锂离子电池内阻随长度的变化规律，有效解决了聚合物复合活性材料和纤维电极界面稳定性难题，连续构建出兼具良好安全性和综合电化学性能的新型纤维聚合物锂离子电池。

目前，该团队通过纺织方法，已获得高性能大面积电池织物。将电池织物和无线充电发射装置集成，可安全、稳定地为智能手机进行无线充电。据悉，纤维锂聚合物离子电池已显示出广阔应用前景，而且还有较大的提升空间。

此外，还可以通过更先进的编织技术，将电池高效地编织到各种衣物中，使其穿着更加舒适、美观。相关研究成果9月1日发表于《自然》。

17

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。

中国科学院天津工业生物技术研究所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，取得原创性突破。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。

18

嫦娥五号样品重要研究成果先后出炉

10月19日，中国科学院发布嫦娥五号月球科研样品最新研究成果。中国科学院地质与地球物理研究所和国家天文台主导，联合多家研究机构通过3篇《自然》论文和1篇《国家科学评论》论文，报道了围绕月球演化重要科学问题取得的突破性进展。

在最新的研究中，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20.30±0.04亿年，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”，嫦娥五号月球样品富集“克里普物质”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，揭示了月球晚期岩浆活动过程。据悉，此次研究采用的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术处于国际领先水平，为珍贵地外样品年代学等研究提供了新的技术方法。

19

电子显微镜实现纳米分辨率下界面声子色散测量

声子是凝聚态体系的热导率、电子迁移率、光散射行为等物性的重要决定因素，尤其在晶体界面附近的几层原子内会存在不同于体态的界面声子模式，使得界面呈现诸多独特的物理性质。但是，传统实验手段都无法对其进行直接测量。

北京大学高鹏课题组利用电子显微镜发展了四维电子能量损失谱，首次在实验上证实了晶体异质结界面处界面声子的存在，并详细测量了其局域态密度和色散关系。这一成果有望未来在界面热传导、界面超导机理和拓扑声子学等领域中发挥重要作用。相关研究成果11月17日在线发表于《自然》。

20

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日下午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。

在这项工作中，研究人员引入了一个系统的设计过程，涵盖了模拟所需的算法、并行化和系统架构。使用新一代神威超级计算机，研究团队有效模拟了一个深度为10x10 (1+40+1)随机量子电路。

与谷歌量子计算机“悬铃木”200秒完成百万0.2%保真度采样任务相比较，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟，该团队SWQSIM应用则可在304秒以内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，一举打破其所宣称的“量子霸权”。

两院院士评选2021年“世界十大科技进展新闻”候选条目（按新闻发布时间排序）

1

CRISPR技术将数据存储在活细胞DNA中

美国哥伦比亚大学研究团队使用CRISPR基因编辑技术，将编码二进制数据的特定DNA序列插入细菌细胞。通过将这些DNA序列的不同排列分配给不同英文字母，研究人员将文本消息“hello world！”成功编码进了大肠杆菌细胞内的DNA中。研究人员将大肠杆菌及其携带的信息添加到正常土壤微生物的混合物中，通过对混合物测序，获取并解码了先前存储的内容。

相关研究1月11日发表于《自然—化学生物学》。据悉，细胞复制过程中的突变可能会影响编码信息。虽然该成果距离替代当前数字存储设备还有很长的路要走，但这或是重要的一步。

2

激光传输稳定自如创世界纪录

澳大利亚国际射电天文学研究中心（ICRAR）和西澳大利亚大学（UWA）等机构的研究人员创造了在大气层中最稳定传输激光信号的世界纪录。该团队将相位稳定技术与先进的自导向光学终端相结合，实现了此次最稳定的激光传输。

新技术有效地消除了大气湍流，允许激光信号从一个点发送到另一个点，而不会受到大气的干扰。这一结果是用一个通过大气传输的激光系统比较两个不同地点间时间流动的全球最精确的方法。相关论文1月22日发表于《自然—通讯》。

据悉，这项研究有广阔的应用前景，可以用来精确地检验爱因斯坦的广义相对论，或者发现基本物理常数是否随着时间而变化。同时，这项技术的精确测量能力在地球科学和地球物理学中也有实际用途，可以改进有关地下水位如何随时间变化的卫星研究或寻找地下矿藏。

此外，该技术在光通信领域的应用可以将卫星到地面的数据传输速率提高几个数量级，下一代大型数据收集卫星能更快地将关键信息传送到地面。

3

科学家“剪出”人类灭绝近亲的迷你大脑

人类与尼安德特人和丹尼索瓦人的关系比现存任何灵长类动物都密切，尼安德特人40%的基因组至今仍然在人类身上，但因其软组织没有得到很好的保存，科学家研究这些古老人种大脑的手段受限。

美国加州大学圣迭戈分校神经科学家Alysson Muotri团队利用基因编辑技术CRISPR-Cas9，创造了一种小型类脑器官，它含有灭绝的人类近亲——尼安德特人和丹尼索瓦人的基因变体。

这些由人体干细胞培育的小型类脑器官虽不能真正代表这些灭绝人种的大脑，但能明显看出它们在大小、形状和纹理上与人类类器官都有所不同。为确定在这些类器官中表达哪种古老基因，研究人员将人类基因组序列与两个尼安德特人和一个丹尼索瓦人的几乎完整的基因组进行了比较。他们发现了61种基因的人类版本与古老版本不同。相关论文2月11日刊登于《科学》，据悉，该成果有助于科学家理解人类大脑进化的基因路径。

4

人造“泪腺”会哭泣 为治疗眼病带来希望

荷兰乌得勒支大学医院发育生物学家Hans Clevers的研究团队开发了一种将泪腺细胞培养成类器官的方法，成功培养出第一个泪腺类器官（细胞的三维组合，类似微型器官），这种产生眼泪的类器官可以用于研究并最终治疗引起干眼症的疾病，包括一种名为干燥综合征的自身免疫性疾病。Clevers的团队利用包含神经递质去甲肾上腺素在内的各种化学物质刺激类器官产生泪水。

目前Clevers团队已经利用CRISPR基因编辑工具研究泪腺发育，并发现一种名为Pax6的基因在引导细胞具有泪腺特征方面发挥了重要作用。研究团队希望这些细胞可以用于研究泪腺，并筛选出影响泪腺发育的药物。相关论文3月16日发表于《细胞—干细胞》。

据悉，以人类细胞进行人工培养类器官的技术，也可以在未来用于组织器官移植材料，Clever团队及其合作者已经开发出唾液腺细胞器，于今年夏天针对口腔干燥症开展临床试验，唾腺移植试验结果将作为日后进行泪腺移植的参考经验。

5

科学家成功在实验室中构建人类早期胚胎样结构

美国得克萨斯大学达拉斯西南医学中心研究人员领衔的团队成功用人多能干细胞分化诱导出人类早期胚胎样结构。该结构与人囊胚期胚胎具有类似的结构，能正确表达相应的基因与蛋白，并且可在体外发育2至4天，形成类羊膜囊等结构。相关研究成果3月17日刊登于《自然》。

据介绍，借助人类早期胚胎样结构，研究人员能深入研究胚胎的早期发育，更加了解人类早期重大疾病造成的流产、畸形儿、女性受孕障碍等现象，并为其寻找可行的解决方案。

此外，研究人员还可以通过这项技术建立药物筛选模型，为进入临床应用的孕妇药品提供安全性模拟检测。

6

地震波揭示“火核”大小

3月22日召开的“月球和行星科学线上会议”上，美国宇航局的“洞察”号火星探测器通过倾听穿透火星内部的地震能量，揭示了火星核心的大小。结果表明，火核的半径为1810～1860公里，大约是地球地核半径的一半。

这比之前估计的要大，意味着火核的密度比之前预测的要小。这一发现表明，除了铁和硫这两种主要元素外，其内核一定包含更轻的元素，比如氧。

在此之前，科学家仅测量过地球和月球的地核。此次测量火星地核有助于让研究人员比较和对比太阳系的行星是如何进化的。

7

史上最冷反物质问世

加拿大国家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara团队与合作者在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织粒子物理实验室进行了一项名为ALPHA-2的反氢捕获实验，演示了反氢原子的激光冷却，将样品冷却到了接近绝对零度。激光冷却经常被用来测量常规原子的能量跃迁——电子运动到不同能级。

该团队开发了一种激光，它能以适当的波长发射被称为光子的光粒子，从而降低正在直接朝向激光移动的反原子的速度。研究人员将反原子的速度降低到1/10以下。对于冷却的反氢原子，该团队获得的测量精度几乎是未冷却的反原子的3倍。

该研究产生了比以往任何时候都更冷的反物质，并使一种全新的实验成为可能，有助于科学家在未来更多地了解反物质。相关研究成果3月31日刊登于《自然》。

8

美国费米实验室宣布缪子反常磁矩实验重大发现

美国能源部下属费米实验室公布了关于缪子反常磁矩测量的第一批实验结果，显示基本粒子缪子的行为和标准模型理论预测不相符。费米实验室在一份公报中表示，这一结果也许意味着“令人兴奋的”新物理学的存在。缪子作为探索亚原子世界的一扇窗口，可以探测到未知的粒子或力的存在。

据悉，费米实验室公布的最新结果与早些年前美国布鲁克黑文国家实验室进行的缪子反常磁矩测量实验结果一致，两个实验室综合测量的结果与理论值相差4.2倍标准方差。

虽然粒子物理学用来判定一项发现的通用标准是5倍标准方差以上，但目前这一数值在证明新物理学的存在方面极具说服力。相关论文4月7日刊登于《物理评论快报》。

9

“芝麻粒”大小心脏模型问世

奥地利科学院生物学家Sasha Mendjan和团队使用人类多能干细胞培养出芝麻大小的心脏模型，又称心脏线。它可以自发地进行组织，在不需要实验支架的情况下发展出一个中空的心房。Mendjan团队以特定的顺序激活所有参与胚胎心脏发育的6个已知信号通路，诱导干细胞自我组织。

随着细胞分化，它们开始形成不同的层——类似心脏壁的结构。经过一周的发育，这些类器官自组织成一个有封闭腔的3D结构，几乎重现了人类心脏的自发生长轨迹。

此外，研究小组还发现心脏壁状组织能有节奏地收缩，挤压腔内的液体。该团队还测试了心脏类器官对组织损伤的反应。他们用一根冷钢棒冷冻部分心脏类器官，并杀死该部位的许多细胞，研究发现，心脏成纤维细胞（一种负责伤口愈合的细胞）开始向损伤部位迁移，并产生修复损伤的蛋白质。

相关研究5月20日发表于《细胞》，这项进展使得科学家能创造出一些迄今为止最真实的心脏类器官，为制药公司将更多药物引入临床试验提供了可能。

10

科学家“绘制”最清晰原子“特写”

美国康奈尔大学的 Muller团队捕捉到了迄今为止最高分辨率的原子图像，打破了其2018年所创下的纪录。据悉，Muller团队使用叠层成像技术，用X射线照射钪酸镨晶体，然后利用散射电子的角度来计算散射它们的原子的形状。这些进步使得研究小组能够观察更稠密的原子样本，并获得更好的分辨率。

据了解，这种最新形式的电子叠层成像分析技术使科学家可以在所有三个维度上定位单个原子。研究人员还将能够一次发现异常结构中的杂质原子，并对它们及其振动进行成像。相关论文5月21日刊登于《科学》。

11

“基因剪刀”首次治疗遗传病

一直以来，人们若要使用被称为“基因剪刀”的CRISPR基因编辑技术治疗遗传疾病，需要清除一个巨大的障碍：将分子剪刀工具直接注射到受影响的细胞中，从而实现DNA切割。英国伦敦大学研究人员发现CRISPR技术能使一种突变基因失活。研究首次将CRISPR药物注射到一种罕见遗传病（转甲状腺素蛋白淀粉样变性病）患者的血液中，并发现其中3人的肝脏几乎停止产生有毒的蛋白质。

虽然目前还不能确定CRISPR治疗是否能缓解该疾病的症状，但初步数据让人们对这种一次性治疗的效果感到兴奋。相关研究结果5月28日发表于《新英格兰医学杂志》。

据悉，这项新工作在能够灭活、修复或替换身体任何部位的致病基因方面，迈出了关键的第一步。

12

科学家借助AI技术破解蛋白质结构预测难题

科学家们一直希望通过基因序列简单地预测蛋白质形状——如果能够成功，这将开启一个洞察生命运作机理的新世界。美国华盛顿大学和英国DeepMind公司分别公布了多年工作的成果：先进的建模程序，可以预测蛋白质和一些分子复合物的精确三维原子结构，并将这些结构放入公开的数据库免费供全球科研人员使用。

据DeepMind公司报告显示，其人工智能程序AlphaFold预测出98.5%的人类蛋白质结构，有助于深入理解一些关键生物学信息，从而更好开展药物研发。

而美国华盛顿大学创建的高精确的蛋白质结构预测程序名叫RoseTTAFold，基于深度学习，它不仅能预测蛋白质的结构，还能预测蛋白质之间的结合形式。

仅需十分钟，RoseTTAFold就能用一台游戏电脑准确计算出蛋白质结构。相关论文于7月15日分别刊登于《自然》和《科学》。

13

第二张黑洞照片发布

2019年，天文学家团队曾通过事件视界望远镜（EHT）第一次近距离捕捉到了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，获得了历史上的第一张黑洞照片。

今年，EHT将目标对准半人马座A星系的另一个黑洞，首次对一个较小的超大质量黑洞发射的等离子体喷流进行了高分辨率射电观测。EHT的图像显示，喷流的中心是黑色的，边缘是两条明亮的平行条纹。

研究人员表示，EHT获取的黑洞最新图像有助于了解这些星系中心如何将大量物质注入到强大光束中，并将它们发射到数千光年之外的太空中。这些图像也支持了基于广义相对论的预测，表明黑洞在很大的质量范围内行为相似。相关论文7月19日刊登于《自然—天文学》。

14

核聚变向“点火”迈进一大步

我们在地球上之所以能看到阳光、感受到温暖，都是源自于发生在太阳核心的核聚变。核聚变指的是当原子合并在一起时，释放出巨大能量的过程，这个过程可以在碳排放几乎为零的情况下，源源不断地提供绿色能源。但是，想在实验室里实现核聚变并非易事，一个重大的挑战就是“点火”（即聚变反应所产生的能量等于或超过输入能量的时刻）。

8月8日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）进行了一项新的实验。NIF的科学家团队重现了存在于太阳核心的极端温度和压力，NIF的强大的激光脉冲引发了燃料丸的核聚变爆炸，产生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大约相当于一辆时速160公里的汽车的动能。

这一能量达到触发该过程的激光脉冲能量的70%，意味着接近核聚变“点火”，即反应产生的能量足以使反应持续下去，在无限聚变能源的道路上迈出了一大步。

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考古学家发现前所未闻古人类血统

一项国际研究对华莱西亚地区（印度尼西亚西部和巴布亚新几内亚之间的岛屿区）一个洞穴中发现的古人类头骨进行基因组分析，发现了一个前所未闻的古人类血统。研究人员在印度尼西亚苏拉威西岛南半岛Leang Panninge洞穴中发现了埋葬于Toalean墓葬群的一名女性头骨。

研究人员Selina Carlhoff从头骨的岩石骨中分离出了DNA。基因组分析表明，这名女性与大约5万年前从欧亚大陆前往大洋洲的第一批现代人有亲缘关系，其基因组含有丹尼索瓦人DNA的痕迹，丹尼索瓦人是一种已灭绝的古人类，主要在西伯利亚和西藏被发现。

通过比较与这名女性同一时期生活在华莱西亚群岛西部狩猎采集者的基因组数据，结果发现，狩猎采集者没有丹尼索瓦人DNA的痕迹。同时，研究发现，该DNA携带了很大一部分来自古代亚洲人的基因组。相关研究结果8月25日发表于《自然》。

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科学家对中子寿命进行“史上最精确测量”

大多数存在于自然界中的中子都是非放射性原子核的一部分，此时它们基本是永恒的。但孤立中子——如核裂变产生的中子，是不稳定的，会衰变为质子。在衰变过程中，每一个中子会发射一个电子和一个反中微子。

中子衰变所需的确切时间是随机的，但其衰变的平均时间约为15分钟。为得到一个更精确的数值，美国印第安纳大学伯明顿分校的研究人员通过一项利用磁场捕捉超冷中子的实验测得亚原子粒子衰变的平均时间为877.75秒。

该计算结果的精度是同类测量结果精度的两倍，与理论计算结果一致。据介绍，该实验结果的精度可与基于标准模型的计算结果一较高低，且实验精度第一次开始接近理论精度，这意味着未来实验的改进可能会对标准模型本身提出挑战。

为避免数据可能存在偏差，团队也在进行一些改进，以进一步提高测量精度。相关研究发表于10月13日的《物理评论快报》。

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全球首个“自我复制”的活体机器人诞生

美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学威斯生物启发工程研究所的科学家发现了一种全新的生物繁殖方式，并利用其创造了有史以来第一个可进行自我复制多代的活体机器人——Xenobots 3.0。

它仅有毫米大小，既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种，而是一种从未在地球上出现过的、活的、可编程的全新有机体。

据悉，该活体机器人或许可以有助于医学的全新突破——除了有望用于精准的药物递送之外，它的自我复制能力也使得再生医学有了新的帮手，或可为出生缺陷、对抗创伤、癌症与衰老提供开创性的解决思路。11月29日，相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。

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科学家利用人工智能实现两项数学突破

纯数学研究工作的关键目标之一是发现数学对象间的规律，并利用这些联系形成猜想。从20世纪60年代开始，数学家开始使用计算机帮助发现规律和提出猜想，但人工智能系统尚未普遍应用于理论数学研究领域。12月1日，一篇发表在《自然》上的论文显示，DeepMind公司研发出一个机器学习框架，能帮助数学家发现新的猜想和定理。

此前，该框架已经帮助发现了不同纯数学领域的两个新猜想。研究人员将这一方法应用于两个纯数学领域，发现了拓扑学（对几何形状性质的研究）的一个新定理，和一个表示论（代数系统研究）的新猜想。

研究人员表示，这是计算机科学家和数学家首次使用人工智能来帮助证明或提出复杂数学领域的新定理。

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基因编辑使小鼠诞下全部单性后代

在科学研究和养殖业中，往往只需要雄性或雌性动物。例如，研究生殖的实验室只需要被研究性别的动物。而在养殖业中，只需要雌性动物用于产蛋和产奶。这意味着一些不符合性别要求的动物出生后就会被扑杀。而产生和扑杀特定性别的动物无论从伦理还是经济上，都造成了很大的负担。

为解决这一困境，弗朗西斯•克里克研究所和肯特大学的研究人员利用CRISPR基因编辑技术，以小鼠为模型，开发了一种合成致死的双组份CRISPR-Cas9策略，可以让小鼠百分百产生雄性或雌性。

据悉，该技术还可能适用于其他脊椎动物物种，并为实验室研究和农业生产中面临的伦理和经济上的问题提供解决方案。相关论文12月3日发表于《自然—通讯》。

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迄今最精确质子质量值出炉

美国佛罗里达州立大学原子物理学家Edmund Myers和David Fink将两个离子限制在一个电磁陷阱中，让它们连续转动数周，并以极高的精度比较它们的质量。随后，他们得出了迄今为止最精确的质子质量估值：1.007276466574±10-12 amu（原子质量单位）。

这串数字可能帮助科学家寻找到新的力。相关研究结果12月7日发表于《物理评论快报》。为确定轻原子核（如质子）质量，科学家运用物理学方法，将质子这样的带电粒子垂直射入磁场，磁场会将其推向一边，这样质子就会以显示粒子质量的频率旋转。

在实践中，为了提高测量精度，物理学家通过比较两种不同粒子的频率以测量它们的质量比。据悉，虽然存在一些不确定性，但数据表明，他们估计的质子质量已经是迄今最精确的值。

来源：科学网微信公众号

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