中新網(wǎng)北京1月18日電 (記者 孫自法)由中國科學(xué)院、中國工程院兩院院士投票評選的2021年中國和世界十大科技進展新聞，1月18日在北京揭曉。其中，活體機器人誕生、史上最冷反物質(zhì)問世等入選2021年世界十大科技進展。
中國兩院院士評出的2021年世界十大科技進展新聞分別是：
——全球首個“自我復(fù)制”的活體機器人誕生。美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)威斯生物啟發(fā)工程研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，并利用其創(chuàng)造了有史以來第一個可進行自我復(fù)制多代的活體機器人——Xenobots3.0。它僅有毫米大小，既不是傳統(tǒng)的機器人，也不是已知的動物物種，而是一種從未在地球上出現(xiàn)過的、活的、可編程的全新有機體。據(jù)悉，該活體機器人或許可以有助于醫(yī)學(xué)的全新突破——除了有望用于精準(zhǔn)的藥物遞送之外，它的自我復(fù)制能力也使得再生醫(yī)學(xué)有了新的幫手，或可為出生缺陷、對抗創(chuàng)傷、癌癥與衰老提供開創(chuàng)性的解決思路。11月29日，相關(guān)研究成果發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。
——核聚變向“點火”邁進一大步。我們在地球上之所以能看到陽光、感受到溫暖，都是源自于發(fā)生在太陽核心的核聚變。核聚變指的是當(dāng)原子合并在一起時，釋放出巨大能量的過程，這個過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。但是，想在實驗室里實現(xiàn)核聚變并非易事，一個重大的挑戰(zhàn)就是“點火”(即聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量等于或超過輸入能量的時刻)。8月8日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的國家點火裝置(NIF)進行了一項新的實驗。NIF的科學(xué)家團隊重現(xiàn)了存在于太陽核心的極端溫度和壓力，NIF的強大的激光脈沖引發(fā)了燃料丸的核聚變爆炸，產(chǎn)生了1.35兆焦耳(MJ)能量——大約相當(dāng)于一輛時速160公里的汽車的動能。這一能量達到觸發(fā)該過程的激光脈沖能量的70%，意味著接近核聚變“點火”，即反應(yīng)產(chǎn)生的能量足以使反應(yīng)持續(xù)下去，在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。
——科學(xué)家借助AI技術(shù)破解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測難題�？茖W(xué)家們一直希望通過基因序列簡單地預(yù)測蛋白質(zhì)形狀——如果能夠成功，這將開啟一個洞察生命運作機理的新世界。美國華盛頓大學(xué)和英國DeepMind公司分別公布了多年工作的成果：先進的建模程序，可以預(yù)測蛋白質(zhì)和一些分子復(fù)合物的精確三維原子結(jié)構(gòu)，并將這些結(jié)構(gòu)放入公開的數(shù)據(jù)庫免費供全球科研人員使用。據(jù)DeepMind公司報告顯示，其人工智能程序AlphaFold預(yù)測出98.5%的人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，有助于深入理解一些關(guān)鍵生物學(xué)信息，從而更好開展藥物研發(fā)。而美國華盛頓大學(xué)創(chuàng)建的高精確的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測程序名叫RoseTTAFold，基于深度學(xué)習(xí)，它不僅能預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，還能預(yù)測蛋白質(zhì)之間的結(jié)合形式。僅需十分鐘，RoseTTAFold就能用一臺游戲電腦準(zhǔn)確計算出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文于7月15日分別刊登于《自然》和《科學(xué)》。
——“基因剪刀”首次治療遺傳病。一直以來，人們?nèi)粢褂帽环Q為“基因剪刀”的CRISPR基因編輯技術(shù)治療遺傳疾病，需要清除一個巨大的障礙：將分子剪刀工具直接注射到受影響的細胞中，從而實現(xiàn)DNA切割。英國倫敦大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)CRISPR技術(shù)能使一種突變基因失活。研究首次將CRISPR藥物注射到一種罕見遺傳病(轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性病)患者的血液中，并發(fā)現(xiàn)其中3人的肝臟幾乎停止產(chǎn)生有毒的蛋白質(zhì)。雖然目前還不能確定CRISPR治療是否能緩解該疾病的癥狀，但初步數(shù)據(jù)讓人們對這種一次性治療的效果感到興奮。相關(guān)研究結(jié)果5月28日發(fā)表于《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》。據(jù)悉，這項新工作在能夠滅活、修復(fù)或替換身體任何部位的致病基因方面，邁出了關(guān)鍵的第一步。
——史上最冷反物質(zhì)問世。加拿大國家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara團隊與合作者在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究組織粒子物理實驗室進行了一項名為ALPHA-2的反氫捕獲實驗，演示了反氫原子的激光冷卻，將樣品冷卻到了接近絕對零度。激光冷卻經(jīng)常被用來測量常規(guī)原子的能量躍遷——電子運動到不同能級。該團隊開發(fā)了一種激光，它能以適當(dāng)?shù)牟ㄩL發(fā)射被稱為光子的光粒子，從而降低正在直接朝向激光移動的反原子的速度。研究人員將反原子的速度降低到1/10以下。對于冷卻的反氫原子，該團隊獲得的測量精度幾乎是未冷卻的反原子的3倍。該研究產(chǎn)生了比以往任何時候都更冷的反物質(zhì)，并使一種全新的實驗成為可能，有助于科學(xué)家在未來更多地了解反物質(zhì)。相關(guān)研究成果3月31日刊登于《自然》。
——“芝麻�！贝笮⌒呐K模型問世。奧地利科學(xué)院生物學(xué)家Sasha Mendjan和團隊使用人類多能干細胞培養(yǎng)出芝麻大小的心臟模型，又稱心臟線。它可以自發(fā)地進行組織，在不需要實驗支架的情況下發(fā)展出一個中空的心房。Mendjan團隊以特定的順序激活所有參與胚胎心臟發(fā)育的6個已知信號通路，誘導(dǎo)干細胞自我組織。隨著細胞分化，它們開始形成不同的層——類似心臟壁的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過一周的發(fā)育，這些類器官自組織成一個有封閉腔的3D結(jié)構(gòu)，幾乎重現(xiàn)了人類心臟的自發(fā)生長軌跡。此外，研究小組還發(fā)現(xiàn)心臟壁狀組織能有節(jié)奏地收縮，擠壓腔內(nèi)的液體。該團隊還測試了心臟類器官對組織損傷的反應(yīng)。他們用一根冷鋼棒冷凍部分心臟類器官，并殺死該部位的許多細胞，研究發(fā)現(xiàn)，心臟成纖維細胞(一種負責(zé)傷口愈合的細胞)開始向損傷部位遷移，并產(chǎn)生修復(fù)損傷的蛋白質(zhì)。相關(guān)研究5月20日發(fā)表于《細胞》，這項進展使得科學(xué)家能創(chuàng)造出一些迄今為止最真實的心臟類器官，為制藥公司將更多藥物引入臨床試驗提供了可能。
——科學(xué)家利用人工智能實現(xiàn)兩項數(shù)學(xué)突破。純數(shù)學(xué)研究工作的關(guān)鍵目標(biāo)之一是發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)對象間的規(guī)律，并利用這些聯(lián)系形成猜想。從20世紀(jì)60年代開始，數(shù)學(xué)家開始使用計算機幫助發(fā)現(xiàn)規(guī)律和提出猜想，但人工智能系統(tǒng)尚未普遍應(yīng)用于理論數(shù)學(xué)研究領(lǐng)域。12月1日，一篇發(fā)表在《自然》上的論文顯示，DeepMind公司研發(fā)出一個機器學(xué)習(xí)框架，能幫助數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的猜想和定理。此前，該框架已經(jīng)幫助發(fā)現(xiàn)了不同純數(shù)學(xué)領(lǐng)域的兩個新猜想。研究人員將這一方法應(yīng)用于兩個純數(shù)學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)了拓撲學(xué)(對幾何形狀性質(zhì)的研究)的一個新定理，和一個表示論(代數(shù)系統(tǒng)研究)的新猜想。研究人員表示，這是計算機科學(xué)家和數(shù)學(xué)家首次使用人工智能來幫助證明或提出復(fù)雜數(shù)學(xué)領(lǐng)域的新定理。
——科學(xué)家成功在實驗室中構(gòu)建人類早期胚胎樣結(jié)構(gòu)。美國得克薩斯大學(xué)達拉斯西南醫(yī)學(xué)中心研究人員領(lǐng)銜的團隊成功用人多能干細胞分化誘導(dǎo)出人類早期胚胎樣結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與人囊胚期胚胎具有類似的結(jié)構(gòu)，能正確表達相應(yīng)的基因與蛋白，并且可在體外發(fā)育2至4天，形成類羊膜囊等結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果3月17日刊登于《自然》。據(jù)介紹，借助人類早期胚胎樣結(jié)構(gòu)，研究人員能深入研究胚胎的早期發(fā)育，更加了解人類早期重大疾病造成的流產(chǎn)、畸形兒、女性受孕障礙等現(xiàn)象，并為其尋找可行的解決方案。此外，研究人員還可以通過這項技術(shù)建立藥物篩選模型，為進入臨床應(yīng)用的孕婦藥品提供安全性模擬檢測。
——激光傳輸穩(wěn)定自如創(chuàng)世界紀(jì)錄。澳大利亞國際射電天文學(xué)研究中心(ICRAR)和西澳大利亞大學(xué)(UWA)等機構(gòu)的研究人員創(chuàng)造了在大氣層中最穩(wěn)定傳輸激光信號的世界紀(jì)錄。該團隊將相位穩(wěn)定技術(shù)與先進的自導(dǎo)向光學(xué)終端相結(jié)合，實現(xiàn)了此次最穩(wěn)定的激光傳輸。新技術(shù)有效地消除了大氣湍流，允許激光信號從一個點發(fā)送到另一個點，而不會受到大氣的干擾。這一結(jié)果是用一個通過大氣傳輸?shù)募す庀到y(tǒng)比較兩個不同地點間時間流動的全球最精確的方法。相關(guān)論文1月22日發(fā)表于《自然—通訊》。據(jù)悉，這項研究有廣闊的應(yīng)用前景，可以用來精確地檢驗愛因斯坦的廣義相對論，或者發(fā)現(xiàn)基本物理常數(shù)是否隨著時間而變化。同時，這項技術(shù)的精確測量能力在地球科學(xué)和地球物理學(xué)中也有實際用途，可以改進有關(guān)地下水位如何隨時間變化的衛(wèi)星研究或?qū)ふ业叵碌V藏。此外，該技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用可以將衛(wèi)星到地面的數(shù)據(jù)傳輸速率提高幾個數(shù)量級，下一代大型數(shù)據(jù)收集衛(wèi)星能更快地將關(guān)鍵信息傳送到地面。
——科學(xué)家“繪制”最清晰原子“特寫”。美國康奈爾大學(xué)的 Muller團隊捕捉到了迄今為止最高分辨率的原子圖像，打破了其2018年所創(chuàng)下的紀(jì)錄。據(jù)悉，Muller團隊使用疊層成像技術(shù)，用X射線照射鈧酸鐠晶體，然后利用散射電子的角度來計算散射它們的原子的形狀。這些進步使得研究小組能夠觀察更稠密的原子樣本，并獲得更好的分辨率。據(jù)了解，這種最新形式的電子疊層成像分析技術(shù)使科學(xué)家可以在所有三個維度上定位單個原子。研究人員還將能夠一次發(fā)現(xiàn)異常結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)原子，并對它們及其振動進行成像。相關(guān)論文5月21日刊登于《科學(xué)》。
據(jù)了解，兩院院士評選年度中國和世界十大科技進展活動由中國科學(xué)院、中國工程院主辦，中國科學(xué)院學(xué)部工作局、中國工程院辦公廳、中國科學(xué)報社承辦。這項年度評選活動至今已舉辦28次，為公眾進一步了解中外科技發(fā)展動態(tài)，以及普及科學(xué)技術(shù)起到積極作用。(完)