郭国骥团队首张人类细胞图谱入选《环球科学》2020年十大...

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2020年《环球科学》十大科学新闻公布：病毒阴影下，科学仍在照亮世界
2020年，我们经历了一个特殊的年份。在新冠病毒的阴影下，科学虽会遭遇波折，但前进的步伐从未停滞。从第一次室温超导到实现量子优越性，我们为未来构筑起更多可能性；从第一张人类细胞图谱到破解蛋白折叠难题，人类也在重新认识生命的本质。现在，让我们来共同回顾那些影响深远的科学瞬间。

1

新冠疫情改变世界面貌


图片来源：中国微生物组数据中心

因为这场疫情，2020将注定成为一个被长久铭记的特殊年份。疫情从2019年末开始，随后迅速席卷全球，深刻影响着这个星球上的所有个体。在新冠疫情中，各国科学家团结一致，展现了现代科学的强大力量：疫情初期，我国科学家迅速测序并共享新冠病毒RNA序列；多国团队将疫苗研发时间缩短到一年以内。但与此同时，我们也认识到人类在面对全新病原体威胁时的不足：世界卫生组织发起的“团结试验”宣告失败，我们至今没有找到对抗新冠肺炎的特效药；在一些国家，科学的声音不断被忽视，不到位的防控使得疫情持续加速蔓延。在全球超过7000万人感染、160万人死亡的今天，我们仍然难以预测这场疫情的最终走向。但可以肯定的是，唯有科学界与公众共同努力，才能最终遏制疫情。

2

“嫦娥五号”时隔44年

再次带回月球样本


图片来源：国家航天局

2020年12月17日，携带着月球样本的“嫦娥五号”返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，标志着“嫦娥五号”任务圆满完成，同时也奏响了我国探月绕、落、回三部曲的最后一个音符。这枚于11月24日发射升空的探测器在抵达月球轨道后，向位于月海的吕姆克山脉成功释放着陆器。后者结合使用钻探取样和表面抓取两种方式，取回了超过2千克月球岩石及土壤样本。这也是时隔44年后，人类再次将月球样本带回地球。这些样本有望填补此前月球样本的空白时间段，构建更加完整的月球演化历史。

3

人类首次实现室温超导


图片来源：罗切斯特大学

在距离首次发现超导现象100多年后，人类首次见证了室温超导的诞生。2020年10月15日，《自然》以封面文章的形式发表了美国罗切斯特大学、内华达大学等多个研究单位合作完成的室温超导实验结果。研究通过光化学合成，在超导材料硫化氢体系中掺杂碳元素，实现了在287.7K（约15℃）下的超导。这代表人类向长久以来的目标——创造没有电阻的高效电力系统——迈出了重要一步。这次的实验条件仍然苛刻，必须给超导体施加267 Gpa的高压（相当于200多万倍标准大气压）才能实现室温超导。尽管其距离实际应用还有遥远的距离，但已经带来了革命性的突破，物理学家追寻了一个世纪的能源效率“圣杯”曙光初现。

4

新一轮火星探测季开启，

“天问一号”发射升空


图片来源：中国航天科技集团

今年夏季，两年一度的“火星探测窗口”再度开启。7月20日，阿联酋的“希望”号发射升空，拉开新一轮火星探测热潮的帷幕。3天后，中国首个火星探测器“天问一号”在海南文昌航天发射场成功发射，迈出了中国航天走向深空的第一步。作为中国的首次火星任务，“天问一号”计划一次性完成绕、落、巡三大任务，绘制火星的地质结构图，帮助人类了解火星的水冰和磁场分布。而在7月30日发射升空的美国“毅力”号火星车，除了试图搜寻火星生命的证据，还将首次在火星上释放直升机。这3台火星探测器均计划于2021年上半年抵达目标工作地点，为我们揭开关于这颗地球近邻的更多秘密。

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AlphaFold解决蛋白折叠难题


图片来源：CASP14

1972年诺贝尔生理学或医学奖得主克里斯蒂安·安芬森（Christian Anfinsen）在颁奖典礼上提出猜想：我们应该能从一个蛋白的氨基酸序列，推测出该蛋白的三维结构。这就是困扰生物学家近半个世纪的蛋白折叠问题。2020年11月30日，曾发布AlphaGo的DeepMind公司宣布其算法AlphaFold解决了该问题。两年一度的蛋白结构预测关键评估比赛，需要参赛者利用已知的氨基酸序列预测蛋白的三维结构。在2020年的比赛中，AlphaFold一举夺得90分的高分，达到“解决蛋白折叠问题”的标准。考虑到蛋白在生命中无处不在，AlphaFold的出现将极大地推动各个领域的生物学研究。

6

量子计算原型机“九章”

实现量子优越性


图片来源：中国科学技术大学；摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓

2020年12月3日，在《科学》杂志的一篇论文中，中国科学技术大学潘建伟团队领衔研发的量子计算原型机“九章”，在运行高斯玻色采样时，最多成功测量76个光子，实现了量子优越性——即量子计算速度超过经典计算机。对于这个“九章”用200秒解决的问题，经典计算机中的佼佼者“神威·太湖之光”需要25亿年才能完成。2019年，谷歌的“悬铃木”首次实现量子优越性；如今，“九章”首次使用光子量子比特实现这一目标。和其他量子计算原型机相比，“九章”不需要昂贵的冷却系统，在室温下即可运行。这是对量子计算潜力的又一次有力验证。

7

确定银河系内快速射电暴的来源


图片来源：ESO/L. Cal ada

快速射电暴（fast radio burst）是一种持续时间只有几毫秒的神秘高能天体物理现象，在2007年首次发现这类信号之后，对于快速射电暴的来源始终没有定论。一种候选理论认为，快速射电暴的来源是磁陀星——一种具有极强磁场的年轻中子星。2020年4月28日，一支加拿大科研团队检测到了来自银河系内磁陀星SGR 1935+2154持续时间只有毫秒级的射电暴，其强度是此前磁陀星射电辐射的3000倍。进一步的研究确认，这是人类首次探测到银河系内的快速射电暴，并表明磁陀星至少是部分快速射电暴的来源。相关研究成果发表在《自然》杂志的三篇论文中，包括一篇由中国团队利用500米口径球面射电望远镜（FAST）取得的成果。

8

首张人类细胞图谱公布


图片来源：浙江大学

2020年3月26日，《自然》杂志发表了由浙江大学郭国骥团队绘制的全球首张人类细胞图谱。他们通过高通量单细胞测序技术，测序并分析来自中国汉族婴儿和成人共60种人体组织样品的70多万个细胞，首次从单细胞水平全面分析了跨越不同年龄段的人体细胞种类，并揭示了一个普适性的哺乳动物细胞命运决定机制：细胞分化经历了一个从混乱到有序的发展过程。这项成果是人类细胞图谱计划的一项重要阶段性成果，构建出完整的人类细胞图谱的基本框架。人类细胞图谱计划将通过细胞数字化，极大地推动精准医疗和再生医学的发展，对于鉴别异常的细胞状态和起源，修复疾病导致的人体细胞、组织受损都具有重大意义。

9

澳大利亚遭遇严重山火


图片来源：Copernicus EMS; Sentinel 2/ESA

一轮持续时间、波及范围历史罕见的严重山火袭击了澳大利亚，直到2020年3月31日，澳大利亚官方才宣布这场持续半年的大火结束。根据世界自然基金会和悉尼大学联合发布的报告，这场大火的起火点有15 000多个，烧毁的土地面积超过11万平方千米，近30亿只动物在大火中丧生，其中爬行动物的死亡数占据了三分之二，另有上亿只哺乳动物和鸟类死亡。除了惨痛的生态损失，这场大火对气候变化还可能造成更长远的影响。根据英国气象局预测，澳洲大火向大气释放4亿~7亿吨CO2，导致今年全球CO2的排放量将比预期高出2%。在澳大利亚大面积成熟森林被烧毁后，我们可能需要超过100年的时间，才能等到森林复苏并重新吸收掉被释放的碳。

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SpaceX实现首次商业载人航天飞行


2020年5月30日，美国时隔9年重新在本土利用航天器将宇航员送入地球轨道。这一次帮助美国重拾航天梦的是美国太空探索技术公司（SpaceX），这也是历史上的首次商业载人航天任务。此次任务属于Demo-2演示任务的最后一环，载人龙飞船携带了两名宇航员前往国际空间站。龙飞船在整个任务期间完成了发射、国际空间站对接、脱离轨道和溅落的近乎全自动化流程，并确保了宇航员的安全。11月，载人龙飞船在首次经批准的正式载人航天任务中，运送3名NASA宇航员和1名日本宇航员发射升空，4名宇航员将开展约半年的太空站任务。至此，商业载人航天的序幕也正式开启。

在评选本年度“十大科学新闻”的过程中，我们得到了专家顾问团队和以下优秀学术媒体的大力支持，他们是（按拼音顺序排列）：BioArt、MedSci梅斯、量子位、纳米人、奇点网、神经现实、微软研究院AI头条、学术经纬、研之成理、原理、中科院地质地球所、中科院高能所、中科院物理所，在此向他们表示感谢。

关于环球科学

《环球科学》获《科学美国人》独家授权，内容涉及生物、医学、天文、物理、IT、环境、能源、经济等各大领域，深度报道科学、技术、商业、政策等领域的最新发展状况，前瞻全球科学未来的发展趋势，以及它对人类社会现在和未来的深刻影响。

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