《科技导报》自2004年第3期刊登“2003年中国重大科学、技术与工程进展”以来，至今已连续18年遴选发布中国年度重大科学、技术和工程进展。

　　为盘点2021年中国重大科学、技术和工程进展，《科技导报》编辑部从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体2021年1月1日至12月31日间发表、公布或报道的中国科技成果中，遴选、推荐27项重大科学进展、28项重大技术进展、27项重大工程进展候选条目，由《科技导报》编委、审稿人等专家通信评选，根据每项进展的得票情况，推选出2021年中国重大科学进展10项、重大技术进展10项、重大工程进展10项，以下按发表、公布及报道的时间先后逐一介绍。

　　今天我们介绍2021年中国重大科学进展，分别为：阐明新冠病毒逃逸抗病毒药物的分子机制；揭示鸟类迁徙策略变迁的遗传基础；绘制东亚长时间尺度下古人群动态演化遗传图谱；实现基于吸收型量子存储器的量子中继架构；揭示人体正常组织体细胞突变规律；实现超顺电弛豫铁电体中的超高能量存储；利用FAST捕获迄今最大快速射电暴爆发事件样本；“嫦娥五号”月球样品研究为揭示月球演化提供新依据；研制出系列高性能铂合金催化剂；高压合成毫米级极硬的非晶碳材料。

　　随着新冠肺炎疫情的蔓延，不断出现的病毒突变株给疫情防控和疫苗研发带来了严峻挑战。

　　阐明新冠病毒逃逸抗病毒药物的分子机制，开发能够有效应对各型突变株的广谱药物是当前亟待解决的问题。

　　该结构是一种复杂的超分子蛋白质机器，在各型突变株中高度保守，也是开发广谱抗病毒药物的关键靶点。

　　清华大学饶子和、娄智勇和上海科技大学高岩等对新冠病毒的转录复制机制开展了深入研究，先后阐明了“核心转录复制复合体”（C-RTC）、“延伸转录复制复合体”（E-RTC）和“加帽中间态转录复制复合体”[Cap(-1)-RTC]的工作机制。

　　研究团队通过解析新冠病毒mRNA“帽结构合成”过程的关键复合物Cap(-1)-RTC的2.8 Å的冷冻电镜结构，证实聚合酶nsp12的NiRAN结构域在“帽结构合成”过程中起到重要催化作用，首次明确了mRNA合成过程中全部的关键酶分子。

　　在此基础上，研究团队解析了RTC关键状态的三维结构，阐明病毒mRNA加帽、基因组复制矫正和逃逸核苷类抗病毒药物的分子机制。

　　研究揭示了新冠病毒“反式回溯”剔除错配碱基和抗病毒药物的机制，提出这可能是瑞德西韦等抗病毒药物效果不良的原因。

　　研究团队通过深入研究新冠病毒逃逸核苷类抗病毒药物的分子机制，为开发广谱、高效的抗病毒药物提供了关键的科学依据。

　　迁徙路线的形成和变迁，以及气候变化对鸟类迁徙的影响，一直是学界研究的热点和难点。

　　中国科学院动物研究所詹祥江团队与多国科学家合作，在大陆尺度对北极游隼（Falco peregrinus）的迁徙进行了系统研究。

　　研究人员利用安置在鸟背上的卫星跟踪设备，对来自欧亚北极种群的56只游隼的迁徙路线条完整的迁徙路线。

　　研究发现，游隼主要通过其中5条路线穿越亚欧大陆，西部游隼表现为短距离迁徙，东部游隼为长距离迁徙，且不同路线之间的环境异质性很强。

　　研究还发现，长距离迁徙的游隼携带一个与长时记忆能力相关的优势等位基因ADCY8，表明长时记忆可能是鸟类长距离迁徙的重要基础。

　　该研究结合遥感卫星追踪、基因组学、神经生物学等研究手段，揭示鸟类迁徙策略变迁的遗传基础，为全球气候变化背景下鸟类的保护工作提供了理论依据。

　　现代人类在东亚地区的起源与演化问题一直是人类学研究领域广泛关注的焦点，古基因组技术与遗传学分析手段的不断进步，为阐明东亚人群的动态演化过程提供了新的思路。

　　中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹及云南大学张虎才团队对东亚北部人群的古基因组进行了研究，系统绘制出4万年来东亚北部人群的群体动态演化图谱。

　　研究人员将中国黑龙江地区距今33000-3400年的25个早期人类样本，与中国北京4万年前的田园洞人样本的古基因组序列进行演化遗传学与群体遗传学分析。

　　结果表明，在末次盛冰期之前，田园洞人相关人群广泛分布于东亚北部地区；在距今1.9万年的末次盛冰期前后，田园洞人相关人群逐渐消失，而东亚古北方人群已在黑龙江出现，且自距今1.4万年起该人群基本保持遗传连续性。

　　该研究是首次在东亚地区开展跨度为4万年的大规模人类古基因组研究，研究成果填补了东亚北部人群遗传历史的时间断层，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。

　　付巧妹团队与云南省文物考古研究所吉学平等合作，对来自中国南方（广西和福建）的31个古人类样本进行了古基因组测序，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。

　　研究首先揭示广西地区存在一支此前未知的、以隆林人为代表的东亚古老人群，且直到6000年前依然在该区域活动。

　　其次，研究证明距今9000-6000年，广西人群祖源成分复杂多样，且在农业出现前已与东南亚人群存在基因交流。

　　距今1500-500年的古人群基因组数据与距今6000年之前的史前古老人群完全不同，但与现今生活在广西的侗傣语系和苗瑶语系的人群有着密切的遗传联系。

　　这一研究对了解东亚和东南亚的人类进化历史、迁移轨迹等具有重大意义，也为进一步阐明横跨东南亚的人类基因在史前具有显著多样性提供了重要依据。

　　但由于不可克服的信道损耗，单光子在光纤传输中会呈现指数级衰减，导致目前量子态在光纤中传输的距离被限制在100 km左右。

　　量子中继方案是解决该问题的有效措施，中国科学技术大学郭光灿团队李传锋、周宗权研究组实现了首个基于吸收型量子存储的量子中继。

　　研究人员设置了间距为3.5 m的2个量子节点，每个节点内包括1个偏振纠缠光子源和1个1 GHz带宽的固态量子存储器。

　　当量子存储器捕获并存储纠缠光子对中的一个光子，另一个光子同时通过光纤传输至中间站点进行贝尔态检验。

　　一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得这2个空间分离的固态量子存储器之间建立起量子纠缠。

　　量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保线%。

　　该成果证实了基于吸收型量子存储器的量子中继架构的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。

　　Nature审稿人评价该发现是对量子中继器基本链路的一次非常直接和清晰的演示，是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就，为后续的量子中继研究以及实用化高速量子网络的构建打下基础。

　　人体内各种细胞在正常的生理活动中不可避免地不断产生突变，体细胞突变累积的过程及其克隆演化的模式，是理解人体衰老和癌症早期发生机制的重要依据。

　　北京大学白凡、黄岩谊，清华大学王建斌，中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院吴晨、林东昕等共同绘制出来源于同一正常个体多器官的正常组织的体细胞突变图谱。

　　研究团队获取了5名85岁以上的遗体捐赠者的支气管、食管、贲门等9个器官内形态正常的组织，采用激光捕获显微切割技术获取有明确空间位置的连续微小组织，并捕获组织中极少量的体细胞突变，对1737个形态正常的组织进行了全面的基因组分析。

　　研究首先发现，不同正常组织器官的体细胞均存在大量的突变积累，且体细胞突变负荷和等位基因突变频率2个指标表现出明显的器官差异性。

　　研究人员共解析出7种不同的突变特征，并找到了NOTCH1、TP53、ARID1A和ERBB2等32个与肿瘤发生相关的基因。

　　通过结合空间取样的位置信息及突变克隆细胞比率聚类情况，研究人员构建了亚毫米级别分辨率的突变克隆空间扩张图谱。

　　该图谱从器官、组织、细胞和分子4个层面逐级刻画了人体正常体细胞突变基线，揭示了在相同种系背景下，人体跨器官正常组织中体细胞突变积累和变异克隆演化的基本规律，为理解癌症发生发展及细胞衰老等相关过程的机制奠定重要基础。

　　电介质电容器具有功率密度高、充放电速度快、耐压能力强等特性，在能源电力系统中具有广泛的应用前景。

　　但其较低的能量储存密度成为制约相关技术发展的瓶颈。开发具有高储能密度、高效率的介电材料是当前材料学研究的前沿和热点。

　　清华大学南策文、林元华团队通过对弛豫铁电薄膜材料的稳定的超顺电设计，实现了介电储能性能的显著提升。

　　弛豫铁电中超顺电态设计及其介电、极化、储能性质的相场模拟 来源：Science

　　研究人员结合系统实验表征和相场理论模拟，发现超顺电态区间中铁电畴可演化为几个晶胞大小的极化单元，其翻转能垒可降低至与热扰动同一量级，从而显著抑制损耗。

　　研究表明，在超顺电态温区中储能密度和效率可以实现综合优化，通过制备Sm掺杂的BiFeO3-BaTiO3超顺电态弛豫铁电薄膜，可以实现152 J/cm3的超高储能密度，并显著提高储能效率（在3.5 MV/cm电场下超过90%）。

　　该成果可为下一代高端储能电容器提供关键材料和技术，也为介电新材料开发和其他基于弛豫铁电的功能优化提供了新的途径。

　　FRB 121102于2017年被精确定位并确认其宿主星系，是人类目前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利用“中国天眼”——500 m口径球面射电望远镜（FAST）对FRB 121102进行观测，在47 d共59.5 h观测中探测到1652个高信噪比的FRB信号，获得迄今最大的快速射电暴爆发事件样本。

　　爆发能量呈双峰分布，低能端接近正则对数展现快速射电暴重复过程的随机性；高能端接近洛伦兹函数，展现强辐射存在可能的相关过程。

　　研究首次揭示了快速射电暴爆发率的完整能谱，排除了FRB 121102爆发在1 ms~1 h之间的周期性或准周期性，严格限制了重复FRB由单一致密天体起源的可能性，是揭示FRB基础物理机制的重大进展。

　　2021年7月12日，第一批“嫦娥五号”月球科研样品正式发放，研究人员通过对样品进行基础物性、岩相学等多方面的综合分析，证明“嫦娥五号”月球样品为一类新的月海玄武岩。

　　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，对“嫦娥五号”月球样品玄武岩展开了一系列研究。

　　研究团队采用超高空间分辨率的定年和同位素分析技术，分别对年代学、岩石地球化学及岩浆水含量3个科学问题设计了新的研究途径。

　　科研人员对“嫦娥五号”月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物进行分析，确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年，表明月球的岩浆活动持续到20亿年前，比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了约8亿年。

　　研究还揭示“嫦娥五号”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”，揭示了月球晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素。

　　研究还发现，月幔源区的水含量仅为1~5 μg/g，证明月幔源区几乎没有水。

　　多位国际专家表示，这一系列研究成果填补了地球岩浆活动数据的空白，改变了人类对月球热历史和岩浆历史的认识，为未来进一步探索月球的起源和演化开辟了新的方向。

　　催化剂等关键材料是氢燃料电池的“芯片”，其性能直接决定燃料电池的发电能力及寿命。

　　中国科学技术大学梁海伟、林岳和北京航空航天大学水江澜等研发出一类高效低铂燃料电池催化剂材料，解决了传统铂合金催化剂高温合成难题。

　　研究人员以硫掺杂碳（S-C）为载体，设计出一种高温硫锚定合成方法，实现了小尺寸金属间化合物（intermetallic compounds，IMCs）燃料电池催化剂的普适性合成。

　　基于此方法，研究团队构建出由46种小尺寸Pt基IMCs催化剂组成的材料库，包括20种二元（囊括了所有3d过渡金属元素和数种p区元素）以及26种多元IMCs。

　　基于该庞大、完备的材料库，研究人员发现IMCs氧还原活性随着压缩应变的增加呈现单调上升趋势并，揭示了铂合金燃料电池氧还原活性与其二维晶面应力之间的强关联性。

　　例如，氢氧燃料电池测试表明，PtNi IMC催化剂展现出记录性催化活性；氢空燃料电池测试表明，PtCo IMCs催化剂表现出与Pt/C催化剂相当的电池性能。

　　这项研究为氢燃料电池中铂合金催化剂的合成提供了一种新的方法，有望提高燃料电池性能的同时减少铂的使用量，从而降低燃料电池的成本，对推动燃料电池大规模产业化具有重要意义。

　　寻找新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题，合成与金刚石结构、性质相对应的，由全sp3键形成的非晶碳块体材料是碳材料领域的科学难题。

　　吉林大学刘冰冰、姚明光等利用自主发展的高压制备技术，采用国产硬质合金，突破了商用大腔体压机的压力极限，首次在高温条件下成功实现了毫米级近全sp3非晶碳块体材料的合成。

　　此次合成的近全sp3非晶碳具有优异的力学、热学和光学等物理性质，sp3碳含量最高可达97.1%，维氏硬度高达102 GPa（9.8 N 载荷下），热导率高达26 W/mK，是目前非晶材料中发现的硬度、热导率、模量最高的材料。研究实现了sp3键含量与性能的精确调控，将光学带隙从1.85 eV调到2.79 eV。

　　该成果被Nature评价为非晶材料领域的重大进展，有助于扩展对材料中原子无序的认识，进而通过无序调控材料的性质产生新的应用。

　　致谢 本次遴选中，“2021年重大科学进展”候选条目，是从科学技术部高技术研究发展中心主办，《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》《科学通报》协办的2021年度“中国科学十大进展”候选条目中产生的，特此感谢！

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