國家自然科學基金委員會2月29日發布2023年度“中國科學十大進展”。本年度“中國科學十大進展”主要分布在生命科學和醫學、人工智能、量子、天文、化學能源等領域，分別為：人工智能大模型為精準天氣預報帶來新突破、揭示人類基因組暗物質驅動衰老的機制、發現大腦“有形”生物鐘的存在及其節律調控機制、農作物耐鹽堿機制解析及應用、新方法實現單堿基到超大片段DNA精準操縱、揭示人類細胞DNA復制起始新機制、“拉索”發現史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子、玻色編碼糾錯延長量子比特壽命、揭示光感受調節血糖代謝機制、發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制。
此項年度評選活動自2005年啟動以來，已成功舉辦19屆。2023年度“中國科學十大進展”是由相關學科領域專家先從600多項科學研究成果中遴選出30項成果，在此基礎上評選出的10項重大科學研究成果。
① 人工智能大模型為精準天氣預報帶來新突破
天氣預報是國家重大戰略需求，也是國際科學前沿問題。20世紀后半葉，氣象學家們建立起基于大氣動力學的偏微分方程系統，并利用超級計算機進行數值模擬，進而預測未來天氣。過去10年間，這類方法遇到不小的瓶頸，主要體現在兩個方面：一是精度提升較慢，二是算力消耗極大。
華為云計算技術有限公司田奇團隊在天氣預報領域取得新突破。基于人工智能方法，他們構建了一個三維深度神經網絡模型，稱為盤古氣象大模型。其主要技術貢獻有三個方面：一是采用三維神經網絡結構，更好地建模復雜的氣象過程；二是采用地球位置編碼技術，提升訓練過程的精度和效率；三是訓練具有不同預測時效的多個模型，減少迭代誤差、節約推理時間。
盤古氣象大模型在某些氣象要素的預報精度上超越了傳統數值方法，且推理效率提高了上萬倍。在全球高分辨率再分析數據上，盤古氣象大模型在溫度、氣壓、濕度、風速等重要天氣要素上，都取得了更準確的預測結果，將全球最先進的歐洲氣象中心集成預報系統的預報時效提高了0.6天左右。
盤古氣象大模型還可用于極端天氣預報。在2018年的88個命名臺風上，盤古氣象大模型對于臺風眼位置的3天和5天預測的絕對誤差，比歐洲氣象中心的預報系統降低了25%以上。在2023年汛期，盤古氣象大模型成功預測了杜蘇芮、蘇拉等影響我國的強臺風路徑。
這項工作有助于我國構建自主可控的天氣預報體系，在社會生產、人民生活、防災減災等方面具有重要意義。
② 揭示人類基因組暗物質驅動衰老的機制
人類基因組，被譽為生命的“密碼本”，不僅控制著我們的身體機能，還與健康和疾病緊密相連。在這個復雜的遺傳藍圖中，“暗物質”——非編碼序列占據了驚人的98%，其中有約8%是內源性逆轉錄病毒元件，它是數百萬年前古病毒入侵并整合到人類基因組中的殘留物，通常情況下處于沉默狀態。然而，隨著年齡的增長，這些沉睡的古病毒“化石”的封印是否會被揭開，進而加速我們身體的衰老進程尚不可知。
針對這一問題，中國科學院動物研究所劉光慧研究員帶領研究團隊，通過搭建生理性和病理性衰老研究體系，結合高通量、高靈敏性和多維度的多學科交叉技術，揭示在衰老過程中，表觀遺傳“封印”的松動將導致原本沉寂的古病毒元件被重新激活，并進一步驅動衰老的“程序化”和“傳染性”。一方面，衰老細胞中的古病毒反轉錄產物可通過激活天然免疫通路繼而引發細胞衰老和慢性炎癥；另一方面，衰老細胞釋放的病毒顆粒可在細胞間傳遞衰老信號，讓被“感染”的年輕細胞加速衰老。進一步，研究人員針對古病毒生命周期的不同階段，開發了可有效抑制古病毒“復活”及清除古病毒顆粒的方法，從而延緩甚至逆轉了細胞、器官乃至機體的衰老進程。
這項工作提出了古病毒的“復活”驅動衰老及相關疾病的新理論，為理解衰老的內在機制和發展衰老干預策略提供了新依據，為科學評估和預警衰老、防治衰老相關疾病以及積極應對人口老齡化提供新思路。
③ 發現大腦“有形”生物鐘的存在及其節律調控機制
晝夜節律，俗稱生物鐘，是生物為了適應地球自轉產生的晝夜更替而形成的一種節律性的生命活動規律。這種規律普遍存在于人類、動物、植物甚至是微生物體內。生物鐘的準確性和穩定性與健康息息相關。節律如果發生失常，可引起睡眠障礙、代謝紊亂、免疫力下降，嚴重時可導致腫瘤、糖尿病、精神異常等重大疾病的發生。隨著社會競爭和工作壓力與日俱增，全球大約1/3的人存在節律紊亂問題，表現為睡眠障礙等癥狀。由于缺乏對生物節律調節機制的認識，當前國際上尚未能研究出基于生物節律的有效治療藥物。
大腦的視交叉上核（SCN）是生物鐘的指揮中樞，協調外周器官的生物鐘，調控多種生理功能，包括免疫力、體溫、血壓、食欲等。然而，SCN如何維持機體內部節律穩定性，從而抵御外界環境的干擾，尚不清楚。
軍事醫學研究院/南湖實驗室李慧艷研究員和張學敏研究員通過合作研究發現了大腦“有形”生物鐘的存在。他們發現大腦生物鐘中樞SCN神經元長有“天線”樣的初級纖毛，每24小時伸縮一次，如同生物鐘的指針，通過它可實現對機體生物鐘的調控。
大腦SCN區域具有大約2萬個神經元。神奇的是，這2萬個神經元始終保持著“同頻共振”，維系著生物鐘的穩定性，但機理始終是個謎團。他們發現初級纖毛可能通過調控SCN區神經元的“同頻共振”調節節律，其機制與Shh信號通路密切相關。
這一“有形”生物鐘的發現，對于理解生物鐘的構造以及分子層面與細胞層面生物鐘的聯系具有重要意義，為節律調控新藥研發開辟了新的路徑。
④ 農作物耐鹽堿機制解析及應用
我國有15億畝鹽堿地未被有效利用，通過培育耐鹽堿農作物，可提高鹽漬化土地產能，將為我國糧食安全提供有效保障。鹽漬化土地分為中性鹽地（富含氯化鈉和硫酸鈉，約占40%）和蘇打鹽堿地（富含碳酸鈉和碳酸氫鈉，約占60%）。盡管學術界對于植物耐鹽性有較深入認知，但對植物耐堿脅迫的認識嚴重不足，這阻礙了耐鹽堿作物的培育。中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗領銜的8家單位科研團隊聯合攻關，在糧食作物耐鹽堿領域取得重要突破。
通過對耐鹽堿差異大的高粱資源全基因組大數據進行關聯分析，發現一個主效耐堿相關基因AT1，編碼G蛋白亞基。該研究不僅揭示了經典細胞信號通路中“明星”蛋白的新功能，還率先揭示了真核生物水通道蛋白可在鹽堿脅迫下外排過氧化氫，從而緩解堿脅迫對植物的危害。不同的AT1基因突變型在調控這一過程中發揮決定作用，為作物耐堿理論研究提供了新視角。研究還發現在水稻、玉米及小作物谷子等主要糧食作物中AT1調控機制也是類似的，為主要作物的耐鹽堿分子育種奠定了理論基礎。
在寧夏平羅鹽堿地進行的田間實驗表明，AT1基因的利用能夠使高粱籽粒產量和全株生物量增加。AT1基因還可用于改善主要禾本科作物水稻、小麥、小米和玉米等的耐鹽堿性。
⑤ 新方法實現單堿基到超大片段DNA精準操縱
基因組編輯是生命科學領域的顛覆性技術，將對醫療和農業等領域的發展產生重要影響。但是，精準基因組編輯技術的底層專利目前被國外壟斷，我國亟待創制具有自主產權的新技術；另外，大片段DNA的精準操縱技術研發剛剛起步，它將是全球基因組編輯技術競爭的制高點。
面向“大片段DNA精準操縱”的世界科技前沿和“關鍵生物技術自主可控”的國家重大需求，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊與北京齊禾生科生物科技有限公司的趙天萌團隊合作，利用新方法開發了新型堿基編輯器。他們首次運用人工智能輔助的結構預測建立了蛋白聚類新方法，率先將基于結構分類的理念引入工具酶挖掘領域，并基于此開發了系列具有重要應用價值的新型堿基編輯器和我國完全擁有自主產權的、首個在細胞核和細胞器中均可實現精準堿基編輯的新型工具CyDENT。
研究團隊開發了首個植物大片段DNA精準定點插入技術。他們通過結合引導編輯和重組酶系統，首次在植物中實現了10Kb以上大片段DNA的精準定點插入，突破了植物大尺度DNA精準操縱的技術瓶頸，為高效作物育種和植物合成生物學奠定了技術基礎。研究團隊還利用基因組編輯實現了作物性狀的精準調控。他們通過從頭設計或延長基因上游開放閱讀框，開發了精細下調蛋白表達的新方法和新體系，實現了對作物性狀的精細微調。該成果有望進一步拓寬基因組編輯的育種應用，助力作物種質創新。
他們實現了基因組編輯在方法建立、技術研發和工具應用的多層次創新。
⑥ 揭示人類細胞DNA復制起始新機制
人體大約有30萬億個細胞，都由一個微小的受精卵細胞經過無數次細胞分裂產生。
所有這些細胞的DNA遺傳信息都是完全相同的。DNA是遺傳信息的“攜帶者”。每次細胞分裂時，它都要被準確復制。
DNA復制過程受到嚴格的控制。復制是從染色體上多個地方開始，這些地方被稱為復制起始位點。
這個過程分兩步：一是在起始點上組裝微小染色體維持蛋白（MCM）雙六聚體；二是激活MCM雙六聚體，成為復制體，啟動復制。如果這個過程出現問題，會導致嚴重的疾病，比如癌癥、早衰和侏儒癥等。
為了深入了解人體細胞DNA復制是如何開始的，該項工作解析了人體內的MCM雙六聚體復合物的冷凍電鏡結構。
在這個結構中，復制起點DNA，被固定在MCM的中央通道里，形成一個初始開口結構。形成該結構，DNA雙鏈需要被拉伸和解開。
這為進一步復制做好準備，在激活MCM過程中，DNA會被進一步打開，就像打開了一本書。然后，形成復制體，它們會沿著DNA模板進行復制，就像用復印機復印文件一樣。
這個研究還發現，如果初始的開口結構被破壞，那么所有的MCM-DH就無法穩定地結合在DNA上，導致DNA復制完全被抑制，就像是復印機壞了，無法開始復印文件一樣。
這一發現，對癌癥治療有重要的應用價值。因為癌癥細胞在生長過程中必須進行DNA復制。在不影響正常細胞運作的情況下，通過阻止癌細胞在DNA上組裝MCM雙六聚體是一種全新的、有效的、非常精準的抗癌療法，將為抗癌藥物的研發開辟了新的道路。
⑦ “拉索”發現史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子
伽馬射線暴（簡稱伽馬暴）是天空中突然發生的短暫伽馬射線爆發現象。北京時間2022年10月9日，費米衛星記錄到天空中的一個伽馬暴（命名為GRB 221009A）。其巨大的伽馬射線流量導致了多個衛星的探測能力飽和，是人類歷史上已知的最亮的伽馬暴。GRB 221009A起源于24億光年外的大質量恒星死亡瞬間。恒星核心燃燒殆盡，坍縮為一個黑洞，并產生以接近光速往外運動的相對論噴流。
近些年，一些望遠鏡發現了伽馬暴在萬億電子伏特能段隨時間下降的余輝，但早期起始階段一直未被探測到。“拉索”首次記錄了伽馬暴萬億電子伏特光子爆發的全過程，探測到早期的上升階段，由此推斷噴流具有極高的相對論洛倫茲因子。“拉索”還看到了GRB 221009A的余輝在700秒左右出現了快速下降，這一光變拐折現象被認為是觀測者看到了噴流的邊緣所致。從光變拐折的時間得到噴流的半張角僅有0.8度。這是迄今發現最窄的伽馬暴噴流，意味著它實際上是一個典型結構化噴流的核心。正是由于觀測者碰巧正對噴流最明亮的核心，自然地解釋了為什么這個伽馬暴是史上最亮的。
“拉索”還精確測量了高能伽馬射線的能譜，呈現單一的冪律，延伸至十萬億電子伏特以上。這是伽馬暴觀測到的迄今最高能量的光子。
“拉索”的觀測沒有發現能譜變軟現象，這對伽馬暴余輝標準模型提出了挑戰，意味著十萬億電子伏特光子可能產生于更復雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機制。
⑧ 玻色編碼糾錯延長量子比特壽命
量子計算機利用量子相干和量子糾纏等量子資源，從理論上講，具有超越經典計算機的算力。但量子計算受噪聲干擾，容易出現量子退相干，錯誤率比經典計算機至少要高十多個量級。要解決這個問題，就必須進行量子糾錯，通過量子編碼使得一個被保護的邏輯量子比特的相干壽命超過量子電路中最好的物理比特的相干壽命。當這種情況出現的時候，我們說這種糾錯過程超越了量子糾纏的盈虧平衡點。超越盈虧平衡點是構建邏輯量子比特的必要條件。
但是，由于量子態具有不可克隆性，量子計算機無法像經典計算機一樣通過備份來糾正錯誤，量子糾錯過程，本身也會引入新的錯誤，造成誤差的累積，甚至出現越糾越錯的局面，這就是量子糾錯所面臨的挑戰，也是量子計算面臨的關鍵性技術挑戰之一。
南方科技大學和深圳國際量子研究院的俞大鵬院士以及徐源帶領的研究團隊，聯合福州大學鄭仕標、清華大學孫麓巖等團隊基于玻色編碼量子糾錯方案，解決了量子糾纏過程中出現的大量技術問題，并開發了基于頻率梳控制的低錯誤率的宇稱探測技術，大幅延長邏輯量子比特的相干壽命，超越盈虧平衡點達16%，實現了量子糾錯增益。
該成果展示了玻色編碼在容錯量子計算中的潛力，是通往容錯量子計算道路上的一項重要成果。
⑨ 揭示光感受調節血糖代謝機制
光是生命產生的原動力，也是生命體最重要的感知覺輸入之一。光不僅提供給我們視覺圖像感知，還調節著諸如節律、睡眠、情緒等一系列生理病理過程。國內外多項公共衛生調查研究顯示夜間過多光暴露顯著增加罹患糖尿病、肥胖等代謝疾病風險。然而，光是否以及如何調節機體的血糖代謝，是尚未解決的重要科學問題。
中國科學技術大學薛天研究團隊發現光暴露顯著降低小鼠的血糖代謝能力。哺乳動物感光主要依賴于視網膜上的視錐、視桿細胞和對藍光敏感的自感光神經節細胞（ipRGC）。利用基因工程手段，研究人員發現光降低血糖代謝由ipRGC感光獨立介導。進一步研究發現光信號經由視網膜ipRGC，至下丘腦視上核、室旁核，進而到達腦干孤束核和中縫蒼白核，最后通過交感神經連接到外周棕色脂肪組織。研究人員最終確定了光降低血糖代謝的原因，是光經由這條通路抑制棕色脂肪組織消耗血糖的產熱。進一步研究表明，光同樣可利用該機制降低人體的血糖代謝能力。
這項研究發現了全新的“眼—腦—外周棕色脂肪”通路，回答了長久以來未知的光調節血糖代謝的生物學機理，拓展了光感受調控生命過程的新功能。
⑩ 發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制
鋰硫電池具有極高的能量密度（2600 Wh kg-1）和較低的成本，然而，鋰硫電池的廣泛應用還未能實現，因為它在充放電過程中，電池性能會快速下降。受限于傳統原位顯微研究技術的時空分辨率低及鋰硫體系不穩定等因素，人們對其內部發生的化學反應過程尚不清楚，無法針對性解決問題，嚴重阻礙其應用。
廈門大學廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學陳建峰等開發高分辨電化學原位透射電鏡技術，耦合真實電解液環境和外加電場，實現對鋰硫電池界面反應原子尺度動態實時觀測和研究。研究發現電池活性材料表面分子聚集成為分子團進行反應，電荷轉移可以首先存儲在聚集分子團中，分子團得到電子但不會發生轉化，直到獲得足夠電子后瞬時結晶轉化。而沒有活性的材料表面遵循經典的單分子反應途徑，多硫化鋰分子逐步得到電子，分步轉化，最后轉化為Li2S。模擬計算表明，活性中心與多硫化鋰之間的靜電作用促進了Li+和多硫分子的聚集，并證實分子聚集體中的電荷可以自由轉移。
近百年來，電化學界面反應通常被認為僅存在“內球反應”和“外球反應”單分子途徑。該研究揭示出電化學界面反應存在第三種“電荷存儲聚集反應”機制，為下一代鋰硫電池設計提供指導。
來源：《光明日報》
