光明日報記者 崔興毅

　　國家自然科學基金委員會2月29日發(fā)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(yī)學、人工智能、量子、天文、化學能源等領(lǐng)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(zhì)驅(qū)動衰老的機制、發(fā)現(xiàn)大腦“有形”生物鐘的存在及其節(jié)律調(diào)控機制、農(nóng)作物耐鹽堿機制解析及應(yīng)用、新方法實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)血糖代謝機制、發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應(yīng)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(guān)學科領(lǐng)域?qū)＜蚁葟?00多項科學研究成果中遴選出30項成果，在此基礎(chǔ)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(zhàn)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(tǒng)，并利用超級計算機進行數(shù)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(xiàn)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(shù)有限公司田奇團隊在天氣預報領(lǐng)域取得新突破。基于人工智能方法，他們構(gòu)建了一個三維深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，稱為盤古氣象大模型。其主要技術(shù)貢獻有三個方面：一是采用三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更好地建模復雜的氣象過程；二是采用地球位置編碼技術(shù)，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(jié)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(tǒng)數(shù)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(shù)據(jù)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(jié)果，將全球最先進的歐洲氣象中心集成預報系統(tǒng)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(tǒng)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(gòu)建自主可控的天氣預報體系，在社會生產(chǎn)、人民生活、防災(zāi)減災(zāi)等方面具有重要意義。

　　?、?揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)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(zhì)”——非編碼序列占據(jù)了驚人的98%，其中有約8%是內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒元件，它是數(shù)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(tài)。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(lǐng)研究團隊，通過搭建生理性和病理性衰老研究體系，結(jié)合高通量、高靈敏性和多維度的多學科交叉技術(shù)，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(qū)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(zhuǎn)錄產(chǎn)物可通過激活天然免疫通路繼而引發(fā)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(fā)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(zhuǎn)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(qū)動衰老及相關(guān)疾病的新理論，為理解衰老的內(nèi)在機制和發(fā)展衰老干預策略提供了新依據(jù)，為科學評估和預警衰老、防治衰老相關(guān)疾病以及積極應(yīng)對人口老齡化提供新思路。

　　③ 發(fā)現(xiàn)大腦“有形”生物鐘的存在及其節(jié)律調(diào)控機制

　　晝夜節(jié)律，俗稱生物鐘，是生物為了適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的晝夜更替而形成的一種節(jié)律性的生命活動規(guī)律。這種規(guī)律普遍存在于人類、動物、植物甚至是微生物體內(nèi)。生物鐘的準確性和穩(wěn)定性與健康息息相關(guān)。節(jié)律如果發(fā)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(fā)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(jié)律紊亂問題，表現(xiàn)為睡眠障礙等癥狀。由于缺乏對生物節(jié)律調(diào)節(jié)機制的認識，當前國際上尚未能研究出基于生物節(jié)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(xié)調(diào)外周器官的生物鐘，調(diào)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(nèi)部節(jié)律穩(wěn)定性，從而抵御外界環(huán)境的干擾，尚不清楚。

　　軍事醫(yī)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(fā)現(xiàn)了大腦“有形”生物鐘的存在。他們發(fā)現(xiàn)大腦生物鐘中樞SCN神經(jīng)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(xiàn)對機體生物鐘的調(diào)控。

　　大腦SCN區(qū)域具有大約2萬個神經(jīng)元。神奇的是，這2萬個神經(jīng)元始終保持著“同頻共振”，維系著生物鐘的穩(wěn)定性，但機理始終是個謎團。他們發(fā)現(xiàn)初級纖毛可能通過調(diào)控SCN區(qū)神經(jīng)元的“同頻共振”調(diào)節(jié)節(jié)律，其機制與Shh信號通路密切相關(guān)。

　　這一“有形”生物鐘的發(fā)現(xiàn)，對于理解生物鐘的構(gòu)造以及分子層面與細胞層面生物鐘的聯(lián)系具有重要意義，為節(jié)律調(diào)控新藥研發(fā)開辟了新的路徑。

　　④ 農(nóng)作物耐鹽堿機制解析及應(yīng)用

　　我國有15億畝鹽堿地未被有效利用，通過培育耐鹽堿農(nóng)作物，可提高鹽漬化土地產(chǎn)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(shù)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(fā)育生物學研究所謝旗領(lǐng)銜的8家單位科研團隊聯(lián)合攻關(guān)，在糧食作物耐鹽堿領(lǐng)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(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)一個主效耐堿相關(guān)基因AT1，編碼G蛋白亞基。該研究不僅揭示了經(jīng)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(diào)控這一過程中發(fā)揮決定作用，為作物耐堿理論研究提供了新視角。研究還發(fā)現(xiàn)在水稻、玉米及小作物谷子等主要糧食作物中AT1調(diào)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(chǔ)。

　　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(chǎn)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(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準操縱

　　基因組編輯是生命科學領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)，將對醫(yī)療和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。但是，精準基因組編輯技術(shù)的底層專利目前被國外壟斷，我國亟待創(chuàng)制具有自主產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)；另外，大片段DNA的精準操縱技術(shù)研發(fā)剛剛起步，它將是全球基因組編輯技術(shù)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(guān)鍵生物技術(shù)自主可控”的國家重大需求，中國科學院遺傳與發(fā)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(fā)了新型堿基編輯器。他們首次運用人工智能輔助的結(jié)構(gòu)預測建立了蛋白聚類新方法，率先將基于結(jié)構(gòu)分類的理念引入工具酶挖掘領(lǐng)域，并基于此開發(fā)了系列具有重要應(yīng)用價值的新型堿基編輯器和我國完全擁有自主產(chǎn)權(quán)的、首個在細胞核和細胞器中均可實現(xiàn)精準堿基編輯的新型工具CyDENT。

　　研究團隊開發(fā)了首個植物大片段DNA精準定點插入技術(shù)。他們通過結(jié)合引導編輯和重組酶系統(tǒng)，首次在植物中實現(xiàn)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(shù)瓶頸，為高效作物育種和植物合成生物學奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。研究團隊還利用基因組編輯實現(xiàn)了作物性狀的精準調(diào)控。他們通過從頭設(shè)計或延長基因上游開放閱讀框，開發(fā)了精細下調(diào)蛋白表達的新方法和新體系，實現(xiàn)了對作物性狀的精細微調(diào)。該成果有望進一步拓寬基因組編輯的育種應(yīng)用，助力作物種質(zhì)創(chuàng)新。

　　他們實現(xiàn)了基因組編輯在方法建立、技術(shù)研發(fā)和工具應(yīng)用的多層次創(chuàng)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(jīng)過無數(shù)次細胞分裂產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)的MCM雙六聚體復合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

　　在這個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。形成該結(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)，如果初始的開口結(jié)構(gòu)被破壞，那么所有的MCM-DH就無法穩(wěn)定地結(jié)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(fā)現(xiàn)，對癌癥治療有重要的應(yīng)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(fā)開辟了新的道路。

　　⑦ “拉索”發(fā)現(xiàn)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(fā)生的短暫伽馬射線爆發(fā)現(xiàn)象。北京時間2022年10月9日，費米衛(wèi)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(wèi)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(zhì)量恒星死亡瞬間。恒星核心燃燒殆盡，坍縮為一個黑洞，并產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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?！袄鳌笔状斡涗浟速ゑR暴萬億電子伏特光子爆發(fā)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?！袄鳌边€看到了GRB 221009A的余輝在700秒左右出現(xiàn)了快速下降，這一光變拐折現(xiàn)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(fā)現(xiàn)最窄的伽馬暴噴流，意味著它實際上是一個典型結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)能譜變軟現(xiàn)象，這對伽馬暴余輝標準模型提出了挑戰(zhàn)，意味著十萬億電子伏特光子可能產(chǎn)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(jīng)典計算機的算力。但量子計算受噪聲干擾，容易出現(xiàn)量子退相干，錯誤率比經(jīng)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(xiàn)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(gòu)建邏輯量子比特的必要條件。

　　但是，由于量子態(tài)具有不可克隆性，量子計算機無法像經(jīng)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(xiàn)越糾越錯的局面，這就是量子糾錯所面臨的挑戰(zhàn)，也是量子計算面臨的關(guān)鍵性技術(shù)挑戰(zhàn)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(lǐng)的研究團隊，聯(lián)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(xiàn)的大量技術(shù)問題，并開發(fā)了基于頻率梳控制的低錯誤率的宇稱探測技術(shù)，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(xiàn)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(diào)節(jié)血糖代謝機制

　　光是生命產(chǎn)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(diào)節(jié)著諸如節(jié)律、睡眠、情緒等一系列生理病理過程。國內(nèi)外多項公共衛(wèi)生調(diào)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(diào)節(jié)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(shù)大學薛天研究團隊發(fā)現(xiàn)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(wǎng)膜上的視錐、視桿細胞和對藍光敏感的自感光神經(jīng)節(jié)細胞（ipRGC）。利用基因工程手段，研究人員發(fā)現(xiàn)光降低血糖代謝由ipRGC感光獨立介導。進一步研究發(fā)現(xiàn)光信號經(jīng)由視網(wǎng)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(jīng)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(jīng)由這條通路抑制棕色脂肪組織消耗血糖的產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)血糖代謝的生物學機理，拓展了光感受調(diào)控生命過程的新功能。

　　⑩ 發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應(yīng)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(yīng)用還未能實現(xiàn)，因為它在充放電過程中，電池性能會快速下降。受限于傳統(tǒng)原位顯微研究技術(shù)的時空分辨率低及鋰硫體系不穩(wěn)定等因素，人們對其內(nèi)部發(fā)生的化學反應(yīng)過程尚不清楚，無法針對性解決問題，嚴重阻礙其應(yīng)用。

　　廈門大學廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學陳建峰等開發(fā)高分辨電化學原位透射電鏡技術(shù)，耦合真實電解液環(huán)境和外加電場，實現(xiàn)對鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動態(tài)實時觀測和研究。研究發(fā)現(xiàn)電池活性材料表面分子聚集成為分子團進行反應(yīng)，電荷轉(zhuǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)化，直到獲得足夠電子后瞬時結(jié)晶轉(zhuǎn)化。而沒有活性的材料表面遵循經(jīng)典的單分子反應(yīng)途徑，多硫化鋰分子逐步得到電子，分步轉(zhuǎn)化，最后轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移。

　　近百年來，電化學界面反應(yīng)通常被認為僅存在“內(nèi)球反應(yīng)”和“外球反應(yīng)”單分子途徑。該研究揭示出電化學界面反應(yīng)存在第三種“電荷存儲聚集反應(yīng)”機制，為下一代鋰硫電池設(shè)計提供指導。

　　（本版內(nèi)容由光明日報記者崔興毅采訪整理）

　　《光明日報》（2024年03月01日 07版）