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2023年中國科學十大進展發布
2月29日，中國國家自然科學基金委員會發布了2023年度「中國科學十大進展」。2023年度「中國科學十大進展」主要分佈在生命科學與醫學、人工智慧、量子、天文、化學能源等科學領域。
2023年度「中國科學十大進展」分別為：
- 人工智慧大模式為精準天氣預報帶來新突破
- 揭示人類基因組暗物質驅動老化的機制
- 發現大腦「有形」生理時鐘的存在及其節律調控機制
- 農作物耐鹽鹼機制解析及應用
- 新方法實現單鹼基到超大片段DNA精準操縱
- 揭示人類細胞DNA複製起始新機制
- 「拉索」發現史上最亮伽瑪暴的極窄噴流和十兆電子伏特光子
- 玻色編碼糾錯延長量子位元壽命
- 揭示光感受調節血糖代謝機制
- 發現鋰硫電池界面電荷儲存聚集反應新機制
1 人工智慧大模式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。華為雲端運算技術有限公司田奇團隊在天氣預報領域取得了新突破。基於人工智慧方法，他們建立了一個三維深度神經網路模型，稱為盤古氣像大模型。
其主要技術貢獻有三點。一是採用了三維神經網路結構，更好地建模複雜的氣象過程。二是採用地球位置編碼技術，提升訓練過程的精準度與效率。第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。
盤古氣像大模型在某些氣像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。在全球高解析度再分析數據上，盤古氣像大模型在溫度、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像中心整合預報系統的預報時效提高了0.6天左右。
盤古氣像大模型也可用於極端天氣預報。在2023年汛期，盤古氣像大模型成功預測了瑪娃、泰利、杜蘇瑞、蘇拉等影響我國的強烈颱風路徑。
2 揭示人類基因組暗物質驅動老化的機制
在人類基因組中，「暗物質」—非編碼序列佔了98%，其中約8%是內源性逆轉錄病毒元件，它是數百萬年前古病毒入侵並整合到人類基因組中的殘留物，通常情況下處於沉默狀態。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得而知。
中國科學院動物研究所劉光慧研究員帶領研究團隊，透過建構生理性和病理性老化研究體系，結合高通量、高靈敏度和多維度的多學科交叉技術，揭示在老化過程中，表觀遺傳「封印」的鬆動將導致原本沉寂的古病毒元件被重新激活，並進一步驅動衰老的「程式化」和「傳染性」。
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幹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化提供新想法。
3 發現大腦「有形」生理時鐘的存在及其節律調控機制
生理時鐘的準確性和穩定性與健康息息相關。由於缺乏對生物節律調節機制的認識，目前國際上尚未能研究出基於生物節律的有效治療藥物。大腦的視交叉上核（SCN）是生理時鐘的指揮中樞，但SCN如何維持身體內部節律穩定性，進而抵禦外在環境的干擾，尚不清楚。
軍事醫學研究院李慧艷研究員和張學敏研究員透過合作研究發現了大腦「有形」生理時鐘的存在。他們發現大腦生理時鐘中樞SCN神經元長有「天線」樣的初級纖毛，每24小時伸縮一次，如同生理時鐘的指針，透過它可實現對機體生理時鐘的調控。
大腦SCN區域約有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”，維繫著生理時鐘的穩定性，但機制始終是個謎團。他們發現初級纖毛可能透過調控SCN區神經元的「同頻共振」來調節節律，其機制與Shh訊號路徑密切相關。此「有形」生理時鐘的發現，對於理解生理時鐘的構造以及分子層面與細胞層面生理時鐘的連結具有重要意義，為節律調控新藥研發開闢了新的路徑。
4 農作物耐鹽鹼機制解析及應用
我國有15億畝鹽鹼地未被有效利用，透過培育耐鹽鹼作物，可提高鹽漬化土地產能，將為我國糧食安全提供有效保障。儘管學術界對於植物耐鹽性有較深入認知，但對植物耐鹼脅迫的認識卻嚴重不足，阻礙了耐鹽鹼作物的培育。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗領銜的8個單位科學研究團隊聯合攻關，在糧食作物耐鹽鹼領域取得重要突破。
透過對耐鹽鹼差異大的高粱資源全基因組大數據進行關聯分析，研究團隊發現一個主效耐鹼相關基因AT1，編碼G蛋白亞基。不同的AT1基因突變型在調控此過程中發揮決定作用，為作物耐鹼理論研究提供了新視角。研究也發現在水稻、玉米及小作物穀子等主要糧食作物中AT1調控機制也是類似的，為主要作物的耐鹽鹼分子育種奠定了理論基礎。
在理論突破的基礎上，團隊對高粱進行耐鹽鹼育種改良。在寧夏平羅鹽鹼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基因也可用於改善主要禾本科作物水稻、小麥、小米和玉米等的耐鹽鹼性。
5 新方法實現單鹼基到超大片段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起步，將是全球基因組編輯技術競爭的製高點。
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，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。
研究團隊首次運用人工智慧輔助的結構預測建立了蛋白聚類新方法，率先將基於結構分類的概念引入工具酶挖掘領域，並基於此開發了系列具有重要應用價值的新型鹼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鹼基編輯的新型工具CyDENT。
此外，研究團隊開發了首個植物大片段DNA精準定點插入技術，為高效作物育種和植物合成生物學奠定了技術基礎。研究團隊也利用基因組編輯實現了作物性狀的精準調控。此成果可望進一步拓寬基因組編輯的育種應用，協助作物種質創新。
6 揭示人類細胞DNA複製起始新機制
DNA複製從染色體上多個地方開始，這些地方被稱為複製起始位點。複製起始過程分兩步驟：一是在起始點上組裝MCM雙六聚體。二是活化MCM雙六聚體，成為複製體，啟動複製。
如果這個過程出現問題，會導致嚴重的疾病，例如癌症、早衰症和侏儒症等。
為了深入了解人類細胞DNA複製是如何開始的，該工作解析了人體內的MCM雙六聚體複合物的冷凍電子顯微鏡結構。
在這個結構中，複製起點DNA，被固定在MCM的中央通道裡，形成一個初始開口結構。形成此結構，DNA雙股需要被拉伸和解開。
研究也發現，如果初始的開口結構被破壞，那麼所有的MCM-DH就無法穩定地結合在DNA上，導致DNA複製完全被抑制，就像是影印機壞了，無法開始影印文件一樣。
這項發現對癌症治療有重要的應用價值。因為癌症細胞在生長過程中必須進行DNA複製。在不影響正常細胞運作的情況下，透過阻止癌細胞在DNA上組裝MCM雙六聚體，將會是一種全新的、有效的、而且非常精準的抗癌療法，為抗癌藥物的研發開闢了新的道路。
7 「拉索」發現史上最亮伽瑪暴的極窄噴流和十兆電子伏特光子
伽瑪射線暴（簡稱伽瑪暴）是天空中突然發生的短暫伽瑪射線爆發現象。近些年，一些望遠鏡發現了伽瑪暴在兆電子伏特能段隨時間下降的餘輝，但早期起始階段一直未被偵測到。
我國高海拔宇宙線觀測站「拉索」（LHAASO）首次記錄了伽馬暴萬億電子伏特光子爆發的整個過程，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」也看到了GRB 221009A（史上最亮伽馬暴，起源於24億光年外的大質量恆星死亡瞬間）的餘輝在700秒左右出現了快速下降，這一光變拐折現像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，這意味著它實際上是一個典型結構化噴流的核心。
我國高海拔宇宙線觀測站「拉索」。圖片來源：中國科學院高能物理研究所
「拉索」也精確測量了高能量伽瑪射線的能譜，呈現單一的冪律，延伸至十兆電子伏特以上。這是伽瑪暴觀測到的迄今最高能量的光子。在餘輝標準模型下，高能量餘輝輻射起源於相對論性電子的逆康普頓散射，理論預期這樣的能譜在高能段會逐漸變軟。但「拉索」的觀測並沒有發現能譜變軟現象，這對伽瑪暴餘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於更複雜的粒子加速過程或存在新的輻射機制。
8 玻色編碼糾錯延長量子位元壽命
理論上，量子電腦具有超越經典電腦的算力，但受雜訊幹擾後容易出現量子退相干，導致錯誤率比經典電腦至少高十多個量級。
量子糾錯是解決這個問題的重要途徑，透過量子編碼使得一個被保護的邏輯量子位元的相干壽命，超過量子電路中最好的物理位元的相干壽命。此時，意味著糾錯過程超越了量子糾纏的損益平衡點，這是建構邏輯量子位元的必要條件。
但量子態具有不可複製性，量子電腦無法透過備份來修正錯誤，量子糾錯過程會引入新的錯誤，造成誤差累積，甚至出現越糾越錯的局面。
南方科技大學與深圳國際量子研究院的俞大鵬院士與徐源研究團隊，聯合福州大學鄭仕標、清華大學孫麓岩等團隊依據玻色編碼量子糾錯方案，開發了基於頻率梳控制的低錯誤率宇稱探測技術，大幅延長邏輯量子位元的相干壽命，超損益平衡點達16%，實現了量子糾錯增益。這項成果是通往容錯量子運算道路上的重要成果。
9 揭示光感受調節血糖代謝機制
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糖尿病、肥胖等代謝疾病風險。然而，光是否以及如何調節身體的血糖代謝，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（簡稱ipRGC）。利用基因工程手段，研究團隊發現光降低血糖代謝是由ipRGC感光獨立介導。進一步研究發現光訊號經由視網膜ipRGC，至下丘腦視上核、室旁核，進而到達腦幹孤束核和中縫蒼白核，最後透過交感神經連接到外周棕色脂肪組織，並最終確定了光降低血糖代謝的原因，是光經由這條路徑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-週邊棕色脂肪」通路，回答了長久以來未知的光調節血糖代謝的生物學機制，拓展了光感受調控生命過程的新功能。這項工作發現的感光細胞、神經環路和周邊目標器官，為防治光污染導致的糖代謝紊亂提供了理論基礎與潛在的干預策略。
10 發現鋰硫電池界面電荷儲存聚集反應新機制
鋰硫電池具有極高的能量密度和較低的成本，然而，鋰硫電池的廣泛應用仍未能實現。因為它在充放電過程中，電池效能會快速下降。受限於傳統原位顯微研究技術的時空分辨率低及鋰硫體係不穩定等因素，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。
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即時觀測和研究。
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。該研究揭示電化學界面反應存在第三種「電荷儲存聚集反應」機制，加深了對多硫化物演變及其對電池表界面反應動力學影響的認識，為下一代鋰硫電池設計提供指導。（科技日報）