2023年度中國科學十大進展

“中國科學十大進展”遴選活動旨在宣傳我國重大基礎研究科學進展，激勵廣大科技工作者的科學熱情，開展基礎研究科學普及，促進公眾了解、關心和支持基礎研究，在全社會營造濃厚的科學氛圍，已成為盤點我國基礎研究領域年度重大科學成果的品牌活動。

2023年度第19屆“中國科學十大進展”遴選活動由國家自然科學基金委員會主辦，國家自然科學基金委員會高技術研究發(fā)展中心（基礎研究管理中心）和科學傳播與成果轉化中心承辦，《中國基礎科學》《科技導報》《中國科學院院刊》《中國科學基金》《科學通報》5家編輯部協(xié)辦，分為推薦、初選、終選、審議4個環(huán)節(jié)。共推薦了2022年12月1日至2023年11月30日期間正式發(fā)表的600多項科學研究成果；由近100位相關學科領域?qū)＜覐闹绣噙x出30項成果；在此基礎上邀請了包括中國科學院院士、中國工程院院士在內(nèi)的2 100多位基礎研究領域高水平專家對30項成果進行投票，評選出10項重大科學研究成果；經(jīng)國家自然科學基金委員會咨詢委員會審議，最終確定入選2023年度“中國科學十大進展”的成果名單。

1 人工智能大模型為精準天氣預報帶來新突破

天氣預報是國際科學前沿問題，具有重大的社會價值?，F(xiàn)有數(shù)值天氣預報范式源于20世紀50年代，即通過超算平臺的大規(guī)模計算來求解大氣運動偏微分方程組，實現(xiàn)對未來天氣的預報。近些年使用該傳統(tǒng)方法提升預報水平面臨越來越大的挑戰(zhàn)。華為云計算技術有限公司田奇、畢愷峰、謝凌曦等基于人工智能技術，提出了一種適配地球坐標系統(tǒng)的三維神經(jīng)網(wǎng)絡（圖1），能夠有效處理天氣數(shù)據(jù)中的復雜過程，并通過層次化時域聚合策略來有效減少迭代誤差，成功實現(xiàn)了精準的中期天氣預報。在1979—2017年全球天氣再分析數(shù)據(jù)上訓練后，構建了盤古氣象大模型。該模型能夠預報7天內(nèi)的地表層和13個高空層的溫度、氣壓、濕度、風速等氣象要素，并將全球最先進的歐洲中長期天氣預報中心（ECMWF）集成預報系統(tǒng)的預報時效提高了0.6天左右，在熱帶氣旋的路徑預報誤差相較于ECMWF預報系統(tǒng)降低了25%。該模型僅需10秒即可完成全球7天重要氣象要素的預報，計算速度較數(shù)值方法提升1萬倍以上。該研究展示了人工智能和大數(shù)據(jù)在解決天氣預報問題上的突破。

圖1 盤古氣象大模型的三維神經(jīng)網(wǎng)絡結構

2 揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)動衰老的機制

人類基因組是生命活動的“密碼本”，它控制器官再生和機體穩(wěn)態(tài)，亦影響器官退行及衰老相關疾病的發(fā)生。在該密碼本中，素有“暗物質(zhì)”之稱的非編碼序列約占98%，其中約8%為內(nèi)源性逆轉錄病毒元件，為數(shù)百萬年前古病毒整合到人類基因組中的遺跡。古病毒序列在衰老過程中的作用及其機制是尚未開拓的科學疆域。中國科學院動物研究所劉光慧、曲靜和中國科學院北京基因組研究所張維綺等利用多學科交叉手段，揭示人類基因組中沉睡的古病毒“化石”在細胞衰老過程中，可因表觀遺傳失穩(wěn)等因素被再度喚醒、進而包裝形成病毒樣顆粒并驅(qū)動細胞和器官衰老的重要現(xiàn)象（圖2）。并據(jù)此提出古病毒復活介導衰老程序性及傳染性的理論，以及阻斷古病毒復活或擴散以實現(xiàn)延緩衰老的多維干預策略。通過對人類基因組中蛋白編碼區(qū)域的“逆老”基因進行系統(tǒng)排查，發(fā)現(xiàn)可重啟人類干細胞、運動神經(jīng)元和心肌細胞活力，逆轉關節(jié)軟骨、脊髓及心臟衰老的新型分子靶標，并構建一系列針對器官退行的創(chuàng)新干預體系。以上發(fā)現(xiàn)為衰老生物學和老年醫(yī)學研究建立了新的理論框架，為衰老及老年慢病的科學干預和積極應對人口老齡化奠定了有益的基礎。

圖2 古病毒復活開啟衰老的潘多拉魔盒

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)律紊亂與睡眠障礙、精神抑郁相關，嚴重時可導致腫瘤、糖尿病等重大疾病的發(fā)生和發(fā)展。由于缺乏對生物節(jié)律調(diào)節(jié)機制的認識，當前國際上尚未研發(fā)出針對節(jié)律紊亂性疾病的有效治療藥物。軍事科學院軍事醫(yī)學研究院/南湖實驗室李慧艷、張學敏等發(fā)現(xiàn)大腦視交叉上核（SCN）神經(jīng)元的初級纖毛，這一細胞“天線”樣結構，每24小時伸縮1次，猶如生物鐘的指針（圖3）。初級纖毛通過調(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。因此，SCN神經(jīng)元的初級纖毛作為機體中“中央生物鐘”的結構基礎，參與生物鐘內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持，而靶向SCN初級纖毛的Shh信號通路是治療與晝夜節(jié)律紊亂相關人類疾病的潛在治療策略。該“有形”生物鐘的發(fā)現(xiàn)，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(lián)系具有重要意義。

圖3 初級纖毛——生物鐘的“有形”指針

4 農(nóng)作物耐鹽堿機制解析及應用

土壤鹽堿化又稱土壤鹽漬化，是指土壤中積聚鹽分形成鹽堿土的過程。我國有近15億畝鹽堿地，其中高pH值的蘇打鹽堿地約占60%。據(jù)估計，約5億畝鹽堿地具有開發(fā)利用潛能。長期以來，我們對植物耐鹽堿性的機制認識尚有不足，阻礙了耐鹽堿作物的培育和鹽堿地的開發(fā)利用。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所謝旗、中國農(nóng)業(yè)大學于菲菲、華中農(nóng)業(yè)大學歐陽亦聃等研究團隊合作利用起源于非洲薩赫勒高鹽堿地的高粱自然群體材料定位克隆到一個與耐堿性顯著相關的主效基因AT1，并揭示了AT1在堿脅迫條件下調(diào)控水通道蛋白磷酸化水平來促進植物細胞中H2O2的外排從而賦予植物高耐鹽堿性的機制。在鹽堿地進行大田實驗發(fā)現(xiàn)，基于耐鹽堿等位基因AT1改良的作物耐鹽堿能力顯著提高，其中水稻、高粱和谷子等糧食作物均有效增產(chǎn)20%—30%（圖4）。該研究為綜合利用鹽堿地和保障糧食安全提供了新思路。

圖4 利用AT1成果培育的甜高粱在寧夏平羅鹽堿地生長情況

5 新方法實現(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準操縱

基因組編輯在生物學和醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。然而，基因組編輯在編輯精度、DNA操控尺度和靈活性等方面仍有較大的限制。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞團隊聯(lián)合北京齊禾生科生物科技有限公司趙天萌團隊利用人工智能輔助的大規(guī)模蛋白結構預測方法對基因組編輯新酶進行發(fā)掘。他們建立了基于三級結構的全新蛋白聚類分析方法，鑒定出多個全新脫氨酶家族成員，并開發(fā)了一系列適用于多樣化應用場景的新型堿基編輯工具，解決了利用單個AAV進行遞送和大豆高效堿基編輯的難題。為突破植物大尺度DNA精準操縱的瓶頸，他們整合優(yōu)化引導編輯系統(tǒng)與位點特異性重組酶，開發(fā)了植物大片段DNA精準定點插入技術PrimeRoot，可實現(xiàn)對10 kb以上大片段DNA的高效定點整合。此外，他們通過對基因上游開放閱讀框的從頭設計與理性改造，開發(fā)了精細下調(diào)靶蛋白表達的全新技術體系，并創(chuàng)制了產(chǎn)量相關性狀呈梯度變化的系列水稻新種質(zhì)，為作物性狀精細改良提供了新方法（圖5）。以上研究通過開展基因組編輯元件挖掘方法和技術體系創(chuàng)新，實現(xiàn)了對基因組的精準操縱，為作物改良和基因治療提供了重要支撐。

圖5 單堿基編輯到大尺度DNA精準操縱

6 揭示人類細胞DNA復制起始新機制

DNA復制起始的精準調(diào)控是維持人類基因組穩(wěn)定、抑制遺傳疾病和癌癥發(fā)生的關鍵生命過程之一。6個MCM基因編碼的MCM2-7蛋白的雙六聚體（DH）在成千上萬個復制原點的組裝是解開雙鏈DNA和啟動復制的必經(jīng)過程。但是MCM-DH在染色體上具體的組裝和作用機制尚不清楚。香港大學翟元梁、香港科技大學黨尚宇、戴碧瓘等解析了人類MCM-DH復合物（hMCM-DH）的2.59-?高分辨率冷凍電鏡結構。在該結構中，hMCM-DH可直接降低DNA雙鏈的穩(wěn)定性，將位于2個六聚體結合處的DNA雙鏈解開，并拉伸產(chǎn)生初始的開口結構（IOS）。IOS在基因組中成簇且廣泛地分布于無轉錄活性的基因間區(qū)，并與偶發(fā)的DNA復制起始區(qū)域高度重合。干擾IOS會抑制hMCM-DH的形成，進而抑制相應DNA復制的啟動。該研究不僅揭示了人類MCM-DH組裝及初始DNA解旋以促進復制起始的新機制，也為開發(fā)以DNA復制為靶標的抗癌藥物提供了重要基礎（圖6）。

圖6 人體MCM2-7雙六聚體（MCM-DH）冷凍電鏡結構及DNA復制起始調(diào)控步驟

7 “拉索”發(fā)現(xiàn)史上最亮伽馬暴的極窄噴流和10萬億電子伏特光子

伽馬射線暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象，萬億電子伏特（TeV）以上輻射觀測對揭示其爆炸過程、輻射機制和探索新物理前沿都具有重要意義。2022年10月9日史上最亮的伽馬射線暴GRB 221009A爆發(fā)信號飛越24億光年的時空抵達地球。由中國科學院高能物理研究所曹臻領導的高海拔宇宙線觀測站（簡稱“拉索”，英文LHAASO）國際合作組憑借拉索前所未有的高靈敏度和大視場優(yōu)勢，在國際上首次完整記錄了伽馬射線暴萬億電子伏特以上高能光子爆發(fā)的全過程，包括高能光子亮度在早期的快速增強過程，以及后期亮度突然快速減弱，由此確定此伽馬射線暴的極端相對論噴流具有迄今已知最小的張角，揭開了此伽馬射線暴成為史上最亮的秘密。拉索還精確測量了該伽馬射線暴亮度隨光子能量的變化，發(fā)現(xiàn)其亮度隨能量變化的規(guī)律保持穩(wěn)定，觀測能譜延伸至10萬億電子伏特以上，超出了理論預期，挑戰(zhàn)了伽馬射線暴余輝輻射的標準模型（圖7）。

圖7 拉索觀測到的伽馬暴GRB 221009A高能光子爆發(fā)的全過程

8 玻色編碼糾錯延長量子比特壽命

目前超導量子比特的錯誤率離實用化還相差十多個數(shù)量級，需要進行量子糾錯以構建錯誤率更低的邏輯量子線路。量子糾錯旨在充分利用無限維希爾伯特空間的冗余度來保護邏輯量子比特免受噪聲的干擾。通過對錯誤的實時探測和糾正，邏輯量子比特的相干壽命將得以延長。然而，傳統(tǒng)的量子糾錯過程通常會不可避免地引入新的錯誤，使得量子糾錯面臨“越糾越錯”的尷尬局面。如何使編碼保護的邏輯量子比特的壽命超過體系中最佳物理量子比特，超越盈虧平衡點，是衡量量子糾錯是否有效的關鍵判據(jù)。南方科技大學俞大鵬、徐源，福州大學鄭仕標，清華大學孫麓巖等展示了一種基于超導電路量子電動力學架構的量子糾錯方法，其核心技術是將邏輯量子比特二項式編碼在一個與輔助超導比特色散耦合的微波諧振腔的離散光子數(shù)態(tài)中，其編碼子空間與錯誤子空間嚴格正交。通過在輔助比特上施加截斷頻率梳脈沖，可高保真度地重復讀取錯誤癥狀，并通過實時反饋控制反復糾正錯誤，從而有效延長邏輯量子比特的相干壽命，并超越盈虧平衡點達16%，實現(xiàn)了量子糾錯正增益。該研究展示了量子糾錯的優(yōu)越性，表明了硬件高效的離散變量編碼在容錯量子計算中的潛力（圖8）。

圖8 量子糾錯過程

9 揭示光感受調(diào)節(jié)血糖代謝機制

光是生命最重要的外部環(huán)境因素之一，可調(diào)節(jié)一系列重要生理與病理過程。公共衛(wèi)生研究表明，人造光是代謝紊亂的高危因素，例如夜間光污染會顯著增加糖尿病等代謝性疾病風險。然而，光對血糖代謝調(diào)節(jié)的生物學機制不明。中國科學技術大學薛天等揭示了光調(diào)控生物（小鼠和人）血糖代謝的神經(jīng)機制。在動物模型上發(fā)現(xiàn)光信號被眼內(nèi)的視網(wǎng)膜固有光敏神經(jīng)節(jié)細胞（ipRGCs）接收后，通過下丘腦視上核AVP神經(jīng)元、腦干孤束核GABA抑制性神經(jīng)元，經(jīng)交感神經(jīng)最終到達棕色脂肪組織。光通過這一多級神經(jīng)環(huán)路抑制棕色脂肪的交感神經(jīng)活動，降低脂肪組織消耗血糖引起的產(chǎn)熱，導致機體血糖代謝能力下降。更為重要的是發(fā)現(xiàn)在人體上同樣存在類似的光感受調(diào)節(jié)血糖代謝的機制，藍光污染顯著降低人體消耗血糖的能力。該研究發(fā)現(xiàn)全新的“眼-腦-外周脂肪軸”介導光對血糖代謝產(chǎn)熱的調(diào)節(jié)機制，為防治光污染導致的糖代謝紊亂相關疾病提供了理論依據(jù)與潛在的干預靶點（圖9）。

圖9 “眼-腦-棕色脂肪軸”介導光調(diào)節(jié)血糖代謝神經(jīng)機制

10 發(fā)現(xiàn)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（理論值：2600 Wh/kg）和較低的成本，然而受限于傳統(tǒng)原位表征工具的時空分辨率及鋰硫體系的不穩(wěn)定性和環(huán)境敏感性等因素，在原子/納米尺度上對鋰硫電池界面反應的理解尚不深入。廈門大學廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學陳建峰等開發(fā)高時空分辨電化學原位液相透射電鏡技術，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原子尺度動態(tài)實時觀測和研究。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，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(fā)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(jīng)典的單分子反應途徑，多硫化鋰分子逐步轉化為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，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(nèi)球反應”和“外球反應”單分子途徑。該研究揭示了電化學界面反應存在第3種“電荷存儲聚集反應”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（圖10）。

圖10 電化學原位透射電子顯微鏡技術研究鋰硫電池界面反應