2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”發(fā)布
2月29日，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布了2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”主要分布在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)、人工智能、量子、天文、化學(xué)能源等科學(xué)領(lǐng)域。
2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”分別為：人工智能大模型為精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)帶來新突破、揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)衰老的機(jī)制、發(fā)現(xiàn)大腦“有形”生物鐘的存在及其節(jié)律調(diào)控機(jī)制、農(nóng)作物耐鹽堿機(jī)制解析及應(yīng)用、新方法實(shí)現(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準(zhǔn)操縱、揭示人類細(xì)胞DNA復(fù)制起始新機(jī)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(cuò)延長量子比特壽命、揭示光感受調(diào)節(jié)血糖代謝機(jī)制、發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應(yīng)新機(jī)制。
人工智能大模型為精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)帶來新突破
天氣預(yù)報(bào)是國家重大戰(zhàn)略需求，也是國際科學(xué)前沿問題。華為云計(jì)算技術(shù)有限公司田奇團(tuán)隊(duì)在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域取得了新突破。基于人工智能方法，他們構(gòu)建了一個(gè)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(xiàn)有三點(diǎn)。一是采用了三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更好地建模復(fù)雜的氣象過程。二是采用地球位置編碼技術(shù)，提升訓(xùn)練過程的精度和效率。三是訓(xùn)練具有不同預(yù)測時(shí)效的多個(gè)模型，減少迭代誤差、節(jié)約推理時(shí)間。
盤古氣象大模型在某些氣象要素的預(yù)報(bào)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(fēng)速等重要天氣要素上，都取得了更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，將全球最先進(jìn)的歐洲氣象中心集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)時(shí)效提高了0.6天左右。
盤古氣象大模型也可用于極端天氣預(yù)報(bào)。在2023年汛期，盤古氣象大模型成功預(yù)測了瑪娃、泰利、杜蘇芮、蘇拉等影響我國的強(qiáng)臺風(fēng)路徑。
揭示人類基因組暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)衰老的機(jī)制
在人類基因組中，“暗物質(zhì)”——非編碼序列占據(jù)了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(huì)被揭開，進(jìn)而加速我們身體的衰老進(jìn)程尚不得而知。
中國科學(xué)院動(dòng)物研究所劉光慧研究員帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，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(xué)科交叉技術(shù)，揭示在衰老過程中，表觀遺傳“封印”的松動(dòng)將導(dǎo)致原本沉寂的古病毒元件被重新激活，并進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)衰老的“程序化”和“傳染性”。
這項(xiàng)工作提出了古病毒的“復(fù)活”驅(qū)動(dòng)衰老及相關(guān)疾病的新理論，為理解衰老的內(nèi)在機(jī)制和發(fā)展衰老干預(yù)策略提供了新依據(jù)，為科學(xué)評估和預(yù)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。
發(fā)現(xiàn)大腦“有形”生物鐘的存在及其節(jié)律調(diào)控機(jī)制
生物鐘的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性與健康息息相關(guān)。由于缺乏對生物節(jié)律調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識，當(dāng)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，但SCN如何維持機(jī)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(xué)研究院李慧艷研究員和張學(xué)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(shí)伸縮一次，如同生物鐘的指針，通過它可實(shí)現(xiàn)對機(jī)體生物鐘的調(diào)控。
大腦SCN區(qū)域具有大約2萬個(gè)神經(jīng)元。神奇的是，這2萬個(gè)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(jī)理始終是個(gè)謎團(tuán)。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(jī)制與Shh信號通路密切相關(guān)。該“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(xì)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。
農(nóng)作物耐鹽堿機(jī)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。盡管學(xué)術(shù)界對于植物耐鹽性有較深入的認(rèn)知，但對植物耐堿脅迫的認(rèn)識嚴(yán)重不足，這阻礙了耐鹽堿作物的培育。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗領(lǐng)銜的8家單位科研團(tuán)隊(duì)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(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)主效耐堿相關(guān)基因AT1編碼G蛋白亞基。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(jī)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)。
在取得理論突破的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)對高粱進(jìn)行耐鹽堿育種改良。在寧夏平羅鹽堿地進(jìn)行的田間實(shí)驗(yàn)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。
新方法實(shí)現(xiàn)單堿基到超大片段DNA精準(zhǔn)操縱
基因組編輯是生命科學(xué)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(zhǔn)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(zhǔn)操縱技術(shù)研發(fā)剛剛起步，將是全球基因組編輯技術(shù)競爭的制高點(diǎn)。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊(duì)與北京齊禾生科生物科技有限公司的趙天萌團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)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。
研究團(tuán)隊(duì)首次運(yùn)用人工智能輔助的結(jié)構(gòu)預(yù)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(jià)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(gè)在細(xì)胞核和細(xì)胞器中均可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)堿基編輯的新型工具CyDENT。
此外，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了首個(gè)植物大片段DNA精準(zhǔn)定點(diǎn)插入技術(shù)，為高效作物育種和植物合成生物學(xué)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)還利用基因組編輯實(shí)現(xiàn)了作物性狀的精準(zhǔn)調(diào)控。該成果有望進(jìn)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。
揭示人類細(xì)胞DNA復(fù)制起始新機(jī)制
DNA復(fù)制從染色體上多個(gè)地方開始，這些地方被稱為復(fù)制起始位點(diǎn)。復(fù)制起始過程分兩步：
第一步，在起始點(diǎn)上組裝MCM雙六聚體；第二步，激活MCM雙六聚體，成為復(fù)制體，啟動(dòng)復(fù)制。
如果這個(gè)過程出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，比如癌癥、早衰和侏儒癥等。
為了深入了解人體細(xì)胞DNA復(fù)制是如何開始的，該項(xiàng)工作解析了人體內(nèi)的MCM雙六聚體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，復(fù)制起點(diǎn)DNA，被固定在MCM的中央通道里，形成一個(gè)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。
該研究還發(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(dǎo)致DNA復(fù)制完全被抑制，就像是復(fù)印機(jī)壞了，無法開始復(fù)印文件一樣。
這一發(fā)現(xiàn)，對癌癥治療有重要的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)榘┌Y細(xì)胞，在生長過程中必須進(jìn)行DNA復(fù)制。在不影響正常細(xì)胞運(yùn)作的情況下，通過阻止癌細(xì)胞在DNA上組裝MCM雙六聚體，將會(huì)是一種全新的、有效的、而且非常精準(zhǔn)的抗癌療法，為抗癌藥物的研發(fā)開辟了新的道路。
“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。近些年，一些望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了伽馬暴在萬億電子伏特能段隨時(shí)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(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。“拉索”還看到了GRB 221009A（史上最亮伽馬暴，起源于24億光年外的大質(zhì)量恒星死亡瞬間）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(rèn)為是觀測者看到了噴流的邊緣所致。從光變拐折的時(shí)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(shí)際上是一個(gè)典型結(jié)構(gòu)化噴流的核心。
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。在余輝標(biāo)準(zhǔn)模型下，高能余輝輻射起源于相對論電子的逆康普頓散射，理論預(yù)期這樣的能譜在高能段會(huì)逐漸變軟。但拉索的觀測沒有發(fā)現(xiàn)能譜變軟現(xiàn)象，這對伽馬暴余輝標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機(jī)制。
玻色編碼糾錯(cuò)延長量子比特壽命
理論上，量子計(jì)算機(jī)具有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力，但受噪聲干擾后容易出現(xiàn)量子退相干，導(dǎo)致錯(cuò)誤率比經(jīng)典計(jì)算機(jī)至少高十多個(gè)量級。
量子糾錯(cuò)是解決該問題的重要途徑，通過量子編碼使得一個(gè)被保護(hù)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。此時(shí)，意味著糾錯(cuò)過程超越了量子糾纏的盈虧平衡點(diǎn)，這是構(gòu)建邏輯量子比特的必要條件。
但量子態(tài)具有不可克隆性，量子計(jì)算機(jī)無法通過備份來糾正錯(cuò)誤，量子糾錯(cuò)過程會(huì)引入新的錯(cuò)誤，造成誤差累積，甚至出現(xiàn)越糾越錯(cuò)的局面。
南方科技大學(xué)和深圳國際量子研究院的俞大鵬院士與徐源研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合福州大學(xué)鄭仕標(biāo)、清華大學(xué)孫麓巖等團(tuán)隊(duì)依據(jù)玻色編碼量子糾錯(cuò)方案，開發(fā)了基于頻率梳控制的低錯(cuò)誤率宇稱探測技術(shù)，大幅延長邏輯量子比特的相干壽命，超盈虧平衡點(diǎn)達(dá)16%，實(shí)現(xiàn)了量子糾錯(cuò)增益。該成果是通往容錯(cuò)量子計(jì)算道路上的一項(xiàng)重要成果。
揭示光感受調(diào)節(jié)血糖代謝機(jī)制
國內(nèi)外多項(xiàng)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(fēng)險(xiǎn)。然而，光是否以及如何調(diào)節(jié)機(jī)體的血糖代謝，是尚未解決的重要科學(xué)問題。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光暴露顯著降低小鼠的血糖代謝能力。哺乳動(dòng)物感光主要依賴視網(wǎng)膜上的視錐、視桿細(xì)胞和對藍(lán)光敏感的自感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（簡稱ipRGC）。利用基因工程手段，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光降低血糖代謝由ipRGC感光獨(dú)立介導(dǎo)。進(jìn)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(jìn)而到達(dá)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，并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(jìn)一步研究表明，光同樣可利用該機(jī)制降低人體的血糖代謝能力。
這項(xiàng)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(xué)機(jī)理，拓展了光感受調(diào)控生命過程的新功能。這項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)的感光細(xì)胞、神經(jīng)環(huán)路和外周靶器官，為防治光污染導(dǎo)致的糖代謝紊亂提供了理論依據(jù)與潛在的干預(yù)策略。
發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應(yīng)新機(jī)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(yīng)用還未能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樗诔浞烹娺^程中，電池性能會(huì)快速下降。受限于傳統(tǒng)原位顯微研究技術(shù)的時(shí)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(xué)反應(yīng)過程尚不清楚，無法針對性解決問題。
廈門大學(xué)廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學(xué)陳建峰等開發(fā)高分辨電化學(xué)原位透射電鏡技術(shù)，耦合真實(shí)電解液環(huán)境和外加電場，實(shí)現(xiàn)對鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測和研究。
近百年來，電化學(xué)界面反應(yīng)通常被認(rèn)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(xué)界面反應(yīng)存在第三種“電荷存儲聚集反應(yīng)”機(jī)制，加深了對多硫化物演變及其對電池表界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的認(rèn)識，為下一代鋰硫電池設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
（圖片由自然科學(xué)基金委提供）
