光明日報記者 崔興(xing) 毅

　　國家自然科學基金委員會(hui) 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(wei) ：人工智能大模型為(wei) 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製、發現大腦“有形”生物鍾的存在及其節律調控機製、農(nong) 作物耐鹽堿機製解析及應用、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複製起始新機製、“拉索”發現史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬(wan) 億(yi) 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製、發現鋰硫電池界麵電荷存儲(chu) 聚集反應新機製。

　　此項年度評選活動自2005年啟動以來，已成功舉(ju) 辦19屆。2023年度“中國科學十大進展”是由相關(guan) 學科領域專(zhuan) 家先從(cong) 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(wei) 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世紀後半葉，氣象學家們(men) 建立起基於(yu) 大氣動力學的偏微分方程係統，並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(ti) 現在兩(liang) 個(ge) 方麵：一是精度提升較慢，二是算力消耗極大。

　　華為(wei) 雲(yun) 計算技術有限公司田奇團隊在天氣預報領域取得新突破。基於(yu) 人工智能方法，他們(men) 構建了一個(ge) 三維深度神經網絡模型，稱為(wei) 盤古氣象大模型。其主要技術貢獻有三個(ge) 方麵：一是采用三維神經網絡結構，更好地建模複雜的氣象過程；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(ge) 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(chuan) 統數值方法，且推理效率提高了上萬(wan) 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係統的預報時效提高了0.6天左右。

　　盤古氣象大模型還可用於(yu) 極端天氣預報。在2018年的88個(ge) 命名台風上，盤古氣象大模型對於(yu) 台風眼位置的3天和5天預測的絕對誤差，比歐洲氣象中心的預報係統降低了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台風路徑。

　　這項工作有助於(yu) 我國構建自主可控的天氣預報體(ti) 係，在社會(hui) 生產(chan) 、人民生活、防災減災等方麵具有重要意義(yi) 。

　　　② 揭示人類基因組暗物質驅動衰老的機製

　　人類基因組，被譽為(wei) 生命的“密碼本”，不僅(jin) 控製著我們(men) 的身體(ti) 機能，還與(yu) 健康和疾病緊密相連。在這個(ge) 複雜的遺傳(chuan) 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(nei) 源性逆轉錄病毒元件，它是數百萬(wan) 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(yu) 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(hui) 被揭開，進而加速我們(men) 身體(ti) 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(ti) 係，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(chuan) “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“程序化”和“傳(chuan) 染性”。一方麵，衰老細胞中的古病毒反轉錄產(chan) 物可通過激活天然免疫通路繼而引發細胞衰老和慢性炎症；另一方麵，衰老細胞釋放的病毒顆粒可在細胞間傳(chuan) 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，開發了可有效抑製古病毒“複活”及清除古病毒顆粒的方法，從(cong) 而延緩甚至逆轉了細胞、器官乃至機體(ti) 的衰老進程。

　　這項工作提出了古病毒的“複活”驅動衰老及相關(guan) 疾病的新理論，為(wei) 理解衰老的內(nei) 在機製和發展衰老幹預策略提供了新依據，為(wei) 科學評估和預警衰老、防治衰老相關(guan) 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”生物鍾的存在及其節律調控機製

　　晝夜節律，俗稱生物鍾，是生物為(wei) 了適應地球自轉產(chan) 生的晝夜更替而形成的一種節律性的生命活動規律。這種規律普遍存在於(yu) 人類、動物、植物甚至是微生物體(ti) 內(nei) 。生物鍾的準確性和穩定性與(yu) 健康息息相關(guan) 。節律如果發生失常，可引起睡眠障礙、代謝紊亂(luan) 、免疫力下降，嚴(yan) 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(hui) 競爭(zheng) 和工作壓力與(yu) 日俱增，全球大約1/3的人存在節律紊亂(luan) 問題，表現為(wei) 睡眠障礙等症狀。由於(yu) 缺乏對生物節律調節機製的認識，當前國際上尚未能研究出基於(yu) 生物節律的有效治療藥物。

　　大腦的視交叉上核（SCN）是生物鍾的指揮中樞，協調外周器官的生物鍾，調控多種生理功能，包括免疫力、體(ti) 溫、血壓、食欲等。然而，SCN如何維持機體(ti) 內(nei) 部節律穩定性，從(cong) 而抵禦外界環境的幹擾，尚不清楚。

　　軍(jun) 事醫學研究院/南湖實驗室李慧豔研究員和張學敏研究員通過合作研究發現了大腦“有形”生物鍾的存在。他們(men) 發現大腦生物鍾中樞SCN神經元長有“天線”樣的初級纖毛，每24小時伸縮一次，如同生物鍾的指針，通過它可實現對機體(ti) 生物鍾的調控。

　　大腦SCN區域具有大約2萬(wan) 個(ge) 神經元。神奇的是，這2萬(wan) 個(ge) 神經元始終保持著“同頻共振”，維係著生物鍾的穩定性，但機理始終是個(ge) 謎團。他們(men) 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，其機製與(yu) Shh信號通路密切相關(guan) 。

　　這一“有形”生物鍾的發現，對於(yu) 理解生物鍾的構造以及分子層麵與(yu) 細胞層麵生物鍾的聯係具有重要意義(yi) ，為(wei) 節律調控新藥研發開辟了新的路徑。

　　④ 農(nong) 作物耐鹽堿機製解析及應用

　　我國有15億(yi) 畝(mu) 鹽堿地未被有效利用，通過培育耐鹽堿農(nong) 作物，可提高鹽漬化土地產(chan) 能，將為(wei) 我國糧食安全提供有效保障。鹽漬化土地分為(wei) 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%）。盡管學術界對於(yu) 植物耐鹽性有較深入認知，但對植物耐堿脅迫的認識嚴(yan) 重不足，這阻礙了耐鹽堿作物的培育。中國科學院遺傳(chuan) 與(yu) 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(guan) ，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(guan) 聯分析，發現一個(ge) 主效耐堿相關(guan) 基因AT1，編碼G蛋白亞(ya) 基。該研究不僅(jin) 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(cong) 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(jue) 定作用，為(wei) 作物耐堿理論研究提供了新視角。研究還發現在水稻、玉米及小作物穀子等主要糧食作物中AT1調控機製也是類似的，為(wei) 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(chan) 量和全株生物量增加。AT1基因還可用於(yu) 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(nong) 業(ye) 等領域的發展產(chan) 生重要影響。但是，精準基因組編輯技術的底層專(zhuan) 利目前被國外壟斷，我國亟待創製具有自主產(chan) 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(zheng) 的製高點。

　　麵向“大片段DNA精準操縱”的世界科技前沿和“關(guan) 鍵生物技術自主可控”的國家重大需求，中國科學院遺傳(chuan) 與(yu) 發育生物學研究所高彩霞團隊與(yu) 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(men) 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，率先將基於(yu) 結構分類的理念引入工具酶挖掘領域，並基於(yu) 此開發了係列具有重要應用價(jia) 值的新型堿基編輯器和我國完全擁有自主產(chan) 權的、首個(ge) 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(ge) 植物大片段DNA精準定點插入技術。他們(men) 通過結合引導編輯和重組酶係統，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(wei) 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(men) 通過從(cong) 頭設計或延長基因上遊開放閱讀框，開發了精細下調蛋白表達的新方法和新體(ti) 係，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(men) 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複製起始新機製

　　人體(ti) 大約有30萬(wan) 億(yi) 個(ge) 細胞，都由一個(ge) 微小的受精卵細胞經過無數次細胞分裂產(chan) 生。

　　所有這些細胞的DNA遺傳(chuan) 信息都是完全相同的。DNA是遺傳(chuan) 信息的“攜帶者”。每次細胞分裂時，它都要被準確複製。

　　DNA複製過程受到嚴(yan) 格的控製。複製是從(cong) 染色體(ti) 上多個(ge) 地方開始，這些地方被稱為(wei) 複製起始位點。

　　這個(ge) 過程分兩(liang) 步：一是在起始點上組裝微小染色體(ti) 維持蛋白（MCM）雙六聚體(ti) ；二是激活MCM雙六聚體(ti) ，成為(wei) 複製體(ti) ，啟動複製。如果這個(ge) 過程出現問題，會(hui) 導致嚴(yan) 重的疾病，比如癌症、早衰和侏儒症等。

　　為(wei) 了深入了解人體(ti) 細胞DNA複製是如何開始的，該項工作解析了人體(ti) 內(nei) 的MCM雙六聚體(ti) 複合物的冷凍電鏡結構。

　　在這個(ge) 結構中，複製起點DNA，被固定在MCM的中央通道裏，形成一個(ge) 初始開口結構。形成該結構，DNA雙鏈需要被拉伸和解開。

　　這為(wei) 進一步複製做好準備，在激活MCM過程中，DNA會(hui) 被進一步打開，就像打開了一本書(shu) 。然後，形成複製體(ti) ，它們(men) 會(hui) 沿著DNA模板進行複製，就像用複印機複印文件一樣。

　　這個(ge) 研究還發現，如果初始的開口結構被破壞，那麽(me) 所有的MCM-DH就無法穩定地結合在DNA上，導致DNA複製完全被抑製，就像是複印機壞了，無法開始複印文件一樣。

　　這一發現，對癌症治療有重要的應用價(jia) 值。因為(wei) 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，通過阻止癌細胞在DNA上組裝MCM雙六聚體(ti) 是一種全新的、有效的、非常精準的抗癌療法，將為(wei) 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(wan) 億(yi) 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(ge) 伽馬暴（命名為(wei) GRB 221009A）。其巨大的伽馬射線流量導致了多個(ge) 衛星的探測能力飽和，是人類曆史上已知的最亮的伽馬暴。GRB 221009A起源於(yu) 24億(yi) 光年外的大質量恒星死亡瞬間。恒星核心燃燒殆盡，坍縮為(wei) 一個(ge) 黑洞，並產(chan) 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(wan) 億(yi) 電子伏特能段隨時間下降的餘(yu) 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(wan) 億(yi) 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(lun) 茲(zi) 因子。“拉索”還看到了GRB 221009A的餘(yu) 輝在700秒左右出現了快速下降，這一光變拐折現象被認為(wei) 是觀測者看到了噴流的邊緣所致。從(cong) 光變拐折的時間得到噴流的半張角僅(jin) 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(ge) 典型結構化噴流的核心。正是由於(yu) 觀測者碰巧正對噴流最明亮的核心，自然地解釋了為(wei) 什麽(me) 這個(ge) 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(wan) 億(yi) 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，這對伽馬暴餘(yu) 輝標準模型提出了挑戰，意味著十萬(wan) 億(yi) 電子伏特光子可能產(chan) 生於(yu) 更複雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機製。

　　　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幹和量子糾纏等量子資源，從(cong) 理論上講，具有超越經典計算機的算力。但量子計算受噪聲幹擾，容易出現量子退相幹，錯誤率比經典計算機至少要高十多個(ge) 量級。要解決(jue) 這個(ge) 問題，就必須進行量子糾錯，通過量子編碼使得一個(ge) 被保護的邏輯量子比特的相幹壽命超過量子電路中最好的物理比特的相幹壽命。當這種情況出現的時候，我們(men) 說這種糾錯過程超越了量子糾纏的盈虧(kui) 平衡點。超越盈虧(kui) 平衡點是構建邏輯量子比特的必要條件。

　　但是，由於(yu) 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(hui) 引入新的錯誤，造成誤差的累積，甚至出現越糾越錯的局麵，這就是量子糾錯所麵臨(lin) 的挑戰，也是量子計算麵臨(lin) 的關(guan) 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、清華大學孫麓岩等團隊基於(yu) 玻色編碼量子糾錯方案，解決(jue) 了量子糾纏過程中出現的大量技術問題，並開發了基於(yu) 頻率梳控製的低錯誤率的宇稱探測技術，大幅延長邏輯量子比特的相幹壽命，超越盈虧(kui) 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製

　　光是生命產(chan) 生的原動力，也是生命體(ti) 最重要的感知覺輸入之一。光不僅(jin) 提供給我們(men) 視覺圖像感知，還調節著諸如節律、睡眠、情緒等一係列生理病理過程。國內(nei) 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(ti) 的血糖代謝，是尚未解決(jue) 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於(yu) 視網膜上的視錐、視杆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，進而到達腦幹孤束核和中縫蒼白核，最後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製棕色脂肪組織消耗血糖的產(chan) 熱。進一步研究表明，光同樣可利用該機製降低人體(ti) 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 發現鋰硫電池界麵電荷存儲(chu) 聚集反應新機製

　　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(wei) 它在充放電過程中，電池性能會(hui) 快速下降。受限於(yu) 傳(chuan) 統原位顯微研究技術的時空分辨率低及鋰硫體(ti) 係不穩定等因素，人們(men) 對其內(nei) 部發生的化學反應過程尚不清楚，無法針對性解決(jue) 問題，嚴(yan) 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，實現對鋰硫電池界麵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麵分子聚集成為(wei) 分子團進行反應，電荷轉移可以首先存儲(chu) 在聚集分子團中，分子團得到電子但不會(hui) 發生轉化，直到獲得足夠電子後瞬時結晶轉化。而沒有活性的材料表麵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，最後轉化為(wei) Li2S。模擬計算表明，活性中心與(yu) 多硫化鋰之間的靜電作用促進了Li+和多硫分子的聚集，並證實分子聚集體(ti) 中的電荷可以自由轉移。

　　近百年來，電化學界麵反應通常被認為(wei) 僅(jin) 存在“內(nei) 球反應”和“外球反應”單分子途徑。該研究揭示出電化學界麵反應存在第三種“電荷存儲(chu) 聚集反應”機製，為(wei) 下一代鋰硫電池設計提供指導。

　　（本版內(nei) 容由光明日報記者崔興(xing) 毅采訪整理）

　　《光明日報》（2024年03月01日 07版）