探索未知，启迪未来：2023年度中国科学十大突破

作者：段跃初

国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”。2023年度“中国科学十大进展”主要分布在生命科学和医学、人工智能、量子、天文、化学能源等科学领域。

2023年度“中国科学十大进展”分别为：

• 人工智能大模型为精准天气预报带来新突破
• 揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制
• 发现大脑“有形”生物钟的存在及其节律调控机制
• 农作物耐盐碱机制解析及应用
• 新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵
• 揭示人类细胞DNA复制起始新机制
• “拉索”发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子
• 玻色编码纠错延长量子比特寿命
• 揭示光感受调节血糖代谢机制
• 发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制

1、人工智能助力天气预报：华为盘古气象大模型带来创新突破
天气预报，这一关系到国计民生的重要领域，长期以来都是国家重大战略需求，同时也是国际科学前沿问题。如今，随着人工智能技术的飞速发展，我们有了新的突破。华为云计算技术有限公司的田奇团队，运用人工智能方法，构建了一个名为“盘古气象大模型”的三维深度神经网络模型，为天气预报带来了前所未有的精准度。
首先，盘古气象大模型采用了三维神经网络结构，这使得它能够更好地建模复杂的气象过程。传统的天气预报方法往往难以准确捕捉到气象系统中复杂的相互作用，而盘古气象大模型则可以通过深度学习，从大量的数据中学习到这些复杂的规律。
其次，盘古气象大模型采用了地球位置编码技术，这有助于提升训练过程的精度和效率。通过将地球表面的经纬度信息转化为一种特殊的编码，模型可以更好地理解和处理地球上的气象数据，从而提高预测的准确性。
最后，盘古气象大模型训练了具有不同预测时效的多个模型，这不仅可以减少迭代误差，还可以节约推理时间。在实际应用中，我们可以根据需要选择不同预测时效的模型，以满足各种应用场景的需求。
值得一提的是，盘古气象大模型在某些气象要素的预报精度上已经超越了传统数值方法，且推理效率提高了上万倍。在全球高分辨率再分析数据上，盘古气象大模型在温度、气压、湿度、风速等重要天气要素上都取得了更准确的预测结果，甚至将全球最先进的欧洲气象中心集成预报系统的预报时效提高了0.6天左右。
此外，在极端天气预报方面，盘古气象大模型也表现出色。在2023年汛期，盘古气象大模型成功预测了玛娃、泰利、杜苏芮、苏拉等影响我国的强台风路径，为我国的防灾减灾工作提供了有力的支持。
总的来说，华为盘古气象大模型的出现，标志着人工智能在天气预报领域的应用取得了重要突破。我们有理由相信，在未来，随着人工智能技术的不断发展，我们将在天气预报领域取得更多的创新成果，为社会发展和人民生活带来更大的便利。

2、破解人类基因组“暗物质”：古病毒元件如何驱动衰老
人类的基因组中，有超过98%的序列被称作“暗物质”——这些序列并不编码蛋白质，它们一直被认为是基因组中的神秘部分。在这部分“暗物质”中，大约有8%是由内源性逆转录病毒元件（Endogenous Retroviral Elements, ERVs）组成的。这些元件是数百万年前古病毒入侵人类基因组后留下的“化石”，通常它们处于沉默状态，不活跃。
但是，随着我们年龄的增长，这些沉睡的古病毒元件是否会“复活”，以及它们是否会在某种程度上加速我们的衰老过程，一直是一个未解之谜。
中国科学院动物研究所的刘光慧研究员带领的研究团队，通过建立生理性和病理性衰老的研究体系，并结合高通量、高灵敏性和多维度的多学科交叉技术，对这一问题进行了深入研究。
他们发现，在衰老过程中，表观遗传学的“封印”——即基因组上的化学标记，比如甲基化，会发生变化，导致这些古病毒元件的沉默状态被解除。一旦被重新激活，这些古病毒元件就能够驱动衰老过程，使其变得更加“程序化”和“传染性”。
换句话说，这些古病毒元件就像是基因组中的定时炸弹，随着我们年龄的增长，它们的封印可能会逐渐松动，最终引发衰老过程。
这项研究提出了一个全新的理论：古病毒的“复活”是驱动衰老及相关疾病的一个重要机制。这个发现不仅为我们理解衰老的内在机制提供了新的视角，而且也为开发干预衰老的策略和治疗相关疾病提供了科学依据。
随着全球人口老龄化的加剧，这项研究对于科学评估和预警衰老过程，以及防治与衰老相关的疾病具有重要意义。未来，我们可能通过抑制这些古病毒元件的活性，来延缓衰老过程，甚至治疗一些老年疾病，这为人类的健康长寿带来了新的希望。

3、破解大脑生物钟之谜：探索节律调控新机制
生物钟，这个在我们生活中无处不在的调控机制，对于我们的健康起着至关重要的作用。然而，尽管生物钟的准确性和稳定性与我们的健康紧密相连，由于对其调节机制的缺乏了解，目前国际上还未能研究出基于生物节律的有效治疗药物。
大脑中的视交叉上核（SCN）被认为是生物钟的指挥中枢，但它是如何维持机体内部节律稳定性，以及如何抵御外界环境干扰的，一直是个未解之谜。
来自军事医学研究院的李慧艳研究员和张学敏研究员，通过合作研究，为我们揭示了大脑生物钟的奥秘。他们发现，大脑生物钟中枢SCN神经元上长有一种像“天线”一样的结构，称为初级纤毛。这些初级纤毛每隔24小时就会伸缩一次，就像生物钟的指针一样，通过它们可以实现对机体生物钟的调控。
有趣的是，大脑中的SCN区域大约有2万个这样的神经元，它们始终保持着“同频共振”，维持着生物钟的稳定性。这个现象虽然令人着迷，但背后的机理一直是个谜。
李慧艳研究员和张学敏研究员的研究发现，初级纤毛可能通过调控SCN区神经元的“同频共振”来调节生物节律，其机制与Shh信号通路密切相关。这个发现不仅揭示了大脑生物钟的构造，也揭示了分子层面与细胞层面生物钟的联系，为节律调控新药研发开辟了新的路径。
这个研究突破为我们理解生物钟的构造和分子机制提供了新的视角，也为开发基于生物节律的治疗方法提供了科学依据。未来，我们可能通过调控这个“有形”生物钟，来治疗与生物节律紊乱相关的疾病，如失眠、抑郁症等，从而提升人类的健康和生活质量。

4、盐碱地里的绿色希望：解析作物耐盐碱机制及应用
我国拥有约15亿亩的盐碱地，这些土地资源目前尚未得到有效利用。盐碱地的开发利用，对于提高我国盐渍化土地的产能，保障国家粮食安全，具有重大的战略意义。然而，盐碱地的利用面临着一个关键的科学难题：如何培育出耐盐碱的农作物。
在过去的研究中，学术界对植物的耐盐性有了一定的理解，但对于植物耐碱胁迫的认识却严重不足。这一认识上的空白，极大地阻碍了耐盐碱作物的培育进程。
中国科学院遗传与发育生物学研究所的谢旗研究员领衔的一个科研团队，联合多家单位进行攻关，在粮食作物耐盐碱领域取得了重要的突破。他们通过对耐盐碱性差异显著的高粱资源的全基因组大数据进行分析，发现了一个主效的耐碱相关基因AT1。
这个AT1基因编码的是G蛋白亚基，不同的AT1基因突变型在调控植物耐碱胁迫的过程中发挥决定性的作用。这一发现，为作物耐碱理论研究提供了新的视角。
研究团队进一步发现，AT1调控机制在水稻、玉米、小作物谷子等主要粮食作物中也是类似的。这为这些主要作物的耐盐碱分子育种，奠定了坚实的理论基础。
在理论突破的基础上，研究团队对高粱进行了耐盐碱育种改良。在宁夏平罗盐碱地进行的田间实验表明，利用AT1基因，可以使高粱的籽粒产量和全株生物量显著增加。
更重要的是，AT1基因还可以用于改善主要禾本科作物如水稻、小麦、小米和玉米等的耐盐碱性。这意味着，通过科学的育种方法，我们有可能在盐碱地上种出产量高、抗逆性强的作物，从而为国家粮食安全提供有效的保障。
这项研究不仅为盐碱地的开发利用提供了科学的解决方案，也为我国的农业科技发展开辟了新的路径。在未来，我们有理由相信，通过科学研究和技术创新，我们能够在盐碱地上种出绿色的希望，为我国的粮食安全和社会可持续发展做出更大的贡献。

5、基因组编辑：中国科研团队实现DNA精准操纵的新突破
基因组编辑技术是当今生命科学领域的颠覆性技术，它有潜力在医疗、农业等多个领域产生深远的影响。然而，这项技术的核心底层专利目前主要掌握在国外手中，这对我国来说是一个挑战，因为我们急需开发出拥有自主知识产权的新技术。
此外，目前全球基因组编辑技术的竞争焦点之一是大片段DNA的精准操纵技术，这是一个刚刚起步的研究领域，也是未来竞争的制高点。
在这个背景下，中国科学院遗传与发育生物学研究所的高彩霞团队与北京齐禾生科生物科技有限公司的赵天萌团队合作，实现了基因组编辑技术在方法建立、技术研发和工具应用的多层次创新。
这个研究团队首次运用人工智能辅助的结构预测来建立蛋白聚类新方法，并将基于结构分类的理念引入工具酶挖掘领域。基于这些创新，他们开发了系列具有重要应用价值的新型碱基编辑器，以及我国完全拥有自主产权的、首个在细胞核和细胞器中均可实现精准碱基编辑的新型工具CyDENT。
此外，研究团队还开发了首个植物大片段DNA精准定点插入技术，这为高效作物育种和植物合成生物学奠定了技术基础。他们还利用基因组编辑技术实现了对作物性状的精准调控，这有望进一步拓宽基因组编辑技术在育种应用上的应用范围，并助力作物种质创新。
这项研究成果不仅展示了我国科研团队在基因组编辑领域的实力，也为我国在这一领域的发展提供了强有力的支撑。在未来，我们有理由相信，随着我国基因组编辑技术的不断进步，我们将能够更好地利用这一技术，为社会发展和人民生活带来更多的便利。

6、破解生命之谜：揭秘人类细胞DNA复制的起始机制
DNA复制是生命过程中的一个关键步骤，它确保了遗传信息的准确传递。这个过程从染色体上的多个地方开始，这些地方被称为复制起始位点。DNA复制的起始过程分为两个步骤：首先，在起始点上组装MCM双六聚体；然后，激活MCM双六聚体，成为复制体，启动复制过程。
如果这个过程出现问题，可能会导致严重的疾病，如癌症、早衰和侏儒症等。为了深入了解人体细胞DNA复制是如何开始的，科学家们解析了人体内的MCM双六聚体复合物的冷冻电镜结构。在这个结构中，复制起点DNA被固定在MCM的中央通道里，形成一个初始开口结构。这个结构的形成需要DNA双链被拉伸和解开。
研究还发现，如果初始的开口结构被破坏，所有的MCM-DH就无法稳定地结合在DNA上，导致DNA复制完全被抑制。这就像复印机坏了，无法开始复印文件一样。
这一发现对癌症治疗具有重要的应用价值。因为癌症细胞在生长过程中必须进行DNA复制。通过阻止癌细胞在DNA上组装MCM双六聚体，将是一种全新的、有效的、而且非常精准的抗癌疗法，为抗癌药物的研发开辟了新的道路。
这项研究不仅为我们揭示了生命过程中的一个重要机制，也为未来的医疗治疗提供了新的思路和策略。

我国高海拔宇宙线观测站“拉索”。图片来源：中国科学院高能物理研究所
7、探索宇宙奥秘：“拉索”揭开伽马暴的神秘面纱
伽马射线暴，简称伽马暴，是宇宙中一种突然发生的短暂伽马射线爆发现象。近年来，科学家们通过望远镜发现，伽马暴在万亿电子伏特能段随时间下降的余辉。然而，早期起始阶段一直未被探测到。
我国高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）首次记录了伽马暴万亿电子伏特光子爆发的全过程，探测到了早期的上升阶段。由此，科学家们推断喷流具有极高的相对论洛伦兹因子。
“拉索”还观测到了GRB 221009A，这是史上最亮伽马暴，起源于24亿光年外的大质量恒星死亡瞬间。在700秒左右，科学家们观察到了余辉的快速下降，这一光变拐折现象被认为是观测者看到了喷流的边缘。从光变拐折的时间得到喷流的半张角仅有0.8度，这是迄今发现最窄的伽马暴喷流，意味着它实际上是一个典型结构化喷流的核心。
此外，“拉索”还精确测量了高能伽马射线的能谱，呈现单一的幂律，延伸至十万亿电子伏特以上。这是伽马暴观测到的迄今最高能量的光子。在余辉标准模型下，高能余辉辐射起源于相对论电子的逆康普顿散射，理论预期这样的能谱在高能段会逐渐变软。但“拉索”的观测没有发现能谱变软现象，这对伽马暴余辉标准模型提出了挑战，意味着十万亿电子伏特光子可能产生于更复杂的粒子加速过程或者存在新的辐射机制。
这项突破性的研究，不仅为我们揭示了宇宙中的一个神秘现象，也为未来的科学研究提供了新的方向和思考。科学家们将继续探索宇宙的奥秘，解开更多未解之谜。

8、量子计算的的未来：玻色编码纠错技术延长量子比特寿命
量子计算机，一个听起来就像是来自未来的科技，它理论上拥有超越经典计算机的计算能力。然而，量子计算机在实际应用中却面临着一个巨大的挑战——量子退相干。
量子退相干是量子计算机在受到噪声干扰后出现的一种现象，它会大大增加量子比特的错误率，比经典计算机高十多个量级。为了解决这个问题，量子纠错应运而生。
量子纠错是一种重要的技术，它可以通过量子编码，使得一个被保护的逻辑量子比特的相干寿命超过量子电路中最好的物理比特的相干寿命。这个过程中，纠错过程超越了量子纠缠的盈亏平衡点，这是构建逻辑量子比特的必要条件。
但是，量子态具有不可克隆性，量子计算机无法通过备份来纠正错误，量子纠错过程会引入新的错误，造成误差累积，甚至出现越纠越错的情况。
为了克服这个难题，南方科技大学和深圳国际量子研究院的俞大鹏院士与徐源研究团队，联合福州大学郑仕标、清华大学孙麓岩等团队，依据玻色编码量子纠错方案，开发了基于频率梳控制的低错误率宇称探测技术。
这项技术大幅延长了逻辑量子比特的相干寿命，超盈亏平衡点达16%，实现了量子纠错增益。这是通往容错量子计算道路上的一项重要成果。
这项研究的成功，不仅为量子计算机的实用化迈出了重要的一步，也为未来的量子计算研究提供了新的方向和可能性。量子计算机的未来，正随着这项技术的突破而变得更加光明。

9、光照与血糖代谢：科学家揭示新的调控机制
你可能会觉得，光线仅仅是我们视觉感受的一部分，但它对我们的身体影响远比我们想象的要深。近期，中国科学技术大学薛天研究团队的一项发现，就揭示了一种全新的光感受调控机制，这项研究可能会改变我们对于光照与血糖代谢之间关系的基本理解。
过去的研究已经表明，夜间过多的光照会增加患糖尿病、肥胖等代谢性疾病的风险。但是，光是如何影响我们的血糖代谢，以及这一过程是如何发生的，一直是科学界尚未解决的重要问题。
薛天研究团队发现，光照会显著降低小鼠的血糖代谢能力。这个发现是基于对视网膜上的不同感光细胞类型的深入研究。我们知道，哺乳动物的感光主要依赖于视网膜上的视锥细胞、视杆细胞以及蓝光敏感的自感光神经节细胞（简称ipRGC）。研究团队利用基因工程手段，发现光照降低血糖代谢的过程是由ipRGC感光独立介导的。
进一步的研究揭示了光信号的传递路径：从视网膜的ipRGC开始，经过下丘脑的视上核和室旁核，再到脑干孤束核和中缝苍白核，最后通过交感神经连接到外周的棕色脂肪组织。最终，研究团队确定了光照降低血糖代谢的原因，是光通过这条通路抑制了棕色脂肪组织消耗血糖产生热量的能力。
更重要的是，这项研究还表明，光照同样可以通过这个机制降低人体的血糖代谢能力。这一发现为我们提供了一个全新的“眼-脑-外周棕色脂肪”调控通路，回答了光如何调节血糖代谢这个长期未解的生物学问题，并拓展了光感受调控生命过程的新功能。
这项研究的意义不仅在于揭示了光感受细胞、神经环路和外周靶器官的作用，它还为防治光污染导致的糖代谢紊乱提供了理论依据和潜在的干预策略。在未来，我们可能会通过控制光照来管理我们的血糖水平，这项研究为糖尿病和其他代谢性疾病的治疗打开了新的可能。

10、锂硫电池的新突破：发现界面电荷存储聚集反应新机制
锂硫电池，一种拥有极高能量密度和较低成本的电池，本应在能源领域大放异光。然而，它在充放电过程中的性能迅速下降，限制了其广泛应用。这是因为我们对锂硫电池内部发生的化学反应过程了解不足，无法针对性地解决问题。
近期，厦门大学廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等研究团队，通过开发高分辨电化学原位透射电镜技术，实现了对锂硫电池界面反应原子尺度动态实时观测和研究。这项技术在真实电解液环境和外加电场下，让我们能够窥见电池内部发生的神秘化学反应。
传统的电化学界面反应被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”两种单分子途径。但这项研究揭示出，电化学界面反应还存在第三种机制——“电荷存储聚集反应”。这一发现加深了我们对于多硫化物演变及其对电池表界面反应动力学影响的理解，为下一代锂硫电池的设计提供了指导。
这项研究不仅为锂硫电池的性能提升打开了新的可能性，也为整个电化学界面反应领域带来了全新的认识。科学家们将继续探索这一新机制，希望能借此提高锂硫电池的性能，推动其在能源领域的应用。
在这个电池技术日新月异的时代，这项研究无疑是一个重要的里程碑。它不仅展示了科研人员在探索未知领域的勇气和智慧，也为未来的能源科技发展带来了无限希望。

参考资料：
重磅！2023年度中国科学十大进展发布 https://mp.weixin.qq.com/s/XI5YcmdpCylP4ihgJNwAtQ