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由2100多位基础研究领域高水平专家投票评选的2023年度“中国科学十大进展”2月29日揭晓。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,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。据介绍,此项年度评选活动自2005年启动已成功举办19届。2023年度“中国科学十大进展”由相关学科领域专家先从600多项科学研究成果中遴选出30项成果,在此基础上评选出的10项重大科学研究成果。1.人工智能大模型为精准天气预报带来新突破天气预报是国家重大战略需求,也是国际科学前沿问题。上个世纪后半叶,气象学家们建立起了基于大气动力学的偏微分方程系统,并利用超级计算机进行数值模拟,进而预测未来天气。过去十年间,这类方法遇到了不小的瓶颈,主要体现在两个方面。一是精度提升较慢,二是算力消耗极大。华为云计算技术有限公司田奇团队在天气预报领域取得了新突破。基于人工智能方法,他们构建了一个三维深度神经网络模型,称为盘古气象大模型。其主要技术贡献有三点。一是采用了三维神经网络结构,更好地建模复杂的气象过程。二是采用地球位置编码技术,提升训练过程的精度和效率。三是训练具有不同预测时效的多个模型,减少迭代误差、节约推理时间。盘古气象大模型在某些气象要素的预报精度上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,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。盘古气象大模型也可用于极端天气预报。在2018年的88个命名台风上,盘古气象大模型对于台风眼位置的3天和5天预测的绝对误差,比欧洲气象中心的预报系统降低了25%以上。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。这项工作,有助于我国构建自主可控的天气预报体系,在社会生产、人民生活、防灾减灾等方面具有重要意义。2.揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制人类基因组,被誉为生命的“密码本”,不仅控制着我们的身体机能,还与健康和疾病紧密相连。在这个复杂的遗传蓝图中,“暗物质”——非编码序列占据了惊人的98%,其中有约8%是内源性逆转录病毒元件,它是数百万年前古病毒入侵并整合到人类基因组中的残留物,通常情况下处于沉默状态。然而,随着年龄的增长,这些沉睡的古病毒“化石”的封印是否会被揭开,进而加速我们身体的衰老进程尚不得而知。针对这一问题,中国科学院动物研究所刘光慧研究员带领研究团队,通过搭建生理性和病理性衰老研究体系,结合高通量、高灵敏性和多维度的多学科交叉技术,揭示在衰老过程中,表观遗传“封印”的松动将导致原本沉寂的古病毒元件被重新激活,并进一步驱动衰老的“程序化”和“传染性”。一方面,衰老细胞中的古病毒反转录产物可通过激活天然免疫通路继而引发细胞衰老和慢性炎症;另一方面,衰老细胞释放的病毒颗粒可在细胞间传递衰老信号,让被“感染”的年轻细胞加速衰老。进一步,研究人员针对古病毒生命周期的不同阶段,开发了可有效抑制古病毒“复活”及清除古病毒颗粒的方法,从而延缓甚至逆转了细胞、器官、乃至机体的衰老进程。这项工作提出了古病毒的“复活”驱动衰老及相关疾病的新理论,为理解衰老的内在机制和发展衰老干预策略提供了新依据,为科学评估和预警衰老、防治衰老相关疾病以及积极应对人口老龄化提供新思路。3.发现大脑“有形”生物钟的存在及其节律调控机制昼夜节律,俗称生物钟,是生物为了适应地球自转产生的昼夜更替而形成的一种节律性的生命活动规律。这种规律普遍存在于人类、动物、植物甚至是微生物体内。生物钟的准确性和稳定性与健康息息相关。节律如果发生失常,可引起睡眠障碍、代谢紊乱、免疫力下降,严重时可导致肿瘤、糖尿病、精神异常等重大疾病的发生。随着社会竞争和工作压力与日俱增,全球大约1/3的人存在节律紊乱问题,表现为睡眠障碍等症状。由于缺乏对生物节律调节机制的认识,当前国际上尚未能研究出基于生物节律的有效治疗药物。大脑的视交叉上核(SCN)是生物钟的指挥中枢,协调外周器官的生物钟,调控多种生理功能,包括免疫力、体温、血压、食欲等。然而,SCN如何维持机体内部节律稳定性,从而抵御外界环境的干扰,尚不清楚。军事医学研究院/南湖实验室李慧艳研究员和张学敏研究员通过合作研究发现了大脑“有形”生物钟的存在。他们发现大脑生物钟中枢SCN神经元长有“天线”样的初级纤毛,每24小时伸缩一次,如同生物钟的指针,通过它可实现对机体生物钟的调控。大脑SCN区域具有大约2万个神经元。神奇的是,这2万个神经元始终保持着“同频共振”,维系着生物钟的稳定性,但机理始终是个谜团。他们发现初级纤毛可能通过调控SCN区神经元的“同频共振”调节节律,其机制与Shh信号通路密切相关。该“有形”生物钟的发现,对于理解生物钟的构造以及分子层面与细胞层面生物钟的联系具有重要意义,为节律调控新药研发开辟了新的路径。4.农作物耐盐碱机制解析及应用我国有15亿亩盐碱地未被有效利用,通过培育耐盐碱农作物,可提高盐渍化土地产能,将为我国粮食安全提供有效保障。盐渍化土地分为中性盐地(富含氯化钠和硫酸钠,约占40%)和苏打盐碱地(富含碳酸钠和碳酸氢钠,约占60%)。尽管学术界对于植物耐盐性有较深入认知,但对植物耐碱胁迫的认识严重不足,这阻碍了耐盐碱作物的培育。中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗领衔的8家单位科研团队联合攻关,在粮食作物耐盐碱领域取得重要突破。通过对耐盐碱差异大的高粱资源全基因组大数据进行关联分析,发现一个主效耐碱相关基因AT1,编码G蛋白亚基。该研究不仅揭示了经典细胞信号通路中“明星”蛋白的新功能,还率先揭示了真核生物水通道蛋白可在盐碱胁迫下外排过氧化氢,从而缓解碱胁迫对植物的危害。不同的AT1基因突变型在调控这一过程中发挥决定作用,为作物耐碱理论研究提供了新视角。研究还发现在水稻、玉米及小作物谷子等主要粮食作物中AT1调控机制也是类似的,为主要作物的耐盐碱分子育种奠定了理论基础。在取得理论突破的基础上,团队对高粱进行耐盐碱育种改良,在宁夏平罗盐碱地进行的田间实验表明,AT1基因的利用能够使高粱籽粒产量和全株生物量增加。AT1基因还可用于改善主要禾本科作物水稻、小麦、小米和玉米等的耐盐碱性。5.新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵基因组编辑是生命科学领域的颠覆性技术,将对医疗和农业等领域的发展产生重要影响。但是,精准基因组编辑技术的底层专利目前被国外垄断,我国亟待创制具有自主产权的新技术;另外,大片段DNA的精准操纵技术研发刚刚起步,它将是全球基因组编辑技术竞争的制高点。面向“大片段DNA精准操纵”的世界科技前沿和“关键生物技术自主可控”的国家重大需求,中国科学院遗传与发育生物学研究所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,实现了基因组编辑在方法建立、技术研发和工具应用的多层次创新。首先,研究团队利用新方法开发了新型碱基编辑器。他们首次运用人工智能辅助的结构预测建立了蛋白聚类新方法,率先将基于结构分类的理念引入工具酶挖掘领域,并基于此开发了系列具有重要应用价值的新型碱基编辑器和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。第二,研究团队开发了首个植物大片段DNA