肥胖和糖尿病和光源有关、返老还童有望成为现实、人体生物钟由天线控制着… 详解2023年“中国科学十大进展”

橙柿互动 记者 殷军领 邵婷

今天（2月29日）上午，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”，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。

10项重大科学研究成果是从600多项科学研究成果中遴选出的，它们到底是什么重大发现，又将在哪些方面推进社会发展和影响我们的生活？

人工智能大模型，实现“秒级”全球气象预测

1、人工智能大模型为精准天气预报带来新突破

从人类早期的占卜预报，到后来的观物候、查天象预报，再到现代的气象卫星科学预报，在预报天气的道路上，我们一直在孜孜不倦追求如何更为精准。

现在，人工智能大模型精准预报天气，取得了全新突破。

据《科技日报》2023年8月14日消息，7月6日，《自然》正刊发表了华为云盘古大模型研发团队的研究成果——《三维神经网络用于精准中期全球天气预报》，论文显示，盘古气象大模型是首个精度超过传统数值预报方法的AI模型。

盘古气象大模型的三维神经网络结构

传统数值预报方法所需计算资源规模巨大。据世界气象组织数据，全球中期天气预报的有效性每10年才能提高1天。

2020年时，AI预报方法在精度上仍远远落后于数值方法。现在，盘古气象大模型预测速度相比传统数值预报提高了1万倍，可实现“秒级”全球气象预测。

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。

这将大大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。

“返老还童”有望成为现实

2、揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制

人为什么会衰老？目前尚没有正确答案。中国科学院动物研究所刘光慧课题组、曲静课题组和中国科学院北京基因组研究所张维绮课题组合作发现，这或许与人类基因组中古病毒的“复活”有关。

这一成果于北京时间2023年1月7日在国际学术期刊《细胞》上在线发表。

人类与病毒是协同进化关系。其中，内源性逆转录病毒（Endogenous Retrovirus, ERV）是数百万年前远古逆转录病毒入侵整合到人类基因组的遗迹——“古病毒化石”。在漫长的岁月里，大量ERV的遗传信息被人类细胞俘获，并经过突变、缺失等变异成为人类基因组中的“暗物质”潜伏下来，占据了人类基因组序列的8%左右，成为重要的基因记忆。

它们是否与人类衰老过程有关？

古病毒复活开启衰老的潘多拉魔盒

我国科研人员首次发现了年轻的ERV亚家族在细胞衰老过程中被再度唤醒。深入的机制研究表明：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。

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、防治衰老相关疾病等提供新思路，同时也为逆转人体衰老提供了可能。

人体生物钟，原来由“天线”控制着

3、发现大脑“有形”生物钟的存在及其节律调控机制

长期以来，生物钟一直被认为是生物体内一种无形的“时钟”，精密调控着机体重要生理功能。

军事科学院军事医学研究院李慧艳研究员团队和张学敏院士团队发现，大脑视交叉上核（SCN）神经元的初级纤毛是调控机体节律的细胞器。

SCN区域是昼夜节律的指挥中枢，研究人员发现该区域的神经元长有初级纤毛，犹如细胞“天线”。这一“天线”结构每24小时伸缩一次，如同生物钟的“指针”，通过其内部的大量神经元同频共振，实现对机体节律的调整和时差的调节。

初级纤毛——生物钟的“有形”指针

通常认为，人类有昼夜节律的睡眠、清醒和饮食行为都归因于生物钟的作用。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。节律如果发生失常，可引起睡眠障碍、代谢紊乱、免疫力下降，严重时还可导致肿瘤、糖尿病、精神异常等重大疾病的发生。

纤毛调控节律的发现，为节律调控新药研发开辟了全新路径，使机体对各种复杂环境的快速应对、快速适应成为可能。

未来每年为全球增产至少2.5亿吨粮食

4、农作物耐盐碱机制解析及应用

土壤盐渍化问题已经成为世界性难题。据联合国粮农组织的调查数据显示，截至到2015年，全球有超过10亿公顷的盐渍化土壤因盐碱程度过高而不能被有效利用，其中盐碱化土约占盐渍化土壤的60%。

因此，通过培育耐盐碱农作物，提高盐渍化土地产能，是解决未来人类粮食安全和农业发展的重要途径。

2023年3月24日，中国科学院遗传与发育生物学研究所科研团队，与国内八家单位合作在顶级科学杂志《Science》上刊发重大研究成果：发现主效耐碱基因AT1及其作用机制。

研究团队对水稻、玉米、小麦、谷子和高粱等作物的这种基因进行改造，并进行了大田实验。研究发现，基于耐盐碱等位基因AT1/GS3改良的水稻、玉米、高粱和谷子，均有效提高了约20-30%的产量和生物量。

利用AT1成果培育的甜高粱在宁夏平罗盐碱地生长情况

研究人员预测，如果全球20%盐碱地利用上述基因相关研究成果，可每年为全球增产至少2.5亿吨粮食。

作物育种和植物合成领域迎来新曙光

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；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。

单碱基编辑到大尺度DNA精准操纵

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。

这项研究成果让我国拥有了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。同时，这也将为高效作物育种和植物合成生物学奠定技术基础，助力作物种质创新。

癌症治疗有了全新道路

6、揭示人类细胞DNA复制起始新机制

DNA是遗传信息的“携带者”，细胞的DNA遗传信息是完全相同的，每次细胞分裂时，它都要被准确复制。

不过，DNA复制过程受到严格的控制。如果复制过程出现问题，会导致严重的疾病，比如癌症、早衰和侏儒症等。

中国研究人员发现，复制起点DNA被固定在MCM的中央通道里，随后DNA双链需要被拉伸和解开，形成一个初始开口结构，为进一步复制做好准备。在激活MCM过程中，DNA会被进一步打开。然后，形成复制体，它们会沿着DNA模版进行复制，就像用复印机复印文件一样。

人体MCM2-7双六聚体（MCM-DH）冷冻电镜结构及DNA复制起始调控步骤

这一发现对癌症治疗有重要的应用价值。因为癌细胞在生长过程中必须进行DNA复制。在不影响正常细胞运作的情况下，通过阻止癌细胞在DNA上组装MCM双六聚体，将会是一种全新的、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。

中国开启“超高能伽马天文学”观测时代

7、“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

约20亿年前，一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”——大质量恒星燃烧完其核聚变燃料，瞬间坍缩引发巨大的爆炸火球，发出了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”——伽马射线暴。

火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特高能伽马光子穿过茫茫宇宙，径直飞向地球。此次亮度空前的爆发，正好发生在“拉索”视场的中心附近，它目睹了这一切。

拉索观测到的伽马暴GRB 221009A高能光子爆发的全过程

拉索（LHAASO）是全球最大、灵敏度最高的宇宙线观测站——国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，主体工程于2021年7月完成建设并投入科学运行，开启了“超高能伽马天文学”观测时代。

拉索高海拔宇宙观测站俯瞰

这次观测中，拉索探测到了大量的高能光子，最高光子能量达到18万亿电子伏（TeV），在国际上首次打开了10万亿电子伏波段的伽马射线暴观测窗口。而在过去半个多世纪探测到的数千个伽马射线暴中，最高能量光子仅为1TeV。

量子计算机实用化向前迈出关键一步

8、玻色编码纠错延长量子比特寿命

这是我国科学家在量子纠错领域的最新研究成果，相关学术文章于北京时间2023年3月23日在国际著名学术期刊《自然》网站上刊登。

量子纠错过程

研发团队通过开发高相干性能的量子系统，设计和实现了错误率低的错误探测方法，以及改进和优化量子纠错技术等实验手段，最终在玻色模式中实现了基于离散变量的二项式编码的逻辑量子比特，并通过实时重复的量子纠错过程，延长了量子信息的存储时间。

这一研究成果推动向实用化可扩展通用量子计算迈出了关键一步。

夜间远离光源，可抑制肥胖和糖尿病

9.揭示光感受调节血糖代谢机制

大量公共卫生调查显示，夜间过多光源暴露显著增加肥胖和糖尿病等代谢疾病风险。作为最重要的外部环境因素，光是否直接调控血糖代谢、其中涉及哪类感光的细胞、何种神经环路以及外周靶器官等问题一直没有得到解答。

中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授研究团队发现，光直接通过激活视网膜上特殊的感光细胞，经视神经至下丘脑和延髓的系列神经核团传递信号，最终通过交感神经作用于外周的棕色脂肪组织，直接抑制了机体的血糖代谢能力。

“眼-脑-棕色脂肪轴”介导光调节血糖代谢神经机制

进一步研究表明，光同样可利用该机制降低人体的血糖代谢能力。这一研究成果可广泛存在于哺乳动物界，对于现代人来说，在生活上应关注健康的光线环境，控制夜间光线的波长、强度和暴露时长。

下一代最具应用潜力电池体系要来了

10、发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制

高能量密度、低成本锂硫电池发展潜力巨大，但因条件受限，其原子、纳米尺度上的界面反应过程至今难以明确，从而制约了高性能锂硫电池发展。这一反应过程也被学界及业界视作神秘的“黑匣子”。

厦门大学廖洪钢教授、孙世刚院士团队和北京化工大学陈建峰院士团队合作，首次发现了锂硫电池中存在独特的界面反应机制。相关研究论文发表在《自然》上。

电化学原位透射电子显微镜技术研究锂硫电池界面反应

据了解，这项突破传统理论的研究成果，有望从全新角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计研发，促进高比能、高功率、快充锂硫电池的发展，探索下一代最具应用潜力的电池体系。

责任编辑：邵婷
审核：陈奕 殷军领