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2023年度“中国科学十大进展”发布

 2024-03-02 18:50:41  点击:

来源: 科技日报 作者:科技日报记者 操秀英

2月29日,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。

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。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。

揭示人类基因组暗物质驱动衰老的机制

在人类基因组中,“暗物质”——非编码序列占据了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。

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”。

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。

发现大脑有形生物钟的存在及其节律调控机制

生物钟的准确性和稳定性与健康息息相关。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,但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。

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。尽管学术界对于植物耐盐性有较深入的认知,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,研究团队发现一个主效耐碱相关基因AT1编码G蛋白亚基。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。

新方法实现单碱基到超大片段DNA精准操纵