2024年2月29日，國家自然科學基金委員會發布2023年度中國科學十大進展，以下10項重大科學進展入選：
1. 人工智能大模型為精準天氣預報帶來新突破
2. 揭示人類基因組暗物質驅動衰老的機制
3. 發現大腦“有形”生物鐘的存在及其節律調控機制
4. 農作物耐鹽堿機制解析及應用
5. 新方法實現單堿基到超大片段 DNA 精準操縱
6. 揭示人類細胞 DNA 復制起始新機制
7. “拉索”發現史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子
8. 玻色編碼糾錯延長量子比特壽命
9. 揭示光感受調節血糖代謝機制
10. 發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制
“中國科學十大進展”遴選活動旨在宣傳我國重大基礎研究科學進展，激勵廣大科技工作者的科學熱情，開展基礎研究科學普及，促進公眾了解、關心和支持基礎研究，在全社會營造濃厚的科學氛圍。自2005年啟動以來，已成功舉辦18屆。“中國科學十大進展”遴選活動堅持由第三方推薦的原則，并由基礎研究領域的高水平專家學者廣泛參與投票，確保遴選結果的公正性和代表性。歷年入選進展較為全面地記錄了我國基礎科學研究的重要成果，得到了社會各界廣泛關注，已成為盤點我國基礎研究領域年度重大科學成果的品牌活動。
2023年度第19屆“中國科學十大進展”遴選活動由國家自然科學基金委員會主辦，國家自然科學基金委員會高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）和科學傳播與成果轉化中心承辦，《中國基礎科學》《科技導報》《中國科學院院刊》《中國科學基金》《科學通報》協辦，分為推薦、初選、終選、審議4個環節?！吨袊A科學》等推薦了2022年12月1日至2023年11月30日期間正式發表的600多項科學研究成果，由近100位相關學科領域專家從中遴選出30項成果，在此基礎上邀請了包括中國科學院院士、中國工程院院士在內的2100多位基礎研究領域高水平專家對30項成果進行投票，評選出10項重大科學研究成果，經國家自然科學基金委員會咨詢委員會審議，最終確定了入選2023年度“中國科學十大進展”的成果名單。
2023年度中國科學十大進展簡介
1 人工智能大模型為精準天氣預報帶來新突破
天氣預報是國際科學前沿問題，具有重大的社會價值?，F有數值天氣預報范式源于20世紀50年代，即通過超算平臺的大規模計算來求解大氣運動偏微分方程組，實現對未來天氣的預報。近些年使用該傳統方法提升預報水平面臨越來越大的挑戰。華為云計算技術有限公司田奇、畢愷峰、謝凌曦等基于人工智能技術，提出了一種適配地球坐標系統的三維神經網絡，能夠有效處理天氣數據中的復雜過程，并通過層次化時域聚合策略來有效減少迭代誤差，成功實現了精準的中期天氣預報。在1979-2017年全球天氣再分析數據上訓練后，構建了盤古氣象大模型。該模型能夠預報7天內的地表層和13個高空層的溫度、氣壓、濕度、風速等氣象要素，并將全球最先進的歐洲中長期天氣預報中心（ECMWF）集成預報系統的預報時效提高了0.6天左右，在熱帶氣旋的路徑預報誤差相較于ECMWF預報系統降低了25%。該模型僅需10秒即可完成全球7天重要氣象要素的預報，計算速度較數值方法提升1萬倍以上。該研究展示了人工智能和大數據在解決天氣預報問題上的突破。
2 揭示人類基因組暗物質驅動衰老的機制
人類基因組是生命活動的“密碼本”，它控制器官再生和機體穩態，亦影響器官退行及衰老相關疾病的發生。在該密碼本中，素有“暗物質”之稱的非編碼序列約占98%，其中約8%為內源性逆轉錄病毒元件，為數百萬年前古病毒整合到人類基因組中的遺跡。古病毒序列在衰老過程中的作用及其機制是尚未開拓的科學疆域。中國科學院動物研究所劉光慧、曲靜和中國科學院北京基因組研究所張維綺等利用多學科交叉手段，揭示人類基因組中沉睡的古病毒“化石”在細胞衰老過程中，可因表觀遺傳失穩等因素被再度喚醒、進而包裝形成病毒樣顆粒并驅動細胞和器官衰老的重要現象。并據此提出古病毒復活介導衰老程序性及傳染性的理論以及阻斷古病毒復活或擴散以實現延緩衰老的多維干預策略。通過對人類基因組中蛋白編碼區域的“逆老”基因進行系統排查，發現可重啟人類干細胞、運動神經元和心肌細胞活力，逆轉關節軟骨、脊髓及心臟衰老的新型分子靶標，并構建一系列針對器官退行的創新干預體系。以上發現為衰老生物學和老年醫學研究建立了新的理論框架，為衰老及老年慢病的科學干預和積極應對人口老齡化奠定了有益的基礎。
3 發現大腦“有形”生物鐘的存在及其節律調控機制
晝夜節律紊亂與睡眠障礙、精神抑郁相關，嚴重時可導致腫瘤、糖尿病等重大疾病的發生和發展。由于缺乏對生物節律調節機制的認識，當前國際上尚未研發出針對節律紊亂性疾病的有效治療藥物。軍事科學院軍事醫學研究院生物醫學分析中心李慧艷、張學敏等發現大腦視交叉上核（SCN）神經元的初級纖毛，這一細胞“天線”樣結構，每24小時伸縮一次，猶如生物鐘的指針，初級纖毛可能通過調控SCN區神經元的“同頻共振”調節節律，其機制與Shh信號通路密切相關。因此，SCN神經元的初級纖毛可能作為機體中的“中央生物鐘”的結構基礎，參與生物鐘內穩態的維持，而靶向SCN初級纖毛的Shh信號通路可能是治療與晝夜節律紊亂相關的人類疾病的潛在治療策略。該“有形”生物鐘的發現，對于理解生物鐘的構造以及分子層面與細胞層面生物鐘的聯系具有重要意義。
4 農作物耐鹽堿機制解析及應用
土壤鹽堿化又稱土壤鹽漬化，是指土壤中積聚鹽分形成鹽堿土的過程。我國有近15億畝鹽堿地，其中高pH的蘇打鹽堿地約占60%。據估計，約5億畝鹽堿地具有開發利用潛能。長期以來，我們對植物耐鹽堿性的機制認識尚有不足，阻礙了耐鹽堿作物的培育和鹽堿地的開發利用。中國科學院遺傳與發育生物學研究所謝旗、中國農業大學于菲菲、華中農業大學歐陽亦聃等研究團隊合作利用起源于非洲薩赫勒高鹽堿地的高粱自然群體材料定位克隆到一個與耐堿性顯著相關的主效基因AT1，并揭示了AT1在堿脅迫條件下調控水通道蛋白磷酸化水平來促進植物細胞中H2O2的外排從而賦予植物高耐鹽堿性的機制。在鹽堿地進行大田實驗發現，基于耐鹽堿等位基因AT1改良的作物耐鹽堿能力顯著提高，其中水稻、高粱和谷子等糧食作物均有效增產20%——30%。該研究為綜合利用鹽堿地和保障糧食安全提供了新思路。
5 新方法實現單堿基到超大片段DNA精準操縱
基因組編輯在生物學和醫學領域具有廣闊的應用前景。然而，基因組編輯在編輯精度、DNA操控尺度和靈活性等方面仍有較大的限制。中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊聯合北京齊禾生科生物科技有限公司趙天萌團隊利用人工智能輔助的大規模蛋白結構預測方法對基因組編輯新酶進行發掘。他們建立了基于三級結構的全新蛋白聚類分析方法，鑒定出多個全新脫氨酶家族成員，并開發了一系列適用于多樣化應用場景的新型堿基編輯工具，解決了利用單個AAV進行遞送和大豆高效堿基編輯的難題。為突破植物大尺度DNA精準操縱的瓶頸，他們整合優化引導編輯系統與位點特異性重組酶，開發了植物大片段DNA精準定點插入技術PrimeRoot，可實現對10 Kb以上大片段DNA的高效定點整合。此外，他們通過對基因上游開放閱讀框的從頭設計與理性改造，開發了精細下調靶蛋白表達的全新技術體系，并創制了產量相關性狀呈梯度變化的系列水稻新種質，為作物性狀精細改良提供了新方法。以上研究通過開展基因組編輯元件挖掘方法和技術體系創新，實現了對基因組的精準操縱，為作物改良和基因治療提供了重要支撐。
6 揭示人類細胞DNA復制起始新機制
DNA復制起始的精準調控是維持人類基因組穩定、抑制遺傳疾病和癌癥發生的關鍵生命過程之一。6個MCM基因編碼的MCM2-7蛋白的雙六聚體（DH）在成千上萬個復制原點的組裝是解開雙鏈DNA和啟動復制的必經過程。但是MCM-DH在染色體上具體的組裝和作用機制尚不清楚。香港大學翟元梁、香港科技大學黨尚宇、戴碧瓘等解析了人類MCM-DH復合物（hMCM-DH）的2.59-Å高分辨率冷凍電鏡結構。在該結構中，hMCM-DH可直接降低DNA雙鏈的穩定性，將位于兩個六聚體結合處的DNA雙鏈解開，并拉伸產生初始的開口結構（IOS）。IOS在基因組中成簇且廣泛地分布于無轉錄活性的基因間區，并與偶發的DNA復制起始區域高度重合。干擾IOS會抑制hMCM-DH的形成，進而抑制相應DNA復制的啟動。該研究不僅揭示了人類MCM-DH組裝及初始DNA解旋以促進復制起始的新機制，也為開發以DNA復制為靶標的抗癌藥物提供了重要基礎。
7 “拉索”發現史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子
伽馬射線暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現象，萬億電子伏特（TeV）以上輻射觀測對揭示其爆炸過程、輻射機制和探索新物理前沿都具有重要意義。2022年10月9日史上最亮的伽馬射線暴GRB 221009A爆發信號飛越24億光年的時空抵達地球。由中國科學院高能物理研究所曹臻領導的高海拔宇宙線觀測站（簡稱“拉索”，英文LHAASO）國際合作組憑借拉索前所未有的高靈敏度和大視場優勢，在國際上首次完整記錄了伽馬射線暴萬億電子伏特以上高能光子爆發的全過程，包括高能光子亮度在早期的快速增強過程，以及后期亮度突然快速減弱，由此確定此伽馬射線暴的極端相對論噴流具有迄今已知最小的張角，揭開了此伽馬射線暴成為史上最亮的秘密。拉索還精確測量了該伽馬射線暴亮度隨光子能量的變化，發現其亮度隨能量變化的規律保持穩定，觀測能譜延伸至十萬億電子伏特以上，超出了理論預期，挑戰了伽馬射線暴余輝輻射的標準模型。
8 玻色編碼糾錯延長量子比特壽命
目前超導量子比特的錯誤率離實用化還相差十多個數量級，需要進行量子糾錯以構建錯誤率更低的邏輯量子線路。量子糾錯旨在充分利用無限維希爾伯特空間的冗余度來保護邏輯量子比特免受噪聲的干擾。通過對錯誤的實時探測和糾正，邏輯量子比特的相干壽命將得以延長。然而，傳統的量子糾錯過程通常會不可避免地引入新的錯誤，使得量子糾錯面臨“越糾越錯”的尷尬局面。如何使編碼保護的邏輯量子比特的壽命超過體系中最佳物理量子比特，超越盈虧平衡點，是衡量量子糾錯是否有效的關鍵判據。南方科技大學俞大鵬、徐源，福州大學鄭仕標，清華大學孫麓巖等展示了一種基于超導電路量子電動力學架構的量子糾錯方法，其核心技術是將邏輯量子比特二項式編碼在一個與輔助超導比特色散耦合的微波諧振腔的離散光子數態中，其編碼子空間與錯誤子空間嚴格正交。通過在輔助比特上施加截斷頻率梳脈沖，可高保真度地重復讀取錯誤癥狀，并通過實時反饋控制反復糾正錯誤，從而有效延長邏輯量子比特的相干壽命，并超越盈虧平衡點達16%，實現了量子糾錯正增益。該研究展示了量子糾錯的優越性，表明了硬件高效的離散變量編碼在容錯量子計算中的潛力。
9 揭示光感受調節血糖代謝機制
光是生命最重要的外部環境因素之一，可調節一系列重要生理與病理過程。公共衛生研究表明，人造光是代謝紊亂的高危因素，例如夜間光污染會顯著增加糖尿病等代謝性疾病風險。然而，光對血糖代謝調節的生物學機制不明。中國科學技術大學薛天等揭示了光調控生物（小鼠和人）血糖代謝的神經機制。在動物模型上發現光信號被眼內的視網膜固有光敏神經節細胞（ipRGCs）接收后，通過下丘腦視上核AVP神經元、腦干孤束核GABA抑制性神經元，經交感神經最終到達棕色脂肪組織。光通過這一多級神經環路抑制棕色脂肪的交感神經活動，降低脂肪組織消耗血糖引起的產熱，導致機體血糖代謝能力下降。更為重要的是發現在人體上同樣存在類似的光感受調節血糖代謝的機制，藍光污染顯著降低人體消耗血糖的能力。該研究發現全新的“眼-腦-外周脂肪軸”介導光對血糖代謝產熱的調節機制，為防治光污染導致的糖代謝紊亂相關疾病提供了理論依據與潛在的干預靶點。
10 發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制
鋰硫電池具有極高的能量密度（理論值：2600 Wh kg-1）和較低的成本，然而受限于傳統原位表征工具的時空分辨率及鋰硫體系的不穩定性和環境敏感性等因素，在原子/納米尺度上對鋰硫電池界面反應的理解尚不深入。廈門大學廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學陳建峰等開發高時空分辨電化學原位液相透射電鏡技術，耦合真實電解液環境和外加電場，實現對鋰硫電池界面反應原子尺度動態實時觀測和研究。發現電池活性材料表面分子聚集成為分子團進行反應，電荷轉移可以首先存儲在聚集分子團中，分子團得到電子但不會發生轉化，直到獲得足夠電子后瞬時結晶轉化。而沒有活性的材料表面遵循經典的單分子反應途徑，多硫化鋰分子逐步轉化為Li2S。模擬計算表明，活性中心與多硫化鋰之間的靜電作用促進了Li+和多硫分子的聚集，證實分子聚集體中的電荷可以自由轉移。近百年來，電化學界面反應通常被認為僅存在“內球反應”和“外球反應”單分子途徑。該研究揭示了電化學界面反應存在第三種“電荷存儲聚集反應”機制，加深了對多硫化物演變及其對電池表界面反應動力學影響的認識，為下一代鋰硫電池設計提供指導。