自然指数是一个包含作者单位信息和机构关系的数据库，是目前体现机构科研表现的指标之一。计数依据的是某个机构或国家（地区）在82本高质量自然科学期刊上的论文产出，这些期刊都是由知名科学家组成的独立委员会从各自领域根据期刊的声誉挑选出来的。自然指数主要采用论文数（Count）和贡献份额（Share）两种科研产出计算方法，其种论文数量是指一篇文章不论有一个还是多个作者，每位作者所在的国家（地区）或机构都获得1分。贡献份额（又称分数式计量，fractional count/FC）计算的是每篇论文作者的贡献份额。一篇文章总分值为1，每位作者被认为对论文有相同的贡献，分值在所有作者中平均分配。对于隶属于多个机构的作者，其贡献份额则在各机构间平均分配。除此之外，自然指数还通过个科研机构或国家所有双边合作方的贡献份额相加得出合作分值（collaboration score），用以衡量机构或国家之间的科研合作程度。自然指数认为在评估研究质量和机构表现时必须考虑多种因素，不应该仅凭自然指数的指标来评估机构或个人的科研表现。自然指数的数据和评估方法公开透明，评估周期为每年的十月至次年的九月。

在自然指数的基础之上，《nature》增刊于2015年推出了“自然指数五强” （Nature Index Big 5），主要聚焦全球五大科研领先的国家，即美国、中国、德国、英国和日本。根据自然指数的主要衡量标准——贡献份额（Share）进行科研表现的排序。

“自然指数五强” 公布六年来，美国、中国、德国、英国和日本五个国家的科研表现一直保持全球领先，先后位次没有较大浮动，它们在自然指数中的贡献份额加起来接近全球的70%。

在五大科研强国的综合排名方面，近六年来美国的科研贡献整体维持在20000左右，虽然整体份额持续全球领先但是近两年有下降的趋势。值得注意的是，近五年中国的科研产出大量增加，经调整后的自然指数贡献份额增幅高达81%，远超其它四国。英国、德国和日本的整体贡献维持在5000以下，呈现出平稳的状态。贡献份额的先后顺序为德国>英国>日本，具体数据如图1（左）所示。

在五大科研强国的国际科研合作方面，根据自然指数合作分值（Collaboration Score），数据显示了各国的十个主要科研合作伙伴国。其中中美科研合作保持着韧性，科研合作程度依然最高。2015年至2020年，中美两国在自然指数中的合作论文数量由3412篇跃升至5213篇。但2018年以来，两国合作文章的逐年增速有所放缓。

图1 2015-2021年五大国贡献份额变化和2021领先学科分布图

2022年3月10日，最新出版的《自然》增刊公布了本年度“自然指数五强”的具体名单，数据统计时间区间为2020年10月至2021年9月。数据包括了来自美国、中国、德国、英国和日本的500所科研机构，其中美国206所，中国156所，德国53所，英国46所，日本39所。

在领先学科分布上，2021年美国在生命科学领域居于主导地位，该领域的贡献份额占全球的44.8%，中国则在化学领域居全球首位，贡献份额由2015年的21.6%增至2021年的35.8%，并在2018年就已超过美国。本年度中国还第一次在物理科学领域超过美国，在该领域的贡献份额占全球的24.0%，美国以23.8%紧随其后。整体趋势如图1（右）数据所示。

 在国际合作方面，运用各机构合作伙伴在2021年的联合文章中所占份额相加，生成合作得分(CS)来衡量各国家及机构的合作程度。2021年美国最主要的国际合作伙伴关系是哈佛大学与瑞士苏黎世大学，哈佛大学与柏林自由大学，哈佛大学与德国马普学会。中国的三大国际合作伙伴关系是：新加坡国立大学和天津大学，中国科学院和德国马普学会，中国科学院与法国国家科学研究中心。在日本，中国科学院是东京大学的第二大国际合作伙伴。随着科研工作变得日益复杂，世界科研强国需要紧密的国际联系来保持其优势。具体的合作关系网络如图2所示。