来自卫星的全年海冰厚度记录

 

《自然》封面：2018年8月期间融化的北极海冰，由阿尔弗雷德·魏格纳研究所的机载海冰测量系统“冰鸟”拍摄。《自然》杂志第7927期封面文章报道了北极海冰厚度的全年估算数据。气候变化正在使北极海冰以千年未见的速度减少，但在每年的5月至9月，在这一关键融冰期测绘海冰厚度一直没有现成的方法。研究团队利用深度学习及对欧洲空间局的卫星观测数据的数值模拟，生成了他们的融冰期数据集，并用“冰鸟”的机载测量数据进行验证。研究团队希望这份全年海冰厚度记录将增进大家对北极气候反馈的理解。

 

多个自主机器人实现空中增材建造

 

《自然》封面：一个正在干活的空中机器人。《自然》杂志第7928期封面文章报道了一种高度机动、能执行增材3D建造任务的空中机器人。地面机器人有望用于建筑行业，但是它们容易受到操作高度上的限制。研究团队以自然建筑师胡蜂和蜜蜂等为灵感，开发了一款新型无人机。这一无人机能进行自主团队协作，用基于泡沫或水泥的材料执行三维打印任务。此外，团队还开发了其他型号的无人机，可以用于评估一些已经建造结构的质量。研究团队希望这种“空中增材制造”方法能够在难以抵达的区域用于工程建设等。

 

志留纪鱼类化石揭示有颌脊椎动物起源

 

《自然》封面：几个新发现的志留纪古代鱼类物种的艺术重构图，从上至下分别是蠕纹沈氏棘鱼、新塑梵净山鱼、双列黔齿鱼、灵动土家鱼和奇迹秀山鱼。《自然》杂志第7929期封面文章报道了这些化石群的遗存。上述鱼类的化石残骸来自中国南部两个距今4.36亿至4.39亿年、保存完好的化石群，这些保存异常完好的化石让研究团队得以阐释有颌动物如何演化和分化的难题。化石中包括有颌脊椎动物的已知最古老牙齿，来自一种此前未知的鲨鱼近亲“黔齿鱼”。这些研究结果共同绘制出一幅志留纪早期有颌动物多样性的新图景。

 

强化学习发现更快的矩阵乘法算法

 

《自然》封面：深度学习正在解一个矩阵乘法张量（三维数组）的艺术想象图。《自然》杂志第7930期封面文章报道了如何通过机器学习发现更快的算法。高效的矩阵乘法算法能加速许多计算，比如神经网络和科学计算程序。研究者们在一个游戏中训练得到一个系统，其中包括找出最快路径“分解”一个矩阵乘法张量，从而找出矩阵乘法算法。经过训练，这一系统能够重新发现此前已知的算法及新的算法，有些新算法甚至改进了已经停滞不前50余年的算法。研究结果突出了在一系列问题上加速算法发现过程的能力，并可针对不同的标准进行优化。

 

孟加拉水机助力淡水定量收集

 

《科学》封面：孟加拉国锡尔赫特的一处稻田。《科学》杂志第6612期封面文章报道了“孟加拉水机”研究进展。灌溉农业的可持续性对于全球粮食安全十分重要。亚洲热带地区季节性潮湿的冲积平原的地下水抽取量不断增加，这使得旱季水稻种植成为可能。这种地下水泵增加了地下可用储水量，在有利条件下，随后的季风期可补充地下水。对这种基于自然的季节性淡水储存捕获解决方案进行实证量化，被称为“孟加拉水机”。1988年至2018年，孟加拉国孟加拉盆地约1600万小农集体作业累计的淡水捕获量（75至90立方千米），相当于三峡大坝水库容量的两倍。

 

白蚁对温度的敏感性影响着全球木材的腐烂率

 

《科学》封面：白蚁。《科学》杂志第6613期封面文章报道了气候变化通过昼夜节律加速了白蚁取食腐坏木材。枯木是一个巨大的全球碳库，其储量大小部分由生物衰变决定。白蚁是热带地区重要的分解者，但对其研究较少。联合研究团队使用来自全球六大洲133个地点的数据，发现白蚁木材的发现和消费对温度高度敏感（温度每升高10摄氏度，其腐烂量增加6.8倍），甚至比微生物更敏感。在热带季节性森林、热带稀树草原和亚热带沙漠中，白蚁取食危害的影响最大。

 

火星-陨石坑底部发现橄榄石堆积物

 

《科学》封面：“毅力”号火星车在火星上收集岩石样本。《科学》杂志第6614期封面文章报道了“毅力”号火星车的采样研究进展。“毅力”号火星车于2021年2月在火星的杰泽罗陨石坑着陆。科学家发现这些岩石是火成岩，后来通过与液态水的反应而改变。他们还描述了钻探样本的收集情况，以便通过另一个航天器返回地球。基于X射线荧光测量分析得到成分数据，研究人员发现了一些火星陨石的相似之处，即火成岩是由沉入厚岩浆层的晶体形成的。总之，这些研究帮助人类进一步了解了杰泽罗陨石坑的历史，并为钻孔样本的分析提供地质背景。

 

溶酶体酶转运因子研究进展

 

《科学》封面：高尔基体的艺术想象图。《科学》杂志第6615期封面文章报道了与病毒感染和遗传性代谢疾病相关的关键蛋白研究。溶酶体是细胞中至关重要的降解区室，它含有大量的酶，用于“消化”非细胞材料及自身的细胞材料。在一篇文章中，研究者为了寻找RNA病毒复制所必需的宿主因子，在体外培养的人类细胞中进行全基因组敲除筛选，以探究哪些细胞在感染某些病毒后能够存活下来。在另一篇文章中，科学家发现溶酶体酶转运因子在高尔基体中与一种磷酸转移酶结合在一起，后者通过甘露糖-6-磷酸修饰将分解酶靶向到溶酶体中。

 

镍基超导研究进展

 

电子科技大学物理学院乔梁教授团队发现无限层镍氧化物超导体（镍基超导）超导电性的关键性元素（氢）和奇异电子态（间隙位s轨道），为镍基超导领域的发展开辟了崭新的思路。相关成果发表于《自然》。在当前基于铜氧化物的高温超导（铜基超导）研究陷入瓶颈的情况下，对类铜结构的无限层镍氧化物超导电性的深入研究，对于揭示高温超导的本征物理机制和新一代超导技术的发展具有重要推动作用。此次研究发现，氢元素就像一只“看不见的手”，在无限层结构镍基氧化外延单晶薄膜的制备过程中悄悄地起到改变费米面电子结构的作用，并在镍基材料超导电性的产生过程中扮演着关键性的角色。

 

硼幻数团簇的合成和有序组装研究

 

中国科学院物理研究所陈岚、吴克辉与合作者实现了尺寸均一的硼幻数团簇的可控制备和有序阵列分布。相关成果发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。硼是元素周期表上第五号元素，相比于碳，硼原子最外层缺少一个电子，因而硼与硼之间能形成复杂的多中心多电子的化学键，使得低维硼单质成为结构最丰富的材料之一。前期只有少数理论工作研究了硼在表面上从小团簇到二维结构的演变，但对于硼团簇在表面上的形成、扩展乃至生成二维硼烯的过程仍然缺乏相应的实验研究。这项研究首次实现了非气相条件下硼团簇周期构筑，并对硼团簇的分布、生长、化学性质，以及双层硼烯的形成有了更加全面的认识。

 

低脉冲磁场条件下相控高功率微波的高效率相干合成

 

国防科技大学前沿交叉学科学院高功率微波技术研究团队实现了脉冲磁场导引两路X波段三轴速调管放大器产生相位调控高功率微波的相干合成。相关成果发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。研究团队实验表明，通过数字化移相操控速调管放大器中强流相对论电子束的受激辐射过程，能够实现对X波段GW级高功率微波的相位调控精度小于4度，所产生的高功率微波具有良好的时间和空间相干性，两路高功率微波的相干合成效率高达98.4%。研究成果对高功率微波相控阵、高功率相参雷达、高功率微波与等离子体相互作用等相关领域的发展具有重要意义。

 

新型锂电池研究进展

 

云南大学材料与能源学院郭洪教授团队在新型高能动力锂电池研发中取得新进展。相关成果发表于《美国化学会能源通讯》（ACS Energy Letters）。高镍三元正极材料由于具有较高的能量密度优势而受到学术界和产业界的广泛关注；然而，体相晶格及表界面结构差的稳定性严重阻碍了其产业化应用的进程。研究团队通过共沉淀法和溶胶凝胶策略制备出了表面包覆磷酸锂锂离子导体同时体相掺杂钛元素的新型高镍三元正极材料。表界面及体相调控协同作用可提升这一新型高镍正极材料的循环稳定性及倍率性能。文章进一步分析揭示了磷酸锂包覆层和钛元素在结构中的关键作用，并为正极材料结构稳定机制提供基本的理解。

 

我国西藏北羌塘地块发现中泥盆世生物礁

 

中国科学院南京地质古生物研究所梁昆、陈炜、盛青怡、张以春等人在第二次青藏高原综合科学考察过程中，深入西藏羌塘拉竹龙-邦达错一带开展地质学综合研究，在兽形湖附近发现典型的丘状生物点礁，通过对其最为显著的3个点礁的样方采集，并将制得的1085张薄片开展详细分析与统计，恢复了这一地区生物礁的结构与多样性组分。相关成果发表于《远古世界》（Palaeoworld）。西藏北羌塘地块位于藏北高原腹地，夹于龙木错-双湖缝合带与西金乌兰-金沙江缝合带之间。根据床板珊瑚和层孔虫的组合特点，这个点礁时代为中泥盆世吉维特期。因此，拉竹龙-邦达错地区的泥盆纪地层可至少追溯至中泥盆世。

 

目前尚未发现明确的寒武纪时期的苔藓动物化石

 

贵州大学资源与环境工程学院古生物研究中心兰天副教授与云南大学张喜光教授、杨杰研究员等人合作，揭示先前被认为是寒武纪苔藓虫的化石其实为早期石莼目的藻类。相关成果发表于《自然》。现代生物圈主要门级生物类群是否在寒武纪大爆发时期都已出现是学界长期感兴趣的议题，很多生物门类缺乏硬体结构，难以保存为化石，但形如苔藓虫这类具有外骨骼的生物门类有着很高的化石保存潜力。在寒武纪找寻苔藓虫化石，为验证门级生物类群早期分化假说提供实例是古生物学家的夙愿。研究表明，产自陕南与澳大利亚的“潜在干群苔藓虫”应是早期石莼目绿藻。因此，寻找确凿的寒武纪苔藓动物化石还有待发现新的化石证据。

 

新生代气候变化背景下亚热带常绿阔叶林的动态演化历史

 

中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员、马朋飞研究员等以山苍子基因组为参考，筛选高质量的全基因组单核苷酸变异位点，依据叶绿体全基因组进行了系统发育构建、多样化速率分析、常绿与落叶祖先性状重建、环境因子模拟，同时结合其他亚热带常绿阔叶林特征类群的研究结果进行分析。相关成果发表于《分子生态学》（Molecular Ecology）。新生代以来，随着青藏高原的进一步隆升、东亚季风的形成和加强，我国亚热带地区的森林植被也发生了深刻变化。综合现有的亚热带常绿阔叶林特征类群的研究表明，东亚常绿阔叶林的原型可能起源于早始新世，而随着东亚季风在早中新世的加强，最终形成了“现代化”的亚热带常绿阔叶林。

 

甘肃临夏盆地食肉目生物地层序列和古生态探讨

 

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所邓涛研究员、王世骐研究员团队系统研究了东亚代表性的中国西北临夏盆地晚新生代的食肉目化石。相关成果发表于《古地理学、古气候学、古生态学》（Palaeogeography, Palaeoclimatology，Palaeoecology）。研究证明，这一地区具有极其丰富而多样化的食肉目化石发现，不仅是研究食肉目本身演化的重要材料，还是划分对比地层的关键标志。根据临夏盆地食肉目生态类型的统计，临夏盆地大部分动物群总体来说都偏开阔，其中早更新世的龙担动物群相对最开阔。食肉目科一级别冠群的比例在晚中新世明显增加，到晚中新世晚期，大部分食肉目类群已经是科级冠群的成员了。

 

岩土工程韧性防控理论与关键技术研究

 

中国矿业大学资源与地球科学学院周昌等人在复杂地质体韧性防控理论与关键技术方面取得新进展。系列成果发表于《工程地质》（Engineering Geology）等。提升岩土工程抵御自然灾害或人为因素引发严重灾害并最大限度保持其功能，以及灾后尽快恢复其功能的韧性性能，是岩土工程未来支撑城镇、流域、海洋可持续发展的基石。研究团队开发了多种韧性锚固结构（伞型锚杆、抗剪切大变形韧性锚杆等），系统研究了韧性锚固结构锚固机理，建立了其力学模型；提出了注浆裂隙岩体韧性评价方法，进而揭示了层状岩体-韧性锚固结构体系协同演化规律。研究成果在滑坡防治工程、巷道加固、突水溃砂等领域中开展了初步应用研究。

 

夏威夷新生地幔柱头与地幔柱尾相互作用过程论证

 

中国科学院海洋研究所孙卫东团队与美国伊利诺伊大学香槟分校刘丽军教授团队合作，通过地球化学和地球动力学模拟，论证了古老的夏威夷地幔柱尾在800万年前开始受到新生地幔柱头影响。相关成果发表于《创新》（The Innovation）。夏威夷-帝王海山链是固体地球科学的经典研究对象。越来越多的研究发现，作为地幔柱假说发源地的夏威夷-帝王岛链并不符合地幔柱假说。模拟显示，开始时地幔柱头比较弱，受地幔柱尾的吸引向地幔柱尾靠拢。随着新生的地幔柱头不断发展，其喷发量逐渐起到主导作用，吸引地幔柱尾向东南移动近280千米，形成夏威夷地幔柱拐弯；同时，夏威夷岛链的喷发速率大幅度升高，形成巨大的夏威夷岛。

 

烃源岩幕式排烃研究

 

中国石油大学（华东）地球科学与技术学院陈勇教授团队开展了富有机质页岩中纤维状方解石脉体异步生长情况研究。相关成果发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。页岩油气是指以吸附或游离态赋存于烃源岩内的自源性烃类聚集，是一种重要的战略性接替资源，已经成为当前全球关注的热点，一直是石油地质学研究的核心问题。文章以渤海湾盆地东营凹陷富有机质纹层状烃源岩中背生式顺层纤维状方解石脉体为研究对象，明确了这类脉体的形成经历了与流体超压压裂过程相关的两个独立的裂缝开启－愈合阶段，证明了不对称生长的脉体是对烃源岩幕式排烃过程的直接记录，并基于此构建了幕式排烃模式。

 

矿物促进的有机碳埋藏导致了大气的氧化

 

中国科学院地质与地球物理研究所赵明宇副研究员与英国学者合作，开发了一个新的包含碳、氧、磷、硫、铁等循环的全球生物地球化学模型。相关成果发表于《自然·地球科学》（Nature Geoscience）。多年来，科学家们一直知道矿物颗粒可以与死亡藻类和植物等有机物结合，使它们不易受到微生物的攻击，并保护它们不受腐烂过程的影响。然而，铁氧化物促进的有机碳埋藏对大气氧演化的影响目前还缺乏理论模型和数据支持。文章统计了页岩中铁氧化物含量在地质历史时期演化的数据，进一步证明了铁氧化物促进的有机碳埋藏在大气氧演化过程中的作用，并对地球大气层是如何变富氧的提供了新的认知和理解。

 

基于片上衍射光学的光子机器学习

 

清华大学电子系陈宏伟教授课题组提出了一种基于亚波长结构的集成衍射光子神经网络。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。研究克服了空间衍射光子神经网络的体积限制，不仅提高了计算单元的集成度，同时减少了由于庞大的体光学元件和系统校准而产生的误差。对于其他集成光子神经网络而言，这种光计算芯片摆脱了波导数目的制约，更容易实现计算单元的片上大规模拓展，从而解决了集成光子神经网络的高计算容量问题。研究完成了集成衍射光子神经网络芯片的理论探索、仿真验证、结构设计、版图绘制、芯片加工、封装及系统误差补偿等全过程验证，有望使得这个光计算系统具有更强的处理能力。

 

评估全球水库浮式光伏发电和节水潜力

 

南方科技大学环境科学与工程学院副教授曾振中团队基于多个水库数据库和气候驱动的光伏性能模拟模型，估计了在全球11万个水库上铺设30%面积的浮式光伏系统的潜在发电量为每年9.43万亿度，超过目前水力发电的两倍。相关成果发表于《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）。将光伏系统安装在现有水库上的关键优势在于它们可以节约土地资源，而且大多数水库靠近现有电网，可以节约输电成本。研究发现，水库在光伏板的覆盖下每年能够减少106立方千米的水分蒸发损失，这相当于3亿人的年用水量。通过合理的开发，水库浮式光伏可以用于提升能源和水安全，促进达成可持续发展目标。

 

基于衍射神经网络的、全光学的波前校正系统

 

中国科学院南京天文光学技术研究所崔向群院士团队提出了基于衍射神经网络的、全光学的波前校正系统“衍射自适应光学系统”，或能实现对波前误差在某区间内的畸变波前的光速校正。相关成果发表于《光学快报》（Optics Express）。这一系统仅由多层顺序排列的衍射板组成，被放置于像面之前，通过所有衍射单元的协作来完成对汇聚光束的波前校正。不同厚度的衍射单元为其透射光引入不同的相位调制，而所有衍射单元的厚度均是事先在电脑上针对大量的、波前误差在某区间内呈正态分布的畸变波前，采用深度学习的方法训练得到。训练结束后，可采用3D打印、激光直写或者半导体刻蚀等工艺将衍射板制作并组装成型。

 

神经网络求解随机反应网络

 

北京师范大学自然科学高等研究院复杂系统国际科学中心联合中国科学院理论物理所的合作者，提出了一种使用变分自回归网络来求解化学主方程的机器学习普适方法。相关成果发表于《自然·机器智能》（Nature Machine Intelligence）。随机反应网络描述了化学物质通过一系列反应的变化，被广泛用于模拟物理、化学和生物等复杂系统中的随机过程。随机反应网络通常通过化学主方程进行建模，它描述了表示物种分子数随时间演化的联合概率分布。然而，系统可能的状态数量随着物种的种类数呈指数增长。研究成果应用统计物理学的思想和方法，结合人工智能中的强化学习策略，为探索这类复杂系统的演化问题提供了新途径。

（本栏目责编：黄雪霜）