通过自适应形态发生实现多环境机器人变形

 

《自然》封面：“两栖龟机器人”。《自然》杂志第7931期封面报道了一种能在陆地和水体之间移动的多环境机器人。不同地形对机器人的移动性构成了极大挑战，尤其是当机器人需要在不同环境之间移动时。科学家以现实生命世界为灵感，开发了一种能在陆地和水体之间移动的多环境机器人。这款机器人能在陆地地形上采用陆龟构型，在水体环境中采用海龟构型，能够根据不同环境改变其四肢形态和步态。在面对非结构化、不断变化的环境时，其“自适应形态发生”设计策略是提高效率的一种有效方法。

 

种族主义

 

《自然》封面：种族主义。《自然》杂志第7932期特刊探讨了种族主义在科学中的一些表现方式，以及这种意识形态对个人及其社区产生的直接和恶劣影响。种族主义是最严重的暴行之一，给科学蒙上了巨大的阴影。科学是一种共同的体验，有色人种和其他历史上曾被边缘化的群体被排除在科学事业之外，研究则被用来支持歧视性思维，研究成果也忽视他们，并进一步使边缘化的人处于不利地位。通过强调这些问题，《自然》旨在帮助建立一个更加包容的科学社会，让各种肤色的人都能在其中茁壮成长。

 

具有扩大代谢潜力的巨大遗传元件博格

 

《自然》封面：博格（Borg）的艺术再现图。《自然》杂志第7933期封面文章报道了一种新型染色体外元件。许多微生物在染色体外都有DNA编码的额外遗传信息。这些染色体外元件通常具有相对较小的质粒形式。但是，科学家在对地下水、沉积物和湿地土壤的分析中发现，一种甲烷氧化古菌物种中存在特别大的线性染色体外元件。研究团队为这些元件取名博格（电影《星际迷航》中的外星种族），因为它们中融入了来自其他生物和它们环境中的遗传物质。研究团队鉴定出至少19种博格，并推断它们或能帮助宿主消化甲烷。

 

外温动物热衰竭率随全球变暖剧增

 

《自然》封面：生活在哥斯达黎加的一只树蛙。《自然》杂志第7934期封面文章报道了气候变化对一些生物的潜在影响。外温动物如两栖类、昆虫和鱼的生物过程直接受温度影响，这意味着微小的升温也会导致严重的问题。科学家发现，在被认为大致可生存的温度范围内，温度每升高1摄氏度，维持生长、内稳态和老化的生物过程速率会上升7%。但在被认为具有潜在危险性的温度范围内，温度每升高1摄氏度，会致死的热衰竭发生率就会增加超过100%。研究预计，外温动物这种对极端高温的敏感性会随热浪频率和强度的增加导致更高的死亡率。

（本页期刊封面图来自《自然》官网）

 

新冠病毒如何对抗我们的免疫系统

《科学》封面：免疫破坏者。《科学》杂志第6616期封面文章报道了新冠病毒“SARS-CoV-2”如何对抗我们的免疫系统。许多病原体，包括引起流感、埃博拉和丙型肝炎的病毒，都以干扰素反应为目标。像许多病毒一样，SARS-CoV-2部署了一个分子武器库来中和宿主的免疫反应。SARS-CoV-2不仅能阻断干扰素反应，还可能阻碍其他免疫防御系统。到目前为止，科学家们没有全面了解SARS-CoV-2躲避人体防御的策略，没有发明出专门用于挫败SARS-CoV-2抗免疫作用的药物。但随着大流行的持续，他们将有很多机会加紧研究攻关。

 

蝴蝶翅膀的图案是怎样形成的

《科学》封面：蝴蝶翅膀彩色鳞片上的马赛克图案。《科学》杂志第6617期封面文章报道了蝴蝶翅膀图案的深度顺式调控同源性研究进展。蝴蝶的翅膀图案有一个基本的规划，由非编码调节DNA操纵来调控不同物种翅膀的多样性。新观点指出，蝴蝶基因组中已经编码了一种古老的颜色模式，非编码调节DNA像开关一样工作，形成打开/关闭模式。这项研究对学界理解复杂性状的基因控制是一个研究突破，不仅表明了蝴蝶颜色模式的指令在进化史上是高度保守的，而且还揭示出调控DNA片段如何积极和消极地影响颜色和形状等特征的新证据。

 

哺乳动物在新生代的衰减进化

《科学》封面：“希望”是一只年轻的雌性蓝鲸，于1891年在爱尔兰搁浅，它的骨架悬挂在伦敦自然历史博物馆的天花板上。照片中的博物馆在新冠疫情大流行期间关闭。《科学》杂志第6618期封面文章报道了哺乳动物的头骨形状在其历史早期迅速地实现多样化。哺乳动物，从巨大的鲸鱼到微小的大黄蜂蝙蝠，在脊椎动物类别中具有最大限度的形态变异。某些生活方式，如水生栖息地或食草性，导致了更快的变化，而在一些物种（如啮齿动物）中，形态变化似乎与分类多样化脱钩。蓝鲸“希望”的头骨在这项关于哺乳动物的新研究中再次被提及。

 

没有一个神经元是孤岛

《科学》封面：大脑中部的图像。《科学》杂志第6619期封面文章报道了正常大脑连接的复杂性。大脑远不止它的组成细胞那么简单，大脑如果没有顺畅的连接，就只是一堆神经元。大脑中的每个神经元都与成千上万的其他神经元相连，协同行动，来协调无数的身体功能、行为和思想。大脑成像技术揭示了解剖投影和功能连接模式，使研究人员能够实时看到它们的激活情况。比如，小鼠和大鼠的首个数字大脑图谱为细胞的连通性提供了惊人的见解。随着研究人员对正常大脑连接的复杂性的了解，可以更多地了解当它们被破坏时，会发生什么问题。

 

全球近海浮游植物藻华呈现增加趋势

南方科技大学环境科学与工程学院冯炼团队揭示2003—2020年全球海岸带藻华的整体增加趋势，量化了藻华发生频率与海表温度、海洋中尺度环流，以及农业化肥施用、水产养殖等人类活动之间的潜在关系。相关成果发表于《自然》。海洋温度和环流的变化会改变海洋分层状态与营养物质的运输，进而影响浮游植物的生长和藻华的形成。分析显示，海洋表面温度梯度与藻华频率呈现更为显著的正相关，全球极端气候也对全球沿海藻华有一定影响，人类活动导致的营养盐变化也可能是海岸带藻华趋势的影响因素。然而，自然与人为因素对藻华趋势的进一步归因与机制分析需要对复杂的陆地/海洋营养传输过程进行评估。

 

热带西太平洋与印尼海季节内水交换方式及变异机制

中国科学院海洋研究所联合萨姆·拉图兰吉大学等机构的国内外科学家，揭示热带西太平洋与印尼海季节内水交换的方式及其变异机制。相关成果发表于《地球物理研究杂志：海洋》（Journal of Geophysical Research: Oceans）。全球大洋环流中，印尼贯穿流作为连接太平洋和印度洋的唯一的一支热带洋流，携带大量的水体、热量和盐量，对全球温盐环流和气候变化起着重要的调节作用。马鲁古海峡作为印尼贯穿流源区的重要通道，其海洋环流和水团的基本形态和变异尚不清楚。研究表明，北太平洋热带水和次表层水、南极中层水和南太平洋热带水在马鲁古海峡有显著的季节内信号，有助于理解西太平洋与印尼海季节内水交换和温盐输运的方式。

 

全球高分辨率耦合海洋模式研究进展

自然资源部第一海洋研究所乔方利、肖斌等人突破系列关键技术瓶颈，将研究所全球高分辨率海洋模式水平分辨率由1/10°提升至1/32°，并实现了全球海浪-潮流-环流耦合。相关成果发表于《地球科学模型开发》（Geoscientific Model Development）。水平分辨率和物理过程表达的精确性是决定全球海洋模式模拟结果真实性的两个最重要的因素。研究创新国内外海浪、潮流、环流分治的传动动力学框架，首次提出海浪、潮流、环流等多运动形态耦合建模的学术思想。新的高分辨率模式能够模拟更丰富的海洋涡旋现象，显著改进模式对涡动能的模拟能力，所模拟的强流路径与形态均有较大提升，涡动能的均方根误差随之大幅降低。

 

地形和夏季锋面阻碍渤海内部的水交换

自然资源部第二海洋研究所周锋研究员团队揭示夏季渤海与北黄海之间较强的水交换难以进入渤海内部，影响渤海总体水质。相关成果发表于《深海研究第二部分：海洋学专题研究》（Deep Sea Research Part Ⅱ: Topical Studies in Oceanography）。渤海水质经过持续治理已有较大改善，但整体改善的挑战依然艰巨。研究表明，尽管夏季有大量的北黄海水进入渤海海峡，但进入渤海海峡后的大部分水体被限制在渤海中央浅滩和大连之间的老铁山水道，被Ω形状的较强的潮汐锋所包围，加上其北侧有一显著类似门槛的地形隆起所起的阻挡作用，无法继续向北深入辽东湾。此外，潮汐的混合及潮余流可能在渤黄海的平均环流中也有重要的作用。

 

神经计算与脑机交互团队的多模态神经信息编解码研究

中国科学院自动化研究所神经计算与脑机交互团队何晖光等人将大脑、视觉和语言知识相结合，通过多模态学习实现了从人类脑活动中零样本地解码视觉新类别。相关成果发表于《IEEE模式分析与机器智能汇刊》（IEEE TPAMI）。文章提出“脑-图-文”三模态联合学习框架，在使用实际呈现的视觉语义特征的同时，加入与视觉目标对象相关的更丰富的语言语义特征，以更好地解码脑信号。研究证明，从人脑活动中解码新的视觉类别是可以实现的，并且精度较高；使用视觉和语言特征的组合比仅使用其中之一的解码表现更好；在人脑语义表征过程中，视觉加工会受到语言的影响。

 

面向边缘传感器的数据转换器研究

北京大学人工智能研究院类脑智能芯片研究中心唐希源研究员课题组发布了一种最新研制并实现的增量型缩放式模数转换器芯片。相关成果发表于《2023年IEEE国际固态电路会议》（ISSCC 2023）。对于部署到真实世界的边缘端智能物联网设备，它对真实世界的声音、图像乃至生物电等信号（模拟信号）的感知和探测都需要依靠传感芯片来进行。针对缩放式模数转换器设计面临的带宽和驱动需求的挑战，论文从缩放式模数转换器的架构和电路方面进行创新，提出新的设计方法。新款芯片大幅降低模数转换所需采样操作的频次，可广泛应用于包括语音、监测等多种边缘端传感场景。

 

生物相容性超级二极管研究

兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授团队与香港理工大学柴扬教授团队合作，开发出一种基于氧化钼电极的电容式离子二极管。相关成果发表于《先进材料》（Advanced Materials）。虽然脑机接口技术得到了快速发展，但是人脑与计算机的双向沟通距离实用化水平还存在差距；要真正实现生物系统和电子设备之间的信息交互，还需设计开发具备逻辑运算功能的器件来完成信息的传输、处理和反馈，比如电容式离子二极管。然而，目前电容式离子二极管存在电极材料和电解液的局限。新构建的电容式离子二极管可以在“与门”和“或门”两类逻辑运算电路里高效稳定工作，在未来基于离子电子耦合电路的脑机接口领域具有应用潜力。

 

揭示神经调质腺苷的释放及调控机制

北京脑科学与类脑研究中心罗敏敏团队联合北京大学李毓龙团队，利用新型荧光探针研究了神经元活动引发腺苷释放的细胞及分子机制。相关成果发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。腺苷是一种重要的信号分子，在睡眠、学习记忆、心血管功能及免疫反应等过程中发挥着重要作用。异常的腺苷信号往往伴随着疼痛、癫痫、中风及神经退行性疾病。科学家对胞外腺苷的功能研究已经非常深入，然而对于腺苷释放如何被调控这一问题，始终存在争议。文章发现，在海马中神经元活动诱导的胞外腺苷升高主要是由神经元释放的，腺苷主要由突触后直接释放，而非突触前；基于在突触前膜有丰富的腺苷受体表达，表明突触后释放的腺苷是一个潜在的逆行调控分子。

 

复合超表面用于跨水空声波的完美传输和定制化调控

天津大学波动力学与控制实验室汪越胜、王艳锋等人实现了跨水-空气界面的声传输增强和任意相位调制的解耦操控。相关成果发表于《先进科学》（Advanced Science）。由于水与空气间极端的声阻抗失配，声波在水-空气界面处的能量传输效率很低，从而限制了许多如海空声学通信等跨水空的工程应用。如何实现高效的跨水空波动调控是目前工程领域中一个亟待解决的难题。文章基于拓扑优化方法，系统地建立了一种复合超表面逆向解耦设计的优化方法，通过对单相固体介质的结构优化设计实现了在跨水空完美声传输下的任意相移。研究人员随后通过跨水空声学实验，验证了复合超表面的声传输增强特性和定制化声场调控特性。

 

揭示拓扑声学中的角模式反常现象

中国科学院声学研究所杨军、贾晗与武汉大学刘正猷、华南理工大学陆久阳等合作，首次在声子晶体中构造了声学万尼尔构型，并观测到了分数化的声学谱电荷分布，从而为判断声学人工晶体的拓扑性质提供了一种内禀的判据。相关成果发表于《科学通报》（Science Bulletin）。研究人员在构建的声子晶体中测得了表现为分数化谱电荷的拓扑角模式反常，这种模式反常可以作为一种易于观测的实空间拓扑指标，对湮灭在体态中的拓扑角模式进行先验判别。通过将不同的万尼尔构型按照多种方式进行组合，在组合后的声子晶体中，平庸相和非平庸相结构均可以作为包覆层，为在带隙中构造和调控拓扑角模式提供了一种新思路。

 

光子回收白炽照明器件

上海交通大学材料科学与工程学院崔可航课题组从辐射材料、辐射光谱、光子回收利用等方面出发，设计并制造了一种高光效、高显色指数、长寿命的光子回收白炽照明器件。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。照明耗电通常占发电总量的20%，所产生的碳排放占全球碳排放总量的10%以上，照明效率的提高有助于减少电力能源消耗。论文通过光子回收机制的确立与机器学习多目标优化，实现了一种光效高达173.6流明/瓦（照明效率25.4%）、显色指数96、具有人体工学色温、使用寿命高于6万小时的高可靠性光子回收白炽照明器件，并可将照明器件的生命周期碳排放总量降至LED照明器件的1/3以下。

 

超高密度三维动态全息投影研究

中国科学技术大学光学与光学工程系龚雷课题组与国内外合作者将光散射引入三维全息投影技术中，同时克服了传统全息投影技术深度调控的两个瓶颈问题，实现了超高密度的三维动态全息投影。相关成果发表于《光学》（Optica）。真实的三维全息图涉及对重构物体深度信息的连续精密调控，全息图深度信息调控能力越强，有效投影平面密度越高，人眼观测到的重构物体图像就越逼真。新型散射辅助的三维动态全息技术利用光的多重散射，提高了光学系统可调控空间频率的范围，同时开发散斑光场传输属性降低不同深度平面光场的相关性，将基于菲涅尔全息的投影深度分辨率提高3个量级以上，抑制了不同投影平面间图像的串扰。

 

揭示绢蝶的演化历史

中山大学生命科学学院张鹏教授与华南农业大学王厚帅副教授团队通过长期系统的野外考察与馆藏标本交换，收集了大量珍贵的绢蝶属样品，覆盖了绢蝶属目前已知的75%的物种。相关成果发表于《系统昆虫学》（Systematic Entomology）。绢蝶是一种生活在高海拔山区的蝴蝶，因翅膀形状酷似半透明的薄绢而得名，这一类群中许多物种如君主绢蝶和阿波罗绢蝶都是国家二级保护动物。研究论文为绢蝶的分类学提供了大量有价值的核基因和线粒体基因组数据，为绢蝶的进化和生态学研究提供了一个可靠的系统发育框架，也为人类了解高山蝶类的起源、海拔适应和寄主植物演化及多样性形成过程提供了新视角。

 

人巨细胞病毒骨架蛋白介导衣壳组装调控过程关键机制

中国科学院上海药物研究所余学奎团队利用冷冻电镜技术解析了人巨细胞病毒两种衣壳组装过程中间产物有关高分辨率结构。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。人巨细胞病毒属于疱疹病毒科，能在人类中广泛传播，其感染可导致先天性出生缺陷，会给免疫能力低下的人群带来致命的危害。病毒衣壳的装配是感染性病毒形成的关键步骤，也是新型药物开发的重要可靶向环节。在病毒衣壳成熟过程中，与衣壳蛋白结合的骨架蛋白会适时脱离并排出衣壳，同时病毒基因组通过基因组进出通道进入衣壳形成成熟的病毒核衣壳。以上两个事件之间高度协调，是成熟衣壳产生的标志性事件。

 

揭示蜜蜂幼虫暴露噻虫啉损伤蜜蜂触角选择性和学习记忆行为

中国农业科学院蜜蜂研究所资源昆虫保护团队刘永军等人在新烟碱类农药噻虫啉对蜜蜂嗅觉选择性研究上取得新进展。相关成果发表于《生理学前沿》（Frontiers in Physiology）。噻虫啉属低毒型新烟碱类农药，由于具有亲脂性，易在蜂巢中残留，幼虫整个生活过程暴露在蜂巢内，对成年后的蜜蜂产生暴露风险。幼虫期接触噻虫啉可以破坏新出房蜜蜂的触角对嗅觉信息的编码，导致对气味的感知以及学习记忆行为受损。农用化学品（包括除草剂、杀虫剂、真菌剂、杀螨剂等）的过度使用被认为是导致蜜蜂数量下降的重要因素，并且会影响蜂产品的质量安全与品质，需要及时评估蜜蜂幼虫期慢性暴露于农用化学品的风险。

 

细胞自噬在内质网蛋白错误折叠引发的神经退行性疾病中的病理作用研究

北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院王涛实验室报道了一项关于内质网应激和视网膜炎的重要研究。相关成果发表于《细胞生物学杂志》（Journal of Cell Biology）。在神经退行性疾病中，经常可以观察到由蛋白质错误折叠引发的持续性内质网应激，包括常染色体显性色素性视网膜炎。在这一疾病中受到影响的神经元是视网膜感光细胞，编码其光受体蛋白视紫红质的基因突变是致病的主要原因。研究成果揭示了内质网自噬在常染色体显性色素性视网膜炎中的病理作用，并表明相关信号通路是内质网应激状态下维持视紫红质稳态的主要途径，增强这一信号通路活性可用于治疗内质网应激相关疾病。

（本栏目责编：黄雪霜）