环境DNA揭示格陵兰200万年前的生态系统

 

《自然》封面：北格陵兰部分地区约200万年前曾经富饶的生态系统艺术概念图。《自然》杂志第7939期封面报道了由古DNA重建而成的生态系统。研究团队在北格陵兰的皮里地岛开展科考工作，从5个不同地质遗迹采集了有机质富集的沉积样本。通过对这些样本的DNA进行提取和测序，研究人员绘制出了200万年前动植物所生活的世界，证明了这里曾是北方疏林，有着如雪松、云杉、桦树等北极物种，还有野兔、乳齿象、驯鹿、鹅等动物曾共同存在过的迹象。这些证据证实，格陵兰这片如今已成极地荒漠的地区，过去的温度比今天的要高很多，而这里曾经的生态系统构成如今已难觅踪影。

 

蚂蚁蛹蜕皮液演化出社会功能

 

《自然》封面：毕氏粗角蚁正在照料蚁蛹和小幼虫。《自然》杂志第7940期封面文章报道了与昆虫生命周期中静止的蛹期有关的、此前未受注意的社会行为。蚂蚁是社会性昆虫，其种群是拥有复杂交流、行为和合作的复合生物系统。在羽化之前，蛹会分泌一种富含营养的蜕皮液，类似哺乳动物的乳汁，这种液体会被成虫和成虫放在蛹上的幼虫快速消耗。研究发现，无法获得这些液体的幼虫表现出生长迟滞、生存率低；同样的，如果不去除蛹上的分泌液，它们就会因真菌感染而死。此外，这些液体含有激素和精神活性物质，可能会影响整个种群的生理机能和行为。

 

论文与专利的突破性随时间而减少

 

《自然》封面：知识网络的活跃度下降，封面用愈加简化和褪色的模拟线条来表示。《自然》杂志第7942期封面文章报道了知识增长并未带来类似的一系列重大进步，提出一些较大领域出现了进展放缓的迹象。研究团队通过分析过去60年间发表的4500万篇论文和390万个专利的数据，见证了过去几十年新科学技术知识在数量上的指数级增长。他们发现，研究论文和发表专利对现状的突破性变少了，这造成了知识网络的活跃度下降。研究团队认为，突破速度的减慢或标志着科学技术性质的一次根本性转变。

 

颗粒形状对推移质输沙率的影响

 

《自然》封面：沿着沙漠、河流或海岸移动的泥沙能远距离运送大量颗粒物质。《自然》杂志第7943期封面报道了输沙模型研究。虽然许多模型都考虑了颗粒大小，但颗粒形状对于泥沙移动可能也有显著影响，这或能解释之前模型与实测间的差异。在研究过程中，研究团队先建立了一种理论，这一理论考虑了颗粒形状对拖曳力和摩擦力的作用。在实验室验证了这一理论后，团队又提出了一个形状校正输沙定律，他们相信这一定律能对天然泥沙颗粒进行更准确的计算。这种移动机制对于河流和海岸修复、缓解污染，乃至理解其他星球过去和现在的气候具有广阔的应用背景。

 

可实现完成竞赛级别的代码生成任务的人工智能

 

《科学》封面：一个人工智能系统。《科学》杂志第6624期封面文章报道了在代码生成任务中实现可以与人类竞争水平的人工智能系统。让人工智能实现编程有着许多挑战，尤其是即使对于同一个问题，可提供的解决方案也可能看起来截然不同，而如何对部分正确或不正确的程序进行判断，是非常困难的工作。研究人员选用广泛且简洁的竞争性编程数据集，以便进行训练和评估。他们采用大型且具备高效采样能力的架构，通过大规模模型抽样来缩小探索空间，并根据程序行为对一小组提交内容进行过滤。这一模型可以通过合成计算机程序来解决一些挑战性问题。

 

玻璃蛙将血液隐藏在肝脏中以保持透明

 

《科学》封面：一只伪装的弗氏玻璃蛙躺在一片绿色树叶上睡觉。《科学》杂志第6626期封面文章报道了玻璃蛙是如何使自己透明的。为了保持身体组织的透明度，这些玻璃蛙将大多数吸收光的红细胞从循环中移除，并将它们隐藏在自己的肝脏中。玻璃蛙的尺寸只有几厘米，而且它们在晚上最活跃，因为绿色皮肤有助于它们与周围的树叶和枝叶融为一体，但是这类两栖动物在白天睡觉的时候会成为真正的伪装大师。通过了解更多玻璃蛙的生理和行为，科学家或许可以使用这些研究模型来优化生物医学工程的成像工具。

 

21世纪全球冰川变化带来巨大影响

 

《科学》封面：尼泊尔昆布冰川的融水通过一个冰洞流出来。《科学》杂志第6627期封面文章提出现在必须采取行动以减少冰川流失。研究发现，到21世纪末，由于未来的温室气体排放，预计全球49%至83%的冰川将消失。研究团队通过计算表明，冰川流失的质量和对海平面上升的贡献将比目前估计的要大得多。考虑到冰川质量损失与温度变化直接相关，温度的每一次升高都十分重要。随着冰川对气候变化做出反应，人类社会必须适应水资源供应、自然灾害和海平面的一系列变化。文章最后强调了现在采取行动防止冰川大量流失的必要性。

 

揭开面纱

 

《科学》封面：一颗距离地球700光年的恒星发出的光。《科学》杂志第6628期封面文章报道了薄雾会使行星的大气层变得模糊，但在实验室中的重建研究可以帮助解开它们的秘密。一些研究人员转而关注系外行星云，比如普渡大学的大气科学家在研究云和雾如何在外行星上相互作用，即雾粒子是否可能通过为气体凝结提供“成核点”来促进云的形成。与此同时，美国宇航局艾姆斯研究中心的科学家正在为不同的团队建立一个中央数据库，以容纳他们的光学测量结果。研究者克雷德伯格认为，这个星球有点像一头白鲸，大家已经追逐它的秘密超过10年了。

 

超构表面微型高光谱成像研究

 

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所李辉团队与光电技术研究所郭迎辉团队合作，研发了一种基于超构表面的微型高光谱成像器件。相关成果发表于《纳米尺度》（Nanoscale）。科研人员提出并验证了准随机超级单元构成的计算型高光谱超构表面设计方法。准随机超级单元具有严格的对称性，光谱器件的偏振敏感性较低，因此由准随机超级单元构成的光谱器件可以更好地应用于复杂的工作环境。而超级单元的周期打破了亚波长尺度的限制，设计自由度由此得到显著提升，极大丰富了单元结构的种类，使选择的单元结构对应的透射光谱满足了压缩感知算法的需求，同时也降低了超构表面的加工难度，缩减了器件加工的成本和周期。

 

高性能多模式弹热制冷系统

 

西安交通大学能源与动力工程学院钱苏昕与国内外科学家合作，在固态制冷方向取得新成果。相关成果发表于《科学》（Science）。弹热制冷是利用形状记忆合金在单轴应力作用下发生可逆相变，并利用这一相变潜热制冷的新型固态制冷技术。与传统蒸气压缩制冷相比，弹热制冷具有零温室气体排放、高体积能量密度、易于回收利用等优势，目前公开报道的弹热制冷机屈指可数。研究表明，利用因子决定了管束工质中弹热效应两种释放途径的比例，其中一部分弹热效应可被传热流体带走用于制冷，而另一部分弹热效应需要留在管束工质内部，用于维持工质在传热流体流动方向的温度梯度，而最佳利用因子反映了两者之间的竞争关系。

 

脉冲放电等离子体技术驱动重油转化

 

中国科学院电工研究所极端电磁环境科学技术研究部邵涛研究团队研究了等离子体-重油的转化规律与反应机理。相关成果发表于《化学工程期刊》（Chemical Engineering Journal）。全球石油资源重质化趋势不断加剧，如何高效、清洁地利用重油资源已成为炼油工业亟须解决的问题。等离子体技术无需催化剂和高温高压反应条件，具有原料适应性强、工艺流程短、碳排放低、启停迅速、易与可再生能源匹配等突出优势，是重油转化利用的新方向。新工艺利用温度较高的脉冲火花放电等离子体开展重油裂解技术研究，揭示了脉冲放电过程的快速加热与降温机制，实现了一步裂解重油制备乙炔。

 

超快激光等离激元分子调节加工制造光响应微纳多功能结构

 

清华大学机械系闫剑锋等人在超快激光微纳制造领域取得新进展。相关成果发表于《先进材料》（Advanced Materials）。超快激光具有超快、超强和超精密的特点，在机械制造、生物医学、能源等领域具有应用潜力。超快激光在纳米材料及微纳功能器件加工中具有独特优势，实际应用中复杂结构的可控加工是激光制造难点之一。研究团队提出了基于超快激光等离激元分子调节实现自下而上的微纳功能器件加工制造策略，并揭示了激光诱导等离激元与材料的非线性作用机理，利用超快激光激发纳米腔等离激元效应，实现纳米晶的跨尺度互连结构加工，并在此基础上制备出信息加密和光热驱动器等微纳功能器件。

 

小鼠单神经元树突形态和轴突投射的关系研究

 

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心（上海脑中心）严军研究组通过重构和分析小鼠前额叶皮层单神经元的树突和轴突完整形态，刻画了前额叶皮层投射神经元树突的多样性和形态类型，揭示神经元树突形态与轴突投射的关系，重构了前额叶皮层投射神经元类型之间的联接网络。相关成果发表于《自然·神经科学》（Nature Neuroscience）。论文通过全面重构和分析小鼠前额叶皮层单神经元的树突和轴突形态，发现一系列新的树突类型；通过树突-轴突联合分析，揭示树突和轴突形态的关系；最后，利用树突和轴突的空间分布，建立和分析了前额叶皮层神经元类型之间的联接网络。

 

人类智力障碍的分子机理研究

 

饶毅实验室贾晓波、祝婕敏和卞希玲等人制造了SLC6A17基因敲除的小鼠，并按照人类智障的突变位点制造了小鼠的点突变株，功能研究SLC6A17转运蛋白及其导致智力障碍突变揭示突触囊泡中谷氨酰胺的重要性。相关成果发表于《e生命》（eLife）。研究发现，无论是基因缺失还是人类智障相应的点突变，都出现小鼠学习缺陷。这些结果显示SLC6A17造成智障的点突变都是基因或蛋白质功能缺失所致。研究人员分离了神经细胞的突触囊泡，用质谱、抗体和电子显微镜分析都证明SLC6A17蛋白质存在于其中。SLC6A17的神经细胞的突触囊泡富集了谷氨酰胺，谷氨酰胺减少可能是人类智障的关键致病机理。

 

生物运动的多维度属性在人脑中的层级加工关系

 

中国科学院心理研究所脑与认知科学国家重点实验室蒋毅研究组的科研人员利用功能磁共振成像技术探究人脑对生物运动多维度属性的加工机制。相关成果发表于《大脑皮层》（Cerebral Cortex）。生物运动信息包含多维度属性？如方向、速度等物理属性，性别、年龄等生物属性，情绪、意图等社会属性。大脑如何同时从具有多维度属性的生物运动刺激中提取每种属性，不同属性的加工之间是否存在关联？这都是科学家感兴趣的话题。相关研究首次定位了生物运动多维属性的脑表征网络，并揭示了不同维度特征加工的层级结构关系，为进一步理解生物运动信息加工的脑机制提供了重要线索。

 

开发食蟹猴长时程培养体系揭示灵长类早期器官发生调控机制

 

省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室/昆明理工大学灵长类转化医学研究院谭韬/陈永昌/季维智团队、中国人民解放军总医院/血液与健康全国重点实验室刘兵团队及美国得州西南医学中心吴军团队合作，开发了一种能够支持食蟹猴胚胎体外发育至早期器官发生的三维培养体系。相关成果发表于《细胞》（Cell）。在过去20年中，中国和全球灵长类研究人员共同努力，使得灵长类生物医学研究在科学性、广泛性和应用性方面变得更加成熟和有效。论文系统研究了非人灵长类从原肠胚形成到早期器官发生过程的重要细胞组成及谱系分化轨迹，研究结果将有助于了解人类胚胎发育畸形孕早期流产。

 

2022年泸定6.6级地震是一次发生在磨西地震空区的陆内强震

 

中国地震局地球物理研究所张龙、房立华等人与国内外合作者对2022年9月5日四川泸定地震的主震震源参数、破裂过程，以及余震时空分布进行了深入分析。相关成果发表于《地震研究快报》（Seismological Research Letters）。这次地震发生在鲜水河断裂带最南段的磨西地震空区，地处鲜水河—安宁河—龙门山3条断裂带的交汇区，是中国大陆近8年来人员伤亡最严重的一次地震。余震活动为研究断层结构和滑动行为提供了丰富的资料，从而可以理解此次地震的发震机理，分析这一区域未来的地震危险性。这进一步警示了主断层外的地震危险性，后续应在贡嘎山地区加强地震观测研究，更加细致地刻画断层几何与震后过程。

 

青藏高原中部古高度重建的新证据

 

中国科学院地质与地球物理研究所孙继敏及其合作者对青藏高原中部伦坡拉盆地的丁青组上部地层开展了丁青组年代、古环境与古高度重建。相关成果发表于《全球和行星变化》（Global and Planetary Change）。目前，科学界对于青藏高原何时达到其隆升的最大高度，或者不同时期、不同构造单元的古高度重建仍然存在很大争议。伦坡拉盆地的新生代地层（牛堡组与丁青组）出露厚度大、动植物化石丰富并夹有多层凝灰岩，是开展古高度重建的理想地区。研究发现，即使经过晚中新世古气候和古气温梯度的校正，伦坡拉盆地在1200万年前的最大湖面高度不超过3400米。青藏高原中部在1200万年以后仍有1200米左右的隆升。

 

利用数据驱动机器学习破译冥古宙板块构造样式之谜

 

中国地质大学成秋明院士团队开展数据驱动地球科学与深时数字地球方向的最新研究。相关成果发表于《地质》（Geology）。破译地球早期地壳组成和形成的大地构造背景是回答板块构造启动时限及板块构造样式如何随时间推移而演变的关键；但由于后期地质作用的叠加不断破坏，造成冥古宙地壳岩石很难保存至今。研究创新性地提出了一种基于半监督机器学习的锆石化学“指纹”大数据分析方法；通过机器学习方法与锆石化学成分大数据来训练计算机，使计算机能够自动识别一些典型构造环境（例如弧、地幔柱热点和裂谷等）中形成的锆石，以及区分I型或沉积S型岩浆中结晶的锆石。

 

解密埃迪卡拉纪海洋磷循环

 

成都理工大学李超教授团队与国内外合作者重建了地质关键期埃迪卡拉纪（635-539 Ma）古海洋溶解磷含量演化过程。相关成果发表于《自然》（Nature）。研究发现了埃迪卡拉纪海洋生命营养元素磷含量和海洋氧化程度之间具有不同于现代海洋的解耦关系，提出了海洋外部因素是驱动埃迪卡拉纪海洋乃至整个早期地球海洋从缺氧向氧化转变的原始动力假说，这一成果揭示了前寒武纪海洋维持漫长缺氧状态的根本原因和早期地球缺氧海洋最终实现氧化的根本机制，深化了人类对于地球宜居性演化和复杂生命演化规律的理解，对于早期地球海洋环境下相关矿产资源和油气资源的形成和勘查也有重要的启示意义。

 

蚊虫全生物操作防控新概念

 

中国科学院动物研究所王关红团队撰写综述文章，从共生体的角度重点研究了微生物群、蚊虫和病原体三者间的相互作用。相关成果发表于《国际微生物生态学会杂志》（The ISME journal）。近年来，多种因素导致蚊虫及其传播的疾病在全球范围内的分布进一步扩大。文章回顾了重要微生物对蚊虫宿主的生理影响，探讨了蚊虫共生体与蚊媒病原体感染之间的相互作用，例如微生物群诱导的宿主免疫激活和沃尔巴克氏体介导的病原体阻断；接着讨论了蚊虫宿主和生态因素对其微生物群的潜在调节作用，尤其是对初始微生物群获得和组成的影响；最后，对蚊虫共生体未来的研究方向进行总结展望，对新兴的蚊虫或蚊媒疾病防控技术进行了分析。

 

植物-昆虫群落多样化的新假说

 

北京师范大学生命科学学院廖万金教授团队针对植物-昆虫群落多样化提出了“宿主资源丰富度”和“拟寄生者种间竞争”两个新假说；并通过实验验证，提出了高营养级昆虫的种间竞争驱动了植物-昆虫群落多样化的新观点。相关成果发表于《生态学》（Ecology）。研究发现，寄生传粉榕小蜂的拟寄生榕小蜂物种比造瘿榕小蜂的拟寄生榕小蜂物种多，意味着寄生传粉榕小蜂的拟寄生者之间具有更强的种间竞争。相比于与传粉榕小蜂，拟寄生榕小蜂与造瘿榕小蜂之间具有更一致的系统发育关系和更少的宿主转移事件。这表明拟寄生者的种间竞争而不是宿主昆虫的资源丰富度是三营养级群落协同多样化模式的主要驱动力。

 

适度氧化降低油菜蜂花粉致敏性机制研究

 

中国农业科学院蜜蜂研究所蜂产品质量与风险评估团队吴黎明等人探究了氧化诱导对油菜蜂花粉过敏原空间构象及过敏原性的影响机制，对低致敏性蜂花粉的开发及应用具有指导意义。相关成果发表于《食品化学》（Food Chemistry）。研究表明，氧化处理使过敏原蛋白发生聚集，并将过敏原上第98号位半胱氨酸残基的游离巯基不可逆磺化为更稳定的半胱氨酸衍生物。同时，过敏原的二级和三级蛋白结构发生改变，抗原表位被破坏，致敏性显著降低。研究人员进一步将相关方法应用于油菜蜂花粉样品中，发现适度氧化处理可显著降低油菜蜂花粉的致敏性，而不影响油菜蜂花粉中抗氧化成分酚酸、黄酮类的含量及其抗氧化性。

 

构建全球虫媒病毒与节肢动物特异性病毒综合信息数据集

 

中国科学院武汉病毒研究所生物安全大科学中心袁志明、夏菡等人在虫媒病毒生态健康和生物安全领域开展研究。相关成果发表于《科学数据》（Scientific Data）。虫媒病毒能在脊椎动物和节肢动物中复制，对人类或动物具有致病性。节肢动物特异性病毒仅在节肢动物中复制，它们可能是虫媒病毒进化的起源，但是目前没有涵盖所有已知虫媒病毒和节肢动物特异病毒种类等信息的综合数据集。研究详细展示了虫媒病毒和节肢动物特异病毒间的基因组节段差异、生物安全风险建议等级、病毒及其节肢动物媒介的全球分布、宿主来源等特征，为深入理解虫媒病毒和节肢动物特异病毒的相互作用、进化规律和风险评估提供了丰富的数据资源。