快速生长的珊瑚礁鱼类的演化

　　

　　《自然》封面：无须鳚，一种珊瑚礁鱼类。《自然》杂志第7964期封面文章报道了多样性高、数量丰富且生长迅速的珊瑚礁鱼类的演化史，以了解珊瑚礁上的生命是如何被塑造的。研究团队分析了大量物种，发现演化转变带来更快的生长速度，这些转变发生在6000万～4000万年前的整个始新世时期，当时全球温度相当高。研究结果表明，更温暖的海洋可能让鱼类向着体形小、快速生长的方向演化，而珊瑚礁的后续发展让这些鱼类保留了下来。因此，全球高温和栖息地重新配置等因素可能对珊瑚礁生态系统的鱼类区系发挥影响作用。

 

实现容错量子计算前的量子计算应用证据

 

　　《自然》封面：错误缓解让量子计算成为焦点。《自然》杂志第7965期封面文章报道了通过错误缓解而不是纠错，量子计算机仍有可能超越经典计算机。量子计算机被认为在解决特定问题上的速度会远超经典计算机。然而，不可避免的环境噪声会让量子计算机出错，而现有量子处理器不具备纠错速度比错误积累速度更快的能力。研究团队利用一个芯片上有127量子比特的IBM处理器，能在模式量子材料中产生模拟自旋动力学的大规模纠缠态，并准确预测其磁性等性质。团队认为量子计算机有望解决超越经典计算机能力的问题。

 

含胆固醇层的熵斥能抵抗生物黏附

 

　　《自然》封面：一只跳虫（跳尾虫）。它是透过皮肤呼吸的无脊椎动物，因此需要保持皮肤表面不受污染。《自然》杂志第7966期封面文章报道了多层胆固醇给这种跳虫提供了不黏的外壳。通过结合实验和原子层面的模拟，研究团队发现胆固醇层的斥力来自胆固醇分子方向上的波动，这些波动造成了“熵斥”。本质上来说，外皮吸附生物分子需要胆固醇分子受到约束，这会降低熵，在热力学上则更加不利。文章认为，黏附控制是生物体的一个显著特征，在技术转化方面尤其令人感兴趣，这一新发现或能用于设计不易黏的材料。

 

揭秘可模拟绿色荧光蛋白的DNA复杂三维结构

 

　　《自然》封面：光辉的榜样。《自然》杂志第7967期封面文章报道了DNA可以通过折叠成复杂的三维结构来模拟蛋白的功能。RNA分子可以采用复杂的三维结构，但DNA是否可以自组装成类似的3D折叠结构尚不清楚。科学家构建了一种具有复杂结构的新DNA分子，这个DNA分子可以模拟绿色荧光蛋白的活性。绿色荧光蛋白源自水母，目前已经成为一种重要的实验室工具，在细胞中发挥着荧光标签的作用。这些发现推动了关于如何使DNA折叠成复杂形状的科学，并将帮助科学家们为一系列实验室和临床应用构建这类DNA分子。

　　

陆生哺乳动物对COVID-19封锁的行为反应

 

　　《科学》封面：城市道路旁的一只郊狼。《科学》杂志第6649期封面文章报道了人类流动对动物的影响。2020年年初的时候，世界范围实施封锁措施以遏制新冠病毒感染（COVID-19）的传播。这些封锁极大地减少了人类的流动性，从而减少了对动物的影响，像郊狼这样的动物就会走更远的距离。在严格的封锁政策之下，动物在封锁期间的平均穿行距离会比前一年远73%。在人口稠密地区，哺乳动物的短距离移动时间缩短，而且在封锁期间，哺乳动物距道路穿行的距离近了36%。这些变化表明，动物可以调整自己的行为，以应对人类流动性的快速变化。

 

失去黑暗

 

《科学》封面：一只野生小企鹅伫立在澳大利亚墨尔本的城市背景下。《科学》杂志第6650期特刊文章报道了光污染对自然界、人类健康和夜空的影响。光污染的数量和地理范围都在快速增加，对环境的影响也日趋严重。这种被浪费的光消耗了大量的电力，多伴随着相关的经济成本和温室气体排放。虽然路灯是最明显的户外照明形式，但光污染通常来自建筑物、车辆、广告、体育设施和许多其他来源。幸运的是，光污染不会在环境中积累，它可以通过关灯来停止，尽管这并不总是可行的。

 

油菜素甾醇通过细胞壁和组织力学协调植物细胞层间的相互作用

 

　　《科学》封面：拟南芥幼苗开裂的接缝。《科学》杂志第6651期封面文章报道了一种不知名的水生植物，解释了植物如何避免在生长的压力下开裂。学界认为，细胞层间的生长协调是大部分多细胞生物发育的关键。研究表明，驱动油菜素甾醇合成的基因通过减少机械表皮机械约束，至少部分促进内部组织生长。研究人员在水生植物丝叶狸藻内部识别出一个缺乏油菜素甾醇的矮小突变；通过重新构建细胞壁，表明基因调控细胞层间生长协调的机制。植物细胞的黏性是协调生长的重要组成部分，“团结”在一起非常重要。

 

深度冷冻后复活器官

 

　　《科学》封面：液氮里保存的大鼠肾脏。《科学》杂志第6652期封面文章报道了科学家们低温保存活体组织、器官，甚至整个生物体，然后让它们“起死回生”。人们希望最终能建成皮肤、整个器官甚至四肢等组织的冷冻储备库，以缓解器官短缺，并让医生有时间更好地为移植接受者做好准备。保存技术的进步也延伸到用于筛选药物的人体组织、濒临灭绝的物种、遗传学家研究的果蝇、杂货店的农产品及水产养殖的鱼胚胎。明尼苏达大学科研团队突破了器官冷却和复苏技术，最大限度地减少冷冻损伤，使之在移植后能够正常工作。

　　

间充质干细胞源性细胞外囊泡缓解干眼炎症的潜在机制

 

　　首都医科大学附属北京同仁医院梁庆丰教授团队联合宣武医院陈志国教授团队证实间充质干细胞源性细胞外囊泡可有效缓解干眼体征、提高泪液分泌量、促进角膜上皮修复。相关成果发表于《眼表》（The Ocular Surface）。干眼已成为全球流行疾病之一，其病程长、发病机制复杂。干眼患者多诉眼干涩、异物感、眼痛、症状迁延不愈，严重影响患者的视觉及生活质量。临床上目前主要以人工泪液、激素、免疫抑制剂等治疗干眼。研究工作揭示了间充质干细胞源性细胞外囊泡治疗干眼的作用和机制，为间充质干细胞源性细胞外囊泡在眼表修复及免疫相关疾病的应用和推广奠定了基础。

 

戊酸调节绝经后骨代谢的分子机制研究

 

　　南方医科大学顺德医院沈洁教授团队与美国杜兰大学邓红文教授团队、中南大学肖红梅教授团队合作，开展人体肠道微生态与绝经后骨代谢的最新研究。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。骨质疏松症是一种以骨量低下，骨组织微结构损坏，导致骨脆性增加，易发生骨折为特征的全身性骨病。目前，动物研究已证实肠道微生态对于骨质疏松的重要性，但人群中的研究相对较少。研究发现，人体的普通拟杆菌相对丰度与骨密度呈负相关，戊酸浓度与骨密度呈正相关且受普通拟杆菌抑制。研究人员发现了戊酸对于绝经后骨质疏松症的保护作用，为人体肠道微生态与骨质疏松症的相关性提供了新的依据。

 

中国增加国家免疫规划儿童疫苗：证据、益处和优先顺序

 

　　北京大学中国卫生发展研究中心方海团队从疫苗可预防疾病负担、接种率、公平性和成本效益4方面展开分析，旨在全面和综合评价将4种儿童非免疫规划疫苗，即13价肺炎球菌结合疫苗、轮状病毒疫苗、b型流感嗜血杆菌疫苗和水痘疫苗，纳入我国国家免疫规划的证据、益处和优先顺序。相关成果发表于《柳叶刀·公共卫生》（The Lancet Public Health）。1978年以来，我国实行国家免疫规划，取得了举世瞩目的成就，国家免疫规划疫苗保持了非常高的接种率和公平性。但是，尚有一些重要的儿童疫苗未被纳入国家免疫规划。文章强调儿童疫苗的普及和提高其公平性是公共卫生服务的关键组成部分，可通过扩大免疫规划内疫苗种类进而提高接种率。

 

揭示前叉韧带退变相关细胞和分子特征

 

　　四川大学华西医院骨科运动医学中心付维力教授团队利用单细胞联合空间转录组测序的方法，构建健康及退变状态下前叉韧带的细胞图谱，为研究前叉韧带退变的发病机制提供重要线索。相关成果发表于《e生命》（eLife）。前叉韧带对于膝关节运动至关重要，并发挥着维持膝关节前向稳定的作用。前叉韧带的退变会导致膝关节慢性疼痛及骨关节炎的发生发展，建立详细的前叉韧带细胞图谱对于了解前叉韧带退变机制和潜在的再生治疗靶点至关重要。文章在单细胞及空间分辨率角度描绘了正常和疾病状态下前叉韧带的细胞图谱，识别出了韧带中的10个成纤维细胞亚群，描绘了韧带退变过程中成纤维细胞的动态变化。

 

铁电聚合物中的庞电卡效应

 

　　上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心钱小石教授课题组开发了一种高分子拓扑界面外延技术，通过小分子晶体牺牲层诱导高分子极化界面的广泛形成，使得铁电聚合物在外界电场作用下展现出巨大熵变，在传统的偏氟乙烯基弛豫铁电高分子中实现了庞电卡效应，并揭示了拓扑外延的极化界面在外加电场调控下的熵变机理。相关成果发表于《科学》（Science）。研究团队通过结构和介电分析探讨了电卡增强的机理，并利用相场分析和朗道理论对相关机理进行了证实。同时，他们还进行密度泛函理论和分子动力学模拟，进一步理解界面极性相构像在分子尺度上的自组装行为。

 

发现磁霍普夫子

 

　　华南理工大学郑风珊教授联合国内外同行首次在实验中发现磁霍普夫子。相关成果发表于《自然》（Nature）。霍普夫子以德国数学家海因茨-霍普夫的名字命名，其概念由来可追溯到由英国物理学家托尼-斯凯尔姆在1962年首次提出的“拓扑孤子”。2009年，科学家首次在磁体中发现了“拓扑孤子”，将其称为斯格明子。一般认为，磁斯格明子是由电子自旋在空间上构成的一类二维旋涡状结构，从样品上表面贯穿到下表面，形成了斯格明子弦。理论上，如果把两个末端连接起来，会进一步形成一类三维拓扑磁孤子“磁霍普夫子”。文章通过实验，发现了强有力的证据表明磁霍普夫子的存在。

 

揭示铁电晶体管中极化电导机制

 

　　复旦大学周鹏/王水源团队与北京邮电大学屈贺如歌副教授合作，将态密度泛函理论计算、量子输运模拟与实验论证相结合，揭示铁电沟道场效应晶体管极化依赖的本征效应与外场优势机制。相关成果发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。由本征斯塔克效应（内建电场）导致的非对称导电通路与栅极外场诱导的电势竞争形成的重分布决定了电子行为。基于全新认知图谱，研究团队设计了通过控制导电沟道位置和氧化物厚度来精确控制双栅铁电沟道场效应晶体管电导阈值的策略，并在不引入额外的浮栅堆栈或物理场前提下，实现了多种可以按照需求无需外部电场而自行切换的存内（逻辑）计算功能。

 

激光驱动相干声子加速极化子传输

 

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室王慧敏、刘新豹、张萃、关梦雪、孟胜等人利用组内自主开发的非绝热含时密度泛函分子动力学方法和软件，首次发现激光驱动的相干声子能有效加速极化子的传输。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。极化子是由虚声子云修饰的电子（或空穴）组成的准粒子，广泛存在于金属氧化物、二维材料等体系中，并在高温超导、铁电、光催化等物理现象中起到关键作用。由于载流子的强局域化，极化子往往具有超低的迁移率、损害光电器件的使用性能。文章基于非平衡态下极化子传输的微观机制，提出通过调节相干声子振幅，利用激光控载流子迁移率的通用方案。

　　

红外小目标定位与跟踪新方法

 

　　北京理工大学光电学院的许廷发教授团队在人工智能红外小目标跟踪领域取得研究进展。相关成果发表于《模式分析与机器智能IEEE汇刊》（IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence）。针对实际环境中红外无人机目标尺度和属性差异显著的问题，文章构建了首个大规模红外无人机目标跟踪数据集，这个数据集包含410个红外视频序列和超过40万个无人机目标标注框。这种复杂场景下的红外小目标智能定位与跟踪方法能够有效抑制红外图像中的复杂背景干扰，实现对弱小目标的准确定位与跟踪。在城市、山区、海上和沙漠等实际场景的测试中，实现对复杂场景下的红外无人机小目标的精准定位与鲁棒跟踪。

 

基于散斑的运动成像新技术

 

　　南京航空航天大学航天学院施瑶瑶与物理学院信息光子学团队合作，针对透过强散射介质光学成像难题，提出一种基于散斑的运动成像术，能够在白光照明下对隐藏在未知厚散射介质中的运动目标实现高分辨成像与追踪。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。透过云雨雾霾、生物组织等散射介质光学成像技术在航空航天、军事救援、生物医学等众多领域具有重要应用。目前，基于弹道光子和散斑记忆效应的成像技术从原理上受散射介质厚度的限制。此项研究通过利用非相干散斑中固有保留的运动目标信息实现了透过散射介质成像，成像系统简单、非接触、成本低。

 

脑电信号识别研究

 

　　中国科学院沈阳自动化研究所机器人学研究室神经计算联合团队将粒子群算法引入对称正定黎曼空间，对脑电图的协方差矩阵表征数据进行了维度筛选，有效提高了脑电图信号识别效率。相关成果发表于《知识库系统》（Knowledge-Based Systems）。脑机接口是大脑与外界交互的新方式。它绕开外周神经，通过在大脑与外部设备间建立直接连接进行信息交换，在神经康复、认知计算等领域有着广泛的应用前景。然而，如何实时、有效地将大脑意图转换为控制外部设备的指令一直是制约脑机接口技术发展的关键问题之一。区别于大部分黎曼空间数据基于映射的降维方法，研究为推进脑机接口的实际应用提出了一种新方案。

 

仿生覆盖式神经元模型及学习方法研究

 

　　中国科学院半导体研究所高速电路与神经网络实验室研究员李卫军团队，设计了具有高度柔性与可塑性的超香肠覆盖式神经元模型。相关成果发表于《模式识别》（Pattern Recognition）。人工神经网络是模拟人脑神经活动的重要模式识别工具，深度神经网络的改进与优化工作集中于网络结构和损失函数的设计，而神经元模型的发展有限。此项研究定义了新的交叉熵和体积覆盖率损失函数，这个损失函数可最大限度地压缩超香肠的体积，从而确保样本的类内紧凑性。研究在模式识别领域的8个经典数据集上进行的对比实验和消融实验证明了这一方法的有效性。超香肠覆盖式神经元模型可应用于经典的深度神经网络中以解决多种模式识别问题。

　　

全球被子植物多样化速率的时空格局

 

　　北京大学城市与环境学院王志恒教授课题组构建了包含12602种全球被子植物属并时间校准的分子系统发育树，并结合被子植物分布，追溯被子植物在过去两亿年中的分化历史。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。被子植物经历了两次快速多样化事件，与化石证据相一致。被子植物的分化速率最早在白垩纪全球变暖期间逐渐增加，然后在白垩纪末期呈现稍微下降趋势或保持相对稳定的状态。在被子植物演化过程中，高纬度地区的物种多样化速率比低纬度地区更高，具有高分化速率的年轻属占据了温带和干旱地区，而具有低分化速率的老属占据了热带地区。这导致分化速率和属多样性之间呈现出负相关的空间格局。

 

2021—2100年野火烟雾短期暴露引起的中国区域死亡风险预测：健康影响评估研究

 

　　清华大学地球系统科学系白玉琪教授团队和中国科学院大气物理研究所李芳研究员团队联合完成了2021—2100年期间野火排放的中国区域健康效应评估研究。相关成果发表于《柳叶刀·星球健康》（The Lancet Planetary Health）。研究基于预测的未来人口和未来野火排放PM2.5浓度，采用了适用于中国区域的相对风险系数，估算了不同发展路径和情景下中国人群在2021—2100年期间可归因于野火PM2.5排放的死亡人数。研究结果揭示了不同时期未来野火排放导致中国人群健康风险的时空分布，可以帮助决策者提前制订和实施有效干预措施，从而减少野火对中国居民健康的影响。

 

揭示莺歌海红河断裂结构与地壳变形

 

　　中山大学地球科学与工程学院高锐院士团队通过深反射地震剖面数据采集系统设计、速度建模与地震成像方法的创新，在莺歌海获取了高分辨率深达40公里的反射地震剖面（共约360公里长）。深反射地震图像首次揭示了莺歌海盆地下方的精细地壳结构、壳幔边界（莫霍面）形态及红河断裂结构属性。相关成果发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。研究结果表明：在印度与亚洲发生碰撞后的早期阶段，青藏高原变形是以沿着岩石圈深大断裂的整体物质逃逸为主导。研究也能为认识莺歌海的形成及其构造与温度演化历史和石油天然气的形成与聚集提供重要的基础。

 

青藏高原云特性时空分布与云动力学研究

 

　　中国科学院青藏高原研究所高晶研究员及合作者综述了1960年以来青藏高原云宏观和微观物理性质的观测方法和模式模拟的进展，总结了云分布的时空格局和主要驱动因素，讨论了云动力学发展存在的困难及云特性对青藏高原气候变化的响应与反馈。相关成果发表于《地球科学评论》（Earth-Science Reviews）。云是大气中辐射、对流、湍流、微物理、大尺度动力学和加热等复杂过程相互作用的结果，这些过程对气候系统产生重要影响。青藏高原云的宏观和微物理特性影响着全球气候系统的能量平衡、大气环流和水循环，这些因素在地球-大气系统的辐射收支中起着至关重要的作用。