科技名刊精選

環境科學

不同政策影響下的東北地區土地覆蓋及生態系統服務變化研究進展

中國科學院東北地理與農業生態研究所地理景觀遙感和城市森林與濕地團隊毛德華、何興元、王宗明等，利用Landsat系列衛星遙感影像解譯獲取的2000年和2015年土地覆蓋數據，探討了國家實施一系列生態工程以來東北地區的土地覆蓋變化特征，進而利用InVEST模型分析了東北地區生態系統服務的時空格局及其地理空間異質性，討論了不同政策影響下的東北地區土地覆蓋變化特征及其對生態系統服務變化的影響。研究成果發表于Journal of Cleaner Production。受生態保護和糧食增產與經濟發展等雙向政策影響，2000—2015年間東北地區土地覆蓋變化特征明顯，林地面積呈現凈增加。

2000-2015年東北地區土地覆蓋變化特征格局圖（圖片來源于中國科學院東北地理與農業生態研究所網站）

東北地區社會經濟發展與生態保護的雙向政策（圖片來源于中國科學院東北地理與農業生態研究所網站）

近年來中國空氣質量改善的驅動因素

清華大學環境學院郝吉明院士課題組、賀克斌院士課題組、地球系統科學系張強教授課題組合作，發現了2013—2017年間中國PM2.5空氣質量改善的驅動力。相關成果發表于PNAS。論文評估了2013—2017年間我國大氣細顆粒物（PM2.5）污染的改善情況和健康效益，定量分析了《大氣污染防治行動計劃》各項政策對空氣質量改善的貢獻。雖然我國空氣質量大幅改善，但2017年全國338個城市中尚有64%的城市PM2.5年均濃度不達標，我國PM2.5污染防控工作依然任重道遠；全國大氣臭氧污染增速加快，PM2.5和臭氧污染協同控制成為迫切需要解決的問題。

室內揮發性有機物的來源及健康風險

中國科學院地球環境研究所黃宇研究員課題組結合揮發性有機物（VOCs）現場跟蹤采樣、氣相色質譜聯用在線分析、污染源解析和調查問卷等技術手段，對西安市不同區域室內空氣中VOCs的污染源特征、濃度水平及其對人體健康的風險評估等內容開展了系統研究。研究成果發表于Science of The Total Environment。研究發現，西安市室內環境中，濃度較高的VOCs污染物有丙酮、甲醛、萘及二氯甲烷，室內殺蟲劑、漂白劑、清潔劑、裝修材料和家具是其主要的排放源。該結果深化了我國西部地區室內環境中VOCs特征、來源及其健康風險的認識，將為我國室內空氣污染成因分析和治理措施的制定提供參考。

流域農業面源污染治理技術研究進展

中國科學院地球化學研究所研究員陳敬安課題組采用天然沸石（NZ）、鋁改性黏土（AMC）和鑭改性膨潤土（LaMP）對中國廣西典型小流域（客蘭水庫）湖濱帶天然土壤進行改良，并在模擬條件下，研究了3種改良土壤對溶解態無機磷（DIP）和氨氮的去除效果及機理。研究論文發表于Agriculture, Ecosystems and Environment。農業面源氮、磷污染逐漸成為我國河流、湖泊、水庫富營養化治理關注的重點。磷、氮元素在農田徑流中的賦存形態、遷移轉化過程及控制因素均存在很大差異。同步、高效地削減農業面源氮、磷污染的輸入，降低其對地表水營養鹽的貢獻，是當前農業面源污染治理面臨的一個技術挑戰。

水稻在人類汞暴露風險和全球汞循環中的作用

北京大學城市與環境學院王學軍課題組關于汞在多介質環境中的遷移轉化和歸趨研究獲得新進展。研究論文發表于Nature Communications。汞是一種全球遷移的污染物，對人類健康構成威脅。甲基汞是汞最具毒性的形態之一。研究發現，水稻可能也是全球人類甲基汞暴露的顯著膳食來源，尤其是在南亞和東南亞。國際水稻貿易引發人類甲基汞暴露風險的區域轉移，并顯著加劇了非洲、中亞和歐洲的甲基汞暴露風險。世界上大多數地區居民因食用水稻而攝入的甲基汞不會超過魚類，然而，在亞洲許多以稻米為主食的土壤污染地區，水稻和魚類共同消費導致的甲基汞暴露可能成為一個重要的健康問題。

水稻在人類汞暴露風險和全球汞循環中的作用（圖片來源于北京大學新聞網）

環境因素誘導的非人靈長類自閉癥模型研究

中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員張永清團隊、中國科學院深圳先進技術研究院周暉暉研究組、暨南大學教授李曉江和杜克大學醫學院教授姜永輝團隊等密切合作，發現暴露于抗癲癇藥如丙戊酸（VPA）等的猴大腦中存在明顯的大腦發育缺陷，例如小腦內顆粒層神經元密度降低和外顆粒層神經前體細胞減少。研究論文發表于Translational Psychiatry。這些發現提示VPA處理影響非人靈長類胚胎大腦發育，為懷孕期間服用VPA增加兒童自閉癥風險提供了更加直接的實驗證據。大腦發育缺陷以及行為學異常支持VPA處理猴是研究自閉癥的有效動物模型，為進一步研究ASD提供了新的模式體系。

長白山針闊混林外生真菌相關環境梯度形成機制

中國科學院沈陽應用生態研究所生物多樣性組（菌物）與天然林生態組白震、原作強、王緒高、袁海生等合作，利用外生菌根真菌（ECM）相關25個環境因子量化出地理分布、土壤理化性質和植被功能特性3類綜合因子和環境質量梯度，并借此探究植被-ECM在上述環境梯度上的空間分布特征及其形成機制，揭示不同環境梯度與ECM真菌互作關系，明確影響ECM真菌組成與分布的關鍵驅動因子。研究論文發表于Science of The Total Environment。論文研究發現，植被演替過程與ECM真菌相關因子和土壤理化特性空間異質性存在密切關系。

環境污染物毒性效應研究進展

中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所羅茜研究團隊與國家食品安全風險評估中心李敬光研究員等合作，在環境污染物毒性效應研究中獲得進展。研究論文發表于Environment International。此項研究中，首次通過質譜成像和脂質組學技術研究苯并（a）芘（BaP）呼吸暴露對C57BL/6小鼠肝臟脂質代謝的影響，尤其提供了肝臟組織中差異脂質的空間分布特征，從脂質代謝角度對BaP的毒性效應進行了新的解讀。研究發現BaP暴露可干擾小鼠肝臟組織中多種脂質代謝，會導致肝細胞膜損傷、信號傳遞系統異常和炎癥反應，而且雌雄小鼠對BaP呼吸暴露的應答存在明顯差異。

認知科學

線粒體解碼神經元活動研究

北京大學分子醫學研究所程和平團隊與國內外科學家合作，研究了腦神經元線粒體與胞質之間鈣瞬變的概率性耦合，以及其耦合度如何受大腦信息加工活動的調節。相關論文發表于Nature Communications。在小鼠靜息狀態下，耦合度僅為3%～5%；而在小鼠跑步或接受視覺刺激時，不僅初級運動皮層或視覺皮層神經元活動增加，同時耦合度也顯著上升至約25%，使得線粒體鈣活動大大加強。耦合度與胞質鈣瞬變振幅、時程和耦合事件前數秒內的發放頻率密切相關，鈣依賴性蛋白激酶CaMKII是耦合度調節的關鍵因子。論文揭示了線粒體如何解碼神經元活動模態，從而精準調控腦動態能量代謝的新現象和新機制。

突觸水平神經大數據重建與分析平臺（圖片來源于中國科學院自動化研究所網站）

腦神經元線粒體與胞質之間鈣瞬變的概率性耦合（圖片來源于北京大學新聞網）

非人靈長類大腦衰老潛在機制研究

中國科學院昆明動物研究所吳東東研究員等利用來自4個青年獼猴、3個老年獼猴44個腦區的547個轉錄組數據，研究探索了非人靈長類動物大腦老化的潛在分子遺傳機制。研究論文發表于Genome Biology。大腦衰老是一個復雜的過程，它依賴于多個腦區的精確調控，而以往的研究通常集中于少數腦區。隨著年齡的增長，皮質內腦區之間的表達連接性以及皮質內左右腦半球之間的表達連接性都發生了明顯的下降。研究人員發現了9個在老年猴中表現出連接性增強的模塊，并解析出一個網絡關鍵驅動基因PGLS，在老年猴中表達上調，可能對大腦衰老有重要作用。

一種新的細粒度學習框架

廈門大學信息學院紀榮嶸教授團隊提出了一種基于強化學習的細粒度學習策略FG-A1C，通過分析視覺問答任務中的樣本多樣性及標簽的冗余性問題來針對性地挑選訓練樣本以提高模型的訓練效率及減少標記支出。研究論文發表于IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence。FG-A1C使用一個強化學習代理來自適應地評估模型訓練狀態、選擇對應的訓練樣本類型，并使用基于主動學習或課程表學習的采樣策略對該類型下的樣本進行評估，以選擇對模型訓練幫助最為有效的訓練樣本。該算法在多個視覺問答數據集上獲得優秀的訓練效果，能夠顯著地降低模型訓練成本以及標簽成本。

長期記憶的動態維持機制

清華大學生命科學學院鐘毅課題組揭示了Rac1活性依賴的遺忘的可逆性是長期記憶動態維持的基礎。該成果發表于Nature Communications。小鼠研究表明，情境恐懼記憶即使在形成很久之后，也能夠被進一步增強。一次足底電刺激的情境恐懼訓練同時誘發海馬腦區的Rac1的持續激活和α2-chimaerin蛋白的長期合成。Rac1的持續激活介導了可逆性遺忘。而α2-chimaerin作為記憶維持分子，通過在維持階段抑制Rac1活性，進而維持記憶在中間水平。通過調控背側海馬腦區的Rac1活性或改變α2-chimaerin的表達，中間水平的記憶能夠被增強或者減弱。

精神分裂癥患者元認知損傷的神經機制

北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室萬小紅課題組和首都醫科大學附屬安定醫院賈竑曉課題組合作，闡釋了精神分裂癥患者元認知損傷的神經機制，并從元認知網絡和默認網絡間功能聯結的角度揭示了網絡間的平衡與精神分裂癥患者臨床癥狀的關系。研究論文發表于Human Brain Mapping。眾多臨床行為研究表明精神分裂癥患者存在自我認知的缺陷，不能很好地監控自己的內部狀態。這種損傷和患者的臨床癥狀緊密相關，且可以預測患者半年甚至一年之后的臨床恢復狀況以及社會功能。因而元認知損傷是精神分裂癥認知損傷的重要表現。

元認知網絡和默認網絡之間的平衡與精神分裂癥臨床癥狀的關系（圖片來源于認知神經科學與學習國家重點實驗室網站）

實驗流程及行為和腦成像元認知損傷結果（圖片來源于認知神經科學與學習國家重點實驗室網站）

多智能體協作研究進展

北京大學工學院謝廣明教授與合作者在多智能體系統的編隊控制研究方面取得進展。相關成果發表于IEEE Transactions on Automatic Control。針對二階動態描述個體的系統，提出一種基于極限環設計的控制協議，來實現平面上的任意編隊。該控制協議的優點之一是能夠在個體的局部坐標系下應用，因此個體只需要知道局部信息，而不需要全局信息和全局坐標系；優點之二是它保證了在形成期望編隊的過程中，個體之間不會發生碰撞?；诖?，在團隊自主研發的多仿生機器魚系統和多四旋翼無人機系統上分別進行了編隊實驗，驗證了所提出的編隊控制協議在實際系統中的可行性和有效性。

基于深度學習的航拍圖像目標檢測研究進展

中國科學院沈陽自動化研究所光電信息技術研究人員提出了去除航拍圖像檢測結果中誤檢目標的方法，并針對航拍圖像特性設計了相應的檢測網絡。研究成果發表于Sensors。該研究從去除檢測結果中誤檢目標的角度出發，提出Dual-NMS算法，通過統計各個檢出目標周圍生成檢測框的密度和相應的分類置信度，實現自主地去除檢測結果中的誤檢目標，提高了檢測結果精度。進一步將誤檢目標的判斷結果作為網絡訓練的約束項，從根本上加強了檢測網絡提取待檢測目標抽象特征的能力。此外，該研究還將目標間的相關性引入檢測網絡，增強了該方法對目標的檢出能力。

揭示視覺注意的無意識操縱可影響個體風險選擇

中國科學院行為科學重點實驗室李紓研究組的饒儷琳青年特聘研究員等人為探究視覺注意與風險決策之間是否存在因果關系，使用眼動技術，采用不為被試所覺察的基于注視的操縱方式，以考察視覺注意對風險決策的影響。研究成果發表于Cognition。實驗1中，研究者基于選項進行視覺注意的眼動操縱。實驗2中，研究者基于選項維度進行視覺注意的眼動操縱。實驗3驗證了視覺注意操縱的有效性和穩定性。研究結果為風險決策的理論發展指明新方向，未來理論應考慮能夠同時解釋基于選項和基于維度的視覺注意的動態模型。此外，該研究結果還啟示人們通過監測個體的注意分配，可以輔助個體更好地進行決策。

化石研究

巨猿是猩猩家族的早期成員

山東大學文化遺產研究院王偉教授與哥本哈根大學Enrico Cappellini教授帶領的科研團隊，在距今193萬年的巨猿化石中成功提取遺傳信息，并確認了這個早已滅絕的物種與亞洲猩猩存在密切的演化關系，這是在亞熱帶地區的化石中首次提取年代如此古老的蛋白質證據。研究論文發表于Nature。利用古代蛋白質測序技術，研究人員從190萬年前的巨猿牙齒中成功獲取了遺傳信息。首次從來自亞熱帶地區如此古老的化石中成功提取遺傳信息。研究表明，巨猿這一曾經生活在我們這個星球上最大的靈長類動物，與現在生活在東南亞地區的亞洲猩猩具有最為密切的親緣關系；巨猿大約在1200萬年前從猩猩的家族中分離出來，并獨立演化。

出自廣西田東縣布兵村吹風洞的一枚巨猿牙齒化石（圖片來源于山大視點）

遺傳信息研究（圖片來源于山大視點）

內蒙古3億年前“植物龐貝”發現左旋纏繞植物

中國科學院南京地質古生物研究所王軍研究員等與捷克西波西米亞博物館Josef Psenicka及美國斯坦福大學Kevin Boyce教授等合作，發現了一種新的纏繞植物化石。這是地質歷史上第二例纏繞植物化石，該發現將植物纏繞習性的出現追溯至3億年前的晚古生代。研究論文發表于Current Biology。在內蒙古烏海市烏達煤田，因火山噴發活動，降落的火山灰原地埋藏了一距今約3億年的沼澤森林。其保存方式與意大利龐貝城頗為相似，因此稱之為中國“植物龐貝”。據推測，纏繞植物和宿主植物在生活時期應當還一同攀爬在一棵樹上，這種“雙重攀爬”現象顯示出早二疊世沼澤森林群落生態已經具有了非常高的復雜性。

真馬演化事件研究進展

中國科學院古脊椎動物與古人類研究所鄧濤研究員團隊開展真馬事件與中國真馬早期適應輻射的研究，回顧了中國古馬型真馬的分類和研究現狀。研究論文發表于Frontiers in Ecology and Evolution。古馬型真馬（Stenonid）是舊大陸最早的真馬（Equus），其出現被稱作真馬事件（Equus Datum）。這一事件被視為第四紀開始的標志，和發生在舊大陸的一系列重大的地質、環境與生態事件相關聯。地質歷史中最原始的真馬肖肖尼馬（Equus shoshonensis）發現于北美大陸的上新世地層當中，其后代于距今258萬年前的白令陸橋開通事件中入侵舊大陸，開啟了第四紀時期真馬在世界五個大洲走向繁榮的歷史篇章。

植物化石揭示青藏高原西端的干旱化過程

中國科學院西雙版納熱帶植物園周浙昆研究員等人對札達在盆地北部香孜地區上新統地層中發現的一批微小的葉片化石進行研究，研究成果發表于Science China Earth Sciences。札達香孜地區上新世時的植被以高原灌叢為主，錦雞兒、繡線菊、栒子、金露梅、沙棘等小型落葉灌木是組成群落的主要成分。基于化石類群及葉片形態特征組合，利用共存分析法和葉相-氣候多變量程序分析法定量重建了該地上新世時的古環境。結果表明該地區海拔在上新世時已與現在相近，但溫度和降雨量均高于現在，并有明顯季節性降水差異。上新世以來亞洲中部的干旱化，可能是該地植被從高原灌叢逐漸轉變高原荒漠的驅動因素。

青藏高原的生長塑造了現代生物多樣性

中國科學院古脊椎動物與古人類研究所鄧濤研究員領銜與合作者撰寫了綜述文章，展示了青藏高原是現代生物多樣性形成的演化樞紐。該論文發表于《中國科學：地球科學》。文章通過綜合新生代高原古生物重要類群的演化歷史，總結了在高原生長影響下的3種生物演化模式：土著物種本地起源、本地起源并“走出西藏”、途經西藏地區的洲際擴散，突出了青藏高原在現代生物多樣性形成過程中的“演化樞紐”的地位。這是第二次青藏高原綜合科學考察研究啟動以來，以大量實證資料為基礎的、對高原生長與生物演化耦合關系的首次系統表述。為認識高原隆升的資源環境效應提供了十分重要的科學證據。

魚類和哺乳動物“土著物種本地起源”模式（圖片來源于中國科學院古脊椎動物與古人類研究所網站）

以臭椿和攀鱸為例展示“途經西藏地區的洲際擴散”模式（圖片來源于中國科學院古脊椎動物與古人類研究所網站）

緬甸琥珀中的空中食蟲鳥

中國地質大學（北京）邢立達副教授領銜、加拿大薩斯喀徹溫省皇家博物館瑞安·麥凱勒教授（Ryan C. McKellar）、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所美籍研究員鄒晶梅（Jingmai K. O’Connor）與英良世界石材自然歷史博物館執行館長鈕科程等學者組成團隊，對緬甸琥珀中發現的一件特別的古鳥化石開展研究，研究成果對理解古鳥類的多樣性和羽毛的演化有重要意義。研究論文發表于Scientific Reports。標本具有大而彎曲的腳爪，腳爪較扁，橫截面形態和現生樹棲鳥類相似，而不同于地棲類；標本的遠端趾節相對較長，這是樹棲鳥類才具有的特征，而地棲鳥類近端趾節較長。

寒武紀早期不同高肌蟲附肢結構的差異揭示了干群真節肢動物軀體模式的多樣化

云南大學云南省古生物研究重點實驗室侯先光研究員、劉煜研究員等與國內外合作者，對世界自然遺產“澄江生物群”中的高肌蟲類化石進行了全新的形態學研究，相關論文發表于Communications Biology。以介殼形態為基礎而進行的寒武紀節肢動物的分類學工作，由于未能全面地涵蓋軟軀體形態信息而存在嚴重偏頗，并且極大地低估了早期節肢動物，尤其是雙瓣殼類節肢動物的物種多樣性。該研究也從另一個方面表明，早期節肢動物已經通過進化輻射，獨立地演化出各種各樣的身體形態，以適應和占據不同的生態環境。

白堊紀緬甸琥珀中發現最早的有花植物昆蟲傳粉證據

中國科學院南京地質古生物研究所王博研究員、李建國研究員等人和美國David Dilcher教授合作，在白堊紀中期（約1億年前）緬甸琥珀中發現了真雙子葉植物經花蚤科甲蟲進行傳粉的直接證據。研究論文發表于PNAS（美國科學院院刊）。該研究結果證實了許久以來學者們關于白堊紀甲蟲是早期被子植物傳粉者的猜想，填補了早期被子植物蟲媒授粉證據的空白，為解答達爾文的“討厭之謎”提供了一個關鍵證據。被子植物（有花植物）是當今最繁盛的植物類群?；涗涳@示被子植物在白堊紀中期突然大量出現。達爾文將這一“反常現象”稱為“討厭之謎”。