環境DNA揭示格陵蘭200萬年前的生態系統等

環境DNA揭示格陵蘭200萬年前的生態系統

《自然》封面：北格陵蘭部分地區約200萬年前曾經富饒的生態系統藝術概念圖。《自然》雜志第7939期封面報道了由古DNA重建而成的生態系統。研究團隊在北格陵蘭的皮里地島開展科考工作，從5個不同地質遺跡采集了有機質富集的沉積樣本。通過對這些樣本的DNA進行提取和測序，研究人員繪制出了200萬年前動植物所生活的世界，證明了這里曾是北方疏林，有著如雪松、云杉、樺樹等北極物種，還有野兔、乳齒象、馴鹿、鵝等動物曾共同存在過的跡象。這些證據證實，格陵蘭這片如今已成極地荒漠的地區，過去的溫度比今天的要高很多，而這里曾經的生態系統構成如今已難覓蹤影。

螞蟻蛹蛻皮液演化出社會功能

《自然》封面：畢氏粗角蟻正在照料蟻蛹和小幼蟲。《自然》雜志第7940期封面文章報道了與昆蟲生命周期中靜止的蛹期有關的、此前未受注意的社會行為。螞蟻是社會性昆蟲，其種群是擁有復雜交流、行為和合作的復合生物系統。在羽化之前，蛹會分泌一種富含營養的蛻皮液，類似哺乳動物的乳汁，這種液體會被成蟲和成蟲放在蛹上的幼蟲快速消耗。研究發現，無法獲得這些液體的幼蟲表現出生長遲滯、生存率低；同樣的，如果不去除蛹上的分泌液，它們就會因真菌感染而死。此外，這些液體含有激素和精神活性物質，可能會影響整個種群的生理機能和行為。

論文與專利的突破性隨時間而減少

《自然》封面：知識網絡的活躍度下降，封面用愈加簡化和褪色的模擬線條來表示。《自然》雜志第7942期封面文章報道了知識增長并未帶來類似的一系列重大進步，提出一些較大領域出現了進展放緩的跡象。研究團隊通過分析過去60年間發表的4500萬篇論文和390萬個專利的數據，見證了過去幾十年新科學技術知識在數量上的指數級增長。他們發現，研究論文和發表專利對現狀的突破性變少了，這造成了知識網絡的活躍度下降。研究團隊認為，突破速度的減慢或標志著科學技術性質的一次根本性轉變。

顆粒形狀對推移質輸沙率的影響

《自然》封面：沿著沙漠、河流或海岸移動的泥沙能遠距離運送大量顆粒物質。《自然》雜志第7943期封面報道了輸沙模型研究。雖然許多模型都考慮了顆粒大小，但顆粒形狀對于泥沙移動可能也有顯著影響，這或能解釋之前模型與實測間的差異。在研究過程中，研究團隊先建立了一種理論，這一理論考慮了顆粒形狀對拖曳力和摩擦力的作用。在實驗室驗證了這一理論后，團隊又提出了一個形狀校正輸沙定律，他們相信這一定律能對天然泥沙顆粒進行更準確的計算。這種移動機制對于河流和海岸修復、緩解污染，乃至理解其他星球過去和現在的氣候具有廣闊的應用背景。

（本頁期刊封面圖來自《自然》官網）

可實現完成競賽級別的代碼生成任務的人工智能

《科學》封面：一個人工智能系統。《科學》雜志第6624期封面文章報道了在代碼生成任務中實現可以與人類競爭水平的人工智能系統。讓人工智能實現編程有著許多挑戰，尤其是即使對于同一個問題，可提供的解決方案也可能看起來截然不同，而如何對部分正確或不正確的程序進行判斷，是非常困難的工作。研究人員選用廣泛且簡潔的競爭性編程數據集，以便進行訓練和評估。他們采用大型且具備高效采樣能力的架構，通過大規模模型抽樣來縮小探索空間，并根據程序行為對一小組提交內容進行過濾。這一模型可以通過合成計算機程序來解決一些挑戰性問題。

玻璃蛙將血液隱藏在肝臟中以保持透明

《科學》封面：一只偽裝的弗氏玻璃蛙躺在一片綠色樹葉上睡覺。《科學》雜志第6626期封面文章報道了玻璃蛙是如何使自己透明的。為了保持身體組織的透明度，這些玻璃蛙將大多數吸收光的紅細胞從循環中移除，并將它們隱藏在自己的肝臟中。玻璃蛙的尺寸只有幾厘米，而且它們在晚上最活躍，因為綠色皮膚有助于它們與周圍的樹葉和枝葉融為一體，但是這類兩棲動物在白天睡覺的時候會成為真正的偽裝大師。通過了解更多玻璃蛙的生理和行為，科學家或許可以使用這些研究模型來優化生物醫學工程的成像工具。

21世紀全球冰川變化帶來巨大影響

《科學》封面：尼泊爾昆布冰川的融水通過一個冰洞流出來。《科學》雜志第6627期封面文章提出現在必須采取行動以減少冰川流失。研究發現，到21世紀末，由于未來的溫室氣體排放，預計全球49%至83%的冰川將消失。研究團隊通過計算表明，冰川流失的質量和對海平面上升的貢獻將比目前估計的要大得多。考慮到冰川質量損失與溫度變化直接相關，溫度的每一次升高都十分重要。隨著冰川對氣候變化做出反應，人類社會必須適應水資源供應、自然災害和海平面的一系列變化。文章最后強調了現在采取行動防止冰川大量流失的必要性。

揭開面紗

《科學》封面：一顆距離地球700光年的恒星發出的光。《科學》雜志第6628期封面文章報道了薄霧會使行星的大氣層變得模糊，但在實驗室中的重建研究可以幫助解開它們的秘密。一些研究人員轉而關注系外行星云，比如普渡大學的大氣科學家在研究云和霧如何在外行星上相互作用，即霧粒子是否可能通過為氣體凝結提供“成核點”來促進云的形成。與此同時，美國宇航局艾姆斯研究中心的科學家正在為不同的團隊建立一個中央數據庫，以容納他們的光學測量結果。研究者克雷德伯格認為，這個星球有點像一頭白鯨，大家已經追逐它的秘密超過10年了。

（本頁期刊封面圖來自《科學》官網）

超構表面微型高光譜成像研究

中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所李輝團隊與光電技術研究所郭迎輝團隊合作，研發了一種基于超構表面的微型高光譜成像器件。相關成果發表于《納米尺度》（Nanoscale）。科研人員提出并驗證了準隨機超級單元構成的計算型高光譜超構表面設計方法。準隨機超級單元具有嚴格的對稱性，光譜器件的偏振敏感性較低，因此由準隨機超級單元構成的光譜器件可以更好地應用于復雜的工作環境。而超級單元的周期打破了亞波長尺度的限制，設計自由度由此得到顯著提升，極大豐富了單元結構的種類，使選擇的單元結構對應的透射光譜滿足了壓縮感知算法的需求，同時也降低了超構表面的加工難度，縮減了器件加工的成本和周期。

超構表面超級單元的設計（圖片來源于中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所網站）

高性能多模式彈熱制冷系統

西安交通大學能源與動力工程學院錢蘇昕與國內外科學家合作，在固態制冷方向取得新成果。相關成果發表于《科學》（Science）。彈熱制冷是利用形狀記憶合金在單軸應力作用下發生可逆相變，并利用這一相變潛熱制冷的新型固態制冷技術。與傳統蒸氣壓縮制冷相比，彈熱制冷具有零溫室氣體排放、高體積能量密度、易于回收利用等優勢，目前公開報道的彈熱制冷機屈指可數。研究表明，利用因子決定了管束工質中彈熱效應兩種釋放途徑的比例，其中一部分彈熱效應可被傳熱流體帶走用于制冷，而另一部分彈熱效應需要留在管束工質內部，用于維持工質在傳熱流體流動方向的溫度梯度，而最佳利用因子反映了兩者之間的競爭關系。

脈沖放電等離子體技術驅動重油轉化

中國科學院電工研究所極端電磁環境科學技術研究部邵濤研究團隊研究了等離子體-重油的轉化規律與反應機理。相關成果發表于《化學工程期刊》（Chemical Engineering Journal）。全球石油資源重質化趨勢不斷加劇，如何高效、清潔地利用重油資源已成為煉油工業亟須解決的問題。等離子體技術無需催化劑和高溫高壓反應條件，具有原料適應性強、工藝流程短、碳排放低、啟停迅速、易與可再生能源匹配等突出優勢，是重油轉化利用的新方向。新工藝利用溫度較高的脈沖火花放電等離子體開展重油裂解技術研究，揭示了脈沖放電過程的快速加熱與降溫機制，實現了一步裂解重油制備乙炔。

超快激光等離激元分子調節加工制造光響應微納多功能結構

清華大學機械系閆劍鋒等人在超快激光微納制造領域取得新進展。相關成果發表于《先進材料》（Advanced Materials）。超快激光具有超快、超強和超精密的特點，在機械制造、生物醫學、能源等領域具有應用潛力。超快激光在納米材料及微納功能器件加工中具有獨特優勢，實際應用中復雜結構的可控加工是激光制造難點之一。研究團隊提出了基于超快激光等離激元分子調節實現自下而上的微納功能器件加工制造策略，并揭示了激光誘導等離激元與材料的非線性作用機理，利用超快激光激發納米腔等離激元效應，實現納米晶的跨尺度互連結構加工，并在此基礎上制備出信息加密和光熱驅動器等微納功能器件。

小鼠單神經元樹突形態和軸突投射的關系研究

中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心（上海腦中心）嚴軍研究組通過重構和分析小鼠前額葉皮層單神經元的樹突和軸突完整形態，刻畫了前額葉皮層投射神經元樹突的多樣性和形態類型，揭示神經元樹突形態與軸突投射的關系，重構了前額葉皮層投射神經元類型之間的聯接網絡。相關成果發表于《自然·神經科學》（Nature Neuroscience）。論文通過全面重構和分析小鼠前額葉皮層單神經元的樹突和軸突形態，發現一系列新的樹突類型；通過樹突-軸突聯合分析，揭示樹突和軸突形態的關系；最后，利用樹突和軸突的空間分布，建立和分析了前額葉皮層神經元類型之間的聯接網絡。

神經元樹突和軸突形態的完整重構（圖片來源于上海腦科學與類腦研究中心網站）

人類智力障礙的分子機理研究

饒毅實驗室賈曉波、祝婕敏和卞希玲等人制造了SLC6A17基因敲除的小鼠，并按照人類智障的突變位點制造了小鼠的點突變株，功能研究SLC6A17轉運蛋白及其導致智力障礙突變揭示突觸囊泡中谷氨酰胺的重要性。相關成果發表于《e生命》（eLife）。研究發現，無論是基因缺失還是人類智障相應的點突變，都出現小鼠學習缺陷。這些結果顯示SLC6A17造成智障的點突變都是基因或蛋白質功能缺失所致。研究人員分離了神經細胞的突觸囊泡，用質譜、抗體和電子顯微鏡分析都證明SLC6A17蛋白質存在于其中。SLC6A17的神經細胞的突觸囊泡富集了谷氨酰胺，谷氨酰胺減少可能是人類智障的關鍵致病機理。

生物運動的多維度屬性在人腦中的層級加工關系

中國科學院心理研究所腦與認知科學國家重點實驗室蔣毅研究組的科研人員利用功能磁共振成像技術探究人腦對生物運動多維度屬性的加工機制。相關成果發表于《大腦皮層》（Cerebral Cortex）。生物運動信息包含多維度屬性？如方向、速度等物理屬性，性別、年齡等生物屬性，情緒、意圖等社會屬性。大腦如何同時從具有多維度屬性的生物運動刺激中提取每種屬性，不同屬性的加工之間是否存在關聯？這都是科學家感興趣的話題。相關研究首次定位了生物運動多維屬性的腦表征網絡，并揭示了不同維度特征加工的層級結構關系，為進一步理解生物運動信息加工的腦機制提供了重要線索。

開發食蟹猴長時程培養體系揭示靈長類早期器官發生調控機制

省部共建非人靈長類生物醫學國家重點實驗室/昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院譚韜/陳永昌/季維智團隊、中國人民解放軍總醫院/血液與健康全國重點實驗室劉兵團隊及美國得州西南醫學中心吳軍團隊合作，開發了一種能夠支持食蟹猴胚胎體外發育至早期器官發生的三維培養體系。相關成果發表于《細胞》（Cell）。在過去20年中，中國和全球靈長類研究人員共同努力，使得靈長類生物醫學研究在科學性、廣泛性和應用性方面變得更加成熟和有效。論文系統研究了非人靈長類從原腸胚形成到早期器官發生過程的重要細胞組成及譜系分化軌跡，研究結果將有助于了解人類胚胎發育畸形孕早期流產。

2022年瀘定6.6級地震是一次發生在磨西地震空區的陸內強震

中國地震局地球物理研究所張龍、房立華等人與國內外合作者對2022年9月5日四川瀘定地震的主震震源參數、破裂過程，以及余震時空分布進行了深入分析。相關成果發表于《地震研究快報》（Seismological Research Letters）。這次地震發生在鮮水河斷裂帶最南段的磨西地震空區，地處鮮水河—安寧河—龍門山3條斷裂帶的交匯區，是中國大陸近8年來人員傷亡最嚴重的一次地震。余震活動為研究斷層結構和滑動行為提供了豐富的資料，從而可以理解此次地震的發震機理，分析這一區域未來的地震危險性。這進一步警示了主斷層外的地震危險性，后續應在貢嘎山地區加強地震觀測研究，更加細致地刻畫斷層幾何與震后過程。

瀘定地震主震對余震的庫倫應力加載（圖片來源于中國地震局地球物理研究所網站）

青藏高原中部古高度重建的新證據

中國科學院地質與地球物理研究所孫繼敏及其合作者對青藏高原中部倫坡拉盆地的丁青組上部地層開展了丁青組年代、古環境與古高度重建。相關成果發表于《全球和行星變化》（Global and Planetary Change）。目前，科學界對于青藏高原何時達到其隆升的最大高度，或者不同時期、不同構造單元的古高度重建仍然存在很大爭議。倫坡拉盆地的新生代地層（牛堡組與丁青組）出露厚度大、動植物化石豐富并夾有多層凝灰巖，是開展古高度重建的理想地區。研究發現，即使經過晚中新世古氣候和古氣溫梯度的校正，倫坡拉盆地在1200萬年前的最大湖面高度不超過3400米。青藏高原中部在1200萬年以后仍有1200米左右的隆升。

利用數據驅動機器學習破譯冥古宙板塊構造樣式之謎

中國地質大學成秋明院士團隊開展數據驅動地球科學與深時數字地球方向的最新研究。相關成果發表于《地質》（Geology）。破譯地球早期地殼組成和形成的大地構造背景是回答板塊構造啟動時限及板塊構造樣式如何隨時間推移而演變的關鍵；但由于后期地質作用的疊加不斷破壞，造成冥古宙地殼巖石很難保存至今。研究創新性地提出了一種基于半監督機器學習的鋯石化學“指紋”大數據分析方法；通過機器學習方法與鋯石化學成分大數據來訓練計算機，使計算機能夠自動識別一些典型構造環境（例如弧、地幔柱熱點和裂谷等）中形成的鋯石，以及區分I型或沉積S型巖漿中結晶的鋯石。

解密埃迪卡拉紀海洋磷循環

成都理工大學李超教授團隊與國內外合作者重建了地質關鍵期埃迪卡拉紀（635-539 Ma）古海洋溶解磷含量演化過程。相關成果發表于《自然》（Nature）。研究發現了埃迪卡拉紀海洋生命營養元素磷含量和海洋氧化程度之間具有不同于現代海洋的解耦關系，提出了海洋外部因素是驅動埃迪卡拉紀海洋乃至整個早期地球海洋從缺氧向氧化轉變的原始動力假說，這一成果揭示了前寒武紀海洋維持漫長缺氧狀態的根本原因和早期地球缺氧海洋最終實現氧化的根本機制，深化了人類對于地球宜居性演化和復雜生命演化規律的理解，對于早期地球海洋環境下相關礦產資源和油氣資源的形成和勘查也有重要的啟示意義。

蚊蟲全生物操作防控新概念

中國科學院動物研究所王關紅團隊撰寫綜述文章，從共生體的角度重點研究了微生物群、蚊蟲和病原體三者間的相互作用。相關成果發表于《國際微生物生態學會雜志》（The ISME journal）。近年來，多種因素導致蚊蟲及其傳播的疾病在全球范圍內的分布進一步擴大。文章回顧了重要微生物對蚊蟲宿主的生理影響，探討了蚊蟲共生體與蚊媒病原體感染之間的相互作用，例如微生物群誘導的宿主免疫激活和沃爾巴克氏體介導的病原體阻斷；接著討論了蚊蟲宿主和生態因素對其微生物群的潛在調節作用，尤其是對初始微生物群獲得和組成的影響；最后，對蚊蟲共生體未來的研究方向進行總結展望，對新興的蚊蟲或蚊媒疾病防控技術進行了分析。

共生體操縱用于蚊蟲防控和病原體傳播的一般策略（圖片來源于中國科學院動物研究所網站）

植物-昆蟲群落多樣化的新假說

北京師范大學生命科學學院廖萬金教授團隊針對植物-昆蟲群落多樣化提出了“宿主資源豐富度”和“擬寄生者種間競爭”兩個新假說；并通過實驗驗證，提出了高營養級昆蟲的種間競爭驅動了植物-昆蟲群落多樣化的新觀點。相關成果發表于《生態學》（Ecology）。研究發現，寄生傳粉榕小蜂的擬寄生榕小蜂物種比造癭榕小蜂的擬寄生榕小蜂物種多，意味著寄生傳粉榕小蜂的擬寄生者之間具有更強的種間競爭。相比于與傳粉榕小蜂，擬寄生榕小蜂與造癭榕小蜂之間具有更一致的系統發育關系和更少的宿主轉移事件。這表明擬寄生者的種間競爭而不是宿主昆蟲的資源豐富度是三營養級群落協同多樣化模式的主要驅動力。

適度氧化降低油菜蜂花粉致敏性機制研究

中國農業科學院蜜蜂研究所蜂產品質量與風險評估團隊吳黎明等人探究了氧化誘導對油菜蜂花粉過敏原空間構象及過敏原性的影響機制，對低致敏性蜂花粉的開發及應用具有指導意義。相關成果發表于《食品化學》（Food Chemistry）。研究表明，氧化處理使過敏原蛋白發生聚集，并將過敏原上第98號位半胱氨酸殘基的游離巰基不可逆磺化為更穩定的半胱氨酸衍生物。同時，過敏原的二級和三級蛋白結構發生改變，抗原表位被破壞，致敏性顯著降低。研究人員進一步將相關方法應用于油菜蜂花粉樣品中，發現適度氧化處理可顯著降低油菜蜂花粉的致敏性，而不影響油菜蜂花粉中抗氧化成分酚酸、黃酮類的含量及其抗氧化性。

構建全球蟲媒病毒與節肢動物特異性病毒綜合信息數據集

中國科學院武漢病毒研究所生物安全大科學中心袁志明、夏菡等人在蟲媒病毒生態健康和生物安全領域開展研究。相關成果發表于《科學數據》（Scientific Data）。蟲媒病毒能在脊椎動物和節肢動物中復制，對人類或動物具有致病性。節肢動物特異性病毒僅在節肢動物中復制，它們可能是蟲媒病毒進化的起源，但是目前沒有涵蓋所有已知蟲媒病毒和節肢動物特異病毒種類等信息的綜合數據集。研究詳細展示了蟲媒病毒和節肢動物特異病毒間的基因組節段差異、生物安全風險建議等級、病毒及其節肢動物媒介的全球分布、宿主來源等特征，為深入理解蟲媒病毒和節肢動物特異病毒的相互作用、進化規律和風險評估提供了豐富的數據資源。