科技名刊精選

《自然》

具備連續手性的光激活領結形納米自組裝體

《自然》封面：分層組裝成納米帶的納米片，它們堆疊在一起扭轉成領結形狀?！蹲匀弧冯s志第7952期封面文章報道了使用自組裝納米片制備領結形微粒，用于檢驗手性的幾何量測量是否適用于化學結構。這些納米片能分層組裝成納米帶，堆疊在一起并扭轉成領結形狀，扭轉方向則取決于組成納米片分子的手性測量，并保證領結的扭轉角度精準可控。研究還發現，不同的領結形顆粒因其手性不同，與圓偏振光的相互作用也不同。通過把它們的領結顆粒打印在織物上，創造出了可作為激光雷達基準標記的光激活超表面。

密集強化學習用于自動駕駛汽車的安全性驗證研究

《自然》封面：人工智能（AI）駕駛測試?！蹲匀弧冯s志第7953期封面文章報道了如何訓練一款可用于測試人工智能司機的AI。阻止自動駕駛汽車上路行駛的一個主要障礙在于如何確保取代人類的AI司機足夠可靠。研究人員使用密集深度強化學習訓練了這個AI測試儀，可使這個AI測試儀忽略安全場景并構建一個關注潛在危險場景的測試環境。研究團隊隨后利用增強現實技術成功測試了一輛真車。當這部自動駕駛汽車在車道上行駛時，它需要應對測試儀設計的各種虛擬危險場景。這一系統能將AI司機安全性評估的效率提升幾個數量級。

中世紀斯瓦希里沿海人群交織的非洲和亞洲遺傳根源研究

《自然》封面：斯瓦希里祖先。《自然》雜志第7954期封面文章報道了埋葬在中世紀和近代早期沿海斯瓦希里石頭城中80名個體的DNA測序研究結果。中世紀生活在東非斯瓦希里海岸的人群是撒哈拉以南非洲最早信奉伊斯蘭教的人群之一。大約公元1000年前，沿著東非海岸生活的非洲女性和亞洲男性已經開始融合，而且最早的亞洲移民大部分源自波斯。最早亞洲移民的祖先約有十分之一來自印度。這些發現與《基爾瓦編年史》（Kilwa Chronicle）一致?！痘鶢柾呔幠晔贰肥怯伤雇呦＠镅睾Ｈ巳褐v述的最古老故事。

空氣污染物會促進肺腺癌發展

《自然》封面：污染的空氣。《自然》雜志第7955期封面文章報道了顆粒物在促進非小細胞肺癌發展中的作用，發現污染情況下的癌癥發生符合貝倫布魯姆（Berenblum）模型。研究團隊專門分析了PM2.5這類小于2.5微米、常見于煙霧和汽車尾氣的細顆粒物。通過對4個國家和地區的近3.3萬人開展研究，他們發現從不抽煙的人群長期暴露在PM2.5中和肺癌發展之間存在明確關聯。研究團隊通過對小鼠的觀察發現，PM2.5似乎能在肺細胞內誘導免疫細胞的涌入，并釋放白細胞介素-1β這種信號轉導分子，這會使炎癥加重，在正常組織的細胞內促進腫瘤發展。

（本頁期刊封面圖來自《自然》官網）

《科學》

從偽裝到警示的演化轉變：隱藏信號發揮關鍵作用

《科學》封面：一只爬行的高山蠑螈。《科學》雜志第6637期封面文章報道了兩棲動物。用鮮艷的顏色來警告捕食者遠離有毒的獵物，這是進化中的一個悖論。顏色鮮艷的生物比善于偽裝的同類更容易被捕食，它們如何存活足夠長的時間并對捕食者形成警告呢？研究者對兩棲動物抗捕食著色的進化轉變進行大規模分析，證實從偽裝到警示的進化轉變很少是直接性的，而往往涉及一個中間階段，即兼性地顯示顯著著色的隱色物種。這一研究可以豐富人們對生物警示語演變的理解。

新型二維材料——二維過渡金屬碳化物直接合成

《科學》封面：一張彩色增強掃描電子顯微鏡圖像，顯示折疊成微球形結構的新型材料二維過渡金屬碳化物?！犊茖W》雜志第6638期封面文章報道了通過金屬和金屬鹵化物與石墨、甲烷或氮氣的反應，展示了一種可擴展和原子經濟合成二維過渡金屬碳化物的直接合成路線。直接合成使地毯狀二維過渡金屬碳化物能夠通過化學氣相沉積方法生長，并通過屈曲和釋放形成復雜的球晶狀形態，以暴露新的表面進行進一步反應。直接合成的二維過渡金屬碳化物表現出優異的鋰離子嵌入儲能能力。通過直接合成提高現有二維過渡金屬碳化物的可擴展性能，有助于它們在許多前沿領域中的使用。

早期家馬分散在大平原和北落基山脈

《科學》封面：這幅巖石雕刻來自美國懷俄明州南部的托拉爾遺址，時間可能是在17世紀早期現代馬在北美廣泛傳播之后。《科學》雜志第6639期封面文章報道了大平原部落獲得馬匹的時間比一些歷史學家認為的要早。馬從北美進化而來，并通過白令海峽大陸橋散布到歐亞大陸，在歐亞大陸繼續進化并被馴化。它們于更新世晚期在北美滅絕后，重新被歐洲殖民者引入。泰勒等人研究了新舊世界馬的基因和考古樣本，沒有發現北美馬在更新世有直接祖先的證據；但他們確實發現了早在歐洲人到達北美西部之前，歐洲血統的馬就已經融入了當地土著文化。

雙鍵的識別引起脂肪酸受體偏好性信號轉導

《科學》封面：一個跨膜G蛋白偶聯受體被命名為“GPR120”，它與一個歐米茄-3（ω-3）脂肪酸配體二十碳五烯酸結合，用亮橙色表示?！犊茖W》雜志第6640期封面文章報道了GPR120的芳香族氨基酸識別不飽和脂肪酸雙鍵的機制，并使用生物化學與計算生物學等多種方法對其進行了詳細的探究。ω-3脂肪酸是一類人體無法合成但對身體有益的營養物質，臨床研究表明服用這類脂肪酸能健腦強腦、調節血壓、減少炎癥甚至降脂等，魚類中含有豐富的ω-3脂肪酸。相關研究同時為糖尿病、肥胖及炎癥等疾病的藥物開發和治療提供研究基礎。

（本頁期刊封面圖來自《科學》官網）

生物制造

新型“人工光細胞”

中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所高翔課題組與美國芝加哥大學田博之課題組合作，構建新型人工體系“人工光細胞”，通過將半導體材料吸收光能產生的電子有效轉化為生物能，他們使原本不能利用光能的工業發酵微生物得以有效利用光能。相關成果發表于《科學進展》（Science Advances）。研究團隊受自然界中材料-生物界面的啟發，例如厘米尺度的動物鱗片與表皮細胞，微米尺度鈣板金藻外殼材料與細胞之間，均形成具有保護功能的外殼材料。研究人員通過在大腸桿菌周質空間靶向合成半導體材料（納米光伏顆粒），將半導體材料吸收光能產生的電子高效轉化為細菌胞內的生物能。

高效生產秸稈基甲烷

上海交通大學生命科學技術學院白鳳武教授研究團隊基于雙腔電化學厭氧系統，實現了使用秸稈高產甲烷。相關成果發表于《化學工程期刊》（Chemical Engineering Journal）。綠色生物制造以木質纖維素為原料，具有低碳可再生的優點，而電化學厭氧系統僅須提供少量電能即可顯著提升發酵性能。研究團隊使用雙腔構造分隔電化學厭氧系統陰極與陽極，探究兩極各自的功能微生物群落遷移變化及對厭氧消化系統的影響。陽極富集的腸球菌等電活性細菌加速了秸稈降解，增強了陽極腔中以產甲烷八疊球菌為主的混合營養性產甲烷過程；陰極腔中腸球菌和產甲烷桿菌通過微生物種間直接電子傳遞的方式進行互營共生，增強了氫營養性產甲烷過程。

單克隆抗體標準物質研究

江蘇省農業科學院獸醫研究所畢振威等人研制出專門針對犬瘟熱病毒疫苗株的單克隆抗體，為建立以單克隆抗體為基礎的寵物用標準物質提供了生物材料和基礎。相關成果發表于《國際生物大分子雜志》（International Journal of Biological Macromolecules）。研究團隊制備了針對犬瘟熱病毒疫苗株的高中和活性單克隆抗體，作為中和用陽性標準品，用于寵物多聯多價活疫苗中犬瘟熱病毒疫苗株的鑒別檢驗和病毒含量測定；此外，這一單克隆抗體及其中和表位可用于疫苗和野毒株血清學的鑒別檢測，可避免野毒株抗體的干擾，使得對疫苗株的免疫抗體評價更加準確，為寵物用疫苗和診斷試劑的研制提供了候選單克隆抗體標準物質。

谷氨酸棒桿菌突變器構建

中國科學院天津工業生物技術研究所鄭平研究團隊在谷氨酸棒桿菌突變器構建，以及基因組連續進化技術開發方面取得新進展。相關成果發表于《核酸研究》（Nucleic Acids Research）。谷氨酸棒桿菌是一種重要的工業發酵菌種，已被廣泛用作氨基酸、有機酸等化學品高效合成的底盤。近年來，谷氨酸棒桿菌基因組編輯技術取得了重要突破，加速了新型高性能菌種的理性設計和改造?；谏鲜霾煌蛔冾l率的突變器，研究團隊通過適應性進化快速獲得了高濃度甲醇/糠醛耐受菌株及蛋白高表達菌株，并鑒定了新型甲醇耐受元件。相關研究成果為谷氨酸棒桿菌的進化工程研究提供了高效的工具。

信息科學

跨水空聲檢測研究

南京大學物理學院劉京京、梁彬、程建春等人提出并構建了具有高效水-空聲耦合功能的人工界面材料，實現了在空中對水下聲信息的高靈敏度遠程檢測。相關成果發表于《先進材料》（Advanced Materials）。雖然聲源和傳感器位于兩種不同的介質中，但是在人工界面材料的作用下，空氣中的傳感器可以等效為一個水下聲源附近的虛擬傳感器，對發射信號進行高質量檢測。這種新型材料由3層聲學結構組合而成，即兩側的共振匹配層和內部的相位調制層。共振匹配層有效地抑制了近場倏逝波模式的不利影響，使聲能近乎完全透射（與水氣界面相比聲能增透約864倍），而內部的相位調制層則可準確地引入隨結構參數線性變化的傳播相位延遲。

水下及跨水空聲檢測示意圖（圖片來源于南京大學新聞網）

基于隨機計算的神經網絡加速器

北京大學人工智能研究院類腦智能芯片研究中心李萌和集成電路學院王潤聲團隊在基于隨機計算的神經網絡模型-加速器電路協同設計研究方向取得進展。相關成果發表于《2023年歐洲設計、自動化、測試會議》（2023 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition）。神經網絡模型推理智能物聯網設備得到廣泛應用，涵蓋圖像識別、視頻處理、自然語言處理等多個任務。然而，網絡參數和計算量快速增加給計算和存儲受限的邊緣設備帶來新的挑戰。文章提出了一種新的神經網絡-隨機計算電路協同優化設計，這一設計在保持電路硬件效率的同時提高網絡精度，為隨機計算在邊緣計算神經網絡加速器中的應用提供基礎。

可解釋圖像生成研究

大連理工大學國際信息與軟件學院羅鐘鉉、雷娜等人將逆擴散視為不同階段的隱變量之間的最優傳輸問題，提出了快速統一學習框架，可以在大約10個逆擴散步內生成高質量樣本。相關成果發表于《2023年國際計算機視覺大會》（2023 IEEE International Conference on Computer Vision）。這個算法框架通過顯示求解數據隱變量和白噪聲之間的最優傳輸映射，獲得了從先驗分布到數據分布的最優軌跡，實現將深度生成模型部分白盒化，使模型具備幾何直觀和可解釋性，同時顯著緩解了模式混淆的問題。此外，論文中給出了這一方法的誤差界，從理論上保證了算法的穩定性，大量實驗也驗證了新型學習框架在圖像生成速度和質量等方面的優勢。

類腦脈沖神經網絡加速器“智脈·螢火”

中國科學院自動化研究所曾毅課題組提出新型脈沖神經網絡硬件加速器“智脈·螢火”(FireFly)，推動了類腦脈沖神經網絡邁向實用化的發展。相關成果發表于《超大規模集成（VLSI）系統的IEEE匯刊》（IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems）?！爸敲}·螢火”是人工智能平臺“類腦認知智能引擎‘智脈’（BrainCog)”在軟硬件協同方向上的階段性成果，為布局未來脈沖神經網絡在更為復雜的實際場景中的應用研究奠定了基礎。未來研究團隊將在硬件上針對器件優化、微架構設計和稀疏加速等方面持續提升“智脈·螢火”工作性能，并將其實際部署于現實場景中，完成如多任務多場景下的機器人環境探索等任務。

生命演化

古鳥類葉食性的起源研究

中國科學院古脊椎動物與古人類研究所吳妍、李志恒等人發現來自白堊紀木蘭類植硅體的新證據。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。研究人員從1.2億年前遼西熱河生物群古鳥化石胃容物中發現了被子植物早期分支木蘭類葉子的植硅體，首次證實了古鳥類葉食性的早期起源和演化；通過對一個完整熱河鳥化石個體的消化道材料的分析，發現了富集的古老植硅體。對這些古老植硅體形態類型的鑒定主要依據早期群落植硅體大數據的建立和完善，是植硅體分析方法應用于中生代脊椎動物的特異埋藏化石記錄研究的一次重要突破，這也為進一步拓展脊椎動物與環境協同演化研究提供了重要手段和途徑。

熱河鳥標本的線描、攝影和CL掃描（圖片來源于中國科學院古脊椎動物與古人類研究所網站）

揭示從古菌到噬菌體的進化過程

天津大學藥學院張雁教授等人發現并表征了Z堿基合成通路關鍵酶的變體，揭示了一個古菌到噬菌體的進化中間體，對Z基因組生命起源等的探索具有重要理論意義。相關成果發表于《自然·微生物學》（Nature Microbiology）。核苷酸的平衡受到嚴格的調控，以維持細胞正常的生命活動和脫氧核糖核酸復制的保真度。研究團隊通過序列相似性網絡分析發現了新變體，并根據其與有關底物結合位點的異同，認為它同樣利用三磷酸鳥苷作為能量供體。研究人員利用高分辨質譜、紫外光譜、顯色法等體外酶活檢測方法表征了5個不同物種來源的變體，解析了相關復合物的晶體結構，通過系統發育分析揭示了古菌的演化情況。

遺跡群落指示濁流引發的海底氧化事件及其動態過程

中國科學院南京地質古生物研究所晚古生代研究團隊鄭全鋒、曹長群等人對四川廣元上寺剖面上二疊統大隆組上段層序進行高精度沉積學和遺跡學研究。相關成果發表于《地質學雜志》（Geological Journal）。遺跡化石是指地質歷史時期生物在沉積物表面或其內部產生的各種生命活動記錄，包括足跡、移跡、潛穴、鉆孔和其他構造（如根系內模、蛋化石和糞化石等）。由單個底棲生物群落產生的遺跡化石組合稱為遺跡群落。遺跡群落是重建沉積環境、恢復古環境參數（如相對氧含量、水深、鹽度等）的有力工具。在這項研究中，研究人員重建了晚二疊世上寺地區貧氧盆地內濁流沉積過程中底棲生物定殖序列及其反映的海底動態氧化過程。

發現貂鼬新物種

北京大學地球與空間科學學院江左其杲與云南大學、楚雄彝族自治州博物館等單位的研究人員合作，針對發現于云南省楚雄彝族自治州元謀縣苴那地區的鼬類化石開展研究。相關成果發表于《遠古世界》（Palaeoworld）。元謀組被認為是目前我國西南地區第四紀哺乳動物和地層標定的主要來源之一，其可分為4段，巖石地層學分析表明這個標本產出層位為元謀組第三段，時代上大約屬于早更新世（距今約170萬—260萬年），化石點的巖性主要為河流沉積物與細褐色粉砂和灰砂互層。元謀組擁有中國南方最早的類人猿化石記錄，張氏貂鼬的發現不僅提供了與類人猿同時代的動物群中有關捕食者的信息,也提供了該類群與類人猿共存和相互作用的證據。

地球科學

微生物碳利用效率促進全球土壤碳儲存

清華大學黃小猛團隊聯合多個國家合作者基于深度學習方法合作揭示全球土壤碳儲存機制。相關成果發表于《自然》（Nature）。聯合研究團隊以微生物碳利用效率為變量，整合了微生物過程對土壤有機碳儲存的雙重控制機制，探討了其與全球土壤有機碳儲量的關系。團隊基于自主開發的“過程驅動和數據驅動融合的深度學習建?！狈椒?，將站點尺度的數據-模型融合結果擴展到全球尺度，獲取了包括微生物碳利用效率在內的7類土壤碳循環過程的空間分布格局，并定量評估了它們對全球土壤有機碳儲量和空間分布的相對貢獻。研究結果顯示了微生物碳利用效率在全球呈現低緯度低值和高緯度高值的格局。

糧食系統增效是我國實現碳中和的關鍵

北京大學環境科學與工程學院戴瀚程等人與國內科研人員合作，基于自主構建的綜合評估模型體系，探索了大規模生產生物質能如何助力中國碳中和目標實現而不對國內外可持續發展產生負面影響。相關成果發表于《自然·食品》（Nature Food）。為應對氣候變化而大規模種植能源作物會引發與土地相關的多維可持續性問題，包括糧食安全、水資源短缺等。研究發現，為消除生物質能擴張對我國糧食安全的壓力和跨境環境負擔轉移，需要多措并舉，通過適當放松糧食貿易約束、糧食損失和浪費減半、轉向健康的飲食、合理提升作物單產，促進糧食生產和消費系統提質增效，方可同時實現碳中和、糧食安全和全球可持續性的三重目標。

赤潮長期變化研究

自然資源部第三海洋研究所陳寶紅課題組與廈門大學高亞輝課題組合作，在中國海域夜光藻赤潮長期變化研究方面取得新進展。相關成果發表于《全球變化生物學》（Global Change Biology）。赤潮又稱有害藻華，是一種自然現象，也是生態系統失衡的表現。從1933年到2020年，共計有265次有記錄的夜光藻赤潮發生在中國沿海。溫度、富營養化和氣象通常被認為是影響赤潮發生的關鍵因素。但對于夜光藻（異養型甲藻）來說，富營養化并不能直接影響其生長，浮游植物（食物）的可獲得性才是夜光藻增殖的關鍵。此外，由風、海流等物理因素所導致的藻細胞被動聚集也是夜光藻赤潮發生的原因之一。

最古老巖石揭示40億年前的特殊構造體制

中國科學院地質與地球物理研究所李獻華院士研究團隊與國內外學者合作，對全球出露的最古老巖石——加拿大西北部約有40億年歷史的阿卡斯塔TTG巖石（TTG系列的巖石指奧長花崗巖、英云閃長巖和花崗閃長巖）進行了系統定年，應用自主研發的超高精度同位素分析等技術，獲得了這些巖石的鋯石、石英和全巖的高精度硅-氧同位素數據。相關成果發表于《科學進展》（Science Advances）。他們在系統歸納已發表的相關數據基礎上，通過詳細的數據分析篩選，揭示地球早期巖石樣品硅同位

素組成的規律性變化：40億年的TTG巖石的硅同位素組成偏輕，與顯生宙巖漿巖硅同位素組成趨勢相當；顯示重硅同位素組成的TTG從38億年開始出現。