科技名刊精選

《自然》

快速生長的珊瑚礁魚類的演化

《自然》封面：無須鳚，一種珊瑚礁魚類?！蹲匀弧冯s志第7964期封面文章報道了多樣性高、數量豐富且生長迅速的珊瑚礁魚類的演化史，以了解珊瑚礁上的生命是如何被塑造的。研究團隊分析了大量物種，發現演化轉變帶來更快的生長速度，這些轉變發生在6000萬～4000萬年前的整個始新世時期，當時全球溫度相當高。研究結果表明，更溫暖的海洋可能讓魚類向著體形小、快速生長的方向演化，而珊瑚礁的后續發展讓這些魚類保留了下來。因此，全球高溫和棲息地重新配置等因素可能對珊瑚礁生態系統的魚類區系發揮影響作用。

實現容錯量子計算前的量子計算應用證據

《自然》封面：錯誤緩解讓量子計算成為焦點?！蹲匀弧冯s志第7965期封面文章報道了通過錯誤緩解而不是糾錯，量子計算機仍有可能超越經典計算機。量子計算機被認為在解決特定問題上的速度會遠超經典計算機。然而，不可避免的環境噪聲會讓量子計算機出錯，而現有量子處理器不具備糾錯速度比錯誤積累速度更快的能力。研究團隊利用一個芯片上有127量子比特的IBM處理器，能在模式量子材料中產生模擬自旋動力學的大規模糾纏態，并準確預測其磁性等性質。團隊認為量子計算機有望解決超越經典計算機能力的問題。

含膽固醇層的熵斥能抵抗生物黏附

《自然》封面：一只跳蟲（跳尾蟲）。它是透過皮膚呼吸的無脊椎動物，因此需要保持皮膚表面不受污染?！蹲匀弧冯s志第7966期封面文章報道了多層膽固醇給這種跳蟲提供了不黏的外殼。通過結合實驗和原子層面的模擬，研究團隊發現膽固醇層的斥力來自膽固醇分子方向上的波動，這些波動造成了“熵斥”。本質上來說，外皮吸附生物分子需要膽固醇分子受到約束，這會降低熵，在熱力學上則更加不利。文章認為，黏附控制是生物體的一個顯著特征，在技術轉化方面尤其令人感興趣，這一新發現或能用于設計不易黏的材料。

揭秘可模擬綠色熒光蛋白的DNA復雜三維結構

《自然》封面：光輝的榜樣?！蹲匀弧冯s志第7967期封面文章報道了DNA可以通過折疊成復雜的三維結構來模擬蛋白的功能。RNA分子可以采用復雜的三維結構，但DNA是否可以自組裝成類似的3D折疊結構尚不清楚?？茖W家構建了一種具有復雜結構的新DNA分子，這個DNA分子可以模擬綠色熒光蛋白的活性。綠色熒光蛋白源自水母，目前已經成為一種重要的實驗室工具，在細胞中發揮著熒光標簽的作用。這些發現推動了關于如何使DNA折疊成復雜形狀的科學，并將幫助科學家們為一系列實驗室和臨床應用構建這類DNA分子。

（本頁期刊封面圖來自《自然》官網）

《科學》

陸生哺乳動物對COVID-19封鎖的行為反應

《科學》封面：城市道路旁的一只郊狼?！犊茖W》雜志第6649期封面文章報道了人類流動對動物的影響。2020年年初的時候，世界范圍實施封鎖措施以遏制新冠病毒感染（COVID-19）的傳播。這些封鎖極大地減少了人類的流動性，從而減少了對動物的影響，像郊狼這樣的動物就會走更遠的距離。在嚴格的封鎖政策之下，動物在封鎖期間的平均穿行距離會比前一年遠73%。在人口稠密地區，哺乳動物的短距離移動時間縮短，而且在封鎖期間，哺乳動物距道路穿行的距離近了36%。這些變化表明，動物可以調整自己的行為，以應對人類流動性的快速變化。

失去黑暗

《科學》封面：一只野生小企鵝佇立在澳大利亞墨爾本的城市背景下?！犊茖W》雜志第6650期特刊文章報道了光污染對自然界、人類健康和夜空的影響。光污染的數量和地理范圍都在快速增加，對環境的影響也日趨嚴重。這種被浪費的光消耗了大量的電力，多伴隨著相關的經濟成本和溫室氣體排放。雖然路燈是最明顯的戶外照明形式，但光污染通常來自建筑物、車輛、廣告、體育設施和許多其他來源。幸運的是，光污染不會在環境中積累，它可以通過關燈來停止，盡管這并不總是可行的。

油菜素甾醇通過細胞壁和組織力學協調植物細胞層間的相互作用

《科學》封面：擬南芥幼苗開裂的接縫?！犊茖W》雜志第6651期封面文章報道了一種不知名的水生植物，解釋了植物如何避免在生長的壓力下開裂。學界認為，細胞層間的生長協調是大部分多細胞生物發育的關鍵。研究表明，驅動油菜素甾醇合成的基因通過減少機械表皮機械約束，至少部分促進內部組織生長。研究人員在水生植物絲葉貍藻內部識別出一個缺乏油菜素甾醇的矮小突變；通過重新構建細胞壁，表明基因調控細胞層間生長協調的機制。植物細胞的黏性是協調生長的重要組成部分，“團結”在一起非常重要。

深度冷凍后復活器官

《科學》封面：液氮里保存的大鼠腎臟?！犊茖W》雜志第6652期封面文章報道了科學家們低溫保存活體組織、器官，甚至整個生物體，然后讓它們“起死回生”。人們希望最終能建成皮膚、整個器官甚至四肢等組織的冷凍儲備庫，以緩解器官短缺，并讓醫生有時間更好地為移植接受者做好準備。保存技術的進步也延伸到用于篩選藥物的人體組織、瀕臨滅絕的物種、遺傳學家研究的果蠅、雜貨店的農產品及水產養殖的魚胚胎。明尼蘇達大學科研團隊突破了器官冷卻和復蘇技術，最大限度地減少冷凍損傷，使之在移植后能夠正常工作。

（本頁期刊封面圖來自《科學》官網）

臨床研究

間充質干細胞源性細胞外囊泡緩解干眼炎癥的潛在機制

首都醫科大學附屬北京同仁醫院梁慶豐教授團隊聯合宣武醫院陳志國教授團隊證實間充質干細胞源性細胞外囊泡可有效緩解干眼體征、提高淚液分泌量、促進角膜上皮修復。相關成果發表于《眼表》（The Ocular Surface）。干眼已成為全球流行疾病之一，其病程長、發病機制復雜。干眼患者多訴眼干澀、異物感、眼痛、癥狀遷延不愈，嚴重影響患者的視覺及生活質量。臨床上目前主要以人工淚液、激素、免疫抑制劑等治療干眼。研究工作揭示了間充質干細胞源性細胞外囊泡治療干眼的作用和機制，為間充質干細胞源性細胞外囊泡在眼表修復及免疫相關疾病的應用和推廣奠定了基礎。

緩解干眼癥新機制研究（圖片來源于首都醫科大學新聞網）

戊酸調節絕經后骨代謝的分子機制研究

南方醫科大學順德醫院沈潔教授團隊與美國杜蘭大學鄧紅文教授團隊、中南大學肖紅梅教授團隊合作，開展人體腸道微生態與絕經后骨代謝的最新研究。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。骨質疏松癥是一種以骨量低下，骨組織微結構損壞，導致骨脆性增加，易發生骨折為特征的全身性骨病。目前，動物研究已證實腸道微生態對于骨質疏松的重要性，但人群中的研究相對較少。研究發現，人體的普通擬桿菌相對豐度與骨密度呈負相關，戊酸濃度與骨密度呈正相關且受普通擬桿菌抑制。研究人員發現了戊酸對于絕經后骨質疏松癥的保護作用，為人體腸道微生態與骨質疏松癥的相關性提供了新的依據。

中國增加國家免疫規劃兒童疫苗：證據、益處和優先順序

北京大學中國衛生發展研究中心方海團隊從疫苗可預防疾病負擔、接種率、公平性和成本效益4方面展開分析，旨在全面和綜合評價將4種兒童非免疫規劃疫苗，即13價肺炎球菌結合疫苗、輪狀病毒疫苗、b型流感嗜血桿菌疫苗和水痘疫苗，納入我國國家免疫規劃的證據、益處和優先順序。相關成果發表于《柳葉刀·公共衛生》（The Lancet Public Health）。1978年以來，我國實行國家免疫規劃，取得了舉世矚目的成就，國家免疫規劃疫苗保持了非常高的接種率和公平性。但是，尚有一些重要的兒童疫苗未被納入國家免疫規劃。文章強調兒童疫苗的普及和提高其公平性是公共衛生服務的關鍵組成部分，可通過擴大免疫規劃內疫苗種類進而提高接種率。

揭示前叉韌帶退變相關細胞和分子特征

四川大學華西醫院骨科運動醫學中心付維力教授團隊利用單細胞聯合空間轉錄組測序的方法，構建健康及退變狀態下前叉韌帶的細胞圖譜，為研究前叉韌帶退變的發病機制提供重要線索。相關成果發表于《e生命》（eLife）。前叉韌帶對于膝關節運動至關重要，并發揮著維持膝關節前向穩定的作用。前叉韌帶的退變會導致膝關節慢性疼痛及骨關節炎的發生發展，建立詳細的前叉韌帶細胞圖譜對于了解前叉韌帶退變機制和潛在的再生治療靶點至關重要。文章在單細胞及空間分辨率角度描繪了正常和疾病狀態下前叉韌帶的細胞圖譜，識別出了韌帶中的10個成纖維細胞亞群，描繪了韌帶退變過程中成纖維細胞的動態變化。

物理前沿

鐵電聚合物中的龐電卡效應

上海交通大學機械與動力工程學院前瞻交叉研究中心錢小石教授課題組開發了一種高分子拓撲界面外延技術，通過小分子晶體犧牲層誘導高分子極化界面的廣泛形成，使得鐵電聚合物在外界電場作用下展現出巨大熵變，在傳統的偏氟乙烯基弛豫鐵電高分子中實現了龐電卡效應，并揭示了拓撲外延的極化界面在外加電場調控下的熵變機理。相關成果發表于《科學》（Science）。研究團隊通過結構和介電分析探討了電卡增強的機理，并利用相場分析和朗道理論對相關機理進行了證實。同時，他們還進行密度泛函理論和分子動力學模擬，進一步理解界面極性相構像在分子尺度上的自組裝行為。

改性聚合物的介電行為和循環性能（圖片來源于上海交通大學新聞學術網）

發現磁霍普夫子

華南理工大學鄭風珊教授聯合國內外同行首次在實驗中發現磁霍普夫子。相關成果發表于《自然》（Nature）?；羝辗蜃右缘聡鴶祵W家海因茨-霍普夫的名字命名，其概念由來可追溯到由英國物理學家托尼-斯凱爾姆在1962年首次提出的“拓撲孤子”。2009年，科學家首次在磁體中發現了“拓撲孤子”，將其稱為斯格明子。一般認為，磁斯格明子是由電子自旋在空間上構成的一類二維旋渦狀結構，從樣品上表面貫穿到下表面，形成了斯格明子弦。理論上，如果把兩個末端連接起來，會進一步形成一類三維拓撲磁孤子“磁霍普夫子”。文章通過實驗，發現了強有力的證據表明磁霍普夫子的存在。

揭示鐵電晶體管中極化電導機制

復旦大學周鵬/王水源團隊與北京郵電大學屈賀如歌副教授合作，將態密度泛函理論計算、量子輸運模擬與實驗論證相結合，揭示鐵電溝道場效應晶體管極化依賴的本征效應與外場優勢機制。相關成果發表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。由本征斯塔克效應（內建電場）導致的非對稱導電通路與柵極外場誘導的電勢競爭形成的重分布決定了電子行為?；谌抡J知圖譜，研究團隊設計了通過控制導電溝道位置和氧化物厚度來精確控制雙柵鐵電溝道場效應晶體管電導閾值的策略，并在不引入額外的浮柵堆?；蛭锢韴銮疤嵯?，實現了多種可以按照需求無需外部電場而自行切換的存內（邏輯）計算功能。

激光驅動相干聲子加速極化子傳輸

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室王慧敏、劉新豹、張萃、關夢雪、孟勝等人利用組內自主開發的非絕熱含時密度泛函分子動力學方法和軟件，首次發現激光驅動的相干聲子能有效加速極化子的傳輸。相關成果發表于《科學進展》（Science Advances）。極化子是由虛聲子云修飾的電子（或空穴）組成的準粒子，廣泛存在于金屬氧化物、二維材料等體系中，并在高溫超導、鐵電、光催化等物理現象中起到關鍵作用。由于載流子的強局域化，極化子往往具有超低的遷移率、損害光電器件的使用性能。文章基于非平衡態下極化子傳輸的微觀機制，提出通過調節相干聲子振幅，利用激光控載流子遷移率的通用方案。

人工智能

紅外小目標定位與跟蹤新方法

北京理工大學光電學院的許廷發教授團隊在人工智能紅外小目標跟蹤領域取得研究進展。相關成果發表于《模式分析與機器智能IEEE匯刊》（IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence）。針對實際環境中紅外無人機目標尺度和屬性差異顯著的問題，文章構建了首個大規模紅外無人機目標跟蹤數據集，這個數據集包含410個紅外視頻序列和超過40萬個無人機目標標注框。這種復雜場景下的紅外小目標智能定位與跟蹤方法能夠有效抑制紅外圖像中的復雜背景干擾，實現對弱小目標的準確定位與跟蹤。在城市、山區、海上和沙漠等實際場景的測試中，實現對復雜場景下的紅外無人機小目標的精準定位與魯棒跟蹤。

紅外無人機小目標跟蹤方法框架（圖片來源于北京理工大學網站）

基于散斑的運動成像新技術

南京航空航天大學航天學院施瑤瑤與物理學院信息光子學團隊合作，針對透過強散射介質光學成像難題，提出一種基于散斑的運動成像術，能夠在白光照明下對隱藏在未知厚散射介質中的運動目標實現高分辨成像與追蹤。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。透過云雨霧霾、生物組織等散射介質光學成像技術在航空航天、軍事救援、生物醫學等眾多領域具有重要應用。目前，基于彈道光子和散斑記憶效應的成像技術從原理上受散射介質厚度的限制。此項研究通過利用非相干散斑中固有保留的運動目標信息實現了透過散射介質成像，成像系統簡單、非接觸、成本低。

腦電信號識別研究

中國科學院沈陽自動化研究所機器人學研究室神經計算聯合團隊將粒子群算法引入對稱正定黎曼空間，對腦電圖的協方差矩陣表征數據進行了維度篩選，有效提高了腦電圖信號識別效率。相關成果發表于《知識庫系統》（Knowledge-Based Systems）。腦機接口是大腦與外界交互的新方式。它繞開外周神經，通過在大腦與外部設備間建立直接連接進行信息交換，在神經康復、認知計算等領域有著廣泛的應用前景。然而，如何實時、有效地將大腦意圖轉換為控制外部設備的指令一直是制約腦機接口技術發展的關鍵問題之一。區別于大部分黎曼空間數據基于映射的降維方法，研究為推進腦機接口的實際應用提出了一種新方案。

仿生覆蓋式神經元模型及學習方法研究

中國科學院半導體研究所高速電路與神經網絡實驗室研究員李衛軍團隊，設計了具有高度柔性與可塑性的超香腸覆蓋式神經元模型。相關成果發表于《模式識別》（Pattern Recognition）。人工神經網絡是模擬人腦神經活動的重要模式識別工具，深度神經網絡的改進與優化工作集中于網絡結構和損失函數的設計，而神經元模型的發展有限。此項研究定義了新的交叉熵和體積覆蓋率損失函數，這個損失函數可最大限度地壓縮超香腸的體積，從而確保樣本的類內緊湊性。研究在模式識別領域的8個經典數據集上進行的對比實驗和消融實驗證明了這一方法的有效性。超香腸覆蓋式神經元模型可應用于經典的深度神經網絡中以解決多種模式識別問題。

地球系統

全球被子植物多樣化速率的時空格局

北京大學城市與環境學院王志恒教授課題組構建了包含12 602種全球被子植物屬并時間校準的分子系統發育樹，并結合被子植物分布，追溯被子植物在過去兩億年中的分化歷史。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。被子植物經歷了兩次快速多樣化事件，與化石證據相一致。被子植物的分化速率最早在白堊紀全球變暖期間逐漸增加，然后在白堊紀末期呈現稍微下降趨勢或保持相對穩定的狀態。在被子植物演化過程中，高緯度地區的物種多樣化速率比低緯度地區更高，具有高分化速率的年輕屬占據了溫帶和干旱地區，而具有低分化速率的老屬占據了熱帶地區。這導致分化速率和屬多樣性之間呈現出負相關的空間格局。

不同緯度梯度帶的有花植物多樣化速率隨時間的變化趨勢（圖片來源于北京大學網站）

2021—2100年野火煙霧短期暴露引起的中國區域死亡風險預測：健康影響評估研究

清華大學地球系統科學系白玉琪教授團隊和中國科學院大氣物理研究所李芳研究員團隊聯合完成了2021—2100年期間野火排放的中國區域健康效應評估研究。相關成果發表于《柳葉刀·星球健康》（The Lancet Planetary Health）。研究基于預測的未來人口和未來野火排放PM2.5濃度，采用了適用于中國區域的相對風險系數，估算了不同發展路徑和情景下中國人群在2021—2100年期間可歸因于野火PM2.5排放的死亡人數。研究結果揭示了不同時期未來野火排放導致中國人群健康風險的時空分布，可以幫助決策者提前制訂和實施有效干預措施，從而減少野火對中國居民健康的影響。

揭示鶯歌海紅河斷裂結構與地殼變形

中山大學地球科學與工程學院高銳院士團隊通過深反射地震剖面數據采集系統設計、速度建模與地震成像方法的創新，在鶯歌海獲取了高分辨率深達40公里的反射地震剖面（共約360公里長）。深反射地震圖像首次揭示了鶯歌海盆地下方的精細地殼結構、殼幔邊界（莫霍面）形態及紅河斷裂結構屬性。相關成果發表于《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）。研究結果表明：在印度與亞洲發生碰撞后的早期階段，青藏高原變形是以沿著巖石圈深大斷裂的整體物質逃逸為主導。研究也能為認識鶯歌海的形成及其構造與溫度演化歷史和石油天然氣的形成與聚集提供重要的基礎。

青藏高原云特性時空分布與云動力學研究

中國科學院青藏高原研究所高晶研究員及合作者綜述了1960年以來青藏高原云宏觀和微觀物理性質的觀測方法和模式模擬的進展，總結了云分布的時空格局和主要驅動因素，討論了云動力學發展存在的困難及云特性對青藏高原氣候變化的響應與反饋。相關成果發表于《地球科學評論》（Earth-Science Reviews）。云是大氣中輻射、對流、湍流、微物理、大尺度動力學和加熱等復雜過程相互作用的結果，這些過程對氣候系統產生重要影響。青藏高原云的宏觀和微物理特性影響著全球氣候系統的能量平衡、大氣環流和水循環，這些因素在地球-大氣系統的輻射收支中起著至關重要的作用。