科技名刊精选

《自然》

具备连续手性的光激活领结形纳米自组装体

《自然》封面：分层组装成纳米带的纳米片，它们堆叠在一起扭转成领结形状。《自然》杂志第7952期封面文章报道了使用自组装纳米片制备领结形微粒，用于检验手性的几何量测量是否适用于化学结构。这些纳米片能分层组装成纳米带，堆叠在一起并扭转成领结形状，扭转方向则取决于组成纳米片分子的手性测量，并保证领结的扭转角度精准可控。研究还发现，不同的领结形颗粒因其手性不同，与圆偏振光的相互作用也不同。通过把它们的领结颗粒打印在织物上，创造出了可作为激光雷达基准标记的光激活超表面。

密集强化学习用于自动驾驶汽车的安全性验证研究

《自然》封面：人工智能（AI）驾驶测试。《自然》杂志第7953期封面文章报道了如何训练一款可用于测试人工智能司机的AI。阻止自动驾驶汽车上路行驶的一个主要障碍在于如何确保取代人类的AI司机足够可靠。研究人员使用密集深度强化学习训练了这个AI测试仪，可使这个AI测试仪忽略安全场景并构建一个关注潜在危险场景的测试环境。研究团队随后利用增强现实技术成功测试了一辆真车。当这部自动驾驶汽车在车道上行驶时，它需要应对测试仪设计的各种虚拟危险场景。这一系统能将AI司机安全性评估的效率提升几个数量级。

中世纪斯瓦希里沿海人群交织的非洲和亚洲遗传根源研究

《自然》封面：斯瓦希里祖先。《自然》杂志第7954期封面文章报道了埋葬在中世纪和近代早期沿海斯瓦希里石头城中80名个体的DNA测序研究结果。中世纪生活在东非斯瓦希里海岸的人群是撒哈拉以南非洲最早信奉伊斯兰教的人群之一。大约公元1000年前，沿着东非海岸生活的非洲女性和亚洲男性已经开始融合，而且最早的亚洲移民大部分源自波斯。最早亚洲移民的祖先约有十分之一来自印度。这些发现与《基尔瓦编年史》（Kilwa Chronicle）一致。《基尔瓦编年史》是由斯瓦希里沿海人群讲述的最古老故事。

空气污染物会促进肺腺癌发展

《自然》封面：污染的空气。《自然》杂志第7955期封面文章报道了颗粒物在促进非小细胞肺癌发展中的作用，发现污染情况下的癌症发生符合贝伦布鲁姆（Berenblum）模型。研究团队专门分析了PM2.5这类小于2.5微米、常见于烟雾和汽车尾气的细颗粒物。通过对4个国家和地区的近3.3万人开展研究，他们发现从不抽烟的人群长期暴露在PM2.5中和肺癌发展之间存在明确关联。研究团队通过对小鼠的观察发现，PM2.5似乎能在肺细胞内诱导免疫细胞的涌入，并释放白细胞介素-1β这种信号转导分子，这会使炎症加重，在正常组织的细胞内促进肿瘤发展。

（本页期刊封面图来自《自然》官网）

《科学》

从伪装到警示的演化转变：隐藏信号发挥关键作用

《科学》封面：一只爬行的高山蝾螈。《科学》杂志第6637期封面文章报道了两栖动物。用鲜艳的颜色来警告捕食者远离有毒的猎物，这是进化中的一个悖论。颜色鲜艳的生物比善于伪装的同类更容易被捕食，它们如何存活足够长的时间并对捕食者形成警告呢？研究者对两栖动物抗捕食着色的进化转变进行大规模分析，证实从伪装到警示的进化转变很少是直接性的，而往往涉及一个中间阶段，即兼性地显示显著着色的隐色物种。这一研究可以丰富人们对生物警示语演变的理解。

新型二维材料——二维过渡金属碳化物直接合成

《科学》封面：一张彩色增强扫描电子显微镜图像，显示折叠成微球形结构的新型材料二维过渡金属碳化物。《科学》杂志第6638期封面文章报道了通过金属和金属卤化物与石墨、甲烷或氮气的反应，展示了一种可扩展和原子经济合成二维过渡金属碳化物的直接合成路线。直接合成使地毯状二维过渡金属碳化物能够通过化学气相沉积方法生长，并通过屈曲和释放形成复杂的球晶状形态，以暴露新的表面进行进一步反应。直接合成的二维过渡金属碳化物表现出优异的锂离子嵌入储能能力。通过直接合成提高现有二维过渡金属碳化物的可扩展性能，有助于它们在许多前沿领域中的使用。

早期家马分散在大平原和北落基山脉

《科学》封面：这幅岩石雕刻来自美国怀俄明州南部的托拉尔遗址，时间可能是在17世纪早期现代马在北美广泛传播之后。《科学》杂志第6639期封面文章报道了大平原部落获得马匹的时间比一些历史学家认为的要早。马从北美进化而来，并通过白令海峡大陆桥散布到欧亚大陆，在欧亚大陆继续进化并被驯化。它们于更新世晚期在北美灭绝后，重新被欧洲殖民者引入。泰勒等人研究了新旧世界马的基因和考古样本，没有发现北美马在更新世有直接祖先的证据；但他们确实发现了早在欧洲人到达北美西部之前，欧洲血统的马就已经融入了当地土著文化。

双键的识别引起脂肪酸受体偏好性信号转导

《科学》封面：一个跨膜G蛋白偶联受体被命名为“GPR120”，它与一个欧米茄-3（ω-3）脂肪酸配体二十碳五烯酸结合，用亮橙色表示。《科学》杂志第6640期封面文章报道了GPR120的芳香族氨基酸识别不饱和脂肪酸双键的机制，并使用生物化学与计算生物学等多种方法对其进行了详细的探究。ω-3脂肪酸是一类人体无法合成但对身体有益的营养物质，临床研究表明服用这类脂肪酸能健脑强脑、调节血压、减少炎症甚至降脂等，鱼类中含有丰富的ω-3脂肪酸。相关研究同时为糖尿病、肥胖及炎症等疾病的药物开发和治疗提供研究基础。

（本页期刊封面图来自《科学》官网）

生物制造

新型“人工光细胞”

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与美国芝加哥大学田博之课题组合作，构建新型人工体系“人工光细胞”，通过将半导体材料吸收光能产生的电子有效转化为生物能，他们使原本不能利用光能的工业发酵微生物得以有效利用光能。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。研究团队受自然界中材料-生物界面的启发，例如厘米尺度的动物鳞片与表皮细胞，微米尺度钙板金藻外壳材料与细胞之间，均形成具有保护功能的外壳材料。研究人员通过在大肠杆菌周质空间靶向合成半导体材料（纳米光伏颗粒），将半导体材料吸收光能产生的电子高效转化为细菌胞内的生物能。

高效生产秸秆基甲烷

上海交通大学生命科学技术学院白凤武教授研究团队基于双腔电化学厌氧系统，实现了使用秸秆高产甲烷。相关成果发表于《化学工程期刊》（Chemical Engineering Journal）。绿色生物制造以木质纤维素为原料，具有低碳可再生的优点，而电化学厌氧系统仅须提供少量电能即可显著提升发酵性能。研究团队使用双腔构造分隔电化学厌氧系统阴极与阳极，探究两极各自的功能微生物群落迁移变化及对厌氧消化系统的影响。阳极富集的肠球菌等电活性细菌加速了秸秆降解，增强了阳极腔中以产甲烷八叠球菌为主的混合营养性产甲烷过程；阴极腔中肠球菌和产甲烷杆菌通过微生物种间直接电子传递的方式进行互营共生，增强了氢营养性产甲烷过程。

单克隆抗体标准物质研究

江苏省农业科学院兽医研究所毕振威等人研制出专门针对犬瘟热病毒疫苗株的单克隆抗体，为建立以单克隆抗体为基础的宠物用标准物质提供了生物材料和基础。相关成果发表于《国际生物大分子杂志》（International Journal of Biological Macromolecules）。研究团队制备了针对犬瘟热病毒疫苗株的高中和活性单克隆抗体，作为中和用阳性标准品，用于宠物多联多价活疫苗中犬瘟热病毒疫苗株的鉴别检验和病毒含量测定；此外，这一单克隆抗体及其中和表位可用于疫苗和野毒株血清学的鉴别检测，可避免野毒株抗体的干扰，使得对疫苗株的免疫抗体评价更加准确，为宠物用疫苗和诊断试剂的研制提供了候选单克隆抗体标准物质。

谷氨酸棒杆菌突变器构建

中国科学院天津工业生物技术研究所郑平研究团队在谷氨酸棒杆菌突变器构建，以及基因组连续进化技术开发方面取得新进展。相关成果发表于《核酸研究》（Nucleic Acids Research）。谷氨酸棒杆菌是一种重要的工业发酵菌种，已被广泛用作氨基酸、有机酸等化学品高效合成的底盘。近年来，谷氨酸棒杆菌基因组编辑技术取得了重要突破，加速了新型高性能菌种的理性设计和改造。基于上述不同突变频率的突变器，研究团队通过适应性进化快速获得了高浓度甲醇/糠醛耐受菌株及蛋白高表达菌株，并鉴定了新型甲醇耐受元件。相关研究成果为谷氨酸棒杆菌的进化工程研究提供了高效的工具。

信息科学

跨水空声检测研究

南京大学物理学院刘京京、梁彬、程建春等人提出并构建了具有高效水-空声耦合功能的人工界面材料，实现了在空中对水下声信息的高灵敏度远程检测。相关成果发表于《先进材料》（Advanced Materials）。虽然声源和传感器位于两种不同的介质中，但是在人工界面材料的作用下，空气中的传感器可以等效为一个水下声源附近的虚拟传感器，对发射信号进行高质量检测。这种新型材料由3层声学结构组合而成，即两侧的共振匹配层和内部的相位调制层。共振匹配层有效地抑制了近场倏逝波模式的不利影响，使声能近乎完全透射（与水气界面相比声能增透约864倍），而内部的相位调制层则可准确地引入随结构参数线性变化的传播相位延迟。

水下及跨水空声检测示意图（图片来源于南京大学新闻网）

基于随机计算的神经网络加速器

北京大学人工智能研究院类脑智能芯片研究中心李萌和集成电路学院王润声团队在基于随机计算的神经网络模型-加速器电路协同设计研究方向取得进展。相关成果发表于《2023年欧洲设计、自动化、测试会议》（2023 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition）。神经网络模型推理智能物联网设备得到广泛应用，涵盖图像识别、视频处理、自然语言处理等多个任务。然而，网络参数和计算量快速增加给计算和存储受限的边缘设备带来新的挑战。文章提出了一种新的神经网络-随机计算电路协同优化设计，这一设计在保持电路硬件效率的同时提高网络精度，为随机计算在边缘计算神经网络加速器中的应用提供基础。

可解释图像生成研究

大连理工大学国际信息与软件学院罗钟铉、雷娜等人将逆扩散视为不同阶段的隐变量之间的最优传输问题，提出了快速统一学习框架，可以在大约10个逆扩散步内生成高质量样本。相关成果发表于《2023年国际计算机视觉大会》（2023 IEEE International Conference on Computer Vision）。这个算法框架通过显示求解数据隐变量和白噪声之间的最优传输映射，获得了从先验分布到数据分布的最优轨迹，实现将深度生成模型部分白盒化，使模型具备几何直观和可解释性，同时显著缓解了模式混淆的问题。此外，论文中给出了这一方法的误差界，从理论上保证了算法的稳定性，大量实验也验证了新型学习框架在图像生成速度和质量等方面的优势。

类脑脉冲神经网络加速器“智脉·萤火”

中国科学院自动化研究所曾毅课题组提出新型脉冲神经网络硬件加速器“智脉·萤火”(FireFly)，推动了类脑脉冲神经网络迈向实用化的发展。相关成果发表于《超大规模集成（VLSI）系统的IEEE汇刊》（IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems）。“智脉·萤火”是人工智能平台“类脑认知智能引擎‘智脉’（BrainCog)”在软硬件协同方向上的阶段性成果，为布局未来脉冲神经网络在更为复杂的实际场景中的应用研究奠定了基础。未来研究团队将在硬件上针对器件优化、微架构设计和稀疏加速等方面持续提升“智脉·萤火”工作性能，并将其实际部署于现实场景中，完成如多任务多场景下的机器人环境探索等任务。

生命演化

古鸟类叶食性的起源研究

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所吴妍、李志恒等人发现来自白垩纪木兰类植硅体的新证据。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。研究人员从1.2亿年前辽西热河生物群古鸟化石胃容物中发现了被子植物早期分支木兰类叶子的植硅体，首次证实了古鸟类叶食性的早期起源和演化；通过对一个完整热河鸟化石个体的消化道材料的分析，发现了富集的古老植硅体。对这些古老植硅体形态类型的鉴定主要依据早期群落植硅体大数据的建立和完善，是植硅体分析方法应用于中生代脊椎动物的特异埋藏化石记录研究的一次重要突破，这也为进一步拓展脊椎动物与环境协同演化研究提供了重要手段和途径。

热河鸟标本的线描、摄影和CL扫描（图片来源于中国科学院古脊椎动物与古人类研究所网站）

揭示从古菌到噬菌体的进化过程

天津大学药学院张雁教授等人发现并表征了Z碱基合成通路关键酶的变体，揭示了一个古菌到噬菌体的进化中间体，对Z基因组生命起源等的探索具有重要理论意义。相关成果发表于《自然·微生物学》（Nature Microbiology）。核苷酸的平衡受到严格的调控，以维持细胞正常的生命活动和脱氧核糖核酸复制的保真度。研究团队通过序列相似性网络分析发现了新变体，并根据其与有关底物结合位点的异同，认为它同样利用三磷酸鸟苷作为能量供体。研究人员利用高分辨质谱、紫外光谱、显色法等体外酶活检测方法表征了5个不同物种来源的变体，解析了相关复合物的晶体结构，通过系统发育分析揭示了古菌的演化情况。

遗迹群落指示浊流引发的海底氧化事件及其动态过程

中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队郑全锋、曹长群等人对四川广元上寺剖面上二叠统大隆组上段层序进行高精度沉积学和遗迹学研究。相关成果发表于《地质学杂志》（Geological Journal）。遗迹化石是指地质历史时期生物在沉积物表面或其内部产生的各种生命活动记录，包括足迹、移迹、潜穴、钻孔和其他构造（如根系内模、蛋化石和粪化石等）。由单个底栖生物群落产生的遗迹化石组合称为遗迹群落。遗迹群落是重建沉积环境、恢复古环境参数（如相对氧含量、水深、盐度等）的有力工具。在这项研究中，研究人员重建了晚二叠世上寺地区贫氧盆地内浊流沉积过程中底栖生物定殖序列及其反映的海底动态氧化过程。

发现貂鼬新物种

北京大学地球与空间科学学院江左其杲与云南大学、楚雄彝族自治州博物馆等单位的研究人员合作，针对发现于云南省楚雄彝族自治州元谋县苴那地区的鼬类化石开展研究。相关成果发表于《远古世界》（Palaeoworld）。元谋组被认为是目前我国西南地区第四纪哺乳动物和地层标定的主要来源之一，其可分为4段，岩石地层学分析表明这个标本产出层位为元谋组第三段，时代上大约属于早更新世（距今约170万—260万年），化石点的岩性主要为河流沉积物与细褐色粉砂和灰砂互层。元谋组拥有中国南方最早的类人猿化石记录，张氏貂鼬的发现不仅提供了与类人猿同时代的动物群中有关捕食者的信息,也提供了该类群与类人猿共存和相互作用的证据。

地球科学

微生物碳利用效率促进全球土壤碳储存

清华大学黄小猛团队联合多个国家合作者基于深度学习方法合作揭示全球土壤碳储存机制。相关成果发表于《自然》（Nature）。联合研究团队以微生物碳利用效率为变量，整合了微生物过程对土壤有机碳储存的双重控制机制，探讨了其与全球土壤有机碳储量的关系。团队基于自主开发的“过程驱动和数据驱动融合的深度学习建模”方法，将站点尺度的数据-模型融合结果扩展到全球尺度，获取了包括微生物碳利用效率在内的7类土壤碳循环过程的空间分布格局，并定量评估了它们对全球土壤有机碳储量和空间分布的相对贡献。研究结果显示了微生物碳利用效率在全球呈现低纬度低值和高纬度高值的格局。

粮食系统增效是我国实现碳中和的关键

北京大学环境科学与工程学院戴瀚程等人与国内科研人员合作，基于自主构建的综合评估模型体系，探索了大规模生产生物质能如何助力中国碳中和目标实现而不对国内外可持续发展产生负面影响。相关成果发表于《自然·食品》（Nature Food）。为应对气候变化而大规模种植能源作物会引发与土地相关的多维可持续性问题，包括粮食安全、水资源短缺等。研究发现，为消除生物质能扩张对我国粮食安全的压力和跨境环境负担转移，需要多措并举，通过适当放松粮食贸易约束、粮食损失和浪费减半、转向健康的饮食、合理提升作物单产，促进粮食生产和消费系统提质增效，方可同时实现碳中和、粮食安全和全球可持续性的三重目标。

赤潮长期变化研究

自然资源部第三海洋研究所陈宝红课题组与厦门大学高亚辉课题组合作，在中国海域夜光藻赤潮长期变化研究方面取得新进展。相关成果发表于《全球变化生物学》（Global Change Biology）。赤潮又称有害藻华，是一种自然现象，也是生态系统失衡的表现。从1933年到2020年，共计有265次有记录的夜光藻赤潮发生在中国沿海。温度、富营养化和气象通常被认为是影响赤潮发生的关键因素。但对于夜光藻（异养型甲藻）来说，富营养化并不能直接影响其生长，浮游植物（食物）的可获得性才是夜光藻增殖的关键。此外，由风、海流等物理因素所导致的藻细胞被动聚集也是夜光藻赤潮发生的原因之一。

最古老岩石揭示40亿年前的特殊构造体制

中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士研究团队与国内外学者合作，对全球出露的最古老岩石——加拿大西北部约有40亿年历史的阿卡斯塔TTG岩石（TTG系列的岩石指奥长花岗岩、英云闪长岩和花岗闪长岩）进行了系统定年，应用自主研发的超高精度同位素分析等技术，获得了这些岩石的锆石、石英和全岩的高精度硅-氧同位素数据。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。他们在系统归纳已发表的相关数据基础上，通过详细的数据分析筛选，揭示地球早期岩石样品硅同位

素组成的规律性变化：40亿年的TTG岩石的硅同位素组成偏轻，与显生宙岩浆岩硅同位素组成趋势相当；显示重硅同位素组成的TTG从38亿年开始出现。