科技名刊精选

环境科学

不同政策影响下的东北地区土地覆盖及生态系统服务变化研究进展

中国科学院东北地理与农业生态研究所地理景观遥感和城市森林与湿地团队毛德华、何兴元、王宗明等，利用Landsat系列卫星遥感影像解译获取的2000年和2015年土地覆盖数据，探讨了国家实施一系列生态工程以来东北地区的土地覆盖变化特征，进而利用InVEST模型分析了东北地区生态系统服务的时空格局及其地理空间异质性，讨论了不同政策影响下的东北地区土地覆盖变化特征及其对生态系统服务变化的影响。研究成果发表于Journal of Cleaner Production。受生态保护和粮食增产与经济发展等双向政策影响，2000—2015年间东北地区土地覆盖变化特征明显，林地面积呈现净增加。

2000-2015年东北地区土地覆盖变化特征格局图（图片来源于中国科学院东北地理与农业生态研究所网站）

东北地区社会经济发展与生态保护的双向政策（图片来源于中国科学院东北地理与农业生态研究所网站）

近年来中国空气质量改善的驱动因素

清华大学环境学院郝吉明院士课题组、贺克斌院士课题组、地球系统科学系张强教授课题组合作，发现了2013—2017年间中国PM2.5空气质量改善的驱动力。相关成果发表于PNAS。论文评估了2013—2017年间我国大气细颗粒物（PM2.5）污染的改善情况和健康效益，定量分析了《大气污染防治行动计划》各项政策对空气质量改善的贡献。虽然我国空气质量大幅改善，但2017年全国338个城市中尚有64%的城市PM2.5年均浓度不达标，我国PM2.5污染防控工作依然任重道远；全国大气臭氧污染增速加快，PM2.5和臭氧污染协同控制成为迫切需要解决的问题。

室内挥发性有机物的来源及健康风险

中国科学院地球环境研究所黄宇研究员课题组结合挥发性有机物（VOCs）现场跟踪采样、气相色质谱联用在线分析、污染源解析和调查问卷等技术手段，对西安市不同区域室内空气中VOCs的污染源特征、浓度水平及其对人体健康的风险评估等内容开展了系统研究。研究成果发表于Science of The Total Environment。研究发现，西安市室内环境中，浓度较高的VOCs污染物有丙酮、甲醛、萘及二氯甲烷，室内杀虫剂、漂白剂、清洁剂、装修材料和家具是其主要的排放源。该结果深化了我国西部地区室内环境中VOCs特征、来源及其健康风险的认识，将为我国室内空气污染成因分析和治理措施的制定提供参考。

流域农业面源污染治理技术研究进展

中国科学院地球化学研究所研究员陈敬安课题组采用天然沸石（NZ）、铝改性黏土（AMC）和镧改性膨润土（LaMP）对中国广西典型小流域（客兰水库）湖滨带天然土壤进行改良，并在模拟条件下，研究了3种改良土壤对溶解态无机磷（DIP）和氨氮的去除效果及机理。研究论文发表于Agriculture, Ecosystems and Environment。农业面源氮、磷污染逐渐成为我国河流、湖泊、水库富营养化治理关注的重点。磷、氮元素在农田径流中的赋存形态、迁移转化过程及控制因素均存在很大差异。同步、高效地削减农业面源氮、磷污染的输入，降低其对地表水营养盐的贡献，是当前农业面源污染治理面临的一个技术挑战。

水稻在人类汞暴露风险和全球汞循环中的作用

北京大学城市与环境学院王学军课题组关于汞在多介质环境中的迁移转化和归趋研究获得新进展。研究论文发表于Nature Communications。汞是一种全球迁移的污染物，对人类健康构成威胁。甲基汞是汞最具毒性的形态之一。研究发现，水稻可能也是全球人类甲基汞暴露的显著膳食来源，尤其是在南亚和东南亚。国际水稻贸易引发人类甲基汞暴露风险的区域转移，并显著加剧了非洲、中亚和欧洲的甲基汞暴露风险。世界上大多数地区居民因食用水稻而摄入的甲基汞不会超过鱼类，然而，在亚洲许多以稻米为主食的土壤污染地区，水稻和鱼类共同消费导致的甲基汞暴露可能成为一个重要的健康问题。

水稻在人类汞暴露风险和全球汞循环中的作用（图片来源于北京大学新闻网）

环境因素诱导的非人灵长类自闭症模型研究

中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员张永清团队、中国科学院深圳先进技术研究院周晖晖研究组、暨南大学教授李晓江和杜克大学医学院教授姜永辉团队等密切合作，发现暴露于抗癫痫药如丙戊酸（VPA）等的猴大脑中存在明显的大脑发育缺陷，例如小脑内颗粒层神经元密度降低和外颗粒层神经前体细胞减少。研究论文发表于Translational Psychiatry。这些发现提示VPA处理影响非人灵长类胚胎大脑发育，为怀孕期间服用VPA增加儿童自闭症风险提供了更加直接的实验证据。大脑发育缺陷以及行为学异常支持VPA处理猴是研究自闭症的有效动物模型，为进一步研究ASD提供了新的模式体系。

长白山针阔混林外生真菌相关环境梯度形成机制

中国科学院沈阳应用生态研究所生物多样性组（菌物）与天然林生态组白震、原作强、王绪高、袁海生等合作，利用外生菌根真菌（ECM）相关25个环境因子量化出地理分布、土壤理化性质和植被功能特性3类综合因子和环境质量梯度，并借此探究植被-ECM在上述环境梯度上的空间分布特征及其形成机制，揭示不同环境梯度与ECM真菌互作关系，明确影响ECM真菌组成与分布的关键驱动因子。研究论文发表于Science of The Total Environment。论文研究发现，植被演替过程与ECM真菌相关因子和土壤理化特性空间异质性存在密切关系。

环境污染物毒性效应研究进展

中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所罗茜研究团队与国家食品安全风险评估中心李敬光研究员等合作，在环境污染物毒性效应研究中获得进展。研究论文发表于Environment International。此项研究中，首次通过质谱成像和脂质组学技术研究苯并（a）芘（BaP）呼吸暴露对C57BL/6小鼠肝脏脂质代谢的影响，尤其提供了肝脏组织中差异脂质的空间分布特征，从脂质代谢角度对BaP的毒性效应进行了新的解读。研究发现BaP暴露可干扰小鼠肝脏组织中多种脂质代谢，会导致肝细胞膜损伤、信号传递系统异常和炎症反应，而且雌雄小鼠对BaP呼吸暴露的应答存在明显差异。

认知科学

线粒体解码神经元活动研究

北京大学分子医学研究所程和平团队与国内外科学家合作，研究了脑神经元线粒体与胞质之间钙瞬变的概率性耦合，以及其耦合度如何受大脑信息加工活动的调节。相关论文发表于Nature Communications。在小鼠静息状态下，耦合度仅为3%～5%；而在小鼠跑步或接受视觉刺激时，不仅初级运动皮层或视觉皮层神经元活动增加，同时耦合度也显著上升至约25%，使得线粒体钙活动大大加强。耦合度与胞质钙瞬变振幅、时程和耦合事件前数秒内的发放频率密切相关，钙依赖性蛋白激酶CaMKII是耦合度调节的关键因子。论文揭示了线粒体如何解码神经元活动模态，从而精准调控脑动态能量代谢的新现象和新机制。

突触水平神经大数据重建与分析平台（图片来源于中国科学院自动化研究所网站）

脑神经元线粒体与胞质之间钙瞬变的概率性耦合（图片来源于北京大学新闻网）

非人灵长类大脑衰老潜在机制研究

中国科学院昆明动物研究所吴东东研究员等利用来自4个青年猕猴、3个老年猕猴44个脑区的547个转录组数据，研究探索了非人灵长类动物大脑老化的潜在分子遗传机制。研究论文发表于Genome Biology。大脑衰老是一个复杂的过程，它依赖于多个脑区的精确调控，而以往的研究通常集中于少数脑区。随着年龄的增长，皮质内脑区之间的表达连接性以及皮质内左右脑半球之间的表达连接性都发生了明显的下降。研究人员发现了9个在老年猴中表现出连接性增强的模块，并解析出一个网络关键驱动基因PGLS，在老年猴中表达上调，可能对大脑衰老有重要作用。

一种新的细粒度学习框架

厦门大学信息学院纪荣嵘教授团队提出了一种基于强化学习的细粒度学习策略FG-A1C，通过分析视觉问答任务中的样本多样性及标签的冗余性问题来针对性地挑选训练样本以提高模型的训练效率及减少标记支出。研究论文发表于IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence。FG-A1C使用一个强化学习代理来自适应地评估模型训练状态、选择对应的训练样本类型，并使用基于主动学习或课程表学习的采样策略对该类型下的样本进行评估，以选择对模型训练帮助最为有效的训练样本。该算法在多个视觉问答数据集上获得优秀的训练效果，能够显著地降低模型训练成本以及标签成本。

长期记忆的动态维持机制

清华大学生命科学学院钟毅课题组揭示了Rac1活性依赖的遗忘的可逆性是长期记忆动态维持的基础。该成果发表于Nature Communications。小鼠研究表明，情境恐惧记忆即使在形成很久之后，也能够被进一步增强。一次足底电刺激的情境恐惧训练同时诱发海马脑区的Rac1的持续激活和α2-chimaerin蛋白的长期合成。Rac1的持续激活介导了可逆性遗忘。而α2-chimaerin作为记忆维持分子，通过在维持阶段抑制Rac1活性，进而维持记忆在中间水平。通过调控背侧海马脑区的Rac1活性或改变α2-chimaerin的表达，中间水平的记忆能够被增强或者减弱。

精神分裂症患者元认知损伤的神经机制

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室万小红课题组和首都医科大学附属安定医院贾竑晓课题组合作，阐释了精神分裂症患者元认知损伤的神经机制，并从元认知网络和默认网络间功能联结的角度揭示了网络间的平衡与精神分裂症患者临床症状的关系。研究论文发表于Human Brain Mapping。众多临床行为研究表明精神分裂症患者存在自我认知的缺陷，不能很好地监控自己的内部状态。这种损伤和患者的临床症状紧密相关，且可以预测患者半年甚至一年之后的临床恢复状况以及社会功能。因而元认知损伤是精神分裂症认知损伤的重要表现。

元认知网络和默认网络之间的平衡与精神分裂症临床症状的关系（图片来源于认知神经科学与学习国家重点实验室网站）

实验流程及行为和脑成像元认知损伤结果（图片来源于认知神经科学与学习国家重点实验室网站）

多智能体协作研究进展

北京大学工学院谢广明教授与合作者在多智能体系统的编队控制研究方面取得进展。相关成果发表于IEEE Transactions on Automatic Control。针对二阶动态描述个体的系统，提出一种基于极限环设计的控制协议，来实现平面上的任意编队。该控制协议的优点之一是能够在个体的局部坐标系下应用，因此个体只需要知道局部信息，而不需要全局信息和全局坐标系；优点之二是它保证了在形成期望编队的过程中，个体之间不会发生碰撞。基于此，在团队自主研发的多仿生机器鱼系统和多四旋翼无人机系统上分别进行了编队实验，验证了所提出的编队控制协议在实际系统中的可行性和有效性。

基于深度学习的航拍图像目标检测研究进展

中国科学院沈阳自动化研究所光电信息技术研究人员提出了去除航拍图像检测结果中误检目标的方法，并针对航拍图像特性设计了相应的检测网络。研究成果发表于Sensors。该研究从去除检测结果中误检目标的角度出发，提出Dual-NMS算法，通过统计各个检出目标周围生成检测框的密度和相应的分类置信度，实现自主地去除检测结果中的误检目标，提高了检测结果精度。进一步将误检目标的判断结果作为网络训练的约束项，从根本上加强了检测网络提取待检测目标抽象特征的能力。此外，该研究还将目标间的相关性引入检测网络，增强了该方法对目标的检出能力。

揭示视觉注意的无意识操纵可影响个体风险选择

中国科学院行为科学重点实验室李纾研究组的饶俪琳青年特聘研究员等人为探究视觉注意与风险决策之间是否存在因果关系，使用眼动技术，采用不为被试所觉察的基于注视的操纵方式，以考察视觉注意对风险决策的影响。研究成果发表于Cognition。实验1中，研究者基于选项进行视觉注意的眼动操纵。实验2中，研究者基于选项维度进行视觉注意的眼动操纵。实验3验证了视觉注意操纵的有效性和稳定性。研究结果为风险决策的理论发展指明新方向，未来理论应考虑能够同时解释基于选项和基于维度的视觉注意的动态模型。此外，该研究结果还启示人们通过监测个体的注意分配，可以辅助个体更好地进行决策。

化石研究

巨猿是猩猩家族的早期成员

山东大学文化遗产研究院王伟教授与哥本哈根大学Enrico Cappellini教授带领的科研团队，在距今193万年的巨猿化石中成功提取遗传信息，并确认了这个早已灭绝的物种与亚洲猩猩存在密切的演化关系，这是在亚热带地区的化石中首次提取年代如此古老的蛋白质证据。研究论文发表于Nature。利用古代蛋白质测序技术，研究人员从190万年前的巨猿牙齿中成功获取了遗传信息。首次从来自亚热带地区如此古老的化石中成功提取遗传信息。研究表明，巨猿这一曾经生活在我们这个星球上最大的灵长类动物，与现在生活在东南亚地区的亚洲猩猩具有最为密切的亲缘关系；巨猿大约在1200万年前从猩猩的家族中分离出来，并独立演化。

出自广西田东县布兵村吹风洞的一枚巨猿牙齿化石（图片来源于山大视点）

遗传信息研究（图片来源于山大视点）

内蒙古3亿年前“植物庞贝”发现左旋缠绕植物

中国科学院南京地质古生物研究所王军研究员等与捷克西波西米亚博物馆Josef Psenicka及美国斯坦福大学Kevin Boyce教授等合作，发现了一种新的缠绕植物化石。这是地质历史上第二例缠绕植物化石，该发现将植物缠绕习性的出现追溯至3亿年前的晚古生代。研究论文发表于Current Biology。在内蒙古乌海市乌达煤田，因火山喷发活动，降落的火山灰原地埋藏了一距今约3亿年的沼泽森林。其保存方式与意大利庞贝城颇为相似，因此称之为中国“植物庞贝”。据推测，缠绕植物和宿主植物在生活时期应当还一同攀爬在一棵树上，这种“双重攀爬”现象显示出早二叠世沼泽森林群落生态已经具有了非常高的复杂性。

真马演化事件研究进展

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所邓涛研究员团队开展真马事件与中国真马早期适应辐射的研究，回顾了中国古马型真马的分类和研究现状。研究论文发表于Frontiers in Ecology and Evolution。古马型真马（Stenonid）是旧大陆最早的真马（Equus），其出现被称作真马事件（Equus Datum）。这一事件被视为第四纪开始的标志，和发生在旧大陆的一系列重大的地质、环境与生态事件相关联。地质历史中最原始的真马肖肖尼马（Equus shoshonensis）发现于北美大陆的上新世地层当中，其后代于距今258万年前的白令陆桥开通事件中入侵旧大陆，开启了第四纪时期真马在世界五个大洲走向繁荣的历史篇章。

植物化石揭示青藏高原西端的干旱化过程

中国科学院西双版纳热带植物园周浙昆研究员等人对札达在盆地北部香孜地区上新统地层中发现的一批微小的叶片化石进行研究，研究成果发表于Science China Earth Sciences。札达香孜地区上新世时的植被以高原灌丛为主，锦鸡儿、绣线菊、栒子、金露梅、沙棘等小型落叶灌木是组成群落的主要成分。基于化石类群及叶片形态特征组合，利用共存分析法和叶相-气候多变量程序分析法定量重建了该地上新世时的古环境。结果表明该地区海拔在上新世时已与现在相近，但温度和降雨量均高于现在，并有明显季节性降水差异。上新世以来亚洲中部的干旱化，可能是该地植被从高原灌丛逐渐转变高原荒漠的驱动因素。

青藏高原的生长塑造了现代生物多样性

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所邓涛研究员领衔与合作者撰写了综述文章，展示了青藏高原是现代生物多样性形成的演化枢纽。该论文发表于《中国科学：地球科学》。文章通过综合新生代高原古生物重要类群的演化历史，总结了在高原生长影响下的3种生物演化模式：土著物种本地起源、本地起源并“走出西藏”、途经西藏地区的洲际扩散，突出了青藏高原在现代生物多样性形成过程中的“演化枢纽”的地位。这是第二次青藏高原综合科学考察研究启动以来，以大量实证资料为基础的、对高原生长与生物演化耦合关系的首次系统表述。为认识高原隆升的资源环境效应提供了十分重要的科学证据。

鱼类和哺乳动物“土著物种本地起源”模式（图片来源于中国科学院古脊椎动物与古人类研究所网站）

以臭椿和攀鲈为例展示“途经西藏地区的洲际扩散”模式（图片来源于中国科学院古脊椎动物与古人类研究所网站）

缅甸琥珀中的空中食虫鸟

中国地质大学（北京）邢立达副教授领衔、加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆瑞安·麦凯勒教授（Ryan C. McKellar）、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所美籍研究员邹晶梅（Jingmai K. O’Connor）与英良世界石材自然历史博物馆执行馆长钮科程等学者组成团队，对缅甸琥珀中发现的一件特别的古鸟化石开展研究，研究成果对理解古鸟类的多样性和羽毛的演化有重要意义。研究论文发表于Scientific Reports。标本具有大而弯曲的脚爪，脚爪较扁，横截面形态和现生树栖鸟类相似，而不同于地栖类；标本的远端趾节相对较长，这是树栖鸟类才具有的特征，而地栖鸟类近端趾节较长。

寒武纪早期不同高肌虫附肢结构的差异揭示了干群真节肢动物躯体模式的多样化

云南大学云南省古生物研究重点实验室侯先光研究员、刘煜研究员等与国内外合作者，对世界自然遗产“澄江生物群”中的高肌虫类化石进行了全新的形态学研究，相关论文发表于Communications Biology。以介壳形态为基础而进行的寒武纪节肢动物的分类学工作，由于未能全面地涵盖软躯体形态信息而存在严重偏颇，并且极大地低估了早期节肢动物，尤其是双瓣壳类节肢动物的物种多样性。该研究也从另一个方面表明，早期节肢动物已经通过进化辐射，独立地演化出各种各样的身体形态，以适应和占据不同的生态环境。

白垩纪缅甸琥珀中发现最早的有花植物昆虫传粉证据

中国科学院南京地质古生物研究所王博研究员、李建国研究员等人和美国David Dilcher教授合作，在白垩纪中期（约1亿年前）缅甸琥珀中发现了真双子叶植物经花蚤科甲虫进行传粉的直接证据。研究论文发表于PNAS（美国科学院院刊）。该研究结果证实了许久以来学者们关于白垩纪甲虫是早期被子植物传粉者的猜想，填补了早期被子植物虫媒授粉证据的空白，为解答达尔文的“讨厌之谜”提供了一个关键证据。被子植物（有花植物）是当今最繁盛的植物类群。化石记录显示被子植物在白垩纪中期突然大量出现。达尔文将这一“反常现象”称为“讨厌之谜”。