長周期氣候變異由于持續(xù)時(shí)間長、機(jī)制復(fù)雜，加之對(duì)其變化因素的理解仍然不足，至今難以實(shí)現(xiàn)有效預(yù)測。近日，中國科學(xué)院海洋研究所徐永生團(tuán)隊(duì)在利用人工智能提升太平洋十年濤動(dòng)預(yù)測能力方面取得突破性進(jìn)展。

基因編輯動(dòng)物在生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出實(shí)際應(yīng)用潛力。隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展，基因編輯動(dòng)物的數(shù)量快速增長。目前，關(guān)于基因編輯動(dòng)物數(shù)據(jù)的整理、匯總及標(biāo)準(zhǔn)化分析相對(duì)缺乏，限制了研究人員挖掘和利用這些數(shù)據(jù)。對(duì)此，中國科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)探索。

基于國際科技創(chuàng)新中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)科創(chuàng)熱榜每日榜單形成的一周科技記憶，我們推出《一周前沿科技盤點(diǎn)》專欄。今天，為大家?guī)淼?17期。

1、《Environmental Research Letters》丨AI技術(shù)大顯身手！長周期氣候預(yù)測難題迎刃而解

(a) 基于遷移學(xué)習(xí)增強(qiáng)的 CNN 模式（藍(lán)色）與來自不同動(dòng)力學(xué)模型預(yù)報(bào)系統(tǒng)（其他顏色）的年均 PDO 指數(shù)和均方根誤差（RMSE）在不同前導(dǎo)月的相關(guān)性和（b）均方根誤差

長周期氣候變異由于持續(xù)時(shí)間長、機(jī)制復(fù)雜，加之對(duì)其變化因素的理解仍然不足，至今難以實(shí)現(xiàn)有效預(yù)測。

近日，中國科學(xué)院海洋研究所徐永生團(tuán)隊(duì)提出了一種基于遷移學(xué)習(xí)增強(qiáng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）方法，以解決長期而復(fù)雜的氣候變異預(yù)測問題，能夠提前一年預(yù)測PDO事件。PDO是一種類似厄爾尼諾的長期存在的氣候變異模式，對(duì)氣候和生態(tài)系統(tǒng)有著廣泛而深遠(yuǎn)的影響。PDO周期較長，約為 20 至 30 年。準(zhǔn)確預(yù)測PDO能為決策者應(yīng)對(duì)其影響提供重要的科學(xué)依據(jù)。然而，受限于其較長的周期和復(fù)雜的形成機(jī)制，PDO的預(yù)測仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

團(tuán)隊(duì)針對(duì)數(shù)據(jù)量有限的問題，采用了k折交叉驗(yàn)證評(píng)估模型在不同數(shù)據(jù)集上的性能，從而增強(qiáng)了模型的可靠性。在1983年至2022年的測試階段，采用遷移學(xué)習(xí)增強(qiáng)的CNN模型在預(yù)測年均PDO指數(shù)和PDO位相方面始終優(yōu)于現(xiàn)有的動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)在降低季節(jié)變化帶來的不確定性方面表現(xiàn)出色，展示了優(yōu)秀的預(yù)測性能。

人工智能在預(yù)測長周期氣候變異時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是歷史數(shù)據(jù)不足，難以有效訓(xùn)練模型。為解決這一問題，徐永生團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用了遷移學(xué)習(xí)增強(qiáng)的CNN方法來預(yù)測PDO，通過從預(yù)訓(xùn)練模型中提取已有知識(shí)并將其應(yīng)用于新的相關(guān)任務(wù)，從而有效克服了數(shù)據(jù)不足的限制。通常，訓(xùn)練深度CNN模型需要大量標(biāo)注數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)良好的泛化能力，但通過利用預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，即便數(shù)據(jù)樣本非常有限，仍能達(dá)到較高的準(zhǔn)確性。本研究提出的方法創(chuàng)新性地利用模式數(shù)據(jù)中的動(dòng)力學(xué)信息來彌補(bǔ)觀測數(shù)據(jù)的不足，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)PDO的預(yù)測，為長周期氣候變異的預(yù)測提供了一種新途徑。

2、《Nucleic Acids Research》丨跨越物種界限：VDGE數(shù)據(jù)庫為基因編輯動(dòng)物研究打開新窗口

VDGE數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程與內(nèi)容展示

基因編輯動(dòng)物在生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出實(shí)際應(yīng)用潛力。隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展，基因編輯動(dòng)物的數(shù)量快速增長。學(xué)界越來越關(guān)注基因編輯系統(tǒng)對(duì)生物基因組的影響以及基因編輯動(dòng)物可能出現(xiàn)的新發(fā)突變問題。目前，關(guān)于基因編輯動(dòng)物數(shù)據(jù)的整理、匯總及標(biāo)準(zhǔn)化分析相對(duì)缺乏，限制了研究人員挖掘和利用這些數(shù)據(jù)。

近日，中國科學(xué)院北京基因組研究所（國家生物信息中心）趙文明團(tuán)隊(duì)、昆明動(dòng)物研究所王國棟研究組、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所張永清研究組從實(shí)驗(yàn)室基因編輯猴和基因編輯犬出發(fā)，收集、整理并分析了目前具有家系全基因組數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了基因編輯動(dòng)物新發(fā)突變數(shù)據(jù)庫VDGE，實(shí)現(xiàn)了基因編輯動(dòng)物新發(fā)突變的標(biāo)準(zhǔn)化分析、整合和展示，為相關(guān)數(shù)據(jù)的挖掘和利用提供了綜合信息平臺(tái)。

VDGE包括物種、家系、樣本、目標(biāo)突變、變異和相關(guān)基因6個(gè)關(guān)鍵模塊。目前，VDGE的數(shù)據(jù)主體來源于具有家系全基因組測序數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)集，涵蓋恒河猴、食蟹猴和犬等物種的107個(gè)動(dòng)物家系、174個(gè)全基因組測序樣本、56個(gè)目標(biāo)突變、115,710個(gè)變異和12,708個(gè)相關(guān)基因。同時(shí)，VDGE整合了部分缺乏全基因組測序數(shù)據(jù)的基因編輯豬和犬以及與它們相關(guān)的目標(biāo)突變信息。未來，VDGE將整合更多的基因編輯物種以及多種類型的變異數(shù)據(jù)，為科研人員提供更全面和多樣化的數(shù)據(jù)資源平臺(tái)。

3、《Advanced Materials》丨長壽命高容量：鈉離子電池碳負(fù)極材料的重大進(jìn)展

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和對(duì)可再生能源需求的不斷增長，高效、環(huán)保的儲(chǔ)能技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)。鋰離子電池雖然已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，但鋰資源的稀缺性和分布不均限制了其進(jìn)一步發(fā)展。鈉離子電池因其豐富的鈉資源和與鋰離子電池相似的工作原理，被視為一種有前景的替代技術(shù)。然而，鈉離子電池在商業(yè)化道路上仍面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是碳質(zhì)負(fù)極材料在充放電過程中的低初始庫侖效率和鈉存儲(chǔ)機(jī)制的不明確，這些問題嚴(yán)重制約了鈉離子電池的性能和可靠性。為了解決這些問題，研究人員不斷探索新的碳質(zhì)材料，并試圖通過先進(jìn)的表征技術(shù)深入理解鈉的存儲(chǔ)機(jī)制，以期設(shè)計(jì)出高性能的碳負(fù)極材料。

近日，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院吳宇平教授“三尺儲(chǔ)能”研究團(tuán)隊(duì)合理設(shè)計(jì)了一種高缺陷超薄碳納米片(HDCS)負(fù)極，其具有強(qiáng)烈的Na+自吸附行為，并詳細(xì)揭示了其儲(chǔ)鈉機(jī)理。通過原位XRD直接觀察到在HDCS-8負(fù)極吸附的準(zhǔn)鈉金屬團(tuán)簇和晶系轉(zhuǎn)變的獨(dú)特的儲(chǔ)鈉機(jī)制。放電過程中，高電壓區(qū)首先形成小的六方晶系準(zhǔn)鈉金屬團(tuán)簇，然后在低電壓區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的斜方晶系準(zhǔn)鈉金屬團(tuán)簇。HDCS-8表現(xiàn)出這種獨(dú)特的儲(chǔ)鈉機(jī)制使其具有優(yōu)異的性能。HDCS-8負(fù)極具有364 mAh g?1的高可逆容量，同時(shí)在1.0 A g?1下循環(huán)1000次后容量保持100%，并在5.0 A g?1大電流密度下循環(huán)600次后容量仍保持94%。因此，這種獨(dú)特的準(zhǔn)鈉金屬團(tuán)簇吸附和晶系轉(zhuǎn)化機(jī)制為鈉存儲(chǔ)提供了一個(gè)有前景的發(fā)展方向，有助于未來開發(fā)具有長壽命和高容量的碳質(zhì)負(fù)極材料。

4、《Environmental Technology & Innovation》丨微生物群落新動(dòng)態(tài)，牡蠣殼與生物炭共促生態(tài)循環(huán)

添加劑對(duì)海藻堆肥的影響

隨著全球水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，每年會(huì)產(chǎn)生大量海藻、牡蠣殼等廢棄物。而這些廢棄物通常被堆放在垃圾填埋場、近海灘涂或直接丟棄到海洋中，對(duì)土壤、自然水域及海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來環(huán)境影響。為促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展，中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所馮大偉團(tuán)隊(duì)在海藻、牡蠣殼等廢棄物資源化利用及土壤改良技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。

研究團(tuán)隊(duì)探索了如何將海藻、玉米淀粉渣、雞糞、玉米秸稈以及牡蠣殼等廢棄物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的資源。首先，在海藻和玉米淀粉渣的堆肥體系中加入了生物炭、磷酸鹽和氧化鎂等添加劑，顯著提高了堆肥過程中的有機(jī)質(zhì)分解效率、氮素轉(zhuǎn)換率和腐殖化水平，同時(shí)保持或增強(qiáng)了海藻的植物刺激作用。其次，對(duì)于雞糞和玉米秸稈的堆肥體系，研究發(fā)現(xiàn)添加40%的牡蠣殼粉能夠有效改善酸性土壤，促進(jìn)油菜生長，同時(shí)提高了有機(jī)質(zhì)降解效率和鈣元素的活化率。最后，在海藻和糖渣的共堆肥過程中，研究團(tuán)隊(duì)比較了不同比例的生物炭和牡蠣殼粉對(duì)堆肥效果的影響，結(jié)果顯示適量的生物炭能夠大幅提升有機(jī)質(zhì)降解效率和腐殖質(zhì)的比例，而牡蠣殼粉則有助于減少廢棄物總量并維持堆肥質(zhì)量。這些研究成果提升了廢棄物資源化利用效率，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展開辟了新路徑。

5、《Nature Chemistry》丨化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)，液滴也能“跑”起來

薛定諤提出生命以負(fù)熵為生。普里高津提出耗散結(jié)構(gòu)理論，進(jìn)一步闡釋了能量在有序結(jié)構(gòu)演化中的作用。生物組裝體展現(xiàn)出這種能量耗散的特性。當(dāng)前，科學(xué)家借助化學(xué)手段，構(gòu)建了多種耗散組裝體系，獲得了瞬態(tài)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。而遠(yuǎn)離平衡態(tài)的涌現(xiàn)功能如機(jī)械功能相對(duì)稀缺。因此，需要拓展耗散組裝的研究范式來探索能量消耗帶來的獨(dú)特性質(zhì)與行為，這將有助于開發(fā)復(fù)雜功能并深化科學(xué)家對(duì)生命活性的認(rèn)知。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員劉凱和荷蘭格羅寧根大學(xué)Sijbren Otto團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種基于耗散酰胺鍵的活性液滴系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過馬來酸酐與辛胺在水溶液中的反應(yīng)生成酰胺化合物，后者能夠在酸性條件下水解。碳二亞胺作為額外的燃料分子，促進(jìn)了二酸廢料與辛胺重新生成酰胺，形成了一個(gè)耗散反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這些酰胺化合物通過分子間的作用力與辛胺組裝成液滴，其中的疏水區(qū)域能夠加速反應(yīng)，產(chǎn)生自催化生長。

通過控制化學(xué)燃料的供給，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴生長和消失的動(dòng)態(tài)調(diào)控，表現(xiàn)出周期性的生長和再生特性。此外，他們還利用液滴與油酸之間的化學(xué)交互作用，使液滴具備了趨化性運(yùn)動(dòng)的能力。液滴中的辛胺在水解后被油酸吸收，造成表面張力差異，借助馬蘭戈尼效應(yīng)，液滴向油酸方向移動(dòng)。此過程可通過調(diào)整燃料分子的添加來控制液滴的運(yùn)動(dòng)速度和持續(xù)時(shí)間。

這項(xiàng)研究不僅展示了耗散組裝系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)械做功的可能性，而且通過整合耗散組裝和馬蘭戈尼效應(yīng)，構(gòu)建了一個(gè)能夠進(jìn)行跨尺度能量轉(zhuǎn)化的活性液滴系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅為開發(fā)新型活性材料提供了新思路，也為理解生命系統(tǒng)中的能量耗散機(jī)制提供了重要參考。

6、《Advanced Materials》丨模擬蟻穴結(jié)構(gòu)，金屬表面實(shí)現(xiàn)自我啟動(dòng)超疏水

長春光機(jī)所等在飛秒激光制備無涂層持久超疏水表面研究中獲進(jìn)展

金屬表面超疏水在自清潔、防腐、減阻和防冰等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前，金屬表面超疏水性能的實(shí)現(xiàn)依賴于傳統(tǒng)的二元協(xié)同設(shè)計(jì)思想，即在材料表面制作微/納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而采用低表面能有機(jī)物進(jìn)行修飾。這種依靠粘附涂層的設(shè)計(jì)在實(shí)際腐蝕性環(huán)境如海水中易遭受侵蝕性離子的滲透，導(dǎo)致涂層分解、疏松和剝落等風(fēng)險(xiǎn)，從而引發(fā)超疏水化學(xué)耐久性下降。特別是，化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)的材料表面能變化對(duì)液體滾動(dòng)角產(chǎn)生影響，使得超疏水表面性能難以在長時(shí)間范圍得到維持。

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所楊建軍團(tuán)隊(duì)提出了飛秒激光元素?fù)诫s微納結(jié)構(gòu)與循環(huán)低溫退火相結(jié)合的研究方法，在金屬鋁合金表面構(gòu)建了以次晶相態(tài)為主導(dǎo)的仿生蟻穴狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自啟動(dòng)超疏水效果。其中，多級(jí)微納結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣捕獲的穩(wěn)定利用，而次晶相態(tài)形成可以降低材料表面自由能，從而使金屬表面展現(xiàn)出超疏水化學(xué)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，這種自主性的超疏水金屬表面可以應(yīng)對(duì)不同酸堿溶液浸泡、紫外輻射和冷凍循環(huán)等苛刻環(huán)境的挑戰(zhàn)。

進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院金屬研究所馬會(huì)團(tuán)隊(duì)合作，運(yùn)用從頭計(jì)算方法，從理論層面進(jìn)一步驗(yàn)證了次晶相態(tài)形成對(duì)于材料表面能降低和化學(xué)穩(wěn)定性提升的貢獻(xiàn)。

上述研究解決了金屬表面極端拒水性持久保持難題，并為基于原子尺度調(diào)控的高性能材料表面設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新的研究思路。

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