专题综述

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1. 寒武纪大爆发组织拼图假说与地球后生动物门类起源

张志飞, 胡亚洲, 梁悦, 刘璠, 罗梅, 张彩彬, 王棹

自然杂志 2025, 47 (2): 95-115. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2025.02.003

摘要（80）

PDF（pc）（107457KB）（96）

本文提出寒武纪大爆发不仅仅是地球多门类后生动物的系统性快速辐射事件，而且是地球动物生态系统的建立和动物消费驱动的生态革命事件。自此，地球生态系统自前寒武纪菌藻类支持的两极食物链生态系统向以动物消费驱动的三极食物链生态系统转变。在早期研究的基础上，本文强调了基于生命物质的组织层次(organismal hierarchical level)及其地质背景，并将地球早期生命宏演化划分为分子水平进化、细胞水平进化和组织水平进化三大阶段，分别导致了原核生物界、原生生物界和多细胞化的动物界(Metazoa)三大生物界的起源。据此, 认为寒武纪大爆发的实质是真核细胞群“组织化”的必然结果，重点论述了寒武纪动物大爆发组织拼图新假说(Lego Blocks of Tissues Hypothesis)。埃迪卡拉纪末期地球磁场减弱、辐射增强、海水氧化程度增高为动物组织演化提供了环境背景。同时，动物组织的起源为动物器官系统的分化和躯体构型的辐射演化提供了物质基础，加速了多门类、高阶元动物门类的爆发性出现和快速辐射。

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2. 射齿目：寒武纪海洋顶级掠食者演化探秘

吴雨, 傅东静, 张兴亮

自然杂志 2025, 47 (2): 116-12. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.06.011

摘要（193）

PDF（pc）（4462KB）（145）

射齿目，通常被称为奇虾，是一类繁盛于寒武纪时期的较为原始的节肢动物，同时也是当时海洋生态系统中的顶级掠食者，它们对认识节肢动物的起源演化以及理解早期地球生态系统都至关重要。文章从研究历史、谱系演化、生长发育、生物古地理和宏演化等方面简要综述了射齿目的研究现状和问题展望。

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3. 寒武纪大爆发期间蜕皮动物躯体构型起源与演化

王邓, 韩健, 郭俊锋, 强亚琴

自然杂志 2025, 47 (2): 125-133. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2025.02.004

摘要（78）

PDF（pc）（4050KB）（100）

蜕皮动物是一类能周期性蜕掉和更换身体表皮的无脊椎动物，是动物界生物多样性最高、数量最多的类群，并且成功占据了地球生物圈的各种生态位。现存的蜕皮动物包含八个门，从躯体构型上可分为两大类：其一为具吻-躯干分化、有口有肛门的、无附肢的蠕形蜕皮动物；其二为发育成对附肢型的泛节肢动物。最新研究发现，无“头-躯干分化”、外形呈囊状、有腹部口而无肛的，保存为微体化石的皱囊动物门代表了一类早期蜕皮动物更为原始的躯体构型，而有附肢型更为先进。三大躯体构型(囊型、蠕虫型、有附肢型)在寒武纪大爆发期间均已经出现，并独立演化。

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4. 极地化学风化漫谈

李超, 赖伟波, 陈金牛, 肖文申, 杨守业

自然杂志 2024, 46 (6): 406-414. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.06.002

摘要（336）

PDF（pc）（2663KB）（121）

在地质历史时期，大陆化学风化作为一种调节气候的负反馈机制，是维持“宜居地球”的关键。然而，地质记录中的证据显示，新生代以来气温逐渐下降，而大陆化学风化却逐渐增加，对这一机制提出了挑战。深入研究化学风化和温度的关系成为解答这一矛盾的关键，也是当前地球系统科学研究的热点。近期有研究显示，高纬极地地区虽然温度低，但其河流沉积物的化学蚀变指数(chemical index of alteration, CIA)却达到中等风化水平。因此，深入研究极地化学风化，可能是打开风化与温度之谜的关键钥匙。本文回顾了南北两极地区化学风化研究的主要进展和成果，并尝试总结极地地区化学风化的主要特征。南北两极不同的地理格局和地质背景决定了两极化学风化的差异。南极大陆由于冰盖覆盖缺乏河流，沉积物多为就近搬运和沉积；而北极地区周边大陆有众多大型河流，源-汇体系发育，水文条件和母岩属性决定了北极地区具有更强的沉积风化记录。相比低纬热带典型风化区域，目前对极地地区尤其是南极地区化学风化的研究仍十分欠缺，新兴地球化学分析开展的较少。在未来大陆风化研究中，重视和加强两极地区的化学风化研究有利于完善低温条件下的化学风化机理的探索；同时，在当今全球变暖和极地放大效应的影响下，研究极地的化学风化如何加速全球碳汇效应可以加深对全球气候变化理论的认识。

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5. 冰盖底部的奥秘：格陵兰的深层探索之路

张通, 效存德

自然杂志 2024, 46 (6): 415-420. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.06.003

摘要（313）

PDF（pc）（3386KB）（185）

格陵兰冰盖底部蕴藏着气候变化的关键信息，对理解未来地球气候系统演化有着重要的科学意义。本文回顾了中国团队参加格陵兰深冰芯考察计划的过程和历史，讨论了深冰芯、冰盖和气候变化之间的联系，并展望了未来在冰盖和气候不稳定性领域的研究方向。

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6. 北极海冰变化及其影响

陈金雷, 康世昌

自然杂志 2024, 46 (5): 330-336. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.002

摘要（2899）

PDF（pc）（5253KB）（468）

在全球变暖背景下，北极冰冻圈正在发生显著变化。近几十年来，北极海冰总体呈退缩状态，面积减少、厚度减薄、体积减小，预计到21世纪中叶夏季，海冰将完全消失。北极海冰的减少对生态系统、大气环流、海洋环流、中纬度天气气候以及社会经济发展等均产生影响。北极海冰变化及其影响研究可为北极可持续发展提供重要支撑，同时也可增加中国在北极的话语权，保障中国的北极权益。

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7. 南极清洁能源利用现状及其展望

张维哲, 李丙瑞, 窦银科, 陈燕, 李亚昊

自然杂志 2024, 46 (5): 337-346. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.003

摘要（663）

PDF（pc）（3790KB）（602）

伴随着南极科学考察的深入开展，南极考察活动的后勤保障引起的环境问题日益凸显，传统的以燃油为主的能源消耗结构已无法适应发展需求，而南极恶劣的自然环境和复杂的应用场景使能源供应和使用方式鲜有创新。因此，清洁能源利用技术日益成为影响南极科学考察的重要因素，迫切需要得到发展及应用。基于此，文章系统地梳理了南极清洁能源利用技术的成果，指出目前仍以燃油为主的南极能源消耗结构，阐述了各国南极科考站清洁能源的应用现状，讨论了南极清洁能源利用技术的难点，并展望了其未来发展。

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8. 无人艇在南极科考中的应用

钟雨轩, 刘睿轩, 孔祥申, 鲍凌志

自然杂志 2024, 46 (5): 347-353. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.004

摘要（518）

PDF（pc）（2559KB）（347）

南极科考对于理解全球气候变化、生态系统保护以及地球自身的历史具有极其重要的意义。随着科技进步，无人艇在南极科考中的应用也越来越广泛，无人艇能够在极端环境下开展环境探测和数据采集，为南极科考提供宝贵数据。文章首先介绍了国内外无人艇在南极科考中的应用情况，以及体现出的应用价值；然后，分析了南极科考无人艇的技术特点与未来应用推广；最后，从适应极端环境、长期海上作业、海洋环境认知等方面，对无人艇及其相关技术提出发展建议。

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9. 疲劳寿命预测的机器学习模型研究进展

邓阳, 戴春春, 王瑞金, 朱芳艳, 冷建涛, 张田忠

自然杂志 2024, 46 (4): 247-260. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.04.002

摘要（2008）

PDF（pc）（2848KB）（1413）

疲劳寿命的准确预测一直是重大装备设计研发所面临的挑战性难题。近年来，人工智能模型为疲劳寿命预测提供了新的研究范式，特别是在人工智能模型中融入已有知识，可有效提升其训练和预测能力。文章综述了知识和数据融合驱动的疲劳寿命预测模型的国内外研究进展，分析了各自的优势与不足，并对未来发展趋势进行了展望。

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10. 人工智能在文物保护中的应用

程远, 黄继忠, 张悦, 彭宁波

自然杂志 2024, 46 (4): 261-270. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.04.003

摘要（3050）

PDF（pc）（2449KB）（1152）

人工智能技术正在推动文物保护的现代化进程。文章全面梳理了人工智能在文物保护领域的应用现状。在文物数字化方面，激光点云语义分割等人工智能技术显著提升了文物数字化的效率和精度；在文物识别与管理方面，深度学习图像分类、知识图谱等为文物智能档案管理提供了支撑；在文物监测与检测领域，机器学习可以从环境参数与无损检测数据中自主分析文物状态，实现病害的早期预警；在文物虚拟修复与展示领域，人工智能技术正在从图像、几何、交互等多个层面来优化文物的虚拟修复方法与展示体验。研究显示，人工智能正在从多个维度重塑文物保护的理念、方法与手段，显著提升了文物保护的效率和精度。该综述为进一步探索人工智能赋能文物保护的实现路径提供了参考，有助于推进文物保护科技创新，实现文物保护与现代科技的深度融合。

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11. 人工智能在环境科学领域应用研究进展

劳佳怡, 王小燕, 施博, 王斌, 焦正

自然杂志 2024, 46 (4): 271-280. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.04.004

摘要（918）

PDF（pc）（1681KB）（2688）

人工智能(AI)的快速发展和高效率使其在科研领域越来越受欢迎。在过去十年中，环境学科对人工智能的应用呈指数级增长。使用人工智能的主要优点是能够高效地分析和处理大量数据，这正是环境科学研究面对的重要问题，因此人工智能的应用可以极大地促进环境科学与工程领域的发展。文章回顾了人工智能在环境科学领域中的最新应用，讨论了其优势和存在的问题，以及人工智能为环境科学带来的机遇和挑战。

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12. 细菌转录翻译偶联机制研究

张晶, 王程远

自然杂志 2024, 46 (2): 95-104. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.02.003

摘要（574）

PDF（pc）（5065KB）（2409）

中心法则描述了遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的传递过程。转录过程是RNA聚合酶以DNA为模板合成信使RNA的过程，翻译过程是核糖体利用信使RNA合成蛋白质的过程。与真核生物不同，细菌和古菌没有细胞核膜的分隔，其转录过程和翻译过程在相同时间、相同位置上进行。其中，RNA聚合酶与核糖体相互协同，同步完成转录和翻译的现象被称为转录翻译偶联。转录翻译偶联是细菌和古菌的一种重要基因调控机制，能同时有效地调控转录过程和翻译过程，是细菌适应复杂环境的重要生物学基础。数十年来，大量的研究逐步揭示了细菌转录翻译偶联机制在细菌基因表达调控中的作用，一系列参与转录翻译偶联过程的调控因子也被鉴定发现。近期，基于不同偶联状态的转录翻译偶联复合体结构的突破性研究，首次系统地展示了在不同信使RNA间距下，转录翻译偶联过程的动态变化，为后续研究转录翻译偶联基因调控机制提供了理论基础。

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13. 辅酶类核开关的种类、结构和调控机制研究进展

许笑晨, 任艾明

自然杂志 2024, 46 (2): 105-116. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.02.004

摘要（276）

PDF（pc）（6859KB）（563）

核开关是一类保守的RNA元件，可以通过特异性识别小分子配体来开启或关闭下游相关基因的表达，进而调控细胞的生命活动。目前已鉴定出近60种核开关，它们分别识别不同的代谢物或小分子配体。随着这些核开关的发现，它们的序列特征、高级结构以及调控机制逐渐成为核开关领域的研究热点。截至目前，大部分核开关的三维结构已经被解析，相关研究不仅阐明了这些核开关对配体的特异性识别方式，还从分子层面阐释了其对下游基因表达的调控机制，为开发核开关相关应用提供了重要的研究基础。文章综述了目前已鉴定的核开关的种类和主要功能，详细探讨了辅酶类核开关的三维空间结构和配体识别机制，并展望了核开关的研究前景及潜在应用。

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14. 植物染色质重塑复合体的保守性和特异性

郭婧, 何新建

自然杂志 2024, 46 (2): 117-129. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.011

摘要（1643）

PDF（pc）（1408KB）（578）

真核生物基因组DNA及其所包绕的组蛋白形成的核小体是染色质的基本单位。染色质的形成一方面有助于将基因组DNA组装到细胞核中，另一方面也对基因表达具有重要影响。染色质重塑因子能够利用水解ATP产生的能量调控染色质上核小体的组装、移除、滑动及组蛋白变体的置换等，从而调控基因转录和其他多种生物学过程。真核生物中的染色质重塑因子主要包括SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80四类，这些染色质重塑因子往往以多亚基复合体的形式存在。最近的研究工作系统鉴定了植物染色质重塑复合体的亚基组成和功能，揭示了植物染色质重塑复合体相对于酵母及动物染色质重塑复合体的保守性和特异性。对于这些复合体调控基因转录分子机制的认识也在不断深入。这些发现为深入研究染色质重塑在植物生长发育和胁迫应答中的作用奠定了基础。

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15. I型组蛋白去乙酰化酶复合物结构生物学研究进展

王雁南, 王晓, 张贺桥

自然杂志 2024, 46 (2): 130-138. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.010

摘要（373）

PDF（pc）（5180KB）（1553）

I型组蛋白去乙酰化酶复合物是从酵母到人所有真核生物中都保守的依赖于锌离子的组蛋白修饰酶。酿酒酵母Rpd3S和裂殖酵母来源同系物Clr6S包含多个亚基，可以被甲基化修饰的组蛋白H3第36位赖氨酸招募到相关核小体位点，随后对组蛋白H3和H4上的乙酰化修饰位点进行去除，以防止隐匿转录的发生。文章总结了近期关于I型组蛋白去乙酰化酶复合物结构生物学及生化方面研究进展，对I型组蛋白去乙酰化酶复合物识别核小体底物并对其乙酰化位点进行特异性去除的分子机制进行了讨论。

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16. 蛋白质翻译后修饰在细菌致病中的作用

周涛, 姚玉峰, 王丹霓

自然杂志 2024, 46 (2): 139-149. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2023.03.009

摘要（781）

PDF（pc）（2607KB）（1138）

蛋白质翻译后修饰(post-translational modification，PTM)可以改变蛋白质稳定性与活性，是调控蛋白质生物学功能的重要环节之一，在真核生物与原核生物中广泛存在。PTM在细菌的许多生命活动中发挥着重要调控作用，如物质代谢、信号转导和细菌致病过程等。文章综述了细菌中主要的PTM种类及功能，细菌毒力和适应力的PTM调控机制，细菌效应蛋白如何通过PTM调控宿主蛋白以及PTM检测技术的新进展。PTM的研究对了解细菌的致病机制及其与宿主的相互作用、致病机制有重要意义，也可以开发特异性治疗药物的新靶点。

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17. 叶绿体蛋白质传送器TOC-TIC超复合物的组成和结构机理

李甜, 刘昊, 柳振峰

自然杂志 2024, 46 (1): 12-22. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.002

摘要（894）

PDF（pc）（3040KB）（928）

叶绿体作为植物及藻类细胞中含有内外双层被膜的细胞器，能够通过光合作用过程将光能转化为化学能。大部分的叶绿体蛋白由细胞核基因编码，其前体蛋白是在细胞质中的80S核糖体上合成的。前体蛋白在转运肽的引导下，通过跨越叶绿体外被膜和内被膜的路径被传送进入叶绿体内部，进而到达发挥其生物学功能的目的微区。目前已知的前体蛋白转运的一个主要途径是通过叶绿体外被膜转运子(translocon in the outer envelope membrane of chloroplast, TOC)和内被膜转运子(translocon in the inner envelope membrane of chloroplast, TIC)，在二者的协同作用下前体蛋白得以跨越双层被膜进入叶绿体。文章回顾了TOC-TIC超复合物的结构生物学研究进展，并深入探讨了各组件的功能特性以及前体蛋白易位至叶绿体内部的潜在途径和调控机制。

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18. 紫色光合细菌LH1-RC复合物的结构生物学研究进展

岳星宇, 王征宇, 于龙江

自然杂志 2024, 46 (1): 23-34. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.003

摘要（477）

PDF（pc）（13896KB）（325）

紫色光合细菌作为研究光合作用分子机制的一种古老的模式生物，通过无氧光合作用将太阳能转化为化学能，其光合作用原初反应主要发生在由捕光天线复合物1(LH1)及反应中心复合物(RC)组成的核心复合物(LH1-RC)中。近年来，随着晶体学和冷冻电镜技术的迅速发展，多个不同菌种来源的LH1-RC复合物的三维结构被解析出来，极大地拓展了人们对该复合物的认识。文章系统总结了近年来紫细菌光合膜蛋白复合物的结构生物学研究进展，为深入了解光合作用分子机制、提高光合效率、促进人工光合作用系统的开发及应用提供了理论基础。

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19. 植物光合作用原初反应与电子传递调控

陈铸峰, 田利金

自然杂志 2024, 46 (1): 35-45. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2024.01.004

摘要（810）

PDF（pc）（4322KB）（1489）

光合作用是地球上最大规模的能量物质转换和生物固碳过程，是绝大多数生命生存和发展的物质基础。光反应是光合作用的第一步，其调控机制对于植物的生长至关重要。近年来随着分子生物学、结构生物学等现代学科交叉融合发展，许多经典光反应调控途径的分子元件得以深入解析，多种新的调控机制逐渐浮现。文章简述了光合作用光反应过程，并结合国内外最新成果重点讨论了捕光和电子传递链调控机制。相关研究不仅加深对光合作用的认识，而且对优化植物生长进而解决能源粮食等重要问题具有潜在应用意义。

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20. 低维量子材料的研究进展

李柯仁, 奚忆莲, 冯海凤, 杜轶

自然杂志 2023, 45 (5): 329-339. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2023.05.002

摘要（718）

PDF（pc）（5883KB）（1046）

许多新奇的量子效应可以在一些特殊的材料中被观察或者观测到，这一类材料是量子效应的载体，被称为量子材料。对量子材料的研究正在引领新的技术革命，是多个研究领域的前沿热点方向。由于低维材料中电子与电子之间的关联性和电子明显的限域效应，其中存在着丰富且奇妙的量子效应或者行为。文章主要从材料中的量子效应出发介绍了影响量子材料基本特性的几种机理，并着重介绍了几种低维量子材料(拓扑绝缘体、石墨烯、硅烯、锗烯)的发展历程、发展现状和目前所面临的挑战。

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