土卫一存在地下海洋、人类的尾巴为何消失？海绵告知气候变暖、全球水资源短缺、 | 一周论文新鲜读

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本周值得读

来自《自然》旗下期刊的最新发表，我们为您精选呈现。

1. 海绵表明升温已经超过了1.5°C

2. 玩具积木启发出基于液体的装置组装

3. 全球缺水预计将加剧

4. 证据显示土卫一存在地下海洋

5. 人类与猿类如何演化掉尾巴

6. 提升电池性能的溶剂

7. 2023-24厄尔尼诺或使某些地区平均气温破纪录

气候变化 | 海绵表明升温已经超过了1.5°C

300 years of sclerosponge thermometry shows global warming has exceeded 1.5 °C

Nature Climate Change

《自然-气候变化》发表的一篇论文认为，全球表面平均温度变暖可能已经超过了1.5°C，在这一个十年结束时可能超过2°C。这一预测基于加勒比海硬海绵骨骼保存的300年海洋温度记录。

全球变暖正在导致地球气候发生重大变化。2015年的《巴黎协定》旨在将升温控制在比工业化前水平高2°C以下，并尽力限制升温在工业化前高1.5°C以下。海洋温度的历史观察和数据有限，但可以通过代用记录研究历史事件。其中一种代用对象是硬海绵，这是一个长寿物种，其碳酸钙骨架记录了化学物质变化，是海洋温度的天然档案。

澳大利亚西澳大学的Malcolm McCulloch和同事用加勒比海东部收集的硬海绵标本（这一地点温度的自然变化小于别处），探索海洋混合层（水体和大气交汇区域）在过去300年的温度。随后将这些数据与HadSST4海面温度数据集中的观测记录进行校准，当作者对这些数据集进行比较，这些新的温度记录显示出1961年至今的高相关性。在这些海绵记录基础上，作者表明，通过1700年至1790年和1840年至1860年间的稳定温度可定义工业化前时期，期间有一段火山活动相关的降温造成的空白。他们认为，人类活动相关的变暖始于1860年代中期，在1870年代中期开始明显。这比仪器海面记录（来自HadSST4数据集）要早80年，但与此前的古气候重建一致。

作者认为，这些发现对现有全球变暖的预测有所影响。他们指出，这些记录显示出用于计算异常的参考时期（1961年至1990年），与新界定的工业化前时期相比，海洋混合层和地表温度上升了约0.9°C。相比之下，政府间气候变化委员会（IPCC）目前估计这一时期相对1850年至1900年工业化前水平的升温是0.4°C。使用这些气温记录，作者估计1.5°C的变暖水平可能已经达到了，平均地表变暖1.7°C可能发生在2018年至2022年间。

基于他们的记录，McCulloch和同事表明，限制地球变暖在1.5 °C以下的机会可能已经错失，控制变暖不超过2°C的目标可能在这一个十年结束时就会被超过。在一篇同时发表的新闻与观点文章中，中国科学院广州地球化学研究所的邓文峰写道，“这项研究有力地呼吁对全球气候危机采取快速、有效且明智的行动。”

材料 | 玩具积木启发出基于液体的装置组装

Reconfigurable liquid devices from liquid building blocks

Nature Chemical Engineering

《自然-化学工程》发表了一篇论文，展示了一种快速、按需组装液体装置的方法，该方法通过将液滴像积木一样连接成小型直立结构。这种方法受到玩具积木的启发，带来了一种组合式、可重构的方法，可在几分钟内构建如电池、小型反应器和现场即时检测等流体装置。

传统基于液体的装置昂贵且制造费时，依赖于预先设计的固体壁限制液体，经常采用复杂的毛细管结构来精细控制液体行为。这影响了此类装置的重构能力，尤其在需要即时决策的情况下。

中国东南大学的杜鑫和同事开发了一种方法，通过像玩具积木一样组装和拆卸液滴来构建液体装置。这些装置由二维和三维的几何形状组成，以精确定位的液滴作为单元，置于在硅油中培养的柱状基质中。他们表明，相邻可混合的液体单元会互相连接，而不相溶的液体不混合，形成分离单元。作者用一个3D打印机精确放置液滴单元，在几分钟内就能构建出不同几何形状和成分的液体装置。这些结构可以用一种类似特氟龙的纸来拆卸（切割）。

用这一方法，杜鑫和同事展示了构建电池、小型反应器以及一种或可用于医学诊断的现场即时检测方法，指出用这一方法构建的结构可以在几分钟内完成。

可持续性 | 全球缺水预计将加剧

A triple increase in global river basins with water scarcity due to future pollution

Nature Communications

《自然-通讯》发表的一项建模研究显示，到2050年，全世界三分之一的次盆地预计将严重缺乏清洁水源，或使额外30亿人受到影响。中国南部、欧洲中部、北美和非洲的许多次盆地由于氮污染水平很高，预计会成为水资源短缺的热点地区。作者强调，亟需在未来水管理政策中解决水质量问题。

气候变化会影响水资源供应，而城镇化和农业令用水需求上升、水污染加重，限制了用水安全。河流盆地有时会细分成名为次盆地的小构造单元，是饮用水的一个主要来源，但同时也是大规模城市和经济活动的发生地。这些活动可能会通过污水管道污染当地水道。河流周围的农业等土地利用也会成为非点源污染源，这些污染会从四面八方同时出现，控制难度更大。

荷兰瓦赫宁根大学的Mengru Wang和同事分析了全球河流盆地，发现在考虑水质的情况下，氮污染会极大增加出现缺水的河流盆地系统数量。他们发现，将来的全球氮污染或导致缺水的次盆地数量为现在的三倍。已有2517个次盆地的水源被认为水量和水质缺乏，而2010年只有984个次盆地存在水量缺乏。到2050年，作者预计将有3061个次盆地面临水量-水质缺乏的风险，影响额外30亿人的水资源。

作者强调，决策者在对今后水资源的评估中一定要考虑水质。虽然SDG 6的目标包含了清洁饮水，但与SDG 2有关的许多围绕农业的污染控制措施可能对水污染和这些水源保护有协同作用。

天文学 | 证据显示土卫一存在地下海洋

A recently formed ocean inside Saturn’s moon Mimas

Nature

《自然》发表的一篇论文认为，土星的卫星米玛斯（土卫一）坑洼的冰壳表面之下可能藏着海洋。卡西尼号宇宙飞船对观察数据的分析表明，这个海洋相对较新，仍在继续演化。进一步研究土卫一或能让我们更了解这个冰质世界如何形成。

越来越多的证据表明一些卫星地表之下可能有海洋，但探测这些水世界很困难。土卫一是土星的一个小型卫星，它是一个不太可能的候选对象，因为它的表面特性和其他冰卫星（如土卫二）不同。Valery Lainey 及其同事对这一理论提出了挑战，他们评估了卡西尼号对这个小卫星的观测结果。

此前研究对土卫一的内部提出了两种可能：一种是拉长的岩石核心，一种是全球海洋。法国巴黎天文台的Lainey和同事的最新分析揭示了这颗小卫星内部影响其自转运动和轨道的变化。应用固体模型时，岩质核心需拉长，几乎呈薄饼装，这与观测不符。但对土卫一位置的测量表明，用内部海洋的影响能更好地解释它的轨道。作者计算出，海洋位于冰壳下方约20-30公里深处。模拟表明它出现于2500万至200万年前。因而这一地下海洋的迹象还来不及在表面留下痕迹。

作者认为这些结果表明，土卫一近期发生的过程可能常见于其他冰星球的早期形成阶段。在一篇同时发表的“新闻与观点文章”里，美国搜寻地外文明计划研究所（SETI Institute）的Matija Ćuk 和 美国西南研究院的Alyssa Rose Rhoden写道：“Lainey和同事的发现，将推动对整个太阳系里中等大小冰卫星的全面调查。”

演化 | 人类与猿类如何演化掉尾巴

On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes

Nature

《自然》发表的一篇论文报道了人类和猿类（hominoids）演化掉尾巴的遗传学基础。一种猿类特异性遗传成分插入一个尾巴发育相关的基因会导致一种新的蛋白质异构体的产生，这在小鼠胚胎发育模型中会影响尾部伸长，提示这种成分会促进人类与猿类尾巴的缩短或退化。此外，作者认为失去尾巴的演化过程或导致人类与猿类更容易出现神经管畸形。

与其他灵长类物种不同，人科猿类——包括人类、黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩和长臂猿——没有尾巴。尾巴的消失是向着人类和其他猿类的演化中最显著的身体变化之一。不过，演化掉尾巴的遗传学机制一直有待阐明。

夏波、Jef Boeke、美国纽约大学朗格尼健康中心的Itai Yanai和同事筛查了与脊椎动物尾巴发育相关的140个基因，寻找可能导致猿类失去尾巴的变化。他们认为，Alu元件插入猿类祖先的TBXT基因（与有尾动物的尾巴发育相关）可能促进了尾巴的消失。为检测这种理论，他们构建了表达Tbxt基因不同形式的小鼠模型，既有全长也有新的外显子跳跃异构体（在猿类中这种异构体可通过插入Alu诱导）。作者发现，表达两种Tbxt形式的小鼠皆没有尾巴，或尾巴变短，具体取决于胚胎尾芽表达的相对数量。作者认为，这是证明外显子跳跃Tbxt异构体导致尾巴消失的证据。此外，他们还发现表达外显子跳跃Tbxt异构体的小鼠或会出现神经管畸形，这种疾病在每1000个人类新生儿中约有一例。

作者指出，尾巴在演化中消失或与可能出现神经管畸形的适应代价有关，神经管畸形到今天仍在影响人类，包括由于脊髓在子宫内发育不完全导致的脊柱裂。

技术 | 提升电池性能的溶剂

Ligand-channel-enabled ultrafast Li-ion conduction

Nature

《自然》报告了一项研究，研究发现能改善锂离子电池电解质的溶剂能够加快充电速度并提升低温下的电池性能。

可充电锂离子电池被用于许多日常设备，如手机和电车。提升这些电池的性能，使其功率更大、充电更快并且能够在更大温度范围内工作的需求持续增长。这些改进的困难之处在于，它们要求电解质同时拥有一些独立特性，例如高电导率和低溶剂化能（与锂盐如何分解有关），这会限制电池的循环寿命。

中国浙江大学的范修林和同事认为，改变溶剂可能是个解决办法。他们报告了一种被称为氟乙腈（fluoroacetonitrile）的由小分子组成的溶剂，能改进锂离子在电解质中的移动方式，带来更高的电导率，有利于更快充电。他们认为，溶剂里的小分子改变了锂的溶解方式，增强了离子传输。作者指出，即使在温度低至−65 °C时电导率仍然很高，表明在低温下可充电性的显著提高。

在一篇同时发表的“新闻与观点”文章中，中国北京理工大学的阎崇和黄佳琦写道，这项研究“为开发下一代锂离子电池开辟了新的研究途径”。他们补充说，这项研究探索的概念可能“适用于钠、钾、镁和钙离子等其他金属离子作为电荷载体的储能系统”。

气候 | 2023-24厄尔尼诺或使某些地区平均气温破纪录

Enhanced risk of record-breaking regional temperatures during the 2023–24 El Niño

Scientific Reports

从现在到2024年6月，全球多个地区——包括孟加拉湾、菲律宾、加勒比海——可能会因持续的厄尔尼诺现象出现破纪录的平均地表气温。这项建模研究发表于《科学报告》，结果还显示在中等或强厄尔尼诺情景下，同期约有90%的概率会出现破纪录的全球平均地表气温。

厄尔尼诺-南方涛动集中在热带太平洋，是全球气候波动的主要驱动因素。无论是其中偏暖的厄尔尼诺阶段还是偏冷的拉尼娜阶段都会影响气象条件，厄尔尼诺期间从西太平洋释放的热浪会导致年全球平均地表温度（GMST）加速上升。GMST小幅上升与极端区域升温事件中地表气温大幅上升显著相关。

中国气象科学研究院的祝从文和同事模拟了2023-2024年厄尔尼诺事件会如何影响2023年7月至2024年6月平均地表气温相较于1951-1980年平均值的区域变化。他们选择这个时期是为了保证能纳入厄尔尼诺事件在11月至1月的典型高峰。作者发现，在中等厄尔尼诺情景下，孟加拉湾和菲律宾预计会在该时期出现破纪录的平均地表气温。在强厄尔尼诺情景下，加勒比海、中国南海、亚马孙和阿拉斯加地区预计也会出现破纪录的平均地表气温。作者还模拟了厄尔尼诺同期对GMST的影响，发现在中等或强厄尔尼诺情景下，GMST有90%的几率会打破历史纪录。在中等强度的情景下，作者预计2023-24的GMST会比1951-1980的平均值基线高1.03 – 1.10°C；在最强的厄尔尼诺情景下，他们预计GMST会比平均值高1.06 – 1.20°C。

作者警告称，破纪录的平均气温可能会挑战各地区目前应对过热后果的能力。他们还指出，较高的地表气温会使极端气候事件的发生率大幅增加，这类事件包括野火、热带气旋和热浪，尤其是在海洋热容升高会导致气候条件持续时间延长的海洋和海岸区域。

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