57、70和78岁：大脑衰老的关键节点？新发现：4.5万年前现代人与尼安德特人的混血 | 一周论文新鲜读

12.16

本周值得读

来自《自然》旗下期刊的新近发表，我们为您精选呈现。

1. 发现与大脑衰老相关的关键蛋白

2. 新型芯片提升量子纠错

3. 全球旅游业碳排放增长且不平等

4. 鳄鱼的皮肤是如何形成的

5. “萤火虫闪烁”揭示早期星系的形成

6. 已知最古老的现代人基因组揭示4.5万年前人类与尼安德特人的混血

衰老 | 发现与大脑衰老相关的关键蛋白

Plasma proteomics identify biomarkers and undulating changes of brain aging

Nature Aging

《自然-衰老》发表的一篇论文鉴定出13种与人类大脑衰老相关的蛋白。这些血蛋白的浓度变化或在人类57岁、70岁和78岁时达到顶峰，表明这几个年龄可能对脑衰老过程的潜在干预具有重要意义。

据估计，到2050年，全球65岁及以上群体将超过15亿人，这要求我们对衰老过程有更深入的认知，尤其是与大脑相关的部分。神经退行性疾病（如痴呆症）的发病率已知会随年龄增长而升高，但有效的治疗方法仍很有限。对大脑衰老的早期诊断和干预可以帮助我们预防这类疾病。人类大脑的生理年龄能通过基于脑成像特征（如体积和表面积）的预测算法进行估算，但血液中的蛋白也可以用来推断大脑的生理年龄以及健康状况。

中国复旦大学的程炜、郑州大学第一附属医院的许予明和同事利用10949名45-82岁的健康成年人的多模态脑成像数据研究了脑衰老的潜在指征。他们还利用英国生物银行（UK Biobank）的数据分析了近5000人的血浆中约3000种蛋白质的浓度。作者发现了与大脑生物衰老密切相关的13种蛋白，尤其是Brevican（BCAN——一种中枢神经系统蛋白）。血液中BCAN和GDF15的水平还与痴呆症、卒中和运动功能有关。许多蛋白的浓度被发现会沿不同曲线随大脑生理年龄而变化，并共同在57岁、70岁和78岁的脑年龄形成三个脑年龄相关峰值。作者认为，血液蛋白浓度的非线性变化或反映了人类脑健康在特定年龄的转变。

作者指出，他们的数据集中在年长的欧洲裔个体，今后的研究应关注这些蛋白在不同年龄和族裔中的作用。

量子计算 | 新型芯片提升量子纠错

Quantum error correction below the surface code threshold

Nature

根据本周《自然》发表的一篇论文，谷歌量子AI（Google Quantum AI）的最新一代量子芯片能实现将错误抑制在一个关键阈值以下的量子纠错功能——这被认为是实现未来量子计算实际应用的必要条件。该芯片的性能扩展后或能推动大规模容错量子计算的运算要求。

量子计算有潜力在特定任务上加速计算速度并超越经典计算机的能力。不过，量子计算机很容易出错，所以当前的原型机无法运行足够长的时间以实现实际输出。量子计算研究人员为此设计的解决策略依赖量子纠错，即将信息分布到许多量子比特（量子信息的单位，类似于经典计算机的比特）上，能在不破坏计算的情况下识别和补偿错误。量子纠错需要的量子比特开销可能会引入比它能纠正的更多的错误。因此，实现“低于阈值”的运算一直存在挑战——未纠错率要低于一个关键值，这样才能按预期纠错并指数级地抑制错误。

美国Google Research的Hartmut Neven和同事报道了名为Willow的最新一代超导量子处理芯片架构，该芯片能实现低于表面码关键阈值的量子纠错——表面码是一种特定的量子纠错技术。他们的系统能在数小时内运行最多100万个周期，同时实时解码错误并维持表现。作者在一个72量子比特的处理器和一个105量子比特的处理器上运行了表面码。每次码距从3增加到5再到7，逻辑错误率减半。作者表示，这种对逻辑错误的潜在抑制为运行有纠错的大规模量子算法奠定了基础。

气候变化 | 全球旅游业碳排放增长且不平等

Drivers of global tourism carbon emissions

Nature Communications

根据《自然-通讯》发表的一篇新研究，由于高涨的需求和技术效率提升缓慢，过去十年间与全球旅游业相关的碳排放有所增加。这些发现基于2009-2020年间的数据，凸显出需采取有效政策措施的紧迫性，使旅游业与全球气候目标保持一致。

旅游业是全球碳排放的一个主要来源。这一行业的快速增长及其碳密集的性质（尤其是与运输方式相关的特点），对全球减排工作构成挑战。理解旅游业碳排放的关键驱动因素，对于制定策略来缓解这一行业的环境影响十分重要。

澳大利亚昆士兰大学的孙雅彦和同事利用2009年至2020年间175个国家的数据，对全球旅游业碳足迹进行了全面分析。他们发现，全球旅游业排放每年增加3.5%（超过全球经济增长率的两倍，即每年1.5%），在2019年达到了52亿吨二氧化碳当量。这相当于全球温室气体总排放的8.8%。这一增长的首要驱动因素是技术效率增长缓慢（每年0.3%）和旅游需求持续高增长（按2009年不变价格计算，每年增长3.8%）。这项研究还显示出人均旅游排放量上的明显差异，20个最高排放的国家，包括美国、中国和印度，碳足迹占全球总排放量的75%。

这些发现强调有必要采取紧迫的行动来减少旅游业排放。技术进步虽然带来了一定的减排，但不足以抵消旅游业的快速增长。这项研究还强调了设计全球减排政策时考虑经济差异的重要性。

演化 | 鳄鱼的皮肤是如何形成的

Self-organized patterning of crocodile head scales by compressive folding

Nature

《自然》发表的一项研究显示，鳄鱼面部与下颌独特的鳞片图案是由一种精确的皮肤机械折叠过程形成的。研究结果验证了之前的观点，即这些鳞片来自某种机械过程而非遗传机制，同时为了解这一过程背后的细节提供了新的见解。

动物的附属器官——如羽毛、毛发和鳞片——通常作为受遗传调控的单元在胚胎发育期间发育。但这一规则也有例外，如鳄鱼头部的鳞片被发现完全由机械过程产生。不过，形成头部鳞片图案的精确机制一直很难确定，一定程度上是因为用鳄鱼胚胎做实验存在技术难度。

瑞士日内瓦大学的Michel Milinkovitch和同事通过将尼罗鳄胚胎实验与计算机模拟相结合，生成了一个三维机械发育模型，重现了鳄鱼头部鳞片的图案结构。他们发现，这些鳞片会通过简单的机械过程自我组织，比如因皮肤比皮下骨骼发育更快以及这些不同组织的硬度差异而导致的挤压褶皱。作者总结道，这个过程会使鳄鱼头部的鳞片形成不规则的几何图案，这与鳄鱼身体鳞片作为受遗传调控单元的发育方式截然不同。

天文学 | “萤火虫闪烁”揭示早期星系的形成

Formation of a low-mass galaxy from star clusters in a 600-million-year-old Universe

Nature

《自然》发表的一篇论文显示，在宇宙约6亿年时形成的小质量星系“萤火虫闪烁”（Firefly Sparkle）的详细观测数据为早期星系形成提供了新知。研究结果基于韦布空间望远镜（JWST）的观测数据，或增进我们对银河系演化的理解。

我们能探测到的最遥远的星系来自宇宙只有当前年龄约5%的时候。不过，这些星系的质量只有银河系的约万分之一，而且这么小的质量使它们很难被观测到。

“萤火虫闪烁”星系最早由哈勃空间望远镜发现，但美国韦尔斯利学院的Lamiya Mowla、Kartheik Iyer和同事报道了JWST观测到的新细节，带来了对该星系形成过程的新认知。利用光谱学和引力透镜（大质量前景天体让来自遥远距离的光线发生弯曲的现象），该星系的红移值据估为8.3，诞生于宇宙生命最初的6亿年。作者还观测到了两个相邻星系，并命名为“萤火虫的好友”（Firefly-Best Friend）以及“萤火虫的新好友”（Firefly-New Best Friend），这两个星系分别距离“萤火虫闪烁”6000光年和4万光年，比当前的银河系要小。作者推断，“萤火虫闪烁”在其早期形成阶段或许是一个年轻、有大量气体的星系。他们指出，“萤火虫闪烁”的质量集中在10个恒星簇，其总质量大约是太阳质量的1000万倍。这使得“萤火虫闪烁”成为在宇宙早期（星系刚开始形成的时期）观测到的分解成恒星簇的最小质量星系之一，其质量与原生银河系相似。

美国NASA戈达德太空飞行中心的Brian Welch在一篇同时发表的“新闻与观点”文章中写道，“虽然这些数据无法确定萤火虫和它的好友们的命运，但研究这些银河系的可能前身为理解银河星的形成过程提供了线索。”

演化 | 已知最古老的现代人基因组揭示4.5万年前人类与尼安德特人的混血

Earliest modern human genomes constrain timing of Neanderthal admixture

Nature

《自然》发表的一项研究对欧洲早期现代人已知最古老的基因组进行了分析，这些古老人类生活在约4.5万年前，分析结果有助于为尼安德特人和现代人的混血时间提供一个更精确的日期。研究显示，混血发生在距今4.5万年至4.9万年前的一次事件中，这比之前估计的时间更晚。这些发现为早期现代人和最早走出非洲的人类的人口构成提供了新见解。

现代人类在45000多年前抵达欧洲，与尼安德特人的重叠时间至少有5000年。欧洲至少曾居住着两个遗传学上迥异的早期现代人类群体，这两个群体的代表分别是来自保加利亚Bacho Kiro洞穴的个体，和来自捷克的一位名叫Zlatý kůň的女性。Zlatý kůň来自最早从走出非洲的一系人类中分化出来的人群，对她的分析显示他们和尼安德特人只有一次混血事件；但来自Bacho Kiro洞穴的古人类的祖源分析则显示他们有两次混血事件。近期的研究通过对德国拉尼斯Ilsenhöhle遗址的骨骼碎片进行放射性碳定年分析，发现在约41000年至49500年前，中欧和南欧就出现了早期现代人。然而这些人与当时欧洲的其他族群间的关系尚不清楚。

德国马克斯·普朗克进化人类学研究所的Arev Sümer和同事分析了从拉尼斯骨骼碎片中分离出来的一个高覆盖基因组和五个低覆盖基因组，这些骨骼碎片据估约有45000年历史。他们还分析了一个Zlatý kůň的高覆盖基因组，发现该基因组与两个拉尼斯人有五级或六级遗传关系。这些结果表明，这些个体属于同一族群，而该族群是已知最早从走出非洲一系分离出来的族群。作者还发现，这六个拉尼斯人之间存在近亲关系，并确定了一对母女关系，表明该群体属于一个没有在现代人群中留下后代的小规模人群。

研究表明，拉尼斯人有约2.9%的尼安德特人血统，Sümer和同事认为这源于所有非非洲个体中常见的一次混血事件。作者将这一事件追溯至大约45000年至49000年前（比拉尼斯人生活的时间早80代左右）。这一发现表明，所有目前经过测序的非非洲人的祖先曾在这一时期生活在同一人群中，而50000多年前生活在非洲以外的个体则代表了不同的非非洲人族群。这些结果可能还有助于确定与其他已灭绝古人类（如丹尼索瓦人）的混血时间。

Sümer和同事总结道，还需进行更多的研究来探索走出非洲后发生的事件，以及现代人类最早在欧洲和亚洲的迁移。

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