【科技日报】科学家揭示花朵复杂着色模式形成机制.pdf

前 沿 w w w . s t d a i l y . c o m 责任编辑 2023 年 4 月 4 日 星 期 二 F R O N T I E R 孙悟空混入蟠桃宴、 孙悟空混入蟠桃宴 、哈利·波特披斗篷…… 古 DNA “开口” 讲述 K 科幻开脑洞 科学找答案 5100 年来青藏高原人群的 “混血史” 从 古 至 今 ，隐 身 一 ◎本报记者 符晓波 随着科学理论的不断发展，红外隐形、雷达隐形等隐 身技术已较为成熟地应用于军事领域，但诸如哈利波特 的隐身斗篷这样在视觉上实现完美隐身的应用似乎还停 留在人类想象层面。难道，令人无限遐想的隐身衣只能 出现在科幻作品中吗？ 3 月 21 日，武汉纺织大学纺织科技馆正式开馆，推出 了不少由高科技纺织材料制成的展品。其中，看似普通 的 迷 彩 服 ，穿 在 身 上 可 以 避 开 红 外 线 监 测 ，化 作“ 隐 身 衣”。 多年来，在让科幻中的隐身衣走进现实这件事上，科 学家是认真的。 2006 年，科学家利用超构材料首次实现了在微波频 率的电磁波隐身衣。随后，科学家开发了针对可见光的 隐身衣。2009 年，科学家成功研制出地毯式光学隐身衣。 此 外 ，科 学 家 还 将 目 光 转 向 声 学 隐 身 衣 、热 学 隐 身 衣、流场隐身衣，取得了系列突破。2022 年，香港中文大 学徐磊教授研究组团队研发出了超薄流场隐身衣。2022 年，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队成功 设计出可作用于微波频段和太赫兹频段的隐身器件…… 这些成果意味着，隐身衣或许真的在逐步走进现实。 实现古老梦想 从古至今，隐身一直是人类追求的梦想之一，在东西 方经典作品中常有相关描述，如在古希腊神话中，英雄人 物珀尔修斯就曾经得到过可以隐身的头盔； 《西游记》中， 孙悟空使用隐身术混进瑶池宫阙大闹蟠桃宴；而在动画 片《葫芦兄弟》里，六娃的绝活就是隐身。 试 图 让 自 身 变 得 不 可 见 的 幻 想 背 后 ，是 人 类 对 未 知 的渴望，这种渴望的灵感来自大自然。中国科学院物理 所研究员、北京凝聚态物理国家实验室研究员陆凌介绍， 自然界中如鱿鱼、乌贼等软体动物具有的变换能力，让人 们看见了实现隐身的可能。 借鉴章鱼、变色龙等自然界中动物的特殊生理结构， 科学界找到了实现隐身技术的最初思路，即尽可能降低 自身对比度，与环境融为一体，使人眼无法甄别。 “章鱼表皮有成千上万的小色素块，其软体组织可以 瞬间张开或者缩小这些小色素块，呈现出不同颜色和形 态，使人无法分辨章鱼及其生存环境。不过，从严格意义 上讲，这是一种伪装术，并不是真正的隐身。我们可以看 到它，只是无法分辨它和它所在的环境。”陆凌说。 而要真正让物体“凭空消失”，在科学上还需向前迈 出一大步。华中科技大学武汉光电国家研究中心副教 授、知乎光学话题优秀答主高辉介绍，物体散射或反射的 光线进入眼睛使人能够看见物体，因此要实现物体的隐 形则需要这个物体既不反射和散射光线，也不吸收光线， 也就是说，要使光线绕过物体，不受其影响。 在一些实验中，人们通过设计垂直排列的透镜阵列， 有选择地反射光线，从而达到隐身效果，但一旦观察角度 有所偏移，物体又会暴露在人们的视线中。迄今为止，实 现完美隐身对科学家而言仍是巨大的挑战。 科技“弯曲”光线 要像《哈利·波特》中的隐身斗篷那样，穿上就能实现全 直是人类追求的梦想之 ◎本报记者 陆成宽 一 ，在 东 西 方 经 典 作 品 中 常 有 相 关 描 述 ，如 在 古 希 腊 神 话 中 ，英 雄 人 物珀尔修斯就曾经得到 过可以隐身的头盔； 《西 游记》中，孙悟空使用隐 身术混进瑶池宫阙大闹 蟠桃宴；而在动画片《葫 芦兄弟》里，六娃的绝活 就是隐身。 视觉中国供图 空间完美隐形效果，理论上要能随心所欲地控制光线偏折。 早在 1897 年，英国小说家赫伯特·乔治·威尔斯发表 的科幻小说《隐形人》就描述了这一设想。故事主人公发 明了一种能把人体的折射率变得与空气一致的神奇药 水。主人公使用神奇药水，就能顺利隐身，成为不被看见 的人。而在漫威电影《神奇四侠》中，隐形女侠拥有的超 能力能够控制光波，使光绕着她走，进而实现隐形。 无法考证，科学家是否从科幻小说中获得了灵感，但 多年后变换光学理论的提出使科幻作品中的情节有了照 进现实的可能。 所 谓 变 换 光 学 理 论 ，是 指 通 过 改 变 介 质 参 数 从 而 让 光线弯曲的理论。2006 年，英国帝国理工学院的物理学 家约翰·彭德里等人发现，当材料介电常数和磁导率满足 一定关系时，电磁波在介质中会沿给定的曲线传播，并且 不产生反射，这意味着人类可以通过精确设计，实现对电 磁波的自由操控。 “理论上，通过设计和调控人造材料参数可以实现隐 身斗篷、光学幻象装置、旋转器等不同功能的隐身器件， 但实际操作所需调节的电磁参数非常复杂，需要昂贵的 光刻技术和繁琐的制造方法，最终实际的隐身效果也会 因存在种种局限而大打折扣。”厦门大学物理科学与技术 学院博士研究生陶思岑介绍，在已有的研究中，科学家设 计出的大多数隐身器件往往只针对特定物体或特定角 度，要完全躲过世界上最精密的照相机——人眼，技术难 度非同小可。 异 等 操 作 ，选 择 最 优 个 体 参 与 下 一 代 繁 殖 ，并 重 复 该 过 程，直到找到全局最优方案。 借 助 人 工 智 能 算 法 ，科 研 人 员 通 过 机 器 学 习 来 探 索 光子器件的隐身性能，在最小化人为干预前提下，成功设 计出可作用于微波频段和太赫兹频段的隐身器件。该方 法避免了复杂的图案化加工过程，设计时间可控制在毫 秒级内，表明遗传算法可在高维空间中直接进行全局最 优搜索，可作为隐身器件设计的有效方法。 为了追求完美隐身，多年来，科学家对物质在不同物 理环境下的隐身进行了广泛而深入的探索，由此构造了 不同类型的隐身衣，如在特定微波波长下实现隐身的电 磁波隐身衣、使物体对声波的传播不产生影响的声学隐 身衣、利用热流传播方程制造的热学隐身衣等。 陶思岑说，科学家畅想的隐身，准确来说叫作“低可 探测技术”，即利用各种技术手段来改变目标物可探测性 信息特征，此类技术手段包括采用独特设计的吸波、透波 材料降低目标物对电磁波、光波的反射；通过折射光线使 人眼无法察觉目标物，使其降低被发现的可能等。这些 技术可以单独使用，也可组合在一起形成针对多物理场 的超级隐身器件。从神话科幻到现代科技，人类对隐身 技术的探索从未停止。随着技术迭代，隐身技术将广泛 应用于建筑、通信等领域。 追求完美隐形 科幻作品里不乏隐身衣的身影，但鲜为人知的是，中 国最早的科幻电影把隐身衣搬上了荧幕。 人们曾经认为，中国最早的科幻电影是 1939 年首映 的《六十年后上海滩》。然而，这个观点或许要被更正了。 在中国科普研究所和南方科技大学科学与想象力研 究中心联合举办的科幻研习营（2021）的讨论中，学者黄鸣 奋通过研究民国报刊文献提出，1925 年由汪优游、徐卓呆 执导的《隐身衣》可能是中国首部科幻电影。在这部剧情 简单的滑稽片中，主人公得到了一件改变了他人生的隐 身衣，通过隐身惩罚了第三者。 除《隐身衣》外，20 世纪三四十年代，国内外科幻电影 瞄准隐身技术，推出了《隐身人》 《隐身女》 《新隐身术》 《隐 身特工》 《隐身人复仇》 《隐身女侠》 《陈查礼大破隐身术》 等作品，隐身技术作为电影中的“常客”，频频亮相。 为减小隐身器件理论设计与实际制备之间的难度， 2022 年，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队 提出运用遗传算法设计隐身器件方案。 “我们引入遗传算法来设计隐身器件，它是一种受生 物进化启发的学习方法，通过模拟自然进化过程搜索最 优解。”陈焕阳介绍，该研究将隐身器件的最小化散射截 面设为优化目标，将隐形器件的几何结构、材料及工作波 长这些变量定义为遗传算法中的个体染色体。优化过程 从随机生成由隐身器件组成的种群开始，然后解析计算 每个隐身器件对应的散射截面，其中散射截面越小代表 隐身效果越好；接着再运用遗传算法进行选择、交叉和变 延伸阅读 科学家揭示花朵复杂着色模式形成机制 “ 玉 峰 疑 菡 萏 ，绛 佩 讵 辛 夷 。”进 入 4 月，春回大地、万物复苏，五彩斑斓的花是 不可或缺的主角。千百年来，人们在惊叹 于花朵之美时，也对其为何拥有如此多样 的色彩和图案产生了深深的疑问。 而现在，这个问题可能要有新的答案 了。 近日，中国科学院植物研究所研究员 孔 宏 智 团 队（以 下 简 称 研 究 团 队）系 统 研 究了毛茛科东方黑种草花瓣上复杂着色 模式的细胞学基础、呈色物质、光学属性、 发育过程和形成机制，为更好理解花朵复 杂着色模式的形成机制提供了新思路。 相 关 成 果 论 文 发 表 于《 新 植 物 学 家 》 （New Phytologist）。 简单、复杂着色模式各 有不同 要理解花朵复杂着色模式的形成机 制 ，首 先 应 该 了 解 何 为 复 杂 着 色 模 式 ，以 及与之对应的简单着色模式。 “ 所 谓 着 色 模 式 ，就 是 指 颜 色 的 类 型 及其分布式样。”团队研究人员对记者说， “纯色，即均匀分布的单一颜色，对应简单 着色模式；复杂着色模式则是指颜色的分 布 相 对 复 杂 ，不 仅 具 有 多 种 不 同 颜 色 ，某 些颜色还按照特定的分布式样形成图 案。” 5 K 新知 不再是超能力， 不再是超能力 ，隐身术“ 坠入凡尘 坠入凡尘” ” ◎实习记者 李诏宇 骆香茹 在有花植物中，花瓣不仅因其美丽的 图 案 和 色 彩 而 引 人 注 目 、备 受 喜 爱 ，还 是 花中着色模式最为丰富的器官。一些植 物的花瓣仅有同种颜色的细胞，呈现出纯 色的视觉效果，而另一些植物的花瓣上包 含多种颜色的细胞，能够产生条带、斑点、 靶 心 、脉 络 纹 理 或 其 他 一 些 不 规 则 的 图 案。这些颜色和图案往往会以多种方式 组 合 、叠 加 ，从 而 形 成 复 杂 着 色 模 式 。 “拥 有复杂着色模式的植物并不罕见，如康乃 馨、矮牵牛、报春花、堇菜、百合、牡丹以及 许多兰花。”团队研究人员表示。 与具有简单着色模式的花相比，拥有 复 杂 着 色 模 式 的 花 色 彩 纷 呈 ，颇 具 观 赏 性 、趣 味 性 ，其 周 期 性 的 图 案 也 能 给 人 以 协调有序的美感。 从植物自身来看，花朵的复杂着色模 式是植物提高繁殖效率的一大策略，可以 作为传粉者寻找花粉或花蜜的“导向标”。 例如，黑种草属植物花上的色素条带能够 形成类似“环形跑道”的图案——这一“跑 道” 往往是引导传粉者访问的路径。 值得一提的是，具有复杂着色模式的 花还可以利用拟态吸引传粉者。例如，角 蜂眉兰的花在形状和图案上模拟雌性胡 蜂，可以有效引诱雄性传粉者；非洲雏菊花 瓣上的深色斑点， 能够吸引甲虫授粉…… 此外，复杂着色模式还能帮助植物抵 御强紫外线辐射等环境胁迫因素。比如， 位于高海拔和低纬度地区的萎陵菜的花 朵能够产生较大的靶心图案以吸收紫外 光，从而使其花粉免受损伤。 或为观赏植物改良育 种奠定基础 此次研究中，研究团队以毛茛科黑种 草属中的东方黑种草的花瓣为研究材料， 主要关注该物种花瓣上复杂着色模式的 形成机制。 “ 我 们 利 用 形 态 学 、解 剖 学 、生 物 化 学 、光 学 等 多 学 科 的 研 究 方 法 ，解 析 了 东 方黑种草着色模式的复杂性，然后利用精 细的时序和分区转录组—表达谱数据分 析 了 色 素 代 谢 通 路 的 时 空 动 态 。”团 队 研 究人员表示， “我们还通过这些组学数据 鉴定了与不同颜色、图案相关的基因和共 表达模块，最后通过实时荧光定量 PCR 技 术和病毒诱导的基因沉默技术，验证了关 键基因的表达和功能。” 基 于 形 态 学 观 察 ，研 究 团 队 发 现 绿 、 黄、红三种颜色细胞的数量和排列方式是 复杂着色模式形成的关键。丰富的叶绿 素 、类 胡 萝 卜 素 和 花 青 素 类 物 质 分 别 是 绿、黄、红三种颜色细胞呈色的物质基础， 也是复杂着色模式形成的色素基础。 通过追踪着色模式形成的过程，研究 团队发现花瓣从均匀的黄绿色逐渐转变 为沿着基顶轴出现黄绿分化的式样，随后 依次产生红色的横向条带和溅射图案。 这表明不同类型色素细胞的出现有一定 规 律 ，黄 色 细 胞 能 够 叠 加 在 绿 色 细 胞 之 上 ，而 红 色 细 胞 又 叠 加 在 黄 色 细 胞 之 上 ， 从而产生复杂的颜色和图案。 通过分析色素代谢通路中的基因在 花瓣不同发育阶段和不同区域的表达变 化，研究团队发现这些基因的表达是高度 动态的，与颜色和图案形成的过程和空间 位 置 相 吻 合 ：花 瓣 发 育 早 期 ，叶 绿 素 相 关 基因在整个花瓣中表达，后期主要在花瓣 基部表达；类胡萝卜素相关的基因在花瓣 发育的中后期集中在花瓣远端表达；而花 青素代谢通路的基因在花瓣发育晚期才 开始表达，在横向条带和溅射图案区域特 异高表达。这表明，呈色物质的合成过程 也是有序而非随机的。 在上述研究的基础上，研究团队进一 步利用病毒诱导的基因沉默技术验证了 这 些 基 因 的 功 能 。 其 中 ，基 因“NiorMYB113-1”的功能是在花瓣的黄绿色区 域“绘制”一个较大的红色溅射图案；基因 “NiorMYB113-2”的功能则是抑制花青素 的 生 物 合 成 ，从 而 形 成 一 个 横 向 条 带 、一 个较小的红色溅射图案和一个位于二者 之间的区域。 此次研究首次揭示了花瓣中横向条 带形成的分子基础，说明了颜色的叠加对 于复杂着色模式形成的重要性，为研究复 杂着色模式提供了一个可参考的案例，丰 富和拓宽了研究人员对于花色复杂性的 认识。 “ 在 此 基 础 上 ，团 队 有 望 通 过 对 色 素 代谢通路的精准调控，创制一些新型的着 色模式，为观赏植物的花色改良和育种提 供 相 关 理 论 与 技 术 支 撑 。”团 队 研 究 成 员 表示。 在历史的长河里，青藏高原人群有着怎样的“混血史”？他们能 适 应 高 原 低 氧 环 境 有 什 么 秘 诀 ？ 借 助 古 DNA 研 究 ，答 案 逐 渐 浮 出 水面。 3 月 18 日， 《科学进展》在线发表了我国科研人员关于青藏高原 人群古基因组研究的重要成果论文。他们从青藏高原不同区域的 30 多个遗址中，成功获取 97 例青藏高原古代人类个体的核基因组， 让 古 DNA“ 开 口 ”讲 述 了 5100 年 来 青 藏 高 原 人 群 的 遗 传 演 化 与 交 流互动的历史。 “这是青藏高原迄今采样规模最大、地理覆盖最广的古 DNA 研 究。研究表明，青藏高原古人群特殊的遗传成分，早在 5100 年前已 经形成；在青藏高原人群整体遗传成分稳定的同时，青藏高原古人 群内部之间及与高原以外其他地区古人群之间，数千年来都存在着 密切的交流与互动。”论文通讯作者、中科院古脊椎动物与古人类研 究所研究员付巧妹表示。 青藏高原古人群共享相似的遗传成分 被 称 为“ 世 界 屋 脊 ”的 青 藏 高 原 ，平 均 海 拔 超 过 4000 米 。 在 学 术界，现代人何时涉足青藏高原并永久定居，是最引人关注的问题 之一。 此前基于尼泊尔木斯塘地区的古 DNA 研究证明，距今 3400 年 的尼泊尔古人群与青藏高原各地区人群共享相似的遗传成分，但青 藏高原地区距今 3400 年以前古人群的遗传成分尚不清楚。 付巧妹团队研究显示 ，现代西藏人群特有的遗传成分 ，至少在 距 今 5100 年 以 前 已 存 在 于 整 个 青 藏 高 原 各 区 域 的 古 人 群 之 中 ，且 具有很好的遗传连续性。其中，距今 5100 年、来自青藏高原东北部 共和盆地的宗日遗址的样本，是迄今所发表的携有青藏高原特有遗 传成分的最古老的个体。 研究进一步表明，青藏高原人群特有的遗传成分由两股不同的 遗传成分以约 4∶1 的比例混合形成，其中约 80%的遗传成分与东亚 北方 9500—4000 年前的人群相关，约 20%的遗传成分来源于一个未 知的古代人群。 “ 这一结果提示，青藏高原人群的主要成分很可能与 新石器时代东亚北方人群的扩张，及由此驱动的人群迁徙和混合相 关。”付巧妹解释。 尽 管 青 藏 高 原 古 人 群 共 享 相 似 的 遗 传 成 分 ，但 自 距 今 2500 年 开 始 ，青 藏 高 原 古 人 群 在 不 同 地 区 已 经 出 现 了 较 为 明 显 的 群 体 结 构 ，可 分 为 3 个 主 要 人 群 ：以 共 和 盆 地 和 玉 树 高 原 为 中 心 的“ 东 北 部 ”高 原 人 群 ，以 那 曲 和 昌 都 为 中 心 的“ 东 南 部 ”高 原 人 群 ，以 日 喀 则、山南及拉萨地区为中心的“西南部”高原人群。 事实上，青藏高原东北部地区素来被认为是新石器时代不同人 群互动的热点地区。考古证据显示，该地区的狩猎采集人群可能与 低地的粟作农业人群之间存在互动。 付巧妹团队研究结果显示，青藏高原东北部共和盆地的宗日遗 址 的 人 群（约 5100 年 前 —3700 年 前），至 少 在 4700 年 前 受 到 了 来 自 黄河流域的东亚古北方人群的遗传影响，而这一影响在邻近的玉树 州距今 2800 年的普卡贡玛遗址人群中并未发现。 与高原外部其他地区古人群有互动 公元 7 世纪的吐蕃王朝时期，应该是青藏高原人口扩张最重要 的 时 期 。 付 巧 妹 团 队 研 究 显 示 ，早 在 公 元 4 世 纪 左 右 ，携 有 高 原 南 部遗传成分的人群就已经取代那曲的本地人；而在公元 6 至 9 世纪， 那曲的人群则保留了同时期山南人群的遗传成分。 “这一模式说明 ，高原南部人群对藏北高原人群的基因渗透早 在吐蕃崛起之前，而吐蕃王朝的扩张，也在那曲留下了明显的遗传 影响。”付巧妹说。 研究还发现 ，在青藏高原南部地区有不一样的人群扩张历史 。 在公元前 5 世纪至公元 9 世纪，此区域人群与中部人群存在密切的 互 动 ，但 到 公 元 9 世 纪 前 后 也 发 生 了 局 部 人 群 遗 传 成 分 的 转 变 ，该 时期高原南部人群受到了高原其他地区人群的影响，出现遗传成分 的波动，而这正是吐蕃王朝衰落崩溃的阶段。 同 时 ，研 究 表 明 ，近 5000 年 以 来 ，虽 然 高 原 地 区 古 人 群 整 体 遗 传成分比较连续，但仍然有部分高原古人群与高原以外地区的古人 群有着密切的联系。比如，高原南部日喀则公元 5 世纪的个体和公 元 12 世纪的个体，显示出与中亚地区古人群互动的信号。 此外，相关研究显示 ，现代西藏人群携带的可能来自丹尼索瓦 人的 EPAS1 基因单倍型，是其适应低氧环境的关键基因。然而，这 一基因的自然选择过程，及其基因频率随时间的变化一直以来尚不 明晰。 付巧妹团队针对该基因的遗传历史进行追溯性研究发现，其最 早以纯合子的形式出现在青藏高原东北部距今 5100 年的宗日遗址 人群之中。 研究还显示，在过去 3000 年中，尤其是近 700 年来，EPAS1 基因 在青藏高原人群中的基因频率迅速升高，但这一上升与人群迁移无 关 。 这 说 明 ，EPAS1 基 因 频 率 的 上 升 是 由 于 受 到 强 烈 的 正 向 选 择 ， 以帮助青藏高原人群适应高原环境。 研究团队在青藏高原西南部日喀则地区顶琼遗址的一处墓室中 进行考古发掘。 受访者供图