看看《Nature》怎么用封面设计讲世界科技创新的故事!
2020-06-03 11:02:15
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来源:期刊强国  原创 期刊强国

前 言

“期刊强国”主办的《世界名刊封面艺术展》首展开展了,该展旨在品鉴世界名刊的装帧设计,分析其视觉艺术,探讨其文化内涵,为全国期刊业界和学界提供工作参考。

首展主题期刊是《自然》(Nature),该刊创刊于1869年11月4日,是全球最知名的科学期刊之一。它自创刊以来始终坚持其原创性、时效性,忠实报道全球科技领域最重大创新成果和科学发现。值得关注的是该刊通过封面艺术设计完美地诠释了每期报道主题,实现了科技与艺术的完美统一。

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本期封面主图为一个电脑芯片嵌入在一块集成电路板上的一张围棋盘。该围棋盘的布局来自2015年10月5日FanHui(黑子)与AlphaGo(白子)之间所进行的一场历史性围棋比赛的最终棋局。这场比赛下棋电脑“深蓝”1997年在一场六局比赛中对战当时的国际象棋世界冠军加里•卡斯帕罗夫的胜利被看成是人工智能发展中的一个重要里程碑。但这之后仍有一个甚至更大的挑战需要应对古老的围棋运动。尽管经过了几十年的优化,但直到不久前最强的电脑下围棋的水平也仍然只相当于人类业余棋手。AlphaGo上阵了。由Google DeepMind开发的这个程序利用深度神经网络来模仿专业棋手,并通过从和自己对阵的棋局中学习来进一步提高其性能。AlphaGo 对阵其他最强围棋程序的胜率达到了99%,并在一场巡回赛中以5:0战胜了卫冕欧洲冠FanHui。

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本期封面主图所示为来自一个单层主体石墨烯层的三个 “丝带”的并行自组装。20多年前,人们设想石墨烯可被折叠和剪切成有用形式,如一种纳米尺度的折纸。在本期Nature上,James Annett和Graham Cross描述了一个系统,在其中单层石墨烯能通过一个折叠、滑动和撕破的过程将自身重组成三维结构。当一小片石墨烯被折叠接触到其本身时,它自然会开始滑动,并在这个过程中撕成一条带状结构,就像丝带一样。当一个动能能障消除时,这种二维材料能合并成我们更熟悉的三维分层形式。这一“剥皮” (peeling)现象的驱动因素是一个热力学机制,该机制很稳定,即便是在室温下的空气中也足以能够在大面积内发挥作用。这些发现有望成为以机械方式促动二维材料的一个新机制以及将它们组装成复杂三维架构的一个新方式。

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第三届人类住居大会将于2016年10月在厄瓜多尔首都基多市召开,联合国将在会上宣布新城市议程。在本期的评论特辑中,展示了一些会上可能提起的话题。Joern Birkmann等人认为,中小城市正在以高于超大城市的速度增长,它们需要更多保护措施来应对极端事件。未来15年地球人口将比现在多10亿,Richard T.T.Forman 和邬建国呼吁采取全球性和区域性的城市规划来应对该问题,重点将落在已经拥挤不堪的亚洲和非洲城市,它们未来将大幅承压。Michele Acuto认为,大城市应该成为全球治理网络不可或缺的一部分,这样它们才能应对不可避免的扩展问题。Austin Williams就两本探究人与居住城市之间动态关系的新书发表了评论。

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对于睡觉这件占据我们生命中三分之一时光的大事,我们对控制它的神经回路的认识仍然只停留在表面。要理解睡眠,就要找出控制睡眠的神经回路中那些关键的神经元,以及它们之间的突触连接。现在,光遗传学、遗传药理学、显微内镜钙成像和病毒介导回路跟踪等新技术的出现,辅以小鼠遗传学,使我们解锁众多的睡眠奥秘成为可能。在本期《自然》的一篇评论文章中,Franz Weber和杨丹探讨了睡眠回路的研究现状,并为绘制全面的睡眠-觉醒控制网络回路图,以详细描述各细胞类型的功能及相互作用指明了道路。

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本期《自然》特刊通过让青年科学家群体发声,探讨该群体面临的一些问题。这些年轻的研究人员竭力建立自己的实验室,渴望创新、建立自己的事业,但是论文数量却是评价他们的重点。当此之际,全球博士后供过于求,研究经费匮乏且终身教职不再有,本期第427页的社论中指出,为了确保下一代研究人员不流失,科研界的每一位,无论老中青,都需要贡献自己的一份力。

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本期封面主图为从热气球上拍摄到的纳米比亚纳米布兰自然保护区鸟瞰照片。纳米比亚一些地区的沙漠草原上规律分布着内部寸草不生的怪圈,它们被称为“精灵圈”,其形成原因至今仍未可知。Corina Tarnita, Juan Bonachela 及同事使用模型模拟方法表明,植物间的尺度依赖反馈与地下社会性昆虫群落种内竞争的共同作用能为此提供解释。他们总结,在全球各地的生态系统中,或许有多种多样的生态自组织机制在发挥作用。

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本期封面主图是鸟臀目恐龙库琳达奔龙抬头仰望始祖鸟科非对称飞羽。这种羽毛被认为只存在于兽脚亚目恐龙中,但是,如果Matthew Baron及同事提出的恐龙关系假说被证实,那么就需要改变这种认知。Baron及同事提出需要重新调整已被广泛接受的恐龙分类方法——蜥臀目和鸟臀目。蜥臀目包括霸王龙等肉食性的兽脚亚目恐龙,以及梁龙等巨大的蜥脚下目恐龙;鸟臀目包括禽龙等鸟脚亚目恐龙,以及三角龙和剑龙等有甲恐龙。Baron及同事将早期鸟臀目恐龙纳入考虑范围,在此基础上对上述划分提出挑战,并提出蜥脚下目恐龙应与早期的肉食性艾雷拉龙归为一类,而鸟臀目恐龙应与兽脚亚目恐龙归为一类。

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本期封面主图是利用透射电子显微镜捕捉到的超强镁合金薄膜的微观结构。这种合金由双相纳米结构造就,强度接近理论极限。纳 米构筑晶态金属合金能得到高强度的材料,但随着应变的增强,这种材料往往会软化。吕坚及其团队将纳米晶体与单相非晶态金属玻璃的优势结合起来,制备出了一种双相材料——MgCu2纳米晶粒(直径6nm)包裹在非晶态玻璃壳(厚度2nm)中,得到迄今为止强度最大的镁合金薄膜。

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即使每个人的利益都是一致的,一个群体的集体行动也面临着“协调”问题:个体试图达成对他或她本人最优的解决方案,但这样的方案对全体来说或许不是最优的。在本期中,Nicholas Christakis和白土宽和(Hirokazu Shirado)利用自主软件(即人工智能)代理或“机器人”展示了这一问题的一个潜在解决方案。他们将简单的机器人引入了一个由人类组成的小型网络中,从而创建了一个由人类和机器人组成的“异构系统”。他们试图解决的是一个标准的颜色协调博弈:其集体目标是让每个节点的颜色与所有相邻节点不同 。作者发现,利用机器人在决策过程中引入噪音可以提高群体的整体表现。“噪音”机器人在处于网络中心、并表现出中等(10%)的随机性时表现最好。在这样的条件下,机器人不仅改善了人机交互,而且还改善了远距离节点间人与人的互动,从而帮助了人们自我帮助。

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地球的生物多样性令人惊叹,但也面临着严重的威胁。生物之间不仅存在许多潜在有益的关系,比如封面所示的红嘴牛椋鸟和斑马之间的关系,也存在极为有害的关系,它们对物种、栖息地和生态系统构成了前所未有的挑战。本期《自然》探讨了生物多样性和生态保护领域的一些关键话题。在Insight特集中,我们深入探讨了促使多样化生命得以出现的过程,以及生物多样性被加速削弱的趋势;另外还探索了可以缓解生物多样性下降、保护生态系统的方法,以及这类保护措施能带来的许多益处。此外,还有一篇新闻特稿提出观点认为,考虑生态系统中的功能单位比简单地记录物种更为实用。两篇评论文章分别 探讨了土地使用权问题和分类混乱对生态保护的危害。另有两篇短篇研究论文分别讨论了多样性如何推动生态系统运作,以及如何通过相对少量地增加保护区面积就能获得超出比例的多样性收 益。总之,制定得当的政策,加上地方参与,能带来显著益处——但留给我们的时间已经不多了。

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大多数成熟器官都处在持续更新的状态中,衰老的细胞不断被干细胞后代取代。为了让器官大小保持不变,细胞的产生和消亡应保持严格的平衡状态,但是人们并不清楚这种控制是如何实现的。在本期《自然》中,Lucy Erin O'Brien及同事发现,细胞更新过程中细胞之间的局部交流能产生组织层面的平衡,从而保持器官大小不变。通过研究果蝇(Drosophila)的肠道(如封面所示),O'Brien和她的团队揭示了一种反馈机制:衰老的肠上皮细胞死亡阻断干细胞分化。

在健康的肠上皮细胞中,上皮细胞钙粘蛋白通过抑制表皮生长因子(EGF)激活蛋白酶Rhomboid来阻止EGF的分泌。在肠上皮细胞经历正常死亡时,损失上皮细胞钙粘蛋白会触发对Rhomboid的诱导,从而激活附近干细胞上的EGF受体,引起细胞替代。通过将细胞替代限制在所需的准确时间和位置,该机制保证了组织层面的平衡。

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本期封面所示为各种口腔细菌的彩色扫描电子显微照。本期介绍了科学家为扩展人类微生物组计划所做的工作,而口腔正是这项工作重点关注的6个关键人体部位之一。人类微生物组计划诞生于2012年,对18种不同人体部位进行了采样,全方位地概述了健康人类个体的微生物组。

现在,Curtis Huttenhower及同事将这项工作扩展开来,他们 以6个人体部位为重点,包括鼻腔、口腔和肠道,在多个时间点对265名个体进行采样,得到了1631个新的宏基因组。这项研究综合采用了菌株分析、种级宏基因组功能分析和纵向分析方法,深化了人们对人类微生物群的认识,为人们进一步理解“健康”微生物群的构成提供了一项重要资源。

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职场正在发生变化,劳动力的巨大转变正在重塑社会、环境和政治形势。纵观全球,计算机和机器人将在许多工作上取代人类。有鉴于此,本期《自然》提出以下问题:科研揭示出了什么样的工作未来?这些变化会如何影响科学家的职场?一篇新闻特写文章探讨了三个研究最集中的问题:什么工作受自动化的威胁最大?去中心化的“零工经济”能实现全球工作民主化的承诺吗?什么样的项目最能帮助工人为未来变化做好准备?一篇职业特写文章则更加具体地讨论零工 经济,揭示自由职业机会如何重塑研究人员群体。另外在三篇评论文章中,Robert Allen从历史角度分析了工资与生产效率的关系;Yuval Noah Harari提出应寻求新的社会经济模型和教育革命;Ian Goldin则认为当今时代与文艺复兴而非工业革命更具可比性。

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本期封面主图是一幅利用DNA自组装技术创造出来的8,704像素的《蒙娜丽莎》画像。使用二维DNA纳米结构产生具有纳米精度的表面图案并非新技术,但是此前的尺寸大小一直局限于0.05平方微米左右——对于许多潜在应用来说太小了。在本期《自然》中,钱璐璐及同事表明,在一个多级加工过程中递归应用简单的组装规则,就可以利用一小组特别的DNA链创造出最大达0.5µm2的2D阵列。在类似的研究中,3D DNA纳米结构的尺寸得到扩大:尹鹏及同事利用新一代DNA“积木”构建了包含10,000多个组件的纳米结构,它们可被塑造成字母或泰迪熊等形状。Hendrik Dietz和同事表明使用具有优化形状和互动模式的DNA“积木”,可以在多级加工过程中高效组装大的物体。Dietz的团队还展示了一种用于制造所需DNA链的可扩展且具高成本效益的方法。Fei Zhang和Hao Yan撰写了一篇新闻与观点文章,具体讨论了这些发展。

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本期封面主图是西南极冰盖的阿蒙森海。Tyler Jones及同事研究发现,该区域在约16,000年前经历了显著的年际间气候变化。在末次盛冰期,北半球大部地区都为冰所覆盖,对南半球气候产生了重要影响。冰盖的形貌和反照率改变了连接热带与西南极洲的大气路径:改变了热带对流的位置。作者使用西南极洲冰芯的水同位素数据,跟踪分析了这种影响的结果,发现末次盛冰期南半球高纬度地区的年际和年代际气候可变性是较温暖的全新世过去11,700年里的近2倍,由此揭示了南北半球高纬度地区的紧密气候关联,以及热带作为南北半球之间的气候“中介”的关键作用。

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