Cell Press X 中国青年科学家合作刊 | The Innovation第七卷第五期已上线

The Innovation第七卷第五期

已于2026年5月4日上线！

本期封面主题：

咸海的萎缩是全球生态危机的一个沉重缩影。在中亚跨界咸海盆地，上游冬季发电与下游夏季灌溉之间的季节性用水错配，长期引发水资源争端。本研究针对水-粮-能-环境（WFEE）纽带关系，提出了一套较为精准的协同管理框架。通过将常规水库与季节性抽水蓄能（SPHS）系统相结合，这种创新策略可使上游可控水量提升35%–44%，有效弥合了水电与农业用水之间的供需缺口。在优化调度下，区域用水公平性显著改善，基尼系数降至0.29以下，同时保障了流域生态需水，为咸海的生态复苏注入希望。该成果为跨界流域管理提供了一条兼顾经济发展与生态保护的可行路径，凸显了区域合作在实现可持续发展目标中的关键作用。

Editorial | 论文激增，突破减少？AI能否打破科学研究的困局

科学进步需要两种力量：一种是在现有理论框架内不断积累新知识，另一种是打破旧框架、建立新范式的革命性突破。前者如同“添砖加瓦”，后者则是“推倒重建”。两者相辅相成，共同推动科学向前发展。近年来的研究却揭示了一个令人不安的现象：虽然科学论文的发表量持续飙升，但那些真正具有颠覆性的科学突破却越来越少见。就在科学研究陷入这种困境时，人工智能技术正快速渗透到科研的每个角落。那么问题来了：AI是会让这种困局雪上加霜，还是能成为破局的关键？

我们的文章揭示了AI对科学研究的两个层面作用。它既可能加速渐进式研究的堆积，也可能推动颠覆性突破的诞生。

要让AI真正成为科学研究的助推器，我们需要在三个层面做出改变。首先在技术层面，推动从传统人类主导的线性分工模式，转变为以智能体自主探索为基础的人机协同新范式。AI正从被动的辅助工具，升级为能够自主提出假设、设计并实施实验的科研智能体，与人类研究者形成协同共创的新常态。其次在能力支撑层面，构建支撑科研智能的平台体系、数据体系和基础设施，为颠覆性探索提供坚实的能力底座。第三在组织管理层面，推动支撑要素之间的开放互动与深度融合。打破学科壁垒，促进技术、数据、方法、人才等创新要素的交叉渗透与协同重组，在跨学科碰撞与人机协同中催生新的知识创新，构建适应智能时代的科研创新体系。

科学正站在一个十字路口。AI会成为新科学革命的创新引擎，还是仅仅成为提升科研效率的工具？答案取决于我们今天的选择和行动。这不仅是技术问题，更是科研管理的问题。当AI让研究变得前所未有的高效时，我们需要确保这种效率真正转化为认知边界的拓展和范式革命的催生，而不是仅仅加速渐进式成果的堆积。我们需要创造一个AI放大人类智慧，而非替代人类思考的未来。

Letter | 当认知科学遇上复杂系统：AI如何把“心智”变成可模拟的动态网络？

传统研究常把心智拆成单个变量来解释，但真实世界更像一个会自我调节、会突然转向的系统。本文提出：AI正在成为复杂系统认知科学的“加速器”，让我们用高维、长程数据在多时间尺度上估计与模拟认知，从而把理论推向可检验、可应用的新阶段。

AI并不是要用“黑箱”取代理论，而是为复杂系统认知科学提供一套可操作的工具：用纵向高维数据估计系统状态，用可控模拟检验理论与干预。真正的挑战在于把模型做得更可信、更公平、更可解释，并在真实世界中实现可持续部署。我们期待与认知、教育、临床与数据科学同行开展合作，让未来的认知科学，不再只是单纯解释人类行为，而是学会与人类行为共同演化，让“认知理论”变成可以在真实世界中不断被验证和改进的系统。

Translational Patent | 地热计算器：人人都能数值模拟

地热能作为一种清洁能源，潜力巨大，它的开发和利用既涉及地质学、又涉及传热学，生产过程中从资源量多少到能用多久，都离不开数值模拟技术的科学计算。然而，传统模拟软件操作复杂、建模困难，极大地限制了这项技术的普及。为了突破这层限制，我们开发了一款名为“地热计算器”的软件，使地热模拟变得像使用“傻瓜相机”一样简单直观——不用从零建模，不用反复调参，一线工程师也能上手就用。

地热计算器软件成功地将专业能力封装于友好界面之下，为地热产业的广泛推广突破了数值模拟技术工具壁垒。展望未来，这一平台化、模块化的框架拥有巨大的扩展潜力。其“场景库”可以不断丰富，纳入如增强型地热系统（EGS）模拟、地热地面利用等更多专项模块，构建更完整的地热数字工具生态。可以预见，正如图形界面操作系统推动了个人电脑的普及一样，地热计算器这类友好、高效的专业工具平台，将成为推动地热能技术从示范走向大规模产业化应用的关键催化剂，为能源结构的绿色转型贡献坚实的地热力量。

Perspective | 水生植物恢复可同步削减湖泊富营养化和碳排放

在人类活动和气候变化影响下，全球湖泊藻类水华问题日益严重，威胁饮用水安全。藻类短期能吸收CO₂，但死亡分解后反而可能释放更强效的温室气体CH₄，加剧全球变暖。因此，寻求既能改善水质又能减少碳排放的协同治理策略至关重要。

许多原位观测和中宇宙实验均表明水生植物恢复后净碳排放如预期般降低，一些例外情况则可能归因于草型湖泊外源碳输入干扰、水生植物根际分泌物分解或通气组织释放CH₄。为最大化削减湖泊净碳排放，亟需构建不同类型水生植物的有机碳矿化效率与CH₄排放占比数据库。未来根据该数据库有针对性地选择拟修复水体中的水生植物类型，对于维持湖泊生态系统健康和增强气候韧性至关重要。

Article | 咸海流域跨界水资源配置策略：水–粮食–能源–环境纽带的协同优化

在中亚腹地，咸海萎缩留下的巨大伤疤，无声讲述着上世纪最严重的环境灾难之一。然而，伤痛未愈，苏联解体后，流域各国在经济发展利益驱动下，上游水电、下游农业与尾闾湖泊之间的水资源争夺又愈演愈烈。本研究试图破解这场复杂博弈，为这条生命之源寻找一条能让各方共存、共享的可持续发展之路。

本研究提出的水-能源协同调控策略——通过上下水库互补调节耦合季节性抽水蓄能系统，为缓解流域水资源竞争提供了参考。研究进一步确定了作物种植结构以及已运行、在建、待建的常规水库和众多的季节性抽水蓄能水库的多种组合方案，为实现水资源协调分配奠定了科学基础。然而，该体系从理论走向实践的关键在于建立稳固的跨国合作机制。亟需流域各国共同推动政策协同，通过信息共享、技术转移与联合治理，将优化方案转化为可执行的跨境管理策略，从而构建具有气候韧性与市场适应性的流域水安全未来。

Article | 智能优化设计驱动海水淡化高能效与超高产水通量的新范式

海水淡化与污水回收净化后再利用是目前水资源开源增量的主要技术。近年来，超高通量淡化膜材料凭借其高产水效率而备受关注。然而，单一材料创新难以大幅度降低水处理成本，须融合过程与系统设计。实现高能效与超高产水通量的关键在于如何实现膜通道中低阻高效传质进而抑制浓差极化与膜污染，以及如何攻克传统单级海水反渗透系统的能效瓶颈。

本文为新一代超高通量淡化膜系统提供了系统-组件-材料多尺度智能优化设计框架，突破了超高通量海水淡化的能效瓶颈，在海水淡化与污水处理等领域具有广阔的应用前景。首次证明采用仿生膜组件设计与动态反渗透工艺可以显著提升膜系统的性能上限，突破传统卷式膜组件传质性能限制，有效抑制超高通量操作工况下的浓差极化与膜污染。阐明了超高通量工况下膜渗透性与能效间关系，对膜材料的未来发展具有重要的指导意义。

Article | 随机双盲交叉研究揭示改善室内空气质量可提升学龄儿童的认知健康水平

空气污染对儿童大脑发育的潜在危害，已成为医学与公共卫生领域的研究热点，相关证据不断积累。但家长和学界始终关注一个核心疑问：空气质量改善，是否能真正有效提升学龄儿童的认知能力？针对这一研究空白，本研究在我国首次开展了“家庭+教室”双场景干预试验。通过每段干预周期长达近三个月的随机双盲交叉设计，作者首次全面评估了空气净化对儿童学业成绩、执行能力及神经发育细胞因子水平的多重影响，为“清洁空气改善儿童认知健康”提供了坚实的科学证据。

本研究通过多场景随机双盲交叉试验，为空气质量改善对儿童认知的积极作用提供了有力科学支撑。通过多场景空气净化干预，显著降低了儿童PM2.5暴露水平，同时对儿童学业成绩、执行能力及神经发育细胞因子水平等方面带来多维度改善。总体而言，本研究为空气污染较严重地区的学校、家庭开展儿童认知健康防护提供了切实可行的干预思路，也为相关儿童环境健康政策制定提供了重要参考，再次印证持续改善空气质量是助力儿童认知健康发育的关键路径之一。这也提示我们，为儿童营造清洁的呼吸环境，可能是帮助他们更好学习与成长的一项简单却重要的措施。

Report | 自旋极化的三重态激子绝缘体Ta₃𝑋₈ (𝑋=I, Br)

自旋极化的三重态激子绝缘的材料鲜有报道，它的实现需要两个苛刻的条件： 1. 形成激子的电子和空穴需要具有相同的自旋方向，这就要求材料的能带必须是自旋劈裂的。2. 激子的结合能需要大于单粒子能隙，这种强的相互作用通常需要材料具备特殊的维度或者电子结构。本研究计算预言了一类自旋极化的三重态激子绝缘体真实材料体系。

我们计算预言在Ta₃X₈家族的铁磁单层中实现自旋极化的三重态激子绝缘体。单粒子计算表明，这些单层是双极磁性半导体。两条带边的态具有的相同轨道宇称和相反自旋，有效抑制了介电屏蔽。GW+BSE计算得到的Ta₃X₈家族单层材料中的激子结合能超过各自的GW能隙，表明其为自旋极化的三重态激子绝缘体。我们的发现为探索自旋极化的三重态激子绝缘体提供了一个理想的材料平台，并在自旋电子学应用方面具有良好前景。

Report | 大自旋三角晶格反铁磁材料GdBO₃中量子临界诱导的巨磁卡效应

在极低温物理与磁制冷技术领域，如何突破自旋有序在低温区对磁熵释放的限制，始终是一个关键的前沿科学问题。本研究聚焦于一种具有强量子涨落和高磁熵的大自旋三角晶格反铁磁体硼酸钆，首次揭示了其在量子临界点附近所表现出的优异磁制冷能力，并成功将温度降至50毫开尔文。这一发现加深了对阻挫磁体中量子临界行为的认识，并为发展新型毫开尔文级固态制冷剂提供了重要的材料体系候选。

本工作通过基于GdBO₃单晶的系统实验，揭示了其在磁场调控下的多重磁相变、量子临界行为及其所带来的显著磁致冷效应。研究结果表明，量子临界点附近的“有序—无序”演化能够高效释放磁熵，使GdBO₃成为重要的毫开尔文温区磁制冷候选材料。

GdBO₃所呈现的复杂磁性和丰富量子态不仅具有应用价值，也为理解阻挫反铁磁体的微观物理机制提供了新的研究平台。我们希望这项研究能够推进探索更多大自旋的阻挫体系，推动新一代高效磁制冷材料的发现，并进一步拓展量子磁性材料在极低温技术中的应用边界。

Report | 直接成像神经活动：一种基于谷氨酸CEST的脑功能成像新方法

大脑内部的神经元通过释放神经递质（如谷氨酸）来传递信息。然而，长期主导脑科学研究的BOLD-fMRI仅能通过血流和血氧变化间接反映神经活动。本文提出谷氨酸CEST-fMRI新技术，在活体人脑中捕捉到了视觉刺激引起的谷氨酸浓度动态变化，为脑功能成像提供了一种更直接的新模态。

本研究首次在3T磁共振上实现了谷氨酸加权CEST-fMRI成像。攻克了血流信号干扰难题，成功获得了体现谷氨酸浓度变化的人脑谷氨酸加权激活图，表明了其直接成像神经活动的潜力。未来该团队将致力于实现3D全脑成像，并从视觉刺激拓展到更复杂的大脑认知活动，解析大脑工作机制。同时，该技术有望辅助癫痫等谷氨酸释放异常疾病的病灶定位与早期诊断，成为脑科学研究与临床诊疗的有力工具。

Review | 开出绿色与蓝色基础设施“良方”的背后：城市环境中那些被忽略的重要因素

尽管城市树木、公园与湿地等绿色-蓝色基础设施（GBI）被广泛视为提升城市气候韧性的关键方案，但在现实中，它们常被简化为“美化工程”，而非具备多重功能的系统性解决方案。由萨里大学全球清洁空气研究中心（GCARE）和可持续发展研究所牵头的一项国际研究，筛查近3万篇文献、整合500多项研究，识别出阻碍GBI有效落地的核心障碍，并构建了一个涵盖环境、社会、经济与治理四大领域的整合性框架，旨在推动GBI从“被认可”走向“被落实”。

本研究系统识别了绿色与蓝色基础设施（GBI）在城市环境中实施所面临的21项关注不足的障碍，涵盖环境、社会、经济与治理四大领域，并提出12条具有实践价值的策略建议。这些发现不仅填补了当前研究中关于GBI挑战的知识空白，也为政策制定者、规划人员与研究者提供了行动框架，助力将GBI真正融入可持续城市发展的主流路径中。研究强调，GBI的有效实施必须以情境为导向，结合创新工具、包容性治理机制以及长期管理模式，从而实现生态、社会与经济效益的协同提升。展望未来，推动跨学科协作、加强多尺度研究、促进社区深度参与将是提升GBI韧性与公平性的关键方向。随着全球城市面临日益严峻的气候挑战，本研究为实现联合国可持续发展目标、欧洲绿色协议及巴黎协定等全球承诺提供了重要支撑，也为打造宜居、公平、低碳的未来城市提供了理论依据与实践指南。

Review | 当塑料变得足够小，它开始影响你的呼吸系统

我们每天呼吸的空气中，可能隐藏着肉眼难以察觉的塑料颗粒，且室内空气中的含量往往高于室外。近年研究发现，微塑料和纳米塑料已侵入人类呼吸系统。本综述带你了解它们的来源，解析这些“看不见的塑料”如何影响我们的呼吸健康及未来应对策略。

随着塑料生产和使用的持续增加，相关的呼吸风险也在增加。微纳米塑料的呼吸毒性值得更多的关注。本综述整合了当前的流行病学证据和实验室研究结果，重点阐述了微纳米塑料对肺部健康的不良影响。结果表明，接触这些颗粒物与各种呼吸系统疾病有关，包括肺气肿、肺炎、慢性阻塞性肺病、哮喘和结构性肺损伤。值得注意的是，较小粒径、老化、特定化学修饰的塑料颗粒的呼吸毒性可能更高。然而，目前小规模的人群研究、暴露评估方法的局限性以及实验室研究与真实环境暴露的差异，都增加了呼吸风险带评估的不确定性。这一新兴领域仍需多方面的合作，以更准确评估这些风险，并为公共政策制定提供科学依据，以保护环境和呼吸健康。