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Complexity Express 一周论文精选




以下是2022年5月9日-5月15日来自Complexity Express的复杂性科学论文精选。如果Complexity Express列表中有你感兴趣的论文，欢迎点赞推荐，我们会优先组织解读~

目录：

1、边际速度约束解决集体行为中相关性和控制性之间的冲突

2、七种灵长类动物雌性生殖衰老模式及其后果

3、年轻小鼠的脑脊液可以改善老年小鼠的记忆

4、消极偏见、个性与政治意识形态

5、个性化脑网络中可分离的多尺度发展模式

6、生命起源假说：RNA-多肽世界的前生物图景

7、性状变异的演化在物种多样性和功能多样性之间产生张力



1. 边际速度约束解决集体行为中

相关性和控制性之间的冲突


论文题目：Marginal speed confinement resolves the conflict between correlation and control in collective behaviour
论文来源：Nature Communications
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29883-4

鸟类的飞行受空气动力学和生物力学约束，因此鸟群中个体的速度波动是适度的。然而速度波动的空间相关性是无标度的，即作用范围涉及整个鸟群，这一性质与系统对外界扰动的集体响应能力有关。无标度相关性和适度的速度波动，为控制个体速度的机制施加了相矛盾的约束，如提升相关性的因素会放大速度波动，反之亦然。采用统计场论方法，本文提出忽略小波动且强烈抑制大波动的边际速度约束，使无标度相关性和符合生理的群体速度在模型中共存。本文将理论预测与群体规模跨越两个以上数量级的椋鸟群现场数据对比，证实了边际速度约束的有效性。

图：线性速度控制以与速度偏差成正比的回复力将速度拉回参考速度v0。在临界情况下，边际速度控制忽略较小的速度偏差，强烈抑制较大的速度偏差。



2. 七种灵长类动物

雌性生殖衰老模式及其后果


论文题目：Female reproductive aging in seven primate species: Patterns and consequences
论文来源：PNAS
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2117669119

野生动物种群里，年龄相关的繁殖能力变化记录越来越丰富：最年轻和最年长的生育者相对于壮年处于不利地位，在许多物种中都是如此。那么这些影响是如何进化而来的？它们在物种间的多样性又如何解释？想回答这些问题，就需要多个物种与年龄相关的繁衍模式的详细数据。本研究比较了7个灵长类动物种群中，雌性年龄相关的繁衍模式及其影响，这些长期研究历时29-57年不等。研究者记录了其中大部分种群中年龄对生育能力和对后代表现的影响。确切来说，6个种群的雌性中，最年轻生育者或最年长的生育者或二者均有的表现出较长的生育间期（interbirth interval），且最年长的雌性个体也表现出相对更少的完整生育间期。此外，5个物种中发现最年长的雌性个体所生后代的存活率明显较低，另外2个物种的最年长或最年轻雌性个体所生后代的存活率都较低。与此相较，研究发现了矛盾的证据表明：在毛蜘蛛猴（muriqui）种群中，母亲年龄会影响女儿生头胎的年龄，即越年轻的母亲生育的女儿往往第一次生育的时间越早。这在黑猩猩（chimpanzee）种群中也有一定程度的体现，而黑猩猩和毛蜘蛛猴也是其中仅有的两个具有雌性占据分布优势的物种。本研究结果表明了在非人类灵长类动物物种中，年龄相关的雌性生育模式有相似点也有不同点，并强调物种特有的行为和生活史模式是物种水平差异的可能解释。

图：（A）展示了多胎产和初胎产对每个物种生育间期（Inter-Birth Interval, IBI）结束时间的影响。在不同的物种中，胎次并不能很好地预测雌性生育间期的结束时间。若对数风险比大于0则表示：经产IBI倾向于在后面的分娩中更快关闭。阴影区域表示后验密度；白点表示中值。（B）是在各物种IBI结束时间模型中，雌性年龄和年龄平方的时变效应。对数风险比大于0表明，雌性标准化年龄或年龄平方的数值越高，IBI越短（更大的IBI结束风险）。在7个物种中，除了卷尾猴（capuchin），年长雌性个体结束异常的长时间IBI可能性更小。此外，除卷尾猴和狐猴（sifaka）外，所有物种的最年轻和最年长雌性IBI都相对较长。



3. 年轻小鼠的脑脊液

可改善老年小鼠的记忆


论文题目：Young CSF restores oligodendrogenesis and memory in aged mice via Fgf17
论文来源：Nature
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04722-0

基于对循环系统环境如何在生命历程中影响大脑的理解，最近出现了许多延缓大脑衰老的干预措施。提供营养物质的脑脊液（Cerebrospinal Fluid，CSF）构成脑细胞的直接环境。研究者发现将年轻小鼠的脑脊液直接注入年老小鼠的大脑可以改善记忆功能。通过对海马体的无偏性转录组分析（unbiased transcriptome analysis）发现少突胶质细胞对这种恢复青春的脑脊液环境最敏感。本研究进一步证明，年轻脑脊液能促进老年海马体和原代培养中的少突胶质细胞祖细胞（Oligodendrocyte Progenitor Cell，OPC）的增殖和分化。利用SLAMseq*对新生mRNA进行代谢标记，研究者确定了一种驱动肌动蛋白细胞骨架重排的转录因子——血清反应因子（Serum Response Factor，SRF）是暴露于年轻脑脊液中OPC增殖的中介。在海马体的OPC中，SRF随着年龄增长而表达下降，通过年轻脑脊液的急性注射诱导了该途径。研究筛选了脑脊液中潜在的SRF激活剂，并发现注入成纤维细胞生长因子17（Fibroblast Growth Factor 17，Fgf17）可以诱导老年小鼠的OPC增殖和长期记忆巩固，而阻断Fgf17则会损害年轻小鼠的认知功能。这些发现证明年轻脑脊液具有返老还童的能力，并确定了Fgf17是在衰老大脑中恢复少突胶质细胞功能的关键靶点。
注：SLAM-seq（High-Throughput Metabolic Sequencing of RNA）是一种基于巯基（SH）烷基化的RNA代谢测序方法，并且不需要生化分离技术辅助，因此可以方便地解决更深层次的、决定整体稳态水平的RNA转录与降解的基本动力学问题。


图：年轻脑脊液改善记忆巩固并促进OPC增殖和分化。（a）是整张图所呈现数据的方法概述，其中包括了从年轻小鼠中取脑脊液、向老年小鼠注射年轻脑脊液（YM-CSF）或老年脑脊液（aCSF）、学习与记忆能力测试、海马细胞RNAseq和组学分析。（b）行为学层面，通过场景恐惧实验来测试20月龄的小鼠分别注射YM-CSF或aCSF后的长期记忆能力，年轻脑脊液明显改善了老年小鼠的长期记忆。（c）组学层面，通过海马bulk RNAseq的GSEA富集分析，发现注射YM-CSF后，少突胶质细胞基因表达显著上调。（d）是与数据集中的所有基因相比，注入YM-CSF比上aCSF的小鼠海马中少突胶质细胞基因的效应值，其中Olig1、Myrf、Mobp、Mbp、Mag都是具有显著差异的基因。（e）细胞层面，是给20月龄的小鼠注射aCSF或YM-CSF6天后海马中OPC增殖量，可以发现YM-CSF使得OPC显著增殖。（f）是e的实验代表图，箭头指向增殖的OPC。（g）的机制与e相同，但是注射了人的年轻脑脊液（YH-CSF）与老年脑脊液（AH-CSF）。（h）是g的实验代表图，箭头指向增殖OPC。可以发现，无论是人源年轻脑脊液还是鼠源年轻脑脊液，都能够让OPC显著增殖。（i）与（j）则是长期灌注aCSF或YM-CSF的海马组织髓鞘碱性蛋白（MBP）染色，发现长期灌注YM-CSF小鼠海马MBP表达增加。（k）则关注了YM-CSF灌注小鼠的髓鞘轴突数量增加。（n）与（o）则展示了灌注aCSF或YH-CSF第4天，每种分化状态的平均细胞数，发现YH-CSF处理组细胞数更多，分化完成程度也更好。



4. 消极偏见、个性与政治意识形态


论文题目：Negativity bias, personality and political ideology
论文来源：Nature Human Behaviour
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41562-022-01327-5


哪些因素会影响对政治左翼和右翼的吸引力？除了关注个人和群体利益的经典社会学和经济学解释之外，强调稳定的个性差异的理论也占据了重要位置。研究表明，右翼意识形态与消极偏见有关（相对于积极和有益的刺激，倾向于更多地关注和重视消极和威胁性刺激）。这项工作通常依赖于大样本（具有代表性）中与消极偏见相关的自我报告特征，或者小样本中消极偏见的生理和行为指标。我们扩展了这一文献，并在美国居民的四个国家级样本中，使用五种不同的消极偏见行为测量方法，以检验消极偏见与政治意识形态的关系，总分析样本量约为4000名受访者。我们还研究了这些行为测量与意识形态文献中四种最常见的自我报告人格测量之间的关系。在大范围的测试中，我们没有找到一致的证据证明消极偏见与意识形态或自我报告的人格之间的关系。

图：消极偏见的操作化与政治意识形态之间的关联。（a）右翼政治身份；（b）一般保守主义；（c）社会保守主义；（d）经济保守主义。以上四个因变量和消极偏见的统计中，只有经济保守主义显著。



5. 个性化脑网络中

可分离的多尺度发展模式


论文题目：Dissociable multi-scale patterns of development in personalized brain networks
论文来源：Nature Communications
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30244-4


大脑在多个分辨率或尺度上被组织成网络，然而对功能网络发展的研究通常集中在单一尺度上。在此，我们在一个大型的青少年样本（n = 693，8~23岁）中得出了跨越29个尺度的个性化功能网络，以确定与神经认知发展有关的多尺度网络重组模式。我们发现，网络间耦合的发展变化反映并加强了皮质组织的功能层次。此外，我们观察到，在低阶的单模态网络中存在规模依赖效应，而在高阶的跨模态网络中则没有。最后，我们发现网络的成熟有明显的行为相关性：单模态和跨模态网络的耦合发展与执行功能的出现有不相关的关系。这些结果表明，大脑功能网络的发展符合并完善了与认知有关的层次结构。

图：多尺度的群体共识功能网络。使用正则化的非负矩阵分解法，得出29个尺度的个性化功能网络（2-30个网络）。追踪每个顶点在不同尺度上的网络成员，可以发现一个嵌套结构，即较细的网络逐渐从粗大的网络中出现（顶部）。选择尺度4、7、13和20进行可视化，颜色反映了每个网络与17个功能网络的典型图谱的主要重叠情况。



6. 生命起源假说：

RNA-多肽世界的前生物图景


论文题目：A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world
论文来源：Nature
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04676-3

RNA世界（RNA world）概念是生命起源理论的最基本支柱之一。该理论认为，生命是从越来越复杂的自我复制的RNA分子演化而来。然而，RNA世界如何发展到下一个阶段，即蛋白质成为生命的催化剂，而RNA的功能主要消减到信息存储，这是演化中最神秘的“鸡生蛋还是蛋生鸡”难题之一。在这里我们展示了非标准RNA碱基，即在转运RNA和核糖体RNA中发现的碱基，被认为是RNA世界的遗迹，能够直接在RNA上进行多肽合成。所发现的化学反应创造了复杂的多肽修饰的RNA嵌合分子，这表明早期存在一个RNA-多肽世界，核糖体多肽合成可能从中出现。在非标准核苷残基的帮助下，在RNA上生长多肽的能力提供了早期共价连接的RNA和多肽共同演化的可能性，它们之后可能在更高的复杂程度上分离，创造出核酸-蛋白质二元世界，这是地球上所有生命产生的标志。

图：RNA 世界的核苷残基实现基于 RNA 的多肽合成概念图。



7. 性状变异的演化在物种多样性

和功能多样性之间产生张力


论文题目：The evolution of trait variance creates a tension between species diversity and functional diversity
论文来源：Nature Communications
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30090-4


物种多样性会明显促进功能的多样性：拥有更多植物物种的群落意味着更多样的植物叶片化学成分，更多种类的作物提供更多种类的食物等等。最近的文献对这一观点进行了细致入微的分析，显示了两者之间的关系是如何沿着纬度或环境梯度进行调节的。在这里，我们发现，即使没有这样的影响，功能性状变异的演化可以抹去甚至逆转物种和功能多样性之间的预期正相关关系。我们提出的理论表明，基于性状的生态进化过程迫使物种在更紧密、物种丰富的群落中进化出更窄的性状宽度，以努力避免与邻近物种的竞争。这种影响如此强烈，以至于每当一个新物种出现时，它都会导致性状空间覆盖的整体减少。加拉帕戈斯群岛陆地蜗牛群落的经验数据与这一说法一致。物种多样性和功能多样性之间的关系可能是负的，这一发现意味着来自物种贫乏群落的性状数据可能会误判物种丰富群落的功能多样性，反之亦然。

图：更大的物种多样性不一定转化为更大的功能性状多样性。上图显示了模拟群落在一个 (A, B) 和两个 (C, D) 性状维度中的平衡状态，具有低 (A, C) 和高 (B, D) 最终物种多样性。在 A 和 B 中，密度沿纵坐标绘制，性状值沿横坐标绘制。蓝色阴影曲线是不同物种的性状分布；每条曲线下的面积是相应物种的总种群密度。虚线显示了在没有竞争的情况下给定表型的指数增长率（右纵坐标）。竞争宽度（超过两个表型之间竞争显着减少的特征距离）为 0.15。C、D 坐标轴对应两个性状，椭圆代表不同物种的性状分布等高线；等高线是特征协方差的 95% 区域。虚线包围了内在增长率为正的特征空间区域；比赛宽度为0.2。





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