2025 年八项可能催生新发明的重大科学发现

人类是卓越的发明家，但最好的构思并非凭空而来。有时，创新的火花源于了解我们周围世界的运作方式，并借鉴大自然的智慧。

仿生学（Biomimicry或biomimetics）是基于自然界创造技术、药物、艺术设计或环境解决方案的原则。例如，未来的某一天，无人机和机器人可能会以类似于昆虫翅膀或细胞壁褶皱的方式进行折叠。

在2025年，科学家们对动物生物学和行为进行了新的观察，这些观察可能会对未来解决人类问题产生影响。研究人员计算了蚂蚁施加力量的方式，发现了青蛙非凡的抗毒能力，并观察了蜗牛重新长出眼睛的过程。在各项研究成果中，这些研究正在为未来的技术进步奠定基础。

以下是过去一年中可能引发新发明的八项科学发现。

新奥尔良的棕色安乐蜥从外表看可能就像普通的蜥蜴，但8月发表在《环境研究》杂志上的一项研究显示，这些爬行动物正在默默地承受着有记录以来最极端的铅暴露水平。基于地球上其他脊椎动物已知的铅耐受量，研究人员原本预料这些安乐蜥会病入膏肓，而且极有可能已经死亡。

然而，这些蜥蜴却生长旺盛。研究人员检查的动物看起来很健康，其肝脏和大脑组织仅有轻微损伤，并且在速度、耐力和平衡测试中表现良好。但来自暴露严重地区的40只安乐蜥的骨骼和血液样本显示，它们的血液含铅量平均达到每分升近1,000微克，其中一个个体甚至超过该数值的三倍。

健康专家表示，对于儿童来说，铅暴露没有安全水平，如果儿童血液含铅量仅达到每分升3.5微克，通常就会启动公共卫生干预。

新奥尔良“在含铅油漆和含铅汽油等事物上有很长的历史，”共同作者、杜兰大学进化生物学家Alex Gunderson告诉《大众科学》的Andrew Paul。这些铅已经进入土壤和灰尘中，蜥蜴和人类儿童都可能摄入。

研究表明，血液含铅量高的蜥蜴可以作为寻找城市中人类暴露风险较高地点的替代指标。从长远来看，弄清楚棕色安乐蜥耐受铅的分子基础，可能有助于科学家为重金属中毒的人类开发干预手段。

即使在接近冰点的温度下，北极熊也会跳入冰冷的北冰洋水中，追逐海豹或在浮冰之间移动。然后，当它们回到寒冷的空气中时，这些哺乳动物身上并不会粘连大块冰渣。事实上，当研究人员在野外对麻醉后的北极熊进行观察时，发现这些动物干得令人难以置信。

为了测量北极熊毛发的抗冰性，一组科学家测试了在四种不同表面上移动冰块所需的力：洗过和没洗过的北极熊毛、人类头发以及涂有化学涂层的马海毛滑雪贴（这是一种用于减少与冰面粘连的护具）。1月份发表在《科学进展》上的研究结果表明，没洗过的、带有油脂的北极熊毛发可与最好的滑雪装备媲美，表现优于人类头发和洗过的毛发。

这是因为没洗过的毛发上覆盖着皮脂（天然油脂），起到了内置抗冰剂的作用。研究人员分析了北极熊皮脂的成分，发现了胆固醇、二酰基甘油和脂肪酸。但他们没有发现一种名为角鲨烯的脂肪油，这种油存在于人类、海獭和其他哺乳动物的毛发中。他们认为北极熊缺乏角鲨烯是其毛发不结冰的另一个关键。

北极熊毛发的除冰特性长期以来一直支持着人类的创新。例如，因纽特人会在凳腿下贴上皮毛，帮助凳子在冰面上滑动而不粘连。

现在，研究人员已经了解了使北极熊皮脂抗冰的成分，他们或许能够创造出替代PFAS的抗冰剂新选择。PFAS化合物也被称为“永久性化学物质”，它们在环境中存留时间很长，通常用于生产不粘材料和防冰涂层。“如果我们以正确的方式去做，我们就有机会使（这些产品）变得环保，”研究共同作者、挪威卑尔根大学的物理学家Bodil Holst告诉《华盛顿邮报》的Dino Grandoni。

也许你见过猫头鹰在黄昏穿过森林，但你可能没听见它的声音。凭借翅膀上特化的羽毛，这些猛禽可以在空中几乎无声地移动。现在事实证明，鱼龙——生活在恐龙时代的大型捕食性海生爬行动物——可能曾以同样程度的隐身能力在海洋中潜行。

2009年，化石收藏家Georg Göltz在德国一个道路施工现场搜寻时，发现了几块化石碎片，它们共同构成了一个几乎完整的鱼龙前鳍状肢。令人难以置信的是，这些碎片保留了完整的软组织，使这一发现成为“一生一次”的重大发现。

通过检查这些碎片，一组科学家发现鳍状肢的后缘不是光滑的，而是锯齿状的——这些牙齿状的锯齿是由钙强化的软骨制成的。7月发表在《自然》杂志上的一项描述该鳍状肢的研究利用模拟显示，这种结构帮助了这种名为切齿鱼龙（Temnodontosaurus）的生物静默移动。

此外，这种形状表明鳍状肢延伸到了骨架末端之外，止于一个软骨尖端，这个尖端很可能可以弯曲以减少阻力，就像飞机机翼末端的小翼。这将使这种掠食者成为更高效的游泳者，减少了它摆动尾巴来移动的需求。首席作者、瑞典隆德大学古生物学家Johan Lindgren告诉伦敦自然历史博物馆：“更少的动作意味着更少的噪音。”

Lindgren补充说，这种史前鳍状肢可能会给今天的工程师提供启发，从而设计出更安静的船舶推进器和水翼，最终减少海洋中的噪音污染。

在许多情况下，两个人比一个人强——但随着更多人加入团队，这个想法可能会迅速变得混乱。想象一下，在一个小组项目中，有些人在拼命干活，而另一些人则闲坐着。或者是在拔河比赛中，增加拉绳子的人数只能在一定程度上起作用——最终，人数众多的团队可能会互相阻碍，或者无法协调步调。

这种现象被称为林格曼效应（Ringelmann effect），以19世纪法国工程师马克西米利安·林格曼命名。它表明，随着团队成员的增加，每个个体的生产力会下降。

然而，机器人并不会受到林格曼效应的影响。通过程序设置，多台机器人参与任务时可以高效地协调工作。但在8月在线发表于《当代生物学》的一项研究中，科学家们发现织叶蚁的表现甚至可以超过机器人：随着团队规模的扩大（它们拉动叶子来建造蚁巢），这些蚂蚁不仅没有丧失效率，反而变得更强了，即达到了“超高效”。

换句话说，一只织叶蚁可以拉动约其体重60倍的重量。但如果与15名同伴组成一个小组，一只蚂蚁的拉力几乎可以翻倍，达到其体重的近100倍。研究人员通过给蚂蚁纸做的叶子模型，并使用测力计实时追踪这些昆虫将身体连成长链进行拉动时的力量。

这种力量的关键在于研究人员称之为“力量棘轮”的系统，在这个系统中，蚂蚁根据它们在链条中的位置承担不同的角色。前面的蚂蚁拉动叶子，而后方的蚂蚁则伸展身体充当锚点，以抵消叶子的重量。

蚂蚁成功的另一个原因来自于它们的六条腿，这有助于它们在拉动时与地面保持稳固接触。结合这一知识和新发现的力量棘轮结构，该团队希望研究多足机器人组如何能够提升其集体力量。

研究共同作者、澳大利亚麦考瑞大学生物学家Chris Reid在一份声明中说：“编程机器人采用受蚂蚁启发的协作策略（如力量棘轮），可以让自主机器人团队更高效地协作，实现超过其个体努力总和的成果。”

人类为了改善视力在创新上付出了巨大努力，从早期的义眼替代品到旨在恢复视力的罕见“齿中眼”手术。但到目前为止，我们还没能实现的一件事是全眼再生。

另一方面，金宝螺（一种原产于南美洲的常见水族馆螺类）可以非常快地再生眼睛。在8月发表于《自然通讯》的一项研究中，科学家们描述了这些螺在眼睛被切除后如何长出新眼——它们仅用大约一个月的时间就能完成。

在切除后的最初24小时内，伤口愈合到足以防止体液流失和感染。随后，身体将未分化的细胞送往该部位，在接下来的一个半星期里，这些细胞会增殖并分化成眼部结构的雏形。所有结构在15天内都会出现，但在接下来的几周内会继续发育成熟。

尽管金宝螺的眼睛看起来具有超自然的能力，但它们与人类的眼睛有一些共同的关键特征。两者都被称为“相机型”眼睛，通过单透镜、保护性角膜和带有光感细胞的视网膜运行。此外，这两个物种眼睛的发育都受一个名为pax6的基因调节：在一次实验中，两个pax6基因副本都被失活的螺在发育中没有长出眼睛。

现在，研究人员想要证实pax6也参与了金宝螺眼睛的再生过程。这样的发现最终可能为帮助患有眼疾或眼部受伤的人类指明方向。

首席作者、加州大学戴维斯分校的生物学家Alice Accorsi在一份声明中说：“如果我们找到一组对眼睛再生很重要的基因，而且这些基因也存在于脊椎动物中，那么理论上我们可以激活它们，让人类也能实现眼睛再生。”

明年，美国将庆祝其250岁生日。但有些鲨鱼可能正迎来它们的400岁。

格陵兰鲨栖息在冰冷的北大西洋和北冰洋海域，拥有最长寿鱼类的头衔，大约在150岁时达到性成熟，寿命长达400年——甚至可能达到500年。这种鲨鱼游泳时动作极少，并且拥有适应寒冷的低代谢率。科学家曾认为这些特征可能在其长寿中发挥了作用，但仅凭这些因素无法解释这种鲨鱼为何比地球上任何其他脊椎动物都活得长。于是，研究人员观察了它们的基因。

科学家对格陵兰鲨的基因组进行了测序，其基因组异常漫长。在其遗传密码中，这些生物拥有约65亿个碱基对（DNA分子梯状结构中的“横杠”），是人类的两倍。

在2月份发布到bioRxiv的一篇预印本论文（尚未经过同行评审）中，研究人员报告称，该鲨鱼的长基因组拥有许多与NF-κB信号通路相关的基因额外副本，该通路在免疫系统、管理炎症和调节肿瘤生长中发挥作用。研究显示，寿命较短的鲨鱼物种拥有的这些基因副本较少。

“由于免疫反应、炎症和肿瘤形成会显著影响衰老和寿命，参与NF-κB信号转导的基因增加可能与格陵兰鲨的长寿有关，”研究共同作者、东京大学研究员Shigeharu Kinoshita告诉《新科学家》的Chris Simms。

这一观点也得到了红海胆的支持，红海胆的寿命已知超过100年。2024年的一项研究发现，这种带刺的无脊椎动物也拥有多个与NF-κB信号通路相关的基因副本。

如果研究人员能够更多地了解格陵兰鲨的基因组，他们或许能够通过药物或基因疗法针对我们自身基因组中的某些位置，从而增加人类保持健康的时间。

世界上最大的胡蜂体宽可达两英寸——凭借其四分之一英寸长的毒刺，它可以释放强力剂量的毒液。这种昆虫被称为大虎头蜂（又称“杀人胡蜂”），其螫刺可以杀死老鼠，也能让人类感到剧痛。

但在《生态圈》杂志12月的一项研究中，日本神户大学的生态学家杉浦真治（Shinji Sugiura）观察到黑斑侧褶蛙毫不犹豫地吞食了这些胡蜂。这些两栖动物经受了多次螫刺，甚至连眼皮都没眨一下。

在系列实验中，杉浦测试了45只青蛙（针对三种胡蜂各15只），并给每只青蛙提供一只昆虫。青蛙的攻击取得了惊人的成功。给大虎头蜂组中近80%的青蛙能够将其吞下，给黄腰胡蜂组中87%的青蛙吞食了它，而给黄长脚蜂组中93%的青蛙吃掉了它。

一些两栖动物会产生自己的毒素，这可能使它们在抗毒方面具有优势。但现在，科学家希望进一步了解侧褶蛙对杀人胡蜂毒刺表现出的明显抗性，测试这些两栖动物是否能抵御其他动物的毒液，并测量它们究竟能忍受多少次螫刺。

“如果侧褶蛙确实拥有抑制疼痛或抵抗胡蜂毒液的生理机制，了解这些机制终有一天能帮助我们开发减少人类疼痛或炎症的新方法，”杉浦告诉Gizmodo的Ed Cara。

正在觅食的火烈鸟看起来像在跳一种奇怪的舞。头朝下，喙没入水中，这种鸟跺着脚，脖子上下摆动。虽然看起来很奇怪，但这种技术使火烈鸟成为极其高效的滤食者，能够从贫瘠的水域中捕获虾和蠕虫。

为了研究这种行为，一组科学家架设了高速摄像机和激光器，记录纳什维尔动物园的火烈鸟在水槽中觅食的情况。研究团队利用鸟类头部、脚和喙的3D模型，以及安装在能快速张合的机器上的真实火烈鸟喙，模拟了这种鸟移动水流的方式。他们于5月在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了研究结果。

事实证明，火烈鸟的跺脚动作会搅起沉积物中的食物。然后，它们快速颤动嘴部并移动舌头，改变水流方向，从而多吸引七倍的猎物。研究显示，当它们迅速将喙从水中拉出时，会产生微小的龙卷风状涡流。

研究小组认为，利用这种涡流技术可能会带来从海洋中收集有毒藻类或微塑料的技术。研究人员已经在测试基于火烈鸟喙的过滤系统，这可能会改善废水处理或海水淡化。从另一个角度来看，火烈鸟蹼足的力学原理——以及它们将脚滑入水中而非平放的习惯——可能会启发能在泥浆中成功行走的机器人。

谈到这些未来目标，佐治亚理工学院的生物物理学家、共同作者Saad Bhamla告诉《科学新闻》的Elie Dolgin：“我持谨慎乐观的态度。”

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