冬至过后，迎来了更为寒冷的一二月。好在我早用了一整年的美食给自己囤积了厚厚的脂肪来抵御寒冷，如果再能围着火炉烤个小火，那才真是惬意呀！在人类历史上，面对寒冷并不是一开始就这么惬意。在百万年的进化过程中，人类因为散热需要而脱离厚重的毛发系统，却为了获取空间和食物不得不又穿上了各种兽皮，征战更为寒冷的地方。直到近百年间在各种科技的加持下，吃饱喝足的人类才真正踏上了南北极和各大洲的高山之巅。

对寒冷的征战，人类尚且艰难，于植物而言又岂能容易！为了争夺阳光和养分，许多植物也早在数亿年前便踏上了向寒冷地区不断进击的旅程。在南北极和地球上各大陆的许多高山区域，恶劣的自然环境让许多树木难以生存，取而代之的是各种低矮灌木草丛和大量地衣苔藓组成的植被，苔原也因此得名。地球上有着近2500万平方公里的土地被极地苔原覆盖，这是地球上真正的酷寒之地。

在向极地大陆挺进的过程中，植物首先需要挑战的困难是低温，低温会冻伤植物的细胞组织，也会阻碍植物生理代谢的进程。对于极地植物而言，让它们恐惧的不是冬天的冰寒，而是春、夏的低温。冬季冰霜期，植物会降低体内含水量，增加抗冻蛋白，全面进入休眠状态，挺一挺冬天也就过去了。春季是它们的生长期，也是生存挑战的开始。极地区域日均温度经常徘徊在5-8°C之间，很少能超过13°C。如格陵兰岛最温暖的区域，在最温暖的月份平均温度依旧低于10°C。植物还要面临时常光顾的倒春寒，因此每一种保暖增温的措施对于极地植物而言都是至关重要的。为了抵抗低温，极地植物在进化的过程中，摸索出了一系列实用的方法。

在极地，长得高可能会活不下去，多数苔原类植物身高不超过8cm，在低矮的地表环境中温度相对较高、较稳定，这能够有力保障植物的生长需要。科学家发现挪威虎耳草在它2m上空中温度只有0.5°C，而在1cm的地表温度可达3.5°C。

“秋裤”能御寒，极寒地区的植物也都知道。许多植物在萌发时将自己藏在掉落的老叶中，很大程度上降低了寒冷给它们生长带来的不利影响。其实冰雪形成的天然冰壳也是重要的保温层，可以帮助植物抵御突如其来的低温寒流，就像北极爱斯基摩人的冰屋，可以很大程度上隔绝极端低温带来的影响。

利用颜色也是极地植物不会错过的招数。一些花朵的温度会随着颜色变深相应提高，相比于浅色花，一些深色花会将温度提升4.2°C。温度的增加可以加速花的成长发育，也能显著提高传粉效率，激励那些追寻温暖的昆虫为其传粉。在高山地区，各类深色甚至接近黑色的花也不少见。

生活在极地的植物除了要具备高强的“外功”，还需要实用有效的“内功”。

极地植物能通过调节体内渗透压，在降温时，让钙离子快速地汇入细胞液来抵御低温的侵袭，一些生长在北极的灌木，在生长期还能耐受-8°C的低温。苔原类植物可以通过调控抗冻蛋白和体内的渗透压来维持低温下的生理活动。如一些叶状地衣可以在脱水50%的情况下，依旧能够高效地进行呼吸作用，还有些可在光照度很低的情况下进行光合作用。

生长在北极圈的植物还得面对阳光辐射不足的挑战。在北纬75度以上的区域，一年中有着3个月几乎不见阳光的日子。这迫使这些植物掌握了各种更加高效的资源利用技巧。如一些北极植物的叶绿素比例较同类群高山植物的更高，这能够在生长期提高呼吸率和光合作用率，并将能量快速转化为糖和油脂类进行存储。

极地植物无论适应力多强，活得多精彩，有本事繁衍生息才能真正站稳脚跟。夏天短暂，在此期间它们必须完成生长、开花和结果的使命。留给它们开花的时间非常短暂，它们还面临大家同时开花争夺有限传粉昆虫的麻烦。为了在短短数月内获得这些虫子的青睐，争夺为数不多的蛾子、蝴蝶等传粉昆虫，许多植物投其所好，用昆虫喜欢的色彩鲜艳的花朵组成了美丽壮观的花海。在争夺传粉昆虫的战争中，为了吸引昆虫的注意力，花往往需要长得更高和开得更大，因此许多极地植物在开花上的投入和付出都是极为奢侈的，花型常远远超过了本身植株的大小。我们不知道每一次开花能否真正吸引传粉昆虫的青睐，但这是大自然造化的奇迹。

（摘编自《你还有秋裤羽绒服可以御寒，植物咋办？》）

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材料一：

绿色建筑注重低耗、高效、经济、环保、集成与优化，能够最大限度地节约资源，是人与自然和谐相处的一种建筑形式。在北京城中，有着600余年历史的紫禁城古建筑不仅雄伟壮观，也兼具保温、隔热、排水等功能，彰显着古人对绿色建筑的精益求精。

通常，紫禁城古建筑屋顶的木板基层之上，会分层铺墁各种泥背，如护板灰、青灰、麻刀泥等等。泥背的导热系数和导温系数都比较小，厚度达30厘米的泥背层犹如给古建筑穿上了保暖服，使外界的温度变化很难影响到建筑内部。

坡屋顶的形式则使得古建筑的屋面板与天花板之间形成了一个架空层。夏天，架空层可以拦截直接照射到屋顶的太阳辐射热，使屋顶变成两次传热，避免太阳辐射热直接作用在建筑内部；冬季，架空层的存在也使得室外的寒冷不能直接传入建筑内部，保证了古建筑的冬暖夏凉。

我国古建筑风格的一大特色，就是屋檐特别是屋角的檐部常常向上翘起，故宫的古建筑也不例外。在宫殿的屋顶转角处，四角翘伸，形如飞鸟展翅，轻盈活泼。远远望去，建筑群中层层叠叠的飞檐更是营造出壮观的气势和中国古建筑特有的韵味。其实，这种挑檐做法不仅美观，还有着为建筑物保温隔热的功能——夏天，它有利于避免阳光在正午照入室内；冬天，正午阳光则恰能照入建筑最深处。这是因为，我国地处北半球，四季阳光照射的高度角并不一样。北京地区的太阳高度角夏季约为76度，冬季约为27度。通过挑檐做法，屋檐往外挑出一定的尺寸，就可以使得建筑外部的阳光照射达到某种特定的效果：在夏天早上温度较低时，阳光可以照射到建筑内部；到了正午时分，阳光几乎位于建筑正上方，就只能照射到檐柱外面，使太阳的热量无法传入建筑内部，保持屋内的凉爽；在冬天，随着太阳的升起，建筑内部逐渐接受光照，到正午时分，阳光几乎正好射入室内最内侧墙位置，使得屋内暖意洋洋。

紫禁城古建筑屋顶之“绿”，还表现为优秀的排水性能。紫禁城古建中的屋面采用曲面的形式，对应屋面的坡度是屋顶部位陡峭、屋檐部分平缓。这种曲面形式极其有利于屋顶排水。从瓦面层来看，其由底瓦与盖瓦组成，形成一道道瓦垄。底瓦又称板瓦，形状上凹，铺墁时上层瓦压下层瓦，使得雨水由上往下排出时，不会渗入到下面的泥背层；底瓦的两端由竹筒状的盖瓦连接，盖瓦内有着厚厚的铺瓦泥，对接缝起到了密封作用，并且使得底瓦层由上而下形成了一道道排水线。与此同时，曲面屋顶的坡度设置，使得雨水落入屋顶上部迅速下排，而到屋檐部位则水平向外排出。

这种巧妙构造之法的功效与优势还表现在它的排雨速率与时间上。根据物理推算，曲面形的界面要比平面形的界面在排水时间上会更快些，并且不容易产生积水的现象，而紫禁城古建中屋顶的界面在弧度与角度的推算上，都十分得当。除此之外，紫禁城古建中的屋顶出檐深远，还有利于防止雨水对建筑内部木构件的侵蚀，保护其内部梁柱与斗拱构造的完好性。

（摘编自周乾《紫禁城古建屋顶上藏着这些绿色秘密》）

材料二：

陕西历史博物馆的屋顶被设计成经典的凹曲屋面。为什么凹曲屋面会成为流传千年的建筑经典造型？这其中蕴藏着什么科学奥秘？

凹曲屋面，即屋脊高耸，屋檐低下且向外延伸、微微翘起，使屋面呈现向下弯曲的凹弧面的屋顶设计形式。

关于凹曲屋面的成因，一直众说纷纭——帐篷理论认为，古代建筑起源于帐篷，后人在建造房屋时，仍仿照帐篷顶的凹曲形式构建屋面；杉树理论认为，古人崇尚自然之美，凹曲屋面是对杉树外形的模仿；功能说认为，凹曲屋面可将雨水远泄，向上弯折的屋檐可以满足采光需求……先秦时期的科技著作《考工记》中记载：“上尊而宇卑，则吐水疾而溜远。”意思就是，凹曲屋面的这种造型，可以让屋顶排水达到既快又远的效果。由此可知，把建筑屋面设计成凹曲的形状，是古人在不断实践中得出的最优设计。

那么，为什么凹曲屋面可以让水快速排出呢？意大利物理学家伽利略曾做过一个实验——当轨道的坡度不同时，总是在最速降线上的小球先到达终点，两点之间有且仅有一条最速降线。在伽利略的研究中，他并没有得出最速降线的准确形状，误认为这条曲线是一条圆弧。到了17世纪末，瑞士数学家伯努利解决了这一问题——理论上的最速降线是一条摆线。

在最速降线问题的研究中，伯努利忽视了阻力、摩擦力等外界干扰因素，即摆线是最速降线问题理论上的解。然而，在现实中，当雨水滴落在屋顶并向下滑动时，这些外界因素是不可忽视的。近年来，学者们通过进一步的研究，在考虑雨水黏滞阻力的情况下，得出了最符合屋顶排水实际条件的最速降线。将其与一些中国古建筑的凹曲屋面的曲线进行对比，发现两者大致重合。

（摘编自王琪涵、迟馨月、王天志《屋檐之上的数学密码》）

▲北京故宫太和殿凹曲屋面曲线与存在黏滞阻力的最速降线的对比（绘图/陈禾）

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对生物学家来说，章鱼和乌贼是研究神经系统复杂性和演化的绝佳对象。但在过去的数十年间，因为和人类差别过大、研究手段限制等，对章鱼和乌贼的研究逐渐沉寂。近年来，随着人工智能、基因编辑技术等新研究手段的发展，它们重新受到研究者的关注。

头足类动物和人类的共同祖先在6亿年前，刚刚演化出神经元，还没有聚集形成可以称之为“脑”的中枢神经系统。之后，头足类动物和人类就分道扬镳了：脑的进化沿着两条不同的道路，几乎是从零开始，各自独立地发展到了极致。

通过比较人脑和头足类的脑这两种截然不同的复杂神经系统，我们一方面可以尝试了解复杂的大脑是如何进化出来的，另一方面可以了解还有什么样的神经结构可以产生智能。如果这两种截然不同的神经系统都采用同样的方式来实现某一功能，那就说明这是生物经过亿万年的演化所能找到的最优或者唯一的解决方案。反之，如果我们发现两种神经系统采用不同的方式来实现某一个功能，就能为人工智能与类脑计算提供更多模仿学习的方案。

头足类神经生物学的先驱、英国科学家J·Z·杨在20世纪初发现了乌贼的巨大轴突——一条直径达一毫米、长数十厘米的巨大神经纤维。得益于这个独特的巨大轴突，英国科学家Hodgkin和Huxley第一次记录到细胞内的动作电位，解释了神经传导的信号——动作电位产生的原理。该发现作为神经科学最基本的原理之一，获得了1963年的诺贝尔生理与医学奖。这也是迄今为止，整个生物学研究中，仅有的能用数学方程完美描述的现象。

J·Z·杨随后开展对章鱼学习记忆行为的研究，通过损毁实验发现了章鱼存储记忆所在的脑区。这是最早的关于大脑存储记忆的模型，此后的数十年中，在果蝇和脊椎动物的研究中被反复印证，不同动物的脑中记忆存储结构都是采取类似组织方式。遗憾的是，近几十年来，大部分针对神经系统的研究都集中在果蝇、小鼠等模式生物中，很少人对头足类，特别是它们复杂的中枢神经系统进行深入研究。

章鱼和乌贼是变色伪装的高手，根据环境瞬间改变全身颜色和图案，和环境融为一体。与陆地上的变色龙相比，它们的变色速度更快，也更精准——不仅改变整体的颜色，还能在皮肤上直接模拟出背景环境的纹理和图案的细节。

章鱼和乌贼的皮肤就像覆盖全身的显示屏，上面有上百万个微小的色素细胞，每个色素细胞相当于屏幕上的一个像素点。这些色素细胞具有不同颜色，每个细胞由一个精妙的神经肌肉的机关控制，使得色素细胞可以随意快速地变大变小。章鱼和乌贼的大脑可以通过精确控制皮肤不同区域的色素细胞变化来组成不同的图案。这个皮肤“显示屏”的分辨率高于市面上所有的电视机屏幕，使得章鱼和乌贼可以在身体表面随意产生出各种复杂图案。

那么，如何研究章鱼和乌贼这种独特功能呢？人工智能技术给了我们很多帮助。在实验室内，我们运用包含数亿参数的大型神经网络模型来识别隐藏在背景环境中的乌贼，使用神经网络模型的表征来分析乌贼变色图案是在模拟环境中的哪些关键视觉特征。通过对乌贼变色进行精度的分析，我们发现，乌贼变色不依赖于预设的运动程序和固定的路径。每次变色过程都采取类似“梯度下降”的算法，是一个起于随机探索、反复利用视觉反馈优化、经过多步迭代逐步逼近背景环境的过程。

头足类研究的新进展得益于人工智能等新技术发展，其研究成果也将反哺新技术。头足类动物视觉系统能从复杂的环境图案中提取出抽象的视觉信息，由此所启发的算法已经引发了多次计算机视觉的革命。运动系统根据抽象的视觉信息重新生成复杂的体表图案的过程可看作第一步视觉处理的逆过程，整个动物界仅有头足类动物拥有这样的图像生成功能。因缺乏对头足类动物研究，使得与之相关的图像合成与渲染等计算机图形学算法一直缺乏来自神经算法的启发，因而在算法效率和速度上远逊于计算机视觉算法。头足类动物视觉系统通过对比体表图案与环境图案，对运动系统的输出进行调整优化，此过程可能会启发人工神经网络训练中的搜索算法。

应该说，乌贼和章鱼在神经研究中显示出了巨大的潜力——它们的神经运算可能比不上人脑复杂，但以现有的技术手段，人脑还是一个“黑箱”，无法进行精密研究。而头足类动物因其神经系统不完全集中在脑里，有很大一部分分散在全身，使其神经运算的复杂性被暴露在外，易于研究。

如今，中国科学家的研究进展已经重新燃起了学术界对头足类动物研究的热情。最近一两年，包括来自美国哈佛大学、斯坦福大学等顶尖机构科学家的越来越多的研究者开始追随我们的脚步，重新开始关注这些神秘而奇特的生物。

（摘编自梁希同《为什么研究章鱼、乌贼——来自海洋智慧生物的启示》）