混沌运动是指确定性动力学系统在一定条件下所表现出的貌似随机的运动行为,研究对象包括耗散系统、哈密顿系统、时空系统等动力学系统,因此,混沌运动研究领域几乎涵盖了自然科学的所有领域,乃至社会科学与金融科学领域。混沌运动的存在表明确定性的系统也会表现出随机性,这大大改变了人们对于随机性起源的认识。目前,经由混沌运动研究提出的一些概念,如蝴蝶效应和分形几何等,已经成为人们分析系统演化的基本概念。关于混沌运动的知识已经成为自然学科领域大学生的共识性知识。混沌运动的研究分为经典混沌和量子混沌两个方面。

混沌运动行为的发现可以追溯到20世纪之初,而系统性的研究则始于20世纪70年代末。中国混沌研究的热潮兴起于20世纪80年代中期。该领域在21世纪之初实际上已经分化分流进入了自然科学的各领域,研究内容主要是刻画和描述具体系统的混沌运动以及对实际应用问题的影响。经典混沌本身的数学问题,如符号动力学等,由于遇到瓶颈而无法深入研究,目前只有为数很少的一些学者继续钻研。可以说混沌研究目前已经不再是一个具有明确主题的领域,这一领域的主题词已经过数次蜕变,从最初的混沌运动发展到非线性动力学以及复杂系统等,因此相关的研究热点需要在这个大背景下阐述。该领域近10年的重要及热点研究问题如下。

（1）“涌现”现象

非线性系统中与混沌运动研究继承关系较为密切的一个研究热点是所谓的“涌现”现象,研究对象是非线性相互作用的多体系统所展现出的某种具有一定稳定性和结构的暂态过程,如鸟群、鱼群、细菌菌落等在一定条件下所表现的类似自组织的现象。研究涌现的重要性在于可以解释和理解许多自然现象,特别是与生命过程有关的现象,并且可能和热力学的涌现概念有联系。但是,不同于热力学所定义的涌现,动力学系统“涌现”概念的内涵还不是很明确。

（2）复杂网络动力学

与混沌运动相关的另一个热点是复杂网络中的动力学问题。复杂网络是混沌运动热潮之后所形成的涉及非线性复杂系统及其交叉学科的一个热点领域,复杂网络上的混沌运动是其中的一个研究问题,但不是这个领域的核心问题。另外,在统计物理特别是非平衡统计物理领域,混沌运动也常常被涉及。总的来说,就经典系统而言,近10年来混沌运动虽然经常出现在自然科学的各个领域,但是混沌运动本身不是其核心的研究课题;国外主流的研究单位基本上已经找不到以混沌运动为主要研究课题的研究组了。

（3）量子混沌

量子混沌依然作为一个研究领域持续至今,尽管常常以量子动力学或经典量子对应的主题词出现。这一领域研究与经典混沌系统对应的量子化系统所特有的行为和性质,也就是不可积量子系统随时间的演化具有怎样的共性和规律,涉及量子理论描述如何过渡到经典理论描述的量子力学基本问题。该学科当初主要研究经典混沌的量子对应,然而,现在动力学的研究范围已大为扩展,不仅包括远离经典极限的情形,也包括没有经典对应的复杂量子系统。

（4）相对论量子混沌

量子混沌的研究从概念上极大地拓展和加深了人们对量子力学基本原理以及量子系统基本性质的认识,同时也孕育了一些新的研究领域和研究方向。然而,由于该问题的内禀复杂性,研究对象主要还集中在自由度为1+1/2（即在时间周期性外场作用下的一维单体系统）以及希尔伯特空间有限的量子系统（如耦合的自旋系统）。近10年来,对这些低维系统的研究取得了很大的进展,不断地带来新发现和新突破,并且和凝聚态、冷原子物理前沿热点融合。目前的趋势是向更高自由度的系统推进,以及把量子混沌推广到“相对论量子混沌”,并以二维石墨烯材料实现相关理论的实验验证。

在非线性复杂系统研究领域的框架下,我国学者的研究水平基本达到了国际先进水平,而某些方面正在逐渐取得引领地位。

国内非线性系统研究从20世纪80年代中期开始,曾经形成过相当规模的研究队伍和研究热潮,国家层面先后组织了几期“攀登计划”和“973”计划,这些计划一直持续到近两年,其间研究的热点经过数次转换。经过这些项目支持,中国学者在非线性系统混沌运动研究方面取得了富有特色的成果,培养了一批具有非线性科学背景的学者。这些学者分布在不同领域,但是非线性科学的背景为他们的研究工作提供了关键的知识基础,从而为这些领域的发展做出了特有的贡献。在经典混沌研究方面,中国科学院理论物理研究所的符号动力学研究取得了重要进展,系统地建立了一维耗散系统的实用符号动力学,初步推进了二维耗散系统的符号动力学,在国际上具有领先地位。作为非线性混沌运动的基本数学工具,符号动力学具有基本理论意义和应用价值,其分析方法具有一般性,可以应用于非线性系统一般行为以及非线性时间序列的理解和刻画。南京大学对Arnold扩散的研究取得了国际领先的突破,这一成果表明了某些条件下Arnold扩散轨道的存在,对哈密顿系统的混沌运动以及统计物理的动力学基础研究具有重要意义。南京大学在奇数维哈密顿系统的研究方面也获得了创新性成果,成为研究后续相关问题的基础。另外北京应用物理与计算数学研究所在时空混沌形成方面的研究、北京大学在系统生物学方面的应用研究、兰州大学等在混沌控制方面的研究都取得了有影响的进展。

量子混沌研究方面,国内较有影响的工作有北京应用物理与计算数学研究所在哈密顿系统的混沌控制研究中提出的双击转子模型,以及引入非线性项后的量子非线性演化方程所导致的新效应。南京大学和中国科学技术大学长期研究量子力学的半经典理论,系统性地探讨了量子“Loshmidt回波”、混沌系统的能谱及本征态统计特征、量子动力系统的趋衡、混沌动力学对量子系综运动的效应等问题,并取得了重要进展。厦门大学在量子受击转子模型的研究上做出过一系列重要发现,如发现了Hofstadter butterfly分形谱族和以时间的指数函数形式、以及以时间的立方形式扩展的波包动力学。更可喜的是近年来国内量子混沌研究领域相继出现了两个在国际上颇有影响的研究组,分别来自兰州大学和清华大学。其中,兰州大学研究组近年在相对论量子混沌研究方面取得了重要进展。因为相对论量子混沌可通过石墨烯材料进行实验,相关理论研究结果将会大大推进实验研究和应用研究。清华大学研究组近年来不断尝试将凝聚态物理理论引入量子混沌的研究,取得了巨大成功。代表性成果是在理论上预言了动力学量子整数霍尔效应并经数值计算证实,被国际量子混沌研究领域认为是近年来最重要的突破。

经典混沌运动本身的数学问题虽然还没有解决,但是其作为一个学科领域,目前和今后相当长的一段时间可能不会成为国内外科研热点。混沌运动相关的研究已经融入到了自然科学的各个领域,今后虽然可能热点纷呈,但应该主要是作为理解不同领域具体问题的知识和工具,这些前沿一般不会以混沌运动为主题词出现。非线性相互作用多体系统的集体运动行为,太阳系小行星的稳定性以及预测问题,三体运动用于深空探测、飞行器轨道设计、人造天体轨道预测等预期将会成为与混沌系统领域相关性比较大的重要研究方向。其中深空飞行器轨道设计和人造卫星轨道预测具有重要应用前景。另外,非线性动力学理论在理解宏观系统统计物理性质,特别是非平衡态系统及远离平衡态系统的性质、建立系统生物学、探究复杂网络动力学、生命过程以及大脑网络动力学等方面,我国学者有望做出具有重要意义的创新性工作。特别值得期待的是,在量子混沌研究领域,我国学者有望取得引领性进展,使我国在这个研究领域的某些方面取得领导地位。

把经典混沌运动作为一个研究领域看待已经不再准确,但是混沌系统的基本知识已经成为自然科学领域的基础知识,应当切实加强相关教学内容,使之成为我国自然科学相关学科大学生的通识,这对推动许多学科的发展具有重要意义。量子混沌则仍是一个有待深入发展的重要研究领域。

中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员刘兴国团队与复旦大学及香港中文大学合作,不仅揭示了脂滴稳态在多能性维持中的作用及其调控蛋白,还发现了脂滴-线粒体互作调控表观遗传及细胞命运的新模式。相关研究5月25日在线发表于《细胞死亡与分化》（Cell Death & Differentiation）。

该研究发现多能干细胞分化伴随着脂滴消失,过高的脂质水解引起脂质组重塑,从而调控线粒体关键磷脂及内嵴结构,进一步通过降低乙酰辅酶A及组蛋白乙酰化,最终促进多能性的退出。

细胞器及代谢重塑在干细胞命运决定中起着重要作用,不仅提供代谢底物,还可参与调控表观遗传及基因表达。多能干细胞具备独特的细胞器结构和代谢模式,而细胞器及代谢逐渐被认为是调控细胞命运的关键调控因子。刘兴国团队在国际上独辟蹊径,系统的阐明了细胞器的离子信号,组分重塑,代谢组-表观组,乳酰化及磷酸化修饰,脂代谢通路等调控多能性的一系列重要方式。

脂滴是一种进化上高度保守的细胞器,由单层磷脂膜包裹核心的中性脂组成,参与脂质的储存和利用。许多哺乳动物的卵细胞和胚胎中存在大量脂滴,其形态数目随着卵裂及胚胎发育发生剧烈变化,然而脂滴稳态在多能干细胞命运决定中的调控模式及作用仍不清楚。

刘兴国团队发现胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）存在大量脂滴,维持着较低的中性脂水解速率,而多能干细胞分化伴随着中性脂水解速率的上升及脂滴的消失。这一分化中的脂质变化受分子伴侣介导的自噬调控：多能干细胞分化起始时,脂滴表面蛋白Plin2被分子伴侣Hsc70识别并转运至溶酶体降解,加速了脂滴中性脂的水解。

进一步机制研究发现,过高的脂质水解速率引起细胞内脂质组的重塑,降低线粒体中的关键磷脂-心磷脂与磷脂酰乙醇胺,破坏线粒体内嵴结构,从而降低脂肪酸氧化及乙酰辅酶A的产生。乙酰辅酶A的降低引起多能性相关基因启动子上组蛋白乙酰化H3K27ac的降低,加速了多能性相关基因的下降及多能性的退出。

该研究揭示了“脂滴涅槃”燃烧自己,而照亮多能干细胞分化进程的功能,发现脂滴稳态与线粒体重塑的互作新模式。由于脂滴变化及线粒体重塑存在于许多生理病理过程中,包括胚胎停滞,肿瘤发生,脂肪肝及神经退化等,这一工作为探索这些生理病理过程的机制提供了全新的思路。(来源：中国科学报 朱汉斌）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41418-022-01018-8