nature

　　

性印记为物种形成创造条件 

　　nature封面：草莓箭毒蛙。nature杂志第7776期封面文章报道了母体如何影响草莓箭毒蛙的配偶选择和雄性竞争，以及这种影响如何潜在地推动新物种的形成。印记是指后代从父母身上认识到的特征，会在日后帮助塑造其自身行为。研究人员发现，在这些草莓箭毒蛙中，雌性后代更愿意和体色与其母亲一致的雄蛙交配；而雄性后代对于体色与其母亲相同的雄蛙也更加具备攻击性。科学家认为，这种现象最终可能会减少具有不同交配特征的草莓箭毒蛙之间的基因流，从而为性选择驱动的物种形成创造条件！

　　

恒星并合为大质量磁性恒星的来源 

　　nature封面：两颗大质量恒星并合模拟中的一个阶段。nature杂志第7777期封面文章报道了恒星并合过程中磁场是如何生成的模拟方法。如封面所示，一颗较大质量的主星在与一颗次星（颜色较浅代表磁场较强）并合的过程中发生瓦解。大型黑色螺旋表示主要来自主星的气体的位置，这里尚未出现磁场。中间黑色部分表示次星的核，这里也还未出现磁场（随着并合过程的进行，磁场会弥漫整个星体）。模拟表明这种并合会产生具有强磁场的恒星。研究认为并合产物在其生命终结时最终发生超新星爆发后，留下了一颗磁星，即具有强磁场的中子星。

　　

缰核TCF7L2在烟碱成瘾与糖尿病之间的关联作用 

　　nature封面：吸烟信号。nature杂志第7778期封面文章报道了大鼠中转录因子TCF7L2介导的一个信号回路在烟碱激活的大脑神经元与胰腺进行的血糖调控之间具有关联作用。烟碱在激活内侧缰核神经元表达的烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）蛋白的同时，还会导致限制摄入的烟碱不良反应，并促进胰腺分泌胰高血糖素和胰岛素。由此造成的血糖升高与糖尿病患病风险增加有关。此外，血糖升高还会通过抑制内侧缰核神经元表达的nAChR形成反馈环，阻断吸烟的不良反应，并帮助形成烟碱依赖。

　　

基于可编程超导处理器的量子优越性 

　　nature封面：Sycamore芯片的艺术渲染图。 nature杂志第7779期封面文章报道了量子计算研发进展。实验首次证明，一台可编程量子计算机能够超越世界上最强大的传统处理器，这种状态被称为quantum supremacy“量子优越性”。研究团队使用了一个含53个量子比特的量子处理器，对一个生成随机数的量子电路的输出进行取样。系统内的量子比特越多，这项任务就越复杂。实验中的量子处理器名为“Sycamore”，能够在大约200秒内从电路中收集100万个样本，而一台尖端的超级计算机则需要大约1万年才能完成此项任务。 

　　（本页期刊封面图来自nature官网）

　　

Science

　　

我们在峡湾的未来 

　　Science封面：格陵兰岛消退的冰川。Science杂志第6462期封面文章报道了经过几十年的研究，研究人员也不能确定在人类活动导致的全球变暖的压力下，格陵兰冰盖会以多快的速度融化。格陵兰岛的融化已经占全球海平面上升的25%，而且这一比例仍在增加。在Helheim冰川，一个雄心勃勃的新项目正在试图了解格陵兰岛的300个海洋终端冰川是如何在岛上狭长的峡湾中消退的。该项目将绘制渗透大西洋温暖海水的图表，以及Helheim冰川压裂工作面的每一个角度。如果成功，研究人员可以帮助限制未来海平面上升的重要不确定性。

　　

一种多细胞鞭毛虫光调节的集体收缩力 

　　Science封面：原生动物种群Choanoecaflexa。 Science杂志第6463期封面文章报道了作为现存最接近的动物近亲之一的一种鞭毛类动物。这个物种会形成杯状菌落，通过集体的细胞收缩快速转化它们的曲率，从而应对明到暗的过渡。与植物和真菌不同，动物可以通过收缩细胞的集体活动使身体变形。集体收缩力是胃收缩和肌肉运动等过程的基础。这些菌落通过视紫红质-环鸟苷单磷酸通路感应光的变化，并相应地快速改变其曲率。这些结果可能有助于重建在特异化感觉和收缩细胞演化之前就已存在的动物祖先。

　　

蚯蚓多样性的全球分布 

　　Science封面：蚯蚓。Science杂志第6464期封面文章报道了科学家们收集了来自57个国家6928个取样地点的蚯蚓群落的相关数据，并对蚯蚓多样性、丰富度和生物量进行预测。研究发现局部物种的丰富度和丰度通常在高纬度地区达到顶峰，表现出与地面生物相反的模式。然而，热带地区的物种差异可能导致整个热带地区的物种多样性高于其他地区。气候变量在蚯蚓群落的形成中比土壤性质或栖息地覆盖更重要。这些发现表明，气候变化可能对蚯蚓群落及其功能产生重要的影响。

　　

基因组结构和基因渗入形成了蝴蝶辐射 

　　Science封面：两只蝴蝶均通过进化出类似的警告色来保护自己免受捕食者的攻击，这是缪勒拟态的一个例子。Science杂志第6465期封面文章报道了科学家们使用20个从头开始的基因组组合来探索螺旋蝴蝶物种形成历史和基因流结构。通过区分不完整谱系排序的测试表明这种基因流在基因组大范围内掩盖了群体中若干古老的系统性发育关系。研究确定了一个迄今未知的，捕捉颜色模式切换位点的倒置轨迹。这些从头开始的基因组序列使我们能够更好地理解基因渗入和选择性过程在蝴蝶适应性辐射中的重要性。 

　　（本页期刊封面图来自Science官网）

　　

　　

气候环境

原始森林土地利用变化对土壤温室气体排放的影响

　　北京大学城市与环境学院朱彪课题组通过meta分析的手段系统探讨了全球范围内原始森林土地利用方式的转变对土壤温室气体排放影响的全球模式及相关机制。研究成果发表于Global Change Biology。原始森林转换显著降低了土壤二氧化碳排放，其主要受到土壤微生物生物量和根生物量降低的影响；受土壤通气性变差的影响，原始森林转换对土壤甲烷排放表现出显著的增强作用；相比之下，在原始森林转换初期（<5年），土壤N2O排放表现出显著的增加，主要受到土壤硝态氮动态的调节。该研究为理解原始森林土地利用方式转变如何影响土壤温室气体排放提供了理论支持。

　　

土壤温室气体排放对原始森林转换的响应（图片来源于北京大学新闻网）

　　原始森林转换对土壤温室气体排放影响的示意图（图片来源于北京大学新闻网）

　　

植被变化和人类用水已成为影响黄河流域干旱形成的重要因素

　　中国科学院大气物理研究所马柱国研究员等设计了一系列数值试验，通过比较模拟与观测的气象、水文和农业干旱的强度和持续时间，区分了自然因素和人类活动对黄河流域六个子流域1991—2010年干湿变化的影响，并进一步量化了二者的相对贡献。研究成果发表于Science of The Total Environment。土地利用/土地覆盖变化（LULCC）和人类直接用水（DHA）对黄河流域干旱强度和持续时间的影响显著，其中气象干旱向农业干旱的传播过程主要受LULCC的影响，而气象干旱向水文干旱的传播过程主要受DHA的影响；DHA放大了大多数子流域水文干旱的严重程度和持续时间。

　　

黑磷纳米片(BPNSs)对小球藻的研究进展

　　中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室江桂斌课题组曲广波等在黑磷纳米片(BPNSs)对水生生物的毒性研究中取得新进展。研究成果分别发表于Environmental Science & Technology Letters和Environmental Science & Technology。黑磷在使用过程中的环境健康风险受到广泛关注。该研究以模式水生植物小球藻和单细胞原生动物嗜热四膜虫为研究模型，对BPNSs的毒性及机制进行了系统研究。结果表明，小球藻对多种磷酸盐离子的摄入是BPNSs暴露干扰小球藻生长的唯一原因，而BPNSs本身并不会导致小球藻的增殖异常。黑磷纳米片均可诱导小球藻和四膜虫细胞两类单核生物内的氧化应激。

　　

1989年超级磁暴东亚电离层东西演化差异机制

　　中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室研究员赵必强及其合作者通过对1989年地面和高空数据的重新整理和分析，尤其加入中国地区的地面观测资料后发现，此次特大磁暴期间电离层在东亚中纬地区的分布具有很强的纬向梯度，即在相隔不大的经度扇区内电离层暴时变化差异显著。相关论文发表于JGR-Space Physics。1989年3月13日的特大磁暴，加拿大魁北克地区和美国新泽西州供电系统在此次磁暴中受到严重破坏，导致魁北克地区在寒冷的冬夜停电9小时，美国多颗卫星短暂失去联系，无线电短波通信受到严重干扰，引起了全社会的震惊和对太阳风暴的广泛关注。

热带大气季节内振荡引起的海洋次表层环流变异规律和动力学机制

　　中国科学院海洋研究所王凡研究组在热带西太平洋次表层流对热带大气季节内振荡（MJO）的响应方面取得新进展，定量化揭示了MJO引起的海洋次表层环流变异规律和动力学机制。相关论文分别发表于Geophysical Research Letters和Deep Sea Research Part I。MJO是发生在热带地区的周期为30～60天的主要向东传播的大气振荡，能够引起大气强烈对流和西风爆发现象，进而影响ENSO发生。研究揭示了热带西太平洋次表层环流对大气MJO的响应过程，发现大气MJO对深层环流的影响可达水深600米，定量给出了MJO引起的深层环流的变异振幅，并指出西风爆发期间海洋环流的季节内变异主要与MJO引起的风场有关。

　　

潜标观测到的MJO引起的纬向流的变化，Days=0表示西风最强（图片来源于中国科学院海洋研究所网站）

　　热带西太平洋潜标阵列观测的纬向流示意图（图片来源于中国科学院海洋研究所网站）

　　

塔克拉玛干沙漠东南缘沙丘形成及发育机制研究

　　中国科学院新疆生态与地理研究所沙漠研究团队，以塔克拉玛干沙漠东南缘的风成沙丘为研究对象，利用遥感解译、野外观测以及数值模拟的方法，对风影沙丘的形态动力学成因、不同走向沙丘共存机制、风沙-流水过程互馈机制等进行了系统性研究。研究成果分别发表于Journal of Geophysical Research: Earth Surface和Geomatics, Natural Hazards and Risk。主要观点之一表明沙漠南缘戈壁边缘不同走向沙丘共存源于沙源供应量空间差异，而区域风况、风水交互角度、风成系统及河流系统自身沉积物输送及沉积特点、水系深入沙漠程度及强度共同影响了区域沙源的空间分布，从而塑造了区域沙丘的空间分布格局。

　　

甲醇与三氧化硫的反应对大气新粒子形成抑制作用

　　北京理工大学化学与化工学院/原子分子簇科学教育部重点实验室张秀辉教授与合作者在大气新粒子形成领域取得重要进展。研究成果发表于PNAS（美国科学院院刊）。该研究一方面提出了干燥的高度污染地区甲醇会通过化学转化参与气溶胶新粒子形成的新机制，为我国复合大气污染条件下新粒子形成机制研究提供了研究思路和理论线索；另一方面揭示了干燥的污染地区影响大气硫酸生成的关键化学过程，为准确预测大气中硫酸的浓度提供了重要的理论依据；同时，该研究还显示了在新粒子形成机制研究中考虑成核前驱体形成的竞争过程的必要性，为研究新粒子形成机制的模型改进提供新策略。

　　

珊瑚环境记录研究新进展

　　中国科学院南海海洋研究所珊瑚礁及其环境记录学科组余克服研究员等在南海珊瑚记录的海表生产力研究方面取得进展。研究论文发表于Geophysical Research Letters。研究发现该珊瑚的碳同位素记录了大气二氧化碳与海表生产力对海洋碳库的影响。通过对大气二氧化碳的影响进行扣除，揭示了珊瑚碳同位素中的海表生产力信号。进一步对过去150多年的海表生产力进行分析，得出南海北部的海表生产力在1851—1920年间上升，而在1920—2007年间下降。这种海表生产力的变化与过去150年里东亚冬季风的变化趋势一致，表明冬季风的增强有利于海水的垂直混合，使得下层的营养盐上翻到海表，导致海表生产力上升，反之亦然。

研究病毒合作抗疫

　　

一种与呼吸道疾病相关的新型冠状病毒

　　上海公共卫生临床中心和复旦大学公共卫生学院教授张永振等人与合作者对2019-nCov的基因组序列进行了分析。相关研究成果近期发表于Nature。该病毒基因组从就职于出现病例的海鲜市场的一名病人身上获得。基因组分析显示，该病毒与此前在蝙蝠体内找到的一组SARS样冠状病毒有相关性。对从该患者收集的支气管肺泡灌洗液（肺分泌物）进行了基因组测序，鉴定出了一种新型病毒，发现该病毒基因组与蝙蝠体内发现的SARS样冠状病毒有89.1%的核苷酸相似性，还需要更多研究确认病毒来源。为了进一步了解该病毒对人类的潜在感染性，论文还比较了该病毒和SARS冠状病毒及蝙蝠SARS样冠状病毒刺突蛋白上的受体结合域。

　　

病人胸片（图片来源于Nature网站的论文图）

　　临床症状和病人资料（图片来源于 Nature网站的论文图）

　　

新型冠状病毒早期进化机制研究进展

　　中国科学院上海巴斯德研究所、中科院生物安全大科学中心上海分部崔杰研究组成员魏小曼、李祥等根据目前发表的新型冠状病毒（2019-nCoV）分析结果及公共数据库里上传的基因组比对结果，进行综合分析，推测出此次暴发的新型冠状病毒的早期进化机制。研究结果发表于National Science Review。论文指出，新型冠状病毒在早期进化中显示较弱的感染力，也可在人与人之间传播，但传播能力不容忽视。系统发育分析显示病毒缺少拓扑结构，聚类不明显。病毒应该是在发生人与人之间传播后开始产生突变。至于病毒有没有发生适应性进化，目前还无法定论，需要更多的病毒基因组分析及后续针对突变位点的功能实验验证。

　　

抗2019新型冠状病毒药物筛选方面研究进展

　　中国科学院武汉病毒研究所/生物安全大科学研究中心与军事科学院军事医学研究院国家应急防控药物工程技术研究中心研究人员开展联合研究，在抑制2019新型冠状病毒（2019-nCoV）药物筛选方面取得进展。相关研究成果以《瑞得西韦和磷酸氯喹能在体外有效抑制新型冠状病毒（2019-nCoV）》为题发表于中国自主知识产权的国际知名学术期刊 Cell Research（《细胞研究》）。研究表明，瑞得西韦（Remdesivir，GS-5734）和磷酸氯喹（Chloroquine）在细胞水平上能有效抑制2019-nCoV的感染，其在人体上的作用还有合作研究，待临床验证。

　　

中国预先公布新型冠状病毒3CL水解酶高分辨率晶体结构

　　上海科技大学免疫化学研究所和中国科学院上海药物研究所抗2019-nCoV冠状病毒感染联合应急攻关团队及时公布了由上海科技大学饶子和/杨海涛课题组测定的2019-nCoV冠状病毒3CL水解酶(M pro)的高分率晶体结构（数据收集在上海光源完成）。晶体结构的坐标已经上载于PDB蛋白质结构数据库(Protein Data Bank, PDB)。研究团队快速表达了2019-nCoV水解酶（M pro）并获得了高分辨率晶体结构，该预先公布新型冠状病毒3CL水解酶高分辨率晶体结构能够方便更多的科技工作者，特别是药物研发的科技人员使用，协助国内外同行专家研发出更多更好的抗新型肺炎药物。

新型冠状病毒（2019-nCoV）或来源于蝙蝠

　　中国科学院武汉病毒研究所/生物安全大科学研究中心、武汉市金银潭医院及湖北省疾病预防控制中心合作针对2019新型冠状病毒（2019-nCoV）展开了鉴定研究，揭示新型冠状病毒（2019-nCoV）或来源于蝙蝠。相关研究成果近期发表于 Nature。研究团队从早期的5位患者样本中获得了该病毒的全基因组序列，来自5位患者的病毒序列相似性达到99.9%，与SARS-CoV的序列一致性为79.5%。进一步将2019-nCoV基因组与实验室早期检测的冠状病毒的部分基因序列进行比较，发现该病毒与来源于蝙蝠样本的一株冠状病毒（简称TG13）的基因相似，两种病毒序列一致性高达96%。至今，中国科学家仍然与各国科学家一起致力于开展病毒源头和传播途径的全球科学研究。

　　

新型冠状病毒的进化来源和传染人的分子作用机制研究

　　中国科学院上海巴斯德研究所郝沛、军事医学研究院国家应急防控药物工程技术研究中心钟武和中科院分子植物卓越中心合成生物学重点实验室李轩合作，阐述了新型冠状病毒的进化来源和传染人的分子作用机制。研究结果发表于SCIENCE CHINA Life Sciences。研究者利用新型冠状病毒和收集到大量冠状病毒数据进行了遗传进化分析。由于新型冠状病毒的进化邻居和外类群都在各类蝙蝠中有发现，推测新型冠状病毒的自然宿主也可能是蝙蝠。新型冠状病毒在从蝙蝠到人的传染过程中很可能存在着未知的中间宿主媒介。该研究为病毒防控，以及开发检测和干预技术手段提供了研究基础。

　　

新型冠状病毒易感性研究

　　同济大学附属东方医院左为教授团队通过单细胞测序RNA-Seq技术发现新冠病毒（2019-nCoV）的受体ACE2在亚洲男性肺泡细胞中高表达；即仅从病毒受体方面分析，亚裔人群可能更容易感染新冠病毒，尤其是亚裔男性。相关成果发表于预印本文献库 bioRxiv。该研究通过单细胞RNA测序技术以单细胞分辨率报道了ACE2在人肺中的RNA表达谱，并经过统计分析表明ACE2受体与性别和族裔相关。尝试解释了临床统计数据中出现的一些科学问题，同时也猜测了2019-nCoV大流行的生物学原因。然而，值得关注的是，截至论文投递，该研究进行分析的样品过少，相关结论仍然有待进一步验证。

　　

新型冠状病毒感染的肺炎初期传播动力

　　中国疾病预防控制中心、湖北省疾病预防控制中心、香港大学等十几个单位的专业人员协作，根据截至2020年1月23日上报的425例确诊病例（包括15名医务人员）所做了回顾性分析，开展了新型冠状病毒感染的肺炎在传播初期的传播动力学分析。相关论文发表于新英格兰杂志NEJM。截止到论文投递的时间，论文基于425例病例流行病学调查资料做出了回顾性推论，提出了“2019年12月份即在密切接触者中发生了人际传播”的观点。该调查结果以科学专业的态度刊发，有助于国内外专业同行及时了解疾病的特征，共同评估和研判疫情，改进防控策略，体现了积极发挥建设性引领作用的担当和科学精神。

生命科学

　　

大脑中的免疫细胞竟是记忆遗忘的“主谋”

　　浙江大学医学院谷岩研究员课题组和王朗副研究员课题组最近发现，用于免疫的小胶质细胞通过清除突触而引起记忆遗忘，并且进一步发现补体信号通路参与了小胶质细胞介导的遗忘，并且依赖于记忆印迹细胞的活动。相关成果发表于 Science。研究发现，遗忘的机制始于分子的“导航”。“复习不易忘”有了科学依据，复习就是让记忆印迹细胞和相应的突触联系更加活跃，好像把突触这座桥梁用钢筋混凝土加固了一样。而如果不复习，“桥”就会年久失修，就会被小胶质细胞这个“拆迁队”识别并拆除。此外，小胶质细胞的突触清除可能是介导遗忘的一种普遍机制。

　　

人源免疫球蛋白M复合体的高分辨率电镜结构

　　北京大学生命科学学院肖俊宇研究组报道了人源IgM-Fc（Fcm）五聚体/J链/分泌组分三元复合体整体分辨率为3.4 ?的冷冻电镜结构。包括IgM-Cμ4结构域、J链、pIgR/SC-D1结构域等在内的中心区域分辨率达到3.0 ?以下，可以清晰看到关键氨基酸的侧链信息。研究论文发表于Science。区别于教科书中传统以来描述的五角星形状，IgM-Fc采用非对称的方式形成五聚体，整体形状类似于缺少了一个角的六边形。该工作颠覆了对IgM五聚体的传统理解，阐明了J链发挥功能的结构基础，揭示了pIgR特异性识别包括IgM在内的多聚抗体的分子机制；为深入理解IgM的生物学功能奠定了基础。

　　

破解优质蛋白玉米育成之谜

　　上海交通大学农业与生物学院王文琴团队和中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队合作，揭开了困扰世界玉米蛋白品质育种半个多世纪的难解之谜。研究成果发表于Nature Communications。优质蛋白玉米以热带玉米种质为基础育成，当它被引进到温带气候国家，如中国，它面临的主要问题是如何把存在于热带种质中的修饰因子转到温带种质的骨干自交系中。该论文通过PacBio三代基因组测序，BSA-seq遗传定位和RNA-seq转录组分析相结合的手段，深入解析了优质蛋白玉米（Quality Protein Maize, QPM）选育的基因组结构变异基础，全面挖掘了潜在的硬质胚乳修饰因子。

　　

curli菌毛生成系统的组装和底物识别

　　清华大学生命科学学院李雪明研究组在细菌curli菌毛生成系统膜上通道复合物的结构以及底物识别机制上取得进展。研究论文发表于Nature Communications。综合电镜结构和体外蛋白结合实验结果，研究组提出了CsgG-CsgFN-CsgFC-CsgB-CsgA的组装方式，阐明了curli纤维如何结合到细菌表面的机制。体外蛋白结合实验结果进一步发现CsgE能结合CsgA的R1-5结构域。CsgE的敲除菌株失去刚果红的表型，而过表达CsgG蛋白后刚果红表型得到恢复，这说明CsgE对底物分泌不是必需的，而是能提高转运效率，综合以上实验结果，研究组提出了CsgA的识别转运模型。 

V1神经元树突输入的精细时空功能图谱

　　北大生命科学学院、北大麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心唐世明课题组开展了猕猴初级视觉皮层(V1)神经元树突上兴奋性输入的时空功能组织的研究。研究论文发表于Nature Communications。神经元作为神经系统最基本的计算单元，从它们的树突上接收信号的输入。单个神经元可以通过树突棘接收数以千计甚至数十万的突触前输入，加上树突的复杂几何构型以及其多样化的生理特性，使之具有对其输入信号进行复杂计算的能力。该研究借助于新型谷氨酸探针iGluSnFR，实现了对清醒猕猴大脑皮层神经元的双光子树突成像，并获得了单个V1神经元树突上兴奋性输入的精细时空功能图谱。

　　

儿童睡眠时长与认知、心理健康以及脑结构的关系

　　复旦大学类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰教授领衔来自英国华威大学、牛津大学等研究人员组成的国际合作团队，在大规模人群中揭开了儿童发育时期的睡眠时长与脑结构，认知能力和心理健康的相互作用关系。研究论文发表于Molecular Psychiatry。睡眠问题是脑科学研究的重要问题，也是全球重大的公共健康问题。大部分的脑疾病如抑郁症、焦虑症、帕金森病等都与睡眠问题密切相关。研究发现，儿童睡眠时长与儿童的认知能力、心理健康（尤其是抑郁症状）显著关联，同时，与儿童大脑眶额叶皮层、前额叶、颞叶等脑区的脑结构指标密切相关。

　　

高脂饮食通过干预胰岛素信号通路改善SIRT6缺陷小鼠代谢损伤与早衰表型

　　清华大学药学院王钊课题组以“高脂饮食通过调节SIRT6基因敲除小鼠的胰岛素和IGF1信号通路逆转代谢紊乱和早衰”为题，将最新研究成果发表于Aging Cell。人类从出生到死亡，体能仿佛经历了一个循环。文章报道了高脂饮食通过干预胰岛素信号通路改善了SIRT6缺陷小鼠的代谢异常，有效减缓了其多组织器官萎缩等机体过度消耗表征，明确挽救早衰表型并显著延长寿命，为临床针对衰老终末期或疾病终末期患者的营养制定、改善患者生存质量和延长健康寿命提供了科学依据。提示老年人尤其是衰老末期一定要注意补充脂肪类食物。

　　

蓝藻光合作用环式电子传递的结构基础

　　中国科学院生物物理研究所常文瑞/李梅研究组、章新政研究组及中国科学院分子植物科学卓越创新中心米华玲研究组的合作，用单颗粒冷冻电镜方法解析了来源于嗜热蓝藻T. elongatus BP-1的一种参与光合作用环式电子传递的多亚基膜蛋白复合物NDH-1L及其结合电子供体铁氧还蛋白（ferredoxin, Fd）的三维结构。研究论文发表于 Nature Communications。论文提供了完整的NDH-1L结构模型，揭示了PQ分子的结合位置，构建了从Fd到PQ的电子传递途径，测定了NDH-1L在不同pH条件下的活性及其与Fd的亲和力，为揭示NDH-1L参与的环式电子传递和质子泵耦联机制提供了分子基础。

　　2020年3月 科学中国人 17

　　

　　

物理世界

　　

科学家证实二维冰的存在并揭示其生长机制

　　北京大学物理学院量子材料中心江颖、徐莉梅与美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成以及北京大学/中国科学院王恩哥等合作，利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术，首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在，将其命名为二维冰I相，并以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程，揭示了其独特的生长机制。相关论文发表于Nature。二维冰的发现改变了一百多年来人们对冰相的传统认识，开启了探究二维冰家族系列的大门，为冰在低维和受限条件下的形态和生长提供了全新的图像。同时，二维冰在很多应用领域也有潜在意义。比如：表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成等。

　　

在Skyrme密度泛函框架下引入张量力无效

　　中国科学院近代物理所科研人员证明在Skyrme密度泛函的框架下，真实的张量力并没有贡献，引入张量力是无效的。研究论文发表于Physical Review C。张量力是近年来核理论研究中的热门课题，它涉及原子核结构的很多重要问题，如壳演化研究。另外，张量力是产生核子间短程关联的重要因素，而短程关联是近年来核物理的又一个前沿热点问题。1956年，Skyrme在Skyrme相互作用中引入张量力，目前已有大量文章采用该形式来研究核结构问题中的张量力效应。根据变换后的张量力形式发现，各个分波的张量力成分在标准Skyrme力中没有贡献，并将其原因归为了四类。

　　

Hamaker常数作为连续介质力学向介观力学过渡的标杆作用研究

　　中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室赵亚溥团队在范德华异质结的剥离、合成等力学行为研究方面取得了重要研究进展。研究论文发表于Extreme Mechanics Letters。范德华异质结是一种二维层状材料，具有结构多样性、电子多样性和力学多样性，兼具高门控性、高载流子收集率及强栅极响应能力等独特的功能性。这为功能器件的设计提供了新思路。虽然材料的非均质性带来了奇特的功能性，但是这种非均质性也给材料的合成、规模化生产带来极大的困难。论文从第一性原理到分子动力学，自下而上研究了范德华异质结中晶格错配及剥离力学过程，阐明了剥离过程的3个阶段。

　　

锂离子电池固体-电解液界面层特性研究进展

　　中国科学院理论物理研究所王延.研究员等与美国太平洋西北国家实验室（PNNL）朱梓华博士课题组合作，使用二次离子质谱（SIMS）实验手段结合分子动力学模拟方法对SEI层的形成与物理化学性质进行了研究。相关结果发表于Nature Nanotechnology。锂离子电池的电双层的结构决定了电池的相界面化学性质。特别地，SEI内层形成之后，会进一步形成富含有机分子、可以渗透到电解液当中的外层。研究发现SEI内层的主要成分为氧化锂，否定了相界面上含有氟化锂的传统观点。对某些种类的电池而言，由于氟离子在相界面上起着非常重要的作用，必须引入含氟的溶剂或者添加剂。

压电薄膜新型器件研究进展

　　四川大学材料科学与工程学院余萍教授团队与美国南加州大学、香港理工大学合作，首次提出利用复杂3D结构的超薄压电敏感元实现复杂的高频超声场。研究论文发表于Advanced Functional Materials。通过该压电敏感元设计超声换能器发射出了类似漩涡的高频声场，该声场不同于常规声场，可以将微米级微粒包括悬浮微粒在内，吸入到聚焦区域进行密堆积，并且可以对收集的微粒群进行二维操纵。不仅能够对无机的微粒进行收集及移动操作，而且可以快速集中分散在溶液中的生物细胞。该研究对发展高效的生物无损检测技术提供了支持，并为发展新型的高频复杂声场提供了新的研究途径。

　　

钙钛矿量子点量子干涉效应研究进展

　　南开大学电子信息与光学工程学院光电子薄膜器件研究所李跃龙副教授与厦门大学洪文晶教授课题组、英国兰卡斯特大学Colin Lambert教授团队通过合作，在钙钛矿量子点量子干涉效应研究方面取得了新进展。相关成果发表于 Nature Communications。研究团队设计合成了不同尺寸和成分的钙钛矿量子点。对钙钛矿量子点进行了深入原位表征，首次获取钙钛矿量子点单个晶胞单元距离仅为0.5纳米的不同连接位点间的电学信号差异，同时观察到将近一个量级的电导增加现象，并在杂化金属卤化物钙钛矿材料中观测到电荷输运的量子干涉效应。

　　

莫特相变的经典对应

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心EX9组的杨义峰研究员、王磊研究员等与中国工程物理研究院材料研究所黄理研究员合作，结合机器学习方法处理量子作用量，为建立量子到经典对应提供新思路。研究论文发表于Physical Review B。莫特相变是强关联物理中最重要的基础概念之一。论文在动力学平均场理论（DMFT）的框架下，基于杂化展开的连续时间量子蒙特卡洛（CT-HYB）方法，结合机器学习将量子杂质模型的有效作用量映射到一个经典的双原子分子系统，发现分子间的相互作用随间距呈简单的指数形式。在此映射下，量子模型的莫特转变对应于经典分子气体的气液转变，并受到相互作用力程的控制。

　　

超薄栅介质层的二维晶体管器件被研制成功

　　南京大学王欣然、施毅教授团队开展国际合作，利用了二维材料与分子之间的范德瓦尔斯作用，以0.3纳米厚的单层分子晶体作为界面层，在二维材料上成功实现了高质量、超薄high-κ介质层沉积技术。研究成果发表于 Nature Electronics。研究人员将二维半导体场效应晶体管的亚阈值摆幅降至60mV/dec的理论极限，工作电压降至0.8V，并且在20nm沟道长度下未发现显著的短沟道效应。进一步，实现了功耗小于1nW的二维CMOS逻辑反相器，并通过石墨烯射频器件验证了介质层可以工作在10GHz以上。该技术适用于多种二维材料，并兼容大面积化学气相沉积样品。

装置设备

　　

新型声学超材料单通道麦克风

　　中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室杨军研究员、贾晗研究员等提出了一种基于声学超材料的单通道多声源的定位与分离系统，用一个带有超材料外壳的单通道麦克风实现了三维空间中多个同时发声声源的实时定位与分离。研究论文发表于 Advanced Science。研究人员将麦克风嵌入到精心设计的三维超材料结构中，该结构以与来波方向相关的方式修改麦克风的频率响应，从而对来自三维空间中不同方向的信号进行编码。研究人员还提出了一种联合重建算法VSPCA-OMP，该算法具有较低的复杂度，可以基于采集到的单通道数据实现多声源的实时定位和分离。

　　

可用于眼疾示警的结构色隐形眼镜传感器

　　中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控中心杜学敏研究员团队研发了对湿度和压力信号敏感的结构色隐形眼镜传感器，有望通过肉眼可见颜色变化，实时监测干眼症和高眼压症高风险人群的生理指标，为相关眼科疾病早发现早治疗提供了新思路。研究论文发表于Journal of Materials Chemistry B。这类无须添加化学色素与染料的结构色隐形眼镜，由于其生物安全性与独特的光学特性，有望为迅速增长的美瞳市场提供新技术。借助这种结构色隐形眼镜的传感特性，有望通过肉眼可见颜色变化实现对泪液分泌量、眼压等生理病理指标的实时监测，进而对干眼症和高眼压症等眼科疾病实现示警。

　　

非易失性铁电畴调控下的可编辑过渡金属化合物同质结

　　复旦大学微电子学院教授周鹏课题组在前期发明超高速准非易失存储器的基础上，与中国科学院上海技术物理研究所研究员王建禄课题组合作，进一步利场用局域电的调控作用，将第三类存储技术的保持时间从10秒提高到了100秒以上。研究论文发表于 Nature Electronics。研究团队借助于具有极化特征的铁电薄膜材料，通过纳米探针自由调控薄膜的极化方向获得PN结构非易失电场，实现局域场调制高速准非易失存储器的保持机制，使得超快数据存储速度与数据保持特性具备通用存储器特征，可用于内外存融合的统一存储架构。同时，这种技术还可以用于多种电子器件制作。

　　

无基底、无固定形状平面微型超级电容器

　　中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队和纳米与界面催化研究组研究员傅强团队合作，开发出一种器件组装新方法，将平面图案化微电极包裹在化学交联的氧化石墨烯-聚乙烯醇基水凝胶电解质中，成功构建出一种无基底、无形状的新概念微型超级电容器。研究成果发表于Advanced Functional Materials。微电极集成于凝胶电解质内部制备一体化薄膜的新方法，将二维材料（如MXene、石墨烯）基平面图案化微电极包裹在含氧化石墨烯的化学交联聚乙烯醇基水凝胶电解质薄膜中，构建出一种基于“微电极-电解质一体化薄膜”新概念的无基底、无固定形状的微型超级电容器。

柔性碳纳米管传感存储一体化器件

　　中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心科研人员与国内多家单位合作，开发出柔性碳纳米管传感-存储器件，邱松、韩拯、成会明、孙东明为共同通讯作者。研究论文发表于Advanced Materials。采用半导体性碳纳米管薄膜为沟道材料，利用均匀离散分布的铝纳米晶/氧化铝一体化结构作为浮栅层与隧穿层，获得柔性碳纳米管浮栅存储器。较薄氧化铝隧穿层可使在擦除态“囚禁”于铝纳米晶浮栅中的载流子在获得高于铝功函数的光照能量时，通过直接隧穿方式重新返回沟道之中，使闭态电流获得明显的提升，完成光电信号的直接转换与传输，实现集图像传感与信息存储于一身的新型多功能光电传感与存储系统。

　　

水下滑翔蛇形机器人

　　中国科学院沈阳自动化研究所研制出一种结合水下滑翔机和水下蛇形机器人特点的水下滑翔蛇形机器人，该机器人可以实现净浮力驱动的滑翔运动和关节力矩驱动的多种游动步态，具有续航能力强和机动强的优点。研究论文发表于 Science China-Information Sciences。通过解耦和反馈线性化，把复杂的非线性系统转化为等效的线性形式，然后基于趋近律方法设计滑模控制器，降低抖动并且实现鲁棒控制。通过无迹卡尔曼滤波器，对测量噪声进行滤波和对未知状态量进行估计，该方法通过无迹变换处理均值和协方差的非线性传递问题，保留了系统高阶项，具有精度高、稳定性强的优点。

　　

超高效太阳能海水淡化

　　上海交通大学制冷与低温工程研究所ITEWA创新团队的徐震原副教授和王如竹教授与麻省理工学院Lenan Zhang博士和Evelyn N. Wang教授等合作，提出界面局部加热型多级太阳能蒸馏架构，结合太阳能界面局部加热和蒸汽焓回收，突破了前述研究的局限，显著提升了被动式太阳能海水淡化的效率。相关研究成果发表于Energy & Environmental Science。系统性的能量传递优化，而非高性能材料，是达到超高效太阳能海水淡化的关键。通过采用商用和低成本材料搭建的实验装置，研究团队在一个太阳辐照条件下实现了海水淡化高产水率。该装置还可以通过毛细作用进行被动补水，同时通过盐分在夜间的反向扩散实现被动排盐。

　　

仿皮肤柔性传感用于盲文智能识别

　　中国科学院上海硅酸盐研究所王家成研究员和复旦大学微电子学院卢红亮教授和张卫教授等合作，研制了一种仿皮肤式柔性压力传感器，基于此传感器，有望实现盲文的智能识别。研究论文发表于Nano Energy。该传感器由3个主要部分组成，分别对应于人体皮肤的3个部分（表皮、真皮和皮下组织）。顶部基质为荷叶棘突随机高斯分布的力信号感知层，与表皮结构形态相似。这种微结构对于提高灵敏度、测量和识别弱力是必不可少的。中间导电填料为力信号处理层。底部基板是力信号转换层，其能够将力信号转换为电信号，利用随机森林算法（RDFA），实现了实时盲文的有效识别。科