迁徙鸣禽隐花色素蛋白的磁感应

 

Nature封面：量子罗盘。Nature杂志第7864期封面文章报道了一种蛋白的量子特性，该蛋白或许能成为迁徙鸣禽罗盘的候选对象。牛津大学和奥尔登堡大学的研究团队研究了迁徙欧亚鸲（Erithacus rubecul）视网膜中发现的隐花色素蛋白（ErCRY4），发现它可能具有成为光依赖罗盘所需的磁感应能力。文章鉴定出ErCRY4在体外会发生光驱动化学反应，反应引发的量子效应或能实现对磁信号的感应。研究还发现，相比不迁徙的鸽子和鸡，鸲的这个分子磁感应更强，并认为其可能是帮助鸲导航的关键要素。

 

细胞流体学

 

Nature封面：基于细胞流体学的仿生物脉管系统艺术示意图。Nature杂志第7865期封面文章报道了一种由小方格（或称“unit cell”）拼凑而成的仿生物平台，该平台创建的3D网络能模拟自然界的部分流体输送系统。研究团队将他们的方法称为“细胞流体学”（cellular fluidics），并利用3D打印创建了毫米级的方格细胞作为该网络的基本单元。液体在该组装系统内的转运通过受控的毛细管作用实现。为了演示该系统，研究团队组装了一个树状结构，该结构能持续不断地将“根部”蓄水池的液体转运到“树枝”，再从树枝上蒸发掉，借此模拟蒸腾作用。

 

人类数据

 

Nature封面：人类数据。Nature杂志第7866期特刊报道了计算社会科学这一蓬勃发展领域的可能性及挑战。计算社会科学是一个快速发展的研究领域，该学科使用大数据集分析来解决各种社会问题。当前，数字设备可以实时接入关于移动、购物和社交互动的大量在线数据，这些数据提供了前所未有的资源，可用于趋势追踪、预测和决策指导。这期系列文章解读了该新兴领域的总体情况。从传染病机制建模到对数据集潜在偏见的评估，研究者正迎来巨大机遇，有望回答关键的社会问题，前提是能掌握好数据质量和数据隐私之间的精细平衡。

 

量子运动

 

Nature封面：一个直径150纳米的玻璃纳米粒悬浮在作为光阱的微观物体之上。Nature杂志第7867期封面文章报道了这个被捕获的纳米粒能通过基于测量的量子控制，从室温冷却至接近量子基态。当纳米粒被光阱俘获时，研究团队捕获了纳米粒的光散射，这能让他们在确保任何基于测量的效应最小化的同时，连续测量纳米粒的位置，而基于测量的效应可能会干扰纳米粒。研究人员将确定的纳米粒轨迹再输入这个调控系统（电场），并对轨迹进行实时调控，从而降低粒子能量，实现冷却。在另一项类似实验中，Lukas Novotny和同事利用冷冻超高真空装置实现了该冷却效应。

（本页期刊封面图来自Nature官网）

 

塑料垃圾

 

Science封面：塑料困境。Science杂志第6550期特刊报道了塑料消费垃圾最终将在地球的历史和碳循环上留下永久的印记。在这期特刊中，科学家们探讨了一系列与塑料相关的话题，从塑料在环境中的分布，到塑料的发展成为动物的进化陷阱，再到如何重新审视塑料以创造更美好的未来。文章讨论了塑料作为新型岩土材料的最新研究，野生动物摄入塑料的进化和生态维度，塑料污染在环境中的积累和影响，以及升级回收的创新方法等，以期推动下一代新材料的设计。预防塑料污染的时间早已过去，改变塑料未来需要从现在做起。

 

花椰菜的分形形态来源于花基因网络的扰动

 

Science封面：罗马花（椰）菜（Romanesco cauliflower）。Science杂志第6551期封面文章报道了罗马花（椰）菜“分形”背后的数学原理。如果仔细观察，会发现花菜里的许多小花看起来很相似，每个花又是由它们自己的微型版本组成的。在数学中，这种属性称为自相似性，这是称为分形的抽象几何对象的定义特征。文章揭示了如何通过改变身份和分生组织动态的生长和发育网络产生分形模式，阐明了分子和形态随时间的变化，通过这些变化，分生组织获得了不同的身份，从而形成了在自然界和作物中发现的高度多样化和迷人的植物结构阵列。

 

母亲的家族

 

Science封面：在肯尼亚马赛马拉国家保护区，一只7周大的斑点鬣狗幼崽在它的巢穴周围溜达，而它的妈妈在一旁看着。Science杂志第6552期封面文章报道了斑点鬣狗的社会网络结构取决于等级依赖的社会遗传。Ilany等人研究了斑点鬣狗近30年的社会互动数据。斑点鬣狗的社会网络是一个女性主导的系统，高度结构化。并且，研究人员发现鬣狗的地位继承也同样突出。幼年鬣狗的社会交往与它们的母亲相似，而且社会地位越高的母亲，这种交往的强度越高。重要的是，生存与社会遗传有关，这表明这些社会角色对鬣狗而言至关重要。

 

来自洞察号（InSight）的揭秘

 

Science封面：行星解剖，火星地震学揭秘。Science杂志第6553期封面文章报道了火星内部结构和物质组成研究进展。行星的内部拥有该行星起源，以及热力和动力演化的重要线索。系列文章分别展示了基于NASA着陆器InSight（使用地震调查、大地测量和热传输的内部研究）数据对火星内部结构的研究成果。研究发现，火星上地幔地震波速度总体随深度增加，火星地壳具有中等偏高的热流。这些研究是国际上首次对另一颗岩石行星的地壳、地幔和地核结构进行的直接观测，其结果和意义可以与地球的特征进行比较和对比。

 

量子色动力学喷注理论研究进展

 

复旦大学物理系邵鼎煜青年研究员与其合作者基于重整化群理论，研究了喷注产生过程中的超级领头对数效应，得到了所有阶重求和的解析结果，发现了适用于任意反应过程的普适公式。相关成果发表于Physical Review Letters。研究表明，超级领头对数的渐进行为与通常人们所熟知的Sudakov对数非常不同，从而揭示了Yang-Mill理论中散射过程红外结构的非平庸性。同时发现，在考虑五圈量子修正后，即使对Drell-Yan或胶子融合Higgs产生等颜色结构较简单的反应过程，超级领头对数也会产生贡献，数值计算表明该效应对目前理论结果的修正可以达到5%以上。

 

非绝热动力学相空间映射理论研究进展

 

北京大学化学与分子工程学院刘剑课题组总结了其在非绝热动力学的相空间映射理论和计算方法方面的系列进展。相关成果发表于Accounts of Chemical Research。当两个或多个电子态势能面非常接近时，电子与原子核的运动（振动和转动）耦合，致使不同电子态上的布居数发生变化，这也就是所谓的非绝热过程。非绝热过程广泛存在于化学、生物和材料领域，如许多常见的光化学反应、材料中的光电转换过程、微腔光场化学、视网膜成像和DNA光损伤/光修复等生物化学反应。研究团队发展了适合全原子模拟的非绝热动力学理论方法来研究实际凝聚态体系非绝热过程的微观变化和行为。

 

发现多体量子相变的新动力学行为

 

清华大学物理系胡嘉仲-陈文兰教授团队与北京大学信息科学学院陈徐宗-周小计教授团队合作，利用新型光晶格能带映射方法研究从超流体到Mott绝缘体多体量子相变的动力学行为。相关成果发表于Physical Review Letters。非平衡物理和动力学行为是现代物理学中的一个重要且具有挑战性的方向。利用超冷原子实验平台从一个对称性破缺的量子态出发，前进到一个对称性守恒的量子态，对称性变化的方向与传统的相变描述方向正好相反。这项实验进一步证明在多体量子相变中，能隙的改变是影响动力学行为和拓扑缺陷激发的核心因素，为进一步研究量子相变动力学行为创造了新的可能性。

 

乙烯合成关键酶ACS的双酶活性以及分子演化新路径

 

南开大学生命科学学院王宁宁教授团队联合国内外合作者为揭示乙烯合成关键酶ACS的分子演化路径带来新线索。相关成果发表于Science Advances。除了具有ACS活性以外，种子植物的ACS蛋白还普遍具有催化以胱氨酸或半胱氨酸为底物生成丙酮酸的Cβ-S裂解酶活性，暗示ACS可能起源于C-S裂解酶，打破了乙烯合成关键酶ACS起源于氨基转移酶的传统观念。研究人员进一步解析了典型的ACS双酶及其单酶突变体的蛋白晶体结构，提出了种子植物ACS双酶活性的新催化机制。该成果为更好地了解ACS基因家族的功能，以及乙烯合成的调控提供了研究基础。

 

高压下WS2/MoSe2异质结中稳定的层间激子

 

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心马肖莉等人与合作者通过金刚石压砧（DAC）对单层WS2/MoSe2异质结施加压力，有效地调节了WS2/MoSe2异质结的电子结构和层间耦合。相关成果发表于Nano Letters。在该异质结体系中，主要的荧光发射由层内激子向层间激子转变。施加外部压力可以有效增强vdW异质结的层间耦合。另外，与单层WS2和MoSe2的层内激子能随压力增加而明显蓝移的现象相比，WS2/MoSe2异质结的层间激子能仅表现出微弱的压力依赖性。第一性原理计算揭示了外加压力下较强的层间相互作用导致了WS2/MoSe2异质结中层间激子行为的增强，并验证了层间激子的稳定性。

 

谷镰孢菌毒力因子的研究进展

 

中国科学院上海有机化学研究所刘文团队和分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所唐威华团队合作，对禾谷镰孢菌的毒力因子及其侵染机制展开了系统研究。相关成果发表于JACS。研究者对基因簇fg3_54产生的代谢产物进行了深入分析，发现了一个新的毒力因子fusaoctaxin B，并通过详尽的体内和体外实验揭示了其生物合成特殊前体胍基乙酸（GAA）单元的全新生物合成途径。不同于已知的胍基乙酸形成途径，新途径通过脒基转移酶催化甘氨酸和精氨酸之间的亲核取代，禾谷镰孢菌仅利用精氨酸为底物，通过多酶催化的串联反应对精氨酸进行修饰得到胍基乙酸。

 

消除3D打印台阶效应研究进展

 

中国科学院化学研究所宋延林课题组提出了一种基于数字光处理（DLP）技术的连续液膜限制的3D打印策略，消除了逐层打印过程中出现的台阶效应，实现了高精度3D结构的制备。相关成果发表于Advanced Materials。在连续打印过程中，附着在固化结构外的液膜始终受到固-液界面的限制。该液体树脂-固化结构界面的限制作用一方面增强了未固化的液体树脂吸入并填充于相邻图案层之间的间隙，以消除台阶效应；由于黏附的液膜是作为过渡层而不是传统上认为的液体树脂残余物，因此避免了后清洗步骤。通过优化墨水性质和打印参数，可以很好地控制3D打印隐形眼镜结构的液膜厚度和表面光滑度。

 

分子碰撞中的立体动力学与量子干涉现象研究

 

中国科学院大连化学物理研究所杨学明院士和中国科技大学王兴安教授应邀撰写题为“分子双狭缝实验”（A molecular double-slit experiment）的评述。相关成果发表于Science。该评述文章详细介绍了同期Science杂志发表的关于分子非弹性碰撞传能过程的立体动力学及量子干涉现象的研究，重点介绍了一个开展量子干涉，以及立体动力学研究的理想化学反应体系。激光制备特定量子态和取向分子的技术已经体现了其显著的优势和可扩展性，在未来的实验中，结合先进的激光量子态制备和分子空间取向技术，科学家们将能够通过交叉分子束实验对氢交换等反应开展进一步的精密动力学测量。

 

月球背面发现“天外来客”

 

中国科学院国家空间科学中心刘洋研究员与国内外合作者基于“嫦娥四号”巡视器获取的具有超高空间分辨率的影像与光谱数据，首次在月表原位识别出了年龄在1个百万年以内的碳质球粒陨石撞击体残留物。相关成果发表于Nature Astronomy。“嫦娥四号”探测器于2019年1月成功着陆于月球背面南极-艾肯盆地的冯·卡门撞击坑中，其搭载的“玉兔2号”巡视器随后对月表开展了持续的巡视探测。探测发现，富含挥发分的碳质小行星的撞击可能仍然为现在的月球提供水源。同时，相关研究显示比较年轻的月表物质（如“嫦娥5号”返回样品）中存在撞击体残留物的可能性。研究成果进一步增进了人类对内太阳系撞击历史的了解。

 

大爆炸锂消耗反应研究进展

 

中国科学院近代物理研究所科学家牵头，联合北京航空航天大学、日本东京大学、日本国立天文台、英国赫尔大学、匈牙利科学院、美国密歇根州立大学和美国德州农工大学康莫斯分校，采用国际上新近测量的镜像核对9B和9Be氘阈附近的能级信息，给出了可靠的7Li（d,n）24He天体反应率。相关成果发表于The Astrophysical Journal。在大爆炸核合成典型温度处，新反应率比当前广泛使用的BM93反应率小了将近两个量级。该工作消除了最后一个控制大爆炸核合成的重要反应的反应率不确定性，对于进一步理解锂丰度问题，推动宇宙学、天文观测学和粒子物理学的发展，探索和限制标准模型外新物理具有重要意义。

 

简单描述宇宙整体的恒星形成历史

 

上海交通大学李政道研究所博士后研究员Antonios Katsianis与天文系杨小虎等人合作，通过对数百万个星系的观测结果进行汇总，发现一个简单的数学公式就可以优雅且物理驱动地描述宇宙整体的恒星形成历史。相关成果发表于The Astrophysical Journal。尽管存在系统差异，这两个类别的宇宙恒星形成率密度都可以用仅有2个参数的Gamma（a,b）分布函数—— 一个被广泛应用于众多领域的数学形式来描述。该模型通过考虑标准宇宙学的一些基本参量，结合数值模拟结构形成的特征，仅用2个自由参数来同时正确描述恒星形成历史的形状和幅度。这一结果建立了宇宙恒星形成率密度模型研究历史上的一个新标杆。

 

基于FAST数据发现黑寡妇脉冲星的离子透镜现象

 

中国科学院新疆天文台脉冲星团组科研人员使用FAST望远镜对PSR J1720-0533进行后续观测，发现在进入掩食时，脉冲辐射呈现出明显的准周期性变化，该变化可能是由等离子透镜现象导致。相关成果发表于The Astrophysical Journal Letters。黑寡妇脉冲星是一类特殊的毫秒脉冲星，位于双星系统中，其主星辐射束直接扫过伴星，导致伴星逐渐被蒸发，因此而得名。研究发现，在掩食附近脉冲辐射存在消偏振现象，其线偏振消失时视线方向的粒子数密度几乎没有变化，这为伴星存在磁场提供了证据，经推算伴星磁场强度约为8G。下一步，科学家将使用FAST观测更多的黑寡妇脉冲星，进行大样本研究。

 

FAST望远镜在近邻星系中发现超长距离的气体吸积流

 

中国科学院国家天文台朱明、于海洋、王杰等与合作者利用FAST望远镜的超高灵敏度，对近邻星系梅西耶天体M106星系天区进行了深度的成像观测，首次得到了5×1016cm-2柱密度的高灵敏度图像。相关成果发表于The Astrophysical Journal Letters。在M106星系外发现的超长距离的气体吸积流，长达130kpc（约42.3万光年），连接M106和其卫星星系NGC4288，表明M106星系能从数十万光年外的矮星系上抢夺气体来维持自身的成长。这种现象类似于离银河系20多万光年外的大小麦哲伦星云流向银河系的麦哲伦流，但M106的吸积流长度更长，作用范围更广，更难捕捉到，为研究星系气体吸积提供了典型案例。

 

日冕物质抛射-耀斑电流片的动力学研究

 

中国科学院云南天文台谢小妍等人开展“太阳活动及CME理论研究”，通过磁流体动力学（MHD）数值模拟来探究日冕物质抛射CME-耀斑电流片的动力学演化特征。相关成果发表于Monthly Notices of the Royal Astronomical Society。驱动大规模太阳爆发的磁重联发生在CME-耀斑电流片中，将磁能迅速转换为等离子体的动能和热能。该研究首次确认了瑞利-泰勒（RT）不稳定能够发生在等离子体堆积的CME泡底部的缓冲区，是观测上CME-耀斑电流片振荡或横向运动的一个起源；实际CME-耀斑电流片中的耗散区可以延伸到很大的尺度，并不像经典磁重联理论那样认为的耗散区只在很小一个区域中存在。

 

毫米波甚长基线干涉测量研究进展

 

中国科学院上海天文台江悟、沈志强等人首次获得一颗暗弱射电源M84在3毫米波段的高分辨率图像，并高精度测定了M87黑洞的空间位置。相关成果发表于The Astrophysical Journal Letters。甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术通过将相距遥远的射电望远镜用相干干涉的方法连接，从而获得等效于一个超大口径射电望远镜的分辨本领，在深空探测器测定轨任务和著名的黑洞成像等天文观测中有广泛运用。运用这项技术方法，研究者克服了常规毫米波VLBI观测受到的大气抖动剧烈、灵敏度不足等局限，高精度地测定了M87黑洞是在位于其43GHz喷流核心的上游46微角秒（投影距离约为1100亿公里）处。

 

银心宇宙线新成分以及宇宙线的磁屏蔽效应

 

中国科学院紫金山天文台黄晓渊、袁强、范一中等人利用费米卫星的伽马射线数据研究了银心附近区域的宇宙线分布。相关成果发表于Nature Communications。在能谱分布上，费米卫星的测量结果与H.E.S.S和MAGIC的甚高能观测结果自然衔接为一个幂律谱；而在空间分布上，费米数据给出的幂率分布指数与H.E.S.S和MAGIC在较高能段中测得的幂指数一致。这些一致的特征支持了银心宇宙线源的存在，也说明该宇宙线源可以有效地加速横跨多个能量段的高能粒子。此外，研究还发现在银心附近的中心分子云区域的宇宙线能量密度比分子云外的宇宙线“海”的能量密度更低。

（本栏目责编：黄雪霜）