基于激光尾波场加速器的27nm自由电子激光

 

《自然》（Nature）封面：基于激光尾波场加速器的27nm自由电子激光。《自然》杂志第7868期封面文章报道了X射线自由电子激光（free-electron laser，FEL）研究进展。FEL对于结构生物学和化学等领域必不可少，它能以标准台式激光器无法达到的频率产生高强度的相干辐射束。研究团队利用一个激光尾波场加速器（通过等离子体波加速电子）的电子束成功产生了相干辐射，将辐射功率提高了约100倍，这意味着在气体喷流末端仅6毫米处就能实现电子产生激光的正确条件，这比之前的数据缩短了数个量级。

 

表皮生长因子受体（EGFR）激活会限制肝癌对仑伐替尼的治疗反应

 

《自然》（Nature）封面：只有接受两种药物的治疗肿瘤细胞才会被杀死。《自然》杂志第7869期封面文章报道了表皮生长因子受体（EGFR）在限制仑伐替尼疗效上的潜在作用。肝细胞癌（HCC）是一种侵袭性强、治疗难度大的常见肝癌。肝细胞癌晚期患者目前使用多激酶抑制剂仑伐替尼（lenvatinib）进行治疗。但仑伐替尼迄今取得的临床疗效十分有限。研究团队对动物模型，以及其后对12名肝细胞癌晚期患者的研究发现，在仑伐替尼外同时使用抑制EGFR信号传导的吉非替尼（gefitinib），就能增加肿瘤对该药物的积极反应。

 

卫星图像揭示暴露于洪水风险的人口比例增加

 

《自然》（Nature）封面：洪水。《自然》杂志第7870期封面文章报道了洪水风险上升的程度。研究者结合卫星图像和人口数据开发了全球洪水数据库（Global Flood Database），该数据库使用了12 719份分辨率为250米的每日卫星图像，覆盖了2000—2018年的913次特大洪水。研究发现，约2.5亿至2.9亿人直接受到了洪水影响，在2000—2015年期间，居住在洪水多发地区的人口比例增加了近四分之一。气候变化预测表明，到2030年这一比例将进一步增加，至少有57个国家预计会有更大比例的人口暴露于洪水风险中。

 

对溶液中单分子电化学反应的直接成像

 

《自然》（Nature）封面：溶液中化学反应成像。《自然》杂志第7871期封面文章报道了对溶液中单分子电化学反应的直接成像，以及证明了该技术可用于超分辨率显微成像。研究团队利用一个发光分子，该分子能在被化学反应激发时发出一个光子。通过对该发光分子在溶液中的反应位置进行时空分离，可以确定单个发光分子被激发时出现电化学发光的位置。随着时间推移，研究团队就能绘制该电极的图谱，并用来进行单细胞成像。该研究证明他们的技术能在无需外部光源的情况下，为细胞黏附进行纳米分辨率成像。

 

一个世纪的进步

 

《科学》（Science）封面：1型糖尿病。《科学》杂志第6554期封面文章报道了胰岛素被发现一百年后，1型糖尿病仍然是一种需要终生日常管理的慢性疾病。一个世纪前，1型糖尿病的诊断是一致致命的。然而，1921年班廷（Banting）和贝斯特（Best）发现胰岛素为这种疾病治疗带来了希望，使它变成了一种慢性疾病，但仍然需要艰苦的终生治疗。科学的进步加深了人类对这种疾病及其治疗方法的了解，但许多挑战仍然存在。在人类进入治疗这一常见和日益流行疾病的第二个世纪时，需要做更多的工作来克服挑战，最终目标是实现预防或治疗。

 

“杂技”松鼠学会在树枝上跳跃和着陆而不坠落

 

《科学》（Science）封面：一只自由活动的松鼠从一个平台跳到另一个平台。《科学》杂志第6555期封面文章报道了松鼠跳跃行为的评估实验研究。松鼠有时会采取创新的、类似“跑酷”的动作来缩小差距并获得美味的花生，即在跳跃中重新调整身体的方向以获得更平滑的降落方式。为了测试松鼠采取这种策略的频率，研究团队同时调整了间隙距离和着陆高度。松鼠们总共完成了数百次“跑酷”跳跃试验，尤其在中跳和长跳中，松鼠们都非常一致地使用了这种动作。这意味着适应性跳跃、学习控制和反应稳定操作的行为对松鼠成为“跑酷”高手起着至关重要的作用。

 

北极猛犸象的终生流动性研究

 

《科学》（Science）封面：猛犸象。《科学》杂志第6556期封面文章报道了科研人员对一件考古发现的猛犸象牙进行同位素分析，复原了末次冰期猛犸象在阿拉斯加的活动情况。科学家研究了17 000年前的猛犸象从出生到死亡的运动轨迹，包括它的婴儿期、少年期、壮年期、老年期。27岁之后，它可能已步入暮年，或者因为某种原因觅食困难，表现在象牙的同位素分析上氮同位素水平的飙升，这在哺乳动物中是饥饿的标志。研究模型揭示，随着冰河时代的结束和高纬度地区环境的改变，像猛犸象这样的大型动物物种很难维持一定的迁移水平。

 

使用三轨神经网络精确预测蛋白质结构和相互作用

 

《科学》（Science）封面：预测蛋白质结构的深度学习软件。《科学》杂志第6557期封面文章报道了深度思考公司（DeepMind）的深度学习工具，它是一个“三轨”神经网络（“three-track”neural network）。1972年，安芬森（Anfinsen）因为证明了蛋白质的氨基酸序列与其三维结构之间的联系而获得了诺贝尔奖。DeepMind提出的三轨网络预测的结构精度很高，能够快速解决X射线晶体学和低温电子显微镜结构建模问题，并能分析提出对未知结构蛋白质功能的理解。该网络还可以仅仅根据序列信息就快速生成精确的蛋白质-蛋白质复合体模型。

 

稳定同位素分析重建泥河湾盆地麻地沟古人类生存环境

 

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所裴树文研究团队，联合复旦大学科技考古研究院和西班牙高级科学研究委员会历史研究所的研究人员，采用哺乳动物牙釉质碳氧稳定同位素分析方法，重建了泥河湾盆地麻地沟遗址古人类生存时期的古环境，并探讨了人类行为适应性的相关问题。相关成果发表于《地球科学前沿》（Frontiers in Earth Science）。麻地沟遗址位于泥河湾盆地东部岑家湾台地西北缘。麻地沟遗址利用者具有灵活的石料开发策略，选择硅质白云岩进行砸击剥片，运用锤击法对燧石进行剥片以获取锋利的边缘，挑选质量高的燧石修理成石器。这种灵活的技术策略，可能为古人类对于多变环境及多元植被景观的积极适应。

 

一个完整的恐龙胚胎化石

 

中国地质大学（北京）的邢立达副教授与国内外科学家合作，对福建省英良石材自然历史博物馆（位于福建泉州南安市）馆藏的一枚名为“英良贝贝”的恐龙胚胎化石开展了相关研究。研究成果发表于《交叉科学》（iScience）。这块保存在恐龙蛋化石中的完美胚胎化石有着距今7200万至6600万年的历史，属于一只没有牙齿的兽脚类恐龙。这一化石是在中国南部江西赣州的晚白垩世地层中发现的，保存状态相当原始，清晰展现了其存活时的状态。恐龙个体从头到尾总长度估计为27厘米，蜷曲在一个长度为17厘米长形蛋化石中。根据标本短高且无牙的头骨，“英良贝贝”被确定为窃蛋龙类。

 

高原湖泊碳循环和历史时期水文气候演化研究

 

云南大学地球科学学院李祥忠研究员等人以黄河源头最大淡水湖鄂陵湖为研究对象，系统分析了湖的水化学参数、水体溶解无机碳（DIC）碳的同位素组成及表层沉积物的碳、氮含量及其同位素组成特征研究。相关成果发表于《土链》（Catena）。研究阐明了生物碳泵（BCP）效应在控制湖泊水化学变化及沉积中的关键作用，同时水生植物通过BCP效应将岩石风化形成DIC后转化，从而稳定了岩石风化产生的碳汇。这一耦合水生光合作用的岩石风化碳汇在高原湖泊碳循环中扮演重要角色，可为解决全球碳循环中“遗失碳汇”去向提供一种新可能。青藏高原其他区域在未来全球持续增温大背景下发生干旱化的风险增大。

 

世界首个油麻藤豆荚化石

 

中国科学院西双版纳热带植物园苏涛研究员指导越南籍博士研究生阮伯雄与越南国家自然博物馆合作，针对越南北部发现的世界首个油麻藤豆荚化石开展了相关研究。研究成果发表于《古植物学与孢粉学评论》（Review of Palaeobotany and Palynology）。油麻藤属（Mucuna）是豆科菜豆族刺桐亚族的攀缘木质大藤本，该属植物现在广泛地分布于世界泛热带地区，在热带亚洲尤其常见。白花油麻藤属于油麻藤属大果亚属（subgen.Macrocarpa），现今广泛地分布于华南地区。越南北部发现的此化石不仅是此属世界首个确定的记录，也表明了华南植物区系与越南北部植物区系在地质历史上的密切关系，为东亚植物区系的热带亚洲起源学说提供了古植物学的证据。

 

多态性重复基因的基因组演化机制

 

中国科学院动物研究所张勇研究组及合作者以黑腹果蝇和人类这两个内含子分布和特性迥异的系统为模型，开展了重复基因的起源机制和功能演化研究。相关成果发表于《自然·生态与进化》（Nature Ecology & Evolution）。通过深入分析两个差异较大的动物体系，研究展示了剂量敏感性和外显子洗牌过程如何塑造重复基因演化的早期蓝图。此研究不仅将新基因起源的两个主要机制，即基因重复和外显子洗牌融合到一起；同时也说明诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特（Gilbert）在43年前提出的两个核心概念相辅相成，即可变剪切是基因内部重复发生的前提，使得更复杂的蛋白结构可以在不影响此前基因结构的前提下演化出来。

 

树木年轮古气候反演研究

 

中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室曾凡江研究员团队与中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室傅伯杰院士团队以丽江铁杉为研究对象，发现丽江地区高海拔树木与冬季降水保持协同的生长趋势，成功描绘此地区四百余年的（1600～2005年）历史冬季降水变化特征。相关成果发表于《过去气候》（Climate of the Past）。冬季降水是青藏高原东南部丽江区域高海拔丽江铁杉径向生长的主要限制因素，树木径向生长与冬季降水之间的关系具有较好的时间稳定性；近些年冬季降水趋于增加，有利于此地区高山森林生态系统的发展。

 

大兴安岭泥炭地磷形态及其古植被重建潜力研究

 

中国科学院东北地理与农业生态研究所王国平研究员等在大兴安岭北部选取4种优势物种（藓类、草本、灌丛和乔木）下的表土，并钻取泥炭柱芯，探究表土中不同优势物种下磷形态的分布规律，筛选合适磷形态作为指标，同时应用到泥炭柱芯每1厘米磷形态的分布反演出植被演替历史。相关成果发表于《环境管理》（Journal of Environmental Management）。研究发现，虽然泥炭地中磷形态以有机磷为主，但磷在不同优势植被下的差异主要集中在无机磷形态和较为稳定的有机磷形态上，其中乔木下土壤无机磷显著高于其他植被，而藓类植被有利于土壤有机磷（尤其是稳定有机磷）的赋存。

 

二叠纪末大灭绝前后海洋氧化还原条件演化历史及其驱动机制

 

中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队郑全锋、张华、王玥、曹长群等人与中国矿业大学、南京大学的合作者，对四川广元上寺二叠系-三叠系界线剖面（剖面主体位于青川县建峰镇）进行了高精度沉积学和遗迹学研究。相关成果发表于《地球科学评论》（Earth-Science Reviews）。研究人员利用遗迹群落、遗迹组构指数（ii）和最大潜穴直径（MBD）为氧化还原指标，通过区域内剖面对比和不同氧化还原指标对比研究，并结合前人的同位素年龄和旋回地层学研究资料，阐明了这一时期各氧化还原条件变化阶段的时空分布；并在高精度沉积学研究的基础上，通过事件地层学对比研究，揭示了不同时空尺度氧化还原条件变化的驱动机制。

 

蓝相液晶光子晶体的高精度“活”图案制备

 

中国科学院理化技术研究所王京霞研究员与合作者通过简单地控制墨水在疏水蓝相液晶薄膜的可控分散，就能制备高精度的“活”图案：所打印图案的形状和颜色可以随时间可控变化。相关成果发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。蓝相液晶（BPLC）光子晶体是一种手性向列相液晶，其独特的双扭柱结构使其在可见光范围内具有选择性反射，能产生亮丽的结构色彩。疏水处理能有效控制墨水在基底表面的铺展、墨滴之间聚并融合，提高了打印的分辨率，实现了可擦写的高分辨多彩图案的制备。这个研究进一步探讨了只采用一种无色墨水，在同一透明基底上通过控制打印层数实现多彩图案制备。

 

选择性调控全固态柔性离子热电材料的塞贝克系数及其应用于热感知的研究

 

清华大学张兴教授、马维刚副教授课题组和香港科技大学黄宝陵副教授课题组合作报道了一种可选择性调控P-N型的全固态柔性离子热电复合材料。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。此材料室温下展示出高塞贝克系数并且具有良好的机械强度和稳定性。研究人员通过引入强电负性三（五氟苯基）硼烷（TPFPB）分子，有效地抑制了阳离子在聚合物中的输运，成功将该P型材料调控至N型；开发了基于离子热电效应的无接触式自供电热智能探测器，在较宽的光、热刺激范围内展现出优异的响应特性、可重复性和高灵敏度；同时，开发出由13对P-N热电臂组成的平面式热传感器，传感器在10K温差下可产生2.5V稳定电压。

 

静止表面圆盘阵列中的快速水波

 

复旦大学胡新华教授课题组提出了一种新的结构体系，其中的水波速度超过了艾利发现的水波波速上限。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。此研究设计了一种新的周期结构体系，即在水体表面覆盖一个类似睡莲、但是固定不动的周期圆盘阵列。在这种周期结构中，低频水波（即最低频带的水波）将感受到增大的等效重力加速度和等效水深。通过构建相应的水波棱镜，研究团队观测到了奇特的水波折射和单向透射现象，由此证实了圆盘阵列中的快波效应。在圆盘阵列中，水波的相速度和群速度均可达到空旷水域中波速的1.8倍以上，大幅提升了传统理论中的水波速度上限。

 

环氧电还原研究进展

 

武汉大学化学与分子科学学院戚孝天教授课题组与高等研究院陆庆全教授课题组合作，开发了一种温和且环境友好的电氢化方法。相关成果发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。反马氏醇类化合物在大宗/精细化学品、农用化学品、药品和香料化学中有着广泛的用途。通过多相或均相催化对环氧化物进行选择性加氢可用于醇的制备。但此类反应产物选择性较差，且通常需要高温和高压氢气，可能导致严重的安全问题和高额的成本。此研究开发了一种温和且环境友好的电氢化方法，可实现环氧化合物的区域选择性开环。利用电子和质子作为氢源，可以制备各种反马氏醇和马氏醇，并根据机理研究结果调控氢化区域选择性。

 

拓扑保护的连续频率纠缠双光子态研究

 

上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系何广强团队和姜淳团队在拓扑量子光学领域取得进展。相关成果发表于《纳米光子学》（Nanophotonics）。研究提出一种受拓扑保护的连续频率纠缠双光子态理论方案，基于量子谷霍尔效应可以在光子晶体中构建光拓扑绝缘体，在拓扑带隙中出现拓扑边界态，拓扑边界态对拐角等结构缺陷具有较强的鲁棒性。利用硅介质的三阶非线性效应——四波混频，可以在光拓扑绝缘体中制备一对信号光与闲置光。研究证明在光拓扑绝缘体中产生的信号光与闲置光之间是连续频率纠缠的，由于信号光与闲置光的频率位于拓扑非平庸带隙内，产生的连续频率纠缠双光子态受到拓扑保护，具有较强的鲁棒性。

 

控制高次谐波产生中光子的横向轨道角动量研究

 

北京大学物理学院刘运全教授课题组提出了基于超短高强度时空涡旋光束（Spatiotemporal Optical Vortex, STOV）获得可控横向轨道角动量极紫外高次谐波产生（High Harmonic Generation, HHG）的方法，发现时空涡旋光束产生谐波的特征光谱结构，揭示了其内在物理机制。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。光子的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）是描述光子量子态的重要物理量之一。光子角动量的产生、测量和调控是光场调控研究的前沿，其所提供的光场自由度已被广泛应用于超分辨成像、量子通信以及生物医学等研究领域。

 

基于人工智能实现精确而成本低廉的量子化学模拟

 

厦门大学化学化工学院帕夫洛·O·德拉尔（Pavlo O. Dral）副教授和吴玮教授与美国卡耐基·梅隆大学的奥列克桑德·伊赛耶夫（Olexandr Isayev）副教授合作，发展了人工智能增强的量子力学新方法。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。此方法被命名为AIQM1，结合了人工智能方法和半经验量子力学方法，利用人工智能技术提高半经验量子力学方法预测的准确性，确保半经验计算对物理体系的正确描述，是一种可以直接用于新的应用研究的计算工具。试算例表明，AIQM1以半经验轨道分子方法的计算代价，获得具有量子化学计算金标准美称的耦合簇方法的计算精度。相比于现有密度泛函方法，AIQM1计算结果更为可靠。

 

一种分布式节点特定的块对角线性约束最小方差波束形成器

 

中国科学院声学研究所李晓东团队提出了分布式节点特定的块对角线性约束最小方差（LCMV）波束形成器，把信号传输和计算任务分散到各个节点，从而减小节点的通信带宽和发送功率，提高无线声传感网络（WASNs）的寿命和语音增强性能的鲁棒性。相关成果发表于《信号处理》（Signal Processing）。对WASNs来说，节点内传声器之间的距离较近，而不同节点的传声器之间的距离较远。因此，由所有说话人的后期混响和传声器的自噪声组成的噪声成分，在不同节点之间近似不相关，可用块对角噪声协方差矩阵近似总体协方差矩阵，其中每个矩阵块对应一个节点的噪声协方差矩阵。新研究降低了集中式算法所要求的计算复杂度并减小通信带宽。

（本栏目责编：黄雪霜）