遗传学研究揭示人类卵巢衰老相关的生物学机制

 

《自然》（Nature）封面：卵巢衰老。《自然》杂志第7872期封面文章报道了与卵巢衰老有关的生物学机制。女性生殖寿命因人而异，时间会影响生育能力和健康情况。自然生育能力从绝经前的5～10年开始下降，而大多数女性的绝经期在40～60岁之间。此研究揭示了这一过程背后的遗传学机制。研究团队分析了20 1323名女性的遗传学数据，识别出290个与绝经时间相关的遗传决定因素；进一步利用小鼠动物模型对基因Chek1、2进行操作，发现能直接影响生育能力和生殖寿命。研究揭示了这一过程背后的遗传学机制，相关结果期望能为延续生育能力、预防疾病提供治疗方法。

 

高准确率的蛋白质结构预测

 

《自然》（Nature）封面：谷歌旗下“深度思考”（DeepMind）公司的有关蛋白质结构新研究。《自然》杂志第7873期封面文章报道了AlphaFold神经网络的最新进展。此网络利用一个基于蛋白质物理学和几何学直觉预测的全新架构，能够实现准确率很高的结构预测。研究团队将AlphaFold应用于占比人类蛋白质组的98.5%的20 296种蛋白质，并与欧洲生物信息学研究所合作将这些预测结果免费公开，同时公开的还有对人类长链蛋白质和20种其他模式生物蛋白质的预测。蛋白质是生命的基础，迄今只有17%的人类蛋白质组结构得到了实验解析。

 

昆虫对全球森林死木分解的作用

 

《自然》（Nature）封面：大蕈甲科（Megalodacne fasciata）甲虫的特写。《自然》杂志第7874期封面文章报道了昆虫对全球森林死木分解的作用机理。这种甲虫是众多协助分解森林死木的昆虫物种的一员，在分解过程中会释放出大量的碳。塞巴斯蒂安·塞博尔德（Sebastian Seibold）和同行探讨了昆虫在此过程中究竟产生了多大的作用。研究团队在6个大陆的55处森林里进行了现场实验，发现热带森林中昆虫会加剧分解，而在温带和北方森林中影响不大。研究估计，全球死木约释放出100亿吨碳，昆虫带来的净影响约占总量的29%。

 

三叠纪的原始鳞龙类动物揭示蜥状爬行动物的起源

 

《自然》（Nature）封面：一个新发现的来自三叠纪蜥状生物的艺术再现图。《自然》杂志第7875期封面文章报道了这一生物化石的研究进展。鳞龙类动物包括有鳞目（蜥蜴和蛇）和喙头目（喙头蜥）。在阿根廷发现的这一化石头骨可追溯至约2.3亿年前。这个保存完好的头骨属于有鳞目和喙头目分化前演化出的一个支系，因此代表了迄今已知最早的鳞龙类动物之一。研究指出，这一蜥状生物的头骨与现代喙头蜥有一些共同特征，说明被认为只在喙头目中存在的多个解剖学特征在鳞龙类动物的演化早期就已出现。

 

RNA结构的几何深度学习

 

《科学》（Science）封面：人工智能揭示RNA结构。《科学》杂志第6558期封面文章报道了RNA三维结构的预测。RNA分子采用的三维结构对它们的功能和药物发现至关重要。科学家引入了一种机器学习方法，可以在不假设其定义特征的情况下识别准确的结构模型。尽管使用不多的已知RNA结构进行训练，得到的评分函数“原子旋转等变评分器”(ARES)，优于以前的方法。通过从少量数据中有效学习，这一方法克服了标准深度神经网络的主要限制。因为它只使用原子坐标作为输入，不包含特定的RNA信息。这种方法适用于结构生物学、化学、材料科学等领域。

 

将北极的变化与美国的极端冬季天气联系起来

 

《科学》（Science）封面：改变天气的极地涡旋。《科学》杂志第6559期封面文章报道了观察数据的机器学习分析与数值模拟相结合，证明北极气候变化改变了极地涡旋的行为。快速变暖是全球气候变化的一个主要特征，尤其是在北极，其变暖的速度是全球平均水平的两倍。在过去的一段时间里，美国和北半球的其他地区经历了越来越频繁的极端寒冷的冬季天气。科学家结合观察和模型，判定北极变化很可能是一系列过程的重要原因。他们认为这些过程涉及平流层极地涡旋（SPV）破坏等事件，最终导致北部中纬度地区出现极端寒冷时期。

 

超级单体雷暴上方的水跃动力学研究

 

《科学》（Science）封面：在超级单体雷暴之上的水力跳跃。《科学》杂志第6560期封面文章报道了最强的超级单体雷暴通常以砧卷云（AACP）为特征，这是平流层低层的冰和水蒸气。AACP发生在平流层环流的下风处，位于过冲深对流的背风处。AACP来源的同温层水合作用在臭氧破坏和地表变暖中作用有限。科学家使用由雷达观测证实的大涡模拟来理解AACP产生的物理过程：模拟超级单体的超冲顶部可以作为地形障碍，驱动对流层顶下游的水力跳跃，类似于风暴沿山坡向下移动，但没有固体地形。当跳跃完成，注入平流层深处的水蒸气每秒可能超过7吨。

 

具有超高强度和延展性的低温锻造纳米孪晶钛

 

《科学》（Science）封面：具有纳米孪晶结构的纯钛的假彩色显微照片，其中每一种颜色代表具有相同晶体取向的区域。《科学》杂志第6561期封面文章报道了研究人员在纯钛（Ti）中诱导合成了纳米孪晶，实现了超高的强度、热稳定性和延展性。研究发现，液氮温度下大量孪晶强化了加工硬化能力，说明纳米孪晶钛在较高应变速率下会表现出较高的抗冲击性能。由于丰富的纳米孪晶边界为沟道点缺陷提供了高密度的界面，从而阻止了空洞的形成纳米孪晶钛，因此还具有良好的抗辐射损伤能力。纳米孪晶钛具有良好的热稳定性，能够在高温下保存层次化的微观结构。

 

在超冷原子分子混合气中实现三原子分子的量子相干合成

 

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作，在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。相关成果发表于《自然》（Nature）。量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机，但实现这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算。在相关研究中，在钾原子和钠钾基态分子的费什巴赫共振附近利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子，为基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究提供了基础。

 

轨道Rashba-Edelstein磁电阻效应

 

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室杨金波教授课题组与德国美因茨大学马蒂亚斯·克鲁伊（Mathias.Kl.ui）教授和于利希研究中心Y.莫克鲁索夫（Y.Mokrousov）教授课题组合作，在自旋电子学研究领域取得重要进展。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。CuOx/Py体系在yz平面内的磁电阻效应被认为是轨道Rashba-Edelstein磁电阻效应，通过改变Py的厚度，CuOx/Py体系中的磁电阻效应相对于Pt/Py体系呈现出更加缓慢的衰减趋势；利用自旋模型对数据进行拟合分析，结果表明CuOx/Py体系中具有较长的有效自旋散射长度，说明自旋流不是引起磁电阻的主要因素，进一步证明了体系中轨道Rashba-Edelstein效应的存在。

 

利用拓扑揭开铁基超导电子配对迷雾

 

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算实验室胡江平研究员和方辰研究员与合作者开展研究，提出可以利用拓扑性质来确凿地甄别铁基超导体的不同s波配对对称性。相关成果发表于《物理评论X》（Physical Review X）。超导态的最本质特征是存在电子之间的两两配对，其配对的特性——配对对称性是理解超导微观机理的一个重要窗口。该研究提供了一种确凿的实验可观测量来区分铁基超导体配对对称性，同时对于今后寻找中心反演对称（inversion symmetric）的拓扑超导体奠定了理论基础：如果拓扑超导体的配对对称性是s波，那么其晶格结构必须是非点式的，铁基超导体正好就是这样一个例子。

 

无线无源声表面波应变传感技术新进展

 

中国科学院声学研究所王文课题组提出并实现了一种采用正交差分结构的声表面波应变传感器件新型设计方法，相关成果发表于《电气与电子工程师协会-传感器杂志》（IEEE Sensors Journal）。研究人员将具有一定频差的两个声表面波芯片正交设置于相同基座并封装，利用其相反力敏极性及相似温敏特性提升应变灵敏度，实现良好的温度自补偿。同时结合有限元与微扰理论建立了传感结构的力敏机理分析模型。在无线无源传感实验（无线传感距离为1米）中获得了高应变灵敏度和测量分辨率，并在20℃～120℃范围内实现了极高的温度稳定性，研究成果推进了声表面波应变传感技术的实用化进程。

 

基于量子随机行走的哈尔随机酉矩阵

 

上海交通大学物理与天文学院金贤敏、唐豪课题组实现基于量子随机行走的哈尔随机酉矩阵。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。这一研究工作在研究组基于三维光量子芯片实现各种量子行走的多年实验基础上，探讨了新理论方案。通过对原理论方案进行改进，研究人员提出具体基于波导传输常数随机扰动的量子随机行走理论模型，它有更加直观的实验图像，并经过数值推导验证可符合哈尔测度。因此，实验中，通过经典随机数控制飞秒激光直写制备过程中的实验参数，从而在阵列中引入了不同强度的波导传输常数的扰动值△β，它将在哈密顿量的对角线项引入扰动值，将光子注入这样的大规模三维光波导阵列，进行量子随机行走。

 

波导模式编码量子逻辑门实现

 

中国科学技术大学郭光灿院士团队任希锋研究组与浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌团队合作，首次实现了片上波导模式编码的两比特量子逻辑门操作。相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。经典和量子信息应用都需要大幅提高光子芯片的信息处理和通信能力，从而满足日益增长的光通信和互联的需求。这一研究设计和研制了波导模式耦合器（TMDDC）、模式衰减器（MMA）等两种新型多模光子器件，分别用于实现特定的模式相关耦合和模式相关衰减等功能；与此同时，研究人员进一步将这些新型光子功能器件单片集成，首次展示了波导模式编码的两比特受控非门控操作。

 

固体核磁共振重耦技术及其应用

 

中国科学院大连化学物理研究所固体核磁共振及催化化学创新特区研究组（05T5组）侯广进研究员团队，系统介绍了固体核磁共振中的偶极重耦与化学位移各向异性重耦技术，及其在生物体系结构与动力学研究中的应用。相关成果发表于《化学评论》（Chemical Reviews）。文章从同核偶极重耦、异核偶极重耦、化学位移重耦3个方面，简要介绍了其原理，并依据生物分子结构特点，对现有重耦技术及其性能进行了总结与比较；讨论了重耦技术在生物体系中的具体应用，涵盖了核磁信号归属、大分子三维结构测定、局域结构测量、主客体相互作用测量、分子动力学表征等诸多方面，详细论述了基于多维多核关联谱技术的测量方法。

 

无注入式多波长单层半导体交变场驱动发光器件

 

清华大学电子系宁存政教授等人在二维材料发光器件领域取得新进展。相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。通过将碰撞激子产生和发光机制引入到二维半导体材料发光器件中，实现了一种基于叉指电极结构的无载流子注入的发光器件。不同于传统的电注入发光器件结构，这一器件无需金属半导体接触、无需PN结（P型与N型半导体交界面形成的空间电荷区），充分利用二维半导体材料激子结合能大的特点，通过交变电场加速载流子，通过碰撞产生激子并辐射发光。这一器件还可以利用一对叉指电极同时激励多片不连续的二维半导体材料同时发光，以及多种二维半导体材料实现多波长发光。

 

“嫦娥五号”月壤样品中玄武岩研究进展

 

中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室张迪、苏斌、陈意等人利用新近研发的橄榄石微量元素电子探针高精度分析方法，对“嫦娥五号”玄武岩岩屑中的橄榄石开展系统分析。随着橄榄石镁指数降低，其钛含量先升高后降低，记录了岩浆从早期钛铁矿不饱和到晚期钛铁矿饱和的演化过程，与低钛玄武岩结晶演化趋势一致。通过镁指数最高的橄榄石的钛含量计算获得母岩浆TiO2含量为大约4.4wt%，进一步证实“嫦娥五号”玄武岩属于低钛月海玄武岩。新发现不仅为未来研究月球年轻火山活动机制提供了具体目标，也为研究月球热演化历史奠定基础。

 

新月球年代函数模型研究

 

中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室行星遥感团队岳宗玉、邸凯昌及合作者，利用“嫦娥五号”月球样品的同位素年龄和着陆区撞击坑统计结果，在目前常用月球年代函数的基础上建立了新的更精确的年代函数模型，为月球和行星科学研究提供更精确的时间标尺。相关成果发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）。2020年12月1日，“嫦娥五号”在月球正面风暴洋北部吕姆克山、夏普月溪附近安全着陆，所返回样品的同位素测量结果表明其年龄为20.3亿年，与预期吻合。“嫦娥五号”样品年龄为月球年代函数的改进提供了一颗珍贵的“金钉子”，是“嫦娥五号”样品对月球科学研究的一个独特贡献。

 

华北地区东部台阵环境噪声横向变化及其疫情响应特征

 

中国地震局地球物理研究所王未来研究员等人给出了2020年疫情防控期间的华北台阵噪声水平分布特征。相关成果发表于《地震研究快报》（Seismological Research Letters）。这一研究利用华北地区流动地震台阵观测到的连续地震波形数据，计算了各个台站噪声功率谱密度，并对华北地区地震环境噪声随时空变化的特征进行了分析。研究发现，利用地震台站噪声水平评估一个地区疫情防控的好坏不能仅仅根据噪声能量下降的幅度，还需要考虑当地沉积层厚度和人口密度等因素的影响；从台址堪选角度看，在人口密度相当的条件下，应尽量选择第四系沉积层较薄的区域进行台站架设。相关成果在流动地震台阵布设中获得应用。

 

揭示同源太阳爆发中磁绳反复形成的原因

 

中国科学院国家空间科学中心刘颍、王瑞等人通过典型同源太阳爆发事件对磁绳的能量累积过程进行了深入的剖析。相关成果发表于《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）。同源日冕物质抛射（CME）是指连续的CME从相同的太阳活动源区爆发出来。此类的CME爆发通常会跟极端空间天气灾害性事件相联系。连续的CME爆发会有很高的概率在这些CME之间产生相互作用，先行的CME也可以“预先调制”太阳风环境，为后来的CME创造更“有利”的传播条件。该研究采用了新方法，准确、定量地给出伴随强烈磁浮现过程的磁场对消通量的亏损情况。

 

水星存在磁暴与环电流

 

北京大学地球与空间科学学院的宗秋刚教授团队在水星磁暴与环电流研究方面取得新进展，相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）和《中国科学：技术科学》。水星作为太阳系中距离太阳最近也是最小的一颗行星，拥有和地球类似的内禀磁场，可以抵御太阳风的冲击并形成磁层。由于水星的磁场强度只有不到地球磁场的百分之一，它所支撑的磁层在空间尺度上要比地球磁层小数十倍。此外，水星的大气层在太阳的炙烤之下也近乎逃逸殆尽，无法提供显著的电离层。悬殊的尺度差异及电离层的缺失使得水星在比较行星研究中具有独特的地位。然而，该研究揭示水星磁层中也会存在类似地球磁层中的环电流，并引发水星磁暴，这是第一次在地球之外的行星发现存在磁暴现象。

 

太阳喷流研究进展

 

中国科学院云南天文台日冕观测与选址技术研究组段雅丹等人探测到与同一耀斑相关的同源高能粒子，并使用这些观测信息对喷流磁重联过程进行了诊断，相关成果发表于《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。太阳喷流经常发生在特殊的扇面-脊系统（fan-spine configuration）中，与日冕磁零点磁重联过程密切相关。这一研究首次成像观测到了Type-Ⅲ型射电暴的同源加速电子流，即一个在日面快速移动的射电源，基于其观测特征和时间关系，他们发现Type-Ⅲ型射电暴和同时出现在日面上快速移动的射电源都是由在零点重联过程中产生的加速电子引起的。此外，文章还讨论了准周期快模磁声波（QFP wave）的产生与喷流相关。

 

利用行星光线偏折检验广义相对论

 

中国科学院紫金山天文台基于前期的高精度天体测量技术，利用美国甚长基线干涉阵(VLBA)完成了对木星引发的光线偏折的测量。相关成果发表于《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）。自1915年广义相对论诞生以来，人们对广义相对论的检验就从未中断。1919年太阳引力偏折测量在亚角秒精度验证了广义相对论，并被评价为“科学革命/新宇宙理论/牛顿思想被推翻”。中国科学院紫金山天文台研究团队在2019年7月的一次国际会议上提出：太阳系内行星、大卫星等引发的光线偏折的高精度高灵敏度天体测量，可为检验广义相对论及区分不同的引力理论提供新的途径。这一研究首次考虑了多天体引力场引发光线偏折的叠加效应。

 

从第三极至北极，变暖已超过高山灌木更新最优温度阈值

 

中国科学院青藏高原研究生态系统格局与过程团队芦晓明、梁尔源等人对比研究了青藏高原与北极格陵兰岛地区的灌木更新动态。相关成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。研究发现20世纪30年代左右，青藏高原中南部地区灌木更新已达到种群更新峰值，格陵兰地区灌木更新在60年代左右达到峰值。此后，这两个地区的灌木更新呈显著下降趋势。升温已超过灌木更新的最优阈值，近几十年升温引起的水分胁迫是灌木更新下降的关键限制要素。这意味着，持续的气候变暖已经对高海拔、高纬度地区灌丛更新产生了抑制或减缓效应。未来持续变暖，不仅有可能约束灌丛边界的扩张，还可能会对低海拔、低纬度地区的灌丛产生负面影响。

（本栏目责编：黄雪霜）