生物催化氧化交叉偶联反应形成联芳键

 

《自然》封面：联芳化合物有两个相连的芳环，是化学、医学、材料科学中广泛使用的“骨架”。Nature杂志第7899期封面文章报道了帮助连接这些关键组成单元的酶类生物催化剂，以及这种生物催化剂的设计与制备工程。通过连接单个分子成分来合成这类联芳化合物并不容易，研究团队使用经过工程化改造的细胞色素P450酶作为催化剂，从而能够控制耦合的那些碳氢键，以及产物的立体化学性质，从而能将原本低产、非选择性的反应转化为一种能高效选择性地将芳香分子偶联形成联芳化合物的反应。

 

利用深度神经网络复原和判断古代文本的归属

 

《自然》封面：预测过去。Nature杂志第7900期封面文章报道了帮助历史学家复原和理解古希腊铭文的深度神经网络“Ithaca”。Ithaca单独使用时能以62%的准确度复原受损文本；当历史学家使用Ithaca时，同一任务的准确性可达72%。Ithaca还能以71%的准确度判断这些铭文的原始地理位置，鉴定出的铭文年代与历史学家提出的范围相差少于30年。铭文是了解古代文明的宝贵渠道。几个世纪以来，许多铭文遭到破坏，存世的只有碎片或仅部分可辨，让阅读和解释这些文本的工作变得困难。人工智能与历史学家的合作或将促进对古代文明的研究。

 

基因调控DNA的演化、演化能力和工程化

 

《自然》封面：在演化能力谱系极端情况下的序列演化特性。Nature杂志第7901期封面文章报道了一种理解调控DNA序列并对其进行改造的框架。研究团队基于一个利用深度神经网络模型开发的“预测器”构建了一个框架，这个深度神经网络模型能根据特定的启动子DNA序列预测基因表达。作者用几千万个启动子序列的表达测度数据训练了这个神经网络。最后得到的人工智能预测器能根据序列准确预测表达，足以用来研究调控DNA序列的演化历史和未来的演化能力，还能为合成生物学应用设计调控DNA序列。

 

银河系早期形成历史的时间分辨图

 

《自然》封面：在西澳大利亚楠邦国家公园拍摄的银河系。Nature杂志第7902期封面文章报道了处于亚巨星演化阶段的近25万颗恒星的诞生时间，这一阶段的恒星可作为精确的恒星钟。这些恒星个体的年龄从15亿年～130亿年不等。要理解银河系的形成，就要确定其中恒星的精准年龄。研究团队将如此多样本恒星的年龄精确度提升为先前的3倍，从而厘清了导致银河系形成的事件顺序。根据这些信息，研究人员推断银盘最古老的部分在约130亿年前（宇宙大爆炸的8亿年后）已开始形成，而内银晕大约在20亿年后形成。

 

物理学如何“排除”黑人科学家

 

《科学》封面：消失的物理学家。Science杂志第6584期封面文章以特别新闻形式探讨了美国黑人物理学者稀少的原因。在美国大学物理课程中，黑人学生很少见，尽管几十年来高校一直在努力提高黑人在其中的比例，但黑人学者锐减这个问题却越来越严重。研究生阶段的人口统计数据更令人沮丧。2019年，黑人学生在物理学博士学位获得者中所占比例不到1%。这一现象并没有简单的解决办法。正如研究报告所强调的，物理学界必须首先内化它是如何走到这一步的，然后才能对文化做出有意义的改进。

 

两年来COVID-19大流行的经验教训

 

《科学》封面：新型冠状病毒肺炎COVID-19。Science杂志第6585期特刊报道了国际科学界在应对这一大流行病方面取得的非凡成就，并在SARS-CoV-2变得流行之际，概述了我们对这一不断变化的病毒的认识，以及在应对方面的差距和方法。两年前，2020年3月11日，世界卫生组织宣布COVID-19为大流行，由一种人类从未见过的病毒引起。作者认为国际社会最大的失败是疫苗、疗法及其技术的不公平分配，指出在大流行期间的错误信息和治理不善就像全球战争一样杀死人。文章号召大家学会弥合这些差距，以避免在下一次大流行中造成损失。

 

全球城市环境变化推动白三叶草的适应性变化

 

《科学》封面：白三叶草。Science杂志第6586期封面文章报道了城市化推动物种的适应性进化。由多名科学家组成的全球城市演化项目（GLUE）收集了来自160个城市的6169个白三叶草（white clover）样本。通过对这些样本氢氰酸等物质含量的测定，研究人员发现随着距离市中心的距离增加，抗草食性化学防御的产生量也随之增加；随后对其中26个城市的2074个样本基因组进行测定，发现适应性进化能很好地解释城乡梯度的进化，但城市之间的平行适应程度各不相同。研究结果在全球范围内提供了城市化推动生物进化的证据。

 

处在旋涡内

 

《科学》封面：社交媒体风暴。Science杂志第6587期封面文章以特别新闻形式报道科学家如何在COVID-19大流行期间研究和打击错误和虚假信息，如何使用社交媒体向大家通报与分享。科学界其实也被社交媒体引发的风暴所席卷。在记者凯瑟琳·奥格雷迪（Cathleen O’Grady）进行的一项调查中，38%的COVID-19研究者报告称，他们受到了从网络虐待到死亡威胁等各种骚扰。尽管单个“喷子”可能很容易被阻止，但有组织的活动引发的谩骂海啸可能会造成严重后果。对于一些研究者来说，错误和虚假信息的传播本身已经成为一个研究课题。

 

球金龟成球行为的功能形态机制与演化历程

 

中国科学院动物研究所白明、顾奇等人高精度刻画了球金龟球形行为起源和适应性进化历程。相关成果发表于《通讯生物学》（Communications Biology）。自然界中部分动物具有成球行为（Conglobation），它们可以在遇到危险时将身体卷曲成球，像犰狳、穿山甲、刺猬、球马陆、球鼠妇等，这些动物都是依赖多个体节的卷曲形成紧密球形，保护了身体腹面、足等脆弱部位。球金龟是生活于白蚁巢、枯枝落叶层和朽木中等隐秘生境的一类罕见甲虫，并不是全部球金龟都可以形成紧密球形。这一研究对球金龟全球样本、现生和绝灭种类开展了全面系统总结，为动物行为的表型演化及功能形态学研究提供了范例。

 

枯叶蛱蝶的进化和多样性研究

 

北京大学张蔚课题组以枯叶蛱蝶属为例揭示山地生物多样性演化和遗传机制。相关成果发表于《细胞》（Cell）。通过采集枯叶蛱蝶属的13个地理种群样本及其他蛱蝶科样本，对共计21属105份蝴蝶标本进行基因组重测序，追溯了枯叶蛱蝶属的起源。系统发育、种群遗传结构及历史种群数量的分析结果表明，枯叶蛱蝶属在系统发生树上形成单系，各物种存在较为独立的遗传背景，多个种群曾随地球温度下降而出现种群数量的减少。综合系列分析结果，文章提出，由于青藏高原隆升形成的丰富山地微环境促进了枯叶蛱蝶属物种分化，使喜马拉雅山脉东部地区成为枯叶蛱蝶属的分化中心。

 

甘草族分类与进化研究

 

中国科学院华南国家植物园植物中心段磊、陈红锋等人在甘草族分类与进化研究中获得进展。相关成果发表于《系统学与进化杂志》（Journal of Systematics and Evolution）。豆科甘草属植物是重要的生物资源，且是大宗中药材之一。这类植物的药用甘草种类含有多种次生代谢物，其中甘草酸与甘草苷有祛痰止咳、益气补中、调和药性等功效。在甘草属内，根部含有甘草酸的种类才具有药用价值，而这一性状在属内独立起源2次。中亚特有的三叶甘草属Meristotropis应被并入甘草属，由此甘草属包含13个种。文章同时将含甘草酸的粗毛甘草、甘草（乌拉尔甘草）和胀果甘草处理为洋甘草Glycyrrhiza glabra的变种，且归并了数个存疑种。

 

绿色植物起源之前是否存在传粉现象

 

中国科学院昆明植物研究所任宗昕等人就水生环境中的传粉现象进行了评述和展望。相关成果发表于《科学》（Science）。传粉现象在红藻中的发现，极大地扩展了依赖于动物传粉类群的范围；红藻类起源于12亿年前，而等足目甲壳动物起源于3亿年前，因此，这种原始的传粉互利关系可能已经存在了3亿年甚至更长时间；由于红藻类物种多样性高，因此这类传粉现象在海洋中普遍性可能很高，意味着大量这样的互作关系可能尚未被揭示出来。大多数的红藻生长在海岸带，而这些环境恰恰是人类干扰和气候变化影响最大的区域之一。这些海洋里重要的互作关系在人类尚未认知的时候，可能已经受到了全球变化的严重威胁。

 

华南近海发现2个鱼类新物种：南海海蛾鱼和中华海蛾鱼

 

中国科学院南海海洋研究所林强团队在我国南海和东海近岸海域发现了2个海蛾鱼新种，分别命名为南海海蛾鱼（Spinipegasus nanhaiensis sp. nov.）和中华海蛾鱼（Pegasus sinensis sp. nov.）。相关成果相继发表于《动物分类学》（Zootaxa）和《动物学研究》（Zoological Research）。海蛾鱼是一类小型底栖的海洋硬骨鱼类，隶属于海龙目，海蛾鱼科，广泛分布于从南非到夏威夷的印度—太平洋温带和热带近岸海域。研究团队通过对海蛾鱼科物种的线粒体基因组测序，基于系统进化分析发现海蛾鱼属（Pegasus）和宽海蛾鱼属（Eurypegasus）形成姐妹群，两者的亲缘关系更近，而棘海蛾鱼属（Spinipegasus）则聚类在海蛾鱼属和宽海蛾鱼属之外。

 

兰科植物叶绿体基因组解析研究

 

中国科学院武汉植物园胡光万等人在兰科广义虾脊兰属（Calanthe s.l.）植物完整质体基因组、比较基因组学和系统发育分析研究上取得进展。相关成果发表于《BMC植物生物学》（BMC Plant Biology）。虾脊兰属（Calanthe R. Br.）、黄兰属（Cephalantheropsis Guillaumin）和鹤顶兰属（Phaius Lour）三者近缘，组成树兰亚科下一单系类群。为确定虾脊兰属与鹤顶兰属的系统关系，研究人员对6个虾脊兰属和2个鹤顶兰属植物的质体基因组进行测序分析，并重建了虾脊兰组植物的系统发育关系。研究结果对阐明完整质体的多样性、物种鉴定、系统发育及兰科植物物种间的进化关系具有重要意义。

 

揭秘雄性昆虫“恋爱”密码

 

浙江大学农业与生物技术学院沈星星、黄健华等人发现昆虫基因组内存在大量的水平转移基因，并发现“飞来”的外源基因对昆虫求偶起到重要作用。相关成果发表于《细胞》（Cell）。这是水平转移基因（HGT）影响动物求偶行为的首次报道。相比野生型小菜蛾，突变体小菜蛾后代数量减少了约70%，但是突变体小菜蛾的生长发育，如体长、生殖器官等均未受影响。行为学实验验证发现，突变体小菜蛾雄虫对雌虫的求偶欲望显著降低。也就是说，一旦缺少这个基因，雄虫求偶能力就急剧下降。文章证实了HGT基因LOC105383139有助于增强雄虫对雌虫的求偶行为，发现了细菌帮助昆虫求偶的“成人之美”新机制。

 

企鹅的演化历程与适应环境的分子机制

 

中国科学院昆明动物研究所张国捷等人对企鹅的演化历程、环境适应与响应这3个方面进行了分析。相关成果发表于《自然·通讯》（Nature communications）。大约六千万年前，企鹅失去飞行能力，转而具备鸟类中最强的潜泳能力。由于企鹅具有适应海洋生态系统和极端生态系统的形态、生理等特征，因此它是研究生物二次适应水生环境的范例，也是研究生物适应地球极端环境的重要对象。企鹅作为全球变化对生态系统健康影响的哨兵，对环境变化非常敏感。六千多万年以来，企鹅的体形逐渐趋向小型化；喙、四肢等形态特征逐渐转变为更适合海洋环境的特征；企鹅的物种数目由于冰期事件的影响，与温度也呈现了相反的变化趋势。

 

太阳耀斑触发机制研究

 

中国科学院紫金山天文台“太阳活动的多波段观测研究”团组为光球剪切运动触发耀斑及磁内爆猜想提供了新证据。相关成果发表于《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。太阳耀斑，以及日冕物质抛射和暗条爆发，被认为是太阳大气中同一种爆发现象的不同表现形式。研究团队基于太阳动力学天文台（SDO）的大气成像仪（AIA）以及日震磁像仪（HMI）数据，研究了2013年8月17日位于活动区11818的一个M3.3级耀斑。本次事件展示了太阳大气中不同高度的相互磁作用，即在耀斑发生之前光球通过突然启动的黑子剪切运动对日冕作用导致耀斑，并且在耀斑期间，通过黑子运动方向的反转，日冕对光球进行反作用。

 

盾牌座δ型变星中发现长期存在黑子等现象

 

中国科学院新疆天文台艾力·伊沙木丁研究团队通过分析一颗有效温度6934（134）K左右的低温盾牌座δ型变星KIC 5768203的光变，首次发现其表面长期存在着黑子现象，并且仅以低振幅的径向模式脉动。相关成果发表于《天文学杂志》（The Astrophysical Journal）。盾牌座δ型变星通常是有效温度在6900～8900K之间、光谱型为A-F型的中等质量恒星。这类变星大多具有丰富的脉动模式，在星震学研究中能用于探索恒星的结构，对揭示恒星演化的奥秘具有重要研究意义。当前的恒星演化模型显示温度在7000K左右的恒星包层已完全处于辐射平衡，不应该存在对流事件。

 

哈勃常数研究进展

 

南京大学天文与空间科学学院王发印教授等人提出了测量哈勃常数的新方法，为解决哈勃常数危机提供了新途径。相关成果发表于《皇家天文学会月刊：快报》（MNRAS: Letters）。哈勃常数（H0）表征当今宇宙的膨胀率，是宇宙学的重要参数，宇宙距离和年龄都与其密切相关，精确测量哈勃常数的值意义重大。一般有两种测量方法，一种是利用近邻宇宙中的Ia型超新星直接测量，另一种是利用早期宇宙的微波背景辐射间接测量哈勃常数。最近的研究发现两种方法的测量结果存在明显的偏差，并且这种偏差已经达到了5个标准偏差，称为哈勃常数危机。文章利用从宇宙学模拟中提取的概率分布来描述色散量，以避免不受控制的系统误差。

 

极向风驱动的等离子体耗空区

 

中国科学院地质与地球物理研究所孙文杰、李国主等人发现，磁静日的电离层也存在大尺度的结构变化，而中性风场在这种大尺度电离层结构变化中具有举足轻重的作用。相关成果发表于《地球物理研究杂志：空间物理学》（Journal of Geophysical Research: Space Physics）。电离层的等离子体密度受到等离子体产生率、等离子体复合率和输运过程的影响。研究团队利用多年的观测数据，结合以往的文献中对邻近区域热层风场气候学的研究，发现在夏季的上午风场一般体现为北向（极向），而当这一极向风场足够大时，则足以驱动产生这种极向扩展的大尺度的等离子体密度耗空结构。

 

大尺度流体动力学激波作为仙女座星系存在棒的明确证据

 

上海交通大学物理与天文学院沈俊太教授团队在仙女座星系（M31）结构研究上取得新进展。相关成果发表于《天体物理期刊》（The Astrophysical Journal）。宇宙中旋涡星系分为正常旋涡星系与棒旋星系两类。棒旋星系中心的棒是由恒星构成的长条形结构，它是驱动旋涡星系内部长期缓变演化的最重要内因。M31作为距离我们最近的旋涡星系，它在理解星系的形成与演化中具有非常重要的意义。研究团队通过在星际气体观测数据中搜寻激波的新思路，给出了M31星系是一个棒旋星系而非普通旋涡星系的独立证据，并利用流体动力学模拟重现了气体中激波的主要观测特征。

 

创新成像方法协同空间及地面望远镜数据获取高质量成图

 

中国科学院国家天文台星际介质演化及恒星形成团组焦斯汗、吴京文等人合作，开发了一个的在傅里叶空间内加权合并的全新方法J-comb，用于解决（亚）毫米波连续谱地面观测存在大尺度流量丢失这一普遍问题。相关成果发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》（Sci. China-Phys. Mech. Astron）。对恒星形成区尘埃（亚）毫米波观测是研究恒星形成的重要手段之一。研究人员通过将J-comb方法应用到猎户座分子云的真实数据中，相关工作成功获得了猎户座分子云450/850微米高质量合并后图像。合并后图像在具有高分辨率的同时保留了输入图像所有空间动态范围下的信息，更好地展示了尘埃的真实分布。

 

白矮星吸积物质有效阻止白矮星表面光学厚星风的发生

 

中国科学院云南天文台崔英朕、孟祥存等人在吸积白矮星领域获得新的进展，这可能改变人们对Ia型超新星（Type Ia supernovae, SNe Ia）前身星单简并星模型的认识。相关成果发表于《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）。20世纪90年代，人们利用Ia型超新星测距发现宇宙正在加速膨胀，意味着宇宙中存在暗能量，这一发现对基础物理研究提出了巨大的挑战。尽管Ia型超新星在现代宇宙学乃至基础物理学等方面是如此重要，人们对于Ia型超新星是怎么来的目前还不是很清楚（Ia型超新星前身星问题）。文章为解决光学厚星风模型与观测上的矛盾提供了一种理论解释。

 

天问一号火星能量粒子分析仪发布首个科学成果

 

中国科学院近代物理研究所唐述文等人与国内外科学家合作，利用天问一号火星能量粒子分析仪获得了首个科学成果，研究讨论了分析仪在地火转移轨道中观测到的一个太阳高能粒子事件。相关成果发表于《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）。火星能量粒子分析仪是我国首个用于研究行星际和近火星空间辐射环境的载荷，由近代物理所和兰州空间技术物理研究所联合研制，于2020年7月搭载在天问一号火星探测器上发射升空，正式开启了探测任务。2020年11月29日，火星能量粒子分析仪在地火转移轨道距太阳1.39天文单位（au）处，观测到第25个太阳活动周期的首个大型径向分布的太阳高能粒子事件。

（本栏目责编：黄雪霜）