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2013:《Science》上的中国声音(下)

来源:  发布时间:2014-08-12

姜 莹

   美国的《Science》杂志为国际上著名的自然科学综合类学术期刊,在世界学术界享有盛誉。2012年《Science》杂志的影响因子为31.027,排名所有科学期刊的第16位。由于其独特的学术地位,国内许多科研院所为鼓励学术人员在该刊发表文章,都制定了优厚的奖励措施。
   Science》杂志发表的论文涉及所有科学学科,特别是物理学、生命科学、化学、材料科学和医学中最重要的、最激动人心的研究进展。据统计,发表的论文中60%有关生命科学,40%是属于物理科学领域的。每年《Science》杂志还出版大约15期专辑,展示某一专门领域的最新成果,例如生物技术、寄生虫学、纳米技术、计算机技术等。除高水平的论文外,每期专辑还发表有关科技职业的专题文章和以不同国家、地区为对象的专栏。
   2013年度,我国科研团队(不含客座或兼职教授)共在《Science》发表研究性论文31篇。研究内容涵盖物理学、生命科学、化学、材料科学和医学等学科领域。

王佳伟 研究员
中国科学院上海生命科学研究院

   1999毕业于上海交通大学生命科学技术学院,获得学士学位;1999年至2005年在上海植物生理生态研究所攻读博士;2005年至2011年,于Max Planck Institute for Developmental Biology攻读博士后;2011年至今任中科院上海生科院植生生态所研究组长、研究员、博士生导师。王佳伟的研究方向:植物小分子RNA,小分子RNA是一类非编码的RNA。它们在植物的生长发育中发挥着重要的调节作用,是基因表达调控的一种重要手段。实验室研究和探讨小分子RNA的表达调控及其在植物生长发育中的作用机制。短期内,实验室的工作将围绕miR156展开,将利用遗传学,分子生物学,并结合第2代DNA测序和高通量蛋白质谱分析平台,研究miR156的表达特征和调控模式,从分子生物学的角度来回答植物年龄的分子身份,年龄调控miR156表达的分子机制。同时,将深入和全面的分析miR156的生物学功能,阐明miR156调控植物的时序性发育的信号传导机制。实验室的长期目标是对植物中非编码的RNA进行系统的功能分析。力图阐明这些调控RNA的产生机理和作用机制,以及它们的生物学功能。同时,将通过比较生物学的方法,探讨这些RNA在不同物种中的保守性和多样性,从而更好的了解这些小分子调控物质的产生和演化。

多年生草本植物弯曲碎米芥成花诱导的分子机理

   弯曲碎米荠属于十字花科碎米荠属,为两年生或多年生草本植物。王佳伟研究组发现,弯曲碎米荠的成花诱导需要经历一段时间的持续低温,即春化作用。有趣的是,幼年期的弯曲碎米芥不能感受低温,出现正常的春化反应。研究表明,弯曲碎米芥的年龄决定了春化反应的敏感性,其成花诱导需要同时解除两个抑制因子,即FLC和TOE1。FLC是春化途径的关键调控因子,持续的低温可以降低FLC的表达;TOE1的表达则受到年龄途径关键因子miR156的调节。
   在幼年期,miR156高水平表达,TOE1含量较高,抑制下游开花关键基因的表达,导致植物对春化作用不敏感;随着植物年龄的增长,光合作用产生的糖分不断积累,导致miR156含量逐渐下降。此时TOE1的表达减弱,年龄途径对开花的抑制作用被解除,植物对春化作用敏感,持续的低温即可解除FLC的抑制作用,诱导植物开花。
   年龄途径和春化途径共同调控开花与多年生植物的生长习性密切相关。这一分子机制确保多年生草本植物可以在获得足够生物量后,感受外界环境的变化,开花结果,繁衍后代。这一研究成果也提示,高等植物的开花多样性可能就是由于不同植物间不同成花诱导途径的贡献差异决定的。
   Science 31 May 2013: 1097-1100

徐华强 研究员
中国科学院上海药物研究所

   在清华大学核子获物理工程专业学士学位、生物物理专业硕士学位。1989前往美国杜克大学植物遗传系学习。随后获得美国德州大学西南医学中心生物化学与分子生物学专业博士学位。1994-1996年,美国麻省理工学院(MIT)生物系, 哈佛休斯医学研究所,研究助理;1996-1999年,为美国格兰素威康研究所结构化学系,一级研究员;1999-2001年,为美国格兰素威康研究所结构化学系,二级研究员;2001-2002年为美国GSK研究所结构科学部,高级研究人员;2002-2007年3月,美国,Van Andel研究所结构科学部实验室负责人,资深PI/教授;2007.3-2009.12美国Van Andel研究所结构科学部实验室负责人,杰出PI/教授;2010年1月至今,为美国Van Andel研究所结构科学与药物发现中心主任,实验室负责人,杰出PI/教授。2010年7月至今,2009年入选国家千人计划,现担任中国科学院上海药物研究所研究员。研究方向:蛋白质结构与药物开发。

五羟色胺受体1B及2B的两个亚型晶体结构

   五羟色胺(也叫血清素)是人体中最重要的一种神经递质与激素,在中枢神经系统中,五羟色胺控制着认知、学习、感情、情绪等脑神经活动;在外周神经系统中,五羟色胺控制着生殖、代谢、血管收缩、骨骼发育等生理功能。因此五羟色胺系统一直是药物研究与开发的热点,作用于该系统的药物广泛用于抗精神分裂症、偏头痛、抗呕吐及肥胖症等疾病。但是,因为五羟色胺功能复杂,受体繁多[在人体中共有14种不同的五羟色胺受体,其中13种受体属于G蛋白偶联受体(GPCR)],临床用的五羟色胺调节剂具有非特异性,常引起毒性副作用,从而导致临床用药的失败。五羟色胺受体与配体结合的分子机制是解决五羟色胺调节剂分子特异性的关键前提。但是由于五羟色胺GPCR受体是七次跨膜的膜蛋白,柔性较大,导致其蛋白质表达、提纯与结晶难度极高。五羟色胺受体结构的长期匮乏,已抑制对五羟色胺受体的生物学的理解及其药物的研发。
徐华强课题组利用计算生物学手段,对五羟色胺受体系统的配体识别机制进行系统的研究归纳,深入阐述了五羟色胺受体-配体结合的分子机制。同时,现有的大部分GPCR结构都是抑制剂结构,与此相反,两个五羟色胺受体结构都是激动剂复合体结构。在结构测定的基础上,利用点突变及下游信号传导的分析,详细地揭示了五羟色胺受体亚型的信号传导特异性。
   Science 3 May 2013: 610-614

袁小聪 教 授
南开大学 电子信息与光学工程学院

   南开大学现代光学所教授,信息科学技术学院副院长。获得天津大学光学工程专业本科(1985年)及工学硕士(1988年)学位,伦敦大学物理学博士学位(1994年),剑桥大学博士后(1994-1999年)。1999-2008年在新加坡南洋理工大学微电子系任教。在海外获得15项科研项目并担任负责人,包括一项重大基础研究项目,共计科研经费合人民币约四千余万元。已发表SCI收录的论文120余篇,多次在国际光学工程学会(SPIE)和美国光学学会(OSA)年会作微光学、光学显微成像与传感、光镊等方面邀请报告。光学学术期刊《Optics & Photonics Letters》主编,《中国光学与应用光学》副主编。鉴于其在微纳光学领域的贡献,分别于2005年和2009年被选为SPIE Fellow和OSA Fellow。
可重构偏振调控型表面等离激元定向耦合
   文章提出了一种全新的SPPs耦合方式,通过一系列亚波长“人”字型微纳金属结构,解决了目前入射光偏振态严重影响SPPs耦合效率以及SPP传播方向无法精确控制等技术难题,实现了SPPs的可重构定向耦合新机制,该研究成果对微纳光子芯片水平的SPPs产生、传输、调控、互联与探测等应用有重大积极推进作用,为未来发展SPPs大规模光电子集成与互联技术奠定了基础。
Science 19 April 2013: 331-334

薛其坤 院 士
清华大学副校长

   1984年毕业于山东大学光学系,1990年、1994年先后获中国科学院物理研究所硕士、博士学位。中国科学院物理研究所研究员、清华大学教授。长期从事超薄膜材料的制备、表征及其物理性能研究。开展了第二代半导体薄膜GaAs、InAs/GaAs量子阱(点)、宽禁带半导体GaN和ZnO 薄膜生长动力学研究, 发展完善了III-V族化合物半导体表面再构的基本规律;开展了半导体Si衬底上金属超薄膜量子尺寸效应的研究,定量建立了金属薄膜体系量子效应和材料性能间内在联系,发现了薄膜热膨胀系数、功函数、超导转变温度等的量子振荡现象;开展了有序纳米结构的自组织生长研究,发明了若干原子尺度精确控制生长技术,解决了异质外延生长纳米有序结构的难题。研制了几套低温生长及原子尺度原位检测装置。现为北京邮电大学电子工程学院院长。

量子反常霍尔效应实验

   量子反常霍尔效应要求材料的体导电和表面导电通道完全被抑制掉。Bi2 Se3体系由于存在不可避免的Se空位缺陷导致的高浓度的电子型掺杂,不能满足实现量子反常霍尔效应的要求。为了避免这个问题,研究组选择了(Bi1-x Sbx)2 Te3体系。这个体系中,可以通过改变Sb的组分x,能够将费米能级调到铁磁性导致的能隙内的电荷中性点上。通过对材料各种参数进一步的不断优化,最终实现了无外加磁场情况下量子化的霍尔电阻。
研究观察到的量子反常霍尔效应的性质是非常稳定的。首先,为了避免自旋翻转散射的影响,观测量子自旋霍尔效应需要微小尺寸的样品,而量子反常霍尔效应能够在几百微米量级的宏观尺度下实现。其次,让人称奇的是,这种严格的量子化能够在具有相当低的迁移率和非零体导电通道的材料中实现。这些都说明量子反常霍尔效应比量子自旋霍尔效应要稳定得多,可以媲美甚至比量子霍尔效应有更强的适应能力。
   Science 12 April 2013: 167-170

王晓峰 教 授
清华大学物理系

   1993年-1997年毕业于北京师范大学天文系;1997年-2002年,北京师范大学天文系攻读博士学位;2002年8月-2004年11月在中国科学院国家天文台攻读博士后。2006年7月-2009年7月,UC Berkeley大学天文系做博士后;2009年8月-2010年6月,Texas A&M访问学者;2013年12月至今,清华大学物理系教授。研究领域:超新星爆发物理和前身星;时域天文学;观测宇宙学;太阳系外行星。

两类不同Ia型超新星的证据

   研究组发现了低膨胀速度与高膨胀速度的两类Ia型超新星有着本质的区别,并且在爆炸时抛射物高速膨胀的一类Ia型超新星相对低速膨胀的另一类具有较高的金属含量和较为年轻的前身星系统。对于这类特殊的天体,这是一个非常重要的结论,因为它们在当今人们试图描述宇宙膨胀历史的研究中起着非常重要的作用。1998年,国际上两个研究组对遥远星系中爆发的Ia型超新星进行观测和研究发现了宇宙加速膨胀这一惊人现象, 从而预示宇宙暗能量的存在,这一研究成果在2011年获得诺贝尔物理学奖。然而,令人感到遗憾的是,Ia型超新星的爆发以及它们的前身星的物理机制仍然是个谜题。幸运的是,近几年来观测到的Ia型超新星的数据显著增长,天文学家能够探测超新星统计学上的性质,并建立起它们与宿主星系的联系。
   Science12 April 2013:170-173

王亚愚 教 授
清华大学物理系

   1998-1998年就读于中国科技大学物理系,随后进入美国普林斯顿大学物理系学习,2004年获得博士学位,并获得普林斯顿大学博士毕业生最高奖之一的Charlotte Elizabeth Procter Honorific Fellowship。主要研究工作是运用精密的电学、磁学、热学和扫描隧道显微术等实验手段来探索凝聚态物质中由于电子间的强相互作用而引起的非常规物理现象。

拓扑诱导的磁性量子相变

   研究团队利用分子束外延的方法生长了高质量的Cr(铬元素)掺杂的Bi2(SexTe1-x)3(铋硒碲三元化合物)拓扑绝缘体薄膜,并在低温条件下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。输运测量结果表明,随着Se含量的增加,体系发生了从铁磁态到顺磁态的磁性量子相变,并同时伴随着反常霍尔电阻符号的改变。此外,在量子临界点处,能带结构测量发现了体能带从拓扑非平庸到拓扑平庸的量子相变。密度泛函理论计算表明其物理机制是由于Se元素的自旋轨道耦合强度弱于Te元素,因此当其含量超过一个临界值时自旋轨道耦合强度不足以引起能带反转,从而进入拓扑平庸态。最后,有效模型的计算显示能带结构的拓扑相变是导致磁性相变的原动力,即拓扑非平庸的能带在低温下更倾向于形成铁磁序,而拓扑平庸的能带则倾向于形成顺磁序。
   Science 29 March 2013: 1582-1586

张清和 教 授
中国极地研究中心

   2003年-2008年就读于西安电子科技大学理学院,攻读硕博连读研究生;2005年-2008年就读于中国极地研究中心,为联合培养博士研究生;主要研究方向:极区电离层-磁层耦合及磁层顶边界层动力学过程、极区电离层等离子体不均匀体的形成和演化特征、磁层环电流和场向电流的分布及场向电流对极区电离层的影响。要学术成绩:分别通过联合分析欧洲非相干散射雷达(EISCAT)和国际超级双子极光雷达网(SuperDARN)的协同观测数据以及GPS总电子含量(TEC)数据(地-地联合观测)、联合分析欧空局Cluster卫星簇和我国地球空间双星计划等卫星和地面雷达以及我国北极黄河站极光的协同共轭观测数据(星-地联合观测)、联合分析Cluster卫星簇和我国双星以及美国THEMIS卫星等的协同观测数据(星-星联合观测),深入研究了极区电离层等离子体不均匀体结构的形成和演化特征及日侧磁重联层的内部等离子体结构等。其中主要对极盖区等离子体块的形成机制和演化过程、日侧磁重联产生的通量传输事件(FTEs)的演化特征及其在南北半球极区电离层的响应情况等做了深入分析研究。

地球南北两极出现的等离子体云块

   太阳不仅照亮整个太阳系,还时时刻刻朝四面八方喷射高速等离子体,这就是“太阳风”。由于极区是地球开向太空的天然窗口,地球磁力线在极区高度汇聚并几近垂直向太空开放,太阳风与地球磁层相互作用会在极区高层大气引起众多的物理现象,其中“等离子体云块”最为常见。
尺度从几百到几千公里不等的“等离子体云块”常常引起极端空间天气环境,使得人类的超视距无线通讯和卫星-地面间的通讯中断,直接影响近地飞行器(飞机、宇宙飞船等)和低轨卫星等的正常运行及其与地面通讯,甚至威胁到航天员的生命安全。理论上,极区“等离子体云块”在日侧极光带赤道侧附近产生,并沿极区电离层对流线向极盖区(地球南北极开放磁力线区域)运动,最后从夜侧流出极盖区。整个演化过程中“等离子体云块”内带电粒子因与周围相反极性带电粒子复合而密度逐渐减小。
   Science 29 March 2013: 1597-1600

郑晓廷 教 授
临沂大学地址与古生物研究所所长

   临沂大学地质与古生物研究所所长,古生物研究方向学科带头人,从事中生代恐龙和鸟类的科研工作,主要研究领域为鸟类功能形态学与系统分类学。依据由恐龙向鸟类转变过程中的重要形态结构演化特点,提出进一步支持鸟类飞行树栖起源理论的证据,推断鸟类飞行能力演化的不同阶段,并结合原始鸟类的各类羽毛和恐龙原始羽毛的特征,完善羽毛起源的模式。在《Science》、《Nature》、《Proc Biol Sci》、《PNAS》等国际知名专业刊物发表论文13篇;出版个人学术专著2部;主持国家自然科学基金面上项目2项。

早期鸟的腿羽进化

   郑晓廷徐星教授带领的研究团队对收藏于山东省天宇自然博物馆(临沂大学自然博物馆)的11件保存着后肢羽毛或皮肤结构的不同的早期鸟类标本进行了详细研究,发现许多早期鸟类都具有后肢羽翼,包括会鸟、孔子鸟和不同种属反鸟。这些鸟类后肢羽毛的存在证实了早期鸟类演化过程中曾存在一个四翼阶段。并且后肢羽翼在鸟类飞翔起源中曾扮演过非常重要的角色。也就是说最早的鸟类曾经用四个翅膀飞翔。在虚骨龙类恐龙演化早期,发育出短的丝状足羽,继而足部羽毛普遍存在于虚骨龙类中。而到了近鸟类恐龙时期,开始出现大型的腿羽(包括足羽),但在鸟类演化的早期,大型足羽开始退化,这种退化是由后肢远端开始逐渐向近端发生的,不过在基干鸟类和其他非今鸟类类群中却仍存在大型腿羽,并且形成退化的后肢羽翼,直到今鸟类演化的早期,鸟类足部盾形鳞片出现,而腿羽退化的更加短小。鸟类从树栖环境转到陆地环境,尤其是转到近水环境,可能加速了腿羽的退化。
   Science 15 March 2013: 1309-1312

崔立山 教 授
中国石油大学

   分别于1985年、1988年、1994年在大连理工大学材料系获得学士、硕士、博士学位;1994-1996年于大连理工大学力学博士后流动站从事研究工作;1996年到中国石油大学(北京)任教。
   长期从事形状记忆合金及其复合材料研究,负责国家自然科学重点基金1项,面上基金7项,参加了国家“973”项目及油气重大专项。作为责任作者,在Science、Advanced Materials等国际重要期刊发表论文120余篇(SCI收录),获得中国发明专利11项。曾获1994年C-MRS会议青年奖,大连理工大学向坊隆基金奖,1998年入选“石油天然气总公司跨世纪学术技术带头人”,2002年被评为教育部优秀青年教师,国家自然科学基金委员会第13、14届评审专家组成员,中国材料研究学会理事。

一种超大弹性应变、低弹性模量及高屈服强度的相变金属纳米复合材料

   金属、陶瓷及高分子材料是人类广泛使用的三大类材料,然而,在它们的性能之间存在空白区,该空白区所对应的大弹性应变、高强度及低弹性模量性能一直是人类面临的挑战。长期以来,基于自由态纳米线具有超大弹性应变与超高强度的特征,科学家曾对其增强复合材料的性能,填补空白区寄予厚望。然而,诸多研究表明,纳米线的本征力学性能在复合材料中的实现成为众所周知的“死亡之谷”。崔立山教授研究团队的论文基于对金属纳米复合材料中两组元载荷传递在原子尺度上均匀性的猜想,首次提出了基体相变应变与纳米线弹性应变匹配的设计思想,采用共晶相变和单向大变形,获得了兼具超大准线弹性应变、高屈服强度及低弹性模量的新型金属纳米复合材料,发现纳米线的本征力学性能能够在大块材料中实现。
   Science 8 March 2013: 1191-1194

赖旭龙 教 授
中国地质大学副校长 环境学院教授

   1984年于武汉地质学院获学士学位,1991年于中国地质大学(武汉)获博士学位。1995年4月至7月赴英国伯明翰大学国际合作,1998年5月至11月赴美国韦恩州立大学生命科学系进修分子生物学,1999年10月至2000年4月到英国莱斯特大学进行国际合作,2001年6月至2002年6月英国莱斯特大学进行英国皇家学会皇家博士后(Royal Fellowship )研究工作。长期从事地层学、微体古生物学、沉积古地理学、分子古生物学的教学和科研工作。

2.5亿年前致命高温造成赤道低纬度区生态系的坍塌

   距今2.5亿年前的二叠纪末生物大灭绝事件是地球历史上最大的一次灭绝事件,这次灭绝事件造成了当时地球上绝大多数的物种消失。而在二叠纪末大灭绝后的早三叠世早期的死亡区竟然神奇地延续了长达5百万年的时间。其主要原因是当时的温度升高到了致命的程度,当时海水表面可高达40摄氏度,而在陆地上温度更高,可能高达到50多摄氏度。
   该研究组在位于贵州和广西的南盘江地区先后测制了16条地质剖面,采集了和处理了两吨多的岩石样品,获得了3万5千多枚牙形石标本。在该地区从5条剖面中选用了早三叠世不同时代的269样品,在显微镜下挑选出约1.5万牙形石个体,进行氧同位素的测定,在此基础上构建了该地区早三叠世完整的温度变化曲线。这项研究第一次表明当时的海洋表面温度可高达40摄氏度,接近了海洋生物死亡及光合作用停止的致命温度值。
   Science1 March 2013: 1033

李瑞强  教 授
北京大学生物动态光学成像中心

   研究方向为综合运用高通量测序、高性能计算、和DNA样品制备技术,开拓基因组学新应用,开发生物信息方法和软件。具体包括:绘制重要经济动植物和重要进化分支代表性物种基因组图谱; 更全面系统地分析基因组间的遗传多态性;研究物种、群体、和细胞的遗传变异规律;分析肿瘤发生、演化和转移过程中细胞在染色体结构、基因序列、以及基因表达与调控等方面的变异特征;通过家系基因组测序定位孟德尔遗传病致病性基因和突变;复杂性状与复杂疾病基因关联分析。并关注和推动将研究转化为产品和服务,改善我们的健康和生活。

高覆盖度的单个精子的全基因组测序

   减数分裂期间同源染色体之间发生的片段交叉重组(crossover),对于实现遗传物质的分离是至关重要的,也是产生生物基因组多态性的重要机制。重组率在整个基因组中并非均匀分布,而是集中在一些散布的狭小区域内(hotspot),并且不同物种之间以及相同物种的不同个体之间都可能存在明显的差别。以往对于人类染色体重组的的研究,受限于实验技术的限制,分辨率一直都比较低;另外,由于一个家庭内的孩子数目有限,以往的研究都是在群体水平上开展的,而无法开展个人水平的遗传重组规律研究。单细胞DNA扩增技术和高通量测序技术的发明,使得测序单个精子的基因组成为可能。利用精子基因组测序技术来研究人类的染色体重组规律,具有以往技术无法比拟的优势。首先,精子是天然重组产生的单倍体,取材方便,而且从一个人可取的精子数量几乎是无限的,可以很容易地研究个人水平的重组分布规律;其次,全基因组测序技术提供了最高的分子标记(marker)密度,能够得到最为精确的crossover定位结果,测序技术本身具有高通量、自动化等特点,随着测序成本的迅速降低,这一优势以后会更加突出。
   Science15 February 2013:816-819

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