科技名刊精選

科技名刊精選

“天河二號”超級計算機模擬宇宙暗物質和中微子演化進程

北京大學科維理天文與天體物理研究所博后于浩然與北京師范大學天文系張同杰教授等合作，利用我國“天河二號”超級計算機完成了3萬億粒子數的N體數值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的暗物質和中微子的演化進程，相關研究成果發表于《自然—天文學》。暗物質是宇宙的主要物質構成。中微子是自然界中的基本粒子之一。它在宇宙大爆炸約1秒鐘后與其他等離子體物質退耦，形成看不見的宇宙背景。N體數值模擬中的粒子數猶如攝像機的像素，粒子數越多，越能清晰地‘還原’宇宙演化歷史，降低中微子‘泊松噪聲’的影響。

三重簡并費米子首次觀測

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）丁洪、錢天、石友國等首次觀測到三重簡并費米子，為固體材料中電子拓撲態研究開辟了新的方向，研究論文發表于《自然》。組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子。現有理論認為宇宙中可能存在3種類型的費米子，即狄拉克（Dirac）費米子、外爾（Weyl）費米子和馬約拉納（Majorana）費米子。大家所熟知的電子、質子、中子等就是狄拉克費米子。與時空連續的宇宙空間不同，電子所處的“固體宇宙”只滿足不連續的分立空間對稱性，這就可能導致傳統理論中所沒有的新型費米子。尋找新型費米子是拓撲物態領域一個挑戰性的前沿科學問題。

銀河系外盤結構研究

中國科學院國家天文臺王喬等與國內外科學家合作，把作用量分布函數的方法應用于LAMOST反銀心方向的K巨星樣本，分析了銀河外盤的結構；發現銀河系的外盤要比以前人們猜想的更大、更厚，這對銀河系盤的形成提供了新的線索，相關研究成果發表于MNRAS。銀河系是典型的旋渦星系，解析銀盤的結構有助于理解銀河系及其他旋渦星系的形成與演化歷史。LAMOST望遠鏡河內巡天在銀河系中心相反方向獲取了海量觀測數據，該數據是開展銀河系更遠外盤結構研究的最好且最大的樣本。研究發現主流的模型并不能夠很好地延拓到銀盤外區；以前模型預言的速度分布過窄。銀河系外盤區域可能存在著更為復雜的起源或結構。

大亞灣中微子實驗進展：“中微子反常”或因理論模型不正確

大亞灣反應堆中微子實驗是一個在我國大亞灣核電站附近進行的國際合作實驗，共有來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國臺灣、香港等多個國家和地區共43個科研單位（如華東理工大學近代物理研究所等）的科學家參加，是我國基礎科學領域目前最大的國際合作項目。大亞灣實驗主要利用反應堆發射的反電子中微子進行中微子振蕩的研究，最新研究以“大亞灣反應堆中微子流強和能譜的演化”為題發表于《物理評論快報》，表明核燃料中一種成分的中微子產額計算不正確。中微子是宇宙中數量最多的物質粒子，具有很多奇特性質。惰性中微子是一種理論上的粒子。假如真的存在，它有可能是宇宙中的一種暗物質。

中國湖泊磷污染下降

天津大學的童銀棟、挪威水研究所的林巖及合作者，分析了2006年至2014年間中國862個湖泊的水化學數據以及磷來源和磷流入的省級數據；研究論文發表于《自然—地球科學》。在2006到2014年間中國湖泊的磷污染下降了逾1/3。中國政府于2000年推出的治理水污染政策協助降低了城市地區與磷污染有關的水華風險，但在一些欠發達地區，湖泊的磷濃度上升了。磷濃度中值大致降到了可導致富營養化的濃度閾值，重度污染的湖泊數量減少了2/3。其中主要的驅動因素是公共衛生改善和污水減少；一些較偏遠地區湖泊磷濃度上升的原因則還不確定，但有可能是受到了森林退化和侵蝕的影響。

俯沖帶大陸地殼生長研究

中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室王浩等對桐柏造山帶不同地質單元內的桃園和黃崗花崗巖體展開了的全巖地球化學和鋯石U-Pb年代學以及Hf-O同位素分析，研究論文發表于Lithos。地球是目前已知的所有太陽系行星中唯一一個具有大陸地殼的行星，因此大陸地殼的形成與演化研究十分重要。研究表明指示黃崗巖體源自寬坪群古老下地殼，并伴有20～40%左右的新生幔源物質加入。黃崗巖體的研究明陸弧地區的大陸地殼凈增長非常有限，新的陸殼物質加入量與古老基性下地殼的再循環量基本平衡。桃園巖體的研究則表明大陸地殼主要通過洋弧地體的增生與再造實現大量增長。

喀斯特石漠化生態治理模式評估研究

中國科學院華南植物園植被與景觀生態研究組陸宏芳等與合作者提出了3種典型治理模式的優化及生態補償建議，相關論文發表于《清潔生產》雜志。中國西南存在全球連片面積最大的喀斯特生態系統，由于人為干擾嚴重，退化形成了大量石漠化生態系統，生態環境極其惡劣，嚴重制約著當地的社會、經濟和生態可持續發展。研究發現花椒種植模式最好且可持續能力強；由于花椒種植模式對于本地自然資源的利用效率較高，花椒種植模式的經濟產投比和單位面積經濟效益分別是2.77和21190.07元/ha/yr；從純生態治理效益來看，金銀花—李子套種模式最好；在花椒種植模式上進行養殖和沼氣生態工程加環的經濟效益明顯。

濕地土壤碳對水位下降響應機制

中國科學院植物研究所馮曉娟研究組與北京大學賀金生教授研究組合作，利用海北站高寒濕地中宇宙水位控制實驗，結合分子有機地球化學手段，研究了濕地水位下降過程中鐵的氧化還原轉化對土壤有機碳動態的調控機理，相關論文發表于《自然—通訊》。濕地占陸地表面積的5～8%，其碳儲量卻達到陸地碳庫的30%，是一個非常重要的土壤碳庫。與經典的“酶栓”（enzyme latch）理論相反，該論文提出以濕地土壤亞鐵的氧化為核心的“鐵門”（iron gate）機制，該機制可能緩解由濕地土壤氧氣含量升高而造成的碳釋放，用以解釋和預測濕地干旱過程中的土壤碳動態。

人源大麻素受體“陰陽雙面”解析

上海科技大學iHuman研究所劉志杰等與國內外科學家合作，解析了人源大麻素受體CB1（human Cannabinoid Receptor 1,CB1）與激動劑——四氫大麻酚（THC）類似物復合物的三維精細結構，揭示了大麻素受體在激動劑調控下的結構特征和激活機制，相關研究成果發表于《自然》。G蛋白偶聯受體（GPCR）是人體內最大的細胞膜表面受體家族，在細胞信號轉導過程中發揮核心作用。大麻素受體CB1是人體中樞神經系統表達量最高的GPCR之一，它對人的精神和情緒調節至關重要。掌握了CB1與激動劑和拮抗劑復合物的三維結構信息，等與看清該受體的‘陰陽雙面’，對于內源性大麻素系統的功能機制研究有重要的指導意義。

細胞適應脂質過度累積引起活性氧增多的分子機制

中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所李伯良研究組與武漢大學生命科學學院宋保亮研究組合作，開展膽固醇和脂肪酸通過競爭性氧化調控ACAT2蛋白半胱氨酸的泛素化研究，研究成果發表于《自然—細胞生物學》。脂質（膽固醇、脂肪酸等）過度累積引起活性氧（ROS）增多，是引起脂毒性進而導致糖尿病的原因之一。研究發現膽固醇酯合成酶ACAT2通過在其277位的半胱氨酸殘基上進行泛素化修飾而降解，膽固醇和脂肪酸誘導的ROS可氧化該半胱氨酸殘基，從而抑制ACAT2的泛素化降解，增多的ACAT2將過量有毒的極性脂（膽固醇、脂肪酸）轉變為無毒的膽固醇酯，從而改善胰島素敏感性。

組蛋白修飾分工調控基因表達水平和基因表達噪音

中國科學院遺傳與發育生物學研究所錢文峰研究組計算分析了人類胚胎的單細胞轉錄組數據，發現多種組蛋白修飾分別調控了基因表達水平和基因表達噪音，相關研究成果發表于《PLOS計算生物學》。基因表達過程依賴于轉錄因子、染色質調控因子和染色質等生物大分子在布朗運動過程中的隨機碰撞，因此，即使是基因型和分化類型完全相同的細胞在相同環境下也存在基因表達的差異，被稱為基因表達噪音。論文揭示了組蛋白修飾在調控基因表達水平和基因表達噪音上的“分工”，為理解轉錄組進化提供了線索，對研究干細胞增殖分化、個體發育、病原菌的抗藥性以及農作物的穩產提供了指導意義。

細菌蛋白引導鏈與靶鏈不完全互補配對的分子機制

中國科學院生物物理研究所王艷麗課題組及其合作者開展細菌Argonaute（Ago）蛋白引導鏈與靶鏈不完全互補配對的研究，研究論文發表于《核酸研究》。單堿基凸起如果發生在引導鏈上（7T8,5A6和4A5）只是在凸起位點引起Ago局部構象的變化，而對于核酸雙鏈的堿基堆積以及對靶鏈的切割影響很小。單堿基凸起發生在靶鏈的種子區中（6’U7’和6’A7’）能夠引起復合物結構明顯的構象變化，影響對靶鏈的切割。單堿基凸起6’N7’對于引導鏈和靶鏈的互補穩定性以及切割活性的影響較大。由于引導鏈的5’末端第一個堿基不與靶鏈形成互補配對，當該位置的堿基發生變化時，對引導鏈和靶鏈的互補穩定性以及Ago蛋白的切割活性影響較小。

基因編輯技術獲得遺傳增強的優質干細胞

中國科學院生物物理研究所劉光慧課題組、動物研究所曲靜課題組、北京大學湯富酬課題組聯合開展基因編輯技術的應用研究，改寫了人類基因組遺傳密碼中的單個堿基，首次在實驗室中獲得了遺傳增強的干細胞（Genetically Enhanced Stem cells，GES細胞）。這種GES細胞能夠對細胞衰老和致瘤性轉化產生雙重抵抗作用，因此為開展安全有效的干細胞治療提供了可能的解決途徑，相關論文發表于《細胞研究》。通過NRF2基因的單堿基置換可以賦予人類干細胞更強的抵御應激和衰老的能力，以及在體內更好的留存和再生修復功能，甚至對干細胞癌變的抵抗活性；從概念上證明了利用該策略獲得優質安全細胞移植物的可行性。

原核生物轉錄調控元件的絕緣化設計原則

中國科學院微生物研究所婁春波課題組與合作者在開發了一套普適于原核生物轉錄調控元件的絕緣化設計原則，該原則通過絕緣化處理消除了基因轉錄過程的核心元件——啟動子和操作子之間的功能干涉效應，顯著提高了它們的模塊化屬性和組裝過程可預測性，從而在生物基因層面實現了計算機輔助設計和虛擬優化的全過程，研究論文發表于《自然—通訊》。啟動子和操作子是轉錄調控的核心元件。啟動子負責招募RNA聚合酶開啟轉錄過程；操作子則通過招募轉錄因子控制啟動子活性的上調或下調，從而實現基因表達信息流的整合與調控。基因表達調控作用是細胞生長、代謝和分化等重要生命活動的基礎。

細菌中脂滴結合DNA并參與轉錄調控的新功能

中國科學院生物物理研究所劉平生課題組發現細菌脂滴能夠通過其主要蛋白MLDS結合并保護基因組DNA，以及通過MLDSR蛋白參與轉錄調控，從而有利于細菌在極端環境下生存，研究論文發表于《自然—通訊》。脂滴是一種以中性脂作為內容物、由單層磷脂膜和外周蛋白包被的球型細胞器。脂滴單層磷脂膜的特異性，特別是脂滴結構蛋白對脂滴的特異識別，表明脂滴是細胞中非常特殊的且區別于其他雙層磷脂膜細胞器的膜結構。細菌脂滴的出現，給細菌提供了一種嶄新的、不同于細胞質膜的細胞區隔化方式。細菌脂滴的出現，有可能是原始細胞核的雛形，是細胞由原核到真核進化的一個重要里程碑。

線粒體炫調控神經元突觸水平的長時程記憶

中科大生命科學學院畢國強課題組與北京大學分子醫學研究所程和平課題組合作，發現神經元樹突“線粒體炫信號”在神經突觸傳遞短時程記憶向長時程記憶的轉化中可能發揮著關鍵作用，研究論文發表于《自然—通訊》。線粒體炫是單個線粒體的量子化信號，它含有線粒體活性氧激增、基質瞬時堿化、膜電位瞬時下降等多重變化，時程為數十秒，是新形式的線粒體基本功能事件。線粒體炫廣泛存在于多個物種及多種細胞。突觸可塑性是學習記憶的神經基礎。線粒體炫的發生依賴于神經活動鈣信號及鈣依賴性激酶，其所釋放的活性氧信號可能是促進突觸長時程增強的信號分子。