科技名刊精選

Nature

電鯊放電的原理

Nature封面：身體電。Nature雜志第7708期封面文章報道了負責鯊魚和鰩魚電信號檢測細胞的獨特生理特性。美國加州大學舊金山分校的David Julius及其同事表明網紋貓鯊（Scyliorhinus retifer）的電感應細胞表達特化的電壓門控鉀離子通道，這些通道會發出大規模重復性的膜電涌，以響應小而短暫的電刺激。與之相比，猬白鰩（Leucoraja erinacea）則使用鈣激活鉀離子通道產生小而可調的膜電壓振蕩，引起刺激依賴性囊泡釋放。這些研究結果表明了感官系統如何通過獨特的分子和生物物理修飾來適應動物的生活方式或生態位。

善變的藝術家

Nature封面：一款新材料。Nature雜志第7709期封面文章報道了軟材料。軟材料可以根據不同的刺激在不同的3D形狀之間切換，有望應用于機器人學、電子和生物醫學領域。但是這種形變速度較慢，有時候可能需要幾分鐘才能完成。新技術制造的軟材料可以在磁場的作用下，在不到一秒的時間內實現快速可逆的形變。研究人員使用3D打印技術將鐵磁性釹鐵硼微粒嵌入硅橡膠基體內。通過在打印階段控制微粒的排列，可以設定打印對象的不同區域實現特定的形變，由此制造的材料可以執行滾動、跳躍、抓住物體等一系列動作。

珊瑚礁生長速度難以跟上海平面上升速度

Nature封面：珊瑚礁。Nature雜志第7710期封面文章報道了熱帶珊瑚礁的生長對維持珊瑚礁結構和生境多樣性至關重要，對保護眾多海岸線免受波浪侵蝕、抵御洪水風險也具有重要意義。研究人員分析了熱帶西大西洋和印度洋的珊瑚礁的生長率，發現盡管珊瑚礁目前的生長速度與海平面上升速度可能保持同步，但珊瑚礁生態的變化意味著在氣候變化預測的中度或重度海平面上升場景下，這兩個地區的珊瑚礁很少能夠跟上海平面上升速度。該研究小組認為，擁有低洼的海岸線的地區和小島嶼國家可能會失去一個重要的海岸保護傘。

亞洲科研“五小龍”

Nature封面：新加坡的擎天樹（Supertree Grove）。Nature雜志第7711期特刊介紹了亞洲五個重要的科研中心，分別來自新加坡、中國香港、馬來西亞、韓國和中國臺灣地區。5個科研中心的科學家們詳細介紹了各地區正在積極開展的各項科研工作，如基因組編輯和綠色能源開發等；另外也介紹了各地區不斷變化的科研環境如何吸引人才。科學家們還指出聚焦科研發展有助于解決社會熱點問題，如醫療衛生和空氣污染。這五大科研中心可能不是亞洲地區最頂尖的科研力量，但正迅速成為全球科學發展的主要推動力。

Science

遠未結束

Science封面：男孩Yusuf Adamu。Science雜志第6394期封面文章報道了世界已經圍繞“結束艾滋病”的目標團結起來，但是終結艾滋病還有一段很長的路要走。封面男孩叫Yusuf Adamu，12歲，處于艾滋病晚期，正在尼日利亞阿布賈的Asokoro地區醫院接受x光檢查。盡管世界正在逐漸接近“終結艾滋病”的目標，但是不可否認，艾滋病病毒仍在一些地方肆虐。雖然強效抗逆轉錄病毒藥物可以阻止其傳播并延長壽命，但由于貧困和其他社會經濟因素，許多感染者無法獲得這些藥物。

喂養眾神

Science封面：阿茲特克人的頭蓋骨。Science雜志第6395期封面文章報道了墨西哥考古新發現。墨西哥國家人類學和歷史研究所的考古學家在在墨西哥城市中心的一座殖民時期的房子下發現并挖掘出了頭骨遺骸。在16世紀阿茲特克市的特諾奇蒂特蘭（Tenochtitlan），牧師將受害者的心臟從胸前切開，然后將尸體斬首并使頭骨脫落。人類祭祀受害者的頭骨被掛到木柱上。大多數這些頭骨都被綁定在城市中心的巨大頭骨tzompantli上——一個巨大的架子。科學家正在研究這個古老儀式的相關情況。

明天的地球

Science封面：明天的地球。Science雜志第6396期封面文章報道了“明天的地球”專題系列，科學家們在探索通往更可持續未來的道路。不斷增長的人口正以越來越快的速度改變著我們的星球，導致氣候變化、資源減少和生物多樣性的喪失。繼續走現有的道路可能會危及我們自己和其他物種的福祉，但改變道路涉及到艱難的選擇。在明天的地球專題系列中，我們將探索通往更可持續未來的道路。

隱藏的沖突

Science封面：調查報告——隱藏的沖突。Science雜志第6397期封面一份調查報告揭示了FDA審查藥物咨詢小組的一些情況。一項對醫生在對藥物批準建議進行投票后支付藥費的分析表明，美國食品和藥物管理局（FDA）需要考慮未來獎勵的前景是否會影響其咨詢小組。FDA可能錯過了這些顧問更傳統的利益沖突。另一個故事是關于FDA工作人員對旋轉門的擔憂。根據2013年至2016年聯邦公開支付網站上的記錄，在這段時間里，107名醫生顧問參與了FDA咨詢委員會的投票，其中26人后來從制藥商或競爭公司那里拿到了10多萬美元。

生命科學

人造單染色體真核細胞創建成功

中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室覃重軍研究團隊與合作者在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞，研究論文發表于Nature。研究團隊完成了將單細胞真核生物釀酒酵母天然的16條染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體。該項工作表明，天然復雜的生命體系可以通過人工干預變簡約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。雖然人工創建的單條線型染色體的三維結構發生了巨大變化，但SY14酵母具有正常的細胞功能，揭示了染色體三維結構與實現細胞生命功能的全新關系。

平板（圖片來源于SINA English）

釀酒酵母（圖片來源于SINA English）

高質量中國大豆基因組發布

中國科學院遺傳與發育生物學研究所田志喜研究員、中國科學技術大學馬世嵩教授、江蘇省農業科學院種質資源與生物技術研究所杜建廠研究員、北京貝瑞和康生物技術有限公司等聯合研究團隊，綜合運用單分子實時測序（SMRT）、單分子光學圖譜（optical mapping）和高通量染色體構象捕獲技術（Hi-C），對中國國審大豆品種——中黃13的基因組 (Gmax_ZH13)進行從頭組裝，最終得到1.025Gb的基因組序列，包含20條染色體和1條葉綠體。相關研究發表于Science China Life Science。該基因組Contig N50為3.46Mb，Scaffold N50為51.87Mb，是目前基因組連續性最好的植物基因組之一。

合成生物學構建“超簡固氮基因組”

北京大學生命科學學院王憶平教授、英國JIC研究中心Ray Dixon教授等通過對該系統多層次有效的定量評估，漫長而復雜的多輪排列組合，將原本以6個操縱子（共轉錄）為單元的含有18個基因的產酸克雷伯菌鉬鐵固氮酶系統成功地轉化為5個編碼Polyprotein的巨型基因，并證明其高活性可支持大腸桿菌以氮氣作為唯一氮源生長。相關論文發表于PNAS。通過合成生物學方法實現固氮酶系統的簡化是將固氮酶系統導入植物細胞，實現植物自主固氮過程。該研究成果使得新構建的固氮系統更符合未來向真核系統乃至農作物轉化的需求，使我們進一步看到了徹底擺脫工業氮肥的希望。

人源細胞色素c氧化酶的完整結構

清華大學生命科學學院楊茂君教授研究組報道了14個亞基組成的人源細胞色素c氧化酶的完整結構，相關論文發表于Cell Research。研究論文報導了人源細胞色素c氧化酶（呼吸鏈復合物IV）的完整結構，分辨率達到3.3埃。完整的人源細胞色素c氧化酶由14個亞基組成一個單體，而不是傳統認為的兩個13個亞基組成的二聚體。NDUFA4結構的解析解決了這個矛盾，并解釋了晶體結構中細胞色素c氧化酶二聚的原因。與之前牛源細胞色素c氧化酶不同，Cox7A2、Cox6A1和Cox8A分別替代了亞基Cox7A1、Cox6A2和Cox8B，這三個亞基的結構首次被解析。

生命科學

家蠶吐蛛絲

中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所譚安江研究組利用基因定點替換的方法在家蠶絲腺和蠶繭中大量表達蜘蛛絲蛋白，研究成果發表于PNAS。蜘蛛絲是自然界中機械性能最好的天然蛋白纖維，其強度甚至高于用于制作防彈衣的凱夫拉纖維，在工業、醫療和國防上都有著廣泛的應用前景。科學家利用基因組編輯工具TALEN完全敲除了FibH編碼區，同時保留了編碼區上下游完整的調控序列。在此基礎上定點整合了含有部分蜘蛛絲基因和熒光標記的DNA片段。新家蠶絲腺生物反應器系統為利用家蠶大量生產新型纖維材料及表達其他高附加值蛋白提供了新的策略。

利用基因組編輯家蠶大量表達蜘蛛絲（圖片來源于中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所）

世界上海拔分布最高的蛇類基因組

中國科學院成都生物研究所李家堂研究團隊和中國科學院昆明動物研究所張亞平研究團隊等合作研究了溫泉蛇的基因組，并通過比較基因組學揭示了其適應高海拔極端環境的遺傳機制，研究論文發表于PNAS。極端環境生物可以在強輻射、缺氧等極端環境中繁衍生息，長期的適應性進化使得這些生物在基因結構組成、酶特性及代謝功能等方面均不同于其他生物。溫泉蛇屬（Thermophis）隸屬于游蛇科，該屬目前包括3個物種：溫泉蛇（Thermophis baileyi）、四川溫泉蛇（Thermophis zhaoermii）和香格里拉溫泉蛇（Thermophis shangrila），均為中國特有的珍稀物種，生活于青藏高原高海拔地區，主要棲息在溫泉附近的石堆、水邊和沼澤草甸。

區分情境依賴的優勢和劣勢不公平厭惡的神經基礎

北京大學心理與認知科學學院及麥戈文腦科學研究所周曉林教授團隊運用特定心理行為任務，并結合計算模型和功能磁共振成像技術對優勢和劣勢不公平厭惡的腦機制進行了解析，研究成果發表于PNAS。該研究提示優勢和劣勢不公平厭惡的加工涉及不同的認知神經機制，主要體現在腦島神經表征的空間計量效應。劣勢不公平感主要是情緒主導的，而優勢不公平感則是一個心智化的表現。人們對于資源分配的不公平普遍會產生反感或厭惡，這一心理機制有利于促進人類的利他行為。人們不僅反感自己比別人獲得的資源少（即劣勢不公平厭惡），在一定程度上也會反感自己比別人獲得的資源多（即優勢不公平厭惡）。

光誘導手性半導體納米粒子對DNA位點選擇性剪切

江南大學匡華教授研究團隊率先發現手性納米粒子的DNA特異性剪切效應，并實現細胞與活體內靶標DNA的精確剪切，研究成果發表于Nature Chemistry。A和T堿基偏好于吸附在離切角四面體中心最近的邊緣，而G和C堿基偏好于吸附在離切角四面體晶面最近的拐角處。當序列中存在ATAT序列時，底物DNA能夠吸附于粒子的邊緣，而G和C堿基則吸附在粒子的兩側角，使得粒子恰好進入GATATC“口袋”，使得這種特殊構型的納米粒子特異性識別DNA的GATATC位點；隨著靶位點與粒子的結合，使得T^A之間化學鍵拉長弱化，在光激發下，結合口袋中局域高濃度的羥基自由基，進攻GAT^ATC位點的磷酸二酯鍵，實現底物DNA特異性剪切。

聲光電磁

調控等離子體結構產生相對論光強、單周期可調諧紅外脈沖

清華大學工程物理系魯巍教授課題組系統闡述了一種基于等離子體“光子減速”機制產生相對論光強可調諧超快紅外激光脈沖的全新方案，相關研究結果發表于Nature Photonics。該方案利用特定“三明治”結構等離子體作為非線性光學器件（“光子減速器”），將普通波長約0.8μm～1μm的超快超強激光脈沖以極高的效率轉化為波長在5μm～14μm范圍內可調諧的相對論光強近單周期飛秒紅外激光脈沖。激光尾波作為“帶電粒子加速器”的同時，對于激光自身而言卻是一個“光子減速器”。激光通過能量損失產生尾波，而激光自身光子的頻率不斷下降（波長變長），其在等離子體中的等效速度（群速度）也不斷變慢，即“光子減速”機制。

相關光譜信息（圖片來源于清華大學）

“三明治”型等離子體結構密度分布與單周期超強紅外脈沖（12μm中心波長）等（圖片來源于清華大學）

自適應雙向turbo均衡器成功應用于水聲通信系統

中國科學院聲學研究所鄢社鋒研究組將雙向均衡結構應用到自適應turbo均衡器中，并且提出了適合于高階調制模式下turbo均衡系統的雙向合并方案。相關成果發表于The Journal of the Acoustical Society of America。均衡器用于消除多徑效應造成的碼間干擾，是實現遠距離高速水聲通信不可或缺的關鍵技術。近幾年，自適應turbo均衡器變得簡便、計算量小。但是該均衡器的性能受限于自適應算法的收斂速率，在快速時變的水聲信道中會出現誤差傳播效應，穩健性較差。雙向均衡結構利用了前向均衡器和反向均衡器輸出誤差相關性極低的特點，結合兩個均衡器的結果提取雙向均衡增益，從而抑制誤差傳播，提升算法性能。

外爾聲子晶體中的聲表面波拓撲負折射

武漢大學物理科學與技術學院的劉正猷、邱春印研究團隊在拓撲聲學研究領域取得重要進展，他們利用外爾晶體的拓撲表面態傳輸特性，實現了無反射的聲波負折射效應，研究成果發表于Nature。研究團隊發現了一類全新的界面波動響應——拓撲正折射和拓撲負折射，這是基于聲學人工結構的一種新型材料，即“外爾聲子晶體”。區別于已知的折射現象，界面造成的反射波可以完全被禁止。進一步研究表明，這種有趣的界面現象和聲子晶體的能帶拓撲特性有關。不難推測，類似現象也可在光學體系、凝聚態體系中實現，并有望用于設計新型的經典、量子波功能器件。

低成本桌面磁共振波譜儀

中國科學院蘇州醫工所醫學影像室楊曉冬、郁朋等人，研究了一種基于Halbach磁體的低成本緊湊型小型核磁共振系統，成果發表于Journal of Magnetic Resonance。該系統具有結構緊湊和場強高的優勢。系統采用3層Halbach磁體和楔形機械結構用于磁體快速組裝。初始磁場強度分布的仿真和計算結果的比較表明，設計理論和實踐相吻合。在使用兩個磁性塊和鎢鋼片進行無源被動勻場后，在同一區域內均勻性達到120ppm，開發并測試了具有數字調制和解調功能的緊湊型單板數字化磁共振譜儀以實現結構緊湊和改善信噪比，并使用自制探頭進行波譜實驗，在直徑為1.5mm、長度為1mm的圓柱區域內，波譜半高寬達到20ppm。

聲光電磁

熒光壽命工程化的近紅外第二窗口納米顆粒解鎖活體多重成像

復旦大學化學系教授張凡團隊在近紅外熒光壽命活體成像領域取得重要進展，實現無創活體多重成像，有望為腫瘤精準診斷提供全新方法，相關成果發表于Nature Nanotechnology。研究團隊提出了“基于時間維度的多重成像法”，利用在近紅外第二窗口區具有熒光發射的稀土納米探針熒光壽命信號來實現活體多重成像。實現了在單一波長下對熒光壽命進行3個量級以上的精確調節。時間維度成像法還以“拍照”的形式取代了原本的活檢手術，不僅可以直接避免腫瘤細胞轉移的風險，同時降低了傳統方法在組織切片、處理和評分過程中可能造成的人為誤判風險，有望成為一種新型的無創腫瘤診斷方法。

（a）小鼠實驗的過程示意圖。（b）對MCF-7和BT-474乳腺癌腫瘤不同標志物的定量檢測（圖片來源于復旦大學）

（a）不同熒光壽命的稀土納米探針在離心管中的熒光壽命的偽色彩圖；（b）編碼小球中稀土納米探針Er發射通道和Ho發射通道的熒光壽命和熒光強度隨著不同厚度生物組織的變化。（圖片來源于復旦大學）

新型熱電材料

中國科學院上海光學精密機械研究所與山東大學、常州大學及上海大學多家研究機構的熱電材料研究小組合作，在合成超低熱導率的新材料方面取得重要進展，相關論文發表于Chemistry of Materials。熱電材料性能評價指標為熱電優值ZT，ZT由Seebeck系數、電導率和熱導率決定。但是3個參數之間相互耦合，難以實現獨立調控。研究人員利用陰陽離子協同剪裁，將籠式化合物與銻化物的結構基元進行組合，打破傳統籠式化合物的固有結構與比例，獲得具有“電子晶體—聲子玻璃”特性的新型類籠式化合物。這一新體系的發現為新型熱電材料的定向設計提供了重要依據。

鹵素類鈣鈦礦納米晶新進展

中國科學院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室光電材料動力學創新特區研究組（11T6組）吳凱豐研究員團隊發展了一種針對欠穩定材料的“無損”動態摻雜方法。展現出優異的發光和光電轉換性質，研究進展發表于Physical Chemistry Letters。采用三脈沖泵浦—泵浦—探測技術測量納米晶—電荷受體雜化材料的瞬態吸收動力學即可實現“無損”的動態電荷摻雜：第一束泵浦脈沖激發納米晶并觸發從納米晶到電荷受體的電荷分離，在納米晶的帶邊留下一個多余電荷；在電荷分離完成后，第二束泵浦脈沖再次激發納米晶，即可探測帶多余電荷的納米晶的激發態動力學。

基于超表面的全息成像技術研究進展

天津大學太赫茲研究中心韓家廣教授團隊實現反射式手性全息成像，研究論文發表于Nature系列刊物《光：科學與應用》。太赫茲波是電磁波的一種，廣義上指頻率為100GHz-10THz的電磁輻射。與我們熟知的紅外線、X光等不同，太赫茲是目前人類了解最少、開發最少的電磁波段，被稱為探索電磁波譜的“最后一段空隙”。研究團隊經過精密設計的超表面對太赫茲波能夠產生強烈的“手性響應”，使用這種超表面材料制成的全息板可以識別不同光的偏振態，記憶信息量也更豐富，讓全息板“變聰明”，最終實現完全獨立的全息成像，大幅度提高了全息板工作效率。