世界一流科技期刊文章精選

Nature

熱成像揭示原始小行星的高度多孔性質

Nature封面：碳質（C型）小行星“龍宮”（162173 Ryugu）的熱像圖。Nature雜志第7800期封面文章報道了“隼鳥2號”探測器搭載的熱像儀TIR在“龍宮”上所捕捉到的熱數據分析結果。分析結果顯示，該小行星可能是由許多高度多孔的小巖石松散組成的。Tatsuaki Okada等認為，“龍宮”可能代表了太空中大量彌漫的毛狀灰塵與行星這類致密天體之間缺少的一環。C型小行星是最常見的小行星類型。C型小行星形成于46億年前左右，組成它們的原始物質或有助于闡明太陽系的起源。

白堊紀最溫暖時期的南極附近存在溫帶雨林

Nature封面：大約9000萬年前西南極所存在的溫帶雨林的藝術想象圖。Nature雜志第7801期封面文章報道了對西南極地冰架的沉積層序的分析結果。白堊紀中期是過去1.4億年里最溫暖的時期之一。該研究表明土倫期-桑頓期（9200萬—8300萬年前）西南極存在過一個溫帶雨林樣的生態系統。分析的沉積巖心具有一個3米長的化石根系網——嵌在泥巖基質中，包含各種花粉和孢子。針對該雨林的氣候重建模型顯示，當時的南極無冰，而且大氣二氧化碳濃度為1120～1680ppm，遠高于今天的407ppm。

可實現塑料瓶降解回收的一種PET工程解聚酶

Nature封面：塑料瓶垃圾堆。Nature雜志第7802期封面文章報道了一種經過工程改造的酶，它可以有效降解PET至其單體組分。經過10個小時后，團隊的PET水解酶可以實現至少90%的PET解聚。尤其是，降解后的單體與利用石油化工原料新生產的單體具有近乎相同的特性，因此能再用于制作塑料瓶——讓我們離實現基于PET的循環經濟更進一步。廢塑料是一個重要的環境問題，每年約有2億噸廢塑料集聚在填埋場或自然環境中。聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是造成這一問題的一個主要因素。

中微子震蕩中的物質-反物質對稱性破壞相的約束

Nature封面：超級神岡探測器。Nature雜志第7803期封面文章報道了電荷共軛與宇稱反演（CP）破壞的進展。T2K協作組織報告了關于中微子與反中微子之間差異的測量結果，置信度為99.7%，意味著在95%的置信度水平上顯現出CP破壞。T2K協作組織捕獲了日本東海的J-PARC加速器設施在295公里外產生的中微子，確定了μ子中微子變為電子中微子的概率似乎不同于μ子反中微子變成電子反中微子的概率，展現了輕子存在CP破壞的跡象。如果有更精確的測量結果證實它，那么這種破壞或許有助于解釋宇宙中多余的物質是如何形成的。

（本頁期刊封面圖來自Nature官網）

Science

溶液中單個配體保護的納米晶體在三維原子結構上的關鍵差異

Science封面：溶液中鉑納米晶體的三維原子結構的選擇。Science雜志第6486期封面文章報道了納米晶體在溶液相中的結構分析研究。通過開發原子級分辨率的3D液體細胞電子顯微鏡解析了單個膠體鉑納米晶體的結構，揭示了溶液中配體保護的鉑納米晶體關鍵內在異質性，包括結構簡并性，晶格參數偏差，內部缺陷等。這些結構上的差異導致對自由能貢獻的不同。單批合成的鉑納米晶體的高分辨三維原子排列具有關鍵的結構差異，通過精確的原子位置分配，結構和應變分析可以精確提高所需性質。

一種被稱為任意子（Anyon）的準粒子的觀測證據

Science封面：二維導體中實現任意子對撞機的藝術圖。Science雜志第6487期封面文章報道了科學家成功觀測具有拓撲量子效應的任意子。物理學家發現了第一個實驗證據，表明有些粒子既不屬于費米子，也不屬于玻色子，而屬于一個新的、粒子第三王國。該研究涉及的二維Anyon對撞機具有超小型規模，需使用電子顯微鏡觀察其內部的動作。對撞機由設置在分層材料之間的二維平面組成，存有保持在強磁場內的量子霍爾液體。從量子拓撲上可以推斷出任意子的存在，量子系統制造的形狀具有新穎性。

干旱時間

Science封面：索馬里難民在肯尼亞達達布附近的一個營地尋求援助。Science雜志第6488期特刊文章探討了干旱的科學和社會影響，包括過去、現在和將來。2011年，干旱加劇了約43萬名逃離索馬里暴力沖突的難民的苦難。與干旱相關的饑荒會造成嚴重后果。科學家們正在使用新的監測工具來識別有饑荒風險的地區，并幫助抵御饑餓。在新南威爾士州德尼利奎因附近的內陸地區，由于炎熱的北風吹走了農田的土壤，2006—2007年澳大利亞夏季遭受了毀滅性的干旱。干旱對人類和環境構成了日益復雜的挑戰。

陸地昆蟲豐度下降，但淡水昆蟲豐度增加

Science封面：來自不同目的昆蟲的集合。Science雜志第6489期封面文章報道了對現有數據的一項分析結果，陸地昆蟲組合的總體下降，而淡水組合的總體增加。科學家們收集了1676個地點的166個長期昆蟲聚集調查的數據，以調查昆蟲豐度隨時間的變化趨勢。總的來說，發現即使在鄰近的地點，其趨勢也有相當大的變化，但陸地昆蟲的豐度平均每十年下降9%，淡水昆蟲的豐度每十年增加11%。這兩種模式在很大程度上是受到北美和一些歐洲地區強勁趨勢的推動。也有一些與潛在驅動因素（如土地利用驅動因素）的關聯。

（本頁期刊封面圖來自Science官網）

量子科技

發現陳數籠目磁體TbMn6Sn6

北京大學物理學院量子材料科學中心賈爽副教授、普林斯頓大學的M. Zahid Hasan教授以及合作者研究了一種新的籠目磁體TbMn6Sn6。相關論文發表于Nature。這種材料具有分立的純凈錳原子形成的籠目晶格，而且其同時具有平面外鐵磁基態以及較大的磁矯頑力。實驗利用光譜成像方法直接觀察到了具有平面外磁化的純凈錳基籠目晶格。當外加磁場時，在籠目晶格上觀測到了明顯的朗道量子化，這在其他任何籠目材料中都沒有發現。這種特有的朗道扇結構揭示了自旋極化的狄拉克費米子具有很大的陳數能隙。實驗還發現了顯著的本征反常霍爾效應標度，這與譜學研究結果完全一致，證明能隙的陳數為1。

反常霍爾電阻率與電阻率的平方成正比（圖片來源于北京大學新聞網）

量子極限下的狄拉克電子（圖片來源于北京大學新聞網）

量子點光催化劑活性中心的定點“錨定”研究進展

中國科學院理化技術研究所吳驪珠、李旭兵等在量子點光催化劑活性中心的定點“錨定”及其優異產氫性能研究方面取得新進展。相關論文發表于Matter。通過人工光合成將太陽能轉化為化學能并以氫氣等形式儲存起來，是太陽能轉化和利用的一種有效途徑。在眾多人工光合成制氫反應研究中，基于半導體量子點與廉價金屬離子構筑的人工光合成體系展現出了高活性和穩定性，已成為光催化分解水制氫的一條高效、便捷且經濟的途徑。研究團隊發展的選擇性陽離子交換的手段實現廉價金屬離子在量子點表面的定點、定向負載，為構筑高效、穩定的光催化劑提供了新策略。

較低能量下化學反應中的量子幾何相位效應

中國科學院大連化學物理研究所孫志剛、楊學明等與中國科技大學教授王興安合作，在H+HD→H2+D反應中的幾何相位效應研究中取得新進展。相關論文發表于Nature Communications。研究發現，與之前2.77電子伏反應能量處的幾何相位效應不同，在較低能量處，幾何相位效應不僅體現在前向散射振蕩上，而且較多地體現在后向散射振蕩上。研究者采用經典軌線理論分析，揭示了幾何相位效應來自于直接反應途徑和漫游反應途徑的干涉效應。論文證實了在采用波恩奧本海默近似之后，化學反應中的幾何相位效應是真實存在的。幾何相位效應對于化學反應的影響，是以影響微分截面的角分布樣式而體現的。

銀銦硫量子點的自發輻射放大效應研究

中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室和重慶大學合作，通過使用銀銦硫量子點作為增益介質，獲得放大的自發輻射作用，具有良好增益性能。相關論文發表于Journal of Materials Chemistry C。研究團隊探索了一三五族膠體量子點的受激特性，即自發輻射放大性能。通過將兩個高反射性布拉格反射鏡作光學諧振腔，結合具有高光致發光量子產率（52%）的銀銦硫量子點作為增益介質，實現了光放大效應。此外，通過調節布拉格反射鏡的層數以找到更好的器件結構。論文揭示了傳統銀銦硫量子點作為光放大資源的可行性，有效設計布拉格光學微腔在光放大方面具有應用前景。

超導量子計算實驗進展：動力學相變的超導量子模擬

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心與浙江大學在超導量子計算研究方面開展合作，許凱、鄭東寧、范桁、王浩華、野理（F. Nori）等人利用16個超導量子比特實現了動力學相變的量子模擬。相關論文發表于Science Advances。合作團隊利用前期20量子比特薛定諤貓態工作中所研發的全聯通超導多量子比特器件。實驗展示了第一類動力學相變。通過對多比特量子態自旋壓縮性質的測量，揭示了動力學相變臨界點和自旋壓縮態產生的直接關聯。通過測量不同橫場強度下自旋壓縮系數的時間演化，發現動力學相變臨界點附近的自旋壓縮最為顯著，測得的壓縮系數體現了多體真糾纏的存在。

實驗所用制備20量子比特薛定諤貓態時的器件概念圖，這次實驗選取了其中16個量子比特，這16個量子比特間的相互作用大小如右圖所示（圖片來源于中國科學院物理研究所網站）

時間域上自旋壓縮系數的最小值隨橫場強度的變化（圖片來源于中國科學院物理研究所網站）

實驗實現最優量子糾纏態檢驗

中國科學技術大學郭光燦院士團隊首次實驗實現了最優效率的多光子糾纏態檢驗。相關論文發表于Physical Review Letters。量子糾纏是量子通信和量子計算研究中重要的資源，制備高質量的糾纏態是實現眾多量子信息方案的基本前提。而如何刻畫這些實際糾纏態的質量是實施相關量子信息方案首先要解決的問題。研究人員構造了一種新的糾纏態測量方法，可以快速檢驗出實際制備的多體糾纏態相對于目標糾纏態的保真度，測量精度達到海森堡極限，更重要的是該方法所需測試樣本數不會隨著糾纏態規模增大而增加。最優量子糾纏態檢驗方法對大規模量子通信和量子計算網絡具有重要意義。

量子計算算法模擬化學分子研究

北京量子信息科學研究院和清華大學聯合團隊魏世杰、龍桂魯等開展了全量子本征求解器（Full Quantum Eigensolver，FQE）研究。相關成果發表于Research。把二次量子化的費米哈密頓量映射到希爾伯特空間的比特形式哈密頓量，應用量子梯度下降算法求得哈密頓量的基態能量和基態波函數。具體而言，在一個量子計算系統中，首先設定一個合適的量子初態，通過構造的量子算法給出量子線路實現對應的動力學演化，通過迭代收斂到基態，最后測量量子態得到需要的信息。FQE全部在量子計算機上進行，可以在現在的53比特的IBM和谷歌的有噪量子計算機上計算，也可在今后大型的容錯量子計算機上計算。

拓撲量子磁性研究進展

清華大學物理系江萬軍課題組與國內外合作者在拓撲磁結構的旋性布朗運動方面取得進展。相關論文發表于Physical Review Letters。研究發現磁性薄膜中斯格明子的布朗運動行為與愛因斯坦的理論預測存在顯著差異。斯格明子是一種具有自旋拓撲屬性的準粒子，它在熱擾動影響下會發生隨機運動。取決于斯格明子的自旋拓撲態，具有相反拓撲電荷Q=±1的斯格明子，布朗運動軌跡分別沿順時針和逆時針方向旋進。由于缺陷的釘扎效應，還觀測到擴散系數隨溫度呈指數依賴關系，這與愛因斯坦的線性溫度擴散理論相違背。此項研究為理解拓撲磁結構的非平衡動力學和自旋電子器件的開發和應用提供了幫助。

微生物學

光合裝置的天然結構狀態、相互作用及環境適應性

中國海洋大學海洋生命學院、深海圈層與地球系統前沿科學中心張玉忠教授團隊與國內外合作者開展了藍藻光合膜天然結構研究。相關論文發表于Nature Plants。該研究利用高分辨率原子力顯微鏡技術，以藍細菌模式菌株Synechococcus elongatus PCC 7942為研究材料，對其光合膜——類囊體膜進行了高分辨率成像，在納米水平上展示了類囊體膜上光合復合物的天然結構及相互結合方式，并解釋了類囊體膜結構和功能的光適應調節機制。對近生理狀態下的藍細菌類囊體膜結構的認知將加深我們對藍細菌、真核藻類以及高等植物的光合裝置的生理功能及環境適應的理解。

高光適應的藍藻光合膜超分子結構模型圖（圖片來源于中國海洋大學網站）

藍藻Syn7942類囊體膜上NDH-1復合物的天然結構及其與PSI的相互關系（圖片來源于中國海洋大學網站）

揭示由SIV/HIV感染所觸發的腸道菌群遷移模式及概率

中國科學院昆明動物研究所馬占山團隊揭示了由SIV/HIV感染所觸發的腸道菌群遷移模式及概率。相關論文發表于FEMS Microbiology Ecology。研究人員通過分析SIV感染的獼猴的多組織（包括腸道、腸系膜淋巴結和肝臟）菌群數據，發現微生物從胃腸道逃逸到其他組織的過程類似于物理學中的隨機游動（random walk）。也就是說，雖然腸道微生物逃逸很可能是由于SIV感染導致的，但逃逸的過程是隨機的，并非有組織的確定性遷移。此外，該研究還發現菌群從胃腸道逃逸至腸系膜淋巴結或肝臟的概率（即遷移率，在屬水平均＞0.5）顯著高于菌群在胃腸道內部的擴散率。

G-四鏈體調節豬偽狂犬病毒基因表達和病毒復制研究

華中農業大學理學院位燈國教授團隊和動物科學技術學院、動物醫學院劉正飛教授團隊合作，發現偽狂犬病毒立即早期基因IE180 3’UTR通過形成G-四鏈體調控基因表達和病毒復制。相關論文發表于RNA Biology。G-四鏈體是由鳥嘌呤富集序列形成的特殊二級結構，它的形成或解散可調節基因的復制、轉錄和翻譯等過程。G-四鏈體在病毒中的研究主要集中在對人類免疫缺陷病毒HIV、丙型肝炎病毒HCV等人類病毒的研究。近年來，豬偽狂犬病毒（PRV）變異毒株使現有的商品化PRV疫苗不能對變異株提供完全保護力，給養豬業造成了很大的損失，人們開始研究PRV潛伏感染建立、維持、激活機制以及開發抗病毒藥物。

新發布尼亞病毒免疫炎癥調節機制研究

中國科學院武漢病毒研究所/病毒學國家重點實驗室/生物安全大科學研究中心鄧菲、王華林、寧云佳團隊揭示了SFTSV感染誘導炎癥免疫反應的重要機理，為發熱伴血小板減少綜合征炎癥病理的深入理解提供了線索。相關論文發表于Journal of Biological Chemistry。哺乳動物進化出一系列的模式識別受體來識別入侵病原的核酸或者其他保守的分子組分，進而誘導炎癥和免疫響應。機制上，SFTSV可通過其非結構蛋白將宿主分子TRIM25（RIG-I激活所需的泛素連接酶之一）特異性“監禁”到病毒包涵體中，有效抑制RIG-I的泛素化激活，從而在RIG-I信號的起始階段拮抗宿主細胞免疫響應。

利用計算推動微生物轉氨元件發掘與氨基酸高效利用

中國科學院微生物研究所的吳邊團隊開發了一種基于轉氨酶的多酶級聯系統，能夠直接將L-氨基酸氧化為對應的酮酸，該團隊從生物信息大數據出發，通過一系列生物信息學與計算生物學結合的方法，尋找兼容上述級聯反應的新型轉氨元件以擴大其應用范圍。相關論文發表于ACS Catalysis。通過對序列和結構的組合分析，建立了針對不同家族的轉氨元件高效快速的計算篩選方法，將未知序列展開到二維平面上，通過對序列所在位置的分布進行計算篩選，從數據庫中的一萬余個轉氨元件中選取了27個候選序列進行測試。最終建立了一個由6個具有互補的底物選擇性的轉氨元件構成的酶工具箱，實現了對天然L-氨基酸的全覆蓋。

使用微生物酶級聯反應高效轉化天然氨基酸為高值化合物（圖片來源于中國科學院微生物研究所網站）

通過計算技術挖掘微生物轉氨元件（圖片來源于中國科學院微生物研究所網站）

黃櫨枯萎病菌致病性研究

北京林業大學林學院森林病理學研究團隊王永林等解析了黃櫨枯萎病菌（大麗輪枝菌）bZIP轉錄因子VdAtf1作為新的氮代謝調節因子控制致病過程的分子機制。相關論文發表于New Phytologist。大麗輪枝菌是一種土傳性植物病原真菌，世界范圍內分布，其寄主范圍多達400種以上，包括黃櫨、紫荊、馬鈴薯、棉花和向日葵等，引起嚴重的植物維管束病害，造成巨大的經濟和生態損失。該研究發現大麗輪枝菌bZIP家族轉錄因子VdAtf1調控致病性的新機制。敲除該基因不影響病原菌對活性氧脅迫的敏感性，而參與了對活性氮的應答。此外，該研究還證實了禾谷鐮刀菌FgAtf1也參與氮代謝。

海綿共附生毛球腔屬真菌活性代謝產物及降脂機制研究

中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室和廣東省海洋藥物重點實驗室劉永宏團隊與合作者對采自徐聞的美麗屬海綿來源毛球腔屬真菌進行了次級代謝產物研究，在呋喃酮類化合物降脂機制研究方面取得進展。相關論文發表于Journal of Cellular and Molecular Medicine。海綿是多孔濾食性無脊椎動物，是大量海洋微生物的棲息地，是海洋珊瑚礁生態系統的重要組成部分。海綿自身物理防御差，海綿共附生的微生物往往能夠產生活性代謝產物來協助海綿抵抗捕食者，這些代謝產物結構獨特，生物活性豐富，是海洋藥物及其先導化合物的重要來源。

水稻抗病毒免疫機制

北京大學生命科學學院李毅課題組揭示了水稻茉莉酸（JA）信號通路通過調控RNA沉默（RNAi）信號通路促進水稻抗病毒免疫的機制。相關論文發表于Cell Host & Microbe。水稻條紋病毒（Rice stripe virus，RSV）是由昆蟲傳播的病毒，除侵染水稻外，還可以侵染小麥、大麥等禾本科作物。被感染水稻心葉基部出現褪綠的黃白色斑條，嚴重時心葉整片黃化甚至枯死，嚴重影響水稻產量。該研究揭示了病毒侵染后植物JA信號通路與RNAi信號通路協同參與水稻抗病毒防御的分子機制，發現了JAMYB作為響應JA信號通路的轉錄因子參與水稻AGO18的轉錄調控；同時揭示了水稻中獨特的RSV CP介導的抗性的分子機制。