世界一流科技期刊文章精選

翼龍的黑素體支持早期羽毛的信號傳遞功能

《自然》封面：皇帝雷神翼龍（Tupandactylus imperator）的藝術想象圖。Nature雜志第7907期封面文章報道了翼龍可能有著不同顏色的羽毛。學界一直爭議這些長著皮膜雙翼的飛行爬行動物是否像現代鳥類一樣擁有不同顏色的羽毛。科學家分析了一個1.13億年前巴西雷神翼龍頭骨殘骸，他們在其頭冠底部發現了兩類羽毛，其中一類羽毛擁有與現代羽毛十分相似的分支結構，兩類羽毛和頭冠皮膚中還有能產生色素的細胞器。研究認為這些有顏色的羽毛可能曾被用來進行視覺通信，同時也說明這種控制羽毛顏色的能力比之前認為的出現時間更早。

保護區對水鳥種群影響復雜，但管理有所裨益

《自然》封面：卷羽鵜鶘（Pelecanus crispus）。Nature雜志第7908期封面文章報道了通過建立保護區來維持適宜的棲息地，這對水鳥種群的影響有好有壞。研究團隊調查了1506個保護區，評估了這些保護區對全球27 055個水鳥種群的影響。通過評估種群水平在保護措施實行前后的變化，以及這一變化在保護區和非保護區之間的差異，研究團隊發現了有利影響和不利影響，而且有很強的跡象表明，水鳥或其棲息地受到管理的區域更可能使水鳥種群受益。文章提出，保育策略不僅需要提高保護區的數量，還需要積極管理這些區域以增加成功的概率。

X射線探測到了一顆處于火球階段的新星

《自然》封面：這顆新星在火球階段的藝術再現圖。Nature雜志第7909期封面文章報道了利用eROSITA觀測設備拍攝的掃描圖，發現新星YZ Reticuli在光譜可見前數小時，發出了一道短促、明亮的X射線閃變。當從伴星那里吸積氫的白矮星出現不受控的熱核反應時，會發生新星爆炸；由此釋放的巨大能量最終會形成明亮的光源，成為肉眼可見的新星。科學家曾預測，其中一部分能量會在反應早期以強光度閃變的形式耗散掉，進入火球階段，產生可被觀測到的低能X射線。此項觀測結果證實了這一預測。

實現高效熱化學合成的可編程加熱和驟冷技術

《自然》封面：正在工作中的甲烷裂解加熱器。Nature雜志第7910期封面文章報道了一種節能脈沖式加熱和驟冷技術，合成效率得到大幅度提高。工業規模下，傳統化學反應的驅動通常依賴對反應物施加持續的熱能。研究團隊將甲烷裂解作為測試的反應模型，使用可編程電流在高低溫之間進行快速切換（一般為開0.02s，關1.08s）。研究發現通過對反應的急速冷激可實現高選擇性，保持催化劑穩定，減少能源使用。甲烷分子會穿過高溫加熱器的孔隙，選擇性轉化為有用的產物。相關技術可以擴展到一系列熱化學反應，例如氨合成。

（本頁期刊封面圖來自《自然》官網）

狗的行為表現和個性與狗品種關系不大

《科學》封面：寵物狗。Science雜志第6592期封面文章報道了通過狗品種本身并不能很好地預測它的行為。現代家養犬種只有大約160年的歷史，為了研究遺傳學如何與品種特征保持一致，科學家對2000多只純種和混種狗的DNA進行了測序。這些數據與飼養人調查相結合，用于繪制與狗行為和個體特征相關的基因圖。在行為特征中，狗對人類指示的反應程度是最易遺傳，但不同犬只個體之間差異很大。因此，這項研究可能改變一些傳統觀念，狗的品種不應該被用來決定寵物狗的選擇。

防曬霜威脅珊瑚的生存

《科學》封面：珊瑚礁。Science雜志第6593期封面文章報道了海葵和珊瑚將氧苯酮防曬霜轉化為光毒性葡萄糖苷共軛物。由于一系列人為因素，包括海水溫度升高、沿海營養物污染和過度捕撈等，使得珊瑚礁在全球范圍內正在減少。外用防曬霜中的化學物質已被確認為對珊瑚健康的另一種威脅，一些沿海社區已禁止在防曬霜中使用某些紫外線過濾成分。不少防曬霜含有的一種常見成分會在珊瑚體內代謝，形成危害珊瑚生存的光毒素，加速這些瀕危物種的消失。這項研究將指導人們設計、使用對珊瑚更友好的防曬霜。

繪制人體組織細胞類型

《科學》封面：人類細胞圖譜（Human cell Atlas）。Science雜志第6594期封面文章報道了利用單細胞轉錄組學繪制人類細胞圖譜，這為理解健康狀態下人體細胞組成、基因表達的變化，以及理解基因在疾病中的作用提供了研究基礎。人類對細胞如何形成不同的組織和器官，以及細胞之間如何相互作用的了解是有限的。科學家們分別報道了覆蓋超過100萬個細胞、包括500種細胞類型的單細胞轉錄組圖譜，它們來自68個捐獻者的30多個人體組織。這幾項研究應用嚴格的本體論方法，一致性地注釋、比較器官之間的單個細胞。

來自過去海洋的化石印記

《科學》封面：持久的印象。Science雜志第6595期封面文章報道了“幽靈”納米化石的全球記錄，揭示了浮游生物對高二氧化碳和變暖的抵抗力。在地球海洋的漫長演變中，浮游植物特別是位于海洋食物網底端的微藻，它們相互競爭陽光和營養，維持光合作用，并將無機碳轉化為有機物。在歷史上的變暖事件中，海水底部會出現“死區”：這里的氧氣濃度很低，造成大量海洋生物死亡；浮游生物在這些時期依然大量繁殖，死后沉入海底。斯萊特（Slater）等人提供新證據挑戰了假設，發現了極端海洋條件下的“鈣化危機”。

（本頁期刊封面圖來自《科學》官網）

“嫦娥五號”月壤礦物中首次發現存在高含量水

中國科學院地球化學研究所唐紅、李雄耀團隊針對“嫦娥五號”月壤樣品開展研究。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。中國“嫦娥五號”任務在月球風暴洋東北部（43.06°N, 51.92°W）采集了1.731kg月壤樣品，此采樣點緯度高于以往美國阿波羅（Apollo）和蘇聯月球（Luna）任務的采樣點。通過紅外光譜和納米離子探針分析，發現“嫦娥五號”礦物表層中存在大量的太陽風成因水，估算出太陽風質子注入為“嫦娥五號”月壤貢獻的水含量至少為170ppm。結合透射電鏡與能譜分析，揭示太陽風成因水的形成和保存主要受礦物的暴露時間、晶體結構和成分等影響。此研究證實了月表礦物是水的重要“儲庫”，為月表中緯度地區水的分布提供了重要參考。

“嫦娥五號”礦物表層顯微結構的透射電鏡圖（圖片來源于中國科學院地球化學研究所網站）

礦物水含量和氫同位素比值（圖片來源于中國科學院地球化學研究所網站）

快速太陽風暴事件傳播演化的一體化圖像

中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室劉潁研究組結合多視角與多波段的遙感成像觀測，以及多點的就地測量數據，對此快速太陽風暴（CME）進行了從太陽源頭、行星際傳播到多點撞擊的一體化研究。相關成果發表于《天體物理學雜志》（The Astrophysical Journal）。CME是從太陽拋向行星際空間的大尺度磁化等離子體，具有很強的空間天氣效應。快速CME及其激波到達地球附近時，可能引發強烈的地磁暴。2020年11月29日爆發了一個大的快CME事件。太陽風暴從太陽源頭到行星際傳播，再到對日球層影響的一體化物理圖像研究，對提高空間天氣預報能力具有重要意義。

“宏觀”太陽領域研究

中國科學院云南天文臺撫仙湖太陽觀測與研究基地李可軍等人在太陽活動/變化整體行為的長期演化研究（“宏觀”太陽）領域取得重要進展。相關成果發表于《科學報告》（Scientific Reports）。黑子是太陽光球（肉眼看見的太陽）上最顯著的、觀測時間最長的活動現象之一；黑子蝴蝶圖是對太陽觀測取得的最具標志性的成果之一。綜合對光球層上的色球及日冕層的多波段全日面長期觀測，科研人員發現比光球背景冷的磁蝴蝶圖上面的大氣呈現為比背景熱的蝴蝶圖，由此將一個多世紀前的黑子蝴蝶圖概念拓展為“蝴蝶體”。這也是磁場加熱高層大氣的顯著的“宏觀”證據（加熱是全日球的，蝴蝶體是最顯著的全球加熱證據）。

日冕極紫外波與冕環相互作用的研究

中國科學院紫金山天文臺張擎旻等人與南京大學合作團隊結合太陽動力學天文臺（SDO）、“羲和”號等衛星的多波段、高分辨率觀測資料，詳細研究了一個磁通量繩爆發過程。相關成果發表于《天體物理快報》（The Astrophysical Journal Letters）。自從1997年5月12日太陽和太陽圈探測器（SOHO）衛星搭載的極紫外成像（EIT）望遠鏡首次發現日冕極紫外波（coronal EUV wave）以來，關于它的研究一直是太陽物理領域的熱點。EUV波引起冕環橫向振蕩的觀測和研究很多，但是在垂直方向引起冕環振蕩的報道卻很少。相關模型預測EUV波與附近日珥也會有類似的相互作用，急需未來更多觀測事例和磁流體力學數值模擬驗證。

“祝融號”巡視雷達首次揭秘火星烏托邦平原淺表結構

中國科學院地質與地球物理研究所陳凌等人與合作者對祝融火星車前113個火星日采集的長度約1171米的低頻雷達數據展開了深入分析，獲得了80米之上的高精度結構分層圖像和地層物性信息。相關成果發表于《自然》（Nature）。2021年5月15日，我國“天問一號”攜帶的祝融火星車在烏托邦平原南部成功著陸。烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地。此項研究基于我國祝融火星車低頻雷達數據，通過精細分析和成像，首次獲得了著陸區淺表（<80米）結構與物性信息，提供了火星可能長期存在水活動的觀測證據，為深入認識火星地質演化和環境、氣候變遷提供了重要依據。

烏托邦平原南部火表改造模型圖（圖片來源于中國科學院地質與地球物理研究所網站）

祝融著陸區地質地貌圖（圖片來源于中國科學院地質與地球物理研究所網站）

雙黑洞引力波研究

中國科學院上海天文臺韓文標等人通過計算由進動直接產生的引力波，發現了自旋進動的黑洞雙星除了發出LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文臺）已經探測到的、天文學家們已經熟知的旋近-并合-鈴宕引力波外，還發出由于黑洞自旋進動直接輻射的引力波。相關成果發表于《皇家天文學會月刊快報》（MNRAS Letter）。日常生活中，任何有質量的物體加速運動都會產生引力波，但非常微弱。然而雙黑洞“跳舞”就不一樣了，它們會把時空攪得天翻地覆，輻射出強度足以被人類探測到的引力波。此項研究相關成果將為下一代引力波探測器對這一獨特信號的觀測潛力提供有力支撐。

發現太空跨尺度能量傳輸新機制

北京大學地球與空間科學學院宗秋剛團隊提出在空間和天體等離子體中，跨尺度波動-粒子相互作用可導致能量從宏觀尺度到微觀尺度的快速輸運。相關成果發表于《自然·通訊》（Nature Communication）。通過分析美國國家航空航天局（NASA）的磁層多尺度（Magnetospheric Multiscale）任務獲得的數據，發現空間中的離子可以同時和宏觀尺度的超低頻波、微觀尺度的電磁離子回旋波相互作用。通過這一相互作用，能量首先從超低頻波先傳遞到離子，然后從離子傳遞到電磁離子回旋波，最后通過電磁離子回旋波-離子回旋共振而耗散。與傳統湍流串級模型不同，在這一跨尺度波動-粒子相互作用中，能量直接從宏觀尺度傳遞到微觀尺度，無需經過中間尺度的介導。

短周期食雙星的磁活動行為研究

中國科學院新疆天文臺劉進忠研究組利用南山一米寬視場望遠鏡（NOWT），對LAMOST釋放的兩顆短周期食雙星進行后隨觀測，同時結合國際上多個巡天項目的實測數據，對其進行測光與分光研究，發現這兩顆源均具有磁活動特征，并研究得到它們的基本參數及演化狀態。相關成果發表于《天文和天體物理學研究》（Research in Astronomy and Astrophysics）。短周期食雙星通常是由兩顆具有晚型光譜型恒星構成的引力束縛系統，其光度會因兩顆子星相互掩食而隨時間發生變化。對跨度十余年的測光數據進行分析，并添加黑子模型的研究方法對實測數據進行最優擬合，發現兩個目標存在黑子的出現、漂移及消失等現象。

中國恐龍蛋研究揭示恐龍滅絕新機制

中國科學院古脊椎動物與古人類研究所王強與地質與地球物理研究所、中國地質大學（武漢）等單位科學家合作，為解答恐龍滅絕之謎提出了新的認識。相關成果發表于《美國科學院院刊》（PNAS）。要回答好恐龍滅絕之謎，最為核心的還是要依托于恐龍在地球上生存的時空記錄，但由于陸相地層記錄的不完整性和區域差異，給這一問題的解答造成了全球對比上的困難。研究認為，在晚白堊世時期，隨著自然生態系統和恐龍自身的協同演化，恐龍多樣性發生了持續性衰退，降低了恐龍這個類群的環境適應能力，并導致其無法從由德干火山爆發或小行星撞擊等重大災害事件所引起的環境劇變中生存和復蘇，從而最終走向滅絕。

白堊紀末期山陽盆地生活的3種主要恐龍類型：竊蛋龍類、鴨嘴龍類和暴龍類（趙闖 繪）（圖片來源于中國科學院古脊椎動物與古人類研究所網站）

盆地內的恐龍在其滅絕前的200萬年間多樣性很低，且古氣候尤其是溫度的變化對恐龍的多樣性有著重要的影響（論文作者 供圖）（圖片來源于中國科學院古脊椎動物與古人類研究所網站）

干旱區鹽漬農田土壤古菌群落特征研究

中國科學院新疆生態與地理研究所田長彥研究員團隊針對天山北麓鹽漬農田地區的古菌生物地理模式和驅動過程進行探索。相關成果發表于《土鏈》（Catena）。古菌群落豐度與土壤有機質和全氮含量呈正相關，古菌的多樣性與鹽分和銨態氮水平呈正相關。土壤因素和擴散限制共同決定古菌群落組成，土壤因素能更好地解釋古菌的空間分布模式。在中等鹽分濃度土壤中，古菌裝配過程可從隨機性效應過渡到高鹽濃度土壤中的確定性效應為主，古菌群落在低鹽和高鹽土壤中因更強的確定性效應聚集在一起，形成更復雜的網絡結構。在缺少古菌的情況下，整個共現網絡的連通性顯著減弱，表明古菌對于維持鹽漬土中的微生物系統至關重要。

古代老虎基因研究

中國地質大學（武漢）賴旭龍與國內外合作者發現中國北方一支已滅絕且深度分化的老虎支系。相關成果發表于《英國皇家學會會刊B輯：生物科學》（Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences）。大安虎不同于任何現生老虎，屬于此前未知且現已滅絕的遺傳支系，它所代表的遺傳支系與現生老虎的祖先，在約26萬年前就已分道揚鑣。迄今為止，最古老的老虎化石發現于我國甘肅距今超過200萬年的早更新世，其他中、晚更新世的虎化石也遍及東亞。在得到古DNA數據之前，消失的老虎支系的遺傳信息，一直被塵封在破碎的、易被誤讀的化石中，古基因組研究使得絕滅的老虎支系“重見天日”，為系統研究提供分子依據。

樹輪氧同位素記錄的長江上游過去700年來極端水文事件

中國科學院地質與地球物理研究所安文玲等人進行樹木年輪樣品采集，建立了長江上游地區過去700多年來（1260—2017年）的樹輪氧同位素序列。相關成果發表于《地球物理研究雜志：大氣》（JGR-Atmosphere）。樹木年輪有空間分布范圍廣泛、定年準確、分辨率高及復本量好等特點。與傳統的樹輪寬度指標相比，樹輪氧同位素受到樹木“年齡效應”的影響很小，可以保留更多的氣候低頻信號。季風區的樹輪氧同位素受區域蒸發和降水氧同位素的影響，這些都與夏季（樹木生長季）降水密切相關。同時，河流徑流的變化也主要受夏季降水的影響。因此，樹輪氧同位素可以用于河流夏季徑流量變化的重建。

兩種大蜜蜂跨越兩萬余年的分布區變化研究

中國科學院西雙版納熱帶植物園彭艷瓊等探討了全球氣候變化背景下兩種大蜜蜂的潛在分布區和可能的共存區，以及影響兩種大蜜蜂分布的關鍵因子，從而為保護這兩種重要的傳粉昆蟲提供科學依據。相關成果發表于《全球生態與保護》（Global Ecology and Conservation）。黑大蜜蜂和大蜜蜂是蜜蜂屬中個體最大的兩種，分布區明顯不同，在部分地區重疊分布。季節性溫度變化和最冷季均溫是影響兩種大蜜蜂分布的關鍵因子；從末次冰盛期到當前，黑大蜜蜂的適生區面積和適生指數均減少，而大蜜蜂的則是先減少后增加；從當前到未來，黑大蜜蜂的適生區面積和適生指數也在減少，而大蜜蜂在低排放情境下增加、極端排放情景下則減少。

野外黑大蜜蜂和大蜜蜂：（a）黑大蜜蜂在懸崖上筑巢；（b）黑大蜜蜂在傳粉；（c）大蜜蜂在樹干上筑巢；（d）大蜜蜂在傳粉（圖片來源于中國科學院西雙版納熱帶植物園網站）

南沙珊瑚島礁發育演化研究

中國科學院南海海洋研究所顏文研究員團隊開展了美濟礁形成與演化歷史研究。相關成果發表于《古地理學、古氣候學、古生態學》（Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology）。2017年在南沙群島實施完成的“南科一井”科學鉆探是南海南部第一口穿透礁體的全取芯科學深鉆，也是目前世界島礁全取芯深度最大的科學鉆井。研究團隊綜合南沙美濟環礁“南科一井”樣品的鍶、碳、氧同位素和礦物學、微體古生物學以及元素測試數據，將這個珊瑚島礁的演化劃分為多個階段。研究認為，熱帶地區的許多珊瑚礁可能并不會長期持續繁榮生長，發育過程中沉積間斷較頻繁出現甚至有時可能持續數個百萬年。

中亞人群遷徙和混合歷史研究

中國科學院昆明動物研究所張亞平、彭旻晟和新疆醫科大學程路峰等人合作，開展古代人群和當代人群的基因組測序研究。相關成果發表于《分子生物學與進化》（Molecular Biology and Evolution）。研究發現，生活在帕米爾和周邊瓦罕走廊的高原塔吉克人群基因組中含有小河人群的急性壞死性腦病（ANE）遺傳組分；在平原塔吉克以及吉爾吉斯人群體中，以及其他中亞人群中則沒有能檢出這一組分。研究團隊進一步構建了高原塔吉克人群體的混合歷史，提出一個可能的情景：小河人群并沒有完全湮滅，在放棄塔里木盆地的定居點后，向西遷徙到帕米爾高原，并與印歐語系人群發生了通婚融合。帕米爾高原成為小河人群最后的庇護所。

中華叉羽葉（種子蕨植物）在中國華南的新發現

中國科學院南京地質古生物研究所王永棟、祝幼華與國內外研究人員合作，深入分析了中華叉羽葉植物化石記錄和時空分布特征。相關成果發表于《古植物與孢粉學論評》（Review of Palaeobotany and Palynology）。新發現的化石標本采集自四川廣元和廣東花都地區的晚三疊世瑞替期地層，距今約2.03億年，保存有二次羽狀復葉和角質層微細構造。新材料還展示出中華叉羽葉小羽片頂部特征具有明顯的種內變異性。研究認為中華叉羽葉具有重要的地層時代指示意義，這一植物僅局限分布于中國晚三疊世的南方植物區，且在瑞替期最為繁盛，至今未在其他年代地層和地區有確鑿的化石記錄。