世界一流科技期刊文章精選

基于激光尾波場加速器的27nm自由電子激光

《自然》（

Nature

）封面：基于激光尾波場加速器的27nm自由電子激光。《自然》雜志第7868期封面文章報道了X射線自由電子激光（free-electron laser，F(xiàn)EL）研究進展。FEL對于結(jié)構(gòu)生物學和化學等領(lǐng)域必不可少，它能以標準臺式激光器無法達到的頻率產(chǎn)生高強度的相干輻射束。研究團隊利用一個激光尾波場加速器（通過等離子體波加速電子）的電子束成功產(chǎn)生了相干輻射，將輻射功率提高了約100倍，這意味著在氣體噴流末端僅6毫米處就能實現(xiàn)電子產(chǎn)生激光的正確條件，這比之前的數(shù)據(jù)縮短了數(shù)個量級。

表皮生長因子受體（EGFR）激活會限制肝癌對侖伐替尼的治療反應(yīng)

《自然》（

Nature

）封面：只有接受兩種藥物的治療腫瘤細胞才會被殺死。《自然》雜志第7869期封面文章報道了表皮生長因子受體（EGFR）在限制侖伐替尼療效上的潛在作用。肝細胞癌（HCC）是一種侵襲性強、治療難度大的常見肝癌。肝細胞癌晚期患者目前使用多激酶抑制劑侖伐替尼（lenvatinib）進行治療。但侖伐替尼迄今取得的臨床療效十分有限。研究團隊對動物模型，以及其后對12名肝細胞癌晚期患者的研究發(fā)現(xiàn)，在侖伐替尼外同時使用抑制EGFR信號傳導的吉非替尼（gefitinib），就能增加腫瘤對該藥物的積極反應(yīng)。

衛(wèi)星圖像揭示暴露于洪水風險的人口比例增加

《自然》（

Nature

）封面：洪水。《自然》雜志第7870期封面文章報道了洪水風險上升的程度。研究者結(jié)合衛(wèi)星圖像和人口數(shù)據(jù)開發(fā)了全球洪水數(shù)據(jù)庫（Global Flood Database），該數(shù)據(jù)庫使用了12 719份分辨率為250米的每日衛(wèi)星圖像，覆蓋了2000—2018年的913次特大洪水。研究發(fā)現(xiàn)，約2.5億至2.9億人直接受到了洪水影響，在2000—2015年期間，居住在洪水多發(fā)地區(qū)的人口比例增加了近四分之一。氣候變化預(yù)測表明，到2030年這一比例將進一步增加，至少有57個國家預(yù)計會有更大比例的人口暴露于洪水風險中。

對溶液中單分子電化學反應(yīng)的直接成像

《自然》（

Nature

）封面：溶液中化學反應(yīng)成像。《自然》雜志第7871期封面文章報道了對溶液中單分子電化學反應(yīng)的直接成像，以及證明了該技術(shù)可用于超分辨率顯微成像。研究團隊利用一個發(fā)光分子，該分子能在被化學反應(yīng)激發(fā)時發(fā)出一個光子。通過對該發(fā)光分子在溶液中的反應(yīng)位置進行時空分離，可以確定單個發(fā)光分子被激發(fā)時出現(xiàn)電化學發(fā)光的位置。隨著時間推移，研究團隊就能繪制該電極的圖譜，并用來進行單細胞成像。該研究證明他們的技術(shù)能在無需外部光源的情況下，為細胞黏附進行納米分辨率成像。

（本頁期刊封面圖來自《自然》官網(wǎng)）

一個世紀的進步

《科學》（Science）封面：1型糖尿病。《科學》雜志第6554期封面文章報道了胰島素被發(fā)現(xiàn)一百年后，1型糖尿病仍然是一種需要終生日常管理的慢性疾病。一個世紀前，1型糖尿病的診斷是一致致命的。然而，1921年班廷（Banting）和貝斯特（Best）發(fā)現(xiàn)胰島素為這種疾病治療帶來了希望，使它變成了一種慢性疾病，但仍然需要艱苦的終生治療。科學的進步加深了人類對這種疾病及其治療方法的了解，但許多挑戰(zhàn)仍然存在。在人類進入治療這一常見和日益流行疾病的第二個世紀時，需要做更多的工作來克服挑戰(zhàn)，最終目標是實現(xiàn)預(yù)防或治療。

“雜技”松鼠學會在樹枝上跳躍和著陸而不墜落

《科學》（Science）封面：一只自由活動的松鼠從一個平臺跳到另一個平臺。《科學》雜志第6555期封面文章報道了松鼠跳躍行為的評估實驗研究。松鼠有時會采取創(chuàng)新的、類似“跑酷”的動作來縮小差距并獲得美味的花生，即在跳躍中重新調(diào)整身體的方向以獲得更平滑的降落方式。為了測試松鼠采取這種策略的頻率，研究團隊同時調(diào)整了間隙距離和著陸高度。松鼠們總共完成了數(shù)百次“跑酷”跳躍試驗，尤其在中跳和長跳中，松鼠們都非常一致地使用了這種動作。這意味著適應(yīng)性跳躍、學習控制和反應(yīng)穩(wěn)定操作的行為對松鼠成為“跑酷”高手起著至關(guān)重要的作用。

北極猛犸象的終生流動性研究

《科學》（Science）封面：猛犸象。《科學》雜志第6556期封面文章報道了科研人員對一件考古發(fā)現(xiàn)的猛犸象牙進行同位素分析，復(fù)原了末次冰期猛犸象在阿拉斯加的活動情況。科學家研究了17 000年前的猛犸象從出生到死亡的運動軌跡，包括它的嬰兒期、少年期、壯年期、老年期。27歲之后，它可能已步入暮年，或者因為某種原因覓食困難，表現(xiàn)在象牙的同位素分析上氮同位素水平的飆升，這在哺乳動物中是饑餓的標志。研究模型揭示，隨著冰河時代的結(jié)束和高緯度地區(qū)環(huán)境的改變，像猛犸象這樣的大型動物物種很難維持一定的遷移水平。

使用三軌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精確預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用

《科學》（Science）封面：預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的深度學習軟件。《科學》雜志第6557期封面文章報道了深度思考公司（DeepMind）的深度學習工具，它是一個“三軌”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（“threetrack”neural network）。1972年，安芬森（Anfinsen）因為證明了蛋白質(zhì)的氨基酸序列與其三維結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系而獲得了諾貝爾獎。DeepMind提出的三軌網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的結(jié)構(gòu)精度很高，能夠快速解決X射線晶體學和低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)建模問題，并能分析提出對未知結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)功能的理解。該網(wǎng)絡(luò)還可以僅僅根據(jù)序列信息就快速生成精確的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合體模型。

（本頁期刊封面圖來自《科學》官網(wǎng)）

穩(wěn)定同位素分析重建泥河灣盆地麻地溝古人類生存環(huán)境

中國科學院古脊椎動物與古人類研究所裴樹文研究團隊，聯(lián)合復(fù)旦大學科技考古研究院和西班牙高級科學研究委員會歷史研究所的研究人員，采用哺乳動物牙釉質(zhì)碳氧穩(wěn)定同位素分析方法，重建了泥河灣盆地麻地溝遺址古人類生存時期的古環(huán)境，并探討了人類行為適應(yīng)性的相關(guān)問題。相關(guān)成果發(fā)表于《地球科學前沿》（

Frontiers in Earth Science

）。麻地溝遺址位于泥河灣盆地東部岑家灣臺地西北緣。麻地溝遺址利用者具有靈活的石料開發(fā)策略，選擇硅質(zhì)白云巖進行砸擊剝片，運用錘擊法對燧石進行剝片以獲取鋒利的邊緣，挑選質(zhì)量高的燧石修理成石器。這種靈活的技術(shù)策略，可能為古人類對于多變環(huán)境及多元植被景觀的積極適應(yīng)。

麻地溝遺址動物群生態(tài)位重建（徐哲供圖）（圖片來源于中國科學院古脊椎動物與古人類研究所網(wǎng)站）

泥河灣盆地麻地溝遺址及相關(guān)重要遺址地理位置圖（徐哲供圖）（圖片來源于中國科學院古脊椎動物與古人類研究所網(wǎng)站）

一個完整的恐龍胚胎化石

中國地質(zhì)大學（北京）的邢立達副教授與國內(nèi)外科學家合作，對福建省英良石材自然歷史博物館（位于福建泉州南安市）館藏的一枚名為“英良貝貝”的恐龍胚胎化石開展了相關(guān)研究。研究成果發(fā)表于《交叉科學》（

iScience

）。這塊保存在恐龍蛋化石中的完美胚胎化石有著距今7200萬至6600萬年的歷史，屬于一只沒有牙齒的獸腳類恐龍。這一化石是在中國南部江西贛州的晚白堊世地層中發(fā)現(xiàn)的，保存狀態(tài)相當原始，清晰展現(xiàn)了其存活時的狀態(tài)。恐龍個體從頭到尾總長度估計為27厘米，蜷曲在一個長度為17厘米長形蛋化石中。根據(jù)標本短高且無牙的頭骨，“英良貝貝”被確定為竊蛋龍類。

高原湖泊碳循環(huán)和歷史時期水文氣候演化研究

云南大學地球科學學院李祥忠研究員等人以黃河源頭最大淡水湖鄂陵湖為研究對象，系統(tǒng)分析了湖的水化學參數(shù)、水體溶解無機碳（DIC）碳的同位素組成及表層沉積物的碳、氮含量及其同位素組成特征研究。相關(guān)成果發(fā)表于《土鏈》（

Catena

）。研究闡明了生物碳泵（BCP）效應(yīng)在控制湖泊水化學變化及沉積中的關(guān)鍵作用，同時水生植物通過BCP效應(yīng)將巖石風化形成DIC后轉(zhuǎn)化，從而穩(wěn)定了巖石風化產(chǎn)生的碳匯。這一耦合水生光合作用的巖石風化碳匯在高原湖泊碳循環(huán)中扮演重要角色，可為解決全球碳循環(huán)中“遺失碳匯”去向提供一種新可能。青藏高原其他區(qū)域在未來全球持續(xù)增溫大背景下發(fā)生干旱化的風險增大。

世界首個油麻藤豆莢化石

中國科學院西雙版納熱帶植物園蘇濤研究員指導越南籍博士研究生阮伯雄與越南國家自然博物館合作，針對越南北部發(fā)現(xiàn)的世界首個油麻藤豆莢化石開展了相關(guān)研究。研究成果發(fā)表于《古植物學與孢粉學評論》（

Review of Palaeobotany and Palynology

）。油麻藤屬（

Mucuna

）是豆科菜豆族刺桐亞族的攀緣木質(zhì)大藤本，該屬植物現(xiàn)在廣泛地分布于世界泛熱帶地區(qū)，在熱帶亞洲尤其常見。白花油麻藤屬于油麻藤屬大果亞屬（

subgen.Macrocarpa

），現(xiàn)今廣泛地分布于華南地區(qū)。越南北部發(fā)現(xiàn)的此化石不僅是此屬世界首個確定的記錄，也表明了華南植物區(qū)系與越南北部植物區(qū)系在地質(zhì)歷史上的密切關(guān)系，為東亞植物區(qū)系的熱帶亞洲起源學說提供了古植物學的證據(jù)。

多態(tài)性重復(fù)基因的基因組演化機制

中國科學院動物研究所張勇研究組及合作者以黑腹果蠅和人類這兩個內(nèi)含子分布和特性迥異的系統(tǒng)為模型，開展了重復(fù)基因的起源機制和功能演化研究。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·生態(tài)與進化》（

Nature Ecology & Evolution

）。通過深入分析兩個差異較大的動物體系，研究展示了劑量敏感性和外顯子洗牌過程如何塑造重復(fù)基因演化的早期藍圖。此研究不僅將新基因起源的兩個主要機制，即基因重復(fù)和外顯子洗牌融合到一起；同時也說明諾貝爾化學獎獲得者吉爾伯特（Gilbert）在43年前提出的兩個核心概念相輔相成，即可變剪切是基因內(nèi)部重復(fù)發(fā)生的前提，使得更復(fù)雜的蛋白結(jié)構(gòu)可以在不影響此前基因結(jié)構(gòu)的前提下演化出來。

重復(fù)基因表達差異的分布和劑量效應(yīng)（圖片來源于中國科學院動物研究所網(wǎng)站）

嵌合基因和不完整重復(fù)基因的分布及特點（圖片來源于中國科學院動物研究所網(wǎng)站）

樹木年輪古氣候反演研究

中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室曾凡江研究員團隊與中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室傅伯杰院士團隊以麗江鐵杉為研究對象，發(fā)現(xiàn)麗江地區(qū)高海拔樹木與冬季降水保持協(xié)同的生長趨勢，成功描繪此地區(qū)四百余年的（1600～2005年）歷史冬季降水變化特征。相關(guān)成果發(fā)表于《過去氣候》（

Climate of the Past

）。冬季降水是青藏高原東南部麗江區(qū)域高海拔麗江鐵杉徑向生長的主要限制因素，樹木徑向生長與冬季降水之間的關(guān)系具有較好的時間穩(wěn)定性；近些年冬季降水趨于增加，有利于此地區(qū)高山森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

大興安嶺泥炭地磷形態(tài)及其古植被重建潛力研究

中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所王國平研究員等在大興安嶺北部選取4種優(yōu)勢物種（蘚類、草本、灌叢和喬木）下的表土，并鉆取泥炭柱芯，探究表土中不同優(yōu)勢物種下磷形態(tài)的分布規(guī)律，篩選合適磷形態(tài)作為指標，同時應(yīng)用到泥炭柱芯每1厘米磷形態(tài)的分布反演出植被演替歷史。相關(guān)成果發(fā)表于《環(huán)境管理》（

Journal of Environmental Management

）。研究發(fā)現(xiàn)，雖然泥炭地中磷形態(tài)以有機磷為主，但磷在不同優(yōu)勢植被下的差異主要集中在無機磷形態(tài)和較為穩(wěn)定的有機磷形態(tài)上，其中喬木下土壤無機磷顯著高于其他植被，而蘚類植被有利于土壤有機磷（尤其是穩(wěn)定有機磷）的賦存。

二疊紀末大滅絕前后海洋氧化還原條件演化歷史及其驅(qū)動機制

中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所晚古生代研究團隊鄭全鋒、張華、王玥、曹長群等人與中國礦業(yè)大學、南京大學的合作者，對四川廣元上寺二疊系-三疊系界線剖面（剖面主體位于青川縣建峰鎮(zhèn)）進行了高精度沉積學和遺跡學研究。相關(guān)成果發(fā)表于《地球科學評論》（

Earth-Science Reviews

）。研究人員利用遺跡群落、遺跡組構(gòu)指數(shù)（ii）和最大潛穴直徑（MBD）為氧化還原指標，通過區(qū)域內(nèi)剖面對比和不同氧化還原指標對比研究，并結(jié)合前人的同位素年齡和旋回地層學研究資料，闡明了這一時期各氧化還原條件變化階段的時空分布；并在高精度沉積學研究的基礎(chǔ)上，通過事件地層學對比研究，揭示了不同時空尺度氧化還原條件變化的驅(qū)動機制。

藍相液晶光子晶體的高精度“活”圖案制備

中國科學院理化技術(shù)研究所王京霞研究員與合作者通過簡單地控制墨水在疏水藍相液晶薄膜的可控分散，就能制備高精度的“活”圖案：所打印圖案的形狀和顏色可以隨時間可控變化。相關(guān)成果發(fā)表于《先進功能材料》（

Advanced Functional Materials

）。藍相液晶（BPLC）光子晶體是一種手性向列相液晶，其獨特的雙扭柱結(jié)構(gòu)使其在可見光范圍內(nèi)具有選擇性反射，能產(chǎn)生亮麗的結(jié)構(gòu)色彩。疏水處理能有效控制墨水在基底表面的鋪展、墨滴之間聚并融合，提高了打印的分辨率，實現(xiàn)了可擦寫的高分辨多彩圖案的制備。這個研究進一步探討了只采用一種無色墨水，在同一透明基底上通過控制打印層數(shù)實現(xiàn)多彩圖案制備。

藍相液晶薄膜的制備及圖案打印制備的流程圖及相關(guān)結(jié)果表征（圖片來源于中國科學院理化技術(shù)研究所網(wǎng)站）

選擇性調(diào)控全固態(tài)柔性離子熱電材料的塞貝克系數(shù)及其應(yīng)用于熱感知的研究

清華大學張興教授、馬維剛副教授課題組和香港科技大學黃寶陵副教授課題組合作報道了一種可選擇性調(diào)控P-N型的全固態(tài)柔性離子熱電復(fù)合材料。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》（

Nature Communications

）。此材料室溫下展示出高塞貝克系數(shù)并且具有良好的機械強度和穩(wěn)定性。研究人員通過引入強電負性三（五氟苯基）硼烷（TPFPB）分子，有效地抑制了陽離子在聚合物中的輸運，成功將該P型材料調(diào)控至N型；開發(fā)了基于離子熱電效應(yīng)的無接觸式自供電熱智能探測器，在較寬的光、熱刺激范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)特性、可重復(fù)性和高靈敏度；同時，開發(fā)出由13對P-N熱電臂組成的平面式熱傳感器，傳感器在10K溫差下可產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定電壓。

靜止表面圓盤陣列中的快速水波

復(fù)旦大學胡新華教授課題組提出了一種新的結(jié)構(gòu)體系，其中的水波速度超過了艾利發(fā)現(xiàn)的水波波速上限。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報》（

Physical Review Letters

）。此研究設(shè)計了一種新的周期結(jié)構(gòu)體系，即在水體表面覆蓋一個類似睡蓮、但是固定不動的周期圓盤陣列。在這種周期結(jié)構(gòu)中，低頻水波（即最低頻帶的水波）將感受到增大的等效重力加速度和等效水深。通過構(gòu)建相應(yīng)的水波棱鏡，研究團隊觀測到了奇特的水波折射和單向透射現(xiàn)象，由此證實了圓盤陣列中的快波效應(yīng)。在圓盤陣列中，水波的相速度和群速度均可達到空曠水域中波速的1.8倍以上，大幅提升了傳統(tǒng)理論中的水波速度上限。

環(huán)氧電還原研究進展

武漢大學化學與分子科學學院戚孝天教授課題組與高等研究院陸慶全教授課題組合作，開發(fā)了一種溫和且環(huán)境友好的電氫化方法。相關(guān)成果發(fā)表于《美國化學會志》（

Journal of the American Chemical Society

）。反馬氏醇類化合物在大宗/精細化學品、農(nóng)用化學品、藥品和香料化學中有著廣泛的用途。通過多相或均相催化對環(huán)氧化物進行選擇性加氫可用于醇的制備。但此類反應(yīng)產(chǎn)物選擇性較差，且通常需要高溫和高壓氫氣，可能導致嚴重的安全問題和高額的成本。此研究開發(fā)了一種溫和且環(huán)境友好的電氫化方法，可實現(xiàn)環(huán)氧化合物的區(qū)域選擇性開環(huán)。利用電子和質(zhì)子作為氫源，可以制備各種反馬氏醇和馬氏醇，并根據(jù)機理研究結(jié)果調(diào)控氫化區(qū)域選擇性。

拓撲保護的連續(xù)頻率糾纏雙光子態(tài)研究

上海交通大學電子信息與電氣工程學院電子工程系何廣強團隊和姜淳團隊在拓撲量子光學領(lǐng)域取得進展。相關(guān)成果發(fā)表于《納米光子學》（

Nanophotonics

）。研究提出一種受拓撲保護的連續(xù)頻率糾纏雙光子態(tài)理論方案，基于量子谷霍爾效應(yīng)可以在光子晶體中構(gòu)建光拓撲絕緣體，在拓撲帶隙中出現(xiàn)拓撲邊界態(tài)，拓撲邊界態(tài)對拐角等結(jié)構(gòu)缺陷具有較強的魯棒性。利用硅介質(zhì)的三階非線性效應(yīng)——四波混頻，可以在光拓撲絕緣體中制備一對信號光與閑置光。研究證明在光拓撲絕緣體中產(chǎn)生的信號光與閑置光之間是連續(xù)頻率糾纏的，由于信號光與閑置光的頻率位于拓撲非平庸帶隙內(nèi)，產(chǎn)生的連續(xù)頻率糾纏雙光子態(tài)受到拓撲保護，具有較強的魯棒性。

在光拓撲絕緣體中實現(xiàn)受拓撲保護的連續(xù)頻率糾纏雙光子態(tài)（圖片來源于上海交通大學新聞學術(shù)網(wǎng)）

控制高次諧波產(chǎn)生中光子的橫向軌道角動量研究

北京大學物理學院劉運全教授課題組提出了基于超短高強度時空渦旋光束（Spatiotemporal Optical Vortex, STOV）獲得可控橫向軌道角動量極紫外高次諧波產(chǎn)生（High Harmonic Generation, HHG）的方法，發(fā)現(xiàn)時空渦旋光束產(chǎn)生諧波的特征光譜結(jié)構(gòu)，揭示了其內(nèi)在物理機制。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報》（

Physical Review Letters

）。光子的軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）是描述光子量子態(tài)的重要物理量之一。光子角動量的產(chǎn)生、測量和調(diào)控是光場調(diào)控研究的前沿，其所提供的光場自由度已被廣泛應(yīng)用于超分辨成像、量子通信以及生物醫(yī)學等研究領(lǐng)域。

基于人工智能實現(xiàn)精確而成本低廉的量子化學模擬

廈門大學化學化工學院帕夫洛·O·德拉爾（Pavlo O. Dral）副教授和吳瑋教授與美國卡耐基·梅隆大學的奧列克桑德·伊賽耶夫（Olexandr Isayev）副教授合作，發(fā)展了人工智能增強的量子力學新方法。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》（

Nature Communications

）。此方法被命名為AIQM1，結(jié)合了人工智能方法和半經(jīng)驗量子力學方法，利用人工智能技術(shù)提高半經(jīng)驗量子力學方法預(yù)測的準確性，確保半經(jīng)驗計算對物理體系的正確描述，是一種可以直接用于新的應(yīng)用研究的計算工具。試算例表明，AIQM1以半經(jīng)驗軌道分子方法的計算代價，獲得具有量子化學計算金標準美稱的耦合簇方法的計算精度。相比于現(xiàn)有密度泛函方法，AIQM1計算結(jié)果更為可靠。

一種分布式節(jié)點特定的塊對角線性約束最小方差波束形成器

中國科學院聲學研究所李曉東團隊提出了分布式節(jié)點特定的塊對角線性約束最小方差（LCMV）波束形成器，把信號傳輸和計算任務(wù)分散到各個節(jié)點，從而減小節(jié)點的通信帶寬和發(fā)送功率，提高無線聲傳感網(wǎng)絡(luò)（WASNs）的壽命和語音增強性能的魯棒性。相關(guān)成果發(fā)表于《信號處理》（

Signal Processing

）。對WASNs來說，節(jié)點內(nèi)傳聲器之間的距離較近，而不同節(jié)點的傳聲器之間的距離較遠。因此，由所有說話人的后期混響和傳聲器的自噪聲組成的噪聲成分，在不同節(jié)點之間近似不相關(guān)，可用塊對角噪聲協(xié)方差矩陣近似總體協(xié)方差矩陣，其中每個矩陣塊對應(yīng)一個節(jié)點的噪聲協(xié)方差矩陣。新研究降低了集中式算法所要求的計算復(fù)雜度并減小通信帶寬。