科技名刊精选

Nature

电鲨放电的原理

Nature封面：身体电。Nature杂志第7708期封面文章报道了负责鲨鱼和鳐鱼电信号检测细胞的独特生理特性。美国加州大学旧金山分校的David Julius及其同事表明网纹猫鲨（Scyliorhinus retifer）的电感应细胞表达特化的电压门控钾离子通道，这些通道会发出大规模重复性的膜电涌，以响应小而短暂的电刺激。与之相比，猬白鳐（Leucoraja erinacea）则使用钙激活钾离子通道产生小而可调的膜电压振荡，引起刺激依赖性囊泡释放。这些研究结果表明了感官系统如何通过独特的分子和生物物理修饰来适应动物的生活方式或生态位。

善变的艺术家

Nature封面：一款新材料。Nature杂志第7709期封面文章报道了软材料。软材料可以根据不同的刺激在不同的3D形状之间切换，有望应用于机器人学、电子和生物医学领域。但是这种形变速度较慢，有时候可能需要几分钟才能完成。新技术制造的软材料可以在磁场的作用下，在不到一秒的时间内实现快速可逆的形变。研究人员使用3D打印技术将铁磁性钕铁硼微粒嵌入硅橡胶基体内。通过在打印阶段控制微粒的排列，可以设定打印对象的不同区域实现特定的形变，由此制造的材料可以执行滚动、跳跃、抓住物体等一系列动作。

珊瑚礁生长速度难以跟上海平面上升速度

Nature封面：珊瑚礁。Nature杂志第7710期封面文章报道了热带珊瑚礁的生长对维持珊瑚礁结构和生境多样性至关重要，对保护众多海岸线免受波浪侵蚀、抵御洪水风险也具有重要意义。研究人员分析了热带西大西洋和印度洋的珊瑚礁的生长率，发现尽管珊瑚礁目前的生长速度与海平面上升速度可能保持同步，但珊瑚礁生态的变化意味着在气候变化预测的中度或重度海平面上升场景下，这两个地区的珊瑚礁很少能够跟上海平面上升速度。该研究小组认为，拥有低洼的海岸线的地区和小岛屿国家可能会失去一个重要的海岸保护伞。

亚洲科研“五小龙”

Nature封面：新加坡的擎天树（Supertree Grove）。Nature杂志第7711期特刊介绍了亚洲五个重要的科研中心，分别来自新加坡、中国香港、马来西亚、韩国和中国台湾地区。5个科研中心的科学家们详细介绍了各地区正在积极开展的各项科研工作，如基因组编辑和绿色能源开发等；另外也介绍了各地区不断变化的科研环境如何吸引人才。科学家们还指出聚焦科研发展有助于解决社会热点问题，如医疗卫生和空气污染。这五大科研中心可能不是亚洲地区最顶尖的科研力量，但正迅速成为全球科学发展的主要推动力。

Science

远未结束

Science封面：男孩Yusuf Adamu。Science杂志第6394期封面文章报道了世界已经围绕“结束艾滋病”的目标团结起来，但是终结艾滋病还有一段很长的路要走。封面男孩叫Yusuf Adamu，12岁，处于艾滋病晚期，正在尼日利亚阿布贾的Asokoro地区医院接受x光检查。尽管世界正在逐渐接近“终结艾滋病”的目标，但是不可否认，艾滋病病毒仍在一些地方肆虐。虽然强效抗逆转录病毒药物可以阻止其传播并延长寿命，但由于贫困和其他社会经济因素，许多感染者无法获得这些药物。

喂养众神

Science封面：阿兹特克人的头盖骨。Science杂志第6395期封面文章报道了墨西哥考古新发现。墨西哥国家人类学和历史研究所的考古学家在在墨西哥城市中心的一座殖民时期的房子下发现并挖掘出了头骨遗骸。在16世纪阿兹特克市的特诺奇蒂特兰（Tenochtitlan），牧师将受害者的心脏从胸前切开，然后将尸体斩首并使头骨脱落。人类祭祀受害者的头骨被挂到木柱上。大多数这些头骨都被绑定在城市中心的巨大头骨tzompantli上——一个巨大的架子。科学家正在研究这个古老仪式的相关情况。

明天的地球

Science封面：明天的地球。Science杂志第6396期封面文章报道了“明天的地球”专题系列，科学家们在探索通往更可持续未来的道路。不断增长的人口正以越来越快的速度改变着我们的星球，导致气候变化、资源减少和生物多样性的丧失。继续走现有的道路可能会危及我们自己和其他物种的福祉，但改变道路涉及到艰难的选择。在明天的地球专题系列中，我们将探索通往更可持续未来的道路。

隐藏的冲突

Science封面：调查报告——隐藏的冲突。Science杂志第6397期封面一份调查报告揭示了FDA审查药物咨询小组的一些情况。一项对医生在对药物批准建议进行投票后支付药费的分析表明，美国食品和药物管理局（FDA）需要考虑未来奖励的前景是否会影响其咨询小组。FDA可能错过了这些顾问更传统的利益冲突。另一个故事是关于FDA工作人员对旋转门的担忧。根据2013年至2016年联邦公开支付网站上的记录，在这段时间里，107名医生顾问参与了FDA咨询委员会的投票，其中26人后来从制药商或竞争公司那里拿到了10多万美元。

生命科学

人造单染色体真核细胞创建成功

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军研究团队与合作者在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞，研究论文发表于Nature。研究团队完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的16条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。该项工作表明，天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约，自然生命的界限可以被人为打破，甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。虽然人工创建的单条线型染色体的三维结构发生了巨大变化，但SY14酵母具有正常的细胞功能，揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。

平板（图片来源于SINA English）

酿酒酵母（图片来源于SINA English）

高质量中国大豆基因组发布

中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜研究员、中国科学技术大学马世嵩教授、江苏省农业科学院种质资源与生物技术研究所杜建厂研究员、北京贝瑞和康生物技术有限公司等联合研究团队，综合运用单分子实时测序（SMRT）、单分子光学图谱（optical mapping）和高通量染色体构象捕获技术（Hi-C），对中国国审大豆品种——中黄13的基因组 (Gmax_ZH13)进行从头组装，最终得到1.025Gb的基因组序列，包含20条染色体和1条叶绿体。相关研究发表于Science China Life Science。该基因组Contig N50为3.46Mb，Scaffold N50为51.87Mb，是目前基因组连续性最好的植物基因组之一。

合成生物学构建“超简固氮基因组”

北京大学生命科学学院王忆平教授、英国JIC研究中心Ray Dixon教授等通过对该系统多层次有效的定量评估，漫长而复杂的多轮排列组合，将原本以6个操纵子（共转录）为单元的含有18个基因的产酸克雷伯菌钼铁固氮酶系统成功地转化为5个编码Polyprotein的巨型基因，并证明其高活性可支持大肠杆菌以氮气作为唯一氮源生长。相关论文发表于PNAS。通过合成生物学方法实现固氮酶系统的简化是将固氮酶系统导入植物细胞，实现植物自主固氮过程。该研究成果使得新构建的固氮系统更符合未来向真核系统乃至农作物转化的需求，使我们进一步看到了彻底摆脱工业氮肥的希望。

人源细胞色素c氧化酶的完整结构

清华大学生命科学学院杨茂君教授研究组报道了14个亚基组成的人源细胞色素c氧化酶的完整结构，相关论文发表于Cell Research。研究论文报导了人源细胞色素c氧化酶（呼吸链复合物IV）的完整结构，分辨率达到3.3埃。完整的人源细胞色素c氧化酶由14个亚基组成一个单体，而不是传统认为的两个13个亚基组成的二聚体。NDUFA4结构的解析解决了这个矛盾，并解释了晶体结构中细胞色素c氧化酶二聚的原因。与之前牛源细胞色素c氧化酶不同，Cox7A2、Cox6A1和Cox8A分别替代了亚基Cox7A1、Cox6A2和Cox8B，这三个亚基的结构首次被解析。

生命科学

家蚕吐蛛丝

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所谭安江研究组利用基因定点替换的方法在家蚕丝腺和蚕茧中大量表达蜘蛛丝蛋白，研究成果发表于PNAS。蜘蛛丝是自然界中机械性能最好的天然蛋白纤维，其强度甚至高于用于制作防弹衣的凯夫拉纤维，在工业、医疗和国防上都有着广泛的应用前景。科学家利用基因组编辑工具TALEN完全敲除了FibH编码区，同时保留了编码区上下游完整的调控序列。在此基础上定点整合了含有部分蜘蛛丝基因和荧光标记的DNA片段。新家蚕丝腺生物反应器系统为利用家蚕大量生产新型纤维材料及表达其他高附加值蛋白提供了新的策略。

利用基因组编辑家蚕大量表达蜘蛛丝（图片来源于中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所）

世界上海拔分布最高的蛇类基因组

中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队和中国科学院昆明动物研究所张亚平研究团队等合作研究了温泉蛇的基因组，并通过比较基因组学揭示了其适应高海拔极端环境的遗传机制，研究论文发表于PNAS。极端环境生物可以在强辐射、缺氧等极端环境中繁衍生息，长期的适应性进化使得这些生物在基因结构组成、酶特性及代谢功能等方面均不同于其他生物。温泉蛇属（Thermophis）隶属于游蛇科，该属目前包括3个物种：温泉蛇（Thermophis baileyi）、四川温泉蛇（Thermophis zhaoermii）和香格里拉温泉蛇（Thermophis shangrila），均为中国特有的珍稀物种，生活于青藏高原高海拔地区，主要栖息在温泉附近的石堆、水边和沼泽草甸。

区分情境依赖的优势和劣势不公平厌恶的神经基础

北京大学心理与认知科学学院及麦戈文脑科学研究所周晓林教授团队运用特定心理行为任务，并结合计算模型和功能磁共振成像技术对优势和劣势不公平厌恶的脑机制进行了解析，研究成果发表于PNAS。该研究提示优势和劣势不公平厌恶的加工涉及不同的认知神经机制，主要体现在脑岛神经表征的空间计量效应。劣势不公平感主要是情绪主导的，而优势不公平感则是一个心智化的表现。人们对于资源分配的不公平普遍会产生反感或厌恶，这一心理机制有利于促进人类的利他行为。人们不仅反感自己比别人获得的资源少（即劣势不公平厌恶），在一定程度上也会反感自己比别人获得的资源多（即优势不公平厌恶）。

光诱导手性半导体纳米粒子对DNA位点选择性剪切

江南大学匡华教授研究团队率先发现手性纳米粒子的DNA特异性剪切效应，并实现细胞与活体内靶标DNA的精确剪切，研究成果发表于Nature Chemistry。A和T碱基偏好于吸附在离切角四面体中心最近的边缘，而G和C碱基偏好于吸附在离切角四面体晶面最近的拐角处。当序列中存在ATAT序列时，底物DNA能够吸附于粒子的边缘，而G和C碱基则吸附在粒子的两侧角，使得粒子恰好进入GATATC“口袋”，使得这种特殊构型的纳米粒子特异性识别DNA的GATATC位点；随着靶位点与粒子的结合，使得T^A之间化学键拉长弱化，在光激发下，结合口袋中局域高浓度的羟基自由基，进攻GAT^ATC位点的磷酸二酯键，实现底物DNA特异性剪切。

声光电磁

调控等离子体结构产生相对论光强、单周期可调谐红外脉冲

清华大学工程物理系鲁巍教授课题组系统阐述了一种基于等离子体“光子减速”机制产生相对论光强可调谐超快红外激光脉冲的全新方案，相关研究结果发表于Nature Photonics。该方案利用特定“三明治”结构等离子体作为非线性光学器件（“光子减速器”），将普通波长约0.8μm～1μm的超快超强激光脉冲以极高的效率转化为波长在5μm～14μm范围内可调谐的相对论光强近单周期飞秒红外激光脉冲。激光尾波作为“带电粒子加速器”的同时，对于激光自身而言却是一个“光子减速器”。激光通过能量损失产生尾波，而激光自身光子的频率不断下降（波长变长），其在等离子体中的等效速度（群速度）也不断变慢，即“光子减速”机制。

相关光谱信息（图片来源于清华大学）

“三明治”型等离子体结构密度分布与单周期超强红外脉冲（12μm中心波长）等（图片来源于清华大学）

自适应双向turbo均衡器成功应用于水声通信系统

中国科学院声学研究所鄢社锋研究组将双向均衡结构应用到自适应turbo均衡器中，并且提出了适合于高阶调制模式下turbo均衡系统的双向合并方案。相关成果发表于The Journal of the Acoustical Society of America。均衡器用于消除多径效应造成的码间干扰，是实现远距离高速水声通信不可或缺的关键技术。近几年，自适应turbo均衡器变得简便、计算量小。但是该均衡器的性能受限于自适应算法的收敛速率，在快速时变的水声信道中会出现误差传播效应，稳健性较差。双向均衡结构利用了前向均衡器和反向均衡器输出误差相关性极低的特点，结合两个均衡器的结果提取双向均衡增益，从而抑制误差传播，提升算法性能。

外尔声子晶体中的声表面波拓扑负折射

武汉大学物理科学与技术学院的刘正猷、邱春印研究团队在拓扑声学研究领域取得重要进展，他们利用外尔晶体的拓扑表面态传输特性，实现了无反射的声波负折射效应，研究成果发表于Nature。研究团队发现了一类全新的界面波动响应——拓扑正折射和拓扑负折射，这是基于声学人工结构的一种新型材料，即“外尔声子晶体”。区别于已知的折射现象，界面造成的反射波可以完全被禁止。进一步研究表明，这种有趣的界面现象和声子晶体的能带拓扑特性有关。不难推测，类似现象也可在光学体系、凝聚态体系中实现，并有望用于设计新型的经典、量子波功能器件。

低成本桌面磁共振波谱仪

中国科学院苏州医工所医学影像室杨晓冬、郁朋等人，研究了一种基于Halbach磁体的低成本紧凑型小型核磁共振系统，成果发表于Journal of Magnetic Resonance。该系统具有结构紧凑和场强高的优势。系统采用3层Halbach磁体和楔形机械结构用于磁体快速组装。初始磁场强度分布的仿真和计算结果的比较表明，设计理论和实践相吻合。在使用两个磁性块和钨钢片进行无源被动匀场后，在同一区域内均匀性达到120ppm，开发并测试了具有数字调制和解调功能的紧凑型单板数字化磁共振谱仪以实现结构紧凑和改善信噪比，并使用自制探头进行波谱实验，在直径为1.5mm、长度为1mm的圆柱区域内，波谱半高宽达到20ppm。

声光电磁

荧光寿命工程化的近红外第二窗口纳米颗粒解锁活体多重成像

复旦大学化学系教授张凡团队在近红外荧光寿命活体成像领域取得重要进展，实现无创活体多重成像，有望为肿瘤精准诊断提供全新方法，相关成果发表于Nature Nanotechnology。研究团队提出了“基于时间维度的多重成像法”，利用在近红外第二窗口区具有荧光发射的稀土纳米探针荧光寿命信号来实现活体多重成像。实现了在单一波长下对荧光寿命进行3个量级以上的精确调节。时间维度成像法还以“拍照”的形式取代了原本的活检手术，不仅可以直接避免肿瘤细胞转移的风险，同时降低了传统方法在组织切片、处理和评分过程中可能造成的人为误判风险，有望成为一种新型的无创肿瘤诊断方法。

（a）小鼠实验的过程示意图。（b）对MCF-7和BT-474乳腺癌肿瘤不同标志物的定量检测（图片来源于复旦大学）

（a）不同荧光寿命的稀土纳米探针在离心管中的荧光寿命的伪色彩图；（b）编码小球中稀土纳米探针Er发射通道和Ho发射通道的荧光寿命和荧光强度随着不同厚度生物组织的变化。（图片来源于复旦大学）

新型热电材料

中国科学院上海光学精密机械研究所与山东大学、常州大学及上海大学多家研究机构的热电材料研究小组合作，在合成超低热导率的新材料方面取得重要进展，相关论文发表于Chemistry of Materials。热电材料性能评价指标为热电优值ZT，ZT由Seebeck系数、电导率和热导率决定。但是3个参数之间相互耦合，难以实现独立调控。研究人员利用阴阳离子协同剪裁，将笼式化合物与锑化物的结构基元进行组合，打破传统笼式化合物的固有结构与比例，获得具有“电子晶体—声子玻璃”特性的新型类笼式化合物。这一新体系的发现为新型热电材料的定向设计提供了重要依据。

卤素类钙钛矿纳米晶新进展

中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室光电材料动力学创新特区研究组（11T6组）吴凯丰研究员团队发展了一种针对欠稳定材料的“无损”动态掺杂方法。展现出优异的发光和光电转换性质，研究进展发表于Physical Chemistry Letters。采用三脉冲泵浦—泵浦—探测技术测量纳米晶—电荷受体杂化材料的瞬态吸收动力学即可实现“无损”的动态电荷掺杂：第一束泵浦脉冲激发纳米晶并触发从纳米晶到电荷受体的电荷分离，在纳米晶的带边留下一个多余电荷；在电荷分离完成后，第二束泵浦脉冲再次激发纳米晶，即可探测带多余电荷的纳米晶的激发态动力学。

基于超表面的全息成像技术研究进展

天津大学太赫兹研究中心韩家广教授团队实现反射式手性全息成像，研究论文发表于Nature系列刊物《光：科学与应用》。太赫兹波是电磁波的一种，广义上指频率为100GHz-10THz的电磁辐射。与我们熟知的红外线、X光等不同，太赫兹是目前人类了解最少、开发最少的电磁波段，被称为探索电磁波谱的“最后一段空隙”。研究团队经过精密设计的超表面对太赫兹波能够产生强烈的“手性响应”，使用这种超表面材料制成的全息板可以识别不同光的偏振态，记忆信息量也更丰富，让全息板“变聪明”，最终实现完全独立的全息成像，大幅度提高了全息板工作效率。