科技名刊精选

科技名刊精选
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来源：《科学中国人》2023年第11期
《自然》
以触作尝
《自然》封面：研究章鱼和鱿鱼。

《自然》杂志第7956期封面文章报道了使用头足类的化学触觉受体研究感觉受体演化的结构基础。

章鱼在探索海底环境时，使用腕足吸盘上的化学触觉受体“以触作尝”。

这些蛋白质演化自神经递质受体，使章鱼可以通过接触识别难溶的自然产物。

第一篇论文描述了章鱼蛋白结构的适应，这种适应支持着受体功能从神经传递到检测环境刺激物的变化。

第二篇论文利用这一信息探索了调节感觉受体如何驱动不同头足动物（包括章鱼、鱿鱼和乌贼）的新行为。

这些研究能帮助人们理解微妙的结构适应如何驱动适合特定生態背景的新特征和行为。

碰撞试验的结果及影响
《自然》封面：碰撞试验。

《自然》杂志第7957期封面文章报道了航天器碰撞小卫星的研究成果，这是保护地球免受小行星碰撞的策略探索。

2022年9月26日，美国航天局（NASA）与约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室成功试验了一种策略：双小行星重定向测试航天器被刻意撞向孪小星。

孪小星是绕小行星孪大星运行的卫星，这次碰撞使得孪小星的轨道发生了改变。

5篇论文分别报道了重建整个碰撞事件，碰撞使孪小星轨道发生的变化，哈勃空间望远镜对碰撞喷射物质的观测，模拟分析碰撞导致的动量转移，碰撞前、中、后的公民科学观测结果。

CTCF对粘连蛋白介导的环挤出构成DNA张力依赖的阻碍作用
《自然》封面：单个“DNA结合蛋白”（简称CTCF，粉色）与粘连蛋白（蓝色）。

《自然》杂志第7958期封面文章报道了CTCF分子作用的背后机制。

在真核生物中，蛋白复合物粘连蛋白在将DNA挤压成环从而折叠基因组DNA的过程中发挥着关键作用。

研究团队对体外单个CTCF分子与粘连蛋白之间的相互作用进行了可视化，发现CTCF足以阻断粘连蛋白的环挤出过程。

他们还发现，CTCF不仅能以方向依赖的方式中断环挤出过程，有时还能导致环缩小或改变其生长方向。

关键是，CTCF对阻断环挤出的调控作用本身受到与CTCF和粘连蛋白所结合的DNA的张力控制。

恒星吞噬行星产生的红外暂现源
《自然》封面：恒星吞噬行星过程的艺术再现图。

《自然》杂志第7959期封面文章报道了在银盘中观测到的一次短寿命光学波段爆发，并伴随着明亮的长寿命红外辐射。

恒星在演化过程中会发生膨胀，并吞噬附近轨道的行星。

在这一行星灾变过程中，恒星被认为会产生强大而明亮的物质抛射。

但是，之前从未直接观测到这种现象。

低光亮度和辐射能的组合表明，暴源为一颗行星被其类日恒星所吞噬的过程。

预计约50亿年后，地球和内太阳系的其他行星也可能会发生类似事件。

（本页期刊封面图来自《自然》官网）
《科学》
生殖医学
《科学》封面：描绘了各种各样的精子试图到达卵母细胞。

《科学》杂志第6641期特刊文章报道了人类生殖相关的最新研究进展。

自古以来，人类就一直试图控制自己的生育决定，无论是为了避免意外怀孕，还是为了提高受孕的机会。

现代医学允许对生殖决定和健康进行前所未有的控制。

然而，怀孕和分娩的风险一直是一个重大挑战，在获得卫生保健和科学知识方面也存在重大限制。

具体的干预是有限的，尤其是对人类生殖细胞进行基因修饰是不道德的行为。

随着人类遗传学和细胞生物学的不断发现，人类对生殖的理解将会取得新的进展。

没有突触连接的神经元
《科学》封面：淡海栉水母。

《科学》杂志第6642期封面文章报道了栉水母的神经系统连接性。

栉水母是一种海洋无脊椎动物，属于最早的分支动物谱系之一。

有学者长期认为，在动物神经系统进化方面，所有的神经元都是通过突触相互连接的，神经系统在进化史上只出现过一次，从未消失过，此项研究就削弱了这种传统观点。

科学家使用体积电子显微镜和三维重建来表征栉水母的神经网络。

栉水母的神经网络显示了在神经系统中发现的关键特征，如神经肽和产生膜电位的离子通道，这为神经系统在进化上的起源提供了新的见解。

哺乳动物基因组多样性编目研究项目
《科学》封面：树懒、刺猬、穿山甲等小动物。

《科学》杂志第6643期特刊文章报道了哺乳动物的多样性和进化研究进展。

美国麻省理工学院、哈佛大学等单位的科学家牵头开展了一个大型国际研究项目，称为“Zoonomia计划”（哺乳动物基因组多样性编目研究项目）。

研究人员收集并比较了240种哺乳动物基因组，通过研究分析这批迄今最大的哺乳动物基因序列，了解哺乳动物进化。

数据分析不仅突出了不同哺乳动物基因组哪些区域是相似的，还找到了在数百万年尺度上，不同哺乳动物基因序列是何时出现分歧的。

目前相关数据均可在项目网站公开获取。

当微妙的平衡出了问题
《科学》封面：自身免疫。

《科学》杂志第6644期特刊文章报道了对自身免疫性疾病和免疫耐受调节研究的最新进展。

免疫系统通过一系列调节过程来保护我们免受癌症和感染。

当它们失败时，免疫系统就会开始攻击宿主，这一过程被称为自身免疫。

免疫系统的一个主要特征是它区分自我和非自我的能力。

自身免疫性疾病可能是遗传性的，由感染和其他环境因素引发，或者两者兼而有之。

实际上，人体内的任何分子、细胞、组织或器官都可以成为目标。

事实证明，免疫系统也有黑暗的一面。

比如，针对抗病毒免疫反应成分的自身抗体可能是某些严重疾病的基础。

（本页期刊封面图来自《科学》官网）
水资源
纳米尖端水流撕裂杀菌机制助力绿色高效消毒
清华大学深圳国际研究生院吴乾元、杨诚和环境学院胡洪营团队开发了水处理新型消毒技术。

相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

现有消毒技术通过强氧化或紫外辐照作用杀灭微生物，面临能耗药耗高、有毒有害副产物易生成等问题。

研究人员利用多孔泡沫铜制备了碳包覆纳米线，当受污染水样流经这一材料时，即可对水中细菌造成严重的机械
破损。

结合流场计算、细菌机械强度测试及细菌受力有限元模拟，证实碳包覆纳米尖端的瞬时黏附-流场撕扯效应能够突破细菌的临界应力，而水流冲击下细菌与纳米尖端发生的碰撞作用不能破坏细菌。

这一机制可有效杀灭水中的多种典型细菌，避免二次污染问题。

揭示土体蒸发过程中的真实界面蒸发
中国科学院武汉岩土力学研究所董毅研究组针对非饱和土的界面蒸发微尺度特征，通过X 射线显微断层扫描方法扫描玻璃珠样品，研究土壤水分蒸发中的几何和拓扑特征。

相关成果发表于《水资源研究》（Water Resources Research）。

在土壤水蒸发过程中，水的气化仅发生在气-液界面上而非表观土壤表面。

气-液界面的演化在蒸发过程中占据主导性作用。

研究不同饱和度下的界面特性，对于剖析土壤水分蒸发的关键机制颇为重要。

研究证实了孔隙水蒸发过程中毛细管压力的增加。

蒸发过程中气-液界面的几何和拓扑特性，为进一步研究液体相变、确定土壤的真实界面蒸发率奠定了理论基础。

斯石英的一维含水通道超结构研究
北京高压科学研究中心胡清扬研究员和中山大学朱升财副教授团队合作，深入研究了地幔深部的含水二氧化硅超结构和一维超离子通道。

相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。

二氧化硅是俯冲洋壳玄武岩的主要成分之一，斯石英可能是将水向下地幔输运的重要矿物。

前期研究表明，斯石英在地球深部的储水能力很强，但是其储水机制仍然存在诸多争议。

研究为揭示二氧化硅在地幔深部的储水机制提供了精细的晶体结构。

斯石英的一维含水通道超结构刷新了人类对名义无水矿物中含氢缺陷结构的认知，丰富了地球深部水储库的存在形式，有助于解释含水斯石英的超高热稳定性和斯石英/后斯石英相变压力提前之谜。

评估变化环境下河流氮通量的演变
中国科学院地理科学与资源研究所赵罡副研究员与卡内基科学研究所、斯坦福大学等科研人员合作，开展了变化环境下流域氮通量演变的定量化研究工作。

相关成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

目前，温度对河流氮的影响还未量化，特别是对变化环境下降水和温度对河流氮的共同影响仍缺乏认识。

研究利用可解释机器学习方法构建了河流氮通量对环境因子的敏感性模型，利用气候模式数据预估河流氮在气候变化情景下的未来轨迹。

尽管降水量的增加会增加土壤氮向河道的迁移速率，但温度上升引起反硝化速率的增加，很可能会抵消相关影响甚至会减少大部分地区河流中的氮通量。

气象学
青藏高原大地形强迫对春季东亚云量和大气辐射收支的影响
中国科学院大气物理研究所李剑东等人联合国内外学者，利用卫星反演、再分析资料及最新地形试验结果，重点考察了青藏高原强迫对春季东亚区域云量和大气能量收支的影响。

相关成果发表于《气候杂志》（Journal of Climate）。

湘川黔一带多云少日的气候现象恰好与当前卫星资料获得的大气顶云辐射冷却效应特征相对应，但其形成与维持的大尺度气候成因长期以来并不明确。

研究结果也为破解中国南方春季多云而日照少的气候现象提供了科学证据。

研究表明，青藏高原大地形在很大程度上塑造了当前东亚春季云量和大气辐射收支的空间分布格局，揭示了东亚区域春季大地形强迫-环流-云量-大气辐射收支的气候态联系。

应对未来高温健康风险研究
北京城市气象研究院张顾炜、中国气象科学研究院孙兆彬、中国疾病预防控制中心童世庐等人合作，为中国高温健康风险评估提供了全面、最新的预测，可用于政府战略规划和确定卫生基础设施需求的优先次序，以有效适应全球变暖和应对未来的人口增长。

相关成果发表于《npj-气候与大气科学》（npj Climate and Atmospheric Science）。

目前的减排较难在短期内给缓解高温风险带来立竿见影的效果。

特别是在西北和华南地区，未来即使没有人为排放导致的变暖，那里的高温健康风险仍有可能比现在高。

因此，应对气候变化除了坚定不移地减少碳排放，还迫切需要因地制宜地建立更多医疗基础设施来缓解潜在的高温风险。

非传统基因编码的古菌参与热泉产甲烷的证据
复旦大学王梓萌、中国科学技术大学花正双、中国地质大学（武汉）王焰新、中山大学李文均等学者合作，在产甲烷微生物的环境生物地球化学领域取得新进展。

相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。

甲烷是重要的温室气体，对于地球气候演变有重要意义。

论文以云南腾冲热泉为研究对象，利用同位素示踪技术，开展了野外原位实验、长期监测及异位微宇宙实验，并结合宏基因组与宏转录组学，揭示非传统型产甲烷古菌在高温热泉中的活动和效用，证明在高温热泉生态系统中甲烷生成主要由非传统型产甲烷古菌驱动，进而厘清了其对底物和温度的响应规律，揭示了以前未被识别的甲烷来源。

大气湍流红外成像效应及其强度测量
北京航空航天大学白相志教授团队从红外成像湍流效应中揭示隐藏的二维大气湍流强度场。

相关成果发表于《自然·计算科学》（Nature Computational Science）。

大气湍流的存在导致大气系统呈现响应非线性、边界条件复杂和尺度极端差异性等特点，从而使得大气湍流强度测量极为困难。

现有测量技术一般需要依赖甚高频雷达、无线电探空仪等昂贵设备，但测量效果不理想，仅能获得稀疏的点测量结果。

围绕上述问题，研究团队发现大气湍流光热效应造成的红外图像降质与湍流强度分布密切相关；并进一步揭示大气湍流强度分布与复杂湍流红外成像效应之间的内在联系，提出大气湍流二维强度场测量新途径。

天文学
微类星体中的亚秒级周期射电振荡
武汉大学物理科学与技术学院天文学系王伟教授团队揭秘了黑洞新发现。

相关成果发表于《自然》（Nature）。

微类星体是银河系内由一颗中子星或黑洞与一颗普通恒星组成的双星系统，中子星或黑洞吸积恒星的物质产生高温的吸积盘及相对论性的喷流，在观测上表现为间歇性或长期变化的X射线和射电辐射，是研究强引力场和相对论物理的宇宙天然实验室。

研究成果首次观测到微类星体中亚秒级的低频射电准周期振荡的现象，并揭示黑洞系统的这一准周期振荡现象与相对论性喷流直接相关。

这对于揭示致密天体相对论性射电喷流的起源与动力学过程具有重要科学意义，将打开黑洞射電观测和理论研究的新思路。

揭示土体蒸发过程中的真实界面蒸发
中国科学院武汉岩土力学研究所董毅研究组针对非饱和土的界面蒸发微尺度特征，通过X 射线显微断层扫描方法扫描玻璃珠样品，研究土壤水分蒸发中的几何和拓扑特征。

相关成果发表于《水资源研究》（Water Resources Research）。

在土壤水蒸发过程中，水的气化仅发生在气-液界面上而非表观土壤表面。

气-液界面的演化在蒸发过程中占据主导性作用。

研究不同饱和度下的界面特性，对于剖析土壤水分蒸发的关键机制颇为重要。

研究证实了孔隙水蒸发过程中毛细管压力的增加。

蒸发过程中气-液界面的几何和拓扑特性，为进一步研究液体相变、确定土壤的真实界面蒸发率奠定了理论基础。

斯石英的一维含水通道超结构研究
北京高压科学研究中心胡清扬研究员和中山大学朱升财副教授团队合作，深入研究了地幔深部的含水二氧化硅超结构和一维超离子通道。

相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。

二氧化硅是俯冲洋壳玄武岩的主要成分之一，斯石英可能是将水向下地幔输运的重要矿物。

前期研究表明，斯石英在地球深部的储水能力很强，但是其储水机制仍然存在诸多争议。

研究为揭示二氧化硅在地幔深部的储水机制提供了精细的晶体结构。

斯石英的一维含水通道超结构刷新了人类对名义无水矿物中含氢缺陷结构的认知，丰富了地球深部水储库的存在形式，有助于解释含水斯石英的超高热稳定性和斯石英/后斯石英相变压力提前之谜。

评估变化环境下河流氮通量的演变
中国科学院地理科学与资源研究所赵罡副研究员与卡内基科学研究所、斯坦福大学等科研人员合作，开展了变化环境下流域氮通量演变的定量化研究工作。

相关成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

目前，温度对河流氮的影响还未量化，特别是对变化环境下降水和温度对河流氮的共同影响仍缺乏认识。

研究利用可解释机器学习方法构建了河流氮通量对环境因子的敏感性模型，利用气候模式数据预估河流氮在气候变化情景下的未来轨迹。

尽管降水量的增加会增加土壤氮向河道的迁移速率，但温度上升引起反硝化速率的增加，很可能会抵消相关影响甚至会减少大部分地区河流中的氮通量。

气象学
青藏高原大地形强迫对春季东亚云量和大气辐射收支的影响
中国科学院大气物理研究所李剑东等人联合国内外学者，利用卫星反演、再分析资料及最新地形试验结果，重点考察了青藏高原强迫对春季东亚区域云量和大气能量收支的影响。

相关成果发表于《气候杂志》（Journal of Climate）。

湘川黔一带多云少日的气候现象恰好与当前卫星资料获得的大气顶云辐射冷却效应特征相对应，但其形成与维持的大尺度气候成因长期以来并不明确。

研究结果也为破解中国南方春季多云而日照少的气候现象提供了科学证据。

研究表明，青藏高原大地形在很大程度上塑造了当前东亚春季云量和大气辐射收支的空间分布格局，揭示了东亚区域春季大地形强迫-环流-云量-大气辐射收支的气候态联系。

应对未来高温健康风险研究
北京城市气象研究院张顾炜、中国气象科学研究院孙兆彬、中国疾病预防控制中心童世庐等人合作，为中国高温健康风险评估提供了全面、最新的预测，可用于政府战略规划和确定卫生基础设施需求的优先次序，以有效适应全球变暖和应对未来的人口增长。

相关成果发表于《npj-气候与大气科学》（npj Climate and Atmospheric Science）。

目前的减排较难在短期内给缓解高温风险带来立竿见影的效果。

特别是在西北和华南地区，未来即使没有人为排放导致的变暖，那里的高温健康风险仍有可能比现在高。

因此，应对气候变化除了坚定不移地减少碳排放，还迫切需要因地制宜地建立更多医疗基础设施来缓解潜在的高温风险。

非传统基因编码的古菌参与热泉产甲烷的证据
复旦大学王梓萌、中国科学技术大学花正双、中国地质大学（武汉）王焰新、中山大学李文均等学者合作，在产甲烷微生物的环境生物地球化学领域取得新进展。

相关成果发表于《科学进展》（Science Advances）。

甲烷是重要的温室气体，对于地球气候演变有重要意义。

论文以云南腾冲热泉为研究对象，利用同位素示踪技术，开展了野外原位实验、长期监测及异位微宇宙实验，并结合宏基因组与宏转录组学，揭示非传统型产甲烷古菌在高温热泉中的活动和效用，证明在高温热泉生态系统中甲烷生成主要由非传统型产甲烷古菌驱动，进而厘清了其对底物和温度的响应规律，揭示了以前未被識别的甲烷来源。

大气湍流红外成像效应及其强度测量
北京航空航天大学白相志教授团队从红外成像湍流效应中揭示隐藏的二维大气湍流强度场。

相关成果发表于《自然·计算科学》（Nature Computational Science）。

大气湍流的存在导致大气系统呈现响应非线性、边界条件复杂和尺度极端差异性等特点，从而使得大气湍流强度测量极为困难。

现有测量技术一般需要依赖甚高频雷达、无线电探空仪等昂贵设备，但测量效果不理想，仅能获得稀疏的点测量结果。

围绕上述问题，研究团队发现大气湍流光热效应造成
的红外图像降质与湍流强度分布密切相关；并进一步揭示大气湍流强度分布与复杂湍流红外成像效应之间的内在联系，提出大气湍流二维强度场测量新途径。

天文学
微类星体中的亚秒级周期射电振荡
武汉大学物理科学与技术学院天文学系王伟教授团队揭秘了黑洞新发现。

相关成果发表于《自然》（Nature）。

微类星体是银河系内由一颗中子星或黑洞与一颗普通恒星组成的双星系统，中子星或黑洞吸积恒星的物质产生高温的吸积盘及相对论性的喷流，在观测上表现为间歇性或长期变化的X射线和射电辐射，是研究强引力场和相对论物理的宇宙天然实验室。

研究成果首次观测到微类星体中亚秒级的低频射电准周期振荡的现象，并揭示黑洞系统的这一准周期振荡现象与相对论性喷流直接相关。

这对于揭示致密天体相对论性射电喷流的起源与动力学过程具有重要科学意义，将打开黑洞射电观测和理论研究的新思路。