科學(xué)前沿

Nature最新內(nèi)容精選

48K下鐵基硫族化合物超導(dǎo)性重現(xiàn)

2010年發(fā)現(xiàn)的新型鐵基硫族化合物超導(dǎo)體為非常規(guī)超導(dǎo)體的研究探索開(kāi)辟了新的研究方向和提供了新的機(jī)遇。這類超導(dǎo)體在常壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為32K，中子散射研究結(jié)果表明，這類超導(dǎo)樣品具有很強(qiáng)的反鐵磁磁距并在鐵離子的正方型格子中存在鐵離子有規(guī)律的缺位。大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中的超導(dǎo)電性是由其晶體結(jié)構(gòu)、電荷、軌道和自旋的狀態(tài)及其相互作用所決定的，而這些因素對(duì)超導(dǎo)電性的影響可以通過(guò)外部參數(shù)的改變，如施加壓力、磁場(chǎng)等進(jìn)行調(diào)控。其中，壓力是一種“干凈”和有效的調(diào)控方法。它的獨(dú)特之處在于不用改變研究系統(tǒng)的化學(xué)構(gòu)成就能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)及其相關(guān)合作現(xiàn)象的有效調(diào)控，從而揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制。中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠賢院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組與美國(guó)卡內(nèi)基研究院地球物理實(shí)驗(yàn)室毛和光院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)合作，利用自行研制的高壓－低溫－磁場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)這類新型鐵基硫族化合物超導(dǎo)體進(jìn)行了系統(tǒng)的高壓下原位電阻，交流磁化率研究。研究發(fā)現(xiàn)這類超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在壓力小于10GPa（1GPa＝1萬(wàn)大氣壓）時(shí)隨著壓力的升高而逐漸降低，直至消失；而當(dāng)壓力高于10GPa，系統(tǒng)出乎意料地進(jìn)入了一個(gè)新的超導(dǎo)態(tài)。這個(gè)由壓力誘發(fā)的第二個(gè)超導(dǎo)相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)48K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常壓及低壓下的第一個(gè)超導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變溫度，是已有報(bào)導(dǎo)的鐵基硫族化合物超導(dǎo)體家族中超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的。在上海光源和美國(guó)阿貢同步輻射光源進(jìn)行的原位高壓結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，在該研究所采用的壓力范圍內(nèi)并未發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化，該項(xiàng)研究所發(fā)現(xiàn)的同結(jié)構(gòu)下由壓力調(diào)控的超導(dǎo)電性的消失和隨后的超導(dǎo)電性的再現(xiàn)現(xiàn)象在銅氧化物和鐵基高溫超導(dǎo)體中均未曾發(fā)現(xiàn)過(guò)，因此，這一結(jié)果不僅對(duì)理解這類新型鐵基硫族化合物超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制和探索新的超導(dǎo)體提供了啟迪。同時(shí)，也為進(jìn)一步開(kāi)展高溫超導(dǎo)體超導(dǎo)機(jī)理的研究提出了新的研究?jī)?nèi)容。

日本的“希望之樹(shù)”

福島核電站被地震和海嘯損壞已近一年了。在本期特刊中，介紹日本受海嘯和地震損壞及輻射泄漏影響最嚴(yán)重的一些地方的重建情況。在日本和其他地方，福島的經(jīng)驗(yàn)促使人們對(duì)核電未來(lái)發(fā)展以及地震和海嘯的早期預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行很多反思。

本期封面是一棵在地震海嘯中存活下來(lái)的松樹(shù)，被視為日本高田市的“希望之樹(shù)”。

“狄拉克點(diǎn)”的奧秘

某些固體的電子結(jié)構(gòu)使它們表現(xiàn)出“狄拉克點(diǎn)”，這些點(diǎn)處在凝聚態(tài)物理學(xué)中很多有趣現(xiàn)象的核心。例如，在石墨烯中，它們使電子的行為就像“狄拉克費(fèi)米子”一樣，能夠以光速運(yùn)動(dòng)。本期雜志介紹了控制“狄拉克費(fèi)米子”性質(zhì)的兩種非常不同的方法。在傳統(tǒng)固體中，材料的電子結(jié)構(gòu)是無(wú)法改變的，所以難以看到“狄拉克費(fèi)米子”的性質(zhì)是怎樣被控制的。為了避免這種局限性，科學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)可調(diào)節(jié)的蜂巢式光晶格中創(chuàng)建了一個(gè)由超冷量子氣體組成的可調(diào)系統(tǒng)。這個(gè)模型所模擬的是凝聚態(tài)物理學(xué)，其中原子扮演電子的角色?！暗依它c(diǎn)”可被移動(dòng)和合并，以研究拓?fù)浣^緣體和石墨烯等奇異材料的物理學(xué)問(wèn)題。本期封面所示為人造石墨烯的帶狀結(jié)構(gòu)，其中的交叉點(diǎn)在兩個(gè)“狄拉克點(diǎn)”上。

等離子體去量子

本期封面所示為“ThroughtheLookingGlass”的一個(gè)細(xì)節(jié)內(nèi)容，它是由KateNichols（TED Fellow計(jì)劃的一個(gè)資助對(duì)象）制作的一個(gè)大型玻璃藝術(shù)品，是用銀納米顆粒作為“顏料”創(chuàng)作出來(lái)的。作品的顏色來(lái)自金屬顆粒中電子的振蕩（局部化的表面“等離子體激元”的共振）。這些顆粒的“等離子體激元”性質(zhì)，使它們對(duì)于各種成像、傳感和可再生能源技術(shù)來(lái)說(shuō)很有吸引力。但那些小顆粒（直徑不到10納米）對(duì)很多自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)可能更有意義。在這個(gè)尺寸上，當(dāng)它們接近量子領(lǐng)域時(shí)，我們關(guān)于它們的“等離子體激元”性質(zhì)怎樣變化的知識(shí)變得相當(dāng)模糊。JonathanScholl及其同事對(duì)尺寸在量子大小范疇內(nèi)的單一銀納米顆粒的“等離子體激元”性質(zhì)進(jìn)行了研究。他們利用電子顯微鏡和光譜技術(shù)，在直徑從20納米到不到兩納米的范圍內(nèi)將一個(gè)顆粒的“等離子體激元”共振與其大小和幾何形狀關(guān)聯(lián)了起來(lái)。他們的結(jié)果反映了小型金屬納米球的量子力學(xué)性質(zhì)，對(duì)于具有催化活性和生物意義的納米顆粒有直接應(yīng)用價(jià)值。

大腸桿菌谷氨酸：γ-氨基丁酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的晶體結(jié)構(gòu)及機(jī)制

2011年，歐洲爆發(fā)的腸溶血性大腸桿菌疫情導(dǎo)致數(shù)千人感染，多人死亡，并引起了極大的社會(huì)恐慌。大腸桿菌O104:H4菌株是這一疫情的罪魁禍?zhǔn)住?982年，大腸桿菌O157:H7菌株也曾引起一次世界性的疫情。食物來(lái)源的大腸桿菌必須通過(guò)極酸的胃環(huán)境才能到達(dá)腸道，為了保證在如此低的pH下仍然能夠存活，大腸桿菌進(jìn)化出了多個(gè)抗酸系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗極酸環(huán)境。因此研究大腸桿菌抗酸機(jī)制對(duì)人類健康有直接的重要意義。

大腸桿菌抗酸系統(tǒng)II (AcidResistancesystem2)通過(guò)谷氨酸:γ-氨基丁酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GadC) 將細(xì)胞外的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，在胞漿內(nèi)谷氨酸發(fā)生脫羧反應(yīng)，消耗一個(gè)質(zhì)子生成γ-氨基丁酸，而產(chǎn)物γ-氨基丁酸再被GadC轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外。整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于向細(xì)胞外排出一個(gè)質(zhì)子，降低了細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)子濃度，從而起到了抗酸的作用。理解GadC的工作機(jī)理對(duì)于研究腸道致病菌抗酸系統(tǒng)十分關(guān)鍵。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組從GadC的三維空間結(jié)構(gòu)信息入手，解析了大腸桿菌GadC高分辨率的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明，含有12個(gè)跨膜螺旋的GadC在堿性條件下呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)運(yùn)通道開(kāi)口朝向胞內(nèi)的構(gòu)象。令人驚奇的是，GadC羧基端結(jié)構(gòu)域在細(xì)胞內(nèi)一側(cè)像塞子一樣將轉(zhuǎn)運(yùn)通道封閉住。同時(shí)進(jìn)一步的生化實(shí)驗(yàn)表明，GadC對(duì)底物的轉(zhuǎn)運(yùn)嚴(yán)格依賴于環(huán)境pH值：野生型GadC在pH小于6.5的環(huán)境下才具有轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而在pH大于6.5的環(huán)境中完全沒(méi)有活性。羧基端“塞子”結(jié)構(gòu)域在GadC感受pH的過(guò)程中起到了重要的調(diào)節(jié)作用。這樣一種機(jī)制既保證了抗酸系統(tǒng)在極酸環(huán)境中能夠啟動(dòng)并轉(zhuǎn)運(yùn)底物，又防止其在正常生理?xiàng)l件下造成胞內(nèi)質(zhì)子不必要的外流。研究成果為進(jìn)一步研究大腸桿菌抗酸機(jī)制提供了重要線索。

GadC結(jié)構(gòu)示意圖。

Science最新內(nèi)容精選

生態(tài)背景對(duì)疫情規(guī)模及寄生蟲(chóng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)化的影響

本期封面是兩只水蚤（Daphniadentifera），體長(zhǎng)2毫米。其中左下方那只因?yàn)楦腥径局杲湍讣纳x(chóng)，導(dǎo)致體色呈明亮的白色。

人們認(rèn)為疾病爆發(fā)的發(fā)生和規(guī)?？梢詫?duì)宿主的進(jìn)化產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。尤其是當(dāng)面對(duì)抗性與生殖力權(quán)衡時(shí)，宿主在疾病大規(guī)模流行時(shí)可能進(jìn)化出強(qiáng)抗性。科學(xué)家們利用環(huán)境因子決定疫情規(guī)模的浮游動(dòng)物-酵母宿主寄生系統(tǒng)測(cè)試了上述理論預(yù)測(cè)結(jié)果。高生產(chǎn)力和低捕食壓力的湖泊中酵母疫情流行情況較嚴(yán)重。當(dāng)疫情爆發(fā)時(shí)，宿主表現(xiàn)出較強(qiáng)的疾病傳染抗性。然而，在低生產(chǎn)力和高捕食壓力的環(huán)境下，疫情仍然較小，宿主進(jìn)化出較高的疾病易感性。因此，通過(guò)疾病爆發(fā)模擬，生態(tài)背景（生產(chǎn)力和捕食）在疾病流行期可以改變宿主的進(jìn)化。生產(chǎn)力和捕食的人為改變可能強(qiáng)烈影響疾病在生態(tài)和進(jìn)化方面造成的后果。

硅-鍺復(fù)合材料：從單層到三維結(jié)構(gòu)

本期封面是生長(zhǎng)在硅支柱上的～8微米高的帶間隙的鍺晶體的錯(cuò)色掃描電鏡突變。這種結(jié)構(gòu)使不同材料整合到硅襯底上成為可能。由該項(xiàng)技術(shù)可以創(chuàng)造出適于不同應(yīng)用的平臺(tái)，在太陽(yáng)能電池、X射線/粒子探測(cè)器，電力電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

硅是微電子設(shè)備最基本材料，但硅的某些性能不能滿足微電子設(shè)備發(fā)展的要求。人們?cè)噲D將硅和鍺等其他半導(dǎo)體材料組合成新的復(fù)合材料，以獲得更好的性能。然而，現(xiàn)有硅焊接技術(shù)不但成本高，而且晶體網(wǎng)格內(nèi)有瑕疵。目前，人們?nèi)圆荒軐纹N層集成在硅基質(zhì)上。此外，熱應(yīng)力下，硅晶片會(huì)變形，這會(huì)導(dǎo)致鍺層開(kāi)裂，電子元件無(wú)法工作?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)將單體鍺制成“簇毛”狀結(jié)構(gòu)可以解決上述問(wèn)題，不需要特殊焊接技術(shù)就可以制造出任何厚度的無(wú)瑕的硅-鍺層。

植物UVR8光感受器感知UV-B

最新發(fā)現(xiàn)的植物UVR8（UV RESISTANCE LOCUS 8）光感受器可以感受紫外線并對(duì)基因表達(dá)作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，可以改變植物生長(zhǎng)和發(fā)育。然而，這種調(diào)節(jié)的機(jī)制卻不為人所知。最近，科學(xué)家們得到了UVR8單體點(diǎn)突變的晶體解析結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)紫外圓二色光譜，揭示了感知UV-B和信號(hào)誘導(dǎo)的機(jī)制。β-槳狀亞基形成與復(fù)雜鹽橋網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起的以色氨酸為主體的二聚體界面。鹽橋精氨酸側(cè)翼與交叉二聚體色氨酸配對(duì)形成的“金字塔”結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)UV-B感應(yīng)。光感受可逆性地破壞鹽橋，觸發(fā)二聚體解離和信號(hào)啟動(dòng)。色氨酸點(diǎn)突變?yōu)楸奖彼峥梢詫⒐馐荏w的感應(yīng)波長(zhǎng)變?yōu)閁V-C該項(xiàng)。研究闡明了不帶生色團(tuán)的UVR8光感受器如何促進(jìn)植物發(fā)育和保護(hù)植物免受陽(yáng)光傷害。

擬南芥UVR8單體的結(jié)構(gòu)圖。

建群者效應(yīng)的持續(xù)作用

本期封面是一只成年雄性沙氏變色蜥（Anolissagrei），體長(zhǎng)15厘米，棲息在頂部的樹(shù)枝上。棲息地植被的直徑是變色蜥肢體長(zhǎng)度進(jìn)化的強(qiáng)選擇力。這些生活在巴哈馬無(wú)人島上的蜥蜴由于隨機(jī)性和選擇性進(jìn)程而表現(xiàn)出遺傳和形態(tài)上的顯著差異。

長(zhǎng)期以來(lái)，建群者事件等隨機(jī)性進(jìn)程對(duì)進(jìn)化分歧的貢獻(xiàn)程度一直是進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。為了確定建群者效應(yīng)和自然選擇的貢獻(xiàn)，科學(xué)家們從巴哈馬7個(gè)小島上沙氏變色蜥種群中隨機(jī)抽取若干對(duì)蜥蜴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。盡管所有種群均向著可預(yù)測(cè)的方向進(jìn)化，小島上矮小植被促使后肢變短，但是建群事件仍然在島間不同種群中產(chǎn)生了顯著的遺傳和形態(tài)差異。利用自然環(huán)境中重復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)建群者效應(yīng)和自然選擇共同決定了種群特征。

福島核電站事故一周年

本期封面是2010年8月拍攝的日本福島第一核電站鈾钚混合氧化物燃料棒冷卻池的照片。2011年3月11日，海嘯損壞了福島第一核電站的三座反應(yīng)堆。這促使日本政府對(duì)其依賴核電的方針和災(zāi)難應(yīng)急處理進(jìn)行重新評(píng)估。

那場(chǎng)襲擊日本東北海岸的毀滅性地震和海嘯已經(jīng)過(guò)去了一年，世界各國(guó)科學(xué)家們?nèi)栽趶牟煌嵌确治鲞@場(chǎng)災(zāi)難。日本正從災(zāi)難中吸取教訓(xùn)，不僅有助于重建正確決策，而且對(duì)于國(guó)家未來(lái)能源發(fā)展規(guī)劃具有重要參考價(jià)值。

在日本東北部9級(jí)大地震和隨后海嘯發(fā)生之后的一年里，日本一流的工程、地震學(xué)、城市規(guī)劃、應(yīng)急響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)學(xué)專家正全力投入數(shù)十個(gè)被毀壞村莊重建的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。他們希望通過(guò)破壞模式研究和模擬，制定更合理的疏散計(jì)劃，幫助日本東北部沿海地區(qū)居住的人們更好的抵御未來(lái)的特大海嘯。然而，正當(dāng)設(shè)計(jì)者嘗試著將構(gòu)建安全城市的夢(mèng)想變成真實(shí)的重建計(jì)劃時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)自然力量是不可抗拒的，建造抵擋千年一遇海嘯的海堤的設(shè)想是不切實(shí)際的。城市重建中，使人們生活更安全的措施，如將人們轉(zhuǎn)移到地勢(shì)高的地方居住，遭遇到了巨大的運(yùn)輸和政治問(wèn)題。隨著時(shí)間一天一天的過(guò)去，計(jì)劃返回家鄉(xiāng)的居民越來(lái)越少，災(zāi)區(qū)經(jīng)濟(jì)回復(fù)也越來(lái)越難。

導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯熔化的核事故會(huì)產(chǎn)生數(shù)百種放射性核素，這些核素大部分的半衰期很短。損壞燃料棒中的長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物和超級(jí)鈾元素的影響能持續(xù)千年。目前，核事故發(fā)生后，尤其是與水接觸后，對(duì)放射性核素釋放率的預(yù)測(cè)仍然是有限的。人們對(duì)核事故發(fā)生時(shí)和隨后的極端化學(xué)、輻射和熱條件下的燃料腐蝕和放射性核素釋放的了解相對(duì)較少。

2011年5月8日由東京電力公司發(fā)布的福島第一核電站第4號(hào)機(jī)組燃料池狀態(tài)的視頻中提取的圖片。這些由水下機(jī)器人獲得的圖像，顯示燃料組件和冷卻池中碎片。