气候变化与碳中和

工业化以来化石燃料的广泛使用使大气中的二氧化碳浓度急剧升高,造成全球气候变暖、极端天气气候事件频发。为有效应对和减缓气候变化,国际社会通过《巴黎协定》设定了2℃和1.5℃温控目标,由此提出了碳中和的概念。文章介绍了全球变暖的基本事实、人类碳排放对工业化以来全球变暖的作用,归纳了关于未来气候变化的主要结果,阐释了1.5/2℃温升阈值与碳中和的关系,概述了国际社会为有效应对全球变暖而在减少碳排放方面的努力。

面向机器智能的情感分析

大模型的兴起,尤其是以大模型为基础的人工智能技术的发展与应用引起了全社会对人工智能技术的广泛关注。人工智能技术已经在很多方面达到甚至超越人类,可以替代人工完成一些技艺要求较高的工作。不过,在人工智能迈向人类智慧的道路上,仍然有许多难题亟待克服与解决,其中一个重要的问题就是情感分析与理解问题,如让机器准确理解人类的情感。针对该问题,文章从情感的定义与分类入手,对情感分析研究需要解决的问题,研究方向、研究现状、面临的挑战、应用前景与展望等进行了讨论。

二氧化钒发射率的调控方法与实践

二氧化钒(VO_(2))是一种常用的相变材料,它能在68℃附近可逆地改变光学、电学特性以响应外部温度刺激。自20世纪90年代以来,人们对VO_(2)光学特性进行了广泛的研究,并在紫外、可见和近红外区域的调制方面取得了重大进展,而室温黑体辐射所处的中远红外区能量只相当于太阳辐射的15%,因而获得的关注较少。然而随着研究的深入,研究者发现中远红外光区的长波辐射对热调控也具有至关重要的作用,甚至在太阳辐射较强的白天也是不容忽视的,因此有关VO_(2)发射率调控的研究受到越来越多的关注。文章聚焦VO2发射率调控的最新研究进展,着重介绍VO_(2)发射率的调控手段以及常温热辐射调控性能,并对其应用前景进行了展望。文章指出,VO_(2)发射率可以有效调控室温黑体辐射能量,通过新型结构如Fabry-Pérot谐振腔、超材料等与VO_(2)的有机结合,极大丰富了VO_(2)发射率的调控手段,展现出显著的调控效果,这对于实现具有更高节能效率的智能建筑、空间热管理以及红外伪装具有很大的潜力。

数学哲学与人生智慧

数学概念深远地影响着人类的思维方式和世界观。文章探讨了贝叶斯定理、泊松分布和傅里叶变换在日常生活中的应用,揭示了这些数学公式背后的深层人生哲理。数学理论不仅能够解释科学现象,也为个人决策提供了可参照的方案,指导我们如何更新信念、把握机遇,从不同角度理解复杂问题。

生成式人工智能与未来材料科学

人工智能是推动数据驱动科学飞速发展的强大动力。文章以深度学习在材料科学中的应用为例,介绍了生成式模型的概念,及其在新材料发现和自动化实验室等领域的应用。生成式人工智能不仅极大地加速了材料的研发进程,同时提高了整个研发过程的透明度和可信度,开启了材料科学研究的新纪元。

细菌转录翻译偶联机制研究

中心法则描述了遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的传递过程。转录过程是RNA聚合酶以DNA为模板合成信使RNA的过程,翻译过程是核糖体利用信使RNA合成蛋白质的过程。与真核生物不同,细菌和古菌没有细胞核膜的分隔,其转录过程和翻译过程在相同时间、相同位置上进行。其中,RNA聚合酶与核糖体相互协同,同步完成转录和翻译的现象被称为转录翻译偶联。转录翻译偶联是细菌和古菌的一种重要基因调控机制,能同时有效地调控转录过程和翻译过程,是细菌适应复杂环境的重要生物学基础。数十年来,大量的研究逐步揭示了细菌转录翻译偶联机制在细菌基因表达调控中的作用,一系列参与转录翻译偶联过程的调控因子也被鉴定发现。近期,基于不同偶联状态的转录翻译偶联复合体结构的突破性研究,首次系统地展示了在不同信使RNA间距下,转录翻译偶联过程的动态变化,为后续研究转录翻译偶联基因调控机制提供了理论基础。

叶绿体蛋白质传送器TOC-TIC超复合物的组成和结构机理

叶绿体作为植物及藻类细胞中含有内外双层被膜的细胞器,能够通过光合作用过程将光能转化为化学能。大部分的叶绿体蛋白由细胞核基因编码,其前体蛋白是在细胞质中的80S核糖体上合成的。前体蛋白在转运肽的引导下,通过跨越叶绿体外被膜和内被膜的路径被传送进入叶绿体内部,进而到达发挥其生物学功能的目的微区。目前已知的前体蛋白转运的一个主要途径是通过叶绿体外被膜转运子(translocon in the outer envelope membrane of chloroplast, TOC)和内被膜转运子(translocon in the inner envelope membrane of chloroplast, TIC),在二者的协同作用下前体蛋白得以跨越双层被膜进入叶绿体。文章回顾了TOC-TIC超复合物的结构生物学研究进展,并深入探讨了各组件的功能特性以及前体蛋白易位至叶绿体内部的潜在途径和调控机制。

紫色光合细菌LH1-RC复合物的结构生物学研究进展

紫色光合细菌作为研究光合作用分子机制的一种古老的模式生物,通过无氧光合作用将太阳能转化为化学能,其光合作用原初反应主要发生在由捕光天线复合物1(LH1)及反应中心复合物(RC)组成的核心复合物(LH1-RC)中。近年来,随着晶体学和冷冻电镜技术的迅速发展,多个不同菌种来源的LH1-RC复合物的三维结构被解析出来,极大地拓展了人们对该复合物的认识。文章系统总结了近年来紫细菌光合膜蛋白复合物的结构生物学研究进展,为深入了解光合作用分子机制、提高光合效率、促进人工光合作用系统的开发及应用提供了理论基础。

基于微纳米技术的细胞内递送的物理方法

随着生物医药学的发展,向细胞内递送外源性大分子在基础生物学和临床应用中至关重要,但基于病毒载体的传统生物方法存在通量低、毒性大、递送性能低以及耗时长等问题。文章综述了电穿孔、声穿孔、微注射和细胞挤压等基于细胞膜破坏实现胞内物质递送的技术,这些通过微纳米技术完成的高通量胞内物质递送的物理方法,可以弥补传统生物方法的很多缺陷,实验证明了其在保证细胞活性的基础上具有可观的转染效率。文章重点描述了基于细胞挤压实现细胞内递送的微流控操作平台及其机理,并讨论各种通过膜破坏技术完成细胞药物或分子递送技术的优势、局限性和发展前景。

植物光合作用原初反应与电子传递调控

光合作用是地球上最大规模的能量物质转换和生物固碳过程,是绝大多数生命生存和发展的物质基础。光反应是光合作用的第一步,其调控机制对于植物的生长至关重要。近年来随着分子生物学、结构生物学等现代学科交叉融合发展,许多经典光反应调控途径的分子元件得以深入解析,多种新的调控机制逐渐浮现。文章简述了光合作用光反应过程,并结合国内外最新成果重点讨论了捕光和电子传递链调控机制。相关研究不仅加深对光合作用的认识,而且对优化植物生长进而解决能源粮食等重要问题具有潜在应用意义。

短波自由电子激光在原子分子和团簇中的应用

短波自由电子激光产生的从极紫外(XUV)至硬X射线范围内连续可调的超强、超快和高相干性的脉冲辐射,为研究原子、分子和团簇中的超快电子和结构动力学过程开辟了新的途径。从原子的少光子单电离、少光子多电离和多光子多电离过程,到单脉冲的分子结构成像和时间分辨的分子动力学,再到团簇中的超快能量和质子转移过程,短波自由电子激光的应用非常广泛,并且取得了一系列重大的成果。通过一些科学案例,梳理了短波自由电子激光在原子、分子和团簇领域的研究进展。最后,总结了短波自由电子激光目前在该领域取得的成就,并展望了未来发展趋势。

固体中的缺陷:从位错到拓扑涡旋

固体如何形变流动,是固体物理和材料科学所长期关注的重要问题。谚语讲“上帝眼中,万物皆流”,其本质讲明了固体材料并不完美,其中存在的缺陷主导了固体材料的长时间尺度流变行为。在最近的一项研究工作中,研究者将拓扑学理论与前沿模拟方法相结合,最终证实了玻璃中拓扑缺陷的存在及其对玻璃塑性的关键作用。相关工作在非晶物质科学领域内首次展示了经典本征振动模式几何是如何影响非晶材料塑性行为的。

本期内容简介

谚语讲“上帝眼中,万物皆流”,其本质讲明了固体材料并不完美,其中存在的缺陷主导了固体材料的长时间尺度流变行为。本期第一篇特约专稿展示了经典本征振动模式中的几何结构,是如何影响非晶材料塑性行为的。DNA测序技术的飞速发展使人类基因组学研究迈进“端粒到端粒(T2T)时代”。本刊特约康禹研究员讲述了人类基因组T2T拼接的实现对精准医学发展的重大意义。

《光速——从地心说的覆灭到相对论的诞生》简介

2014年,我在科学网为几位争论相对论的网友担任裁判。网友们以火车上的小车为例,来讨论速度的相对性。他们问道,从小车上射出的子弹,速度相对地面是多少?这件事情,使我想起了读大学时,听过的一个演讲。做演讲的是一位创造学家,介绍通过词的排列组合来进行创造发明的办法。比如将“耳朵”和“床”放到一起,就可以发明耳朵形状的床,床头带有耳机……如此等等。在演讲结尾,创造学家终于跳脱出他的话题,谈到了相对论。他问,如果两架相向而行的飞机,彼此向对方发出光,那么双方感觉到对方发出的光的速度是多少?

阅读·评论

糖和复杂糖苷类化合物在自然界中分布广泛,具有多样化的生命功能和显著的药理活性,因此备受科学界关注。然而,从自然界中大量分离提纯出均一化的糖苷,是一项极具挑战性的任务。化学合成技术凭借其独特优势,成为获取均一化糖苷的可靠方法。

最小、最轻、最快的微型机器人来了

春夏之际的池塘里,总能看到长着6条大长腿的“大蚊子”趴在水面上。一受惊,它们就施展“水上漂”“凌波微步”等绝世神功,快速跑掉。这种“大蚊子”叫水黾,是一种常见的小型水生昆虫,它们在水面张力的支持下以每秒1米多的速度滑行。受水黾启发,美国华盛顿州立大学的研究人员研发出两款微型机器人--MiniBug和WaterStride,它们是迄今最小、最轻、最快的全功能微型机器人。研究团队在IEEE机器人与自动化学会日前召开的智能机器人与系统国际会议上表示,这类微型机器人有望用于人工授粉、搜救、环境监测、微型制造或外科手术等领域。

全球首例活体人类移植猪肾脏手术完成

全球首例活体人类移植猪肾脏手术的初步成功,让研究人员燃起了对猪器官进行更大规模临床试验的希望。这样的试验可能会将“异种移植”带入临床。手术在美国马萨诸塞州总医院进行。接受猪肾移植的是一位名叫RichardSlayman的62岁终末期肾衰竭患者。据他的移植医生说,2024年3月16日手术后,患者恢复得很好。移植的肾脏取自一只进行了69次基因组编辑的小型猪,这些编辑的基因组旨在防止捐赠器官的排斥反应,并降低器官中的病毒感染接受者的风险。

地球生命史:如果石头能说话——读《地球生命的历程(修订版)》

137.7亿年前,我们的宇宙从一个无穷密度的点(奇点)中诞生,宇宙大爆炸是所有故事的开端。过了大约90亿年,太阳系形成,更小的星体逐渐在太阳的周围聚集。一个由岩石和尘埃组成的球体形成了一颗围绕太阳运转的行星,这就是我们的地球。我们的地球诞生于45.5亿年前,既古老又年轻。谁是地球历史最好的记录者呢?岩石和化石。在漫长的时光里,它们一直沉默着,只有通过地质学家和科学仪器,石头才开口说话,娓娓道来它的历史。讲述地球生命史的书籍有很多,其中《地球生命的历程(修订版)》是名列前茅的佳作。该书荣获第五届中国科普作家协会优秀科普作品奖(金奖)。

AlphaFold 3将助力药物研发

2024年5月8日出版的《自然》报道了AlphaFold 3能以较高准确率预测蛋白质与其他生物分子相互作用的结构。AlphaFold 3是该人工智能模型的最新迭代,准确率与之前的专用工具相比显著提升,该模型由谷歌DeepMind和Isomorphic实验室的团队研发。这一最新模型能够预测蛋白质数据库(Protein Data Bank)内几乎所有分子类型复合物的结构。

4次点火,核聚变实验创新纪录

据《自然》报道,截至目前美国国家点火装置(NIF)已成功点火4次。最新一次实验再次刷新纪录——输入能量首次达到2.2 MJ,输出能量达3.4 MJ,位列历次点火实验第二。在这一基础上,美国政府正在建设3个研究中心,以进一步助推聚变领域研究。负责监督NIF的美国能源部随后宣布由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)、美国罗切斯特大学和科罗拉多州立大学领导新研究中心。