三篇Nature!中科院、南方科大和华中科大各发一篇

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  近年来,我国各个领域的研究都进步明显,主要表现在国际顶尖学术期刊上(Nature、Science、Cell)发表的高水平学术论文也越来越多,部分研究领域经常会有重大突破性进展。

  青塔发现,在5月8日和5月9日中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、南方科技大学物理系和华中科技大学人文学院研究团队各发一篇Nature,研究成果取得巨大进展,再次向他们表示祝贺。

  ▎中国科学院

  2019年《自然》(Nature)以封面文章发表了中国科学院古脊椎动物与古人类研究所王敏、邹晶梅、徐星、周忠和的研究成果:侏罗纪善攀鸟龙类揭示膜质翅膀在恐龙中的演化,展示了在恐龙—鸟类演化历程中出现大量意想不到的适应飞行的尝试,与之对应演化出差异显著的骨骼—表皮衍生物组合。

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  在脊椎动物漫长的演化史中,翼龙、鸟类和蝙蝠独立演化出了形态迥异的飞行结构。相较翼龙和蝙蝠不完整的化石记录,随着不断发现的带羽毛恐龙和早期鸟类化石,尤其得益于我国中晚侏罗世的燕辽生物群和早白垩世的热河生物群,有关鸟类飞行起源这一重要科学问题取得了重要进展,而擅攀鸟龙类的发现则揭示了“一条匪夷所思的征服蓝天之旅”。善攀鸟龙类(Scansoriopterygidae)是恐龙家族中最为怪异的类群,生活在中—晚侏罗世,迄今发现的仅有三个属种:宁城树栖龙(Epidendrosaurusningchengensis)、胡氏耀龙(Epidexipteryx hui)和奇翼龙(Yi qi)。善攀鸟龙类形态特殊,如头骨高耸、四肢纤细、第三手指(最外侧的手指)加长、古老的2-3-4手指指式、尾骨缩短等,俨然是恐龙和鸟类的“混合体”,而它一度被认为和鸟类具有最近亲缘关系的兽脚类恐龙。但上述标本亦或不完整,亦或属于幼年个体,大量形态特征难以观察,造成它在演化树上的位置扑朔迷离。2015年徐星等命名的奇翼龙更加为这一类群增添神秘色彩。奇翼龙的前肢附着翼膜,还具有一根棒状长骨,这样的长骨在其它恐龙(包括鸟类)中没有对应的同源结构。因此,奇翼龙被复原成类似翼龙那样具有膜质翅膀而能够滑翔。但奇翼龙的标本仅有一件,保存不完整,因此对于棒状长骨和翼膜的结构还存有争议。

  2017年周忠和带领的基础科学中心团队在辽宁晚侏罗世地层考察时获得一件新化石。经过长达一年的室内修理、实验和对比研究,研究团队认为其代表一新的善攀鸟龙类,将其命名为长臂浑元龙(Ambopteryx longibrachium)(意指翼龙那样膜质翅膀和恐龙的混合体)。浑元龙发现于燕辽生物群晚侏罗世早期的海房沟组(距今约1.63亿年),其正型标本是目前已知最完整的善攀鸟龙类化石,提供大量形态和生态学信息。浑元龙体长约32厘米,体重约306克。浑元龙在肱骨近端关节面、手指和腰带形态方面明显不同于其它善攀鸟龙类,并且具有原始鸟类那样的尾综骨,如此缩短的尾骨能进一步将身体重心前移,有利于在飞行/滑翔时保持稳定。更为重要的是,研究人员在浑元龙上发现了和奇翼龙相似的棒状长骨和翼膜(翼膜中保存有色素体),这一新发现为棒状长骨和翼膜在善攀鸟龙类中的出现提供了确切无疑的证据。浑元龙体内保存有胃石和疑似尚未完全消化的骨质胃容物,这是在善攀鸟龙类中首次发现的与食性相关的证据,研究人员推测其为杂食性。

  浑元龙的前肢异常加长,甚至超过了中生代多数鸟类。研究人员在对比恐龙前肢时,发现善攀鸟龙类的前肢比例构成非常奇特,而这样的差异是否与翼膜的出现有关?为了证实这一猜测,王敏等采用基于系统发育关系的主成分分析方法来讨论中生代虚骨龙类(包括鸟类)四肢长度的演化,特别是在接近飞行起源时有哪些显著变化。系统发育主成分分析是在传统的主成分分析上剔除亲缘关系,最大程度保证采样点的独立性,同时复原祖先节点的特征状态,从而展现不同类群的演化趋势。研究结果显示,自副鸟类(Paraves,即包括所有鸟类,但不包括窃蛋龙类的最广义类群)开始,前肢开始加长,但仅有善攀鸟龙类的加长程度接近中生代鸟类,而这一程度其它非鸟龙类恐龙从未获得。善攀鸟龙类前肢的加长主要源自肱骨和尺骨;在鸟类、驰龙类或者伤齿龙类中,则是掌骨的加长,而这些类群的前肢具有飞羽。研究人员认为善攀鸟龙类通过加长的肱骨和尺骨、第三手指,与棒状长骨来附着膜质的翅膀,而鸟类、驰龙类和伤齿龙类则需要较长的掌骨来附着飞羽,显示出两种不同的飞行模式—“膜质翅膀和短掌骨”,“羽毛翅膀和长掌骨”—对前肢结构产生的巨大改变。

  已知的善攀鸟龙类均生活在晚侏罗世,类似的膜质翅膀没有在白垩纪的恐龙中出现。由飞羽构成的翅膀自晚侏罗世出现就延续到白垩纪,进过漫长的演化最终形成了鸟类的羽翼,使后者成为了多样性最丰富的现生四足动物。善攀鸟龙类独特的飞行结构代表了飞行演化的一次短暂尝试。

  本研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目(克拉通破坏与陆地生物演化)、优秀青年科学基金项目、中国科学院青年创新促进会、以及岩石圈演化国家重点实验室(华北克拉通破坏与燕辽-热河生物群演化)的支持。

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  图1.《自然》当期杂志封面:古脊椎所发现侏罗纪具膜质翅膀的恐龙

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  图2. a,长臂浑元龙正型标本;b,骨骼复原图;c.膜质翼膜色素体;d.骨质胃容物组织切片. bn,骨质胃容物; gs,胃石; mw,膜质翼膜; st,棒状长骨.

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  图3.中生代虚骨龙类系统树和肢骨演化:在飞行起源时,副鸟类不同类群显示出不同的前肢加长过程:善攀鸟龙类通过肱骨加长,结合第三手指和棒状长骨附着膜质翅膀;而驰龙类、伤齿龙类和鸟类则通过掌骨的加长以附着羽状翅膀

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  图4.长臂混元龙复原图

  ▎南方科技大学

  2019年5月8日,国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)发表了主要由南方科技大学物理系和中国科学技术大学物理学院共同完成的题为“Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5”的研究论文,实验证实了哈佛大学理论物理学家Bertrand Halperin在1987年给出的关于三维电子气体系中量子霍尔效应的理论预测。南科大物理系副教授张立源、中国科大教授乔振华和新加坡技术和设计大学教授杨声远为共同通讯作者;美国布鲁克海文国家实验室、佛罗里达强磁场实验室、麻省理工学院、新加坡技术和设计大学为共同参与单位。

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  在凝聚态物理学中,对于对称性、相互作用、拓扑性以及维度(或自由度)的理解是永恒的研究课题,也是当前固体物理和器件应用的研究热点。从1980年开始,量子霍尔效应的发现开启了研究物理学中拓扑相变的新时代,也深刻地改变了人们对相变、对称性和相互作用的理解。最近10年来,拓扑量子物态的相关研究已经成为当前凝聚态物理领域最活跃的课题之一。高品质的ZrTe5晶体具有超高的迁移率、超低载流子浓度和多种珍奇的拓扑能带特征,成为了研究三维电子气体系的拓扑量子相变的理想材料之一。

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  图1. ZrTe5单晶(Tp~95K)的(a)降温曲线和(b)三维费米面结构。

  对于电阻率反常峰(Tp)在95K左右的ZrTe5样品(图1.a),张立源课题组通过细致的低温量子输运测量,并结合各个轴向的量子振荡分析,得到了非常清晰的费米面拓扑结构(图1.b)。尽管ZrTe5的费米面存在非常强的各向异性,但其本身闭合的费米面结构仍然很好地说明了体系是属于完全的三维系统。

  课题组在低温下的输运测量中,发现了非常明显的量子霍尔平台(图2.a)。通过仔细分析平台量子化电阻值和样品厚度之间的依赖关系,研究组指出,量子霍尔层的周期正好为材料z方向费米波长的1/2(图2.b),这很好地证明了三维电子气在磁场调制下形成电荷密度波(CDW)结构的物理图像。理论模拟三维电子气在强磁场下的行为,可以清晰看到电子气形成一层一层的量子层结构(图2.b插图)。此外,z方向的非欧姆性输运行为也给出了CDW存在的有力证据。

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  图2.(a)ZrTe5单晶中的三维量子霍尔效应;(b)z方向的CDW周期和费米波长,插图是三维电子气在磁场下形成二维导电层的模拟

  在体系进入量子极限后,研究组观测到了非常明显的金属绝缘体相变行为(图3.a)。体系存在一个典型的零温量子临界点,为量子相变,并可以画出体系的电子相图(图3.b),这些结果为将来研究三维电子气中的电子相互作用效应提供了很好的参考。

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  图3.(a)ZrTe5单晶中金属绝缘体相变的标度行为;(b)体系的电子相图

  张立源表示,这项工作的顺利开展离不开博士生汤方栋、任亚飞,博士后王培培的细致分析和勤奋工作。另一方面,研究过程中的合作、沟通和讨论是必不可少的。现在的科学研究越来越注重团队合作,单靠一个人的努力是不够的,许多人在一起各自发挥优势可以把事情做得更好。张立源说,很幸运能和中国科技大学的乔振华研究组、新加坡技术与设计大学(Singapore University of Technology and Design)的杨声远教授、布鲁克海文国家实验室的顾根大研究组、弗罗里达州立大学和美国强磁场中心的杨昆老师以及麻省理工学院的李雅达(Patrick A Lee)先生一起合作。

  可以预见,就像二维量子霍尔效应的发现引起轰动那样,此项研究成果将会开辟一个崭新的三维量子物态的研究领域。值得一提的是,Bertrand Halperin在2019年获得APS Medal for Exceptional Achievement in Research时,专门在获奖报告中将其在1987年关于三维量子霍尔效应的理论预言列为自己的终身成就之一。在得知此次研究团队的实验成果后,他向团队表达了祝贺和肯定,并称赞团队的成果“indeed a very nice discovery”。

  文章来源:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9

  ▎华中科技大学

  5月9日,国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)在线发表了人文学院哲学系生命伦理学研究中心执行主任雷瑞鹏教授作为第一作者的长篇科技伦理与治理政策分析和评论文章“在中国重建伦理治理”(Reboot ethics governance in China),生命伦理学研究中心主任邱仁宗教授为文章通讯作者。

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  作为国内人文学科领域首篇在《自然》发表的政策性评论文章,它分析了中国科技创新、研究和应用领域存在的典型伦理治理问题,论述了重建当前中国科技治理和监管体系的迫切性和必要性,并提出政策建议。文章在《自然》Comment栏目发表后,对引发学界关于科技发展与伦理治理的探讨研究起到重要作用,同时了扩大了中国人文学科在世界的学术与社会影响。

  文章指出,目前,我国对科技创新、研发和应用的治理不够充分,甚至是乏力和碎片化的。在遇到实际问题和争论时过于强调文化差异,忽略了科学技术带来的负面影响。如“基因编辑婴儿”事件,不仅违反国际伦理规范,也违反我国政府相关规定和传统医德规范。这不仅跟商业资本的不当干预有关,也反映了我国不适当的奖励制度造成少数科学家急功近利的现象。

  为防止此类事件的再次出现,雷瑞鹏在文章中从六个方面提出重要建议。

  一是加强监管,例如基因编辑、干细胞、线粒体移置等生物技术,在进行创新、研发和应用前,应由政府有关部门在科学家和生命伦理学家协助下制订伦理规范和暂行管理办法。

  二是建立全国性的登记注册机构,上述技术临床试验的研究方案、伦理审查、批准情况及科研人员与机构基本信息必须在全国性的登记注册机构登记注册,公开透明以备查询,政府还要建立严格的准入制度。

  三是明确监督机构,应由国家卫生健康委员会负起监督全国所有公立和私立基因编辑研究中心和体外受精临床中心的责任,以确定临床试验进行情况、伦理审查和审批情况、获得知情同意的情况等多方面内容。基因编辑研究中心和体外受精临床中心所有人员都要接受研究伦理学和临床伦理学的培训。

  四是畅通相关研究信息渠道,中国科学院和中国医学科学院可将新兴技术的相关规则与条例、合适的知情同意程序,以及该领域最新科技发展状况提供给全国各研究机构,也可为有兴趣参与实验的人提供资料来源,有助于研究者及时发现违规违法行为。

  五是政府支持加强生命伦理学教育和培训,她建议政府支持各大学和研究机构加强生命伦理学(包括临床伦理学、研究伦理学和公共卫生伦理学),以及科学、医学专业精神的培训。相关专业的学生、所有参与研究的人员及报道科技的媒体人员和新闻系师生都要接受相关培训和继续教育。

  六是严防对残障人士的歧视,消除对残障人士的歧视是允许开展可遗传基因编辑的一个必要条件,建议政府采取有效措施反对和防止对残障人士的歧视,尤其是要警惕一小部分学者将残障人士归于“劣生”。

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  雷瑞鹏教授(照片左四)

  雷瑞鹏教授自2001年任教于人文学院以来,一直致力于生命科学哲学和生命伦理学方面的研究,曾担任哈佛大学“国际生物医学和卫生研究伦理项目”Fellow(2003-2005)和亚洲生命伦理学会副会长(2010-2015),主持教育部人文社科规划项目、国家社科基金重大项目课题和国际合作项目10余项。现任中国生命伦理学学会副理事长兼秘书长。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/d41586-019-01408-y

  (来源:中科院、南方科技大学、华中科技大学官网)

 

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