2019年北京大学发表18篇CNS，各个领域全面开花

2019年，北京大学学术排名第1名，另外，北京大学获得615项国家自然科学基金的资助，资助强度达到了46254万。截至2019年11月30日，北京大学在

【1】2019年11月15日，北京大学田晖团队在Science 发表题为“Generation of solar spicules and subsequent atmospheric heating”的研究论文，该研究利用大熊湖天文台1.6米口径太阳望远镜和空间太阳观测卫星提供的数据在日冕加热领域取得重要进展，其研究揭示了太阳针状物的产生机制和加热过程。

【2】2019年8月28日，哈尔滨工业大学黄志伟及北京大学高宁共同通讯在Nature 在线发表题为“Structural basis of assembly of the human TCR–CD3 complex”的研究论文，该研究报告了人类TCRα/β与CD3六聚体复合物的冷冻电子显微镜结构，分辨率为3.7Å；

【3】2019年9月12日，北京大学陈雷团队在Nature 在线发表题为“Structural insights into the mechanism of human soluble guanylate cyclase”的研究论文，

【4】2019年9月25日，北京大学郭少军团队在Nature 在线发表题为”PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis“的研究论文，该研究证明PdMo双金属片（一种高度弯曲且亚纳米级厚度的金属纳米片形式的钯钼合金）是一种有效且稳定的碱性电解质中ORR和OER的电催化剂，并显示出令人鼓舞的性能（质量活性分别比市售Pt / C和Pd / C催化剂高78倍和327倍，并且在30,000个潜在循环后几乎没有衰减）；

【5】由于其能够约束光，光学谐振器在科学和技术中非常重要，但是其性能常常受到不可避免的制造缺陷引起的面外散射损耗的限制。2019年10月23日，北京大学彭超团队在Nature 在线发表题为"Topologically enabled ultrahigh-Q guided resonances robust to out-of-plane scattering"的研究论文，该研究从理论上提出并通过实验证明了光子晶体平板中的一类引导共振，其中平面外散射损耗受其拓扑性质的强烈抑制。该研究工作为将来在具有开放边界条件的系统中探索拓扑光子学及其在改进光子集成电路中的光电器件中的应用铺平了道路；

【6】胚胎植入是哺乳动物胚胎发生过程中的里程碑事件。植入失败是人类早期妊娠失败的重要原因。由于在体内胚胎植入后很难获得人胚胎，目前尚不清楚基因调控网络和表观遗传机制如何控制胚胎植入过程。2019年8月21日，北京大学汤富酬及乔杰共同通讯在Nature在线发表题为“Reconstituting the transcriptome and DNA methylome landscapes of human implantation”的研究论文，该研究借助捐赠的人类胚胎和用于植入后胚胎的强大体外培养系统和单细胞多组学测序技术，该研究同时分析了基因表达网络和谱系 - 单细胞分辨率下人类种植周围胚胎的特定DNA甲基化模式；

【7】2019年3月21日，北京大学高宁与中国医学科学院病原生物学研究所金奇共同通讯在Cell在线发表题为“Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System”的研究论文，该研究报告了来自P. asymbiotica的完整PVC的冷冻电子显微镜结构。这种超过10-MDa的蛋白装置类似于简化的T4噬菌体尾部，包含六个六角形基板复合物和一个带帽的117纳米鞘管。 PVC的一个显著特征是管和鞘蛋白的三种变体的存在，表明它们在进化过程中的功能特化。

【8】2019年1月18日，北京大学周欢萍等人在Science上发表了题为“A Eu3+-Eu2+ ion redox shuttle impartsoperational durability to Pb-I perovskite solar cells”的文章。该研究表明，铕离子对Eu3+-Eu2+充当“氧化还原梭”，它在周期性转变中同时氧化Pb0并减少I0缺陷，实现了21.52％（认证20.52％）的功率转换效率（PCE），并且具有显着改善的长期耐久性；

【9】2019年6月12日，美国哈佛医学院吴皓及北京大学毛有东共同通讯在Nature在线发表题为“Structural mechanism for NEK7-licensed activation of NLRP3 inflammasome”的研究论文，该研究报告了与NEK7复合的无活性人NLRP3的冷冻电子显微镜结构，分辨率为3.8Å。总而言之，结构和功能研究已经证明NLRP3-NEK7相互作用决定了NEK7对NLRP3炎性体激活的需求；

【10】2019年5月31日，北京大学生命科学学院瞿礼嘉课题组在Science在线发表题为“Cysteine-rich peptides promote interspecific genetic isolation in Arabidopsis”的研究论文，该研究表明整个AtLURE1基因家族的敲除不影响生育力，表明在一个拟南芥物种内成功受精不需要AtLURE1-PRK6介导的信号传导。 该研究有利于未来的育种工作，同时可以通过向作物植物添加期望的农艺性状来增加基因库；

【11】2019年5月22日，北京大学物理学院刘开辉研究员、俞大鹏院士、王恩哥院士与合作者在Nature 在线发表题为“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystalhexagonal boron nitride monolayer on copper”的研究论文，在国际上首次报道利用中心反演对称性破缺的单晶铜衬底实现分米级二维单晶六方氮化硼的外延制备。该生长机制具有普适性，可推广到其它二维材料大面积单晶的制备；

【12】2019年5月16日，中国科学院微生物研究所病原微生物与免疫学重点实验室高福，首都医科大学附属北京儿童医院谢正德及北京大学魏文胜共同通讯在Cell 在线发表题为“Human Neonatal Fc Receptor Is the Cellular Uncoating Receptor for Enterovirus B”的研究论文，该研究通过CRISPR-Cas9文库筛选鉴定新生儿Fc受体（FcRn）作为大量EV-B病毒的通用脱壳受体。该研究系统地剖析了Echo 6附着和脱壳受体的不同作用，这为理解肠道病毒进入的机制提供了结构基础。发现FcRn作为其受体将改善基于艾柯病毒的溶瘤治疗剂的开发；

【13】2019年5月8日，北京大学王初及陈鹏共同通讯在Nature在线发表题为“Time-resolved protein activation by proximal decaging in living systems”的研究论文，该研究报告了计算辅助和遗传编码的近端分解（以下称为CAGE-prox）策略的开发，该策略能够实现活细胞和小鼠中广泛蛋白质以时间分辨率激活；

【14】2019年4月26日，北京大学邓宏魁研究组、解放军总医院卢实春研究组以及复旦大学袁正宏研究组合作在Science发表了题为“Long-term functional maintenance of primary human hepatocytes in vitro”的研究论文，首次证明利用化学小分子调控细胞信号通路，实现了功能细胞在体外的长期维持，这为大量制备功能成熟细胞及其应用提供了可能；

【15】2019年10月31日，北京大学张泽民，任仙文，首都医科大学彭吉润及勃林格殷格翰药业有限公司Liu Kang共同通讯在Cell 在线发表题为“Landscape and Dynamics of Single Immune Cells in Hepatocellular Carcinoma”的研究论文，

【16】2019年10月31日，清华大学陈柱成及北京大学高宁等共同通讯在Science 在线发表题为“Structure of the RSC complex bound to the nucleosome”的研究论文，该研究报告绑定到核小体的酵母RSC cryoEM结构。RSC被划分为ATPase马达，肌动蛋白相关蛋白（ARP）模块和底物招募模块（SRM）。RSC主要通过马达结合核小体，而辅助亚基Sfh1则与H2A-H2B酸性补丁接合，从而使核小体弹出。SRM被组织成三个底物结合叶，准备结合它们各自的核小体表位。SRM和马达在核小体上的相对方向解释了DNA易位和启动子核小体通过RSC重新定位的方向性。总的来说，

【17】2019年11月14日，广州医科大学张玉霞、杨敏、龚四堂等与北京大学白凡课题组合作共同通讯在Cell 在线发表题为"Mucosal Profiling of Pediatric-Onset Colitis and IBD Reveals Common Pathogenics and Therapeutic Pathways"的研究论文，该研究报告了未分化结肠炎，克罗恩病和溃疡性结肠炎患儿的单细胞聚类，免疫表型分析和风险基因分析。该研究发现在结肠炎和IBD患者中，常见的是表达PDE4B和TNF的巨噬细胞浸润，表达CD39的上皮内T细胞减少，结肠黏膜血小板聚集和5-羟色胺释放。在一项先导研究中，通过使用磷酸二酯酶抑制剂双嘧达莫来靶向这些途径可恢复免疫稳态并改善结肠炎症状。总而言之，对结肠粘膜的全面分析发现了结肠炎和IBD儿童的常见发病机制和治疗目标；

【18】2019年11月14日，电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室博士生杨超（导师李言荣院士）为第一作者，熊杰教授为通讯作者，张万里教授、李言荣院士为共同作者在Science 在线发表题为"Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition"的研究论文，该研究首次在高温超导纳米多孔薄膜中完全证实了量子金属态的存在。通过调节反应离子刻蚀的时间，在高温超导钇钡铜氧（YBCO）多孔薄膜中实现了超导—量子金属—绝缘体相变。通过极低温输运测试发现，超导、金属与绝缘这三个量子态都有与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁导振荡，证明量子金属态是玻色金属态，揭示出库珀对玻色子对于量子金属态的形成起到了主导作用。这一发现为国际上争论了三十多年的量子金属态的存在提供了有力的证据，并为研究量子金属态提供了新思路。

日冕是太阳的外层大气，最早是在日全食的时候被发现的。当月亮完全挡住太阳的盘面，微弱的日冕辐射就能够被地球上的人们所观测到。上世纪中叶，人们通过日全食的观测发现日冕中存在高次电离的铁离子，如Fe9+、Fe13+等，从而推断日冕的温度高达百万度，比太阳表面（光球）的温度高两个数量级以上。由于太阳向外辐射的能量来自太阳内部核心区域的核聚变反应，按照热力学第二定律，离太阳核心越远温度应该越低。打个比方，当人们烤火时，离火越远，温度越低。从太阳核心往外到光球层，这个规律确实是满足的，温度从约1500万度下降到5700度。然而从光球往外，温度却反常升高，到日冕甚至达到百万度的量级。如此高温的日冕是如何产生和维持的？这就是日冕加热的问题，它是太阳物理和空间物理领域长期以来未能解决的难题之一，并于2012年被Science杂志选为当代天文学的八大未解之谜之一。

图1 2017年日全食期间，北京大学拍摄的日冕红线图像与云南天文台拍摄的日冕绿线图像、美国SDO卫星拍摄的日面图像拼接而成的日冕图像（Chen, Tian, Su, et al. 2018, ApJ）

田晖及其合作者长期从事日冕加热的相关研究工作。近年来，基于对地基大口径太阳望远镜和空间太阳观测卫星所获取的高分辨率科学数据的详细分析，他们发现，太阳低层大气里小尺度的普遍性喷流可能是理解日冕加热过程的关键。这些普遍性喷流中，最典型的当属位于太阳表面和日冕之间的所谓针状物（Spicules）。这些针状物的宽度通常只有200千米左右（太阳半径约70万千米），它们间歇性地从太阳表面往外喷射到日冕中，就像喷泉一样。任何时候，太阳表面上存在约百万个这种针状物。界面层成像光谱仪卫星（IRIS）的观测表明，很大一部分针状物至少被加热到了10万度左右（Tian et al.2014）。此外，一些观测也显示，部分针状物可能会被进一步加热到百万度的量级。这些研究表明，针状物在日冕的物质和能量供应中起到了非常重要的作用，其产生和传输过程是理解日冕加热的关键。

然而迄今为止，人们对针状物的产生机制仍不了解。许多太阳物理学者根据自己的认识，提出了多种针状物产生的图像或理论模型，这些模型中的核心物理过程包括慢激波、阿尔芬波、中性气体与电离气体之间的相互作用、片状磁场结构的扭曲、涡旋运动、相反方向磁场结构之间的磁重联等。然而，几乎每一种机制都没有获得太阳物理界的普遍认同，人们对针状物的产生机制一直没有共识。这主要是因为这些图像或理论模型基本上都没有被直接的观测证据所支持。实际上，由于过去望远镜分辨率和灵敏度的局限性，观测针状物的产生过程极其困难。

图2大熊湖天文台的古迪太阳望远镜（曹文达教授和Philippe Henarejos提供）

大熊湖天文台新一代古迪太阳望远镜(GST)（Cao et al. 2010）口径1.6米，是目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜(图2)，其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备，为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。在国家自然科学基金和中科院国家天文台太阳物理TAP项目等的支持下，田晖课题组与大熊湖天文台通力合作，利用GST对太阳宁静区（除去黑子及其周围谱斑以外的区域）针状物的产生机制和加热过程进行了成功的观测（图3）。利用氢原子Hα谱线，课题组对针状物进行了高时间（约3.5秒）和高空间分辨率（约45千米）的成像观测研究。通过测量铁原子1.56微米谱线的偏振轮廓，课题组获得了光球深处磁场演化的高质量数据，磁图的空间分辨率达150千米左右。在详细分析数据后，课题组发现，不同极性磁场结构之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。这些针状物通常产生于太阳上一种对流单元边界处的强磁场区域（称为网络组织）附近（图4）。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时，通常便会产生针状物。一些相反极性的磁场结构在与网络磁场靠近的过程中逐渐变小并最终消失，在此过程中观测到伴随的针状物活动。

图3GST望远镜和SDO卫星对太阳大气不同层次的协同观测结果（Samanta, Tian, Yurchyshyn, et al. 2019, Science）

这些观测结果为磁重联驱动针状物的观点提供了强有力的支持。磁重联是等离子体中磁场拓扑结构发生改变，导致磁场的能量释放出来加热和加速物质的一种物理过程。太阳上普遍存在小尺度的磁流浮现（即磁场结构从太阳内部上浮到太阳大气中）过程。当这些新浮现出来的小尺度磁场结构靠近强磁场的网络组织，并且二者接触面上磁场极性相反时，磁重联便可能发生。磁重联将位于低层大气的物质加速往外抛出，形成针状物。这与当前最流行的两种针状物产生机制（磁流体激波、中性与电离成分之间的相互作用）截然不同。

图4针状物与磁场演化之间的关系。左图为Hα谱线观测的针状物（细长的暗结构）。右图展示了针状物由相反极性磁场结构之间的相互作用所产生，蓝色和红色代表视向磁场分量的不同极性（Samanta, Tian, Yurchyshyn, et al. 2019, Science）

太阳动力学天文台卫星（SDO）上搭载的大气成像望远镜（AIA）（Lemen et al. 2012）也对GST的观测区域进行了观测。该望远镜可对日冕的极紫外辐射进行高灵敏度的观测。其数据显示，针状物上端出现了增强的171 Å辐射（主要来自Fe8+离子，产生于一百万度左右的环境中），表明针状物在传播过程中被加热到了百万度的量级（图5）。过去对太阳边缘和日面活动区（黑子周围区域）的少数观测显示，太阳低层大气的喷流能导致局地日冕的加热（De Pontieu et al. 2011; Ji et al. 2012）。本次对日面上最普遍的宁静区的观测表明，针状物被加热到日冕温度是一种普遍现象，研究日冕加热不能不考虑针状物的贡献。

图5针状物被加热到日冕温度。图中黑色部分为Hα谱线观测的针状物，黄色部分为AIA 171 Å波段观测的日冕辐射。图中展示的两个例子均显示针状物上端出现增强的日冕辐射（Samanta, Tian, Yurchyshyn, et al. 2019, Science）

这一研究将太阳低层大气中的磁活动与日冕加热直接联系起来，这得益于地基和空间望远镜对太阳大气不同层次（不同温度）的协同观测。未来3年，我国的先进天基太阳天文台（ASO-S）、欧洲的太阳环绕器（Solar Orbiter）、印度的Aditya-L1等卫星将要发射，美国的4米口径太阳望远镜DKIST也将于明年正式投入运营，这些大设备将在多个电磁波段对太阳大气进行高分辨率和高灵敏度的观测，必将帮助我们进一步深入理解日冕加热与低层大气磁活动的关系。由于仪器的限制，本次磁场观测仍不足以用来研究一些更小尺度针状物的产生机制。我国推进中的先进地基太阳天文台（ASO-G）具有极高的分辨率和灵敏度，如能成功立项，必将大大推动日冕加热的相关研究。这一研究成果也将促进日冕加热和磁重联的有关理论和数值模拟研究。太阳低层大气是部分电离的，这种环境下磁重联的特征与完全电离环境下的磁重联相比有何不同，仍需进一步研究。此外，针状物在往外传输过程中的加热机制仍不清楚，未来需进行理论上的探讨。

论文通讯作者和第一作者分别为田晖及其博士后Tanmoy Samanta。其他作者包括大熊湖天文台台长曹文达教授、北京大学博士生陈亚杰、昆明理工大学冯松教授，以及来自美国新泽西理工学院、美国宇航局马歇尔空间飞行中心、德国马普学会太阳系研究所、英国谢菲尔德大学、奥地利格拉茨大学、印度天体物理研究所的多位太阳物理学者。

该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院国家天文台太阳物理TAP项目、中国科学院天文台站设备更新及重大仪器设备运行专项经费、中科院A类战略性先导专项、云南省应用基础研究重点项目、德国马普伙伴小组等项目的联合支持。

注：部分解析参考自北京大学官网介绍。

部分解析链接：

http://news.pku.edu.cn/jxky/9252aeef571042d6bb14bfaf8722d04b.htm

参考消息：

https://science.sciencemag.org/content/366/6467/890.long

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