2019年北京大學發表18篇CNS，各個領域全面開花

2019年，北京大學學術排名第1名，另外，北京大學獲得615項國家自然科學基金的資助，資助強度達到了46254萬。截至2019年11月30日，北京大學在

【1】2019年11月15日，北京大學田暉團隊在Science 發表題為“Generation of solar spicules and subsequent atmospheric heating”的研究論文，該研究利用大熊湖天文臺1.6米口徑太陽望遠鏡和空間太陽觀測衛星提供的數據在日冕加熱領域取得重要進展，其研究揭示了太陽針狀物的產生機制和加熱過程。

【2】2019年8月28日，哈爾濱工業大學黃志偉及北京大學高寧共同通訊在Nature 在線發表題為“Structural basis of assembly of the human TCR–CD3 complex”的研究論文，該研究報告了人類TCRα/β與CD3六聚體複合物的冷凍電子顯微鏡結構，分辨率為3.7Å；

【3】2019年9月12日，北京大學陳雷團隊在Nature 在線發表題為“Structural insights into the mechanism of human soluble guanylate cyclase”的研究論文，

【4】2019年9月25日，北京大學郭少軍團隊在Nature 在線發表題為”PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis“的研究論文，該研究證明PdMo雙金屬片（一種高度彎曲且亞納米級厚度的金屬納米片形式的鈀鉬合金）是一種有效且穩定的鹼性電解質中ORR和OER的電催化劑，並顯示出令人鼓舞的性能（質量活性分別比市售Pt / C和Pd / C催化劑高78倍和327倍，並且在30,000個潛在循環後幾乎沒有衰減）；

【5】由於其能夠約束光，光學諧振器在科學和技術中非常重要，但是其性能常常受到不可避免的製造缺陷引起的面外散射損耗的限制。2019年10月23日，北京大學彭超團隊在Nature 在線發表題為"Topologically enabled ultrahigh-Q guided resonances robust to out-of-plane scattering"的研究論文，該研究從理論上提出並通過實驗證明了光子晶體平板中的一類引導共振，其中平面外散射損耗受其拓撲性質的強烈抑制。該研究工作為將來在具有開放邊界條件的系統中探索拓撲光子學及其在改進光子集成電路中的光電器件中的應用鋪平了道路；

【6】胚胎植入是哺乳動物胚胎發生過程中的里程碑事件。植入失敗是人類早期妊娠失敗的重要原因。由於在體內胚胎植入後很難獲得人胚胎，目前尚不清楚基因調控網絡和表觀遺傳機制如何控制胚胎植入過程。2019年8月21日，北京大學湯富酬及喬傑共同通訊在Nature在線發表題為“Reconstituting the transcriptome and DNA methylome landscapes of human implantation”的研究論文，該研究藉助捐贈的人類胚胎和用於植入後胚胎的強大體外培養系統和單細胞多組學測序技術，該研究同時分析了基因表達網絡和譜系 - 單細胞分辨率下人類種植周圍胚胎的特定DNA甲基化模式；

【7】2019年3月21日，北京大學高寧與中國醫學科學院病原生物學研究所金奇共同通訊在Cell在線發表題為“Cryo-EM Structure and Assembly of an Extracellular Contractile Injection System”的研究論文，該研究報告了來自P. asymbiotica的完整PVC的冷凍電子顯微鏡結構。這種超過10-MDa的蛋白裝置類似於簡化的T4噬菌體尾部，包含六個六角形基板複合物和一個帶帽的117納米鞘管。 PVC的一個顯著特徵是管和鞘蛋白的三種變體的存在，表明它們在進化過程中的功能特化。

【8】2019年1月18日，北京大學周歡萍等人在Science上發表了題為“A Eu3+-Eu2+ ion redox shuttle impartsoperational durability to Pb-I perovskite solar cells”的文章。該研究表明，銪離子對Eu3+-Eu2+充當“氧化還原梭”，它在週期性轉變中同時氧化Pb0並減少I0缺陷，實現了21.52％（認證20.52％）的功率轉換效率（PCE），並且具有顯著改善的長期耐久性；

【9】2019年6月12日，美國哈佛醫學院吳皓及北京大學毛有東共同通訊在Nature在線發表題為“Structural mechanism for NEK7-licensed activation of NLRP3 inflammasome”的研究論文，該研究報告了與NEK7複合的無活性人NLRP3的冷凍電子顯微鏡結構，分辨率為3.8Å。總而言之，結構和功能研究已經證明NLRP3-NEK7相互作用決定了NEK7對NLRP3炎性體激活的需求；

【10】2019年5月31日，北京大學生命科學學院瞿禮嘉課題組在Science在線發表題為“Cysteine-rich peptides promote interspecific genetic isolation in Arabidopsis”的研究論文，該研究表明整個AtLURE1基因家族的敲除不影響生育力，表明在一個擬南芥物種內成功受精不需要AtLURE1-PRK6介導的信號傳導。 該研究有利於未來的育種工作，同時可以通過向作物植物添加期望的農藝性狀來增加基因庫；

【11】2019年5月22日，北京大學物理學院劉開輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士與合作者在Nature 在線發表題為“Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystalhexagonal boron nitride monolayer on copper”的研究論文，在國際上首次報道利用中心反演對稱性破缺的單晶銅襯底實現分米級二維單晶六方氮化硼的外延製備。該生長機制具有普適性，可推廣到其它二維材料大面積單晶的製備；

【12】2019年5月16日，中國科學院微生物研究所病原微生物與免疫學重點實驗室高福，首都醫科大學附屬北京兒童醫院謝正德及北京大學魏文勝共同通訊在Cell 在線發表題為“Human Neonatal Fc Receptor Is the Cellular Uncoating Receptor for Enterovirus B”的研究論文，該研究通過CRISPR-Cas9文庫篩選鑑定新生兒Fc受體（FcRn）作為大量EV-B病毒的通用脫殼受體。該研究系統地剖析了Echo 6附著和脫殼受體的不同作用，這為理解腸道病毒進入的機制提供了結構基礎。發現FcRn作為其受體將改善基於艾柯病毒的溶瘤治療劑的開發；

【13】2019年5月8日，北京大學王初及陳鵬共同通訊在Nature在線發表題為“Time-resolved protein activation by proximal decaging in living systems”的研究論文，該研究報告了計算輔助和遺傳編碼的近端分解（以下稱為CAGE-prox）策略的開發，該策略能夠實現活細胞和小鼠中廣泛蛋白質以時間分辨率激活；

【14】2019年4月26日，北京大學鄧宏魁研究組、解放軍總醫院盧實春研究組以及復旦大學袁正宏研究組合作在Science發表了題為“Long-term functional maintenance of primary human hepatocytes in vitro”的研究論文，首次證明利用化學小分子調控細胞信號通路，實現了功能細胞在體外的長期維持，這為大量製備功能成熟細胞及其應用提供了可能；

【15】2019年10月31日，北京大學張澤民，任仙文，首都醫科大學彭吉潤及勃林格殷格翰藥業有限公司Liu Kang共同通訊在Cell 在線發表題為“Landscape and Dynamics of Single Immune Cells in Hepatocellular Carcinoma”的研究論文，

【16】2019年10月31日，清華大學陳柱成及北京大學高寧等共同通訊在Science 在線發表題為“Structure of the RSC complex bound to the nucleosome”的研究論文，該研究報告綁定到核小體的酵母RSC cryoEM結構。RSC被劃分為ATPase馬達，肌動蛋白相關蛋白（ARP）模塊和底物招募模塊（SRM）。RSC主要通過馬達結合核小體，而輔助亞基Sfh1則與H2A-H2B酸性補丁接合，從而使核小體彈出。SRM被組織成三個底物結合葉，準備結合它們各自的核小體表位。SRM和馬達在核小體上的相對方向解釋了DNA易位和啟動子核小體通過RSC重新定位的方向性。總的來說，

【17】2019年11月14日，廣州醫科大學張玉霞、楊敏、龔四堂等與北京大學白凡課題組合作共同通訊在Cell 在線發表題為"Mucosal Profiling of Pediatric-Onset Colitis and IBD Reveals Common Pathogenics and Therapeutic Pathways"的研究論文，該研究報告了未分化結腸炎，克羅恩病和潰瘍性結腸炎患兒的單細胞聚類，免疫表型分析和風險基因分析。該研究發現在結腸炎和IBD患者中，常見的是表達PDE4B和TNF的巨噬細胞浸潤，表達CD39的上皮內T細胞減少，結腸黏膜血小板聚集和5-羥色胺釋放。在一項先導研究中，通過使用磷酸二酯酶抑制劑雙嘧達莫來靶向這些途徑可恢復免疫穩態並改善結腸炎症狀。總而言之，對結腸粘膜的全面分析發現了結腸炎和IBD兒童的常見發病機制和治療目標；

【18】2019年11月14日，電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室博士生楊超（導師李言榮院士）為第一作者，熊傑教授為通訊作者，張萬里教授、李言榮院士為共同作者在Science 在線發表題為"Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition"的研究論文，該研究首次在高溫超導納米多孔薄膜中完全證實了量子金屬態的存在。通過調節反應離子刻蝕的時間，在高溫超導釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實現了超導—量子金屬—絕緣體相變。通過極低溫輸運測試發現，超導、金屬與絕緣這三個量子態都有與庫珀電子對相關的h/2e週期的超導量子磁導振盪，證明量子金屬態是玻色金屬態，揭示出庫珀對玻色子對於量子金屬態的形成起到了主導作用。這一發現為國際上爭論了三十多年的量子金屬態的存在提供了有力的證據，併為研究量子金屬態提供了新思路。

日冕是太陽的外層大氣，最早是在日全食的時候被發現的。當月亮完全擋住太陽的盤面，微弱的日冕輻射就能夠被地球上的人們所觀測到。上世紀中葉，人們通過日全食的觀測發現日冕中存在高次電離的鐵離子，如Fe9+、Fe13+等，從而推斷日冕的溫度高達百萬度，比太陽表面（光球）的溫度高兩個數量級以上。由於太陽向外輻射的能量來自太陽內部核心區域的核聚變反應，按照熱力學第二定律，離太陽核心越遠溫度應該越低。打個比方，當人們烤火時，離火越遠，溫度越低。從太陽核心往外到光球層，這個規律確實是滿足的，溫度從約1500萬度下降到5700度。然而從光球往外，溫度卻反常升高，到日冕甚至達到百萬度的量級。如此高溫的日冕是如何產生和維持的？這就是日冕加熱的問題，它是太陽物理和空間物理領域長期以來未能解決的難題之一，並於2012年被Science雜誌選為當代天文學的八大未解之謎之一。

圖1 2017年日全食期間，北京大學拍攝的日冕紅線圖像與雲南天文臺拍攝的日冕綠線圖像、美國SDO衛星拍攝的日面圖像拼接而成的日冕圖像（Chen, Tian, Su, et al. 2018, ApJ）

田暉及其合作者長期從事日冕加熱的相關研究工作。近年來，基於對地基大口徑太陽望遠鏡和空間太陽觀測衛星所獲取的高分辨率科學數據的詳細分析，他們發現，太陽低層大氣裡小尺度的普遍性噴流可能是理解日冕加熱過程的關鍵。這些普遍性噴流中，最典型的當屬位於太陽表面和日冕之間的所謂針狀物（Spicules）。這些針狀物的寬度通常只有200千米左右（太陽半徑約70萬千米），它們間歇性地從太陽表面往外噴射到日冕中，就像噴泉一樣。任何時候，太陽表面上存在約百萬個這種針狀物。界面層成像光譜儀衛星（IRIS）的觀測表明，很大一部分針狀物至少被加熱到了10萬度左右（Tian et al.2014）。此外，一些觀測也顯示，部分針狀物可能會被進一步加熱到百萬度的量級。這些研究表明，針狀物在日冕的物質和能量供應中起到了非常重要的作用，其產生和傳輸過程是理解日冕加熱的關鍵。

然而迄今為止，人們對針狀物的產生機制仍不瞭解。許多太陽物理學者根據自己的認識，提出了多種針狀物產生的圖像或理論模型，這些模型中的核心物理過程包括慢激波、阿爾芬波、中性氣體與電離氣體之間的相互作用、片狀磁場結構的扭曲、渦旋運動、相反方向磁場結構之間的磁重聯等。然而，幾乎每一種機制都沒有獲得太陽物理界的普遍認同，人們對針狀物的產生機制一直沒有共識。這主要是因為這些圖像或理論模型基本上都沒有被直接的觀測證據所支持。實際上，由於過去望遠鏡分辨率和靈敏度的侷限性，觀測針狀物的產生過程極其困難。

圖2大熊湖天文臺的古迪太陽望遠鏡（曹文達教授和Philippe Henarejos提供）

大熊湖天文臺新一代古迪太陽望遠鏡(GST)（Cao et al. 2010）口徑1.6米，是目前世界上正在運營的最大口徑的太陽望遠鏡(圖2)，其得天獨厚的觀測臺址和強大的觀測儀器設備，為攻克該項極具挑戰的研究課題提供了可能。在國家自然科學基金和中科院國家天文臺太陽物理TAP項目等的支持下，田暉課題組與大熊湖天文臺通力合作，利用GST對太陽寧靜區（除去黑子及其周圍譜斑以外的區域）針狀物的產生機制和加熱過程進行了成功的觀測（圖3）。利用氫原子Hα譜線，課題組對針狀物進行了高時間（約3.5秒）和高空間分辨率（約45千米）的成像觀測研究。通過測量鐵原子1.56微米譜線的偏振輪廓，課題組獲得了光球深處磁場演化的高質量數據，磁圖的空間分辨率達150千米左右。在詳細分析數據後，課題組發現，不同極性磁場結構之間的相互作用與針狀物的產生緊密相關。這些針狀物通常產生於太陽上一種對流單元邊界處的強磁場區域（稱為網絡組織）附近（圖4）。當網絡組織附近出現相反極性的小尺度弱磁場結構時，通常便會產生針狀物。一些相反極性的磁場結構在與網絡磁場靠近的過程中逐漸變小並最終消失，在此過程中觀測到伴隨的針狀物活動。

圖3GST望遠鏡和SDO衛星對太陽大氣不同層次的協同觀測結果（Samanta, Tian, Yurchyshyn, et al. 2019, Science）

這些觀測結果為磁重聯驅動針狀物的觀點提供了強有力的支持。磁重聯是等離子體中磁場拓撲結構發生改變，導致磁場的能量釋放出來加熱和加速物質的一種物理過程。太陽上普遍存在小尺度的磁流浮現（即磁場結構從太陽內部上浮到太陽大氣中）過程。當這些新浮現出來的小尺度磁場結構靠近強磁場的網絡組織，並且二者接觸面上磁場極性相反時，磁重聯便可能發生。磁重聯將位於低層大氣的物質加速往外拋出，形成針狀物。這與當前最流行的兩種針狀物產生機制（磁流體激波、中性與電離成分之間的相互作用）截然不同。

圖4針狀物與磁場演化之間的關係。左圖為Hα譜線觀測的針狀物（細長的暗結構）。右圖展示了針狀物由相反極性磁場結構之間的相互作用所產生，藍色和紅色代表視向磁場分量的不同極性（Samanta, Tian, Yurchyshyn, et al. 2019, Science）

太陽動力學天文臺衛星（SDO）上搭載的大氣成像望遠鏡（AIA）（Lemen et al. 2012）也對GST的觀測區域進行了觀測。該望遠鏡可對日冕的極紫外輻射進行高靈敏度的觀測。其數據顯示，針狀物上端出現了增強的171 Å輻射（主要來自Fe8+離子，產生於一百萬度左右的環境中），表明針狀物在傳播過程中被加熱到了百萬度的量級（圖5）。過去對太陽邊緣和日面活動區（黑子周圍區域）的少數觀測顯示，太陽低層大氣的噴流能導致局地日冕的加熱（De Pontieu et al. 2011; Ji et al. 2012）。本次對日面上最普遍的寧靜區的觀測表明，針狀物被加熱到日冕溫度是一種普遍現象，研究日冕加熱不能不考慮針狀物的貢獻。

圖5針狀物被加熱到日冕溫度。圖中黑色部分為Hα譜線觀測的針狀物，黃色部分為AIA 171 Å波段觀測的日冕輻射。圖中展示的兩個例子均顯示針狀物上端出現增強的日冕輻射（Samanta, Tian, Yurchyshyn, et al. 2019, Science）

這一研究將太陽低層大氣中的磁活動與日冕加熱直接聯繫起來，這得益於地基和空間望遠鏡對太陽大氣不同層次（不同溫度）的協同觀測。未來3年，我國的先進天基太陽天文臺（ASO-S）、歐洲的太陽環繞器（Solar Orbiter）、印度的Aditya-L1等衛星將要發射，美國的4米口徑太陽望遠鏡DKIST也將於明年正式投入運營，這些大設備將在多個電磁波段對太陽大氣進行高分辨率和高靈敏度的觀測，必將幫助我們進一步深入理解日冕加熱與低層大氣磁活動的關係。由於儀器的限制，本次磁場觀測仍不足以用來研究一些更小尺度針狀物的產生機制。我國推進中的先進地基太陽天文臺（ASO-G）具有極高的分辨率和靈敏度，如能成功立項，必將大大推動日冕加熱的相關研究。這一研究成果也將促進日冕加熱和磁重聯的有關理論和數值模擬研究。太陽低層大氣是部分電離的，這種環境下磁重聯的特徵與完全電離環境下的磁重聯相比有何不同，仍需進一步研究。此外，針狀物在往外傳輸過程中的加熱機制仍不清楚，未來需進行理論上的探討。

論文通訊作者和第一作者分別為田暉及其博士後Tanmoy Samanta。其他作者包括大熊湖天文臺臺長曹文達教授、北京大學博士生陳亞傑、昆明理工大學馮松教授，以及來自美國新澤西理工學院、美國宇航局馬歇爾空間飛行中心、德國馬普學會太陽系研究所、英國謝菲爾德大學、奧地利格拉茨大學、印度天體物理研究所的多位太陽物理學者。

該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院國家天文臺太陽物理TAP項目、中國科學院天文臺站設備更新及重大儀器設備運行專項經費、中科院A類戰略性先導專項、雲南省應用基礎研究重點項目、德國馬普夥伴小組等項目的聯合支持。

注：部分解析參考自北京大學官網介紹。

部分解析鏈接：

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

參考消息：

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

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