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围绕年轻恒星形成行星(艺术家绘图)。地球深处氪同位素测量显示,水、碳和其他挥发物融入地球的时间比以前认为的更早。图片来源:欧洲南方天文台  美国加州大学戴维斯分校的一项新研究表明,从冰岛和加拉帕戈斯群岛的地质热点收集的地幔中的氪,更清晰地揭示了地球是如何形成的。这项研究发表在12月16日出版的《自然》杂志上。  不同的氪同位素是科学家寻找地球组成成分的化学“指纹”,比如来自太阳系的太阳风粒子和陨石。相关发现表明,地球上的挥发性元素(如碳、水和氮等基本元素)是在地球成为一颗行星时到达地球的。这与流行的理论相矛盾,即地球的挥发性元素主要是在地球形成末期(以形成月球的大碰撞为标志)到达地球的。相反,氪同位素表明,来自寒冷的外太阳系的星子在大碰撞之前的数百万年就曾轰击过地球。早期地球还从太阳星云(太阳周围的云)中吸取了尘埃和气体,并受到了陨石的轰击。  原始地球化学  冰岛和加拉帕戈斯群岛的火山热点喷出的熔岩是由来自地幔最深处(靠近地核边界)的上升泥状岩浆柱形成的。这一深层元素和矿物质与月球形成之前相比没有变化,就像一个时间胶囊,记录了44亿年前的早期地球化学特征。  SujoyMukhopadhyay的实验室专门对地球岩石中的稀有气体进行了精确测量。为了取样深地幔中的氪,研究人员收集了羽状熔岩热点地区的样本。这些古老的气体随着喷发的熔岩上升到表面,当熔岩熄灭变为固体时,会被困在一个玻璃基质中,并以气泡的形式被掩埋,从而在一定程度上避免了外界的污染。  然而,Mukhopadhyay说,即使是这些气泡中最丰富的氪同位素也只有几亿个原子,这使得它们的检测极具挑战性。SandrinePéron设计了一种用质谱法测量地幔氪的新技术,在几乎没有空气污染的环境中从岩石样品中浓缩氪,并将其与氩和氙巧妙地分离开。  “我们的研究是第一次精确测量地幔中的氪同位素,包括最稀有的Kr-78和Kr-80。”Péron说。  建立一个星球  研究人员发现,深地幔氪的化学指纹与原始的、富含碳的陨石非常相似,这些陨石可能来自太阳系寒冷的外部区域。Mukhopadhyay和其他人之前的工作发现,地幔深处的另一种惰性气体——氖来自于太阳。  这两种不同的研究结果表明,地幔至少有两种不同的不稳定来源,并在地球历史早期就产生了。研究人员还注意到,与已知的陨石相比,深地幔中罕见的同位素Kr-86较少。Kr-86的缺失表明,仅靠已知的陨石可能无法解释地幔中所有的氪元素。  新结果也暗示了地球大气是如何形成的。研究人员发现,地幔深处不同的氪同位素比例与地球大气中的同位素比例不匹配。这意味着地球大气层中的一些气体,包括氪等稀有气体,在形成月球的撞击后被送到地球。Péron说,否则,由于撞击后的同位素平衡,地球地幔和大气将有相同的同位素组成。  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04092-z  

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人工智能预测了两种蛋白质如何形成参与酵母DNA修复的复合体。一名研究人员记录了墨西哥奇基维特洞穴中沉积物样本的位置。为了产生美国国家点火装置的聚变反应,192束激光束汇聚在一个微小的燃料芯块周围。莫奈拉韦将未接种新冠疫苗的高危人群因病住院或死亡的风险降低了30%。研究人员使用MDMA治疗创伤后应激障碍。艺术家描绘的单克隆抗体(红色和蓝色)攻击新冠病毒(紫色)的概念图。地震波显示火星有一层薄薄的地壳、浅层的地幔和一个异常大的液体核心。美国缪子反常磁矩实验自2018年以来一直在费米国家加速器实验室获取数据。来自CRISPR注射的引导RNA(蓝色)将DNA切割酶(白色)引导至其目标(橙色)。一只老鼠胚胎在一个旋转的罐子里生长。这可帮研究人员了解人类发育的早期阶段。  北京时间17日,《科学》网站公布了2021年度科学突破评选结果。让我们一起来看看今年科学界有哪些重大发现。  1.人工智能预测蛋白质结构  今年7月,世界知名人工智能团队深度思维宣布,它利用AI智能软件程序——阿尔法折叠预测了人类表达的几乎所有蛋白质的结构,以及其他20种生物的几乎完整的蛋白质组。AI预测蛋白质结构将带来广泛应用,提供对基础生物学的见解并揭示潜在的药物靶点。11月,德国和美国的研究人员利用阿尔法折叠2和冷冻电镜绘制了核孔复合物的结构图。8月,中国研究人员使用阿尔法折叠2绘制了近200种与DNA结合的蛋白质结构图。现在,科学家正使用阿尔法折叠2来模拟奥密克戎变体刺突蛋白突变的影响,通过在蛋白质中插入更大的氨基酸,突变改变了它的形状,这也许足以阻止抗体与其结合并中和病毒。  2.解锁古老泥土DNA宝库  最近,科学家们从洞穴地面的土壤中解锁了一个更大的古代DNA宝库。研究人员使用这种“泥土DNA”来重建世界各地穴居人的身份。在西班牙的Estatuas洞穴,核DNA揭示了8万至11.3万年前生活在那里的人类的遗传特征和性别,并表明尼安德特人的一个谱系在10万年前结束的冰川期之后取代了其他几个谱系。在美国佐治亚州Satsurblia洞穴有2.5万年历史的土壤中,科学家们发现了来自以前未知的尼安德特人系的女性人类基因组,以及野牛和现已灭绝的狼的遗传痕迹。通过将墨西哥奇基维特洞穴中1.2万年前的黑熊DNA与现代熊DNA进行比较,科学家们发现,在最后一个冰河时代之后,洞中黑熊的后代向北迁徙至阿拉斯加。  3.实现历史性核聚变突破  8月,美国国家点火装置(NIF)产生了一种聚变反应,这种反应产生的能量比点燃它所需的激光能量更多。NIF使用来自世界上最高能量激光的脉冲来压缩胡椒粒大小的氢同位素氘和氚胶囊。这种方法每次发射产生170千焦的聚变能量,这远低于1.9兆焦的激光输入,但8月8日记录显示,该能量飙升至1.35兆焦耳。研究人员认为这是燃烧等离子体的结果,这意味着聚变反应产生了足够的热量,可以像火焰一样通过压缩燃料传播。  4.抗新冠强效药出现  数据显示,美国默克公司的抗病毒药物莫奈拉韦可将未接种疫苗的高危人群的住院或死亡风险降低30%。如果在出现症状的3天内开始服用,辉瑞公司的抗病毒药物PF-07321332将使住院率降低89%。科学家们强调,抗病毒药物不能取代疫苗接种,但它们仍然至关重要。如果新的奥密克戎变体导致突破性感染激增,它们的重要性将更加突出。  5.摇头丸减轻创伤后应激障碍症状  一项多中心、随机、对照试验发现,3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA),也就是常说的“摇头丸”,显著减轻了创伤后应激障碍(PTSD)患者的症状。76名受试者,部分接受了3次MDMA治疗,部分接受了安慰剂指导治疗课程。2个月后,67%的接受MDMA治疗的患者不再有PTSD症状,而安慰剂组则仅有32%。  6.单克隆抗体治疗传染性疾病  今年单克隆抗体 (mAb)开始在对抗新冠病毒和其他威胁生命的病原体,包括呼吸道合胞病毒(RSV)、HIV和疟疾寄生虫等方面显现出效果。到今年年底,FDA已授予3种用于治疗新冠病毒的单克隆抗体紧急使用授权。科学家还正在开发针对流感、寨卡病毒和巨细胞病毒的单克隆抗体。两个旨在预防所有婴儿呼吸道合胞病毒的候选药物被寄予厚望。单克隆抗体或将成为治疗传染病武器库中的“标配”。  7.“洞察”号首次揭示火星内部结构  自“扎根”火星以来,美国国家航空航天局的“洞察”号火星探测器在其着陆点测量了大约733次地震。科学家基于其中35次地震的数据,揭示了火星的内部结构,估计了火星地核的大小、地幔的结构和地壳的厚度。这也是科学家第一次使用地震数据来探测地球以外行星的内部,这是了解火星形成和热演化的重要一步。  8.粒子物理学的标准模型出现“裂缝”  4月7日,美国费米实验室进行的缪子反常磁矩实验显示,缪子的行为与标准模型理论预测不相符。研究报告称,巨大的、不稳定的类电子粒子——缪子,比最初预测的更具磁性。此外,费米实验室里的质子加速器也可以大量制造缪子。研究人员现在正在仔细检查今年的计算结果,如果成立,而且理论和实验结果之间的差异持续存在,可能将标志着有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败,或打开物理学变革之门。  9.CRISPR基因编辑疗法对人类疗效首次证明  基因编辑工具CRISPR于2020年首次显现出或可治愈镰状细胞病和β—地中海贫血症患者。今年,科学家们更进一步,直接在人体内部署CRISPR-Cas9。在小型研究中,该策略减少了一种有毒的肝脏蛋白质,并适度改善了遗传性失明患者的视力。6月26日,美国Intellia医药公司和再生元公司科学家在6名患有一种名为转甲状腺素淀粉样变性病的罕见疾病患者身上测试了他们的治疗方法。结果显示,所有参与者的畸形蛋白质水平均下降,其中两名接受高剂量注射的人的蛋白质水平平均下降了87%。  10.体外胚胎培养为早期发育研究打开新窗户  通常,老鼠胚胎在母鼠体外生长的时间为3到4天。但在3月,一个团队报告了一个将这一期限延长到11天的方案。该研究进展有望为子宫外孕育人类铺平道路。此外,还有科学家设计了被称为“胚泡”的关键胚胎阶段的替代品。一个研究小组从人类胚胎干细胞中复制了胚泡,并诱导了多能干细胞(IPS)。另一项研究发现,转化为诱导性多能性细胞的皮肤细胞会产生囊胚状结构。这些人造胚泡并不是真正的胚胎,但其中一些可作为一种有指导意义的、争议较少的替代方案。5月,国际干细胞学会宣布放宽人类胚胎培养“14天规则”,进一步提振了该领域的研究。  本文图片来源:《科学》网站

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新预测的六夸克粒子的艺术图。图片来源:物理学家组织网  日本理化学研究所(RIKEN)的科学家在最新一期《物理评论快报》杂志撰文称,他们利用超级计算机,预测了一种由六个夸克组成的奇异粒子的存在,最新研究有望加深科学家们对夸克如何结合形成原子核的理解。  夸克是科学家们认为不能再分割的一种基本粒子,目前已知的夸克包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、底夸克和顶夸克六种。由夸克组成的复合粒子被称为强子。强子包括重子(由三个夸克组成,如质子和中子等)和介子(由正反夸克对组成)。  一直以来,科学家们都在思考是否存在包含两个重子的系统(双重子系统)。自然界中仅有一个双重子系统存在——氘核,氘核是由一个质子和一个中子组成的氢原子核。此外,在核物理实验中,人们曾对其他双重子系统“惊鸿一瞥”,但它们很快湮灭。  RIKEN跨学科理论和数学科学项目的杉浦拓哉(音译)解释说:“虽然氘核是唯一已知的稳定双重子系统,但可能存在更多双重子系统。研究哪些重子对形成双重子系统,哪些不形成非常重要,因为这为夸克如何形成物质提供了有价值的见解。”  现在,通过计算两个重子(都由三个粲夸克组成)之间的作用力,杉浦拓哉及其同事预测了一种名为粲di-Omega的六夸克粒子的存在。  量子色动力学是描述夸克之间相互作用的成功理论。但重子中夸克之间的强耦合作用使量子色动力学计算起来非常复杂,再加上重子的束缚态,计算变得更加复杂。在最新研究中,科学家们通过大规模数值计算解决了量子色动力学问题。此外,由于计算涉及大量变量,他们使用了两台功能强大的超级计算机:K和北斋,大大减少了计算的成本和时间。  尽管计算复杂,但粲di-Omega是研究重子相互作用的最简单系统。杉浦拓哉团队现在正在使用日本功能最强大的超级计算机“富岳”研究其他粲强子,希望借此揭示夸克如何结合形成粒子的奥秘,以及什么样的粒子可以存在。

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系外行星GJ367b(艺术图)的白昼非常热。图片来源:SPP1992PatriciaKlein  天文学家发现了迄今最小的以金属为主的行星——GJ367b。这颗主要由铁组成的行星距离地球31光年,体积是地球的3/4,每8小时绕其恒星旋转一次。其环绕的恒星十分炽热,因此,GJ367b上白昼温度高达1500摄氏度,几乎热到铁熔化。相关研究12月2日发表于《科学》。  天文学家已经发现了十几颗“超短周期”行星,它们距离其恒星非常近,可在不到一天的时间内完成一个完整的轨道运行,GJ367b就是其中之一。富含铁的性质使它成为一个“行星实验室”,可以了解行星形成和进化的极端条件。  英国华威大学天文学家DavidArmstrong说,这一发现也“展示了人们测量微小、次地球行星质量的能力,有望在未来发现许多类地行星”。  德国航空航天中心天文学家KristineLam团队在2019年从美国航天局的凌日系外行星巡天卫星的数据中发现了GJ367b。  研究人员使用几个地面望远镜来确认这颗系外行星的存在,并收集了数据,详细揭示了它的大小和质量——它是地球的0.72倍大,质量是地球的0.55倍。  这两项精确的信息使研究小组得以计算出这颗行星的密度——超过每立方厘米8克,接近铁的密度,远高于地球的每立方厘米5.5克。GJ367b可能主要是由一个被一层薄薄的岩石包裹的铁核组成,周围有一些冰或气体。  关于重金属行星是如何形成的,有几个猜想:它们一开始可能是由巨大的岩石层包裹着铁核的大型行星,但与其他太空岩石的碰撞剥离了它们的覆盖层,留下了几乎裸露的铁核;或者其恒星的灼热辐射可能在星体形成时将一些物质剥离。  GJ367b的恒星是一颗红矮星,比太阳小,温度也低些。Lam团队发现了第二颗行星围绕它旋转的迹象,大约每11天一次,但目前还不能确认。  GJ367b可能不是一个寻找外星生命的好地方,因为它的热量高和辐射强,但Lam指出,这颗行星可能有大气层,这将是一个有趣的环境,值得进一步探索。  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aay3253

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  据29日发表在《自然-天文学》杂志上的论文,英国格拉斯哥大学领导的国际研究小组发现,地上的水可能来自“天上”——太阳。太阳风由来自太阳的带电粒子(主要是氢离子)组成,在太阳系早期撞击地球的小行星所携带的尘埃颗粒表面产生了水。  澳大利亚科廷大学空间科学技术中心主任菲尔·布兰德表示,与太阳系中的其他岩质行星相比,地球上的水资源非常丰富,海洋覆盖了地球上约70%的表面积。长期以来,科学家一直对水的确切来源感到困惑。  布兰德说:“现有理论认为,水是在C型小行星(含碳的小行星)形成的最后阶段被带到地球上的。然而,之前对这些小行星的同位素‘指纹’测试发现,平均而言,它们与地球上发现的水不匹配,这意味着至少还有另一个未知的来源。”  此次研究表明,太阳风在微小的尘埃颗粒表面产生了水,这种同位素较轻的水很可能为地球提供了水源。  S型小行星是以硅为主要成分的小行星,是继C型小行星之后第二大的星群。通过对S型近地小行星“丝川”的微小碎片进行逐个原子分析,研究人员得出了这一新的“太阳风理论”。碎片样本由日本隼鸟号小行星探测器收集,于2010年带回地球。  位于澳大利亚科廷大学的世界级原子探针断层扫描系统让研究人员能够非常详细地观察“丝川”小行星表面的纳米级尘埃颗粒。他们发现,这些颗粒含有足够的水,如果将其按比例放大,大约等于每立方米岩石含20升水。  格拉斯哥大学卢克·戴利博士表示,这项研究不仅让科学家们对地球水资源的来源有了了解,还有助于未来的太空任务。  “宇航员如何在不携带补给的情况下获得足够的水,是未来太空探索的障碍之一。”戴利说,“研究表明,‘丝川’小行星上产生水的太空风化过程,很可能也发生在其他没有空气的行星上,这意味着宇航员或可直接从行星表面的尘埃中制取新鲜的水源,比如在月球上。”

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新研究示意图。图片来源:EllaMaruStudio/普林斯顿大学  据最新一期《自然·电子学》杂志发表的论文,美国研究人员开发出一种新的毫米波无线微芯片,该芯片实现了一种可防止拦截的安全无线传输方式,同时又不会降低5G网络的效率和速度。该技术将使窃听5G等高频无线传输变得非常具有挑战性。  现有通信加密方法可能难以扩展到5G等高速和超低延迟系统。这是因为加密的本质要求发送方和接收方之间交换信息以加密和解密消息。这种交换使链接容易受到攻击,它还需要增加延迟的计算。对于自动驾驶汽车、机器人和其他网络物理系统而言,最大限度地缩短行动时间至关重要。  为了弥补这一安全差距,普林斯顿大学研究人员开发了一种方法,将安全性纳入信号的物理性质。该方法不依赖于加密,而是通过使窃听者所在位置的信号看起来几乎像噪音来挫败其企图。研究人员通过随机分割消息并将消息的不同部分分配给阵列中的天线子集来做到这一点。研究人员能够协调传输,以便只有在预期方向上的接收器才能以正确的顺序组合信号。在其他任何地方,分割后的信号都以类似噪声的方式到达。  研究人员称,原则上,这就是传输安全背后的秘密武器——通过对这些高频电磁场进行精确的空间和时间调制来实现。如果窃听者试图通过干扰主传输来截取消息,则会导致传输出现问题并被预期用户检测到。尽管理论上,有可能多个窃听者一起工作来收集类似噪声的信号并尝试将它们重新组合成相干传输,但这样做所需的接收器数量将“非常大”。  莱斯大学教授爱德华·奈特利表示,该项工作第一次通过实验展示了如何利用从多个同步观察点收集的机器学习数据来战胜一个复杂的对手,是确保未来网络安全的“一个重要里程碑”。

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