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  拟态是动物演化最成功的生存策略之一。昆虫作为地球上种类最丰富的生物,演化出丰富而多样的拟态类群,如模拟枯叶的枯叶蝶、模拟兰花的兰花螳螂、模拟枝干的竹节虫等。但对于昆虫拟态的起源和演化仍然不清楚,拟态研究成为生物学研究的热点和难点。近日,中国科学院微生物研究所魏江春课题组项目研究员魏鑫丽与首都师范大学王永杰团队联合在eLife上发表研究论文Lichenmimesisinmid-Mesozoiclacewings,发现了1.65亿年前最古老的拟态地衣的昆虫、揭示了最早的昆虫拟态地衣的自我保护机制。   地衣是真菌与藻类或蓝细菌的共生体,由于具有类似植物外形的叶状体,最早被认为属于植物;后续研究发现其外形主要是由真菌作为主体进行控制,遂将其归入真菌界。地衣通常附生在树皮、岩石和土壤等表面上,从极地到热带地区均广泛分布,占据地球陆地表面的7%。地衣能够分泌地衣酸等物质腐蚀岩石,促进表面土壤层的形成,被称为“先锋生物”。在现代生态系统中,地衣分泌的地衣酸使许多动物不愿靠近地衣,因此地衣与“地衣耐受性动物”间形成一个复杂而特殊的微生态体系,地衣与拟态地衣的昆虫是其中最具代表性的关系之一,如19世纪的桦尺蛾“工业黑化现象”,工业革命造成大量污染、树皮上的地衣消亡,导致伪装地衣的浅色桦尺蛾更容易被鸟类捕食,深色桦尺蛾数量增加;随着环境转好,地衣大量恢复后,浅色桦尺蛾数量增加,这被称为“Darwinianevolutioninaction”。  目前学术界仍缺少对昆虫拟态地衣的起源和早期演化的研究,解决这一问题的关键是找到更为古老地层中的地衣以及与之相似的昆虫。以往报道的最早疑似地衣化石发现于距今约4亿年前的早泥盆世地层中,但其分类位置一直存疑。研究现生地衣的学者认为,真正的大型地衣出现时间不早于6500万年。围绕更古老的中生代是否存在更古老的大型地衣以及拟态地衣的昆虫这一难题,王永杰团队联合魏鑫丽对此开展合作研究。利用化石切片和扫描电子显微镜技术,对采自内蒙古宁城县中侏罗世燕辽昆虫群中发现的疑似地衣化石Daohugouthallusciliiferus进行研究,发现真菌菌丝和藻细胞及其缠绕等关键结构,表明D.ciliiferus是由真菌和藻细胞组成的共生体,以确凿的证据证明其地衣属性,这也是目前为止发现的最早的大型地衣化石,将大型地衣出现的时间提前了近1亿年,为研究地衣的早期演化提供了新证据。  该研究在地衣化石D.ciliiferus出现的同一地层发现了一种脉翅目昆虫:地衣美蛉Lichenipolystoechotes。通过对比分析发现其翅斑与D.ciliiferus的叶状体形态非常相似;通过对昆虫的翅斑各部位宽度以及D.ciliiferus化石的叶状体宽度的随机测量和统计分析,结果表明该昆虫与该地衣有高度相似性;在昆虫的翅斑上发现了大量黑色斑点,D.ciliiferus叶状体上也发现了相似的斑点,此结构细节也增加了二者的相似性。近朗氏窗溪蛉Thyridosmylus paralangii是在现生脉翅目中的一类具有类似翅斑的昆虫,该类昆虫生活在较为潮湿的富有苔藓和地衣的环境中,与环境存在非常好的一致性;当侏罗纪时期的地衣美蛉栖息在D.ciliiferus的环境中,二者之间的相似性就使地衣美蛉与环境形成高度的一致性。因此,侏罗纪时期地衣美蛉通过模拟D.ciliiferus获得生存优势,这是目前发现的首例最为古老的昆虫模拟地衣的例子,有助于化石昆虫拟态地衣的研究,证明了1.65亿年前昆虫与地衣已形成复杂的互作关系。   首都师范大学生命科学学院博士生方慧为论文第一作者,微生物所魏江春课题组项目研究员魏鑫丽、首都师范大学副教授王永杰和教授刘家熙为论文的共同通讯作者。研究工作得到教育部创新团队项目、国家自然科学基金项目、北京自然科学基金项目和首师大学科交叉研究院的资助。  论文链接 图1.Daohugouthallusciliiferus的切片扫描电子显微结构。A.地衣体皮层结构,B-H.真菌菌丝缠绕或接合绿藻细胞图2.地衣美蛉昆虫化石照片和线条图图3.地衣化石照片以及昆虫翅斑与地衣叶状体统计结果图4.地衣美蛉的生态复原图

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  近日,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所功能材料物理与器件研究部林建超、童鹏等,与中科院金属研究所李昺、中科院深圳先进技术研究院钟国华等合作,在二元金属硫化物Ni1-xFexS中发现电子熵增强的室温巨压卡效应。相关研究成果以GiantRoom-temperatureBarocaloricEffectattheElectronicPhaseTransitioninNi1-xFexS为题,发表在MaterialsHorizons(DOI:10.1039/C9MH01976F)上。  全球每年25~30%的电力被用于制冷行业。现有制冷技术大多依赖于传统的气体压缩循环,制冷效率低且使用的制冷剂(如氟利昂)对环境有害(如产生温室效应)。固态相变材料可在磁场、电场、轴向力或等静压的驱动下产生熵变和温变,即磁卡(热)、电卡(热)、弹卡(热)、压卡(热)效应,统称固态相变热效应。与之对应的固态制冷技术由于效率高且环境友好,成为取代现有制冷技术的理想方案之一。相较于磁卡、弹卡、电卡效应,压卡效应的研究尚处于起步阶段,因此探索新型压卡材料、阐明压卡效应机理是现阶段的主要研究方向。  六角结构的二元金属硫化物NiS因非金属-金属转变引起研究人员的关注。该一级相变伴随着晶格体积的陡峭收缩,且相变温度对压力敏感。研究人员在Ni位引入Fe元素制备Ni1-xFexS(0≤x≤0.175)系列样品,实现了在室温范围内(260K-330K)对材料相变温度的灵活调控。压力下差示扫描量热法(DSC)测试结果表明,Ni1-xFexS样品均呈现显著的压卡效应,100 MPa压力驱动的熵变值可达52.8JK-1 kg-1,仅次于塑晶(plasticcrystals)等少数几个材料体系。低温电子比热、中子衍射和第一性原理计算结果表明,Fe部分取代Ni后,仍保留一级相变特征。相变前后电子熵变与晶格熵变相当,两者的协同作用导致巨压卡效应。Ni1-xFexS样品在相变前后的平均热导率可达11.5Wm-1 K-1,高于现有的压卡材料体系,是塑晶热导率(0.12Wm-1K-1)的100倍。在实际应用中,热导率大小是衡量压卡材料性能的重要指标之一。高热导率意味着高的换热效率,有利于获得高工作频率和制冷功率密度。  在已报道的大部分压卡材料中,除大的晶格熵变外,自旋或电偶极子等也对总熵变有重要贡献。电子熵变由于贡献小,往往被忽略不计。目前,对具有显著电子熵贡献的压卡材料鲜有报道。该研究从实验上阐明电子熵对巨压卡效应的贡献,为探索高性能压卡新材料体系提供了新视角。  研究工作受到中科院前沿重点研究计划、大科学装置联合基金、深圳市基础研究计划,以及合肥大科学中心“高端用户培育基金”项目等的资助。该研究的中子衍射实验依托中国散裂中子源(CSNS)的通用粉末衍射谱仪完成。  论文链接 Ni1-xFexS巨压卡效应起源的示意图以及压卡、热导性能与现有压卡材料的对比。

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  近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所生物医学光学与分子影像研究室副研究员刘成波团队、转化医学中心研究员张鹏团队与南开大学教授丁丹团队合作,在类风湿性关节炎诊疗的光声分子成像研究方面取得突破。该研究基于近红外二区三维光声分子成像技术,结合对类风湿性关节炎高特异性的托珠单抗偶联聚合物纳米诊疗制剂,在小鼠类风湿关节炎模型中成功实现炎症程度早期评估诊断,并对类风湿性关节炎治疗效果实现准确监测。相关研究工作以Tocilizumab-ConjugatedPolymerNanoparticlesforNIR-IIPhotoacousticImaging-GuidedTherapyofRheumatoidArthritis为题发表于AdvancedMaterials。  类风湿关节炎(RA)是一种多发性免疫骨关节炎症疾病,发病隐匿、病因不详,早期出现红肿热痛,随着病情发展,骨关节出现骨侵蚀最终导致残疾。RA的早期诊断和治疗对于预后至关重要。相比肿瘤病灶,RA病灶血液背景高、炎症因子分布在软骨和关节囊中,对光声分子成像挑战更高。近红外二区光声分子成像实现大穿透深度下的高灵敏和特异成像,为成像引导RA诊断和治疗提供了新策略。  研究团队自主研制的光声分子成像技术,基于RA靶向治疗抗体托珠单抗(TCZ)修饰的共轭聚合物纳米制剂(TCZ-PNPs),在活体水平实现具有挑战的高质量成像。研究结果显示,TCZ-PNPs具有优良的光学性能与生物相容性,也具备很好的RA关节病灶靶向能力,在三维光声分子成像引导下,能够在早期对RA关节组织进行精准的非侵入性诊断,图像信噪比高达35.8dB。使用TCZ-PNPs进行为期一个月的治疗,PA监测结果显示RA关节症状能够被有效抑制。光声诊疗结果与Micro-CT成像、组织学分析结果具备一致性。该研究证明了近红外二区光声分子成像技术可以对RA病灶进行高灵敏、高特异成像,为RA诊疗学、RA治疗监测提供了一种新策略。  该研究得到国自然重大研究计划、科学技术部重点研发计划、中科院仪器研制等项目支持。  论文链接 a.小鼠类风湿性关节炎的成像和治疗示意图;b.小鼠类风湿性关节炎足爪光声诊断影像;c.小鼠类风湿性关节炎足爪三维断层扫描图像。

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  生物礁是海洋中最为复杂多样的生态系统,也是地球生命演化中最为重要的基因宝库之一,拥有最高级别的物种多样性、生境多样性、群落结构和功能多样性。中泥盆世吉维特期发育了显生宙以来最大规模的后生动物礁体系;然而,关于这一时期生物礁的生物多样性、生物之间的复杂生态关系以及生物礁群落的构建等尚缺少较细致的研究工作,因此,对关键地质时期生物礁及生物多样性演化模式的进一步认识也受到一定限制。   近期,中国科学院南京地质古生物研究所泥盆纪研究团队副研究员郄文昆、梁昆和硕士研究生黄家园等联合英国布鲁内尔大学、贵州大学和中国地质调查局武汉地质调查中心的合作者,对我国华南泥盆系浅水相经典剖面之一的贵州独山大河口剖面进行多次系统野外研究。相关研究成果在线发表在《三古》(Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology)上。   研究以该剖面吉维特阶独山组的鸡窝寨生物礁为研究对象,运用精细采样方法选取28个50*50cm的样方,在礁体纵面7m2的范围内原位采样665块、制得化石薄片2804张、原位绘制化石标本10823个,并基于大量系统数据开展了高精度的生物多样性和群落古生态统计工作。   迄今为止,在鸡窝寨生物礁7m2的范围内共识别出83个化石种,隶属于8个门类的44个属,包括四射珊瑚(9属29种)、层孔虫(10属16种)、横板珊瑚(8属13种)、腕足类(8属16种)、苔藓虫(4属4种)、钙化蓝细菌(3属3种)、刺毛虫(1属1种)、管状蠕虫(1属1种)。其中,以层孔虫(N=755)、横板珊瑚(N=630)、四射珊瑚(N=198)和刺毛虫(N=144)的丰度(出现频率)最高。通过统计生态现象,研究人员发现鸡窝寨生物礁有极高的物种多样性和一系列物种之间的复杂生态关系,主要包括包裹(N=716)、空间竞争(N=35)以及共生(N=58)等。化石的原位采集以及高精度复原进一步明晰了中泥盆世生物礁中的物种空间分布特征;研究还发现主要造礁生物拥有稳定的空间分布特征而次要造礁生物及附礁生物的分布有较大的空间异质性。   该研究为进一步开展全球古地理对比及地史时期生物礁的多样性演化和分布模式提供了参考资料。研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金和中国地质调查局地质调查项目的共同资助。   论文链接   图1.贵州独山中泥盆吉维特阶鸡窝寨生物礁   图2.贵州独山中泥盆吉维特阶鸡窝寨生物礁中的主要造礁生物:层孔虫和刺毛虫   图3.贵州独山中泥盆吉维特阶鸡窝寨生物礁中复杂的相互作用生态关系   图4.贵州独山中泥盆吉维特阶鸡窝寨生物礁生物多样性和丰度(出现频率)统计图 

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  声表面波在气敏应用中具有快速、高灵敏、微型、轻质的独特优势,因而在单兵防化、公共安全及工业流程监控等领域极具应用前景。中国科学院声学研究所王文团队与军事科学院防化研究院潘勇团队在长期声表面波气敏机理与器件优化研究的基础上,为推进声表面波气敏技术的实用化进程,开展了声表面波气敏器件及系统环境适应性的研究。相关成果相继发表在SensorsandActuatorsB及RSCAdvances上。  研究人员通过六氟异丙醇基聚硅氧烷(fluoroalcoholpolysiloxane, SXFA)和聚环氧氯丙烷(polyepichlorohydrin, PECH)的合成与薄膜制备方法及声表面波器件优化研究,设计并研制出针对含膦含硫毒害气体快速检测的高性能声表面波气敏器件,并对其环境适应性开展实验研究。测试结果显示,传感器针对甲基磷酸二甲酯(dimethylmethylphosphonate, DMMP)和二氯乙基硫醚(2-chloroethylethylsulfide, CEES)的检测下限可达0.12mg/m3和1.5mg/m3;它具有可靠的宽温高湿环境适应能力;给大多数气敏技术带来困扰的烟雾并没有对该传感器造成明显影响。  研究表明,声表面波气体传感技术可为复杂应用环境中毒害气体快速、高灵敏的监测预警提供良好的解决方案。研究工作受到国家自然科学基金等的资助。  论文链接:1 2   图1.沉积SXFA的传感器气敏特性(图/中科院声学所) 图2.沉积PECH的传感器气敏特性(图/中科院声学所)

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  黄土作为一种特殊土,占我国国土面积的6%以上,在未受水浸湿时,一般强度较高,压缩性较小;在一定压力下受水浸湿时,其结构会迅速破坏,强度迅速降低,发生附加下沉。这种黄土特有的工程地质性质被称为湿陷性,由此导致的地面塌陷和不均匀沉降常常造成黄土高原地区巨大的生命和财产损失。  孔隙结构是土壤最重要的性质之一,它直接影响土壤的含水量、渗透性和强度等其他性质。当前,学术界普遍认为黄土松散多孔的开放亚稳态结构是其湿陷性的基本条件,破坏其松散、大孔结构理论上可以消除或减轻地基的湿陷性,因此在实际工程建设中多采用强夯、碾压等压实方法来对黄土孔隙进行压密以增强地基强度,但事实表明此类人工重塑后的压实黄土仍具有湿陷性,且压实黄土的变形规律严重影响大型黄土工程的安全及稳定。  为此,大量学者开展了针对压实黄土的研究工作,发现不同干密度的压实黄土性质不同,他们主要通过扫描电镜或压汞法研究其微观结构,但扫描电镜只能进行二维观测,而压汞测试中高压进汞过程会破坏孔隙结构,因此不能全面反映实际状态下黄土的三维结构特征。此外,学者虽然发现压实黄土的性质与天然黄土存在一定差异,并在宏观力学性质的对比以及二维微观图像的定性描述取得进展,但是在高分辨率三维几何孔隙微观结构方面的定量对比研究,特别是基于无损CT扫描技术的对比研究,仍然十分有限。  针对上述问题,中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室研究人员等利用3D微米X-射线显微镜设备,首次获取了高分辨率(1μm)无损状态下天然黄土与4种不同干密度压实黄土的三维微观结构体(图1),并从中提取了样品的孔隙率、比表面积、孔径分布、连通孔隙含量和孤立孔隙含量等三维微观参数,开展了天然黄土及压实黄土三维孔隙特征的定量对比研究,以揭示压实黄土同天然黄土的性质差异(图2)。同时,他们利用传统压汞法获取了大小两种尺寸不同样品的孔隙率、比表面积及孔径分布,对比微米CT测试结果,进一步探讨了压实黄土同天然黄土的差异性。  研究发现,压实黄土具有独特的不同于天然黄土的孔隙结构,这决定了其不同于天然黄土的特殊性质。前人已发现干密度相同的条件下,压实黄土强度小于天然黄土。本研究进一步表明,尽管压实黄土具有较大的压实密度,其孔隙稳定性依旧较差,这主要取决于压实黄土不具备天然黄土在长期地质演化过程中形成的大量固有连通孔隙及颗粒间稳定胶结。孔隙的孔径分布状态随干密度的变化可在一定程度上反映压实对黄土微观结构的影响。研究结果显示,压实过程中黄土结构破坏可分为两个阶段,首先,大孔结构破坏为中孔和小孔,直至孔隙结构接近天然黄土的自然结构;随后,中孔破坏,变成小孔。低压实度下压实黄土的结构变化趋向于接近天然黄土风积状态下的颗粒排列。此外,定量对比发现,与天然黄土三维孔隙结构最相似的压实黄土,其干密度远大于天然黄土的干密度。该结果进一步证实了前人观点,即尽管干密度相同,室内固结黄土与天然固结黄土的孔隙分布不同。这意味着,因样品不足、变量控制等需制备室内压实黄土以代替天然黄土的相关实验室研究中,不应使用干密度相同的压实黄土代替天然黄土开展试验,而应适当增大压实黄土干密度;同时在实际压实工程中,为实现稳定性,现场压实黄土干密度应大于与天然黄土三维孔隙结构最相似的压实黄土的干密度。  本研究首次获取压实黄土高分辨率无损状态下的三维微观结构,有助于进一步了解压实黄土同天然黄土的结构差异性,为进一步研究压实黄土的特殊性质及其力学机制提供了新思路,同时也为室内黄土试验研究及实际工程建设中压实黄土干密度取值提供了依据。  研究成果发表于ScientificReports上。该研究获得国家自然科学基金“黄土高原重大工程灾变机理与防控重大项目”等项目资助。   论文链接 图1 (a)微米CT设备;(b)1μm分辨率二维灰度图;(c)重建后的三维结构体图2 基于微米CT扫描的天然黄土及四种压实黄土的孔隙孔径分布图

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【中国科学报】一位光电技术专家的初心与坚守 ——记中科院光电技术研究所研究员方敬忠