近日，Nature旗下期刊《npj Climate and Atmospheric Science》（2023年影响因子9.0）在线发表了中国科学院海洋研究所万世明课题组、韩国釜山大学、法国巴黎萨克雷大学、英国伦敦大学学院、同济大学、北京大学和美国科罗拉多大学博尔德分校等单位合作的最新研究成果。研究团队利用西太平洋海洋沉积矿物学和地球化学风化记录，重建了14万年以来西太平洋岛弧风化历史，并与印度洋-太平洋暖池区多条降水记录对比，结合瞬变气候模型模拟结果，揭示了暖池深对流-降水演化的时空分布特征及其对东亚夏季风演化的可能影响。 热带西太平洋岛弧多发育基性-超基性的玄武岩，在热带暖池区适宜的气候（高温和强降水）与岛屿陡峭的海拔落差（少低地平原，风化沉积物在流域不能滞留）叠加影响下，风化剥蚀速率快，对海洋环境的影响可能比传统预期更大。控制热带岛弧风化的主要机制是什么？如此巨量的玄武岩风化是如何响应气候变化的？然而，目前以上问题仍没有清楚的答案，其根本原因是西太平洋岛弧风化历史不清楚。研究团队选取了位于西太暖池核心区的MD01-2385岩芯，提取了新几内亚岛西北部鸟头半岛三条矿物学和元素地球化学风化记录，重建了14万年以来岛屿风化历史。研究发现西太平洋岛屿风化记录表现出岁差周期主控特征，与偏心率主控的海表温度（SST）的变化具有明显区别。这一现象暗示风化记录主要受控于暖池大气深对流-降水演化，因此，可用于指示14万年以来暖池大气深对流-降水演化历史。通过对比暖池区其他的深对流-降水记录，发现虽然多条暖池的大气深对流演化记录均以岁差周期为主，但是不同记录响应的日射量月份不同，具有不均一性。瞬变气候模拟结果也显示出这种不均一性的存在，且与现代的降水分布相吻合。 研究团队进一步与中国石笋氧同位素记录的东亚夏季风、两半球低纬度辐射量差异等记录详细对比，结合瞬变气候模拟揭示的空间尺度上岁差极大值和极小值西太平洋海面压力梯度变化，发现暖池大气深对流可能通过调节西太平洋经向海面压力梯度变化而影响西太平洋副热带高压的东西移动，进而影响东亚夏季风的强弱变化（图3）。该研究重绘了14万年以来西太平洋岛弧风化历史，及其指示的暖池大气深对流-降水演化的时空分布特征，并揭示了其对东亚夏季风演化的可能影响，可为模型和环境变化预测提供参考和借鉴。 论文第一作者为中国科学院海洋研究所于兆杰副研究员，通讯作者为海洋研究所于兆杰副研究员和韩国釜山大学阮骄杨研究员。本研究得到了中国科学院战略先导专项、国家自然科学基金、山东省自然科学优秀青年基金等项目的支持。 论文连接： https://www.nature.com/articles/s41612-024-00642-0 论文信息： Yu,Z.,Ruan,J.,Song,L. et al. Late Pleistocene island weathering and precipitation in the Western Pacific Warm Pool. npj Clim Atmos Sci 7,91(2024).https://doi.org/10.1038/s41612-024-00642-0 查看详细>>

近日，中国科学院海洋研究所在海洋环境下波浪能捕获与腐蚀防护结合方面取得新进展，研究了基于摆动折纸结构的摩擦纳米发电机，收集水波能量并作为独立电源为金属提供电化学阴极保护，相关研究成果在国际学术期刊Advanced Science发表。 摩擦纳米发电机（TENG）的研究为各种能量收集提供了新的策略。海洋环境中蕴含着丰富的水波能量，其捕获和收集也成为当前研究的热点话题。基于此，设计一个摩擦纳米发电机器件作为独立电源用于收集水波能量收集应用于金属腐蚀防护技术，以减轻海洋环境下严重的金属腐蚀问题。 研究团队设计制造了一种摆动装置用来驱动折纸结构来收集水波能量，可以在有限空间内有效地提高TENG摩擦层间的表面接触面积。在摆动体底部，设计了放置重物的摆动结构作为驱动装置，可在水波的惯性作用下驱动SO-TENG往复摆动实现水波能量收集。将SO-TENG应用于水波环境中。可为小型观测设备供电，同时将其应用于阴极保护系统，展现了优异的防腐性能。为海洋环境中的水波能量收集和自供电金属腐蚀防护提供了新思路。 论文第一作者为硕士研究生刘威龙，通讯作者为王秀通研究员。研究得到了国家重点研发计划、山东省重点研发计划、工信部高技术船舶科研项目等基金项目的支持。 论文信息： Weilong Liu,Xiutong Wang*,Lihui Yang,Youqiang Wang,Hui Xu,Yanan Sun,Youbo Nan,Congtao Sun,Hui Zhou,Yanliang Huang.Swing Origami-Structure-Based Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Blue Energy toward Marine Environmental Applications.Advanced Science,2024,2401578.https://doi.org/10.1002/advs.202401578 查看详细>>

聚球藻是一种广泛分布于全球海洋的微微型浮游生物。聚球藻对海洋生态系统的碳固定和初级生产起着至关重要的作用，其贡献的净初级生产量能达到全球海洋的16.7%。聚球藻固定的部分有机碳可以通过生物泵（BP）等途径转化为“蓝碳”，实现在海洋中的长期封存。近年来的研究发现，聚球藻具有形成聚集体的能力，从而可能显著提高了它们在BP途径颗粒有机碳（POC）输出中的能力。然而，在生态尺度上聚球藻对BP途径的实际贡献和机制还需要进一步研究。 黄河是中国第二长的河流，其入海水量占渤海淡水总量的75%以上。此外，黄河是全球泥沙输送量第二大的河流，几千年来向海洋输送了6%的泥沙。黄河携带的泥沙中含有硅和钙等粘土和非粘土矿物，它们可以作为碳沉降的压载矿物。因此，黄河口及其附近海域是研究聚球藻聚集和沉降的理想区域。在本研究中，通过采用分粒径过滤法，分析了黄河口及其附近海域海水中营聚集（AG）和自由（FL）生活方式的聚球藻及其对原位POC的贡献，并深入探讨了AG聚球藻与共现异养细菌的相互作用和形成聚集体的潜在过程。 研究亮点一：AG聚球藻对黄河口近海海域的POC输出具有潜在贡献 研究发现，黄河河口近海海水中的AG聚球藻占总聚球藻丰度的14.7%至85.4%。相关性分析揭示了AG聚球藻与POC含量之间的显著正关联（p<0.01）。随机森林回归分析进一步表明，所构建的模型能解释POC变化的40.9%，其中AG聚球藻显示出最高的%IncMSE（increase in MSE，用于解释变量重要性），说明其在所有变量中对POC含量的重要性最强，对该海域的POC输出具有潜在贡献。该现象可能得益于黄河口近海海域内丰富的泥沙的存在，它们充当了聚集体的压载矿物，促进了聚球藻的聚集和沉降。 研究亮点二：AG和FL聚球藻的谱系组成及组装过程存在差异 通过对rpoC1基因的高通量测序，发现了AG和FL样本中不同聚球藻谱系比例及群落构建过程的差异，特别是S5.1分支I在AG样本中的比例显著高于FL样本（p<0.05），且AG聚球藻群落的组装和演替主要受到包括分散限制（29%）和未主导过程（67%）的随机过程的支配而非确定性过程。这说明不同的聚球藻谱系对聚集具有不同的偏好性，而聚集体的形成很可能来自于具有聚集潜力的谱系的机会性耦合。 研究亮点三：细菌-聚球藻耦合形成聚集体 构建了聚球藻和异养细菌的共现网络，阐明了AG样品网络的“小世界”特性和更高的稳定性。通过对偏向AG的聚球藻谱系与细菌功能间的耦合分析发现，这可能是由聚球藻和共存细菌之间基于碳-氮元素互换的相互作用所促进的。 以上研究结果有助于更好地理解聚球藻在近海生态系统中的生态角色，以及它们对POC输出和生物泵的潜在贡献，凸显了在河流水库建设中考虑水沙平衡性的重要性，并对矿物增效的生物泵假说提供理论支撑。 该研究以“Aggregating Synechococcus contributes to particle organic carbon export in coastal estuarine waters:Its lineage features and assembly processes”为题发表在Science of the total Environment上。中国科学院烟台海岸带研究所为论文第一完成单位，李佳霖研究员和秦松研究员为论文通讯作者，博士生王挺为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金（42176131）和研究组群项目（YICE3510303）的资助。研究的数据及样品采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划项目“黄河口关键过程及物质输运协同效应重大科学考察航次”（项目批准号：42149301）的资助。该航次（航次编号：NORC2022-304）由“创新一”号科考船实施，在此一并致谢。 论文信息： WANG T,LI J,XU Y,et al.Aggregating Synechococcus contributes to particle organic carbon export in coastal estuarine waters:Its lineage features and assembly processes[J].Science of the total Environment,2024,917:170368. 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170368 查看详细>>

长期以来，光合捕光系统的传能机制都是由Förster共振传能描述的，这种适用于给-受体色素分子间距离较远、相互作用较弱的经典传能模式不可避免的存在能量耗散。然而在实际捕光系统中，色素间的相互作用往往比较强，耦合比较大。这时色素之间会共享分子轨道，激发其中任何一个色素，它的激发态都会发生离域，形成这些色素分子激发态的叠加，即相干叠加态，也被称为激子态。这种相干叠加态的传能，称为相干传能。实验表明，相干态传能效率显著高于经典传能机制。实验中，受激系统大多是非孤立的，和环境热库作用导致位相关系的破坏，即发生退相干过程，而对于处于自然条件下的光合系统，所处的室温条件及介质分子（如蛋白质和水分子）又会加剧该退相干过程。对于电子激发态，退相干过程的时间尺度通常在几个到数十飞秒之间，远远小于光合作用色素间发生有效传能的数百飞秒时间范围。因此，如果光合系统存在有效的量子相干态传能机制，那么量子相干态的寿命必须和传能时间相匹配才能发挥作用。 2024年4月12日，Nature Communications杂志在线报道了题为“激子-振动耦合能量耗散促成量子位相同步实现光合天线长寿命量子相干态”（Quantum Phase Synchronization via Exciton-Vibrational Energy Dissipation Sustains Long-lived Coherence in Photosynthetic Antennas）的研究工作。该工作由中国科学院烟台海岸带研究所秦松课题组与中国科学院物理研究所翁羽翔课题组合作，应用二维电子光谱仪，研究了重组别藻蓝蛋白（Recombinant Allophycocyanin，rAPC）的长寿命量子相干态及其量子位相同步机制。 别藻蓝蛋白（APC）是红藻和蓝藻中藻胆体复合物的核心捕光天线蛋白。APC能将从藻胆体杆部捕获的光能有效地传递至光系统的反应中心，其总体的量子效率超过90%。图1展示了具有三重对称性APC三聚体的晶体结构。单体中色素α84和β84，距离约50埃。形成三聚体后，不同单体上的PCB色素距离约20埃，形成三对相同的α84-β84二聚体。该二聚体的电子耦合强度为155 cm-1，形成的激子态能量劈裂约800 cm-1，是研究二聚体激子态的理想光合天线样品。 二维电子光谱是一种同时具有高的时间分辨率和光谱分辨率的非线性光谱学方法，其基本原理是三光子回波测量。相干态激子导致不同激发路径之间的干涉即形成实验上可观测到的量子拍频现象，被认为是相干传能过程的确凿证据。 量子位相同步在经典物理学中的对应体是惠更斯双摆实验。受该实验的启发，国际上不同研究组建立了描述光合系统量子相干态的二聚体激子系统。理论研究表明，二聚体激子系统具有克服环境噪声涨落实现量子位相同步的内在机制。将二聚体中激子态-振动耦合系统的哈密顿量在离域化的激子态基矢下用Jaynes-Cummings形式重新表示，获得激子态-振动耦合表示： 其中ω为振动频率，θ为混合角，描述二聚体中激子离域化程度，σx为电子跃迁算符。可见，只有反对称的激发态和基态集体振动模能够与两个离域的激子态发生耦合。因此，当振动频率与两个激子态能级劈裂发生能量共振时，反对称集体振动模式的能量会被电子态的快速退相干过程（30飞秒）耗散掉，只有对称集体振动模式能够被保留下来，由此导致了两个集体振动模式的位相同步。 另一方面，在脉冲光激发下，分子的振动模式受布朗力作用进行欠阻尼振荡，并进一步导致激子能级的动态斯托克斯位移（△E_(t)）。通过引入集体振动坐标的初始相位φ，可以进一步得到低能激子态能级含时动态斯托克斯位移的解析表达式：  其中A0和γ为振动模的振幅和弛豫速率。上标i表示不同电子态。该公式表明激子能级的动态斯托克斯位移受集体振动模式的初始相位的调控。一旦集体振动模式变得关联，即φs-φa=0，上述公式表明该振动模对激子态下能级的动态斯托克斯位移贡献就会完全消失，也就是说该振动模不参与激子态下能级的能量耗散过程，从而也为激子-振动量子相干态提供了一种保护机制。 基于上述二聚体激子-振动耦合理论，如果振动能量和激子能级劈裂能发生共振或者准共振时，二聚体的对称和反对称集体振动模就会实现位相同步，并可以获得以下实验可检验的推论： （1）与单体色素分子相比，由于反对称集体振动模的耗散，与二聚体激子态能级劈裂发生共振的相干振动模强度只有单体中的一半。 （2）与二聚体激子态能级劈裂发生共振的振动模不参与低能激子态动态斯托克斯位移，即不参与能量耗散。 （3）与单体相比，二聚体电子-振动耦合量子相干态的寿命会延长。 上述三个理论预测分别为重组别藻蓝蛋白r-APC三聚体（含三对色素二聚体）和APC亚基（只含一个色素）的二维电子光谱所证实。 该工作从理论上阐明了量子位相同步的量子力学机制，预测了量子位相同步导致的实验现象，并通过二维电子态相干光谱实验定量地加以证实，从而揭示量子位相同步是二聚体激子通过电子-振动耦合，抵御环境噪声、保护长寿命电子-振动相干态的一种普适策略，是大自然应用量子力学优化传能路径的杰作。该原理不仅仅适用于光合体系，也必将为人工设计的量子相干系统所借鉴。 中国科学院物理所博士后朱锐丹，中国科学院烟台海岸带所副研究员李文军，物理所博士后甄张赫为共同第一作者，烟台海岸带所秦松，物理所翁羽翔为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委（T2350011，22027802，U2230203和41906109），中国科学院（XDB33000000）和山东省自然科学基金委（ZR2021LLZ003）的支持。 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47560-6.pdf 查看详细>>