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>>

日前，自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室在海表温度空间异质性调制台风发展过程和机制研究上取得新进展。研究结果发表在国际权威期刊《地球物理研究杂志·大气》。 我国是世界上深受台风影响的国家之一。海洋对台风的响应和调制机制是当前海洋与大气科学研究的前沿问题，由于受太阳辐射和中尺度过程等因素影响，海表温度(SST)的空间异质性特征显著，并通过局地海气相互作用，对台风的强度产生影响。 该研究基于观测数据确定了2种台风下垫面SST的空间异质性模态及其对台风发展的影响:建立了促进台风发展的暖核模态和抑制台风发展的极向冷却模态。 该研究揭示了SST空间异质性在调制台风强度变化过程中的重要作用，在上层海洋热结构空间异质性与台风相互作用方面取得了新进展。研究结果对于完善上层海洋调制台风强度变化的科学认知具有重要意义，为进一步改进台风强度预报统计动力模型、突破台风强度预报瓶颈提供了全新视角。 查看详细>>

近日，广东省广州市南沙区珠江口，一艘巨轮静靠在码头边，上半白色、下半橙红色，船上的钻井架高高耸立，在晴空下分外耀眼。这是我国自主设计建造的首艘大洋钻探船“梦想”号。该船去年底试航成功，现已进入调试和内装阶段，预计今年内全面建成。 登上“梦想”号，走进实验室内装现场，一块块泛着银光的坡莫合金正铺设到墙上。“梦想”号监造组业务分组实验室工程技术主管何清音，忙着用磁强计对屏蔽层仔细检查。3000多块共1200平方米的坡莫合金，相当于3个篮球场大小，何清音要确保坡莫合金板之间的空隙不超过1毫米，且每一片坡莫合金板要完全贴合墙面，以免影响磁屏蔽效果。 “安装好磁屏蔽室很关键。大洋钻探取得样品后，要在屏蔽磁场干扰的实验室环境中进行磁学实验，从而确定地质矿产储层的年代、探究地球动力学及地质演化过程等。”何清音介绍，“实验室创新使用了全国产、达到国际领先水平的坡莫合金屏蔽层，对外部磁信号的屏蔽率达到99.8%，能够保证科研实验环境。” 作为全球面积最大的海上移动实验室，“梦想”号的船载实验室装配各种精密实验仪器超过150台（套），目前已完成水、电、气、风等12个系统的安装工作，即将进行实验仪器的安装。 “钻探，是‘梦想’号最重要的能力。”中国地质调查局“梦想”号指挥部主要负责人周昶介绍，“钻探的目的是钻获地球内部的岩心，并获取其中蕴含的地质信息，进而解开地球深部的奥秘。” 钻探科学领域有这样一句话：“一万米钻深的难度堪比登月。”在技术创新和设备集成的支撑下，“梦想”号具备海域1.1万米的钻探能力。“这艘船致力于实现钻透地壳、进入地幔层的目标，这也是命名为‘梦想’号的原因。”周昶说。 “1.1万米的压力，对设备、水、电、液、材料都是一个挑战。”“梦想”号监造组组长殷宪峰介绍，全船涉及生产图纸8300份、建造工序上万道，共集结了150多家科研单位参与建设，突破10余项关键技术。 行走船上，创新之处让人应接不暇。依托自主研发的船载岩心智能储运系统，岩心在船上就能实现自动转运和存储，如同“虾从海里捞起后马上放到冰柜里”，保证了样品的“新鲜”程度；应用蓄能技术和闭环电网，满载180名船员的情况下，可连续在海上工作120天，续航里程达1.5万海里；120万米的电缆铺设，全面覆盖信息化技术，实现了船岸智能协同。 距离船只建造现场不远处，与“梦想”号配套的钻探保障船、全球最大的海洋地质岩心库、我国首座深水科考码头等均已建成，将为“梦想”号运营提供强大岸基支持。 向海图强，需要科考利器。我国深海探测将以“梦想”号为重要平台，构建深海地质地球物理探测和钻探技术装备体系，为人类认识、保护、开发海洋作出新的更大贡献。 查看详细>>