植物、微生物和土壤共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)，這是一個(gè)巨大的陸地森林生態(tài)系統(tǒng)。植物通過光合作用吸收二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為自身營養(yǎng)，并從土壤中吸收磷來維持自身生長(zhǎng)。微生物能將土壤中的有機(jī)物分解成無機(jī)物，釋放磷，供植物吸收。但是，當(dāng)土壤中磷不足時(shí)，微生物就會(huì)與植物競(jìng)爭(zhēng)。

磷核算顯示，土壤中大量的磷被微生物占據(jù)，對(duì)磷的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。隨著二氧化碳濃度的增加，植物會(huì)通過根系向土壤中釋放更多的碳，但微生物不會(huì)釋放更多的磷來支持植物的生長(zhǎng)。植物期望的“用碳換磷”投資失敗，沒有獲得額外的生長(zhǎng)。

科學(xué)家對(duì)磷的吸收、分配和利用效率進(jìn)行了分析，并對(duì)二氧化碳濃度上升組與對(duì)照組之間的差異進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，土壤微生物是限制森林生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)和植物磷吸收的重要因素。在漫長(zhǎng)的生態(tài)系統(tǒng)替代中，森林中的冠層樹具有極高的磷利用效率。隨著二氧化碳濃度的提高，植物對(duì)磷的利用效率也有所提高，但是土壤中磷的有效性并沒有明顯的改變。

“土壤微生物對(duì)土壤磷的礦化和固定限制了大氣二氧化碳濃度上升下冠層樹木的磷吸收率，進(jìn)而限制了森林的額外固碳能力。植物需要更積極的獲磷策略，比如根系分泌物形成的潛在激勵(lì)作用，以提高植物對(duì)土壤磷的利用率，從而更好地實(shí)現(xiàn)‘固碳’目標(biāo)?！笔Y明凱說。

研究為改善陸地系統(tǒng)模式中碳磷交互關(guān)系的預(yù)測(cè)機(jī)制提供了理論支持，為減少氣候問題的政策提供了重要的數(shù)據(jù)支持。蔣明凱說:“接下來，我們將研究土壤微生物的群落和功能，探索土壤微生物在大氣二氧化碳濃度上升環(huán)境下如何限制森林碳磷交互關(guān)系和碳匯潛力。”

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“十四五”(2022YFF0801904)、重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ23C030001)浙江省自然基金、支持基金委青年項(xiàng)目(32301383)等資金。

浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了鎳氧化物高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵試驗(yàn)證據(jù)

2024年6月6日，北京時(shí)間，Nature 在線發(fā)布了浙江大學(xué)物理學(xué)院/關(guān)聯(lián)物質(zhì)研究中心袁輝球隊(duì)在鎳氧化物高溫超導(dǎo)方面的最新研究成果。利用最新開發(fā)的金剛石對(duì)頂案準(zhǔn)靜水壓力技術(shù)，他們成功地觀察到 La?Ni?O? 超導(dǎo)體零電阻，確定其高溫超導(dǎo)電性能。另外，這項(xiàng)工作還揭示了超導(dǎo)與奇異金屬之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)載流子濃度進(jìn)入超導(dǎo)相區(qū)時(shí)，載流子濃度大幅上升。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論為鎳氧化物高溫超導(dǎo)提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為研究奠定了基礎(chǔ)。

新材料暴露出高溫超導(dǎo)的跡象

超導(dǎo)是指電阻在某些材料上隨著溫度的下降而突然消失，電流可以無損耗地傳輸。同時(shí)，超導(dǎo)也表現(xiàn)出完全的抗磁性，即超導(dǎo)體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，也稱為邁斯納效應(yīng)。因此，零電阻和完全抗磁是判斷超導(dǎo)是否存在的兩個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

目前，大多數(shù)超導(dǎo)體的臨界壓力低于液氮沸點(diǎn)(77K，即零下196攝氏度)。例如，最早發(fā)現(xiàn)的汞、鉛等元素超導(dǎo)體需要使用昂貴稀缺的液氦作為低溫制冷劑來維持超導(dǎo)電性，從而限制其大規(guī)模應(yīng)用。

科學(xué)家們致力于尋找一種新型高溫超導(dǎo)材料，它具有更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)換溫度，特別是高于液氮溫區(qū)。但在目前已知的超導(dǎo)材料中，只有銅氧化物高溫超導(dǎo)體能夠在常壓下實(shí)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)。

中山大學(xué)王猛團(tuán)隊(duì)等2023年5月首次報(bào)道了兩層鎳氧化物L(fēng)a?Ni?O?壓致超導(dǎo)的跡象接近80K，但零電阻的缺乏促使學(xué)術(shù)界對(duì)其超導(dǎo)電性仍有疑問。

高壓力技術(shù)的發(fā)展有助于發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)零電阻。

根據(jù)袁輝球教授的分析，La?Ni?O?中零電阻的缺乏可能是由樣品和壓力不均勻引起的。因此，實(shí)現(xiàn)零電阻的關(guān)鍵可能是小樣品和準(zhǔn)靜水壓的實(shí)驗(yàn)條件。據(jù)團(tuán)隊(duì)骨干焦琳研究人員介紹，經(jīng)過幾年的努力，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了金剛石準(zhǔn)靜水壓技術(shù)，壓力可達(dá)50GPa，正好適合高溫超導(dǎo)鎳氧化物的研究。

2023年6月，王猛教授提供的La?Ni?O?單晶后，他們將樣品打磨至長(zhǎng)寬約100微米，厚度約10微米，并使用兩塊直徑只有幾百微米的金剛石對(duì)樣品施加壓力。為獲得較好的靜水壓力環(huán)境，他們選用壓力均勻性較好的液體作為傳壓介質(zhì)。他們?cè)?000左右，以減少導(dǎo)線電路的電阻。μ用銀膠將4-5根導(dǎo)線焊接在m長(zhǎng)的樣品上，用于電輸測(cè)量。事實(shí)證明，這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)在目前的鎳氧化物高溫超導(dǎo)研究中非常重要，隨后也被其他同行效仿。

圖1：高壓力測(cè)量裝置(左圖)和高溫超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象。

得益于上述試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，研究小組迅速觀察到零電阻現(xiàn)象，為確定鎳氧化物高溫超導(dǎo)提供了重要的試驗(yàn)證據(jù)。當(dāng)壓力達(dá)到20.5GPa時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)La?Ni?O?超導(dǎo)開始出現(xiàn)在66K，40K電阻完全消失，顯示出近乎完美的超導(dǎo)變化。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)換溫度以上，其正常電阻表現(xiàn)出良好的線性溫度依賴性，并延伸至測(cè)量最高溫度270K，表現(xiàn)出與簡(jiǎn)單金屬截然不同的奇異金屬行為，表明鎳氧化物高溫超導(dǎo)體不可能是一種簡(jiǎn)單的常規(guī)超導(dǎo)體。

圖2：電阻曲線(左圖)和壓力-溫度相圖(右圖)在不同壓力下

高壓電子特性奇特

在這項(xiàng)工作中，研究小組還修改了之前報(bào)道的壓力-溫度圖，并指出La。?Ni?O?金屬行為表現(xiàn)在低壓區(qū)間，而不是之前報(bào)道的絕緣物行為。當(dāng)壓力增大時(shí)，化合物中的自旋/電荷密度波迅速被抑制，同時(shí)在13.7GPa周圍觀察到壓力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化和超導(dǎo)變化的證據(jù)。研究還發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)換溫度以上的線性電阻行為和超導(dǎo)轉(zhuǎn)換溫度隨著壓力的增加而逐漸受到抑制，表現(xiàn)出類似銅基和鐵基高溫超導(dǎo)的特性，揭示了超導(dǎo)和正常奇異金屬行為的密切關(guān)系。通過測(cè)量霍爾電阻，他們還發(fā)現(xiàn)La?Ni?O?當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，顯著增加，說明高壓結(jié)構(gòu)改變了電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致高溫超導(dǎo)。

袁輝球表示，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不僅證實(shí)了鎳氧化物高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)，也增強(qiáng)了人們對(duì)鎳基高溫超導(dǎo)的研究信心，同時(shí)也為發(fā)展相應(yīng)的理論模型提供了重要的測(cè)試數(shù)據(jù)。

中國科學(xué)院卡弗里理論科學(xué)研究所優(yōu)勢(shì)張富春教授認(rèn)為，袁輝球教授團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論明確確定了鎳氧化物的高溫超導(dǎo)，是鎳基超導(dǎo)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。中國科學(xué)院理論物理研究所的李偉研究員曾經(jīng)說過，他確信鎳基高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)，并在看到袁輝球教授團(tuán)隊(duì)的零電阻測(cè)試數(shù)據(jù)后開始了相關(guān)的理論研究。“首次觀察到零電阻是極其重要的，它為兩層鎳氧化物超導(dǎo)的出現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的支持，”論文審稿人指出。”

該項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)R&D項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和浙江省重點(diǎn)R&D項(xiàng)目的支持。這次探索的主要測(cè)試和測(cè)量都在浙江大學(xué)完成，中山大學(xué)王猛研究小組提供了La?Ni?O?單晶樣品。浙江大學(xué)物理學(xué)院博士生張亞楠和蘇大鈞是共同作品，浙江大學(xué)袁輝球教授和焦琳研究員，中山大學(xué)王猛教授是共同交流的作者。

浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的長(zhǎng)壽基因

從《山海經(jīng)》中的“蓬萊島”到希臘神話中的“金蘋果”，人類對(duì)健康長(zhǎng)壽的向往自古就有，從未停止。如何抗衰老，延緩衰老，也是科學(xué)界、醫(yī)學(xué)界長(zhǎng)期關(guān)注的問題。根據(jù)科學(xué)家的最新工作，蟲核基因組中有與線粒體一起進(jìn)化的基因。它們還成功識(shí)別并準(zhǔn)確識(shí)別動(dòng)物中的新長(zhǎng)壽基因。這種基因不僅可以顯著延長(zhǎng)昆蟲和線蟲的壽命，而且對(duì)人類細(xì)胞有顯著的抗衰老能力。

北京時(shí)間6月4日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物科技學(xué)校沈星星研究小組、黃健華研究小組在《自然-衰老》中與中國科學(xué)院王四寶研究小組合作。(Nature Aging)這項(xiàng)研究成果在上面公布。標(biāo)題為“論文標(biāo)題”Identification of a longevity gene through evolutionary rate covariation of insect mito-nuclear genomes”。他說：“通過全球壽命基因數(shù)據(jù)庫的檢查，我們發(fā)現(xiàn)這種長(zhǎng)壽基因是世界上第八個(gè)新基因，它顯著提高了動(dòng)物的壽命。”沈星星說。

另辟蹊徑，準(zhǔn)確識(shí)別操縱線粒體的“遠(yuǎn)程”核基因

線粒體作為真核生物體中非常重要的細(xì)胞器，主要負(fù)責(zé)細(xì)胞能量的供應(yīng)。隨著年齡的增長(zhǎng)，動(dòng)物(包括人類)的線粒體功能通常會(huì)逐漸衰退。鑒于線粒體與衰老、神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、心血管疾病和腫瘤密切相關(guān)，如何保持線粒體功能的穩(wěn)定尤為重要。近年來，通過優(yōu)化線粒體功能來延長(zhǎng)壽命的研究備受關(guān)注。

"一臺(tái)電腦的待機(jī)時(shí)間不僅與電池的電量有關(guān)，還與CPU處理策略有關(guān)。那么衰老不僅與線粒體本身有關(guān)，還會(huì)受到其它能對(duì)線粒體產(chǎn)生影響的物質(zhì)的影響？沈星星說:“與過去大多數(shù)集中在線粒體本身的研究不同，我們將重點(diǎn)放在與線粒體長(zhǎng)期共同進(jìn)化的細(xì)胞核上，系統(tǒng)地挖掘出‘遠(yuǎn)程’控制線粒體進(jìn)化的核基因，結(jié)合進(jìn)化生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、功能基因組學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科?！?/p>

通過對(duì)公共數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究小組收集了472種昆蟲的核基因組和線粒體基因組。采用共進(jìn)化算法，構(gòu)建了線粒體基因組-核基因組之間的共進(jìn)化全局圖譜(圖1)。通過對(duì)這張圖的詳細(xì)分析，我們發(fā)現(xiàn)了75個(gè)核基因。雖然它們不定位于線粒體，但它們與線粒體基因表現(xiàn)出顯著的共同進(jìn)化方法。這75個(gè)共進(jìn)核基因表現(xiàn)出不同的功能，包括端粒維持、核糖生物發(fā)生、線粒體功能和DNA修復(fù)，這些功能都與生命衰老和疾病有關(guān)。“我們可以把這種共同進(jìn)化的方式理解為，兩輛車以同樣的速度并行行駛在道路上，它們之間的速度變化緊密同步。一方的加速或減速會(huì)立即反映在另一方?！鄙蛐切钦f。

團(tuán)隊(duì)選擇了4個(gè)基因(CG13220)來驗(yàn)證這75個(gè)核基因的功能， CG11837, 在果蠅體內(nèi)，Nop60B和CG11788進(jìn)行了基因活性下降試驗(yàn)。數(shù)據(jù)顯示，與對(duì)照組相比，這四個(gè)基因的活性下降導(dǎo)致了線粒體形態(tài)的異常變化。

圖1 構(gòu)建線粒體基因組-核基因組之間的共進(jìn)化全局圖譜

發(fā)散思維，發(fā)現(xiàn)全新的長(zhǎng)壽基因

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，CG11837基因不僅影響線粒體的形狀，而且與動(dòng)物的壽命長(zhǎng)度有顯著的正相關(guān)性。它們提出了一個(gè)關(guān)鍵問題:改變CG11837基因的活力會(huì)影響動(dòng)物的壽命嗎？

因此，研究人員首先在六種不同的動(dòng)物中進(jìn)行了基因敲降試驗(yàn)，如棕飛虱、果蠅、斯氏蚊子和美麗的隱桿線蟲。令人驚訝的是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，CG11837基因的活力減少顯著縮短了這六種動(dòng)物的壽命，縮短幅度在25%到59%之間(圖2a)。

圖2 CG1183長(zhǎng)壽基因在多個(gè)物種中的功能驗(yàn)證

敲打基因會(huì)縮短壽命，那么發(fā)散思維，激活基因能延長(zhǎng)壽命嗎？

為了深入探索CG11837基因是否具有延長(zhǎng)壽命的潛力，研究人員還在果蠅和線蟲中進(jìn)行了基因表達(dá)試驗(yàn)。數(shù)據(jù)顯示，與對(duì)照組相比，這兩種動(dòng)物的壽命明顯增加，增加了12%到35%。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了研究人員的思考，這個(gè)基因還能延長(zhǎng)人類的壽命嗎？于是，他們對(duì)人體細(xì)胞進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CG11837基因的激活可以提高30%的抗衰老能力(圖2c)。沈星星說：“這一系列研究證實(shí)了CG11837基因在動(dòng)物中具有廣泛的長(zhǎng)壽效應(yīng)。(圖3)

圖3 論文總結(jié)圖

對(duì)于這項(xiàng)研究，《自然-衰老》的三位匿名評(píng)審專家指出，“過去，人們一直關(guān)注線粒體或線粒體的核基因與衰老的關(guān)系，從而忽略了不在線粒體定位核基因與線粒體的關(guān)系。從線粒體基因組-核基因組之間的共同進(jìn)化來看，這種研究方法獨(dú)特而新穎，打破了傳統(tǒng)思維的局限，挖掘出了對(duì)衰老研究領(lǐng)域具有重要科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐價(jià)值的保守新長(zhǎng)壽基因。

這項(xiàng)研究在實(shí)踐應(yīng)用中除了重要的理論價(jià)值外，還有什么前景？沈星星說:“在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，這種基因可以成為控制害蟲的新目標(biāo)，從而減少對(duì)生物農(nóng)藥的依賴，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的綠色防控；在公共衛(wèi)生領(lǐng)域，通過影響這種基因表達(dá)，可以縮短蚊子等傳播疾病媒介的使用壽命，從而降低瘧疾、登革熱等傳染病的傳播風(fēng)險(xiǎn)，為蚊媒疾病防控和公共衛(wèi)生安全提供新的解決方案；在人類健康領(lǐng)域，激活CG11837基因?qū)⒊蔀樵黾尤祟悏勖男虏呗裕磥砜赡軙?huì)出現(xiàn)基于CG11837基因的藥物和治療方案，為提高人類健康壽命和生活質(zhì)量提供新的可能。”

浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)學(xué)校博士生陶妹、博士后陳佳妮、醫(yī)學(xué)院研究生徐延?xùn)|、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心崔春來博士(現(xiàn)為華東師范大學(xué)研究員)為共同第一作者，共同通訊作者為浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)學(xué)校沈星星研究員、黃健華教授、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王四寶研究員。此外，趙陽研究員、陳學(xué)新教授和徐素宏教授給予了大力支持和指導(dǎo)，潘榮輝研究員、祝增榮教授和陳云教授也參與了這項(xiàng)研究。

“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家(2022YFD1401600)、優(yōu)秀的浙江省自然基金青年項(xiàng)目(LR23C140001)、資金支持，如新基石研究員項(xiàng)目。

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