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好港燕
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2 CHINESE SCIENCE BULLETIN (KEXUE TONGBAO) : 研究大脑是如何在陌生的环境中找到方位与大脑的学习和记忆功能密切相关. 如何定位计算和回忆我们在时间和空间中所走过的路径是由大脑的空间导航系统或大脑内置 GPS 完成的. 大脑的空间定位系统存在于海马体和内嗅皮层中, 是由一组在功能上相关且互补的特殊的空间定位细胞组成, 包括位置细胞 ( 左上角 ) 网格细胞 ( 右下角 ) 头方向细胞 ( 中下 ) 和边界细胞 ( 中上 ). 发现这些构成大脑内置 GPS 的空间定位细胞的 John O Keefe, May-Britt Moser 和 Edvard Moser 也因此获得 2014 年诺贝尔生理学或医学奖, 详见叶菁等人文 (p3346) 年 12 月, 第 59 卷, 第 34 期科学通报编辑部 : 北京市东城区东黄城根北街 16 号中国科学杂志社 : : csb.scichina.com csb@scichina.org 主任安瑞 anrui@scichina.org ( 兼生命科学与医学编辑 ) 副主任张莉 zhangli@scichina.org ( 兼地球科学编辑 ) 责任编辑王元火 wyh@scichina.org ( 生命科学与医学 ) 王晶 wangj@scichina.org ( 物理学力学天文学工程科学 ) 智欣 zhixin@scichina.org ( 化学 ) 肖鸣 xiaoming@scichina.org ( 材料科学 ) 本期责任编辑王元火生产编辑程剑侠封面设计胡煜广告部 : ads@scichina.org 销售市场部 : sales@scichina.org

3 链接到网站目次 2014 年 12 月, 第 59 卷, 第 34 期 CHINESE SCIENCE BULLETIN 专题 : 解读 2014 年度诺贝尔自然科学奖 , 张国义 3340 : 2014 李京波 3342 : 2014 苏乾, 刘振, 薛博鑫, 孙育杰 :? p p3362 袁增强, 张遐 3346 GPS: 2014 叶菁, 张生家科学访谈 3350 Science Bulletin 评述王孝娃, 汪勇, 涂彧 p p (MOFs) MOFs, MOFs. 论文 3362 VLBI 童锋贤, 郑为民, 舒逢春 VLBI FITS-IDI,,,, 1 m FLnI-L1 李运动, 蔡明登, 姚茂金, 袁小兵, 张晓艳 L1,. FLnI-L1, L1 p p csb.scichina.com

4 2014 年 12 月, 第 59 卷, 第 34 期 CHINESE SCIENCE BULLETIN 目次生态学 3378 短花针茅(Stipa breviflora)功能性状对水热协同作用的敏感性和适应性吕晓敏, 周广胜, 王玉辉, 许振柱, 陈军, 谭丽萍, 刘涛通过人工气候箱法模拟研究了短花针茅功能性状对水热协同作用的敏感性指标及适应阈值, 结果表明, 地下生物量为最敏感指标, 且不同降水条件下短花针茅对温度的适应性不同. 地质学 3388 洛阳盆地新石器-青铜时期的炭化植物遗存张俊娜, 夏正楷, 张小虎对中原地区洛阳盆地23个中小遗址进行了炭化植物遗存分析, 研究了此区新石器-青铜时期农业结构的演变规律, 发现不同规模和不同地貌部位的遗址中农作物结构存在差异, 认为今后应加强对中小遗址的炭化植物遗存研究. p 赵昌等 p3416 地球物理学 3398 滇西南地区地壳速度结构的区域波形反演李聪, 雷建设利用小生境遗传算法对滇西南流动地震观测记录到的波形进行模拟反演, 获得了腾冲保山思茅地块的地壳速度结构, 结果显示研究区存在明显横向不均匀性, 为认识青藏高原形成与演化动力过程提供了重要的地震学约束. 海洋科学 3416 福岛核事故泄漏进入海洋的137Cs对中国近海影响的模拟与预测赵昌, 乔方利, 王关锁, 夏长水, JUNG Kyung Tae 日本福岛2011年3月发生的核泄漏污染了海洋环境. 通过数值模拟方法, 分析了进入海洋的137Cs影响中国海的过程, 自2013年末开始对中国近海造成影响, 其浓度和影响范围在未来5~6年将逐渐增加, 但浓度不高. 材料科学 3424 血液蛋白热解制Fe/N/C催化剂及其电催化活性郭朝中, 廖文利, 陈昌国廉价非贵金属催化剂的发展对推动质子交换膜燃料电池快速实现商业化至关重要. 本文以血液蛋白为特定前驱体, 两步热解法制备了Fe/N/C催化剂, 分析了催化剂在硫酸溶液中的氧还原反应催化活性及其动力学特征结构特性和活性位. 简报 p 郭朝中等 p 赵丽雯, 赵文智西北绿洲农田玉米水量平衡和水分运移规律 csb.scichina.com 科学通报拟领取新闻记者证人员名单公示

5 2014 年第 59 卷第 34 期 3342 ~ 3343 专题: 解读 2014 年度诺贝尔自然科学奖中国科学杂志社 csb.scichina.com SCIENCE CHINA PRESS 超高分辨率荧光显微成像: 2014 年诺贝尔化学奖解析苏乾, 刘振, 薛博鑫, 孙育杰* 北京大学生物膜与膜工程国家重点实验室, 生命科学学院生物动态光学成像中心, 北京 * 联系人, sun_yujie@pku.edu.cn 长期以来人们都为现有的光学显微技术感到困扰 : 如果观测物比可见光波长的一半(约 0.2 μm)还小, 现有的光学显微镜就不能解析了, 称之为光学衍射极限年诺贝尔化学奖获奖者们利用荧光分子标记这些精细结构, 使它们在显微镜下变得五彩缤纷清晰可辨, 使科学家们能一瞥纳米级别的微小世界. 从此, 显微技术从微米时代跨入纳米时代年诺贝尔化学奖颁奖词 2014 年 10 月 8 日, 诺贝尔奖委员会将诺贝尔化学奖授予了在超高分辨率荧光显微技术领域做出卓越贡献的 Eric Betzig, Stefan W. Hell 以及 William E. Moerner, 以表彰他们杰出的工作. 1 理论基础孙育杰博士北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心研究员年中组部第一批青年千人计划获得者, 获 SCOPUS 第三届寻找青年科学之星生命科学奖. 中国化学会生物物理化学专业委员会委员. 主要研究领域是运用单分子超高分辨率荧光成像及操纵技术研究细胞结构与功能的关系. 辨率成像的思想 [4]. 二者的早期研究都为日后超高分辨率成像技术的发展奠定了坚实的基础年, Stefan W. Hell 在芬兰图尔库大学最先提出了受激辐射损耗(stimulated emission depletion, STED)[5]理论, 早在 1835 年, 英国科学家 George B. Airy 就提出了爱用来打破光学衍射极限, 并最终于 2000 年在哥根廷大学得里斑理论: 由于光的衍射, 即使一个无限小的发光点在通以真正实现 [6]. STED 技术利用了类似于产生激光的受激过透镜成像时都会形成一个弥散的图案, 称为爱里斑. 辐射原理, 将一束空心的光斑套在激发光光斑之外, 这个随后在 1873 年, 著名的德国科学家 Ernst Abbe 基于此原理环状激光覆盖的荧光分子会发生受激辐射, 而环中心的荧提出了阿贝光学衍射极限理论, 该经典公式也成为其墓光分子则发生自发辐射. 因为波长不同, 环中心的荧光可碑上的全部内容. 根据这一公式, 光学显微系统的分辨率以被分开并单独检测. 这样, 通过增加环形光的强度来不极限被限制在检测光波长的一半, 约 200 nm(可见光波长断缩小环形光的孔径就可以获得一个小于衍射极限的荧光范围 400~700 nm). 一个多世纪后相继出现的一系列超高分辨率显微技术通过利用荧光分子的物理化学特性, 巧妙地突破了衍射极限, 使科学家们得以用前所未有的视角观察奇妙的生物微观世界. 2 激发光斑, 并通过扫描最终获得一幅超高分辨率的图像. STED 技术将光学显微镜分辨率提高了近 10 倍. Hell 团队之后不断改进 STED 技术, 使其更加适用于生物研究. 另外, 他还通过相似原理发明了一系列的超高分辨率技术, 统称为可逆饱和荧光跃迁(RESOLFT), 为超分辨率荧光显发展历程微成像技术的发展做出了巨大贡献. 已经成熟建立起来的超高分辨率荧光显微技术大致可照明原理的超高分辨率技术 (structured illumination microscopy, SIM)[7], 适用于快速的活细胞成像研究. SIM 技分为 3 类: 受激发射损耗技术及数种衍生方法结构光照明技术和随机光学重构单分子技术. 早在 1989 年 William E. Moerner 就在世界上首次实现了超低温下单分子光吸收的测量 [1], 并在 1997 年与 Roger 2000 年, 美国科学家 Mats Gustafsson 开发了基于结构术基于 2 个高空间频率图案重叠可以形成低频率莫尔条纹的原理, 通过对莫尔条纹的解析实现超高分辨率成像, 可惜分辨率只达到了约 100 nm. Y. Tsien (因绿色荧光蛋白获得 2008 年诺贝尔化学奖)合作 2006 年, 超分辨荧光显微镜技术领域展开了一场科研发现了绿色荧光蛋白荧光的闪烁和切换行为 [2]. Eric Betzig 竞赛, 几乎同时出现了 3 种基于单分子定位随机重构原理在 1993 年利用近场成像率先实现了常温下的单分子荧光的超高分辨率光学成像技术: 由哈佛大学庄小威团队发明观测 [3], 随后在 1995 年提出了基于单分子信号实现超高分的随机光学重构显微技术(stochastic optical reconstruction

6 microscopy, STORM) 技术 [8] 这次的诺贝尔奖得主 Betzig 团队发明的光敏定位显微技术 (photo-activated localization microscopy, PALM) [9] 以及缅因大学 Samuel Hess 发明的荧光活化定位显微术 (fluorescence photoactivation localization microscopy, fpalm) [10]. 它们在原理上非常相似, 都是基于荧光分子 ( 有机染料或是荧光蛋白 ) 的光转化能力和单分子定位, 通过对激活光的调制, 因为对单个荧光分子中心的定位精度远远超过衍射极限, 所以把同一区域的多张图片叠加就可重构出一幅超高分辨率图像. 这种以时间换空间的巧妙方法把荧光成像的分辨率提高了 20 倍, 达到 10 nm 左右. 3 未来展望超高分辨率成像技术突破了光学成像中的衍射极限, 把传统成像分辨率提高了 10~20 倍, 面世以来迅速成为研究细胞精细结构的重要工具. 自 2006 年以来, 这些技术不断推进, 科学家们先后实现了多色三维和活细胞高速成像. 其生物应用也很广泛, 包括细胞膜蛋白细胞骨架线粒体核孔染色质以及神经细胞轴突和突触结构等. 超高分辨率成像技术一直被广泛关注, 在 2006 年被 Science 评为年度十大技术突破, 2008 年被著名的 Nature Methods 评为年度方法, 而 2014 年则在诺贝尔奖颁发前夕, Nature Methods 的 10 周年特刊评出的 10 年 10 大技术中, 超高分辨率成像和单分子技术也都在列. 自荷兰科学家显微镜创制者 Antonie van Leeuwenhoek 在 17 世纪第一次将光线通过透镜聚焦制成光学显微镜并用它观察微生物以来, 显微镜就一直是生物学家从事研究工作探寻生命奥秘必不可少的利器. 而现代生物学研究迫切需要超高分辨率荧光显微技术, 因为很多亚细胞结构都在微米到纳米尺度, 衍射极限的存在限制了我们使用光学显微镜观察这些微观结构和过程. 超高分辨率荧光显微技术从方法实现到在科学研究中大展身手虽然不过十几年时间, 已对多个领域产生显著推动, 并且可以预言在未来将给生命科学研究带来巨大的变化. 参考文献 1 Moerner W E, Kador L. Optical detection and spectroscopy of single molecules in a solid. Phys Rev Lett, 1989, 62: Dickson R M, Cubitt A B, Tsien R Y, et al. On/off blinking and switching behavior of single molecules of green fluorescent protein. Nature, 1997, 388: Betzig E, Chichester R. Single molecules observed by near-field scanning optical microscopy. Science, 1993, 60: Betzig E. Proposed method for molecular optical imaging. Opt Lett, 1995, 264: Hell S W, Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: Stimulated emission depletion microscopy. Opt Lett, 1994, 19: Klar T A, Jakobs S, Dyba M, et al. Fluorescence microscopy with diffraction resolution limit broken by stimulated emission. Proc Natl Acad Sci USA, 2000, 97: Gustafsson M G. Surpassing the lateral resolution limit by a factor of two using structured illumination microscopy. J Microsc, 2000, 198: Rust M J, Bates M, Zhuang X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods, 2006, 3: Betzig E, Patterson G H, Sougrat R, et al. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science, 2006, 313: Hess S T, Girirajan T P, Masson M D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys J, 2006, 91:

7 荣誉总主编周光召总主编朱作言主编高福 ( 生命科学与医学 ) 中国科学院微生物研究所 / 中国疾病预防控制中心副主编王会军 ( 地球科学 ) 中国科学院大气物理研究所许甫荣 ( 物理学力学天文学 ) 北京大学物理学院韩布兴 ( 化学 ) 中国科学院化学研究所刘忠范 ( 材料科学 ) 北京大学化学与分子工程学院何雅玲 ( 工程科学 ) 西安交通大学能源与动力工程学院编委以姓氏笔画为序生命科学与医学王锐兰州大学基础医学院方盛国浙江大学生命科学学院白永飞中国科学院植物研究所冯友军浙江大学医学院杨茂君清华大学生命科学学院余宏杰中国疾病预防控制中心宋纯鹏河南大学生命科学学院张先恩中国科学院生物物理研究所张华堂重庆市科学技术研究院张改平河南农业大学钟扬西藏大学 / 复旦大学生命科学学院饶毅北京大学生命科学学院桂建芳中国科学院水生生物研究所董尔丹国家自然科学基金委员会医学科学部韩家淮厦门大学生命科学学院傅小兰中国科学院心理研究所詹启敏中国医学科学院裴端卿中国科学院广州生物医药与健康研究院瞿礼嘉北京大学生命科学学院物理学 ( 力学天文学 ) 丁大军吉林大学原子与分子物理研究所马琰铭吉林大学超硬材料国家重点实验室邓元勇中国科学院国家天文台仝殿民山东大学物理学院兰岳恒清华大学物理系任治安中国科学院物理研究所孙扬上海交通大学物理与天文系张海澜中国科学院声学研究所李京波中国科学院半导体研究所杨国桢中国科学院物理研究所汪景琇中国科学院国家天文台陈伟球浙江大学工程力学系陈志坚北京大学物理学院祝世宁南京大学物理学院高杰中国科学院高能物理研究所章维益南京大学物理学院蔡荣根中国科学院理论物理研究所薛平清华大学物理系材料科学于吉红吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室马旭村清华大学物理系马於光华南理工大学材料科学与工程学院艾华四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心成会明中国科学院金属研究所朱贤方厦门大学中国 - 澳大利亚功能纳米材料联合实验室孙洪波吉林大学电子科学与工程学院吴一弦北京化工大学材料科学与工程学院张华 School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 张洪杰中国科学院长春应用化学研究所张跃北京科技大学材料科学与工程学院张锦北京大学化学与分子工程学院陈立东中国科学院上海硅酸盐研究所胡文平中国科学院化学研究所高瑞平国家自然科学基金委员会郭万林南京航空航天大学纳米科学研究所韩秀峰中国科学院物理研究所焦丽颖清华大学化学系地球科学化学工程科学邓涛中国科学院古脊椎动物与古人类研究所刘禹中国科学院地球环境研究所刘树华北京大学大气与海洋科学系李献华中国科学院地质与地球物理研究所吴立新中国海洋大学环境学院陆全明中国科技大学地球和空间科学学院杨进辉中国科学院地质与地球物理研究所杨顶辉清华大学地球系统科学研究中心杨海军北京大学大气与海洋科学系胡敏北京大学环境科学与工程学院宫鹏清华大学地球系统科学研究中心袁训来中国科学院南京地质古生物研究所柴育成国家自然科学基金委员会地球科学部高学杰中国气象局国家气候中心鹿化煜南京大学地理与海洋科学学院葛全胜中国科学院地理科学与资源研究所谢树成中国地质大学 ( 武汉 ) 地球科学学院翦知湣同济大学海洋与地球科学学院王官武方维海孔继烈申文杰刘志敏刘振宇齐利民吴骊珠张德清陈景文赵震夏兴华唐功利曹荣梁文平尉志武韩艳春景传勇薄志山中国科学技术大学化学系北京师范大学化学学院复旦大学化学系中国科学院大连化学物理研究所中国科学院化学研究所北京化工大学化工学院北京大学化学与分子工程学院中国科学院理化技术研究所中国科学院化学研究所大连理工大学环境科学与工程系中国石油大学 ( 北京 ) 化学科学与工程学院南京大学化学化工学院中国科学院上海有机研究所中国科学院福建物质结构研究所国家自然科学基金委员会化学科学部清华大学化学系中国科学院长春应用化学研究所中国科学院生态环境研究中心北京师范大学化学学院丁汉马连湘王如竹孙元章宇波余锡平吴伟仁张兴张寅平李印实苏万华宣益民胡喜军荣命哲倪晋仁谢和平路新春戴振东华中科技大学机械学院青岛科技大学机电工程学院上海交通大学机械与动力工程学院武汉大学电气工程学院中国石油大学 ( 北京 ) 机械与储运工程学院清华大学水利系国防科技工业局探月与航天工程中心清华大学航天航空学院工程热物理研究所清华大学建筑学院西安交通大学能源与动力工程学院天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室南京航空航天大学能源与动力学院香港科技大学化学工程及分子生物工程系西安交通大学电气工程学院北京大学环境科学与工程学院四川大学水利水电学院清华大学精密仪器与机械学系南京航空航天大学航空宇航学院

8 (Chinese Science Bulletin) (Chinese Science Bulletin) 1950,.,,,. 2010, (2 ).,,. Chinese Science Bulletin SCI, Academic Search Complete, Chemical Abstracts, Current Contents, Environmental Engineering Abstracts, Environmental Sciences and Pollution Management, Inspec, Pollution Abstracts, Water Resources Abstracts, Zoological Record. 1. : (1) :,, ( 6 ). :,, ( 10 ). (2) : ( 4 ). : ( 7 ). (3) :, (2 ). :, (4 ). : ; (3 ). (4) : (1 ). : (2 ). : (Chinese Science Bulletin) (1 ). : (1 ). 2. : csb.scichina.com,.,,. 3., 30.,,. 60,.,.. 4.,, ( ). ( ). 5.. CHINESE SCIENCE BULLETIN 第 59 卷第 34 期 2014 年 12 月 10 日出版 ( 版权所有, 未经许可, 不得转载 ) (100717) 16 ISSN X 国外 TM41 刊号 : 代号 : CN /N 国内邮发广告经营许可证 : 京东工商广字第 0429 号 (100717) 16 每期定价 : 元全年定价 : 元

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