《自然》2020年4月23日，580卷，7804期
拓撲激活的單向引導共振的觀察
作者：Xuefan Yin、Jicheng Jin、Bo Zhen, et al.
連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2181-4
摘要
單向輻射對各種光電應用十分重要，如雷射、光柵耦合器和光天線。然而，幾乎所有現有的單向發射器都依賴於禁止發射波的材料或結構——也就是通常體積龐大、有損且難以製造的鏡子。
在這裡，研究人員從理論上提出並實驗證明了光子晶體板中的一類共振現象，即便沒有鏡子，這些共振也只向平板的一側輻射。這些共振被稱為「單向引導共振」，當極化場中的一對半整數拓撲電荷在動量空間中相互碰撞時，它們就會出現。
研究人員通過實驗證明了單向引導共振，實現了高達1.6×105的單邊輻射質量因子。通過遠場偏振測量進一步證明了它們的拓撲性質。該工作是將拓撲原理應用於光場控制的一個典型案例，可以用於高效光柵耦合器和天線。
柯伊伯帶「接觸雙星」的寬雙星起源
作者：Evgeni Grishin、Uri Malamud、Christoph M. Schfer , et al.
連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2194-z
摘要
「新視野號」飛船飛越冥王星和冥衛二並首次成像後，訪問了柯伊伯帶天體「天涯海角」。成像顯示這是一個低旋轉周期（15.92小時）的接觸雙星，由窄頸連接的兩個獨立星球組成，並具有很高的傾角。「天涯海角」的性質與柯伊伯帶其他接觸雙星相似。但人們目前仍不清楚這種雙星系統的起源。
在這裡，研究人員重現了「天涯海角」和其他類似的斜向接觸雙星的特徵，它們是在任意高傾斜且低轉速下緩慢融合成雙星。研究人員模擬發現大約15%的具有餘弦均勻傾角分布的超寬雙星可能通過這個過程合併。
此外，研究人員發現這樣的合併非常溫和，僅輕微地改變了柯伊伯帶天體的形狀。該研究不僅解釋了「天涯海角」的觀測性質，而且也適用於柯伊伯帶或小行星帶其他雙星以及太陽系內外的行星系統。
極端降雨引發了2018年基拉韋厄火山噴發
作者：Jamie I. Farquharson、Falk Amelung
連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2172-5
摘要
已知降雨會觸發地震活動和改變火山活動性。但是，有關這類效應的觀察局限於火山淺地層，降雨是否會激活深層巖漿運動並未可知。基拉韋厄火山的噴發是複雜且多階段的，但是其觸發因素一直不甚明了。2018年5~8月，基拉韋厄火山周圍出現裂縫，山頂發生爆裂噴發，火山口崩塌。
研究人員考察了降雨對2018年基拉韋厄火山噴發的影響。在火山噴發前，夏威夷有多個月出現了異常多的降雨。研究表明雨水滲透進火山地表下，使孔隙壓力在火山噴發前夕和噴發期間上升到近50年最高水平。研究人員認為這削弱了火山的結構，使巖漿得以進入，進而引起火山噴發。
他們還對基拉韋厄火山的歷史噴發情況做了統計分析，發現從1790年開始，將近60%的噴發發生在雨季，不過噴發時間比旱季短。這表明降雨和基拉韋厄火山歷史上的噴發存在關聯。增強對降雨和火山噴發之間關係的理解，有望幫助預測未來的降雨誘髮型火山活動。
陶器的精確14C年代測定
作者：Emmanuelle Casanova、Timothy D. J. Knowles、Richard P. Evershed, et al.
連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2178-z
摘要
陶器是考古遺址最常見的人工製品之一，但是，對這些物件進行精確的放射性碳測年難度極大。古代陶器中常能發現食物殘渣的脂肪成分，這些成分在前人烹飪時被粘土吸收或保存下來，或能作為放射性碳測年的另一個碳來源。
本論文報導了一種給古代陶器測年的新方法，該方法基於對脂肪酸形式的食物殘渣進行分析。研究人員利用名為製備氣相色譜法的技術，從陶器中提取出了棕櫚酸和硬脂酸，再用加速器質譜法對這些殘渣進行放射性碳測年。
為了驗證這種方法，研究人員對英國、安納託利亞、法國、歐洲中部和撒哈拉非洲考古遺址出土的新石器時代容器中獲取的乳製品和動物脂肪進行了測年——這些容器的年代之前已經確定。在一項對如今倫敦市所在地發掘的新石器時代陶器的分析中，對脂肪殘留的測年可以在沒有其他可測年資料的情況下提供時間上的新啟發。
氣候變化對生態造成突然破壞的預計時間
作者：Christopher H. Trisos、Cory Merow、Alex L. Pigot
連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2189-9
摘要
隨著地球變暖，物種將逼近或超越它們的理想熱生態位極限，進入史無前例的溫度狀況。科學家一直難以確定這種轉變的可能發生時間和速度，因為大部分預測都是基於單個時間點或單個物種。
本文評估了3萬多種陸生生物和海洋生物當前的熱生態位，並估算了它們可能會在何時經歷前所未有的溫度。
研究人員利用1850~2005年的年度氣候模型數據，確定了30652種鳥類、哺乳動物、爬行動物、兩棲動物、魚類和其他海洋動植物經歷過的平均最暖溫度。
隨後，他們利用最長到2100年的氣候預估，推斷全球100千米網格內的物種可能會在何時經歷超過這些極限的溫度，且持續至少5年時間。
研究人員預計，隨著多個物種暴露在空前的溫度下，這些生態組合可能會同時迎來生物多樣性的突然破壞。在溫室氣體排放持續增加的氣候變化場景下，熱帶海洋和熱帶雨林及高緯度地區預計將分別在2030年和2050年達到這種前所未有的溫度狀況。
不過，研究人員指出，如果升溫幅度控制在前工業化水平的2 °C以下，這些生態組合中只有不到2%會經歷突然的暴露事件。而想要延緩這種破壞，就需要大規模、快速地降低溫室氣體排放。
現存時間樹與多樣化歷史一致
作者：Stilianos Louca、Matthew W. Pennell
連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2176-1
摘要
時間校準的現存物種（這裡稱為「現存時間樹」）的系統發育被廣泛用於估計物質多樣化動態。然而，關於這些推論的可靠性有相當多的辯論，而且迄今為止，相關領域關鍵問題仍然沒有解決。
在這裡，研究人員澄清了在廣義的出生—死亡模型下，可以從現存時間樹中提取的精確信息，該模型是大多數現有估算方法的基礎。
他們證明了，任何多樣化情況都存在無窮多個可選的多樣化情景，這些情景同樣有可能產生現存的時間樹。僅使用現有的時間樹不可能區分這些「一致的」場景。重要的是，一致性多樣化情景可以表現出明顯的不同，這表明以前的許多研究可能過度解釋了系統發育的證據。
因此，研究人員介紹了可識別和易於解釋的變量，這些變量包含了關於過去多樣化動態的所有可用信息，並演示了這些變量可以從現存的時間樹進行估計。他們認為，測量和建模這些可識別的變量，提供了一個更穩健的方式研究歷史多樣化動態。而且，古生物學數據將繼續是回答一些宏觀進化問題的關鍵。
《科學》2020年4月24日，第368卷，6489期
深亞波長等離子體斯格明子動態的超快矢量成像
作者：Timothy J. Davis, David Janoschka Pascal Dreher, Bettina Frank, et al.
連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/eaba6415
摘要
等離子體斯格明子是拓撲缺陷在連續矢量場中的光學表現。識別它們需要在薄金屬薄膜上電磁近場的矢量結構的特徵。
在這裡，我們引入時間分辨向量顯微鏡技術，它可以用亞飛秒級的時段和10納米的空間尺度來創建表面等離子體激元電場向量的影片。
我們將發散表面等離子激元和等離子體斯格明子的完整時間序列成像，解析了電場的所有矢量分量及其時間動態，從而得到了動態的自旋動量耦合和時變的斯格明子數。
在單納米範圍內成像光的自旋和相位結構的線性光學效應的能力將為全新的顯微學和計量學應用提供可能。
波浪和湍流如何維持金星大氣的超級旋轉
作者：Takeshi Horinouchi, Yoshi-Yuki Hayashi, Shigeto Watanabe, Manabu Yamada, et al.
連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/405
摘要
金星有一層厚厚的大氣層，它的自轉速度是金星表面的60倍，這種現象被稱為超級自轉。
我們使用從在軌太空飛行器「曉」上獲得的數據，來研究超級旋轉如何在旋轉速度最高的雲層中維持的。熱誘導的緯向-垂直環流使角動量在旋轉軸上的分布均勻，維持超旋轉需要大氣波和湍流來抵消。
在這些效應中，在低緯度的雲頂附近，熱潮汐傳遞角動量，使其保持旋轉峰值。其他的行星尺度的波和大尺度的湍流作用方向相反。我們認為水動力不穩定性對中緯度角動量分布有一定的調節作用。
薈萃分析顯示陸地昆蟲數量下降，而淡水昆蟲數量增加
作者：Roel van Klink, Diana E. Bowler, Konstantin B. Gongalsky, et al.
連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/417
摘要
最近的案例研究顯示，昆蟲的豐度大幅下降引起了人們的警惕，但這種模式的廣泛程度仍不清楚。我們從1676個地點的166個長期昆蟲組合調查中收集了數據，以調查昆蟲豐度隨時間的變化趨勢。
總體而言，我們發現即使在相鄰的地點，趨勢也有相當大的變化，但陸生昆蟲豐度平均每十年下降約9%，淡水昆蟲豐度每十年增加約11%。這兩種模式在北美和歐洲的一些地區趨勢都非常強勁。
我們發現了一些與潛在驅動因素（例如土地使用）的關聯，而在保護區，這種趨勢往往較弱。我們的研究提供了一個關於昆蟲數量趨勢時空模式的觀點。
顯生宙海洋動物多樣性的空間結構
作者：R. A. Close, R. B. J. Benson, E. E. Saupe, M. E. Clapham, R. J. Butler
連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/420
摘要
全球海洋動物化石記錄引發了關於生物多樣性隨時間變化以及這種變化的驅動因素的長期爭論。然而，化石記錄並不是全球性的。它在地理範圍和地質時間間隔的環境取樣方面有很大的差異。
我們利用顯生宙的空間顯式方法對區域尺度多樣性進行了定量分析。多樣性的地區差異可以與時間的變化相比較，而這在很大程度上可以由環境因素來解釋，尤其是珊瑚礁的範圍。
相反，關於多樣性隨時間變化的有影響力的假設，包括長期的持續增長，幾乎沒有解釋力。對化石記錄的空間結構建模改變了對顯生宙生物多樣性模式及其宏觀演化解釋的解釋。這就需要重新重視深度時間多樣化的研究。
旅行限制對2019年新型冠狀病毒（COVID-19）傳播的影響
作者：Matteo Chinazzi, Jessica T. Davis, Marco Ajelli, Corrado Gioannini, et al.
連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/395
摘要
受2019年中國大陸地區新型冠狀病毒（COVID-19）快速傳播的啟發，我們使用全球集合人口疾病傳播模型來預測旅行限制對該流行病在國內和國際傳播的影響。
該模型是根據國際報導的病例進行校準的，結果顯示，在武漢2020年1月23日開始實施旅行禁令時，中國的大多數城市已經接收了許多受感染的旅客。
武漢的旅行檢疫僅將中國大陸的總體疫情進展推遲了3至5天，但在國際範圍內的影響更為顯著，到2月中旬，病例輸入減少了近80%。
建模結果還表明，持續90%的來往中國大陸的旅行限制只會對疫情軌跡產生輕微影響，除非同時減少高於等於50%的社區內傳播。
疫苗停用後，2型脊髓灰質炎病毒的流行病學演變
作者：G. R. Macklin, K. M. O』Reilly, N. C. Grassly, W. J. Edmunds, O. Mach, et al.
連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/401
摘要
儘管已有20多年沒有發生血清2型野生脊髓灰質炎病毒病例，但在幾大洲傳播的2型疫苗衍生脊髓灰質炎病毒（VDPV2）和相關麻痺病例對根除這一疾病依舊構成威脅。2型口服脊髓灰質炎病毒疫苗（OPV2）已於2016年4月停用，以阻止VDPV2的出現並確保根除所有2型脊髓灰質炎病毒。
在全球範圍內，此日期之後出生的兒童具有對其傳播有一定的免疫力。利用統計模型，我們估計了2016年5月至2019年11月期間檢測到的VDPV2s的出現日期和來源。利用單價OPV2開展疫情應對運動是激發能預防傳播的免疫的唯一可用方法。
然而，我們的分析顯示，使用單價OPV2正在使得更多的麻痺性VDPV2暴發，並具有地方性傳播的潛力。現在急需一種新的OPV2，如果該疫苗不能實現或不能按預期發揮作用，還需要一種應急策略。目前有兩種候選的OPV2正處於臨床試驗階段。
BET蛋白BD1和BD2可作為腫瘤和免疫炎症的選擇性靶點
作者：Omer Gilan, Inmaculada Rioja, Kathy Knezevic, Matthew J. Bell, Miriam M. Yeung, et al.
連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/387
摘要
BET蛋白的兩個串聯bromo結構域結合染色質以促進轉錄。同樣抑制兩個bromo結構域的藥物在某些惡性腫瘤和炎性中同樣有效。
為了探索第一個（BD1）和第二個（BD2）bromo結構域在生物學和治療中的個體功能貢獻，我們開發了選擇性BD1和BD2抑制劑。我們發現穩態基因表達主要需要BD1，而炎症刺激誘導的基因表達快速增加則需要所有BET蛋白均同時存在BD1和BD2。
BD1抑制劑在癌症模型中表現出了泛-BET抑制劑的作用，而BD2抑制劑在炎症和自身免疫性疾病模型中主要有效。這些關於BD1和BD2在維持和誘導基因表達方面的差異需求的研究可能會指導未來靶向BET的治療。