近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）詹海刚研究员团队在全球中尺度涡对海洋盐度的扰动和输运研究方面取得新进展。相关成果以硕士研究生莫丹虹为第一作者，何庆友副研究员为通讯作者发表在国际学术期刊Journal of Geophysical Research：Oceans上。

海洋中尺度涡引起的盐输运对维持海洋盐度平衡和全球气候至关重要。然而，由于针对中尺度涡的观测数据不足，我们对于全球尺度上涡旋活动影响海洋盐度分布的认识较为有限。本研究结合1993-2019年间全球200多万条历史温盐剖面观测数据和基于卫星遥感的中尺度涡数据，对全球涡旋活动引起的盐度扰动进行了分析，发现涡致盐度扰动存在丰富区域差异性和垂向变化特征：在热带、副热带和黑潮延伸体海域，中尺度涡内盐度扰动存在由正转负(或由负转正)的垂向符号改变现象；而在南极绕极流两侧，涡内盐度扰动则存在经向符号改变现象。进一步，结合卫星遥感的涡旋移动速度和发生频率信息，对全球海洋每2°×2°网格内涡旋移动引起的经向和纬向盐输运进行了估算。结果显示黑潮延伸体、湾流、巴西-马尔维纳斯交汇区和南极绕极流等海域涡旋移动引起的经向盐输运远高于其他海域。沿纬向和深度积分的经向盐输运在南半球中纬度海域最强（106 kg·s-1量级）。巴西-马尔维纳斯交汇区涡旋移动引起的经向盐输运高达-1.28×106 kg·s-1，远超全球其它海域，是涡致经向盐输运的重要通道。本研究提升了我们对中尺度涡活动影响全球海洋盐度分布的科学认知，对于理解和模拟全球海洋盐度变化具有重要意义。

该研究由国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等共同资助完成。

相关论文信息：

Mo, D., He, Q., Zhan, W., He, Y., & Zhan, H. (2024). A global assessment of eddy-induced salinity anomalies and salt transport by eddy movement. Journal of Geophysical Research: Oceans, 129, e2023JC020382.

文章链接：https://doi.org/10.1029/2023JC020382

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）/全球海洋和气候研究中心（GOCRC）王春在研究员团队揭示了印度夏季风降水引发2022年7月西北太平洋极端海洋热浪的物理机制，相关成果发表在Nature子刊npj Climate and Atmospheric Science。LTO博士研究生宋强华为论文第一作者，王春在研究员和姚玉龙副研究员为共同通讯作者，合作者包括中山大学范汉杰副教授。

2022年7月，西北太平洋高纬度海域发生了极端的海洋热浪事件，区域平均海表温度异常最高可达5℃，部分区域甚至超过8℃，成为有史以来发生在该海域最强的海洋热浪事件。鉴于此，本研究使用卫星观测数据、再分析资料以及气候数值模式研究了此次极端海洋热浪的发生发展机制。

研究发现，此次极端海洋热浪的主要成因来自于大气强迫，即在发生海洋热浪海域的上空，形成了一个强大的大气阻塞高压系统。在高压系统影响下，大气对流减弱、云量减少，从而导致来自太阳的短波辐射增多。这一过程使得海表温度迅速升高，从而引发了该海域史无前例的海洋热浪事件。而研究通过气候诊断方法和数值模式表明印度夏季风极端降水释放的巨大潜热产生了大气扰动，通过准定常罗斯贝波的传播，产生并增强了这个强大的阻塞高压。同时，本研究还发现印度夏季风降水量与西北太平洋海温的相关性在2011年之后显著增强（R= 0.97, p < 0.01），这进一步证明了印度夏季风降雨增强是触发2022年7月西北太平洋极端海洋热浪的主要原因。

综上所述，本研究揭示了印度夏季风降水与西北太平洋海洋热浪之间的物理联系，凸显了洋际相互作用对西北太平洋高纬度海域海洋热浪的影响，研究结果为后续西北太平洋海洋热浪的预测提供了理论依据。

该研究由国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金青年项目等共同资助。

相关论文信息：Song, Q., Wang, C., Yao, Y., & Fan, H. (2024). Unraveling the Indian monsoon’s role in fueling the unprecedented 2022 marine heatwave in the Western North Pacific. npj Climate and Atmospheric Science, 7 (1), 90.

网址：https://doi.org/10.1038/s41612-024-00645-x

近日，自然资源部第三海洋研究所董西洋研究员课题组在Science Advances（Science系列综合类子刊，中科院一区top）发表了题为“A vast repertoire of secondary metabolites potentially influences community dynamics and biogeochemical processes in cold seeps”的研究论文。该研究深入探讨了深海冷泉微生物产生次级代谢产物的潜力，并分析了这些产物对冷泉微生物群落动态和生物地球化学过程的潜在影响。

深海冷泉通常位于大陆架边缘，主要由甲烷等烃类化合物组成的流体通过海底断层或裂缝等特定通道从沉积层喷涌或渗漏而形成。与依赖光合作用的生态系统不同，冷泉生态系统的初级生产力主要来源于微生物通过化能合成作用利用烃类化合物和无机物，使得冷泉成为生物量和生物多样性极高的“深海绿洲”。然而，为了在有限的资源和空间中竞争，冷泉微生物必须采取各种策略。其中一个关键策略是通过生物合成基因簇编码合成天然产物，即次级代谢产物。这些产物在化学结构、生物合成途径和生理功能上各不相同，许多具有潜在的药用价值。

为了探究化能合成作用驱动的冷泉深部生物圈中微生物合成次级代谢产物的潜力，并解析这些产物在生态系统中的潜在功能，研究者分析了来自全球9个冷泉区的81个宏基因组、33个宏转录组和7个代谢组。通过宏基因组组装和分箱，获得2479个中、高质量的细菌和古菌基因组。在这些基因组中，一共预测到2865个生物合成基因簇，涉及到11个古菌门和52个细菌门。其中，仅有3个生物合成基因簇与已知参考数据库相匹配；大多数生物合成基因簇由在冷泉甲烷和硫循环中扮演关键角色的细菌和古菌所编码，同时也识别出一些尚未被报道的富含生物合成基因簇的微生物门类（如SZUA-182和Myxococcota等）。这表明冷泉微生物群落蕴藏着极其多样且新颖的生物合成基因簇。

冷泉微生物合成的天然产物对生态系统中的群落动态平衡和生物地球化学过程极为重要。一方面，许多生物合成基因簇负责编码合成具有抗菌活性的化合物，如细菌素和多种类型的多肽，这些化合物可作为宿主微生物的防御手段和微生物群落内部的竞争武器。另一方面，冷泉微生物合成的天然产物能够帮助宿主微生物获取营养物质和介导生物地球化学循环，如膦酸酯、铁载体和抗氧化剂等。这些微生物基因组的生物合成基因簇广泛分布且在原位活跃表达；此外，不同生物合成基因簇的丰度和转录水平与沉积物的深度及具体位置有关。进一步的沉积物代谢组学分析也证实了多种次级代谢产物的存在，且其中大多数产物不能通过和现有数据库比对鉴定出来。这些发现不仅证实了冷泉生境中生物合成基因簇的活跃性，还突显了冷泉微生物的化学合成潜力尚未被充分挖掘。

的来说，这些研究结果揭示了冷泉沉积物作为天然产物的重要储库具有巨大潜力，同时阐释了化能合成生态系统中微生物的适应机制。此外，这些天然产物构成了一个潜在的“蓝色药库”，为新药开发提供了宝贵的资源。

董西洋研究员和上海交通大学硕士生张田雪钰为论文共同第一作者。董西洋研究员、夏金梅副研究员和邵宗泽研究员为论文共同通讯作者，上海海洋大学吴伟超研究员为冷泉沉积物的代谢组分析做出了重要的贡献。其他参与者包括彭用一、刘心悦、韩迎春、陈向威、高志增和Chris Greening等。本研究受到福建省自然科学基金、海洋三所基本科研业务费、同济大学海洋地质国家重点实验室开放基金以及中国博士后科学基金等项目资助。

论文原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl2281

近日，国际化工领域三大顶级期刊之一《Chemical Engineering Science》在线发表了题为“Experimental study on the cold-seep methane hydrate formation kinetics”的文章，报道了中国科学院海洋研究所在冷泉水合物生成动力学方面的最新研究成果，揭示了冷泉甲烷水合物形成的动力学过程，对深入了解南海冷泉甲烷水合物的形成机制及水合物资源动态生成过程的认识具有重要意义。

天然气水合物是气体（自然界中主要是甲烷）与水分子在高压低温条件下形成的结晶化合物，广泛分布于自然界的深海冷泉区。虽然已有实验室和原位实验对水合物的形成进行了大量研究，但是以前的实验室内实验主要采用纯水或者人工海水，脱离真实的原位环境；而原位实验由于技术的限制无法对水合物形成动力学过程进行精准监测。因此，目前缺乏对原位冷泉甲烷水合物形成动力学的详细研究。

针对上述问题，中国科学院海洋研究所张鑫团队从我国南海北部台西南冷泉区（Site F）通过保真取样技术获取了原位的冷泉喷口流体，在实验室内利用该流体及连续时间序列拉曼光谱技术进行了真实海洋环境的可控实验，对冷泉甲烷水合物的生成动力学过程进行了实时的监测和观察。本实验采用积分时间为10秒的连续时间序列拉曼光谱，观测到从溶解态甲烷向水合物态甲烷的逐渐转变过程，从而获得了冷泉甲烷水合物生成动力学的详细信息。此外，还提出了一种通过连续时间序列拉曼光谱测定水合物成核时间的新方法，可以将成核时间的确定精度提高至十秒。

通过对实验结果的处理分析，提出了一个冷泉甲烷水合物的生成动力学模型，将该动力学过程分为三个阶段：甲烷溶解阶段、不稳定成核阶段、稳定生长阶段。结果表明甲烷溶解阶段受冷泉流体中盐类的抑制作用影响，持续时间较长；而不稳定成核阶段会出现不定形水合物结构，但是时间很短（10秒内）；最后是水合物晶体的稳定生长阶段。该模型阐明了冷泉甲烷水合物的生成动力学过程，对理解冷泉环境中的甲烷水合物形成机制以及水合物资源富集的动态过程具有重要意义。

中国科学院海洋研究所博士研究生张怡童为文章第一作者，张鑫研究员为文章通讯作者，栾振东正高级工程师、杜增丰副研究员为文章共同作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目联合资助。

论文信息及链接：

Y. Zhang, Z. Du, S. Xi, L. Ma, Z. Luan, X. Zhang, Experimental study on the cold-seep methane hydrate formation kinetics, Chemical Engineering Science (2024), doi: https://doi.org/10.1016/j.ces. 2024.120144

近日，中国科学院海洋研究所陈楠生课题组在硅藻基因组学研究方面取得新进展，成功构建了首个热带骨条藻（Skeletonema tropicum）的高质量染色体水平参考基因组，相关研究成果发表在国际数据集期刊Scientific Data（Q1，IF=9.8）。这是该团队在2023年成功构建海洋优势浮游植物玛氏骨条藻（Skeletonema marinoi）染色体水平基因组之后完成的第二个骨条藻属物种的基因组。

硅藻是海洋中最重要的浮游植物类群之一，多样性和生物量极高，贡献了约40%的海洋初级生产力和50%的海洋碳输出通量，在海洋食物网和生物地球化学循环中扮演重要角色。硅藻种类众多，估计有12,000-200,000个物种。然而，自第一个硅藻基因组（伪矮海链藻Thalassiosira pseudonana）于2004年得到构建以来，迄今仅有十几个硅藻物种的基因组得到构建，且大部分基因组为草图水平。其中仅四个硅藻物种（伪矮海链藻、三角褐指藻Phaeodactylum tricornutum、Fistulifera solaris和玛氏骨条藻）的染色体水平基因组得到构建，严重制约了硅藻生态学和演化研究进展。骨条藻属（Skeletonema）是我国近海的优势浮游植物，也是海洋生态系统中的重要初级生产者，多种骨条藻物种可引发赤潮，危害海洋生态环境。前期基于胶州湾全年逐月的宏条形码研究发现，玛氏骨条藻在冬季胶州湾的相对丰度尤其高，而热带骨条藻在夏秋季节占优势。通过对其线粒体基因组和叶绿体基因组比较分析表明其结构的保守，未能揭示两种骨条藻的环境适应机制。染色体水平的玛氏骨条藻基因组的构建发现显著扩张的光相关基因家族可能是该藻适应环境的重要机制。然而热带骨条藻的染色体基因组尚未构建，阻碍了其生态适应和系统进化的深入研究。

在以前研究基础上，研究团队综合采用利用Illumina测序、PacBio测序和Hi-C辅助基因组组装技术，首次构建了热带骨条藻完整的染色体水平的参考基因组。热带骨条藻基因组大小为78.78 Mb，挂载到23条染色体，contig N50长度为606.27 Kb，scaffold N50为3.17 Mb。热带骨条藻共注释了20,613蛋白编码基因，其中86.14%的基因可以注释到功能。研究发现热带骨条藻基因组与玛氏骨条藻基因组具有较好的共线性关系。热带骨条藻高质量染色体水平基因组的构建，对于利用比较基因组和比较转录组方法解析其环境适应机制提供了重要平台。

本项目由海洋生态与环境科学重点实验室陈楠生团队完成，特别研究助理刘淑雅为第一作者，陈楠生研究员为通讯作者。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金等项目资助。

【论文链接】Shuya Liu, Nansheng Chen*. Chromosome-level genome assembly of marine diatom Skeletonema tropicum. Scientific Data, 11, Article number: 403 (2024). https://doi.org/10.1038/s41597-024-03238-8.

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

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

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

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

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。