编者按：
科技兴则民族兴，科技强则国家强。为了更好的展现学校科研动态，增强广大科研工作者的认同感、归属感、自豪感，激发科研创新活力、促进学科交叉融合，科学研究院将持续汇总报道校内各单位重要科研进展，诚邀各单位积极来稿。
内容速览
1.地球科学与工程学院郑卓、黄康有教授团队在Science Bulletin上发表文章：利用孢粉数据定量重建亚洲季风湿润区6.8万年以来的古气候变化
2.测绘科学与技术学院梁琦助理教授在Science Bulletin发文揭示2022年汤加火山海啸引发南极冰舌前缘崩解
3.大气科学学院肖智勇教授团队发现天体表面非放射状分布的溅射纹会“转弯”
4.生命科学学院徐安龙教授和黄盛丰教授团队揭示鱼类肠道几丁质膜在分区消化和屏障免疫中的作用
5.生态学院马子龙副教授在树种多样性与森林地下过程关系的研究中取得进展
6.微电子科学与技术学院赵毓斌教授团队在IEEE IOT-J上报道基于未知发射功率的混合无线传感器网络时空协作定位方案
01
地球科学与工程学院郑卓、黄康有教授团队在Science Bulletin上发表文章：利用孢粉数据定量重建亚洲季风湿润区6.8万年以来的古气候变化
亚洲季风作为全球季风系统的重要组成部分，其变化直接影响着整个东亚地区的降水强度，进而与我国区域生态环境和社会经济发展息息相关。定量研究地质历史时期亚洲季风的变化规律具有重要的现实意义，有助于更好地预测在全球变暖背景下区域未来的气候变化幅度。尽管前人在亚洲季风湿润区进行了多方法的古气候重建尝试，但目前仍缺少能够完整记录整个末次冰期以来的古气候变化的定量记录。
中山大学郑卓教授团队的张潇、郑卓、黄康有等与国内外多家科研机构合作，利用最近更新的东亚表土孢粉数据库（EAPD）及亚洲季风区内3个年代尺度达到末次冰期的高分辨率孢粉记录（云南腾冲TCQH、贵州草海CH和湖北大九湖DJH），定量重建了距今6.8万以来的气候（温度、降水）变化。结果表明：1）末次冰期以来该区域内无论是温度和降雨都发生了显著变化；2）重建结果再次证明了H1与YD等快速气候事件的降雨量响应和空间差异性；3）区域综合降水重建结果与东亚地区多数石笋δ18O记录与模型模拟结果的轨道尺度变化总体趋势基本一致；4）通过与轨道太阳辐射和瞬态气候模拟结果对比，我们认为亚洲季风降水在轨道尺度上主要受南北半球间的太阳辐射差（SITIG）所驱动。
腾冲青海、草海及大九湖的年降水（a）与年均温（b）的重建结果图
该研究为亚洲季风湿润区的古气候研究提供了较为可靠的长时间尺度定量记录，加深了对轨道尺度降水时空变化特征与驱动机制的理解和认识，有助于更好地进行区域与全球气候变化对比，并为准确预测在全球变暖背景下季风区未来的气候变化幅度提供依据。该研究成果以“Quantification of Asian monsoon variability since 68 ka BP through pollen-based climate reconstruction. Science bulletin”为题发表于Science Bulletin。文章第一作者是地球科学与工程学院张潇副研究员，通讯作者是郑卓教授和黄康有副教授。中山大学为第一完成单位。
来源：中山大学地球科学与工程学院
“我院郑卓、黄康有团队在Science Bulletin上发表文章：利用孢粉数据定量重建亚洲季风湿润区6.8万年以来的古气候变化”
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测绘科学与技术学院梁琦助理教授在Science Bulletin发文揭示2022年汤加火山海啸引发南极冰舌前缘崩解
2022年1月15日，位于太平洋汤加的洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊岛（Hunga Tonga-Hunga Ha'apai）火山在海底喷发，研究人员认为其影响可能远不止于大气扰动方面。近日，中山大学测绘科学与技术学院极地与海洋遥感团队基于高时间分辨率的遥感密集观测与海洋观测数据，发现由汤加火山剧烈喷发引发的海啸，在传播了6000多公里之后，造成了位于遥远南极的Drygalski冰舌前缘的崩解。
Drygalski冰舌（75.4°S, 163.6°E）位于东南极罗斯海区域，其冰舌部分长达140千米，自冰盖内部延申至特拉诺瓦湾南部，厚度在300米到700米之间。虽然其边缘存在较多裂隙，但冰舌整体却相对稳定，在此之前的70多年中只发生过两次较大的崩解。2022年1月15日4时18分（UTC），汤加火山剧烈喷发，同时引发大范围的海啸。距Drygalski冰舌仅180公里的验潮站观测数据表明，海啸约在14时左右到达特拉诺瓦湾区域。遥感卫星影像证实，在海啸到达该区域之前，冰舌前端仍未发生崩解（12时35分）；但在海啸到达不到两小时后（15时50分），其前端出现了一条横贯冰舌的裂缝。随后17时25分的遥感影像表明，一块约10千米×4.5千米大小的冰山已经明显的从冰舌前端断裂下来。在接下来的一个多月内，其在洋流和风的共同作用下沿着海岸带不断漂移，直到3月才离开特拉诺瓦湾。
Drygalski冰舌前端崩解过程示意图
该研究提供了迄今为止最详细的观测证据，证实海啸和冰架崩解之间的联系。其结果也表明，南极冰架的稳定性同样可能受到极地区域以外的极端事件的影响，这为全球变暖背景下极地环境快速变化研究带来了新的思考。
该研究成果以“Ice tongue calving in Antarctica triggered by the Hunga Tonga volcanic tsunami, January 2022”为题，于2023年2月发表在国际著名期刊Science Bulletin。中山大学测绘科学与技术学院极地与海洋遥感团队梁琦助理教授为第一作者，程晓教授为文章通讯作者，惠凤鸣教授、陈卓奇副教授等为文章的合作作者。
来源：中山大学测绘科学与技术学院
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大气科学学院肖智勇教授团队发现天体表面非放射状分布的溅射纹会“转弯”
在太阳系天体表面，最常见的地貌特征是小行星和彗星撞击形成的撞击坑。天体撞击伴随着巨大的能量释放，过程与导弹或埋藏核爆相似，但撞击形成的“弹坑”直径可达数千千米，同时向外抛射了大量的溅射物。溅射物一般被认为围绕中心撞击坑呈放射状分布。最新研究发现：溅射纹会“转弯”。
溅射纹为什么会发生弯曲？旋转天体上的弹道飞行轨迹受天体自转的影响（即科里奥利力效应），因此，溅射纹可能会发生弯曲。团队研究通过粒子群弹道飞行模拟发现，水星上的这条弯曲的溅射纹不是由更快的旋转速度引起，而是由突变的溅射角产生。撞击前撞击体和靶体中存在广泛的非均质性，具有不同的冲击阻抗，进而影响冲击波和稀疏波的传播、相互作用方式，最终引发溅射角的突变。
水星（直径4880 km）的假彩色图像，白色的亮色条带为撞击坑形成的溅射纹
这个发现为广泛使用的斯坦诺定律(Steno’s Law)的可靠性筑高了护栏：地质单元的叠覆关系是判定地外天体表面物质的相对新老关系的基础，也是构建全球和区域地层体系的基本定律；然而，突变的溅射角度可能导致同一个撞击坑的溅射物在不同的时间点、从不同方向在同一地点沉积，形成伪交切关系。这个研究也对广泛使用的基于撞击坑统计的定年方法提出技术改进：溅射角突变形成了很多不易被识别和排除的背景二次坑，撞击坑统计定年需要开展跨区域的对比。
以上研究成果于2023年3月1日以“Untrackable distal ejecta on planetary surfaces”为题发表在Nature Communications。文章的第一作者是大气科学学院博士研究生许睿，通讯作者是肖智勇教授，中山大学大气科学学院为第一完成单位。
来源：中山大学大气科学学院
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04
生命科学学院徐安龙教授和黄盛丰教授团队揭示鱼类肠道几丁质膜在分区消化和屏障免疫中的作用
传统认为，脊椎动物区别于无脊椎动物的标志性特征之一，是失去了肠道几丁质围食膜，这也使得脊椎动物失去了由几丁质膜建立的肠道径向分区和免疫屏障。然而近年的研究发现，肠道几丁质膜的合成能力至少延续到硬骨鱼类，直至哺乳动物才彻底失去。该发现引出一系列新问题：鱼类为何保留了肠道几丁质膜？该膜具有什么功能？保留该膜是否有助适应水生环境？鱼类的肠道生理是否更接近于无脊椎动物而非哺乳动物？几丁质膜的失去如何影响哺乳动物的肠道结构演化？哺乳动物为何失去几丁质膜？几丁质膜的存在是否影响鱼类作为人类肠道疾病模型的适用性？
徐安龙教授和黄盛丰教授团队长期深耕海洋技术领域，从事水生动物免疫学研究，近期团队研究取得重要进展。该研究利用斑马鱼模型，第一次对鱼类肠道几丁质膜的在消化和免疫中的不同效用进行解析，发现相比昆虫等无脊椎动物，斑马鱼几丁质膜的分区消化功能依然重要，但屏障免疫作用下降，且不再是存活与繁殖的必需结构。研究人员发现，无论是否进食，斑马鱼前中后肠的上皮细胞均可持续分泌几丁质，形成纵贯全肠的几丁质膜管道，构建出持续存在的免疫屏障和径向分区。接着，研究人员建立了完全缺失几丁质膜的斑马鱼系，发现缺失几丁质膜不会造成外观及其它发育缺陷，也不影响性腺成熟及繁殖周期。但是，突变鱼普遍生长缓慢，存活率偏低，六月龄后陆续有个体出现身体消瘦和肠道萎缩的现象，并最终死亡。
研究人员采用免疫组化、活体成像和多组学分析等技术对上述宏观表型的底层机理进行深入分析，发现鱼类几丁质膜至少有如下作用：1）为肠道建立径向分隔，避免肠道内容物接触及压迫肠道上皮；2）促进食物的高效移动和消化吸收；3）为肠道菌群提供不同的径向生态位，维持菌群的多样性和稳定性；4）抑制肠道上皮的更新速率和炎症反应，维持其完整性和内稳态。
研究人员还发现，在低月龄成鱼中，几丁质膜缺失所引起宏观表型不能通过添加抗生素获得逆转，几丁质膜缺失也不会直接引起适应免疫的异常激活。此外，没有发现缺失几丁质膜会明显降低了肠道对急性细菌感染的抵抗力。
斑马鱼缺失几丁质膜后的表型变化示意图和动物肠道径向结构的演化模型（A：几丁质膜缺失前后肠道以及外观变化；B：肠道径向结构在多个物种中的变化，PM=围食膜，CM=几丁质膜）
这一研究显示，鱼类肠道兼具无脊椎动物和哺乳动物肠道的特点，而失去几丁质膜的鱼类肠道在结构上更接近于哺乳动物小肠。与无脊椎动物相比，鱼类几丁质膜的免疫功能有所下降，但消化功能依旧重要。前者可能与脊椎动物演化出高效的黏膜适应性免疫有关，后者可能有助鱼类接受低品位食物和快速转换食性，因而有助提升鱼类的主动适应环境的能力。以上研究成果以“Differential roles of the fish chitinous membrane in gut barrier immunity and digestive compartments”为题发表在EMBO Reports上。中山大学生命科学学院为第一作者单位。
来源：中山大学生命科学学院
“徐安龙教授和黄盛丰教授团队揭示鱼类肠道几丁质膜在分区消化和屏障免疫中的作用”
05
生态学院马子龙副教授在树种多样性与森林地下过程关系的研究中取得进展
在森林生态系统中，针对树种多样性与生态系统功能关系的研究目前主要集中在森林的地上部分，我们对于天然林树种多样性如何影响森林生态系统地下过程所知甚少。细根是植物获取水分和养分的重要器官，而植物群落中不同物种根系之间的相互作用可能导致根系的结构和动态发生改变。因此，植物群落地下根系间的相互作用是探究多样性与生态系统地下过程关系的重要方面。鉴于细根较高的可塑性（morphological plasticity），以往通过破坏性取样且针对细根生物量的研究可能无法精准地在原位捕捉到树种多样性对根系形态（根长，直径等）的影响及其对整个森林净初级生产力的重要意义。
微根管拍摄到的北方天然林地下根系
（白色为真菌菌丝）
中山大学生态学院马子龙副教授团队（GROOT团队）利用微根管技术（minirhizotron techniques）对加拿大北方天然林地下根系生长进行了为期三年的野外观测实验，研究发现，混交林的实际平均细根长度显著高于以单一树种为优势种的纯林所产生的预期值，并且这种混合效应（mixture effect）会随着林龄的增加而增强（尤其是第三年）。
此外，树种多样性对根长的混合效应与森林净初级生产力呈现正相关关系，表明混交林通过增加细根长度以提高对土壤水分和养分的吸收，从而支撑混交林较高的生产力。在土壤垂直方向上，多样性对细根长度的混合效应随土层深度的增加而降低，表明植物优先考虑调整细根形态，以最大限度地提高其在富营养层的养分吸收。相比之下，深层土壤中细根生物量的混合效应较高，表明在养分相对贫瘠的深层土壤中，植物对养分贮藏的需求更大。然而，在该研究中，树种多样性对细根的生产力和周转并没有表现出明显的混合效应，这可能是因为相较于增加细根生产力和周转（高成本），混交林更倾向于通过延长细根寿命（低成本）来巩固已有的细根长度从而维持其养分获取能力。
最后，在整个样地水平上，细根长度与细根生物量之间并没有表现出较强的相关性，表明两者可能分别表征根系的不同功能。细根生物量主要表征资源储存能力，而细根长度主要表征资源获取能力。此外，细根长度与细根生物量的弱相关性也可能归因于采样和分析方法的差异。与土芯法（生物量采集）相比，微根管更容易捕获低阶的吸收根。
该研究结果从地下视角为森林生物多样性与生态系统功能关系提供了新的科学认知，并强调未来多样性与地下生态系统功能关系的研究要更多地关注除了细根生物量以外的根系性状对植物多样性的响应规律。研究结果以“Species mixtures increase fine root length to support greater stand productivity in a natural boreal forest”为题发表在生态学权威期刊Journal of Ecology上。中山大学生态学院博士生黄晨燕为该论文的第一作者，马子龙副教授为通讯作者。加拿大阿尔伯塔大学和湖首大学为合作单位。
来源：中山大学生态学院
“Journal of Ecology |马子龙副教授在树种多样性与森林地下过程关系的研究中取得进展”
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微电子科学与技术学院赵毓斌教授团队在IEEE IOT-J上报道基于未知发射功率的混合无线传感器网络时空协作定位方案
混合有源和无源无线传感器网络能够同时为远距离的海量物联网设备无线传输持续的微波能量和信号。然而，目前该领域的研究主要集中在基于已知发射功率的静态网络的静态数据传输业务上，针对大规模网络中所有传感器发射功率未知的情况下精确定位无源传感器位置的动态网络和动态业务的研究尚未见报道。
赵毓斌研究团队考虑到混合有源和无源无线传感器网络在动态业务中节点处理能力有限、电路复杂度和能量限制，针对该网络中所有传感器的发射功率未知，提出了一种基于接收信号强度（RSS）模型的时空协作定位方法，并分析了其发射功率、信道质量、大规模节点部署、网络时空递归以及无线能量驱动等方面对时空协作定位性能的挑战。针对上述挑战，该团队推导了基于未知发射功率接收信号强度（RSS）模型的时空协作定位的费希尔信息矩阵（FIM）和克拉美罗下界（CRLB），归纳分析诸般因素对静态全连接网络多目标定位以及动态网络时间-空间递归场景下单节点定位性能的影响。在此基础上，提出了波束赋型方案来优化定位精度和能效优化问题。对于定位优化问题，推导了最优波束赋型波的闭式解。针对能效优化问题，提出了一种具有自校准功能的半正定规划（SDP）无线能量波束成型策略，解决了过松弛问题，并对其进行了详实严格严谨数学逻辑论证证明，实现静态全连接与动态时空递归网络拓扑下最优能耗。该研究结果证实了，相较于传统的基于功率分配方案，本文提出的波束赋型方案具有较高的定位精度和较低的功耗等优点。
混合有源和无源无线传感器网络协作定位系统框架图
该项成果以“Cooperative Localization in Hybrid Active and Passive Wireless Sensor Networks with Unknown Tx Power”为题在期刊IEEE Internet of Things Journal上发表。博士研究生陈洋为第一作者，赵毓斌副教授为通讯作者，中山大学微电子科学与技术学院为第一且为唯一通讯单位。
来源：中山大学微电子科学与技术学院
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