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Ask a Caltech Student

科学家怎么知道行星中间有什么?

在"问一个加州理工学院的学生,"一个新的Facebook群,帕萨德纳地区的K-12学生和家庭被鼓励联系到加州理工学院的研究生与科学和数学问题有关的学生的学校作业和家庭作业。

集团成立于2020年3月由学院# x27; s中心教学,学习,和外联(CTLO),与Raj Katti合作,研究生在物理学中,为了应对暂时关闭学校在洛杉矶县由于COVID-19危机和由此产生的远程学习。

"说,我意识到,如果加州理工学院的研究生有一些空闲时间,而帕萨德纳地区的学生对他们的家庭作业有疑问,就必须有一种方法把这两个群体联系起来。由于CTLO并不是为了运行直接的辅导项目而设立的,卡哈兰和卡蒂提出了在社交媒体上建立一个开放论坛的概念,人们可以在这个论坛上提问,并可能从学生那里得到多个答案。

在创建Facebook群组的24小时内,已有220人成为会员;其中约三分之二是研究生,三分之一是帕萨迪纳社区成员。最初,卡哈拉人只允许帕萨迪纳市10英里以内的家庭成为会员,但后来扩展到20英里,包括从格伦多到伯班克和波因特南的家庭。截至4月3日,这一数字已升至320。

Katti将人们对这一举措的热情归结为三个因素:"教学的乐趣、帮助社区的兴趣以及老式的无聊。"的研究生同事迈克尔·马扎(Michael Mazza)是一位化学专家,他补充说,"的研究生不得不暂停他们的研究活动几周,并将继续这样做。与第一次学习这些材料的学生接触可以重新点燃发现和兴奋的感觉,正是这种感觉最初推动我们走上这条职业道路

这确实为研究生们提供了一个分享和庆祝他们所热爱的工作的机会,卡哈兰说,他们现在非常渴望这样做

它的目标不是提供具体问题或方程的答案,而是让加州理工学院的学生解释基本概念,发布外部内容的链接,并共享资源以获得额外的帮助。该小组由Cahalan和CTLO教育推广副主任Mitch Aiken主持。

有什么好方法可以向一个9岁的孩子解释为什么电池不能连接在一起?

加州理工学院的学生需要调整自己对K-12学生群体的反应,这本身就带来了挑战,但已经成为相关人士乐于接受的学习机会。马扎说:“思考如何最好地向学生描述和介绍新的科学概念本身就是一种智力要求和有益的经验,所以我自己肯定对材料有了更深刻的理解。”天才科学家的标志不是他们的工作听起来多么复杂,而是他们能多么清楚、简明地阐述自己的工作

在回答9岁孩子关于电池的问题时,马扎回答说:"当我了解到电池时,我的老师把它描述成水管。所以,电子就像水一样,想要向同一个方向流动。当你有两个电池连接在相反的两端,这就相当于把两个消防水管指向同一个方向。这是通过它们的水量的两倍!如果你把它们连在一起,就像把两条水管连在一起一样。那样水就会互相流入,而不会有任何东西流出来

正如卡哈伦所指出的,线程对话格式也很有帮助,因为一个学生如果不能理解所提供的问题的第一个解释,那么他在第二个或第三个解释时可能会有"aha"的时间点。有人可能会用一种方式来解释,她说的是",但也有人可能会说:“我就是这样学的。”或者,这是解决这个问题的另一种方法

对于相关的研究生来说,获得教学经验是一个强大的动力。“我想改进我的教学,”卡蒂说。我的导师(Michael Roukes)喜欢告诉我,大部分教学工作是搞清楚你的听众——他们熟悉哪些单词,他们已经知道哪些概念。通常我给同事或教职工做研究报告,或者教本科生。现在,观众是初中生和高中生,但是过程是一样的

虽然目前的重点是学校作业和家庭作业,但卡哈兰看到了更广泛的社区影响的潜力。我希望能有一个空间,让有这些问题的孩子们走进来,然后说:“请跟我谈谈你的研究或职业道路。

她补充道:“如果我们现在都不得不放慢速度,从电脑上探索一些东西,那么可能还有比这更糟糕的事情可接触,那就是一群非常聪明、兴奋的研究生,他们有时间谈论他们感兴趣的东西。

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Deep-Sea Worms and Bacteria Team Up to Harvest Methane

美国加州理工学院西方学院的科学家们在海底发现了一种以甲烷为燃料的蠕虫和细菌共生关系,这为深海环境的生态学带来了新的曙光。

他们发现,甲双球菌科的细菌已经搭上了羽状羽毛的顺风车,这些羽状羽毛是薄层和双皮拉蠕虫的呼吸器官。甲藻科是产甲烷菌,这意味着它们从甲烷(一种由碳和氢组成的分子)中获取碳和能量。

这种蠕虫只有几英寸长,它们大量出现在深海甲烷渗出物附近,也就是海底富含碳氢化合物的液体渗出到海洋中的喷口,尽管目前还不清楚为什么这些蠕虫偏爱喷口。事实证明,蠕虫会慢慢消化搭便车而来的细菌,从而吸收细菌从甲烷中获取的碳和能量。

也就是说,在一些帮助和一些额外的步骤下,这些蠕虫已经变成了甲烷生物。

Worms在哥斯达黎加海岸的海底发现的食甲烷的serpulid蠕虫。图片来源:Alvin/WHOI

"这些蠕虫一直与渗漏联系在一起,但每个人都认为它们是滤食性细菌。相反,我们发现他们正与微生物利用化学能量饲料在某种程度上我们没有# x27; t认为,"维多利亚孤儿说,詹姆斯欧文的环境科学和生物学教授和共同通讯作者论文的蠕虫是4月3日出版的科学进步。

孤儿和她的同事们是在研究南加州和哥斯达黎加海岸的甲烷喷口时发现这一现象的。

"我们的一位同事是研究这种蠕虫的专家,他注意到这种蠕虫的形态不同寻常。呼吸羽状物比任何人以前见过的都要多,这是第一个线索。这就足以使我们说,这是有趣的。加州理工学院地球生物学的访客、《科学进展》杂志上那篇论文的主要作者莎娜·戈夫雷迪说,我们应该进行调查。戈弗雷迪是洛杉矶西方学院的生物学副教授。

为了探索蠕虫和细菌之间关系的本质,科学家们必须首先使用机器人潜水艇从深海甲烷喷口提取样本,在这种情况下,甲烷喷口位于海洋表面以下1800米。

Ship型载人潜水器“阿尔文”的表面恢复,小船上的恢复小组在视野中。图片来源:莎娜·戈夫里迪/西方学院图片Lightbox Ship载人潜水器“阿尔文”号表面恢复,小船上的恢复小组清晰可见。从顶部的R/V亚特兰蒂斯信贷:Shana Goffredi/西方学院下载完整的图像

一旦这些蠕虫被带到上层,科学家们分析了它们的组织,记录了它们所消耗的碳同位素。碳以两种稳定的同位素形式存在——可以说是不同的"flavors"的碳。大约99%的碳是碳-12,每个原子核里有6个中子和6个质子,大约1%是碳-13(6个质子和7个中子)。碳-14是一种放射性同位素,以微量存在。

所有的有机体都需要某种形式的碳来生存,它们通过代谢过程来吸收碳。研究生物组织中碳13和碳12的比例,可以为了解碳的来源和形成条件提供线索。以深海蠕虫为例,它们的组织中碳13和碳12的比例非常低,这意味着蠕虫体内的碳很可能来自甲烷。孤儿和她的合作者推断,因为蠕虫不能直接处理甲烷,它们必须从产甲烷的细菌中获取碳。

事实上,我们在整个蠕虫中发现了碳的这种特殊同位素;"孤儿说,不仅仅是在呼吸系统中,身体也在消耗这些细菌产生的甲烷碳。研究小组通过使用分子技术和显微镜以及实验来验证这些蠕虫吸收改良的、可追踪的甲烷的能力,从而进一步证实了这一假设。

Alvin的科学家维多利亚·欧凡和莎娜·戈弗雷迪准备和飞行员丹尼尔·福斯曼一起潜入阿尔文潜水器。Victoria Orphan和Shana Goffredi准备和飞行员Danik Forsman一起潜入阿尔文潜水器。资料来源:Victoria Orphan/Caltech下载完整图片

他们的研究成果改变了我们对渗漏生态系统的理解,并对深海管理产生了影响,因为由于人类对能源和矿物的开采,甲烷渗漏和热液喷口肯定会承受越来越大的压力。

论文题目为"Methanotrophic细菌性共生菌为深海羽毛掸虫(Sabellida, Annelida)的密集种群提供燃料,并扩展了甲烷渗漏的空间影响。"加州理工学院的合著者包括研究生Sean Mullin和博士后研究员Fabai Wu。其他合著者包括圣地亚哥斯克里普斯海洋研究所的Ekin Tilic、Lisa Levin和Greg Rouse;新泽西州罗格斯大学的凯瑟琳·道森;费城坦普尔大学的Abigail Keller和Erik Cordes;华盛顿州立大学的雷蒙德·李。这项研究得到了国家科学基金会和戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持。

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Caltech Signs Agreement to Provide Open Access to Computing Research

我们很多人都知道点击一篇新闻文章后遇到收费墙的挫败感。学术研究人员在试图获取期刊文章时也会遇到这个问题,但对他们来说,成本往往高达数千美元。

加州理工学院和计算机研究学术协会(ACM)之间的一项新的开放获取协议,保证了所有由加州理工学院的研究人员撰写的论文,只要出现在ACM期刊上,任何用户都可以免费获取,而不需要支付任何费用。

"说:“这对加州理工学院来说是一件大事,因为我们的研究已经在全世界产生了影响。”许多研究人员所在的机构买不起我们作者发表的期刊的订阅费,这实际上使加州理工学院的研究工作对他们隐瞒了

在与ACM签署了开放获取协议后,加州理工学院加入了其他主要机构的行列,如加州大学系统、卡内基梅隆大学麻省理工学院爱荷华州立大学

去年加入加州理工学院的Whatley说,开放获取为加州理工学院的研究人员、其他机构的研究人员和公众提供了好处。尽管加州理工学院过去一直支持开放获取计划,Whatley说这是该学院与出版商签署的第一个此类开放获取协议。

"期刊的价格涨幅明显快于图书馆的预算。那是不可持续的,正如霍利所说。"出版商确实通过同行评审、编辑、推广等方式为他们发表的研究带来了价值,但这种模式已经被打破了,我不认为我们应该修正它。我认为我们应该开发一种新的、能更好地配合当今研究工作的计算机

开放获取运动可以追溯到2008年,当时哈佛大学开始向公众免费提供其发表的研究成果。2013年,加州理工学院(Caltech)的教职工投票决定,开始免费提供该学院的研究成果。CaltechAUTHORS是加州理工学院研究人员撰写的在线文章库,2017年下载量超过1000万次。

Whatley说,开放获取是降低研究所期刊订阅成本的努力的一部分。图书馆采取的另一种方式是打破与出版商之间所谓的"协议。

想想那笔大买卖吧;她说,就像订阅有线电视一样。你可能不想要所有的频道,但期刊订阅就是这样运作的。要得到一些期刊,你得买一整套。几年前,为了收回对我们收藏品的控制,我们几乎打破了所有的大买卖

此外,图书馆已经开始尝试作为自己的出版商。

她说:“我们还没有大规模地进行这项工作,但加州理工学院图书馆现在是出版商了。”我们出版了一本叫做《微生物学》的开放获取期刊,同时我们还出版了一本微生物学教科书

要了解更多关于ACM OPEN的信息,请访问https://www.acm.org/publications/openaccess。

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New Superconducting Film Resists a Magnet’s Power to Thwart It

对于最近加入加州理工学院担任材料科学助理教授的约瑟夫·法尔森来说,电子就像奇异的超级跑车,因为它们拥有惊人的能力。

考虑超导现象,其中成对的电子不受阻碍地飞行,导致材料显示零电阻。然而,当电子穿过不纯物质时,或者当超导性被破坏时,这些才能就会丧失。在falson27的类比中,他把这比作驾驶一辆超级跑车行驶在鹅卵石街道上,限制了它的速度。我们的工作不是制造超级汽车,而是制造高速公路,他说。

在加州理工学院,他以两种方式应对材料挑战。首先,他和他的学生将尝试合成新材料,以显示新的电子特性。理论家们已经提出了许多这样的材料,其中许多现在已经成熟,可以在一个稳定的实验环境中创造出来。第二种方法是测试和改进已知的材料,特别是超薄膜,其中一些是外来超导体。

使用后一种方法,Falson清华大学和他的同事们在中国和德国的马克斯·普朗克固体研究所发现超导材料,保留其超导即使暴露于磁场,根据传统理论的预测,通常应该破坏财产。这项研究发表在3月27日出版的《科学》杂志上。

打破了规则

对于那些寻求研究超导性并最终实际利用它的人来说,问题在于,到目前为止,人们只在不高于-70摄氏度的超冷温度下认识到这一点。有一股强大的力量去实现室温超导性——这是科学的圣杯之一,法尔森说,因为这样你就可以把这些材料用在发动机或传输线上,损耗就会大大减少。它将使社会发生革命性的变化

然而,科学家要实现这一目标还面临许多挑战。扰乱超导性的三个主要因素是:温度升高、磁场暴露或携带高密度电流。此外,这些因素是相互关联的:环境温度越高,破坏其超导性所需的临界磁场就越小。然而,在他们的新研究中,法尔森和同事测试了一种被怀疑具有奇异电子特性的材料,并证明其超导性比理论所认为的更能抵抗外部磁场。

研究人员从一个普通的硅衬底开始,在它上面放置许多薄的晶体层材料,如碲化铋和碲化铅。最上层的灰色锡只有几个原子层那么厚,这时锡就变成了二维的;该层中的电子只能在锡的平面内移动,不能上下移动。早期的理论工作表明这种多层材料具有奇异的电子特性,而其他研究人员意外地发现这些薄膜具有超导性。法尔森将这种材料冷却到极低的温度,以进一步研究超导性,并发现了意想不到的反常行为。

研究的关键是电子的量子特性,即自旋。电子的自旋是指它的角动量;这种性质可以用大小和方向来衡量。他说,在正常的超导材料中,自旋相反的电子会变成库珀对,即负责超导的粒子。在散装材料中,自旋可以指向任何方向。然而,在某些薄膜中,自旋方向与材料的底层电子结构耦合,导致自旋倾向于指向平面外的"。换句话说,如果你把锡层想象成一张纸,它的自旋倾向于垂直于纸的平面。

然而,当电子暴露在磁场中时,电子的自旋倾向于与磁场的方向一致。在锡层的研究中,falson_27;s组施加了一个大的磁场" In -plane,"的意思是与纸平行。他们发现,改变自旋方向,从而消除超导性,需要的磁场强度比现有理论预测的要多40%,而这种效果只有在实验温度接近绝对零度时才会明显。为解释这些结果而发展起来的一种新的理论方法证实,层状材料的潜在结构特性使电子不愿翻转。

一些falson27的合作者发表了一项相关研究,解释了这一发现的含义,并预测了另外200种对磁场具有同样弹性的理论材料。位于哈利·g·斯蒂尔实验室的美国加州理工学院新实验室正在建设中,该实验室将试图找出那些预测的材料中哪些可以在现实世界中显示出类似的物理现象。他和他的同事将通过一种叫做分子束外延的技术来合成这种材料:在真空室中,各种元素将被蒸发,形成分子束。然后,这些材料将在精心挑选和制备的几层只有几纳米厚的衬底上积累。我们必须在其他晶体的上面生长晶体。这就是我们与块状晶体种植者的区别,"法尔森解释说。我们可以研究不同材料的三文治或异质结构,并研究它们的涌现性

世界各地的

法尔森第一次对材料的物理性质产生兴趣是在他的祖国澳大利亚上大学的时候,然后他踏上了环游地球的旅程,来到了加州理工学院。在新南威尔士大学(University of New South Wales)完成本科学业后,他获得了日本政府用于鼓励外国学者到日本学习和研究的一个项目的奖学金。在东京大学攻读博士期间,他学习了晶体生长和凝聚态物理,这是一门探索物质的宏观和微观属性的学科,同时也学了一点日语。在他于2020年初到达帕萨迪纳之前,博士后工作带他去了德国的马克斯·普朗克研究所。

法尔森说,加州理工学院的校园给人一种家的感觉。我喜欢这里的桉树,他说。它让我想起了家。我记得在面试期间在校园里四处走着,闻到了桉树的味道

加州理工学院对基础科学的研究方法也吸引了他。他不想在大学或国家实验室工作,与许多人研究同样的课题,他想去一个地方,让他去新的方向,比如他在合成新材料方面的基础工作。他说:“我很高兴他们愿意冒这个险,支持这个方向。

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The COVID-19 Virus, By the Numbers

注:这篇文章是加州理工学院科学家正在进行的关于COVID-19大流行研究的系列文章的一部分,每个科学家都有自己的专长。从生物学,到化学,到社会科学,再到计算机,对抗这种疾病的关键还有待发现。

当Rob Phillips决定离开凝聚态物理领域而成为一名生物学家时,那是因为他对病毒着迷。在过去的20年里,加州理工学院的Fred和Nancy Morris生物物理学、生物学和物理学教授一直在寻求对病毒研究的数字把握。

他说:“人们渴望得到定量的信息。当你对事实有一个数字把握时,你可以对过程如何展开做出更精确的预测。这很复杂也很难,但我们已经取得了进展

2018年,菲利普斯和他的长期合作者罗恩·米洛(Ron Milo)和伊农·巴隆(Yinon Bar-On)对地球上有多少生物物质进行了全面的定量全球评估,说明了人类是如何对我们的环境造成不成比例的影响的。

现在,随着SARS-CoV-2型冠状病毒(SARS-CoV-2)在全球范围内的流行,Phillips和由以色列魏茨曼研究所的Ron Milo领导的研究小组,已经把他的" – by- numbers"方法转向研究这种新型病毒。他和他的同事们现在已经在《生命》杂志上发表了一篇论文,内容是关于构成covid19的关键数字——病毒在人体内的平均浓度、病毒在不同表面的稳定性、感染率等等。我们和菲利普斯坐下来讨论新论文。

让我们从最基本的开始:什么是病毒?

病毒占据了生物和非生物之间的阴影世界。病毒本质上是一个小容器,里面是它的遗传信息。他们的基因很少。这种新型冠状病毒大约有25个基因。作为比较,一个细菌有大约4000个基因,一个人有大约20000个基因。它们用这么少的基因就产生了如此巨大的生物影响,这真是令人着迷。

在感染期间,病毒就像特洛伊木马一样。它们携带遗传物质进入宿主细胞,欺骗宿主细胞制造数百或数千个新的病毒副本。然后新的病毒从细胞中爆发出来,摧毁它,并对更多的细胞做同样的事情。在这一点上,它基本上是病毒和宿主的免疫系统之间的战争,试图组织防御和消灭包藏病毒的细胞。

这些数字说明了什么?有什么重要的收获?

基因数据非常有趣:SARS-CoV-2有50%的基因与普通感冒冠状病毒相似,96%与蝙蝠冠状病毒相似。这些人畜共患病毒——来源于动物并转移到人类的病毒——已经存在。它们是人类历史的一部分。

关于病毒进化和突变率的数据将使我们了解病毒发生变化的时间尺度。会不会出现第二波感染?会是季节性的吗?例如,流感病毒基本上每年都在进化,这就是为什么我们每年都要注射新的流感疫苗。

很难全面掌握感染率的一个问题是,数据中也存在很大的统计差异。有些人比其他人更具有传染性,不同的感染者携带的病毒量表现出巨大的差异。这是一个动态的情况,所以我们仍在掌握数字。

还有什么问题没有解决?你最感兴趣的回答是什么?

有各种各样的有趣的和非常多元,问题仍然没有答案,从分数的摆脱受感染细胞的病毒感染,病毒的数量从这样一个受感染的细胞,摆脱的人口比例是无症状的。我特别喜欢的是我们可以用数学来预测未来动态系统的路径。当然,科学史上最著名的例子之一发生在物理学和天文学的早期,当时诸如第谷·布拉赫、约翰内斯·开普勒和艾萨克·牛顿等科学家就如何预测行星的运动达成了协议。类似的想法关于所谓"dynamical systems"相关流行病的传播在时间和空间上就像我们现在正在经历,现在绝大纲要的数据高可用空间,时间,和人口决议提供了一个机会真正深入并找出这个流行的展开。

这带来了这样的希望:下一次这样的大流行来的时候,甚至可能是这次大流行本身,如果人们能够足够快地工作,我们将更好地知道如何思考它将如何演变,也许更好地知道如何应对它。

是什么促使你将研究转向新型冠状病毒?

六、七周前,就在这种冠状病毒开始向美国扩散的时候我的一个朋友——研究病毒的物理学家——告诉我,到明年4月,我们所有人都将被限制在家里,无法飞往任何地方。说实话,我很害怕。我意识到我们需要集中注意力,我想找出我的团队可以在哪些方面做出改变。

SARS-CoV-2研究的困难之一是有太多的单独的小插曲。人们都在看拼图的不同部分;这有点像盲人摸象的故事,盲人摸着大象的不同部位,每个人都拿出不同的大象图片。在冠状病毒的情况下,有些小插曲:病毒的生存在各种表面突起蛋白在病毒的结构生物学# x27;表面,电子显微镜的结构元素病毒的细胞生物学病毒与宿主相互作用,等等。

我们想要做的是创建一个一站式的资源,人们可以找到关于SARS-CoV-2的生物学和感染过程的关键数字。我的合作伙伴——罗恩·米洛和两位出色的研究生伊农·巴隆和阿维·弗莱蒙——我想总结一下科学文献,把它们放在一起。为此,我们所有的参考文献都是完全透明的,直接引用每篇论文中的句子,并准确地表明我们是如何知道我们所知道的事情的。论文也将是活的,这意味着每次文献更新一些数字,我们可以更新这篇论文。

这篇论文的题目是"SARS-CoV-2 (COVID-19)。"除Phillips外,论文的共同作者还有Weizmann科学研究所的Yinon Bar-On,加州大学伯克利分校的Avi Flamholz和Weizmann科学研究所的Ron Milo。

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Flooding Stunted 2019 Cropland Growing Season, Resulting in More Atmospheric CO2

一项新的研究显示,美国中西部的严重洪灾导致该地区农作物生长季节推迟,导致该地区在2019年6月和7月期间净碳吸收减少了1亿吨。

作为参考,2018年加州的大规模野火向大气中释放了约1240万吨的碳。研究报告的作者说,尽管洪水造成的部分损失在种植季节后期得到了补偿,但综合影响可能导致2018年作物产量下降15%。

这项研究发表在2020年3月31日的《AGU Advances》杂志上,描述了如何利用卫星数据测量碳吸收。研究人员使用了一种被称为太阳诱导荧光的新型光合作用标记来量化由于作物生长延迟而导致的碳吸收减少;增长。然后利用对大气二氧化碳水平的独立观察来确认碳吸收的减少。

"We能够显示# x27;进行实质性的年代可以监控每天洪水对作物生长的影响接近实时的空间,这是未来的关键生态预报和减灾、"易殷说,加州理工学院研究科学家、该研究的第一作者。

观点互动版

在2019年的春天和初夏,中西部地区遭遇了创纪录的降雨。连续三个月(4月、5月和6月),国家海洋和大气管理局报告说,12个月的降水量测量值达到了历史最高水平。由此引发的洪水不仅破坏了房屋和基础设施,还影响了农业生产率,延误了从西部的堪萨斯州和内布拉斯加州到东部的俄亥俄州的玉米带大片地区的农作物种植。

为了评估推迟的生长期对环境的影响,加州理工学院和加州理工学院为NASA管理的喷气推进实验室的科学家们求助于卫星数据。当植物通过光合作用将二氧化碳(CO2)和阳光转化为氧气和能量时,它们吸收的少量阳光会以非常微弱的辉光的形式释放出来。这种被称为太阳诱导荧光(SIF)的光太暗了,我们肉眼无法看到,但可以通过一种叫做卫星分光光度法的方法来测量。

加州理工-喷气推进实验室小组利用欧洲航天局(ESA)星载仪器的测量数据对SIF进行了量化,以前所未有的细节来跟踪作物的生长。他们发现,2019年作物生长的季节性周期推迟了大约两周,最大的季节性光合作用减少了约15%。据估计,从2019年6月到7月,受生长季节影响,植物吸收的碳量减少了约1亿吨。

加州理工学院环境科学与工程教授Christian Frankenberg说,"SIF是迄今为止在太空中观测到的最准确的光合作用信号。由于植物在光合作用中吸收二氧化碳,我们想看看SIF是否能跟踪2019年洪水期间作物碳吸收的减少

在这个可视化工具中移动滑块,查看太阳诱导荧光(SIF)水平在2018年生长期的变化。

为了找到答案,研究小组分析了美国航空航天局轨道碳观测2号(OCO-2)卫星和美国航空航天局大气碳和运输美国(ACT-America)项目飞机的大气二氧化碳测量数据。"研究的共同通讯作者、美国宇航局喷气推进实验室的博士后布伦丹·布莱恩说:“我们发现,当两个量通过大气输送模型联系起来时,基于sif的减少吸收的估计与升高的大气二氧化碳是一致的。”

这项研究阐明了我们从太空中实时监测生态系统及其对大气中二氧化碳的影响的能力。"是R. Stanton Avery大气化学和环境科学与工程教授、Ronald and Maxine Linde全球环境科学中心主任、轨道碳观测站项目的创始成员Paul Wennberg说,这些新工具允许全球感知生物圈对二氧化碳的吸收。温伯格还是加州理工学院雷斯尼克可持续发展研究所气候科学研究项目的首席研究员。

该报告题为《"农田碳吸收延迟和减少到2019年中西部洪灾》。加州理工学院"的合著者包括环境科学与工程客座副教授刘俊杰;菲利普·科勒,研究科学家;何立贤(MS '18),瑞斯尼克可持续发展研究所研究员;Rupesh Jeyaram,本科生;文森特·汉弗瑞,博士后学者。其他合著者包括加州大学戴维斯分校的特洛伊·马格尼;宾夕法尼亚州立大学的Kenneth J. Davis、Tobias Gerken和Sha Feng;还有NASA的乔舒亚·迪甘吉。这项研究是由NASA资助的。

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Tiny Optical Cavity Could Make Quantum Networks Possible

加州理工学院的工程师们已经证明,光学元件中的原子——用于照明的小盒子——可能是创建量子互联网的基础。他们的研究发表在3月30日的《自然》杂志上。

量子网络将通过一个同样在量子层面而非经典层面运行的系统来连接量子计算机。从理论上讲,量子计算机总有一天能够比传统计算机更快地执行某些功能,因为它利用了量子力学的特殊性质,包括允许量子比特同时以1和0的形式存储信息的叠加。

与传统计算机一样,工程师们希望能够连接多个量子计算机来共享数据并协同工作,从而创建一个"量子互联网。"这将为几个应用程序打开大门,包括解决单个量子计算机无法处理的计算问题,以及使用量子密码学建立牢不可破的安全通信。

为了工作,量子网络需要能够在两点之间传输信息,而不改变被传输信息的量子属性。当前的一种模型是这样工作的:单个原子或离子充当一个量子比特(或"qubit"),如果它的量子属性(如自旋)通过一个量子比特来存储信息。为了读取信息并将其传输到其他地方,原子受到光脉冲的激发,使其发射出一个自旋与原子自旋纠缠在一起的光子。光子可以通过光缆将与原子纠缠的信息远距离传输。

然而,这比听起来要难。找到你可以控制和测量的原子,同时又不会对引起误差或退相干的磁场或电场波动过于敏感,是一项具有挑战性的工作。

"固态发射器与光的良好互动往往成为退相干的受害者;也就是说,从量子工程的角度来看,它们不再以一种有用的方式存储信息,《自然》杂志上这篇论文的第一作者乔恩•金顿(Jon Kindem, 17岁,博士,19岁)说。与此同时,稀土元素的原子与光的相互作用也很弱。

为了克服这一挑战,由加州理工学院应用物理学和电工学教授安德烈·法拉昂(BS '04)领导的研究人员,用一块晶体雕刻出了一个长度约为10微米、带有周期性纳米图案的纳米光子腔。然后他们在光束中心发现了一个稀土镱离子。光腔允许他们将光在光束上来回多次反射,直到最后被离子吸收。

在《自然》杂志发表的论文中,研究小组表明,腔修改离子的环境中,这样当它释放光子,超过99%的时候,光子在腔,在那里科学家可以有效地收集和检测,光子测量离子的状态。这使得离子发射光子的速度加快,从而提高了整个系统的效率。

此外,镱离子可以在自旋中存储30毫秒的信息。在这个时候,光可以传输信息,穿越美国大陆。"这个可以检查大部分的箱子。"应用物理和电气工程教授Faraon说,这是一种稀土离子,它吸收和发射光子的方式与我们创建量子网络所需的方式完全相同。这可能成为量子互联网的骨干技术

目前,团队的重点是创建量子网络的构件。下一步,他们希望扩大他们的实验规模,并实际连接两个量子比特,Faraon说。

他们的论文名为《"控制与嵌入在纳米光子腔中的离子的单镜头读出》("Control and single-shot readout of an ion embedded in a nanophotonic空腔)。"的合著者包括研究生Andrei Ruskuc和Jake Rochman (MS '19),前博士后研究员John Bartholomew和Yan Qi Huan (BS '19)。这项研究由美国国家科学基金会、美国空军科学研究办公室和加州理工学院量子信息与物质研究所(IQIM)资助,并利用了加州理工学院的Kavli纳米科学研究所实验室(KNI)。

上图:艺术家在奈米光子腔中描绘镱离子(Ella Maru工作室/Faraon实验室)。

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Caltech Scientists Turn Research Toward Fighting Coronavirus Pandemic

注:这篇文章是加州理工学院科学家系列文章的第一篇,这些科学家根据各自的专业研究了COVID-19流感大流行。从生物学,到化学,到社会科学,再到计算机,对抗这种疾病的关键还有待发现。

当这个国家在持续的covid19大流行期间卧病在地时,我们的共享空间已经基本上空了。加州理工学院生活的步伐已经放缓,但隐藏在一些实验室分散在校园,研究所的科学家们正在努力破译的秘密严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2 (SARS-CoV-2),病毒导致COVID-19疾病,寻找任何可以帮助阻止其传播。

病毒,包括引起当前流行的新型冠状病毒,占据了生物和非生物领域之间的灰色地带。严格来说,病毒是没有生命的。它们不能自己生长和繁殖,这使得它们成为需要宿主细胞来完成许多必需功能的寄生虫。然而,它们拥有许多在生物中发现的构建块,如蛋白质、RNA或DNA,这取决于病毒的类型。了解这些构建块是什么,以及它们是如何工作的,对于阻止病毒的传播至关重要。

参与这项工作的两个加州理工学院实验室分别是安德烈·霍尔兹,化学教授,传统医学研究所研究员和霍华德·休斯医学研究所教员学者;以及生物学和生物工程学教授帕梅拉·比约克曼。

虽然这两个实验室之前都没有专门研究这种新型冠状病毒,但每个实验室都有一个研究重点,使其能够很好地将注意力转向这种新病毒。

增强免疫系统

比约克曼的专长是研究免疫系统如何应对导致艾滋病、流感等疾病的病毒,以及与寨卡病毒和丙型肝炎病毒感染相关的并发症。当身体受到任何一种病原体的入侵,包括新型冠状病毒,它的反应之一就是产生抗体,免疫系统的蛋白质专门与病原体结合。人类有能力制造几乎无限数量的不同抗体,因此我们的身体有可能使用抗体来识别任何新出现的病原体(例如一种特定类型的病毒或细菌)。我们的免疫系统进化来记住针对特定病原体产生的抗体,所以如果病原体再次入侵人体,抗体可以在它引起疾病之前迅速摧毁它。这就是为什么有些疾病只能感染一个人一次,也解释了疫苗是如何预防特定感染的。

An artist's rendition of antibodies (in yellow) attaching themselves to the proteins (in green) on the surface of a virus.抗体(黄色)附着在病毒表面的蛋白质(绿色)上。图片来源:加州理工学院图片Lightbox An artist's rendition of antibodies (in yellow) attaching themselves to the proteins (in green) on the surface of a virus.抗体(黄色部分)附着在病毒表面的蛋白质(绿色部分)上。图片来源:加州理工学院

这种新型冠状病毒属于一种被称为包膜病毒的病毒,包膜病毒还包括导致艾滋病和流感的病毒。包膜病毒将其遗传物质包裹在一层脂肪膜内,膜上布满了尖锐的蛋白质。这些蛋白质帮助病毒进入它感染的细胞内部。冠状病毒有特别大的穗状突起,使这种球形病毒看起来像皇冠,因此这类病毒的名字是"corona",在拉丁语中是皇冠的意思。

人体的免疫系统看到并产生针对这种尖锐蛋白质的抗体。bjorkman的研究小组目前正在研究冠状病毒峰值和免疫系统产生的识别它们的抗体。克里斯托弗·巴恩斯是比约克曼实验室的博士后学者,他说,这种新型冠状病毒与其他冠状病毒有一些共同的特征,其中包括导致普通感冒、非典和中东呼吸综合征(MERS)的病毒。他的目标之一是利用电子显微镜来开发与新型冠状病毒尖刺结合的抗体的详细三维结构,以研究接口的原子细节,这一成就可能会导致基于抗体的治疗。

此外,他还计划比较从SARS、MERS和普通感冒冠状病毒患者体内分离出的抗体与SARS、MERS和普通感冒冠状病毒患者体内分离出的抗体的结合情况,以确定对一种冠状病毒的免疫是否会导致对其他病毒的免疫。识别这些类型的抗体,即交叉反应性抗体,可能为开发针对冠状病毒家族的通用疫苗或疗法提供蓝图,帮助我们更好地为未来的疫情做好准备。

巴恩斯正在与比约克曼实验室的科学家哈利·格里斯迪克(Harry Gristick)、技术人员波林·霍夫曼(Pauline Hoffman)、贝斯·休伊·塔布曼(Beth Huey Tubman)、尼克·科兰达(Nick Koranda)和普里扬提·格纳普拉格萨姆(Priyanthi Gnanapragasam)以及电子显微镜科学家马克·拉廷斯基(Mark Ladinsky)合作。

bjorkman的团队希望,通过研究冠状病毒的蛋白质峰值和对其产生反应的抗体,有可能开发出一种可以治疗这种疾病的抗体疗法,或者学习如何制造疫苗来预防感染。她说,使用抗体的治疗可能比开发保护性疫苗更快完成。他们的想法是,在免疫系统产生自身抗体之前,注射对抗病毒的抗体可以为个体提供保护。另外,非常有效的中和抗体可能在治疗上起作用,以避免感染的最严重症状。

关闭病毒工厂

与Bjorkman不同,Hoelz之前并没有把重点放在病毒上;相反,他的实验室研究的是真核生物细胞的微观机制,真核生物是包括人类和其他哺乳动物在内的一组有机体。特别是,hoelz&x27;s小组研究了核孔复合体(NPC),这是一种大型蛋白质机器,控制着进入含有dna的细胞心脏的通道,也是新型冠状病毒感染人的目标。

要了解鼻咽癌的功能及其在冠状病毒感染中的作用,需要了解细胞结构的一些基本知识。

An artist's rendition of a coronavirus infecting a cell and blocking its nuclear pore complex (in yellow) with its ORF6 proteins (in pink). A冠状病毒感染细胞,用其ORF6蛋白(粉红色)堵塞其核孔复合体(黄色)。图片来源:加州理工学院图片Lightbox An artist's rendition of a coronavirus infecting a cell and blocking its nuclear pore complex (in yellow) with its ORF6 proteins (in pink). A冠状病毒感染细胞,用其ORF6蛋白(粉红色)阻塞其核孔复合体(黄色)。图片来源:加州理工学院

在真核生物,也就是所谓的高等生命形式中,细胞的遗传物质被保存在一个叫做细胞核的球状细胞器中。细胞核与细胞的大脑大致相似。它保存细胞执行其功能所需的信息,并控制细胞其他部分的动作。

在一个正常运作的细胞中,细胞核以短链RNA的形式复制遗传物质中的指令,然后通过核膜上的小孔发送到细胞的主腔,即细胞质。这些气孔不仅仅是孔洞,而是由一组被统称为鼻咽癌的蛋白质组成。

当一股RNA通过鼻咽癌进入细胞质后,它提供了制造细胞所需蛋白质的指令。正是这一系列的步骤是冠状病毒的目标,Hoelz说。当病毒与宿主细胞相互作用时,它们会想尽一切办法获得优势。很多病毒通过靶向核孔复合体来达到这一目的。他们会摧毁它,他们会把它拆开,他们会修改它,",他说。

通过阻断鼻咽癌,病毒阻止细胞核输出RNA链。这对病毒来说是件好事,因为它几乎可以不受限制地进入细胞的机器来制造自己的蛋白质。霍尔兹把它比作汽车工厂。

他说:“如果你有一家工厂可以在同一条装配线上生产汽车和运动型多用途车,但你想生产更多的运动型多用途车,你就会停止生产汽车。"病毒有制造自己的部件的指令,比如轮胎、车身、引擎——制造一辆suv所需要的所有东西——加上这种阻止原始汽车制造的能力

当要求暂停加州理工学院所有非必要的研究活动时,Hoelz刚刚计划研究另一种依赖npc的机制,通过这种机制,病毒可能会压垮宿主,涉及一种名为ORF6的蛋白质。这种新型冠状病毒拥有这种蛋白质,它的近亲会导致SARS、中东呼吸综合症和普通感冒,它们用这种蛋白质来阻断分子通路,细胞通过这种通路来通知它们的邻居自己已经被感染了。基本上,ORF6会关闭警报系统,告诉其他细胞感染正在发生。",这些病毒非常聪明," Hoelz说。

在要求停止研究的电话发出后不久,他收到了来自加州大学旧金山分校(UCSF)的一名研究员的请求,该研究员是该大学covid19计划的一部分。加州大学旧金山分校的研究小组发现,有迹象表明,正是这种ORF6蛋白导致了NPC的关闭。他们想知道霍尔兹是否可以通过制造ORF6和它所瞄准的NPC部件来帮助他们进行研究,并确定ORF6是如何灭活他们的。

"我们可能是世界上两个能做到这一点的实验室之一。我们都准备好了,"霍尔兹说。

霍尔兹说,他并没有要求实验室的任何成员留在校园里,但当他要求志愿者时,三名研究人员提供了帮助:研究技术员邦妮·布朗(Bonnie Brown)、博士后学者刘晓宇(Xiaoyu Liu)和乔治·莫伯斯(George Mobbs)。

莫伯斯说,他毫不怀疑自己想要参与这项努力。

他说:“我受到的培训和经验使我能够担当一个小角色,我希望这个小角色能使人们在这次危机中受益,我对此感到受宠若惊。”

刘回应了莫伯斯的观点。

她说:“在对冠状病毒的研究取得进展对新疗法的发展以及最终拯救生命至关重要的时候,我能做出贡献,这既令人振奋,又让人感到谦卑。”

布朗说,当这么多人被送回家的时候,她却呆在学校里,这感觉有点怪异,但她补充说,有工作要做,让她的生活恢复了一点正常。

"她说:“每天你在新闻上看到这种病毒对人类健康的危害有多么大,这让你有点害怕。然而,当你进入实验室,看到要进行的一系列实验时,你就会从这种叙述中抽离出来,病毒就变成了另一组需要回答的问题

他们将一起批量生产ORF6和它所针对的细胞蛋白。然后他们将研究蛋白质;分子结构和蛋白质如何相互作用,最终目标是找到一种可以阻断ORF6的药物。霍尔兹说,这种药物不能代替疫苗,但可以帮助减轻感染者的病情。他能帮忙给了他希望。

他说:“我所走的道路为我做出贡献提供了独特的条件。”感觉我这辈子都在训练自己这么做。有些人训练去爬山。这就是我训练的目的

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Dining Services Launches ‘Caltech Eats at Home’ Meal Kit Program

随着加州理工学院社区继续响应和适应冠状病毒大流行,餐饮服务已经启动了一个新的努力帮助保持校园社区的成员的健康,安全,以及美联储。加州理工学院在家里吃程序提供餐包,可以在线订购和拿起在钱德勒咖啡馆。

餐饮服务主任Jaime Reyes表示,加州理工学院的家常便饭将包括两种不同的餐饮选择。第一个选择是基于菜谱的套餐,灵感来自于蓝围裙等服务,它允许加州理工学院的成员订购一套配料,他们可以用来在家准备特定的一餐。比如,第一周的菜单包括羊肉丸配意大利脆饼、烤鲑鱼和南方炸鸡。

第二种选择是外卖计划,顾客可以选择购买只需要简单准备或加热的预制食物。外卖计划将反映钱德勒提供的传统食物,可能会包括墨西哥卷饼、通心粉拉面以及一些烘焙食品。雷耶斯说:我们想为那些喜欢在家做饭的人准备一些,为那些不喜欢在家做饭的人准备一些。

Frances Yokota,加州理工学院餐饮服务中心;该公司总经理表示,这一想法来自于旨在减缓covid19传播速度的指南。"雷耶斯说:我们希望能够为研究生提供一些特别的东西。餐饮服务最终决定将项目扩展到拥有有效加州理工学院电子邮件地址的员工、学生和教师。

菜单和餐点将在餐饮服务网站上公布。订单必须提前48小时收到,可以在周一到周五上午11点到晚上7点半之间到钱德勒取货。每一份加州理工学院的家常菜将供应两个人,但加州理工学院社区成员可以订购他们需要的工具来养活他们的家人。

那些不想在网上订购套餐的人仍然可以来钱德勒,那里所有的套餐都是外带的。三家食品店仍在营业,钱德勒还在出售预制三明治和预制沙拉。

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加州理工大学新闻

Math Professor and Students Take ‘Random Walk’ Together

有些人喜欢在树林里随意漫步,而有些人则喜欢在自己的社区里漫步。在数学世界里,随机游走实际上比这个更随机;这就好比抛硬币来决定你每一步的方向。

最近,加州理工学院经济学和数学教授奥默·塔慕斯和他的两名研究生乔舒亚·弗里施和普娅·瓦希迪·费尔多西,以及他们来自以色列本古里安大学的同事雅尔·哈特曼,解决了一个与随机漫步有关的长期存在的数学问题。去年夏天,研究结果发表在《数学年鉴》(Annals of Mathematics)上。

"我记得和学生们谈过我们对这个问题的认识,第二天早上我发现他们熬夜到很晚才算出来,"的Tamuz说。

"我们非常幸运,这个项目实际上给了我们想要的解决方案。“这在数学项目中很少见,”弗里希说。"差不多90%的项目你都无法解决。大约10%,你开始取得进步,工作更加努力。即使那样,你也不总是能解决这些问题。成为数学家的一部分就是要习惯失败。有时你为了某件事工作了几个月,不得不放弃,转而进行下一个项目

数学家们想象在具有不同尺寸和几何形状的空间中的随机漫步。在这项新研究中,加州理工学院的团队想象了"组随机行走,"组物体可以有非常不同的几何形状。对于某些组,随机游动在经过很长时间后,最终会收敛到一个特定的方向。在这些情况下,这些行走被称为路径相关,这意味着在开始时发生的事情会影响结果。或者换句话说,在散步的早期发生的事情会影响到它的结束。但是对于其他群体来说,行走的方向不会聚在一起,他们的历史不会影响他们的未来。

"对于一个随机的过程,从长远来看,是不是所有的东西都会被冲掉,不管之前发生了什么都会发生?还是对以前发生的事情有记忆?" Tamuz问道。假设你有两个社会,其中一个取得了一些技术进步,而另一个遭受了自然灾害。这些差异是会永远存在下去,还是最终会消失,让我们忘记曾经的优势?在随机漫步中,人们早就知道有一些群体拥有这些记忆,而在其他群体中,这些记忆被抹去了。但是,实际上并不清楚哪些组具有此属性,哪些组没有—也就是说,是什么使一个组具有内存?这是我们算出来的,"

Tamuz说,解决的办法是找到一种"几何方法来描述群的代数性质。"要理解这个的要点,先想一个圆。你可以用几何的方法来描述这个圆(即所有点到一个点的距离的集合),也可以用代数方程来描述它。在随机游走问题中,数学家们找到了一种新的方式来思考他们所研究的群体的几何和代数性质之间的联系。

"We实际上是震惊是多么容易解决这个问题一旦我们发现这种联系,"菲尔多斯说,他解释说,尽管解决方案"just流出,"团队面临"considerable"延迟当他在他的祖国伊朗和无法获得签证回到加州理工学院。最后,我们很高兴地解决了数学中一个长期悬而未决的问题

弗里施说,他们对这道数学题的最大领悟实际上来自于之前的一个更难的问题。几个月来,我一直在冥思苦想,毫无进展,他说,但后来我们有了一种顿悟的想法,不仅适用于我们当时的工作,也适用于最近的这个问题。当你意识到这一点时,感觉真的很好,哦,天哪,这实际上是可行的

数学研究年报,题为,"Choquet-Deny组和无限共轭类性质,"是由国家科学基金会和西蒙斯基金会支持。

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