超新星爆发，科学家看到了恒星内部结构；高级巧克力的味儿，这个微生物群落能复制；太空制氧新方案 | 一周论文新鲜读

8.25

本周值得读

来自《自然》旗下期刊的新近发表，我们为您精选呈现。

1. 能产生巧克力风味的微生物

2. 现成磁铁或助力太空制氧

3. 垂死恒星揭示结构

4. 用电化学方法提升核聚变速率

微生物学 | 能产生巧克力风味的微生物

A defined microbial community reproduces attributes of fine flavour chocolate fermentation

Nature Microbiology

《自然-微生物学》的一项研究指出，一个微生物群落能通过发酵可可豆，复制出高品质巧克力的风味特征。研究结果或能帮助提升醇正风味巧克力的工业化生产。 

巧克力的独特风味取决于可可豆的发酵。葡萄酒、奶酪或面团在发酵时会加入特定的微生物来提炼风味，但与这种发酵方式不同，可可豆是自然发酵，而我们一直不了解参与发酵过程的微生物。可可豆的风味特色与产豆农场的位置密切相关，这也带来了巧克力参差不齐的品质和风味。 

英国诺丁汉大学的Gabriel Castrillo和同事对哥伦比亚三个可可农场的发酵可可豆进行了基于DNA测序的分析。他们在安蒂奥基亚省的一个农场发现，一种独特的微生物群落驱动了典型的发酵过程，从而形成了更醇正的风味，这也得到了职业品尝师的验证。利用这些测序数据，作者确定了该发酵过程中的微生物间相互作用和代谢通路。这让他们设计出了一个明确的细菌和真菌的微生物群落，该群落或能在实验室条件下复制出巧克力的醇正风味，并得到了同一批职业品尝师和巧克力代谢物分析的验证。 

作者表示，进一步研究或能指导工业发酵剂的设计，让巧克力风味不再受到地理位置的限制。 

化学 | 现成磁铁或助力太空制氧

Magnetically induced convection enhances water electrolysis in microgravity

Nature Chemistry

《自然-化学》发表的一项概念验证研究显示，磁铁或使未改装装置在微重力下的水分解率提升最多240%，有望为宇航员制取更多氧气。该研究提出了一种今后有望支持人类太空探索的更高效的技术。 

太空任务需要高效轻便的人类生命支持系统，但当前系统——如国际空间站上的系统——依赖复杂的机械元件且耗电巨大，因此需要找到更简便和更可靠的替代方式。利用电解过程的水分解化学通过电极将水转化成可呼吸的氧气，这能减少需向航天器运送的额外燃料和空气。不过，由于缺乏浮力，低重力下产生的气泡无法像在地球上那样顺利离开电极表面，意味着太空旅行者获得的燃料和空气会减少。之前提出的解决办法包括晃动或震动装置，但这些方法仍会消耗额外能量，增加成本。 

美国佐治亚理工学院的Álvaro Romero-Calvo、德国不来梅大学的Katharina Brinkert和同事利用落塔试验模拟了类似空间站的低重力环境，演示了去除水电解过程中电极表面气泡的一种简易方式。他们发现，在电解装置中放入商用钕磁铁后，因磁场增强，氧气气泡便更容易脱离电极。这种方法能加快低重力环境下氧气和氢气的制取速度。作者还设计了能在低重力下分解水的概念验证装置（通过分离气泡），其效率接近地球环境下的数值。 

作者表示，尽管仍需在低重力环境下开展进一步测试，但这种方法或能用于优化水分解装置，从而应用于未来的太空旅行 。 

天文学 | 垂死恒星揭示结构

Extremely stripped supernova reveals a silicon and sulfur formation site

Nature

《自然》本周报告了一次罕见的宇宙事件：一颗恒星在超新星爆发时，揭示出了其内部结构。该观察对恒星演化提供了新见解，可能证实了对恒星临近生命末期结构的预测。 

人们预测，生命末期的大质量恒星会形成由不同元素组成的壳状结构，较重的元素预计会更靠近核心。但这些层很难被观察到，因为超新星爆发通常会混合这些层。 

美国西北大学的Steve Schulze和同事报告了2021年9月对超新星（SN）2021yfj的观察。其前身恒星似乎已剥离了大多数外层，超新星爆发揭示了其内部恒星层。研究人员观察到一个厚且大质量的富含硅和硫的壳，在超新星爆发前不久被原恒星排出。但他们还检测到了氦，这有些出乎意料，因为人们认为较轻的元素会在超新星较早阶段失去。作者提出，恒星暴露出如此内部的结构，挑战了现有关于大质量恒星（超新星爆发前身星）质量损失和剥离机制的理论，并提出这可能涉及一种罕见的机制。 

在同时发表的“新闻与观点”文章中，Anya Nugent 和 Peter Nugent说这项发现“直接证实了理论预测的恒星壳结构，一直延伸到富含硅和硫的层。”他们补充说，这些发现揭示了“大质量恒星生命结束之谜。” 

物理学 | 用电化学方法提升核聚变速率

Electrochemical loading enhances deuterium fusion rates in a metal target

Nature

《自然》描述了一种电化学方法来提高氘聚变速率。虽然这一方法距离实现能量输出超过输入仍有很远，但实验展示了用低能量电化学过程在高得多的能级上影响核反应速率的可行性。 

核聚变是太阳的能量来源，涉及到两个轻原子核结合成一个较重原子核并释放出能量的过程。人们认为核聚变有潜力成为清洁能源，但目前的聚变反应堆还不能产生足够的聚变事件来产出比消耗更多的能量。一个控制聚变速率的因素是燃料密度：密度越高，粒子碰撞可能性越大，从而增加聚变发生的概率。有一种聚变方案通过结合磁场、温度和压力，压缩核燃料（通常是氘的等离子体，氘是氢的重同位素），使之达到聚变发生的临界状态。但这一技术还在开发中。 

加拿大不列颠哥伦比亚大学的Curtis Berlinguette和同事探索了一种提升氘聚变速率的全新路径——利用电化学原理。他们设计了一个台式粒子加速器，命名为“雷鸟反应堆”（Thunderbird Reactor），该装置用一束氘离子流轰击钯靶：随着植入钯中的氘浓度升高，在已植入的氘和束流中新进入的氘之间碰撞引发的聚变速率也增加，直至达到稳定状态。钯靶还连接一个电化学电池，当电池启动时，会有更多氘注入靶中增加聚变速率。平均而言，与没有电化学加载相比，聚变速率增加了15%。作者提出，目前雷鸟反应堆每输入15瓦的能量仅能产生约1x10-9（十亿分之一）瓦。 

高效核聚变目前仍然是个难题。“尽管如此，使用电化学方法来增加核聚变速率是一个重大成就。”在同时发表的“新闻与观点”文章中，Amy McKeown-Green 和 Jennifer Dionne写道，“凭借涵盖了核物理、化学和材料科学的技术进展，作者正为利用可获取的台式核反应堆驱动低能核聚变的更广泛研究铺平道路。” 

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