科学 | Science PDF 2026.04.16 新型制冷技术:有望使量子计算硬件摆脱对稀有资源的依赖

刊名：Science 科学

出版日期：2026年4月16日

本期主题：量子计算制冷、大脑性别差异、大峡谷起源、土壤声学、肾脏疾病进展、细胞骨架演化、海洋鱼类代谢、根系土壤导航、软X射线天文学

杂志定位：全球顶尖科学期刊，涵盖生命科学、物理学、地球科学、材料科学、人工智能等前沿领域，致力于发表最具原创性和广泛影响力的研究成果。

 选文导读 

一、量子计算的“冷”挑战：从氦-3依赖到片上制冷

Cold rush: As quantum computers get bigger, researchers scramble to chill hardware without rare helium-3

量子计算机需要在接近绝对零度的温度下运行，目前主流稀释制冷机依赖极其稀有且昂贵的氦-3，其供应主要来自核武器退役，价格高达每升数千美元。随着量子芯片向百万量子比特规模发展，氦-3的供应瓶颈可能成为关键制约因素。本文系统综述了Bluefors等公司的制冷技术现状，并介绍了多种替代方案：德国kitura公司复兴了磁制冷技术，芬兰VTT团队开发了利用超导隧道效应的片上电子制冷，另有研究探索利用LED反向热泵效应的光子制冷。这些新型制冷技术若取得成功，将使量子计算硬件摆脱对稀有资源的依赖，并为量子计算的可扩展发展开辟新路径。

二、大脑性别差异的细胞图谱：3000个基因的男女有别

Sex effects on gene expression across the human cerebral cortex at cell type resolution

男性和女性在自闭症、抑郁症、阿尔茨海默病等神经精神疾病的患病率上存在显著差异，但大脑中性别影响的分子基础长期不清。本研究对30名成年人六个皮层区域的近120万个细胞核进行单核RNA测序，以前所未有的细胞类型分辨率绘制了人脑皮层的性别差异转录组图谱。研究发现超过3000个基因存在性别偏倚表达，其中多数为常染色体基因，且X染色体失活逃逸基因数量远超此前认知。研究还发现，性别偏倚基因显著富集于精神分裂症、抑郁症等疾病的遗传风险位点中。该研究为理解性别如何通过激素和X染色体因子调控脑功能、以及性别偏倚疾病的分子机制提供了关键资源。

三、大峡谷起源之争：科罗拉多河何时“到访”？

Late Miocene Colorado River arrival in the Bidahochi basin supports spillover origin of Grand Canyon

科罗拉多河何时以及如何穿过凯巴布高原形成大峡谷，是地质学长达一个世纪的争议问题。本研究对Bidahochi盆地沉积物中3600多颗锆石进行铀-铅定年，发现约660万年前出现了典型的科罗拉多河沉积物“指纹”，同时沉积速率陡增、碳酸盐锶同位素比值和鱼类化石组合也发生显著变化。这一多证据链条强烈支持“湖溢流”模型：河流先注入古湖，湖水满溢后切割峡谷。该研究为理解大陆尺度河流的整合机制提供了关键时间约束，也揭示了动态地貌过程对区域生态和环境的深远影响。

四、土壤声学：用光纤“听”出耕作对水文的影响

Agroseismology and the impact of farming practices on soil hydrodynamics

土壤孔隙结构控制水分运移、蒸发和补给，但传统监测手段难以在田间尺度上高时空分辨率捕捉其动态。本研究开创了“农业地震学”这一交叉方向，利用分布式声学传感（DAS）和光纤电缆，以米级、分钟级分辨率监测土壤地震波速变化，反演出水分饱和度动态。研究发现，深翻和重压土壤的孔隙连通性受损，导致蒸发增强、深层补给减少。该技术为精准农业、土壤健康评估和陆面过程模型提供了全新的非侵入式监测工具，有望弥合传统点测量与遥感之间的尺度鸿沟。

五、肾脏病进展的“前馈循环”：一个被忽视的核心开关

HNF1B integrates signals in a feed-forward loop driving kidney disease progression

慢性肾脏病一旦越过某个阈值，即使初始诱因消失也会不可逆进展，其自我维持机制长期不明。本研究发现HNF1B是维持肾小管上皮细胞分化与静止的关键转录因子。在慢性肾脏病中，白蛋白尿和干扰素-γ等应激因素通过表观遗传抑制HNF1B活性，而HNF1B的缺失又会引发细胞周期异常、复制应激和纤维化，形成一个自我强化的前馈致病循环。在近900名患者的队列中，HNF1B活性下降与肾功能衰退程度显著相关。该研究将罕见单基因肾病与常见慢性肾脏病统一在同一分子框架下，并提出了新的疾病进展标志物。

六、DNA分离装置被“再就业”：从质粒搬运工到细胞形状建筑师

Repurposing of a DNA segregation machinery into a cytoskeletal system controlling cell shape

细菌中经典的ParMR系统负责将质粒DNA分配到子细胞。在多细胞蓝藻中，存在一个染色体编码的ParMR同源系统，但其功能长期未知。本研究发现，该系统不参与DNA分离，而是演化为一套全新的皮质微丝骨架（命名为CorMR），精确控制细胞形状。CorM形成反向平行的双螺旋丝，具有动态不稳定性，并由Min系统进行空间调控。该研究展示了既有蛋白质模块如何通过重新组合和功能转换，支持多细胞复杂性的出现，为理解细胞骨架系统的演化可塑性提供了范例。

七、海洋“温血”鱼类的困境：高能耗与过热风险

Mesothermic fishes face high fuel demands and overheating risk in warming oceans

在数千种鱼类中，不到0.1%演化出了“温血”（中温性）能力，这使它们游得更快、视野更敏锐，但也带来了巨大的能量代价。本研究通过生物记录和热交换模型估算了从1毫克幼鱼到3吨巨鲨的能量代谢率，发现中温性鱼类的能耗是变温鱼类的约4倍。更为关键的是，随着体型增大，产热速率超过散热速率，导致大型中温性鱼类在温暖海域面临过热风险。这一热平衡阈值可解释为何这些顶级捕食者多分布于较冷的高纬度海域。在全球变暖背景下，中温性鱼类不仅面临更高的资源需求，还面临栖息地压缩的双重压力。

八、形状可编程的活体材料：当细胞学会“自折叠”

Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces

组织如何从二维平面自发生成三维形态是发育生物学的核心问题之一，也是组织工程的技术瓶颈。本研究通过在软基底上图案化纤维连接蛋白，精确控制成纤维细胞单层的向列相液晶排列和拓扑缺陷位置。当细胞层从基底脱离后，预先存储的非均匀应力场驱动其发生受控的屈曲变形，形成碗状、三叶对称等可预测的三维结构。该研究建立了“应力场编程→三维形态发生”的通用设计框架，为合成形态发生、软体机器人和再生医学提供了全新的活体材料构建策略。