本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

11月15日《Nature》

封面故事： 气候问题成为美澳大选中的重要问题

本期Nature杂志刊登一组关于气候变化在澳大利亚和美国的政治影响的News Features文章。在澳大利亚，全球变暖正在成为11月24日大选中的一个重要竞选问题。拒绝签署关于气候变化的《京都议定书》的现任总理霍华德在民意测验中落后于竞选对手、劳动党的Kevin Rudd，后者已经表示，如果他当选，他将批准《京都议定书》。观察家把气候问题作为二者之间的一个决定性问题。澳大利亚目前正在发生的旱灾也许会继续促使选民比过去更多地去思考气候问题。在美国，总统竞选正在大张旗鼓地进行，虽然大选还有整整一年时间。领先的总统候选人都已发表了关于支持气候变化行动的不同程度的声明。但新总统在2009年1月就职后有什么样的权力来实行真正的变化呢？Nature杂志对美国总统所扮演的角色及在权力过渡之后预计会发生什么进行了分析。本期Nature还发表了工业界人士、立法专家和政策专家对当前正在美国国会进行的气候立法工作的看法，以及我们的专栏作者、政策专家David Goldston对最终可能形成的法律所做的预测。


“军团病”病原体致病能力的分子机制

使得最常见的“军团病”（Legionnaire’s disease）病原体毒性如此之强的特性之一，是其能够在宿主的巨噬細胞消化该细菌时“劫持”在巨噬細胞内所形成的液泡的能力。这种液泡本来是宿主的酶消灭该病原体的地方，但该病原体能够“劫持”这种液泡，并引导其被输送到内质网上，在那里细菌可以繁殖。现在，这一过程中所涉及的两种细菌蛋白已经被识别出来。DrrA蛋白能够打开一个分子开关Rab1， 破坏其功能，以便让内质网和液泡融合。然后，当细菌已经安全地进入内质网时，LepB就可以通过将Rab1开关关掉来掩盖该病原体的踪迹。


离子通道在膜电压作用下被打开的分子机制

依赖于电压的离子通道响应于膜电压的变化而打开，但发生这一过程的分子机制却不清楚。由MacKinnon 及其同事在2003年所做的先驱性工作表明，该过程涉及一种类脂暴露的“桨”状结构的运动，但这种运动的性质仍然存在争议。在两篇互补性文章的第一篇中，Alabi等人通过证明这种“桨”状结构的功能在移植进关系较远的通道中时被忠实保留下来的事实说明了这种结构特征的重要性。这项工作还强调了膜内这一结构的移动性。 Long等人描述了被由类脂排列成的一个类似于双层的体系所包围的一个被改变了的Kv1.2钾通道的高分辨率结构。“桨”状结构中的临界正电荷被类脂和蛋白相互作用所稳定，这说明了该“桨”状结构可能会以某种方式响应于电压的变化而运动，将该通道孔打开。

人β2AR肾上腺素受体的晶体结构

大多数荷尔蒙和神经传递物质（因此也包括很多药物）通过G-蛋白耦合的受体（被称为GPCRs）发生作用。除了Rhodopsin（已知最稳定的GPCR）是个例外之外，这些蛋白的结构数据都难以获得。现在，在本期Nature杂志上同时也在Science杂志上发表了论文的几个合作研究小组利用大量不同方法，包括利用反向激动剂Carazolol来稳定该受体结构的方法，对人β2AR肾上腺素受体的晶体结构进行了测定。其结构与“暗”Rhodopsin的结构形成鲜明对比，这可以帮助解释为什么制备大多数GPCRs的达到衍射质量的晶体是如此困难。

最亮超新星诞生于恒星碰撞

SN 2006gy是一次极为明亮的超新星爆炸，也许比从一个巨型恒星核心坍缩所形成的一颗典型的超新星能量高100倍。目前的理论认为，它的前身是一颗质量是太阳100倍的恒星。这种结论与该超新星的光谱是相矛盾的，其光谱表明存在一个氢包裹层，这种包裹层对一颗巨型恒星来说早在爆炸之前就失去了。现在，两个研究小组提出了支持对该超新星做出其他解释的证据，它们都涉及到碰撞。Simon Portegies Zwart 和 Edward van den Heuvel发现，在一个致密的年轻星团中巨型恒星的碰撞频率足以说明SN 2006gy是有可能从这种大碰撞中形成的。Woosley等人提出了一个模型，该模型将这一最亮的超新星解释为由巨型恒星喷射出的物质壳之间所发生的碰撞的产物，这些巨型恒星因为电子-正电子对的产生而变得不稳定。

受海森堡测不准原理限制的极限测量精度已达到

在基础层面上，测量精度受限于所涉及的量子资源（如光子）的数量，而标准相测量方案导致一种不确定性（标准量子极限），该不确定性与这一数量成比例关系。理论上，应当有可能达到仅仅受限于海森堡测不准原理的一个精度。有少量实验已经打破了标准量子极限，但此前没有一个达到海森堡极限，主要是由于需要难以生成的奇异的量子纠缠状态。Higgins等人采用了另一种方法，该方法利用了没有纠缠的光子状态，允许它们实现受海森堡测不准原理限制的相。这标志着为实现量子增强的测量精度而进行的工作的复杂性有了极大降低。

一种关于超材料的理论架构

被称为超材料（Metamaterials）的含有具有各种不同形状和排列的金属包容物的透明材料，能使光以不寻常的方式传播。Tsakmakidis等人介绍了一种关于超材料的理论架构，该架构能使光完全静止。与以前对光进行减速和储存的方法相比，这一新方法能够实现高耦合效率，同时允许宽带室温操作。在达到一个临界点时，光线就无法进一步传播；由于光波的每个频率成分（或颜色）是在稍微不同的地方被阻止的，所以这将导致一个“被束缚的彩虹”的形成。这项工作在两个重要的现代科学领域——超材料和慢光（slow light）——之间架起了桥梁，并且还有可能导致在光数据处理和存储方面或在量子光学记忆装置的实现方面的应用。

细菌之间的信号欺骗

细菌之间通过小型可扩散分子的释放和感应（或群体感应）来进行的通信，被认为是在种群层面上协调合作行为的一种方式。演化理论预测，彼此进行沟通和合作的个体还能被骗子所利用，后者要么不发出信号，要么不对信号做出反应。现在，对病原体绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）（它们在细胞之间通过信号进行联系来调控毒性因子表达）的种群所做的实验证实，信号和信号受体突变体（或称“欺骗信号”）的确都有一个适应优势。但对欺骗问题的解决办法的确以亲缘选择的形式而存在——近亲之间倾向于进行“诚实的”沟通。这些发现为在人体细菌感染中所观测到的欺骗信号的传播提供了一个解释。

Hcrt神经元的光刺激研究

4月份Nature杂志上发表的一篇论文提出这样一个有趣的可能性：也许可以开发光疗法来治疗神经疾病。这项用组织切片和和线虫所进行的研究工作表明，可以通过遗传工程方法来处理脑细胞，以改变它们对不同颜色光脉冲做出反应的活性。现在，一项跟踪研究表明，用类似方法可以改变一个活的哺乳动物的行为。 下视丘（Hypothalamus）中能够产生下视丘分泌素（Hypocretin）的神经元（称之为Hcrt神经元）在从睡眠向清醒过渡的过程中是活跃的。通过遗传工程方法对小鼠的Hcrt神经元进行处理，使其能够对光做出反应，然后用光对其进行刺激，可以增加从睡眠向清醒过渡的可能性，更高的频率能造成更突然的唤醒。由于Hcrt缺乏与嗜睡症有关，所以这些结果也许可为了解睡眠失调提供线索。

“凋亡”细胞信号的辨识及其受体

在多细胞生物的细胞程序死亡过程中，大量细胞被巨噬细胞吞噬，从而避免正在死去的细胞释放有毒物质。这些“凋亡”细胞将它们表面上的“磷脂酰丝氨酸”（PS）作为一种“来吃我吧”信号暴露出来。Miyanishi等人发现，受体Tim4 和Tim1与吞噬细胞对PS的识别有关，而Park等人则发现，BAI1蛋白是哺乳动物巨噬细胞中PS的一个受体。

11月16日《Science》

机器蟑螂控制群体行为
 
一项新研究在一个标准的群体行为实验中用机器蟑螂控制了一群混合蟑螂。虽然这类行为在从昆虫到脊椎动物的活群体中曾被观察到，但是这项研究显示，自动控制装置能被用来研究和控制群体行为。Jose Halloy和欧洲的同事报告说，他们用的自动控制装置与蟑螂大小差不多，但形状与蟑螂不同，只是涂上了自然蟑螂的气味。在实验中，自动控制装置和蟑螂一起决定躲避处的选择。自动控制装置控制了集体决策过程，选择了一个不合适的躲避处，与蟑螂自己的选择不一样。
 
飓风“卡特里娜”给树带来的损失
 
研究人员估计，飓风“卡特里娜”造成了大约3.2亿棵大树的死亡或严重结构损坏，这使美国南部地区的土壤从大气中吸收碳的能力大为下降。飓风和其他干扰能影响地表作为碳汇的潜力，因为死掉的植物在腐烂时将碳释放到大气中，同时成熟植被被更小、更新的植物取代。Jeffrey Q. Chambers和同事分析了飓风前后拍摄的卫星图像，从中寻找绿色植被、树木、地表凋落物以及其他物质的变化，从而测量出卡特里娜的碳影响。他们在本期一篇简报中推测，如果气候变暖导致更多的极端事件和更高的风暴强度，这给森林的树木带来的损失也许将进一步增加大气中的二氧化碳量。
 
大脑不同区域轮流参与脊髓损伤愈合
 
科学家报告说，在灵长类动物愈合脊髓损伤时，不同的恢复阶段有不同的大脑区域参与愈合。确定参与愈合的区域可能改善人类脊髓损伤的修复，而且可能提供更好的脊髓损伤后恢复时间的诊断。研究人员观察了5只猕猴的恢复过程，这些猴子的主要下行传导束从运动皮层到脊髓受到不同程度的损伤。Yukio Nishimura 与日本和瑞典的共同作者用正电子发射体层扫描(PET scan)和可逆药物失活，观察了这些人类近亲受到损害的握指技能的恢复过程。他们看到，在手术后的愈合阶段，不同的大脑皮层区域与神经网相互作用。所有的猕猴在1到3个月中恢复了功能。研究人员提出，在早期恢复阶段，大脑用现有的系统，然后不断地用其他皮层系统来补充以形成更好的控制和稳定性，他们认为即使某个具体神经传导束受到破坏，其功能也可以被间接的路径取代。
 
基因随机删除父母一方的贡献
 
虽然我们的基因来自父母双方贡献的染色体，但是生物学家发现，在他们研究的基因中，5%以上的基因通过一个叫随机单等位表达事件，将来自一方的基因随机地关闭（或失活）。在个体内，有些细胞关闭来自父亲的贡献，另一些细胞关闭来自母亲的贡献。这也许能解释为什么在一个家庭中，有些成员比其他成员对疾病包括遗传疾病易感，或者能解释为什么他们对药物治疗的响应不同，这个问题对研究人员一直是个谜。生物学家Alexander Gimelbrant和共同作者预料他们会找到少量这种随机关闭的基因，但是当他们用基因组范围方法研究包括组织细胞中的4000个人类基因时，出乎意料地发现了至少300个单等位表达基因。在他们的研究之前，人们已经知道3类单等位基因的存在，包括编码免疫球蛋白、T细胞受体、气味受体以及白细胞介素的基因。由于随机失活的存在，即使是同卵孪生子也不完全相同。Rolf Ohlsson在一篇相关的研究评述中讨论了这些发现。