本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

12月13日《Nature》

封面故事： 关于P-型ATP酶的一组研究论文

P-型ATP酶是对所有真核生物和很多原核生物具有根本重要性的阳离子泵。本期Nature上三篇论文介绍了关于这一超级家族关键成员的结构及功能研究。本期封面所示为钠离子和钾离子泵的结构，是由Morth等人在本期杂志上以3.5埃的分辨率描述的，同时还刊登了J. C. Skou关于其50年前发现依赖于钠离子和钾离子的ATP酶活性的原始笔记。这篇论文显示了与钾相结合的状态，同时还暗示了一种依赖于电压的调控基础。这些结果部分是通过与Skou所做实验相似的动能实验获得的。Olesen等人介绍了肌质网Ca2+-ATP酶（钙泵）的新的晶体结构，同时还有关于功能的研究工作，并且最终呈现了关于钙运输的一个完整机制。在植物和真菌中，细胞离子平衡状态和膜势是由胞质膜H+-ATP酶（另一种P-型ATP酶）提供动力的。Pedersen等人介绍了它的X-射线结构，提供了关于它是如何沿一个陡峭的电化学梯度来泵输质子的有关线索。

海上异常波浪产生原理研究

水手们几个世纪以前就知道，异常的巨大波浪似乎能够毫无征兆地就出现在海洋上。碰上这种“恶棍”波浪的可能性最近被发现远远大于从传统波幅统计中所能预计的程度。为了解这种事件的物理原理，Solli等人在一个光学系统中对“恶棍”波浪的概念进行了研究。利用一个新的实时探测方法，他们研究了一个体系（基于一种具有显微结构的光纤），该体系能够暴露出极陡的大光波，它们是因一组几乎相同的光脉冲的注入而产生的罕见结果。这种“恶棍”光波是当随机噪音以一定的频率变化、在一个明确限定的时间窗口内扰动最初平滑的脉冲时产生的。


女性脊柱的特别之处

背痛是人们请病假的一个重要原因，是直立行走（人类及其祖先不同于其他动物的一个鲜明特征）所带来的困难的证明。由于在人类历史及史前的大部分时间，成年妇女都把很多时间花在怀孕或哺乳上，所以妇女还有另外一个演化问题。怀孕因不断改变身体的重心而使得直立行走的不稳定性变得更加严重。Whitecombe等人对能够平衡胎儿负荷的、女性脊柱所特有的那些解剖学上的适应性特征进行了详细分析，发现直立行走的南猿（而不是非直立行走的黑猩猩）也有类似的适应性特征。


“银河系”的内“晕”和外“晕”

“银河系”银盘之外的区域（称作“晕”）过去长时间被认为是一个均一的实体，由古老恒星组成。但最近对“晕”内少量天体所做分析表明，它们并不是由同一类天体组成的。现在，根据来自超过2万颗恒星的光谱数据，研究人员发现“晕”是由两个大体上交叠的结构成分组成的：内“晕”和外“晕”。内“晕”与整个“银河系”在同一方向上缓慢转动；外“晕”向相反方向转动，比氦重的元素含量相对降低。内“晕”可能是由一系列耗散性合并过程形成的，而外“晕”则是通过无耗散的过程及原始银河系星团的潮汐式破坏形成的。

哺乳动物演化并非走直线

哺乳动物的演化经常被说成是一个线性过程，关键特征是从作为其祖先的爬行类动物的相关特征发展来的，而且是不断增添的：如中耳是从颌关节演化来的，臼齿是从爬行类简单的尖齿演化来的。 但正如罗哲西在一篇Review Article中所反映的那样，大量最近发现的化石彻底改变了这一观点。哺乳动物的演化所走过的远远不是一条直线，而是一个复杂的、分叉的网络，其中有若干个死胡同：哺乳动物特征在几个单独的支系是重复演化的，有时这些特征还会丢失。

核小体的位置及定位机制

核小体（染色质的基本单元）的定位对很多依赖于DNA的过程有深远影响，但细胞中所涉及的定位机制却并不是特别清楚。现在，研究人员利用野生型细胞和染色质调控因子Isw2的一个突变体，确定了核小体在酿酒酵母整个基因组中的位置。该调控因子在基因的5´端和3´端发挥作用，从而在数百个基因间区域增加核小体密度。重要的是，Isw2通过抑制异常的非编码转录来帮助从相对于启动子的正确取向开始进行转录。

超导“胶”的起源问题

也许在高温超导领域目前争论最多的问题是将电子结合成超导对的超导“胶”的微观起源问题。两种主要观点分别是晶格振动（声子）和自旋激发。还有一种可能性，那就是，电子是在没有调控因子的情况下成对的。Niestemski等人报告了被称为PLCCO的电子掺杂的超导体的在空间上可以分辨的、并且可以重复的光谱，它显示在该材料的电子激发中有一个位于10.5 ± 2.5 meV处的集体模式。这个发现与该模式的电子（和/或磁？）起源是一致（也可能与超导“胶”观点是一致的），也与在该过程中涉及自旋激发而不是声子的观点是一致的。

决定热带气旋强度的因素

关于热带气旋活动对全球变暖的响应问题我们很不了解。科学家经常假设，海洋表面温度越高，越有利于气旋形成和加强，但事实可能并不是这样，因为其中还涉及很多其他因素。Gabriel Vecchi和Brian Soden对海洋表面温度变化与一种被称为“热带气旋潜在强度”的指标（该指标为气旋强度提供一个上限）之间的关系进行了研究。他们发现，潜在强度的变化与变暖的区域结构密切相关，而不是与局部海洋表面温度密切相关——比热带平均温度更高的区域以潜在强度增加为特征，反之亦然。这说明，热带气旋活动对气候自然变异（往往涉及海洋表面温度局部化的变化）的响应可能大于对由温室气体诱导的更为一致的变暖模式的响应。

控制“转座子”的一种办法

在变化中的环境中进行的细菌培养有时会积累突变率增大的“转座子”（mutator）品系，可能会增强它们进行适应性演化的潜力。这种情况经常发生在临床条件下。如果“转座子”要长久存在，它们就需要一个一致变化的环境。与寄生体（如病毒）共同演化是能够提供这种环境的一个情形。现在，用假单胞菌所做的实验表明，与一种自然出现的噬菌体共同演化会明显提高细菌突变率，导致噬菌体绝灭概率增高。因此，以噬菌体种群为控制目标可能是在临床感染环境中削弱对“转座子”选择性的一种办法。

疟原虫在人体中的三种存在状态

疟疾研究中的一大困惑是，被感染儿童临床症状很多——从轻微流感症状到昏迷和死亡都有。现在，对从人类患者身上分离出的疟疾寄生虫所进行的一次大型转录分析，揭示了造成这种差异的一个可能的线索。镰刀性疟原虫在人类宿主身上以三种不同生理状态存在，它们可以被分别描述为一种积极生长状态、一种对饥饿的反应状态和一种环境压力反应状态。这一发现对于用目前的药物进行治疗以及对于未来药物和疫苗的开发都具有重要意义。

12月14日《Science》

养鱼场威胁野生鲑鱼
 
一项新研究预测，加拿大西海岸鲑鱼养殖场的海虱暴发可能在大约10年内导致当地野生鲑鱼的灭绝。鲑鱼养殖场容易受名为鲑疮痂鱼虱的寄生甲壳纲虫的侵扰，这种又叫鲑鱼海虱的寄生虫能杀死细鳞鲑鱼苗。在野生种群中，那些接触过养鱼场的鱼苗通常得到保护，因为任何被感染的成年鲑鱼在鱼苗进入海洋时，通常在海岸附近。但是在鱼苗的迁徙中，常会有些游到鲑鱼养殖场附近。这些新发现表明，养鱼场是威胁野生鲑鱼的海虱的致命来源。Martin Krkosek和同事汇集了1970年以来不列颠哥伦比亚中心沿岸河流的大量细鳞鲑鱼数据，比较了接触过与没有接触过养鱼场的野生种群。他们用一个种群生长率的数学模型揭示，来自这些养鱼场的海虱正在极大地影响当地的野生细鳞鲑鱼，已经使其数量下降到可能四代之后就在当地灭绝的程度，考虑到种群已经在下降，如果海虱暴发继续发生的话，当地细鳞鲑鱼灭绝的速度可能还会更快。
 
栖息地分离导致生物多样性下降
 
一项在巴西大西洋森林中作的研究发现，在水陆两栖动物需要从成体阶段生活的森林栖息地迁移到水栖繁殖地再返回森林的过程中，物种的多样性在减少。巴西大西洋森林是许多两栖类动物生活的地方。Carlos Guilherme Becker和巴西的同事解释说，这个被称为栖息地分离的状况通常是人类干预的后果。两栖类种群和物种数量的下降正在发生，栖息地的减少、真菌疾病、气候变化以及农用化学品的污染等被认为是造成两栖多样性减少的重要因素。为了更好地了解栖息地如何影响多样性的减少，Becker和文章共同作者对世界上生物多样性受到最大威胁的热点地区进行了研究，这个地区有几千种两栖动物，大多数有水栖幼体。研究人员确定，栖息地分离是物种丰富程度最好的预测，其次是栖息地减少和分裂。研究人员提出，栖息地分离也许能解释为什么两栖动物减少通常发生在有水栖幼体的物种身上，他们呼吁恢复分离的栖息地来降低两栖动物的减少。
 
对“菠萝快车”的新见解
 
本期两篇报告给巨大的热带大气季节内振荡(MJO)事件提供了信息，该事件是大气扰动的一个复杂的相互作用，一般从热带印度洋和太平洋开始，以30到60天的周期向东移动。这种也被称为“菠萝快车”的事件与季风季节以及厄尔尼诺南方涛动现象有关，影响上层大气和海洋以及海洋生物圈，从而对水产业有影响。
 
近来计算能力的增加使研究人员能模拟这个巨大的气候事件，Hiroaki Miura和日本的共同作者采用的是一个全球云可分辨计算模型，该模型允许激发MJO事件所需的大气循环与云层的直接耦合。通过将2006年12月到2007年1月的数据值插入模型，他们的模拟与活动的前缘逼真地相配，他们指出，提前1个月预测MJO事件的路径将很快成为可能。
 
Adrian J. Matthews和同事对从太平洋中的Argo海洋观测浮标上采集的卫星数据进行了分析，这些浮标每10天从洋表下降2000米再返回表面。在分析来自2003年12月到2004年2月的MJO事件数据时，研究人员发现，与MJO有关的表面风能将向东传播的海浪迫降到1500米的深处，比海洋模型曾预测的深得多，而且海浪幅度的变化是观察到周期的6倍。
 
气候变暖严重威胁珊瑚礁生存
 
研究人员在本期一篇综述中写道，他们对珊瑚礁生存的展望很渺茫，尤其是在人类造成的气候变化不断威胁珊瑚礁的情况下。Ove Hoegh-Guldberg和一个国际科学家小组为这些脆弱的建礁珊瑚的结局描述了三种情景，分别针对珊瑚所接触的由于大气二氧化碳浓度增加以及与其相关的海洋酸化，从而减慢珊瑚钙化的三种不同情况。随着珊瑚礁面临的风险增加，有关的海洋生物多样性以及人类生活也将面临威胁。在这篇文章中，研究人员用了政府间气候变化委员会提供的数据的下值域区间，即到本世纪末大气二氧化碳量可能超过500ppm、全球温度可能上升2摄氏度。在第一种情景下，二氧化碳排放率稳定在380ppm、温度的增加只有1摄氏度，珊瑚礁将会持续当前的变化状态，许多地方将还有碳酸盐加积。在第二种情景下，二氧化碳浓度上升到450到500ppm、温度上升2摄氏度，导致多样性的大变化。耐热和快速生长的珊瑚礁将占主导地位，栖息地复杂性将随着以珊瑚礁为家的有代表性的鱼类和无脊椎动物的消失而降低。在第三种情景下，二氧化碳浓度将超过500ppm、温度上升超过3摄氏度。研究人员预测，珊瑚礁将破碎，只剩下一些钙质珊瑚，大约半数的动物群将消失。在那种环境下，大型海藻将占主导地位，随着水中物质的腐蚀，浮游植物暴发将增加。文章作者解释说，这些情景何时出现将取决于二氧化碳的排放率。随着珊瑚礁的生存受到挑战，与其有关的旅游业、渔业以及沿海保护也将受到挑战。为了把关注点聚焦在保持珊瑚礁的健康上，2008年已经被确定为国际珊瑚礁年，本期发表的Don Kennedy撰写的社论就是针对这个主题的。