本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

12月6日《Nature》

封面故事： 纪念夏威夷大气二氧化碳测量工作开始50周年

近50年前的1958年3月，似乎一切都跟平常一样，但Charles Keeling及其同事们在夏威夷的冒纳罗亚火山上开始了对大气中二氧化碳的一系列测量活动。他们获得的结果现在终于引起了世界的注意。本期Nature封面上刊登的是根据他们的测量结果绘制出的“Keeling曲线”。冒纳罗亚火山测量结果是世界上关于大气中二氧化碳浓度的最长的连续记录。他们所记录的二氧化碳浓度的持续上升现在构成当今气候科学及经济和政治决策方面已经被人们所接受的背景。冒纳罗亚火山测量记录除了其本身就是一个重要资源外，还凸显了地球监测研究计划的至关重要性。本期Nature发表了一系列关于今天正在进行的地球监测工作的新闻特写文章以及关于冒纳罗亚火山数据的历史文章，以纪念这项工作开始50周年。

信息素对哺乳动物行为的影响

我们关于信息素怎样影响动物行为的知识主要是基于对昆虫所做的研究工作。哺乳动物的行为要复杂得多，对它们来说信息素的作用仍然不清楚。但在小鼠中，有证据表明，幼崽吃奶的行为、侵略性行为和交配行为等都受鼻腔中的神经元所探测到的信息素的影响，而现在Chamero等人报告说，他们发现“主要尿蛋白复合物”的蛋白成分是一个潜在的信息素配体，通过辅助嗅觉神经通道调控雄性之间的侵略行为。这项工作是在了解哺乳动物种内沟通方面和对这种行为中所涉及的神经回路进行定性方面所取得的一项重要进展。


地球为什么未能完全变成一个雪球

“雪球地球”假说提出，地球在“新远古纪III”（Neoproterozoic）期间是完全被冰覆盖的。人们曾提出另一种假说，即“融雪球”假说，该假说将允许赤道地区的海洋状态与其他地区的雪球状态共存的情形描述为“融雪球”，但这个问题仍然有争议。Peltier等人利用模型对碳周期与气候系统在“新远古纪III”期间的耦合演化进行了研究。他们发现，当表面温度下降时，大气中的氧被吸收进海洋中，加快了大量溶解的有机碳的重新矿化速度。这将导致大气中二氧化碳增加和温室变暖效应增强，使得一个完全的雪球状态不能形成。

心脏病细胞疗法的新希望

细胞疗法被认为对治疗心肌疾病有很大潜力。当前的临床实验目标是通过移植衰竭心脏中的自体骨胳肌或骨髓细胞来恢复收缩力，但这种方法迄今为止只取得有限的成功。现在，用患有实验诱导的心肌梗塞的小鼠所做的研究获得的发现表明，植入胎儿心肌细胞可很好地防止发生“室性心律失常”（心脏病患者的一个常见死因）。植入的细胞被心脏正常活动势激活，这些电耦合的细胞的植入为增加向梗塞心脏中的导入建立了通道。另外，conexin 43——一种在相邻细胞之间的“间隙部”所发现的蛋白也被发现与这种保护作用有关。令人吃惊的是，现在这种蛋白在骨骼肌细胞中的表达也能产生与胎儿心肌细胞相似的性质。这些结果让我们看到了基于细胞来治疗心脏病的一个新方法。

抗Bv8抗体抑制肿瘤的作用

来自骨髓的细胞已知能帮助肿瘤中血管的形成。现在，血管生成肽Bv8（亦称为prokineticin-2）被发现可能与这一过程有关。移植进免疫缺陷小鼠体内的肿瘤分泌G-CSF，它是一个通常与血细胞形成有关的因子，能增加骨髓中Bv8的生成。然后Bv8会将“喜中性”类的白血细胞引导到肿瘤上。抗Bv8抗体会阻断血管生成，抑制某些肿瘤的生长，说明它也许是一种有效的抗肿瘤试剂，尤其是当与细胞毒性化疗结合起来使用时。

“热木星”的大气层

太阳系外的“热木星”HD209458b近距离绕一颗太阳类型的恒星运行，因而受到强烈的热辐射。它被一个由原子氢组成的大气层所包裹，这些原子氢是从该行星上逃逸出来的。这种逃逸至少在0.1 AU的轨道内在理论上是可能的（一AU是地球和太阳之间的距离）。但在距太阳5 AU的地方，木星有稳定的大气层。所以，在这两个极端之间的某个地方一定存在稳定和不稳定之间的一个交叉点。现在，数值模拟表明，这个交叉点对一颗木星一样的行星来说出现在0.14和0.16 AU之间。

早期月球的火山活动

月球的起源和演化仍然是一个有争议的问题，一个引人注目的争议点是月海玄武岩火山活动开始和结束的时间。过去三十年间的月球研究工作表明，月海火山主要是在于距今39亿年前结束的（陨石对月球的）后期狂轰滥炸之后出现的，因为多数已知的月海玄武岩（来自月球的陨石及返回的阿波罗和月球探测器样品）及遥感数据都表明，它们结晶的时间晚于39亿年前。但对月球陨石Kalahari 009中的矿物所进行的新的U-Pb测年研究给出月球玄武岩的年龄大致为43.5亿年。这表明火山活动早在43.5亿年前就开始了，相对来说是在月球形成和分化后不久，而Kalahari 009是我们的第一块来自月球的一个“cryptomare”的样品。

宿主和寄生虫之间的“僵局”

Lewis Carroll的作品“Through The Looking Glass”中的“红色女王”说，人必须跑得尽可能得快才能呆在同一个地方。Leigh Van Valen将这一概念应用到宿主－寄生虫和捕食者－猎物互动关系中，在这些关系中，每个参与者都在以超过另一方所需速度尽可能快地演化。但怎样才能对这种所谓的“红色女王”动态随时间的变化进行跟踪呢？通过搅动一个池底的稀泥，研究人员找到了答案。水蚤Daphnia和它的一种微生物寄生虫都能够在湖里的泥中以休眠状态存活很多年。在一项研究工作中，研究人员对来自比利时Heverlee的一个池塘底部沉积物中从休眠阶段苏醒的宿主和寄生虫与它们今天的后代进行了对比，发现寄生虫毒性随时间不断增强；但总体效应几乎没变：宿主和它们寄生虫的当今个体之间的感染率基本上是一样的。如同在很多“军备竞赛”中一样，结果是一个僵局。

两种新的能消耗甲烷的喜酸细菌

消耗温室气体甲烷的细菌在大气预算中是具有潜在重要性的参与者，有可能从地壳中清除掉本来会贡献于大气预算的甲烷。两种新的能利用甲烷的细菌已被独立分离出来，二者都是与众不同的：与以前分离出的甲烷氧化菌（它们是变形菌）不同的是，这两种细菌都属于广泛分布的疣微菌门（Verrucomicrobia phylum），并且在强酸性条件下（pH值低至0.8-2.5）都有最佳生长和甲烷氧化表现。Acidimethylosilex fumarolicum SolV是从意大利那不勒斯附近Solfatara火山一个排烟喷孔中分离出来的；Methylokorus infernorum是从新西兰Hell’s Gate (Tikitere)地热区的热土中分离出来的。

能够抑制霍乱病原体致病作用的一个新分子

在一个被称为“群体感应”（quorum sensing）的过程中，某些细菌能用化学信号分子来在彼此之间进行沟通，使它们能够对基因表达进行同步，以便它们能够几乎像多细胞生物那样来行动。霍乱病原体Vibrio cholerae利用“群体感应”来控制毒性和组织生物膜，后者是造成其感染难以治疗的原因之一。现在，霍乱病原体主要“群体感应”分子（一种被称为CAI-1的自诱导分子）已经被识别出来并定性为(S)-3-hydroxytridecan-4-one，它在生物学上是一个新分子。给细菌提供这个分子，可以中止致病所需因子的生成，这为世界上这种主要病原体提供了一个可能的新疗法。

12月7日《Science》

用诱导性干细胞治疗小鼠疾病
在一项用小鼠做的“原则性证明”的研究中，科学家展示了如何用诱导性多能干细胞(iPS cells)可能有朝一日用来治疗人类疾病的动物模型，诱导性多能干细胞是被重新编程从而进入一个类似胚胎干细胞状态的成年细胞。Jacob Hanna和同事用诱导性多能干细胞为患有小鼠版的镰刀形红细胞贫血症的动物提供健康的血细胞，从而逆转了该疾病的作用。 研究人员最近报告了通过将4个具体基因引入皮肤细胞导致这些细胞回到一个多能状态，在这个状态细胞具有发育成任何细胞类型的潜能。（见比如：2007年11月20日俞等人的科学特快报告）但是，诱导性多能干细胞是否能在活体动物身上恢复患病的组织仍是一个没有答案的问题。 Hanna的小组用来自患病小鼠尾巴的皮肤细胞产生了诱导性多能干细胞。这些研究人员然后用一个名为基因特异打靶的方法用健康版本的基因取代了涉及镰刀形红细胞贫血症的基因。当这些诱导性多能干细胞发育成造血干细胞(造血干细胞能生成各种血液和免疫细胞)后，研究人员将它们输给供体小鼠，这些细胞在小鼠身上开始产生健康的血细胞。这些小鼠的疾病症状因此有很大改善，研究人员报告说。这些研究人员警告说，用诱导性多能干细胞治疗人类疾病仍然需要克服许多关键的障碍。比如，添加4个“重新编程”基因或取代疾病细胞中有缺陷基因的方法都可能有导致癌症的有害副作用。在诱导性多能干细胞能被考虑用于人类疗法之前，研究人员需要发展出安全的方法来解决这些以及其他可能的问题。
英文摘要：Treatment of Sickle Cell Anemia Mouse Model with iPS Cells Generated from Autologous Skin,Jacob Hanna, Marius Wernig, Styliani Markoulaki, Chiao-Wang Sun, el al.

多巴胺帮助我们从错误中学习
一项来自德国的研究揭示，大脑中影响多巴胺信号发生的一个基因变异看来削弱人们从他们犯的错误中学习的能力。这些研究人员提出，他们的发现也许能帮助解释为什么这个被称为“等位基因”的变异过去被发现与上瘾和强迫行为有关。这个名为A1的等位基因与大脑中某种多巴胺受体密度低相关联。Tilmann A. Klein和同事比较了两组健康的男性，一组带有等位基因A1，另一组没有这个等位基因。研究人员让这些自愿受试者看随机出现的符号对，他们需要根据在每次选择后得到的正面或负面的反馈来判断应该选哪个符号。带有A1等位基因的志愿者学习避免带来负面后果符号的成功率比另一组的人低，意味着他们比另一组人对负反馈的响应低。功能MRI研究也支持这一结果，A1等位基因携带者学习避免错误能力的降低伴随着大脑中一个已知的监控负面后果区域中降低的活性。Klein 说，需要有更多的研究来确定这些结果与现实世界情况的联系。
英文摘要：Genetically Determined Differences in Learning from Errors,Tilmann A. Klein, Jane Neumann, Martin Reuter, Jürgen Hennig, el al.

保护鱼类等于赚钱
本期一篇简报指出，接受鱼类的保护技术能帮助提高利润和更多的鱼类储备。R. Quentin Grafton和共同作者用一个基本经济学方法分析了澳大利亚附近的4种鱼类，包括寿命长、生长慢的橘刺鲷(orange roughy)，分析显示通过减少捕获的鱼的数量、将更多的鱼类保留在海洋中，渔场能挣更多的钱。虽然典型经济理论将捕鱼量建立在最大可持续生物量的水平，但是文章共同作者Ray Hilborn解释说，以最大经济产出建立的捕鱼量对上市鱼的量几乎没有影响，同时能降低成本，使捕鱼者挣更多的钱，而且能维持鱼的可持续产量。
英文摘要：Economics of Overexploitation Revisited,R. Q. Grafton, T. Kompas, and R. W. Hilborn

中国的可持续森林政策的变化
中国的森林改革通过私营企业强有力的投资正在扎根，私营投资旨在改善森林基础设施、环境质量、以及中国木产品的竞争力。在本期一篇政策论坛中，Guangyu Wang和共同作者探讨了中国林业面临的挑战。文章作者写道，来自不断壮大的中产阶层对木产品的内部需求的增加以及有利可图的出口市场使得平衡国内的可持续发展变得困难，尤其是在地方政府把经济增长作为首要任务的地方。中国在过去5年中投资了2亿美元，在下一个5年中，这个数字将增加到7.2亿美元。尽管在国家计划和地方实施上仍面临挑战，中国政府正在尝试新方法，用私营企业投资来开放森林让个体和公司参与进来。新的目标呼吁到2050年使森林面积增加28%、改善环境质量、以及形成一个有竞争的森林产业来满足中国内部大多数的需求。虽然政府将保持其在计划、分区规划、以及政策方向上的主导地位，但将开放从苗圃到砍伐到修路的公营森林管理服务。
英文摘要：China’s Forestry Reforms,Guangyu Wang, John L. Innes, Jiafu Lei, Shuanyou Dai, and Sara W. Wu