本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

2月14日《Nature》

封面故事：蝙蝠飞行能力先于回声定位

美国怀俄明州“绿河组”曾产生很多重要化石，包括Icaronycteris index，它在超过40年的时间里一直被认为是已知最古老的蝙蝠。它的颅腔特征表明，该动物是通过回声定位来确定猎物位置的。这一结果促使关于蝙蝠进化的“先飞行”说、“先回声定位”说和“并行发育”说等假说的支持者之间产生激烈争论。新的“绿河组”蝙蝠化石（包括两个近乎完整的骨架，其中一个刊登在本期封面上）似乎已经解决了这个问题，它们是支持“先飞行”说的。新发现的物种是已知最原始的蝙蝠。它有充分发育的翅膀，显然能够进行动力飞行，但耳朵区域的形态表明，它不能进行回声定位，这使得它成为蝙蝠和它们不会飞的、不能回声定位的哺乳动物祖先之间的一个可能的中间环节。四肢特征（包括强壮的后腿和其所有长指上微小爪子的保留）表明，这种新发现的蝙蝠也许能够敏捷地攀爬。（Letter p. 818; News & Views）封面照片：由美国自然历史博物馆提供。

海洋生物领鞭毛虫基因组序列被确定

海洋生物领鞭毛虫（Monosiga brevicollis）的基因组序列现已被确定。领鞭毛虫是一组主要为座生的原生动物，长得像海绵的“进食细胞”，被认为是多细胞动物现存最近的单细胞亲缘种。将领鞭毛虫基因组与后生动物基因组所做比较表明，动物最后的单细胞祖先具有富含“内含子”（Intron）的基因，它们是一些编码蛋白区域，其特征是与细胞粘附及动物的细胞外基质相关。这一具体的生物完全是单细胞的，但其他领鞭毛虫会形成群落，并且有可能为了解细胞信号作用的起源及早期后生动物中的其他系统提供线索。（Article p. 783）

植物乙烯信号作用的调控机制

乙烯气是一种调控发芽、结果和其他重要过程的主要植物荷尔蒙。以前的研究工作识别出一个线性通道（在该通道中，5种乙烯受体汇聚在一个单一的负调控因子CTR1上）和两个关键的下游成分EIN2 和 EIN3。此前，CTR1是怎样调控下游正调控因子的仍然是一个谜。现在，一种以前未知的、涉及MKK9的“丝裂原活化蛋白激酶”（MAPK）通道已在拟南芥中被识别出来，其作用是积极控制乙烯信号作用中由EIN3调控的转录。CTR1 和 MKK9的拮抗作用可能通过对EIN3的稳定性具有相反作用的两个MAPK磷酸化点来共同决定乙烯信号作用特异性和定量反应。（Article p. 789）

整合素所扮演的又一个角色

对人类基因组中整合素结合点的分布所做的一项研究表明，它们与转录隔离蛋白CTCF处于相同的位置。整合素以一种起“染色体胶”作用的蛋白而知名，在染色体分离过程中促进姐妹染色单体整合。这一新发现揭示了整合素所扮演的第二个角色，也是一个独立的角色，即通过起一个转录隔离子的作用来促使CTCF发挥功能。该发现在医学上可能有一定意义，因为它也许能够为了解整合素类疾病如Roberts综合症和Cornelia de Lange综合症等疾病中可能涉及的通道提供一个线索。（Article p. 796）

超新星前身天体的直接观测

Ia-型超新星正在使被用来测定宇宙膨胀的恒星发生爆炸。它们之所以对我们很重要，是因为宇宙中大部分铁的产生是靠它们。到底是什么天体在爆炸以及为什么仍然不清楚，尽管处在一个双星体系中的一颗白矮星很可能就是这样一个天体，而用来识别前身天体的间接方法都失败了。现在，Rasmus Voss 和Gijs Nelemans报告了对在2007年11月5日爆炸的一颗超新星的一个前身天体的直接观测结果。他们在由钱德拉X-射线天文望远镜在此次爆炸前4年拍摄的图片中、正好在“超新星2007on”所在位置发现了一个天体。来自档案中的深度光学图像表明在这个位置什么也没有。这一结果似乎倾向于支持关于该超新星的吸积模型，即一颗白矮星吸积来自一颗伴星的物质，而不是两颗白矮星合并。（Letter p. 802; News & Views）

能将低频振动/摩擦能转换成电能的体系

纳米装置耗能不是很多，而且如果它们所需要的很少一点能量可以从脚步、心跳、噪音和气流等所产生的振动中获取，那么这类装置将在个人电子、传感和国防技术等很多方面找到一系列新的应用。这种类型的能量的收集，需要一种在低频范围内（比如说小于10 Hz）工作的技术，最好是基于软的柔性材料。现在，来自美国佐治亚理工学院的一个研究小组设计出一个体系，它能利用围绕织物纤维成辐射状生长的氧化锌压电纳米线将低频振动/摩擦能量转换成电能。通过缠绕两根纤维和将与它们相关的纳米线刷到一起，机械能便会通过一个耦合的压电-半导体过程被转换成电能。这项工作提出了一种创造能够从微风和身体运动中获取能量的织物的潜在方法。（Letter p. 809）

人类预测真实生态系统长期动态的能力的确有限

很多数学模型预测食物链中存在浑沌现象，从而使人们对我们能够对因气候变化和生境损失所造成的物种丰度的未来变化进行预测的程度产生了疑问。这种“生态”浑沌已在简单模型体系中进行了演示，但没有在真正的生态系统中进行，因而有人提出，真实世界可能有一种办法避开它。但是现在，对从波罗的海分离出的一个海洋浮游生物群落所做的一项长期（8年）实验研究揭示了“自然”出现的浑沌种群动态，说明我们对真实生态系统的长期动态进行预测的能力可能的确受到严重限制。（Letter p. 822）

植物抵御真菌进攻的机制

植物能够成功抵御大多数真菌的进攻，但人们对其中所涉及的机制仍然不是很了解。对暴露于白粉菌的拟南芥植物所做的一项研究识别出，免疫系统的一个构成部分是一种由三部分组成的复合物，其三部分分别是一种被称为PEN1的syntaxin蛋白、SNARE蛋白SNAP33及两种与囊泡相关的膜蛋白VAMP721 和VAMP722。出乎意料的是，后者在一个缺省的分泌通道中有第二个冗余的功能。存在这样一个可能性：一种涉及这些VAMP蛋白的古分泌通道被吸收进来，构成分泌性植物免疫反应的一部分。（Letter p. 835）

逆转不当超突变风险的机制

体细胞超突变是活化B-细胞在血液中产生各种不同免疫球蛋白基因、从而生成高亲和力抗体的机制，该机制在身体预防感染方面扮演一个至关重要的角色。不过它也构成基因组稳定性的一大风险，如果失去控制或错误引导，就有可能产生B-细胞肿瘤。体细胞超突变反应是被“由活化诱导的脱氨酶”（AID）启动的，人们普遍假设，不当超突变风险可被这种酶的仔细定位逆转。用小鼠所做的新的研究工作表明，事实并不是这样的。相反，AID能使所表达基因组的很大一部分脱氨，其中包括与B-细胞恶性肿瘤相关的无数致癌基因。基因组的广泛突变是以一种令人吃惊的方式被逆转的：它是被由碱基切除和误配修复调控的、具有基因特定性的、准确无误的DNA修复逆转的。（Letter p. 841）


古菌RNA聚合酶晶体结构已被确定

古菌曾经一度被认为是两个原核生物分支中更原始的一个，但它们现在被认为与真核生物的关系比与细菌的关系更密切。现在，古菌RNA聚合酶（RNAP）晶体结构的确定使我们能够对生命的所有三个分支的转录机器的结构进行比较。古菌酶与真核生物酶在结构上有惊人的相似之处，应当可以作为剖析真核细胞转录的分子基础的一个有用的模型体系。（Letter p. 851; News & Views）

2月7日《Nature》

封面故事：Nature新开 “Horizons”栏目

本期Nature以5篇文章为本刊一个新栏目“Horizons”开篇。它们是对5个关键领域的猜测：衰老、化学、电池、“演化-发育”（evo-devo）和量子电动力学。

一个用于确定沸石形状选择性的新方法

沸石是具有有序多孔结构的晶体材料，广泛用作工业催化剂。它们对于石油炼制来说尤为重要，因为在石油炼制中，化学变化的结果受到沸石催化剂孔拓扑的很大影响。在一篇Review文章中，Berend Smit 和 Theo Maesen提出，这种所谓的形状选择性可以通过对孔拓扑如何影响反应物、中间体和产物形成的自由能直接进行热力学分析而弄清。尽管需要做很大的简化，但该方法可解释实验观测结果，甚至还能指导适用于特定催化应用的沸石结构的寻找工作。

非洲的麻疹疫情与免疫接种工作

麻疹在很多国家几乎根除，但在撒哈拉以南非洲及亚洲部分地方，它仍然是威胁生命的一种主要疾病。1986和2002年间，就在一次大规模免疫计划开始之前，在尼日尔所进行的一项关于麻疹的流行病学研究表明，麻疹疫情具有出乎意料的偶发性，在某些时期局部地方疫情已经消除。模拟表明，疾病传播的季节性是造成这种变化的原因。这一结果对于免疫接种工作的管理有参考价值。尤其是，随着疫苗交付工作加快进度、以期根除这种疾病，偶尔严重的季节性疫情是有可能发生的，所以应对免疫接种工作进行优化，以减小这种不稳定性。

新型全息3D显示器

三维全息显示器能模拟人的自然视力，不需要特殊的眼镜。这使得它们特别适合需要情境意识的应用，如医学、工业和军事成像。当前的一代商业全息3D显示器要么缺乏图像更新功能（所以它们是“只能写一次”的装置），要么图像持久性差。现在，Tay等人报告，他们研制出一种记录介质，该介质基于专门设计的反光聚合物，集若干有利性能于一身。他们展示了一个基于这种材料的全息3D显示器，它能每隔几分钟记录和显示新图像，并且尺寸比较大（4×4英寸），能观看几小时而不需要刷新，并且可以很容易将图像抹去和用新图像来更新。

通过比较基因组序列“复活”古蛋白

对亲缘关系较远和较近的现代生物的基因组序列数据所做的对比，可被用于也许在彼此相关、但现已灭绝的生物类型中曾经存在的古蛋白序列的计算重建。然后，这些蛋白可在实验室中被“复活”。现在，研究人员对来自时间跨度达30亿年的细菌的一组25种先祖伸长因子已经做到了这一点。 这些古蛋白在地质时间的回溯中热稳定性表现出近乎线性的增加，说明支撑古生命的环境最初是热的，然后在这一时期逐渐变冷大约30 °C。这一模式由从地质记录推断出的古温度趋势得到佐证。

实验环境基因组学

环境基因组学使我们对真实世界中微生物的认识发生了革命性变化，但该学科并不是关于微生物在实验室获得的“克隆”培养中的行为的。本期Nature报告了“实验环境基因组学”的一个新颖的例子，涉及创建一个由从美国佐治亚州Sapelo岛附近收集到的海水构成的微型生态环境。对该体系的操纵表明，这个沿海微生物群落被能利用多种有机化合物的代谢性泛食微生物所支配，而不是被专门代谢溶解的有机碳中某一特定成分的细菌菌种所支配。这一发现对于识别碳循环相关过程的分类-功能关系及对于海洋生物地球化学预测模型的构建都具有重要意义。

氮沉积对植物物种多样性的影响

氮肥的使用和化石燃料的燃烧使工业化国家的氮沉积速度高达工业化之前的近7倍。现在，对美国明尼苏达州稀树草原进行的一项长期（23年）研究表明，这种氮沉积的效应被低估了。氮以较低浓度缓慢地添加导致植物物种多样性逐渐丧失，但多样性在氮添加停止13年之后又恢复了，说明过去的沉积所产生的一些有害效应被沉积速度的降低逆转了。

世界人口老龄化问题

世界人口老龄化的速度对于制定政策的人们来说、尤其是对那些制定养老金政策及医疗卫生预算政策的人们来说很重要。特别是，它对于预测迅速变化的周期来说至关重要，因为在发生这种变化时要进行调整将会极为困难。对全球人口的老龄化趋势所做的一个新的估计，将基于一个固定年龄边界的传统指标与关于年龄的新概念结合了起来。新概念包括一个固定的剩余预期寿命，以反映这样一个事实：今天一个60岁的人要比1900年的一个60岁的人年轻，可以活更长时间。不管你怎么看这个问题，根据新概念所做出的估计是，世界人口的老龄化速度在加快。全球老龄化很可能在2020年和2030年间达到高峰，然后减速，虽然在整个世纪老龄化程度还将有进一步提高。关于老龄化峰值时间的估计所依据的是过去的生育模式。在美国和在西欧的一些地方，这个时间是由正在变老的二战后生育高峰时期出生的人们的衰老所决定的。在中国，这个时间是由计划生育政策所决定的。
淀粉样斑块的形成的确是阿尔茨海默氏症病因

被广泛接受的淀粉样蛋白假说假设，在阿尔茨海默氏症中引起痴呆的神经异常，是淀粉样蛋白斑块几十年时间在脑中逐渐积累的结果。最近的一项发现表明，轴突缺陷可能发生在斑块形成之前，但通过利用活体多光子显微镜对阿尔茨海默氏症的一个小鼠模型中斑块形成进行跟踪所做的新的研究工作证实，淀粉样蛋白斑块的确是在局部神经毒性产生之前出现的。令人吃惊的是，这些斑块形成很快，可以在24小时内形成：一、两天后，小胶质细胞进入，神经炎性变化就可以看到。有趣的是，这些观测结果提出这样一个可能性：阿尔茨海默氏症多年时间的神经退化会被皮质结构的突然变化中断，后者可能是与这种疾病典型症状的变化相应的。

TBK1在DNA疫苗诱导的免疫中发挥作用的两个机制

DNA疫苗主要通过I-型干扰素的诱导来诱发自适应免疫反应。用小鼠所做的一项研究表明，这种情况发生的机制独立于与核酸相结合的Toll一样的受体的激发。而B和CD4 T-细胞反应都需要造血细胞中由TBK1调控的先天免疫信号通道的激发。在非造血细胞中，TBK1对于CD8 T-细胞的激发非常关键。所以，TBK1通过两个截然不同的机制在DNA疫苗诱导的免疫中扮演一个关键角色。

P-TEFb与pgc蛋白对转录的抑制

基因pgc被发现与发生在果蝇生殖前体细胞中的转录的普遍抑制有关，过去被认为起一种非编码RNA的作用。这里，pgc被发现编码一个小蛋白，该蛋白通过阻止伸长因子P-TEFb的吸收抑制转录。这项工作之所以特别重要，是因为P-TEFb的吸收在大多数细胞基因的mRNA转录中以及在HIV转录和复制中都是一个关键的调控点。P-TEFb是HIV感染、心肌肥大和癌症等严重疾病的治疗干预的一个潜在目标。

染色质在细胞周期控制中的作用

尽管在揭示异染色质在多种染色体过程中所起重要作用方面取得了显著进展，但细胞周期中异染色质的动态在很大程度上仍然没有研究。异染色质是紧紧堆积在一起的染色体材料，在分裂间期和细胞分裂过程中凝固。用裂殖酵母所做的这项研究表明，RNA聚合酶-II在细胞周期的S-阶段优先转录异染色质重复序列，这个时间是由限制RNAPII接触的异染色质决定的。然后，染色质修饰酶和与RNAPII 相关的RNAi复合物组装被沉寂的染色质，后者一直被保留到下一个S-阶段。

 

2月1日《Science》

美国西部的供水危机

在过去50年中，研究人员一直在对美国西部的水流的显著变化进行记录。现在Tim Barnett及其同事指出，该地区的河流、积雪及冬季气温在这一时期发生的变化中，有多至60%的原因是人类造成的气候变化。研究人员说：“我们的结果对生活在美国西部的人来说不是一个好消息。”他们提出，这些变化可能使“更改美国西部水利设施成为一种实际需要”。过去半个世纪发生的变化已经意味着山区积雪的减少，夏天河流干涸，且总体上该地区的夏季变得更为干燥。Barnett及其同事在全球及地区性气候模型中对这些水流趋势的分析提示，这些趋势中的大多数都能够被解释为与人类制造的温室气体及气溶胶所导致的气候变化有关。研究人员得出结论：尽管美国西部在过去也经历过自然的潮湿与干燥的周期，但目前的水流趋势与以往的自然变异在时间长短以及变化力度方面都有显著的差别。

2030年遭遇饥饿打击最严重的地方

一项新的研究披露，到2030年，在特别容易遭受与气候有关的食物短缺打击的地区名单中，南亚及南部非洲列在首位。David Lobell及其同事应用作物模型及气候预测对气候变化可能会影响世界上12个没有食物保障地区的作物的情况进行了分析。他们报告说，除非采取预防性的措施，否则，在南亚和南部非洲以及其他地区的多种作物可能会因为气候变化而受到损害，尽管各作物受到的影响会有所不同。一则相关的述评对农业种植者应该如何顺应气候变化进行了讨论，比如，将作物转换成可以更好适应较暖和且干燥气候的品种，或使用肥料，以及使用改良的种子品种。

通往早发性停经之路

Pradeep Reddy及其同事的一项新研究显示，PTEN这种酶通过控制将一种休眠状态的卵母细胞转化为可以受精的卵子的激活过程而使小鼠卵巢中的未成熟卵子不能早熟。在卵母细胞缺乏PTEN的小鼠中，其整个未成熟卵子库可被过早地激活，使其成年后早期的成熟可受精卵子的供应枯竭。研究人员说，这些小鼠的卵巢早衰可能为人类早发性停经机制及类似的不孕症问题提供线索。Reddy及其同事发现，PTEN通过抑制卵母细胞内PI3K的酶途径来控制卵泡的激活，而卵泡细胞是包围未成熟卵细胞的细胞群。