本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

3月6日《Nature》

封面故事：一个单一物种居支配地位的湖泊

冰岛北部的Myvatn湖生态系统之所以引人瞩目，是因为单一物种在其中居支配地位。Myvatn翻译成英文为“midge lake”，在该湖生态系统中居支配地位的是不咬人的蚊子蠓（英文名为midge，学名为Tanytarsus gracilentus）。这种动物占该湖次级生产力的2/3，是当地鱼和鸟的主要食物。蠓数量波动极大，相差近6个数量级，波动周期不规则，在4-7年之间。对25年间获得的种群监测数据所进行的一项新的分析表明，这一现象可由不同动态来解释，在这些动态中，波动幅度由进入其生境的少量食物补充决定。因人类扰动而造成的这些食物补充的小幅下降也许能够解释蠓种群数量波动幅度最近的增大。所以，就生态保护而言，蠓种群动态因其固有原因是不可预测的，它们对于湖泊中小幅扰动的脆弱性要比以前所预料的大得多。Myvatn湖中蠓的情况说明了自然生态系统本身固有的复杂性，也说明了管理它们所存在的困难。本期封面照片（Arni Einarsson拍摄）所示为Myvatn湖边缘区域成群的、想交配的雄性蠓在等待雌性蠓飞到它们当中。


赤潮研究与预测

赤潮（由藻类在表面海水中的迅速积聚造成的海藻繁盛）有潜在危险性。佛罗里达赤潮尤与由海藻Karenia brevis所产生的神经毒素“鞭毛毒素”有关，它们对鱼类、鸟类和海洋哺乳动物会是致命的。在赤潮中游泳者会出现皮肤疼痛和其他反应。尽管人们进行了大量监测，但我们关于赤潮的起源和生长情况仍有很多要学。Mark Schrope报道，佛罗里达州新成立的“赤潮预测中心”计划加强赤潮研究，以提供更好的、关于赤潮状况及其影响的预测。

DNA甲基化/去甲基化周期的观测

本期Nature上两篇论文报告了CpG二核苷酸在基因启动子上的DNA甲基化和去甲基化周期。这两篇论文所获得的发现与已被广泛接受的关于DNA甲基化的观点形成鲜明对比，后者认为DNA甲基化是一种稳定的表观“标记”，能够通过有丝分裂传输关于基因表达的一个特定模式的一个记录，并将其传输到子细胞中。Métivier等人在pS2基因启动子上观测到DNA甲基化/去甲基化周期，是在其被雌激素活化过程中观测到的，同时伴随着DNA甲基转移酶和其他因子的循环。Kangaspeska等人报告了在5个活性启动子上的周期性DNA甲基化，其中包括pS2基因和雌激素受体。


仅用序列确定RNA结构的算法

人们难以从一个碱基序列来预测RNA结构，部分是由于如与尿嘧啶相结合的鸟嘌呤这样的“非Watson-Crick”碱基对的出现；这些误配被认为有助于RNA的结构稳定性。现在，随着小RNA分子在细胞调控中的重要性被人们所认识，寻找确定RNA结构的更有效方法便成为一个迫切需要。Marc Parisien 和François Major提出了一些算法，它们可以说是在仅用序列来确定RNA结构方面所取得的一项重要技术进步。这些算法将所有碱基配对互动关系都考虑了进去，从而获得三维结构。这种分析的结果不仅能产生基态结构，而且能产生其他可以实现的结构，如由诱导契合所引起的结构。


能够利用镉的硅藻

大气向深海碳输出的主要部分是由海洋浮游植物完成的，它们利用碳酸酐酶来催化二氧化碳可逆的水化反应。这种酶的活性点通常含有锌，但一些硅藻会用镉（通常多被认为有毒）来代替锌作为起催化作用的金属原子。现在，来自硅藻Thalassiosira weissflogii的这种多功能酶的四种形式的X-射线晶体结构已被确定，这四种形式分别是与镉相结合、与锌相结合、不含金属、及与醋酸盐相结合。这些结构表明，这种酶可轻易在其催化中心交换金属，因此海洋硅藻在锌缺少时能够利用镉，这在缺乏金属的海洋环境中是一个相当大的竞争优势。

Hiss原来由Chorus演变而来

Plasmaspheric hiss是一种电磁波，见于环绕地球的致密的等离子体层（plasmasphere）中。这种波是控制“Van Allen辐射带”的二区域结构的一个主导因子，而且由于它能从等离子体层中将高能电子除掉，所以它在减小太空中卫星及人类所受到的辐射危险方面扮演着至关重要的角色。科学家提出了很多理论来解释这种波的起源，但没有一种理论经受住了时间的检验。Bortnik等人利用来自CRRES卫星的数据建立了一个新模型，该模型将这种波解释为“Chorus”的另一种波型的衍生物。 Chorus过去被认为与Hiss无关，它能传播进等离子体层中，随后变成Hiss。


可用光学-机械方式冷却到极低温度的微型装置

近年来，科学家研制出了能够与光强烈耦合的微型机械装置，将它们集成到光腔中，它们就能与光耦合。人们的一个主要目标是用光学-机械方式将这些装置冷却，将所有热振动都冻结，从而使物体的运动最终受限于量子力学波动。这将使科学家有可能研究机械物体的一系列新的量子行为。Thomson等人报告了这样一个体系的一种改进设计，它涉及夹在两个刚性高质量镜面之间的一个可移动的膜。在以前的设计中，其中的一个镜面必须弯起来充当一个微型振荡器。这种新装置能够实现相当大程度的冷却，从室温冷却到6.8 mK。用这一体系最终将有可能达到量子极限基态。

洋葱一样的多膜水凝胶

基于多糖的水凝胶有可能用于药物输送体系及组织工程应用中，如用作一种基质，来促进自然组织再生。Ladet等人利用一个由多个步骤组成的中断胶凝过程来生成具有多膜洋葱样及管状架构的复杂水凝胶。新获得的结构来自壳聚糖（chitosan）或藻酸盐（alginates），它们都是生物相容性天然聚合物，它们新颖的层状结构形成空的“膜间”空间，适合细胞或药物导入。起始水凝胶可以是任何形状，可生成的层数原则上是无限的。在最初的实验中，研究人员在壳聚糖水凝胶中培养软骨细胞。这些实验表明，这种架构有成为人工组织基础的潜力。


双色蜡蘑基因组序列已被确定

双色蜡蘑（Laccaria bicolor）生活在树根上，与树根是一种共生关系，其地面之上的果肉部分呈现为双色蘑菇。现在，它的基因组序列已被确定，而且该基因组的关键特征也已通过转录分析定性。该研究为了解菌根共生（指根与土壤 真菌的结合，它对植物生产力至关重要）的机制提供了线索。演化及植物生物学家将对它非常感兴趣，因为它揭示了植物-真菌相互作用是怎样随时间推移来影响基因组的。

Bcl-2类蛋白Hax-1的功能

Bcl-2类蛋白广泛涉及细胞凋亡，尽管它们到底是保护细胞不发生凋亡还是诱导细胞发生凋亡的并不清楚。这项研究为了解Bcl-2家族成员Hax-1的功能提供了线索。Hax-1帮助线粒体菱形蛋白酶PARL处理线粒体蛋白酶HtrA2。HtrA2的蛋白酶活性在淋巴细胞及纹状体神经元中都是抑制凋亡所必需的。
 

2月29日《Science》

飞翔的蝙蝠以昆虫为榜样

研究人员报道说，蝙蝠用的是与昆虫相同的空气动力学技巧在高空中逗留。当蝙蝠的翼翅向下扇动时，这一动作产生了一种叫做前缘涡流的细微气旋，蝙蝠借此将身体向上提拉。人们已知昆虫在飞行时会运用这种涡流，但是研究人员不知道这种机制是否也适用于较大、较重的动物如蝙蝠，特别是当其缓慢飞行或在空中盘旋滑翔的时候。Florian Muijres及其在瑞典和美国的同事对小体型的在风道中飞行的吸蜜蝙蝠进行了研究。在烟雾机的帮助下，研究人员对飞过风道的蝙蝠的尾流中的烟雾粒子的运动进行了记录。其结果提示，这些涡流可以提供帮助该类动物在空中停留的高达40%的提升力。

云雾朦胧可能是微生物引起的

研究人员报道说，在大气中催化成冰的粒子中有大得令人意外的比例是细菌和其他种类的微生物。这些发现应该对破解生物圈与气候之间的反馈、改善气候预测模型及了解大气对植物病原体及其他微生物的播散方式有所助益。雨水和降雪发端于在云中的微小冰晶的增长，这一过程发生于冰凝结在被称为气态悬浮质的颗粒周围的时候。Brent Christner及同事对来自世界各地的多种中高纬度地带的新鲜降雪中的冰的成核悬浮质进行了取样分析。他们发现，这些悬浮质中有很大的部分是由细胞或细胞碎片组成的。南极的雪中所含的生物性悬浮质的浓度最低，而来自蒙大拿和法国的雪中的生物性悬浮质的浓度最高。

陨石中发现石墨晶须

研究人员在数个陨石的原始颗粒中认出了一种不寻常的被称为石墨晶须的碳结构。这一发现可能帮助我们了解我们的太阳系是如何凝聚而成的，它也许还能帮助人们了解那些被称为超新星的某些特征。石墨晶须可以在实验室中从高温等离子体的凝聚过程中获得，但是它们迄今为止尚未在自然界中被发现。研究人员提出，这些针状石墨结构可能会影响1a型超新星的亮度，而亮度则在天文学中被用来测量距离的远近。现在，Marc Fries与Andrew Steele在数个陨石的某些最原始的矿物颗粒(它们也是在最高温度的情况下形成的)中发现了数条石墨晶须。因此，这些晶须可能是在我们太阳系早期灼热的星云中凝聚而成的，而且它们可能也存在于其他的星系之中。

与某些肌萎缩性侧索硬化病例

有关的基因

研究人员已经找到了一种与某些病例的肌萎缩性侧索硬化(或称ALS，也被称为Lou Gehrig氏病)相关的罕见的基因变异。这些发现可能会帮助研究人员更多地了解这一致命的成年时起病的运动神经元疾病的发展过程。该疾病中有5%～10%的病例是有遗传性的(其他病例的发病原因尚不清楚)。Jemeen Sreedharan及其在英国和澳大利亚的同事对英国一个遗传性ALS的大家族进行了分析。他们在一个叫做TDP-43的基因中发现了一种变异，而该变异看来与该疾病有关。研究人员在受ALS影响的神经元中发现了团簇状的TDP-43蛋白，而这些结果进一步加强了TDP-43与该疾病之间的关联性。

《科学》的新主编

加州大学旧金山分校的生物化学与生物物理学教授Bruce Alberts将于今年3月接掌《科学》杂志的主编一职。Marc Kirschner在本期人物简介中记述了Alberts博士的成就。他开始时从事的是DNA的生物化学研究。在离开“工作台”后，Alberts将精力集中在了教育和公共服务上，并于1993年成为美国国家科学院(National Academies of Science)的主席。他还同时担任国际科学院(InterAcademy)的共同主席及美国细胞生物学学会(American Society of Cell Biology)的主席。Kirschner在文章中写道，由Alberts担任《科学》的主编，“我们可以肯定担任这一位置的是最佳的人选”。