《PNAS》八大热点文章

　　

生物通报道：《PNAS》（美国国家科学院院刊）是与Nature、Science齐名，被引用次数最多的综合学科文献之一，PNAS收录的文献涵盖生物、物理和社 科学，主要内容包括具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文以及美国国家科学学会学术动态的报道和出版。近期其最受关注的文章（生物类）如下：

Deep neural network improves fracture detection by clinicians

历史上，放射学中的计算机辅助检测（CAD）未能实现诊断准确性的提高，降低了临床医生的敏感度并导致不必要的进一步诊断。随着CAD深度学习方法的出现，人们对其在医学中的应用前景很感兴趣，但几乎没有证据表明在临床相关应用中提高了诊断准确性。

研究人员训练了一种深度学习模型来检测X线片上的骨折，其诊断准确性与高级专科骨科医生相似。他们证明，当急诊临床医生在获得训练模型的帮助时，他们准确检测骨折的能力显着提高。

Paternal diet programs offspring health through sperm- and seminal plasma-specific pathways in mice

研究人员发现，给雄性小鼠喂食质量差的饮食，会导致其后代体重增加、出现II型糖尿病症状，此外，后代小鼠调节脂肪代谢的相关基因表达也一并减少。

许多研究表明，超重、吸烟、酗酒或患有II型糖尿病的男性的精子质量通常比来自健康男性的精子质量差。然而，很少有人知道生活方式对父亲和其后代的长期健康有何影响。

诺丁汉大学生殖生物学助理教授Adam Watkins博士指出：人们很清楚怀孕时的母亲应该注意饮食以免影响孩子的发育和健康，并且，有关准妈妈的健康生活方式和良好饮食选择对自己和孩子健康的重要信息也不绝于耳。有趣的是，关于准爸爸却很少有建议和要求。

我们利用哺乳动物模式生物小鼠的研究表明，受孕时，父亲的饮食和健康状况对其后代的生长和代谢健康具有长期影响。我们的研究不仅确认了不良的饮食对后代健康的不利影响，还揭示了这些影响的背后机理。

小鼠研究发现，喂食低蛋白饲料的雄性小鼠比喂食正常饲料的小鼠所生产的精子中，调节基因表达的化学DNA标签明显更少。

Maps of subjective feelings

2014年PNAS的一篇关于人体情绪地图的文章（Bodily maps of emotions）令人印象深刻，研究指出外界刺激致使人们情绪发生变化时，身体总能先一步做出反应，由此芬兰的科学家根据人们在经历某些情绪时的反应，绘制了人体的“情绪地图”。

时隔四年，这一研究组又发表了相对应的另外一篇文章：“Maps of subjective feelings”，揭示了我们的主观感受如何映射为五大类：积极情绪，消极情绪，认知功能，躯体状态和疾病，这些主观感受伴随着强烈的身体感受。

这一研究成果公布在PNAS杂志上，由芬兰坦佩雷大学Jari K. Hietanen研究组完成。

我们人体不断的经历着瞬息万变的主观感受，只有在睡眠和深度昏迷时才会停止，这些感受与机体生物性功能密切相关。

最新这项研究在线分析了超过1000个个体，他们首先通过通过100个情绪状态评估了个体的自身和感官感觉，以及他们如何控制自己的情绪，然后研究人员再分析这些感觉的相似性，已经情绪对身体的影响。

研究结果发现，有意识的感受来自身体的反馈，“虽然意识来自于我们大脑的功能，以及我们经历后“安置”在大脑的感觉，但是机体反馈与此也有密切的联系”，文章的作者之一，Lauri Nummenmaa说。

Drought losses in China might double between the 1.5 °C and 2.0 °C warming

1984至2017年全球干旱每年直接经济损失超过了1155亿元人民币，约占气象灾害总损失的13%。2008至2017的10年间，全球干旱年均损失显著增加，达到了1666亿元，是多年平均值的1.4倍。1984至2017年，中国干旱灾害每年的直接经济损失也超过444亿元，约占气象灾害总损失的20%。近10年，干旱损失增加到了686亿元，是多年平均的1.5倍。在气候变暖背景下，未来全球和中国将可能面临更严重的干旱事件。为了减少气候变暖带来的影响，国际社会于2015年达成了《巴黎协议》，指出全球平均气温上升幅度需控制在相对于工业化前水平2.0oC以内，并努力控制在1.5oC以内。全球温升1.5oC和2.0oC目标下，中国未来干旱造成的社会经济损失的风险研究仍然是空白。

10月，《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了题为Drought losses in China might double between the 1.5°C and 2.0°C warming的论文。中国科学院新疆生态与地理研究所特聘研究员苏布达、副研究员陶辉团队，与国内外多家单位合作，经过长期研究，在中国干旱灾害多尺度风险评估研究中取得新进展。研究团队有别于传统的站点灾害分析，创建“强度–面积–持续时间”多维极端事件辨识方法，运用22个GCMs计算模拟了SPEI、PDSI和SPI等多种干旱指数，辨识了中国干旱事件的强度、暴露面积和事件持续时间；在共享社会经济路径（SSP）社会经济预测的基础上，充分考虑经济社会发展适应能力的提升，构建了中国31个省市与适应能力相适应的强度–损失脆弱性曲线，并在可持续路径（SSP1）、中间路径（SSP2）、区域竞争路径（SSP3）、不均衡路径（SSP4）和化石燃料为主的发展路径（SSP5）等五种共享社会经济路径情景下，科学评估了全球升温1.5oC和2.0oC干旱带来的经济损失及损失相当于年度GDP比重情况。

研究发现：全球升温1.5oC和2.0oC，干旱事件强度和影响范围比当前现状均呈现增加趋势（图1）。全球升温1.5oC，可持续发展路径（SSP1）下干旱灾害损失是当前现状（2006-2015年）的3倍。全球升温2.0oC，传统化石燃料为主发展路径（SSP5）的干旱灾害损失更高，为全球升温1.5oC时损失的2倍（图2a）。未来损失大幅度增加不仅是干旱事件的强度、暴露面积和事件持续时间的增加所造成的，更是社会经济干旱暴露度和脆弱性增加的后果。

随着经济社会发展，干旱损失占当年度的GDP比重从1986至2005年的0.23%下降为2006至2015年的0.16%。未来气候变暖和社会经济可持续发展，干旱损失占GDP的比重的减少趋势将发生逆转。全球升温2.0oC，干旱损失占GDP的比重将可能回到1986至2005年的水平（图2b）。因此，全球温升控制在1.5oC，中国将会减少人民币数千亿元的经济损失。中国干旱损失风险评估研究科学地回答了全球控温的重要性。

研究论文共同第一作者是苏布达和新疆生地所博士研究生黄金龙，通讯作者是国家气候中心研究员姜彤和波兰科学院农林研究所教授Zbigniew W. Kundzewicz。该项研究国内外合作单位作者还有陶辉、新疆生地所博士研究生王安乾，南京信息工程大学副教授王艳君、教授王国杰和博士孙赫敏，国家气候中心副研究员翟建青和博士李修仓，华中科技大学副教授曾小凡，德国图宾根大学博士Thomas Fischer和Marco Gemmer。

Nucleosomes inhibit target cleavage by CRISPR-Cas9 in vivo

来自犹他大学的科学家们通过研究发现，核小体会抑制CRISPR/Cas9的切割效率。

研究人员利用CRISPR/Cas9技术对活酵母中不同的导向RNAs进行编辑，这就能够实现对不同靶点的编辑。研究者表示，相比非核小体的区域而言，当对核小体区域进行编辑时，CRISPR/Cas9的编辑效率会发生降低；当研究人员对诸如锌指等基因编辑技术进行监测时，他们并未发现任何差异，后期研究人员或将进行更为深入的研究来改善CRISPR/Cas9对核小体区域进行基因编辑的效率。

Mammal diversity will take millions of years to recover from the current biodiversity crisis

因地球环境发生巨大变化以致大多数动植物物种灭绝，这一过程被称为大规模灭绝时代。在过去的4.5亿年中地球发生了五次大规模灭绝，都归咎于自然灾害。但现在，人类活动酿造出的第六次物种大灭绝时代已悄然来临。近日，丹麦奥胡斯大学的科学家们通过计算证实了这一“传闻”…

“（人类）杀死越来越多的哺乳动物，地球正在进入第六次大规模灭绝期。”国际自然保护联盟预测称，在未来100年内，99.9％的极度濒危物种和67％的濒危物种将会完全灭绝。最近丹麦奥胡斯大学的科学家们计算了物种灭绝的速度，以及使地球恢复到目前的生物多样性水平所需的最少时间。研究结果发表于PNAS。

进化是地球防御生物多样性丧失的自然防御机制。随着栖息地和气候的变化，难以适应环境得以生存的物种逐渐死亡，新物种慢慢出现。但是新物种填补前者的空白需要相当长的时间，而且这个过程远远慢于人类导致哺乳动物灭绝的速度。

研究人员使用包含现有哺乳动物物种和已经灭绝的哺乳动物的数据库，将这些数据与预计未来50年内灭绝物种的信息相结合，利用进化的先进模拟来预测物种多样性恢复需要多长时间。

基于一种乐观的假设，即人们最终会停止破坏地球、导致物种灭绝，灭绝率将会下降。在此基础上，研究结果显示，地球需要300-500万年才能恢复到我们今天地球上的生物多样性水平，500-700万年恢复到现代人类进化之前的水平。

Gravity of human impacts mediates coral reef conservation gains

热带珊瑚礁对维护生态系统和为人类提供鱼类资源都起到举足轻重的作用，但是珊瑚礁的健康状态在世界范围内都出现下降。为此，世界各国都建立了海洋保护区，通过禁止捕鱼等措施来保护珊瑚礁的生态系统。但是在海洋保护区周边的人类活动对保护区生态保护作用的影响仍然没有得到足够的研究。

澳大利亚詹姆斯库克大学 (James Cook University) 的研究人员对全球 1800 多个热带珊瑚礁进行了研究。他们发现海洋保护区周边的人群即使遵守保护区的生物保护规章，他们的活动仍然会对保护区的生态保护作用产生影响。周边人类活动程度高的海洋保护区中几乎无法发现在珊瑚礁生态系统中存在的顶级捕食者。这些顶级捕食者只有在周边人类活动程度低的海洋保护区中才能发现。

而周边人类活动程度中等的海洋保护区与开放捕鱼的海域相比，在提高珊瑚礁鱼类生物量 (fish biomass) 方面的效果相对最高。这意味着根据环保目标的不同，海洋保护区应该设立在不同地区。在人类活动程度中等或高的地区设立保护区能够显著提高鱼类生物量。但是如果环保目标为保护珊瑚礁生态系统中的顶级捕食者，那么保护区需要设定在人类活动程度低的海域。

Automatically identifying, counting, and describing wild animals in camera-trap images with deep learning

在野生动物的自然栖息地设置携带运动传感器 (motion sensor) 的相机能够让研究人员以廉价的方式在不影响动物的情况下获取大量与它们的位置和行为相关的信息。这些信息对改善我们对生态系统的研究和保护都非常重要。携带运动传感器的相机虽然能够拍摄大量动物的照片，但是对这些照片的分析通常需要人力来进行。这个费时费力的过程是阻碍运动传感器相机发挥出全部潜力的重要障碍。怀俄明大学 (University of Wyoming) 的研究人员试图使用人工智能来自动对野生动物的照片进行分析。他们训练深卷积神经网络 (deep convolutional neural networks) 来识别，记录和描述 320 万张在非洲塞伦盖蒂 (Serengeti) 国家公园中拍摄的照片中 48 种动物的行为。研究表明，他们开发的深度学习网络能够以 96.6% 的准确性自动识别 99.3% 的照片中的动物。它的准确率与人类志愿者分析达到的准确性相同，但是使用人工智能可以为人类志愿者节约超过 8.4 年的时间。这一研究表明，使用人工智能自动、准确并且廉价地分析图像数据可能将野生动物生物学，动物学 (zoology)，保护生物学(conservation biology) 和动物行为学转化为新一代的“大数据”研究。

(生物通)