本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

10月25日《Nature》

封面故事：固体中电子运动时间差别的实验研究

电子在固体中能以非常高的速度运动，能在几十至几百阿秒（一阿秒等于一秒的十亿分之一的十亿分之一，即10-18秒）内穿过原子层及界面。这些非常短的运动时间最终将限制未来电子装置的运行速度。现在，物理学家对这种电子动态进行了实时实验探索。本期封面所示为在一种固体中第一次进行的阿秒光谱测量工作，显示了在一个钨晶体中进行光激发之后两种不同类型的电子在运动时间上有一个110阿秒的差别。能够对在固体中、在相距仅几个原子的距离内运动的电子进行时间测定的能力，使得我们有可能对以极限速度发生的固态电子过程进行研究，从而帮助推进如计算、数据存储和光伏发电等技术，这些技术都依赖于对在越来越小的固体物质结构中电子传输进行极为精确的控制。


关于生长素与植物发育的一个新模型

“生长素极性输送”是植物所有发育过程中的一个因素，但关于这个因素是怎样发挥作用的仍有很多东西需要了解。在细胞中，“生长素定向输送”由PIN蛋白载体复合物控制。现在，研究人员已经开发出一个新的计算模型，来描述根系中细胞内和细胞间的扩散及由PIN帮助进行的生长素输送。该模型涉及植物发育的两大问题。第一，它支持关于生长素在引导根生长方面有一个最大值和一个梯度的概念。第二，它反映了一个分子何以能够产生一系列信息：整个器官生长区的一个浓度梯度与生长素最大值密切相关。另一篇相关的论文表明，４个PLETHORA基因是根发育所必不可少的，是生长素梯度的候选输出因子。


结肠癌干细胞的标记

小肠和结肠壁上的细胞在整个生命中能够迅速再生。虽然它们是所有干细胞中功能最明确的细胞之一，但要分离出纯粹的或高度富集的小肠上皮干细胞群一直被证明是一个难以实现的目标。现在，这个目标已经实现。Lgr5基因（Wnt细胞信号系统）已经被确定为几种成年组织中和癌症中干细胞的一个独特标记。Lgr5最初是在结肠癌细胞中发现的，现在在恶化前的小鼠腺瘤中也发现了，这说明Lgr5+也许是结肠癌干细胞的一个标记。

土星A-环中新发现８个推进器形状的扰动

在土星的A-环中观测到４个推进器形状的扰动（是在2004年由“卡西尼”拍摄的图片中发现的），这是在该环中存在小型顽石大小的嵌入式卫星的证据。过去科学家认为，该环中的这种卫星将不止４个。实际上的确有更多的这种卫星：现在科学家在后来的一组“卡西尼”图片中发现了８个新的推进器形状的特征，这组图片覆盖了整个Ａ-环。引起这些扰动的小卫星半径在30米到70米之间，可能是一颗较大的嵌入式卫星分解后形成的，后者曾经在这个位置绕土星的环运行。


“中子滴线”及两种多中子镁和铝同位素的检测

一定数量的质子可以结合多少个中子？这个极限值被称为“中子滴线”（neutron drip line），它在核物理中具有根本性的重要性。物理学家只知道最轻元素的这个参数，这是由于单个粒子之间存在复杂的相互作用以及它们所具有的集体性量子效应，但两种富含中子的镁和铝同位素的检测，是科学家向确定这一极限所迈出的一大步。这两种同位素分别是40Mg 和 42Al，是预测存在于稳定性边缘的“滴线”核，是在美国国家超导回旋加速器实验室的耦合回旋加速器装置上产生的。42Al的出现是第一次通过实验表明，中子非常多的铝同位素的稳定性相对于镁被增强，它也表明，“中子滴线”与稳定同位素的距离可能要比人们所预料的更远。这些发现说明，对于原子序数在12以上的原子核来说，“滴线”可能是当前最新的和预测中的核科学装置所不能探测到的。

一种用于分析生物分子的全新质谱方法

质谱在检测生物分子方面有很大潜力，但现有方法存在几个缺陷，其中包括缺少所需的灵敏度和需要基质分子促使分析对象发生离子化等。一种利用激光或离子束来从纳米尺度的小囊中气化材料的全新方法有可能克服这些局限性。该方法涉及一种特制的表面，它含有“启动分子”，这些“启动分子”在受到激光或离子束照射时会猛烈爆发。这种爆发释放出离子化的分析物分子，它们被吸收到表面上，使其能够被检测到。这种被称为NIMS（即“纳米结构启动质谱”），能以极高的灵敏度分析非常小的区域，从而允许对肽阵列、血液、尿和单个细胞进行分析，而且甚至还能用于组织成像。

关于超固体氦热力学特征的新证据

2004年，科学家在实验中明显观测到超固体氦的存在，这在物理学界引起人们很大兴趣，也在物理学界之外引起人们的好奇。但预计将伴随这种转变出现的热力学特征却没有被发现。现在，科学家提出了关于这一问题的新证据。这种现象（它与当液体氦进入超流体状态时所表现出的现象有相似之处）是在当固体的一部分要与周围晶格的运动解除耦合时出现的。新的实验显示了一个热容峰值，它的出现时间与物质解除耦合的开始时间巧合，这表明在氦-4的正常固体相与超固体相之间存在一个真正的相变。

关于异常3He/4He比的“矛盾”得到解释

地球含有两种氦同位素：一种是原始的3He， 它是在地球形成过程中进入地球的；另一种是4He，主要是在地球漫长的历史中由铀和钍衰变产生的。从夏威夷等热点地区喷发出的岩浆具有相对较高的3He/4He比，因此有人提出，它们来自一个没有发生过气体溢出的、原始的地幔库。然而矛盾的是，在热点岩浆中所观测到的总氦浓度要比所预料的低很多。这使得关于地球地幔结构和动态的传统观点受到了质疑。现在，Helge Gonnermann 和 Sujoy Mukhopadhyay发现，这一明显的“矛盾”可以用稀有气体扩散进来自喷发的熔岩的气泡中的不同速度来解释。结果证实，认为存在一个原始地幔库的观点的确有可能解释在这样的热点岩浆中所观测到的异常3He/4He比。

捕食者和被捕食者种群稳定性之谜被揭开

很多、甚至大多数捕食者和被捕食者种群之稳定让人不解，尽管事实上这种稳定性预计是基于一般会出现的生态互动的种类。Fryxell等人提出一个假说：有助于这种稳定性的一个因素是捕食者搜索效率的降低，而这种降低是由捕食者和被捕食者的群体形成引起的。关于来自Serengeti国家公园中的狮子和它们的大型食草动物猎物的野外观测数据表明，捕食者和被捕食者的群体形成都对种群动态有巨大影响，从而使本来可能会非常不稳定的一种状况产生稳定性。

原肠胚形成过程的实验观测研究

原肠胚形成是胚胎形成中的一个关键事件。控制羊膜动物中原肠胚形成运动的机制不是很清楚，并且经常是从关于其他物种的研究来推断的。现在，Voiculescu等人报告了对在原肠胚形成过程中活鸡胚胎中各种细胞运动的首次时差分析（time-lapse analysis）。多光子时差显微镜分析显示了与在鱼类和两栖类中所描述的运动不同的运动，这对脊椎动物胚胎学研究及原肠胚形成的演化研究有重要意义。尤其是，这项工作显示了一个原肠胚形成之前的早期插入事件，它可能是回答关于羊膜动物原始条纹是怎样从远古胚孔演化而来的这样一个经典问题的关键。

10月26日《Science》

尼安德特人也许有红头发
一个欧洲研究小组发现，有些尼安德特人也许有色素变异，理论上他们可能具有与某些现代欧洲人类似的浅肤色和红头发。Carles Lalueza-Fox和同事分析了来自西班牙和意大利的两个尼安德特人的DNA样品。他们具体研究了MC1R基因序列，该基因编码与生产黑色素有关的蛋白质。在现代人类中，尤其是欧洲裔的人中，该基因的变异导致红头发和浅肤色，因为变异减弱了蛋白质的活性。文章作者在尼安德特人样品中找到了一个新的变异，或称“等位体”，并用培养细胞研究了变异蛋白质的活性。他们的结果指出，尼安德特人的等位体看起来与现代人类的变异对黑色素生产同样的作用。但是，尼安德特和现代人类的等位体不一样，文章作者说，MC1R基因的变异很可能是在这两个种群中独立出现的。
英文摘要：A Melanocortin 1 Receptor Allele Suggests Varying Pigmentation Among Neanderthals,Carles Lalueza-Fox, Holger R?mpler, David Caramelli,el al.

研究人员找到小鼠大脑中的药物渴求区域
研究人员发现，大脑中一个叫岛叶的区域在上苯丙胺瘾的小鼠的药物渴求中起作用。如果这些发现也适用于人类，这也许能导致针对药物上瘾和药物的行为副作用的治疗方法。岛叶位于大脑的深处，是监控身体对其生理状态和需求的感觉系统的一部分。Marco Contreras和一个智利研究小组发现，暂时沉默该区域中所有的神经元活动停止了小鼠对苯丙胺的渴求。在另一个试验中，研究人员给小鼠注射稳定情绪的锂药物，该药和其他一些药能引起了肠胃不适和心神不安等副作用。研究人员发现，当到岛叶的信号被阻断后，小鼠的行为正常。这个小组未来的计划包括较长时间地停止药物渴求和减轻其它苦恼。
英文摘要：Inactivation of the Interoceptive Insula Disrupts Drug Craving and Malaise Induced by Lithium,Marco Contreras, Francisco Ceric, and Fernando Torrealba

气候变化有固有的不确定性
一项新研究显示，气候研究人员将不能进一步精密地估计气候对人类产生影响的敏感性。这个发现也许会使政策治定者们开始制定与气候有关的政策，而不再等待更好地分析。气候“敏感性”指大气二氧化碳量是工业化前的两倍时可能造成的全球平均温度的变化。今年早些时候，政府间气候变化委员会达成共识：气候敏感性在2 到4.5 摄氏度之间，变化超过8 摄氏度的可能性为33%。这些数字代表了不断壮大的研究人员队伍用高级计算机的长达三十年的研究结果。根据Gerard Roe和Marcia Bake做的反馈分析，更高温度（8摄氏度）的低概率是气候系统的一个固有特性，不是数据或模型不够精确的结果。在本期一篇研究评述中， Myles R. Allen和 David J. Frame讨论了这一发现的实际后果。
英文摘要：Why Is Climate Sensitivity So Unpredictable?,Gerard H. Roe and Marcia B. Baker

可能的宇宙缺陷也许是早期宇宙的一个视窗
一个来自西班牙和英国的研究小组发现，宇宙中最古老的辐射—宇宙微波背景—中一个异常的冷点，也许是由大爆炸之后即刻产生的一个宇宙缺陷造成的。虽然这些发现还有待进一步研究的证实，这个提议也许为宇宙学家提供了早期宇宙是如何演化的一点线索。大爆炸刚发生之后，宇宙开始变冷、也开始膨胀，经历了各种各样的相变，类似于地球上物质从气态到液态到固态的转变，只不过更奇特。早期宇宙的相变和深冻冰箱中的相变一样，都不规则地发生。比如，一个冰块中的混浊点标记了水结晶时留下的缺陷。早在1970年代中期，粒子物理学家就认识到在不同粒子从早期宇宙的热等离子体中分离出来时也应该形成各种各样的缺陷。Marcos Cruz和同事分析了宇宙微波背景图上的一个冷点，并确定其具有宇宙构造缺陷的性质。
英文摘要：A Cosmic Microwave Background Feature Consistent With a Cosmic texture,M. Cruz, N. Turok, P. Vielva, E. Martínez-González, and M. Hobson