本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：
3月22日《Nature》

封面故事：可以“推”动的化学反应

大多数化学反应的进行，需要反应物越过一个能量障碍。通常所提供的能量是热能、光能、压差或电势。现在，令很多化学家感到吃惊的是，机械力也被列在其中。也就是说，对于一个化学反应来说，我们可以把它“推”一把。在超声波的影响下，特殊设计的聚合物的重排反应可以加快，反应通道会出现偏向，产生从纯粹热或光诱导反应不能获得的产物。这些聚合物含有一种mechanophore，其位置在来自拉伸流（extensional flow）的力最大的点上。除了为控制化学反应提供新方法外，这项研究工作还会导致具有机械适应性的材料问世，如能够产生一种信号来警告将要出现的损坏、进行结构改变以减慢损坏速度、甚至自我修复的聚合物材料。Page: 423

大型梭菌类细胞毒素的自催化分解

Clostridium difficile是在医院中发生的感染的原因。它见于一些健康成年人的大肠中，正是由于在抗生素治疗过程中“好的”肠道细菌数量的减少，才为C. difficile毒素引起严重腹泻和大肠炎创造了条件。一项新的研究表明，所有大型梭菌类细胞毒素的分解是一个自催化过程，也就是说该毒素激发其本身，是由宿主纤维醇磷酸酯共因子诱导的。C. difficile感染极难治疗，所以将治疗药物瞄准这一由毒素激发的分解过程具有潜在重要性。Page: 415

维生素B12生物合成的最后一关被攻克

维生素B12（钴胺素）是已知最大的非聚合物天然产物之一，是惟一完全由微生物合成的一种维生素。尽管进行了多年研究，但科学家对该维生素的一部分的生物合成仍然很不了解。现在，研究人员终于揭示了其生物合成中的最后一个未知步骤。BluB的X-射线晶体结构已被确定。它是一种酶，利用分子氧来分解黄素（四羟酮醇）单核苷酸共因子，形成维生素B12的低配体。这一反应是一例不寻常的过程，即一种共因子在酶催化下被破坏来合成另一种共因子。Page: 449

关于金催化活性的研究

含有金的过渡金属催化剂，尤其是cationic phosphine-gold(I)复合物，正在成为种类越来越多的合成转化反应的强大催化剂。对金、尤其是对相对论效应的理论研究，能为合理解释这些催化剂所观测到的活性提供一个框架。David Gorin 和 F. Dean Toste利用实验和计算数据总结了我们目前对均一的金催化作用的理解，重点是以前未研究过的活性以及新方法的开发。Page: 395

不用保护官能团的新合成方法

全合成（用结构较简单的起始材料来合成复杂有机分子的过程）在过去50年里取得了引人瞩目的进步。尽管取得了这些进步，但能够生成足够数量大天然产物、供进一步研究的合成路径仍然是一个相当大的挑战。为了满足这一需求，一组化学家发现，在合成过程中使用“保护”官能团的例行做法是实现这一目标的一个关键障碍。在一个分子的其他部分在发生化学转变的时候，经常需要“保护”官能团来掩蔽该分子的活性部分。为了演示新方法所具有的潜力，该文作者们在没有使用任何一个“保护”官能团的情况下合成了一个大家族的海洋生物碱中的几个成员。该方法使他们能够在10步或更少的反应步骤中获得以前需要20步或更多化学反应步骤才能获得的数量有意义的分子。Page: 404

地幔上涌事实上不对称

新海洋壳是随地幔上涌在中洋脊产生的，这个过程过去被假设在活跃山脊下是对称的。但来自East Pacific Rise的新的地震成像数据表明，事实不是这样：地幔上涌事实上是歪斜的。这也许是海洋扩散中心的分割化的部分原因，并且也许还可解释为什么该山脊的一部分火山和热液活跃、而另一部分却处于休眠状态。Page: 409

YORP效应被观测到

YORP（Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddack）效应是太阳系中的一个重要影响因素。实际上观测它的作用过程是非常困难的，但是现在，对小行星1862 Apollo科学家已经做到了这一点。当太阳能从一个非对称天体被发射并重新辐射时，YORP效应出现。所产生的力起一个引擎的作用，驱动该天体转动。这一同样的非对称性还可被用来跟踪一个小行星的转动，因为它在不同时间反射不同数量的光。重新分析关于小行星1862 Apollo自旋的记录，研究人员发现，由于YORP效应，它的转动速度在仅仅40年时间里就已经增加了额外一圈，在效果上相当于增加了一天，即便Apollo的直径远远大于一公里。Page: 420

北美岩石圈底部和顶部的错位

一组地震图片、地质年代资料和板块运动重建资料，被用来比较北美岩石圈底部和顶部一个热点轨迹的位置和年代。这项工作显示，该轨迹的表面和深部存在一个明显错位；随着轨迹年龄的增长，该错位也在增加。该错位可以由北美底下地幔岩石圈中的蠕动得到最好的解释。这些观测结果所暗示的剪切作用表明，板块运动是由板块底部的粘性牵引力驱动的，而不是被其阻滞的。这一结论对于了解板块构造的驱动力有重要意义。Page: 428

影响生物多样性的生态因素和演化因素

生命的多样性被认为是源自一系列演化突发事件或“适应性辐射”。造成这些突发事件的条件是什么？为什么它们会在大灭绝之后出现、会出现在岛屿上、并且从时间上来讲是零星或偶然出现的？Justin Meyer 和 Rees Kassen在一个包含原生动物捕食者Tetrahymena thermophilia及其细菌猎物的群落中为我们提供了实验证据，该证据表明，引起演化突发事件的演化过程受这些捕食者影响。要减少猎物的种群数量，捕食者会降低猎物物种分化成新形式的速度。捕食者在孤立的岛屿上数量稀少，而且有时会发生大量灭绝，说明它们的缺席是随后发生的突发演化事件的一种催化剂。在另一篇论文中，Fukami等人利用模型细菌种群发现，生物多样性是向群落内迁移的生态过程和群落内的多样化演化过程这两个过程的结果。这意味着，只有将生态和演化综合起来，才能充分认识生物多样性。Page: 432

一个分子受体中两个效应的测量与区分

环核苷酸门控（CNG）通道是眼睛的光受体和鼻子的化学受体中调控电响应的膜蛋白。Biskup等人对由四个相同的亚单元组成的CNGA2通道中的配体结合和通道激活进行了同时测量。这使得人们首次有可能对一个分子受体中影响结合和影响构象变化的效应进行区分。分析显示，通道激活有一个令人吃惊的机制，该机制不符合具有相当结合点的已有门控模型，但却适合一个在配体结合中有高度正/负合作性的模型。Page: 440

怎样防止心肌肥大发展成心脏衰竭？

心脏增大或心肌肥大是对工作量增大的一种生理反应，帮助维持心脏功能。然而，如果这种状况时间长了，它会发展成心脏衰竭。在用一个心肌肥大小鼠模型所做的一项研究中，研究人员对这种转变是如何发生的有了新的认识。当实验动物心脏增大时，会形成新的血管来支持它。但大约两星期后，肿瘤抑制蛋白P53会在心脏细胞中积累，血管形成被阻断，小鼠出现心脏衰竭。通过抑制P53或通过促进血管形成来影响这一过程，也许可以成为阻止心肌肥大向心脏衰竭发展的一种手段。Page: 444

SD序列与第一个肽链的形成

核糖体不在一个mRNA的末端启动转录过程，相反，它们会结合到一个内部点（Shine-Dalgarno (SD)序列）上，然后单向转位。对断开核糖体的mRNA 和 30S部分之间的结合所需的力进行的精确测量显示，在第一个肽链形成之前，SD序列稳定核糖体-mRNA的相互作用。一旦该肽链形成，SD序列就不再稳定它。所以，最初肽链的形成是核糖体释放SD的一个触发因素，而且还可能是允许核糖体开始沿mRNA 运动的一个重要因素。Page: 454

端粒酶是怎样组合成形的？

端粒酶（起稳定线形染色体端部这一重要作用的核糖核蛋白（RNP）组合体）的生物起源是一个健康细胞中的一个重要过程，破坏它们的突变能引起疾病。研究人员对RNP组合体的机制很不了解。Michael Stone等人利用一种单分子方法对端粒酶组合体进行了实时分析，对每个组合步骤的精确顺序进行了分解。他们的结果确定了一个分成不同层次的组合机制，该机制包含两个连续的步骤—由蛋白诱导的RNA折叠，最后是将端粒酶复合物模制成它的功能形状。 Page: 458

3月23日《Science》

已知的一块最古老的地壳
一个国际小组在格陵兰岛发现了一个岩石系列，它们是在38亿年前海底裂开时形成的，这个发现能帮助确定地球的板块构造系统是什么时候开始的。地壳在海洋中的拓展洋中脊处不断地形成，这些区域的板块隆起裂开，在俯冲带处，下沉板块的材料可能被刮到静止板块的边缘上。科学家一直在争论板块构造是在地球历史的早期就开始的呢，还是在其45亿年历史的后期才开始的。格陵兰岛古老的岩石提示，板块构造系统比较早就开始了。这个岩石系列名为“蛇绿岩”，它含有与新地壳形成有关的几种火山岩。
报告：A Vestige of Earth's Oldest Ophiolite, Harald Furnes, Maarten de Wit, Hubert Staudigel, Minik Rosing, and Karlis Muehlenbachs

更好地预测风暴潮的大小
2005年淹没了美国新奥尔良市的卡特里娜飓风那样的、破坏性极大的风暴潮是由风暴从海洋刮过时向海洋转移的能量造成的。现在一项对这个能量转移是如何发生的研究也许能在暴风登陆前，帮助预测潜在风暴潮的大小。研究人员通常用的估计空气和海洋之间能量转移的方法主要靠观察这个方程中空气的影响：测量表面风速和湍流。但是，一个强风暴中的海洋飞溅和高破浪能影响这些测量，从而导致错误的估计。当2004年的伊万飓风扫过墨西哥湾时，Ewa Jarosz和同事利用这个风暴正巧从一系列测量仪器上方经过的机会，观察了能量转移方程中水的影响。他们对洋流速度的测量显示，最大的能量转移发生在风速在每秒32米（每小时72英里）以下，也就是风速刚好达到飓风水平时。
报告：Bottom-Up Determination of Air-Sea Momentum Exchange Under a Major Tropical Cyclone, Ewa Jarosz, Douglas A. Mitchell, David W. Wang, and William J. Teague

能看到全色的转基因小鼠
虽然人类看到的世界是全色的，但是许多我们哺乳类的亲戚只能感受到有限的色谱。现在，一个新的具有全色视觉的转基因小鼠系揭示，遗传突变也许是如何最终让我们的祖先看到七色彩虹的。大多数哺乳动物具有双色视觉，对人类来说，这些动物能看到黄色、蓝色、和灰色。灵长类动物有三色视觉。三色视觉需要三种名为“感光色素”的光敏分子以及相应的神经连接。新研究提出，一旦遗传突变在灵长类中制造出第三种感光色素，动物的大脑为了处理新的信号，能够重新连接自己，从而使全色视觉成为可能。Gerald Jacobs 和同事在他们的小鼠系的X染色体上引入一个突变，使小鼠中制造出第三个接受更长波长光线的感光色素。当这些研究人员测试小鼠区别不同颜色的壁板和灯时，他们发现这些小鼠具有全色视觉。
报告：Emergence of Novel Color Vision in Mice Engineered to Express a Human Cone Photopigment, Gerald H. Jacobs, Gary A. Williams, Hugh Cahill, and Jeremy Nathans

预测下一个大地震
引起2004年在东南亚造成极大破坏的海啸的苏门答腊-安达曼9级大地震，是从一个过去被认为不大可能破裂的地壳开始的。虽然这种极强地震的发生频率不高，但是2004年的事件使地震学家开始寻找预测大地震多久发生和为什么发生的新方法。苏门答腊-安达曼地震从俯冲带开始，俯冲带是两个板块相撞、一个板块滑到另一个板块下面的地带。Robert McCaffrey在一篇相关的研究评述中指出，板块相撞的速度以及相撞在俯冲带产生的热量是预测地震的两个重要参数。但是，他警告说，苏门答腊-安达曼地震的教训是“每个俯冲带都可能是卡住的、负重的、和危险的”。
研究评述：The Next Great Earthquake, Robert McCaffrey

在应激心脏重构中起作用的微RNA
一个新模型指出，在应激条件下，心脏收缩蛋白质alpha-MHC表达的降低和beta-MHC表达的增加与造成应激心脏扩展和衰竭有关。Eva van Rooij和同事发现编码心脏的主要收缩蛋白质alpha-MHC基因的一个内码子中的一段RNA，是心脏在应激条件下重构的关键。这些研究人员在alpha-MHC基因中找到了一个叫miR-208的微RNA，这个微RNA在过高表达beta-MHC收缩蛋白质的基因上必不可少。缺少miR-208的转基因小鼠没有过多地表达beta-MHC，所以这些小鼠的心脏没有表现出应激条件下常见的扩展和重构。
科学特快研究文章：Control of Stress-Dependent Cardiac Growth and Gene Expression by a MicroRNA, Eva van Rooij, et al.

细菌从敌人那里借防御武器
一项新研究指出，细菌能从威胁它们的病毒上借遗传序列并将其结合到自己的基因组中，从而试图躲避病毒未来的进攻。这种独特的防御涉及名为CRISPR的重复遗传序列，该序列遍布细菌的基因组。CRISPR片段在重复段之间有与威胁细菌的病毒序列类似的“间隔区”序列。Rodolphe Barrangou和同事现在展示，对乳制品生产很重要的嗜热链球菌能从进攻它们的病毒上获得新的间隔区序列。一段时间后，这些新的间隔区序列使细菌对病毒有免疫，可能是通过沉默病毒基因的表达。研究人员提出，其它与CRISPR有关的基因也参与这个抵抗机制。
报告：CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes, Rodolphe Barrangou, et al.