本期《科学》《自然》精选

本期《科学》《自然》精选

　　

生物通报道：

3月29日《Nature》

封面故事：《被鞭挞的耶稣》中三个神秘人物的身分被确定

本期封面所示为皮耶罗•德拉•弗朗西斯卡（Piero della Francesca）的绘画作品《被鞭挞的耶稣》（The Flagellation of Christ），创作于1460年，现正在意大利乌尔比诺的马尔凯国家美术馆(Galleria Nazionale delle Marche)展出。皮耶罗的过人之处是对透视法的杰出运用，比如说在用砖铺成的地面上等，这种技法使得该作品成为文艺复兴时期最著名的杰作之一。但该作品之所以出名也是因为它含有若干神秘元素，尤其是右边的三个人物的身分。科学史专家David King提出了一个让很多艺术家惊愕的新颖假设，凭借该假设他声称一举识别出所有三个神秘人物的身分。在一篇News Feature文章中，Jo Marchant报告了在David King所做的识别结果背后的历史和数学侦探工作（这项工作从一个15世纪的星盘上的文字的识别开始），并且还对艺术界另一个被更广泛接受的观点做了解释。Page: 488 

一个新的流行病学模型

一个新的流行病学模型应能为那些试图预测如流感、麻疹、百日咳和水痘等季节性传染病的复发情况的人们提供帮助，并且对于免疫工作的设计也将有参考意义。该模型主要着眼于流行病爆发之后会发生什么，而不是着眼于其早期阶段。其关键发现是，存在一个流行阈限，该阈限由上次爆发之后一个人群的易感性和新易感个体加入该人群的速度决定。如果还没有形成免疫力的暴露个体的人数很大，那么就很可能出现一次疫情。但如果易感者数量低于阈限值，那么相关疾病就会“跳过”一年。Page: 533 

过去4.2亿年间的气候敏感性

了解全球平均表面温度对大气二氧化碳浓度的响应，是理解过去气候变化的关键，也是预测未来气候变化的关键。对由大气中二氧化碳浓度加倍而造成的温度上升（即所谓的“气候敏感性”）的多数估计，是基于过去几十年至上千年的气候变化记录，因而限制了它们在不同气候条件下的适用性。Royer等人采用了一种新颖的方法，即模拟二氧化碳浓度，并将模拟结果与代理记录进行比较，以估计过去4.2亿年间的长时间尺度上的气候敏感性。他们获得的结果表明，气候敏感性几乎肯定超过1.5 °C。这与根据短期记录所做的估计是一致的，说明它可能是这一时间段里地球气候系统的一个稳定特征。Page: 530 

信息素cVA对雌性和雄性的不同作用

易挥发的信息素11-cis-vaccenyl acetate (cVA)是由雄性果蝇产生的，来自几个方面的证据表明，它通过对嗅觉受体神经元中的Or67d受体的一种效应来引导交配行为。涉及对Or67d基因的定向突变的一个实验证实，事实的确是这样，但却有一个曲折：在两个性别中cVA都发挥作用，但在雄性中它抑制交配行为，在雌性中它鼓励交配行为。缺失Or67d的突变雄性错误地向其他雄性求偶，而有同样突变的的雌性对求偶的雄性却变得不是很接受。这项工作表明，信息素是通过单独一个专门的嗅觉通道来探测的，该通道在解剖上和功能上都与常见气味的组合性多通道编码有所不同。Page: 542 

哺乳动物到底是怎么出现的？

现代形式的哺乳动物是在非鸟类恐龙于距今6500万年前灭绝之后突然出现的、还是花了较长时间才有了其现代特征?关于这个问题的争论还在继续，古生物学家一般倾向于认为它们是突然出现的，而分子系统发生遗传学家则认为哺乳动物的根源要深得多。Olaf Bininda-Emonds等人利用大量分子数据发现，不仅哺乳动物的演化有很深的根源，而且现存的哺乳动物的一些目是在恐龙灭绝之后数百万年才出现在地球上的。在白垩纪末期发生的大灭绝对于哺乳动物的演化几乎没有可以辨别出的影响。Page: 507 

为什么锔有磁性而钚没有？

后锕系元素如钚和锔等（它们作为核反应堆中的基质和副产物而为人们熟悉）的核性质是很清楚的，但它们固体状态的性质就不是这样了，不符合标准模型。例如，不清楚为什么锔有磁性而钚没有。研究人员利用新的电子结构计算结果来识别出现这一反常行为的电子机制。他们发现，钚有一个不寻常的基态，它是由两个不同的原子价形成的一个量子叠加，而锔则在低温时处于一个磁有序单价状态。Page: 513 

怎样让光穿过比波长还小的孔？

Nature杂志1998年的一篇论文报告，共振增强的光可以穿透所谓的“plasmonic lattices”，即上面打了一系列直径比光波长小的孔的金属膜。该现象引起人们很大兴趣，首先是因为它是出乎意料的，其次是因为它有很多潜在应用，如在近场光学显微镜、在光刻印刷、在显示器和在其他方面等。过去，金属膜上所打孔的周期性被认为是关键，但新的实验表明，事实并不是这样。虽然随机分布的孔不能有效传播光，但有准晶或近似准晶结构的非周期性孔阵列却能够。在这些实验中所研究的晶格的传播共振在太赫（相当于百亿赫兹）光谱范围内，对此缺乏可用的光电材料。Page: 517 

磁交换力显微镜（MExFM）的首次应用

电子装置、自旋电子装置和其他装置的微型化意味着，磁装置活性元件现在正在进入纳米尺度的领域，在这个领域单个原子的磁性质变得越来越重要。就在不久前，对原子磁矩（或自旋）进行成像研究的惟一方法还是自旋偏振扫描隧道显微镜，它能够达到原子分辨率，但只能在导电表面上。后来，人们提出了磁交换力显微镜（MExFM）（实质上是用一台有一个磁头的原子力显微镜来探测处在显微镜尖部的原子的自旋与一个样品表面之间的磁交换力）来克服这一局限性。理论计算表明MExFM是具有可行性的，现在汉堡大学的一个小组报告了该方法的首次应用—他们利用一个铁磁尖来显示反铁磁性绝缘体氧化镍上的表面原子和它们的自旋的排列情况。Page: 522 

确定不含重原子的分子的绝对构型的方法

当一个分子不能叠加到其镜像上时，我们就说它是“手性”的。这个性质在整个自然界都具有决定性的重要性，因为DNA、蛋白质和很多小分子都是手性的。不规则Ｘ－射线散射已经成为确定一个分子的绝对构型的权威方法，但除非分子包含一个“重”原子（例如溴），否则该方法不能使用。现在，Haesler等人发现，拉曼光活性方面的仪器进展，加上量子化学计算方法的运用，使得人们有可能确定不含重原子的分子的绝对构型，在本例中为一种专门合成的有手性的氘化新戊烷（季戊烷），它代表着所有因非对称质量分布而具有手性的分子。这一分子的绝对构型的明确光谱确定曾是一大挑战，它是现有方法所能做到的极限。Page: 526 

矿山微生物为什么能适应严酷自然环境？

酸性矿山排出物的形成是最普遍和最严重的环境问题之一，是由微生物群落调控的，这些群落经常为II-类钩端螺旋菌属（Leptospirillum group II）所支配。这些微生物生长在pH值一般低于1.0、富含有毒金属的硫酸溶液中。来自美国加州Iron Mountain被废弃的Richmond矿的生物膜，是研究这些重要微生物群落的理想材料，因为它们所包含的物种数量相对很少。一项高分辨率蛋白组-基因组学（proteogenomic）研究表明，在彼此关系密切的细菌种群和在生物个体之间大量的基因变种交换，是它们适应这一严酷生态环境的关键。这项工作是在微生物的自然环境中对它们进行研究方面的一项重要进展，这种蛋白组-基因组学方法在其他方面也应能够找到用途，比如说在对病原体的分类中。Page: 537 


3月30日《Science》

大鲨鱼消失使有壳水生物受害
研究人员报告说，大西洋西北部大鲨鱼的减少导致扇贝、蛤蜊、牡蛎、以及其它有壳水生动物数量的下降。这个方程中的中间成员是大鲨鱼的捕食对象，它们是吃有壳水生物的魟鱼、鳐鱼和小鲨鱼。在这项研究中，Ransom Myers和同事介绍，由于对鲨鱼翅和肉的需求的上升，近几十年来世界范围对大鲨鱼的捕捞在增加，同时，大鲨鱼有时也成为打捞其它鱼类的副渔货物。通过分析汇总的独立研究调查以及渔场记录，作者确定出11种大鲨鱼的减少，导致了被这些大鲨鱼捕食的12种小鲨鱼、魟鱼和鳐鱼数量的上升。其中一种名为牛鼻魟的种群数自1970年以来增加了20倍，而该鱼的捕食对象--双壳软体动物的数量大为下降，致使美国东部海岸的有壳水生动物渔场遭受损失，同时水的质量也有所下降。 
报告：Cascading Effects of the Loss of Apex Predatory Sharks from a Coastal Ocean, Ransom A. Myers, Julia K. Baum, Travis D. Shepherd, Sean P. Powers, and Charles H. Peterson 


如何使抗疟疾的蚊子传播
新研究提出一个用不能传播疾病的昆虫来取代野生昆虫种群的可能战略。虽然研究人员制造出了转基因蚊子，使它们传播疟疾和登革热的能力大为降低，但是仍需要找到一个驱动这个基因在野生蚊子种群中传播的方法。一种可能是一类被称为“Medea 要素”的自私基因，这些基因诱导没有从母系继承该基因的后代死亡。虽然人们还不知道该基因如何工作，但是估计它同时编码一个毒素和一个解毒剂，如果毒素由于某种原因出现在母体的卵子中，没有解毒剂的胚胎不能成活。Chun-Hong Chen和同事在果蝇中制造了一个类似Medea的自私基因，它可能成为使感染能力低的蚊子在野外快速增加的驱动机制。文章作者还讨论了设计能更稳定地遗传以及在需要的时候能被消除的"驱动"要素意味着什么。 
科学特快报告： A Synthetic Maternal-Effect Selfish Genetic Element Drives Population Replacement in Drosophila, Chun-Hong Chen, et al. 

评估学生的学习机会
一项新研究报告说，虽然美国小学教师中许多人达到了他们所在州的资格标准，但是这些教师没有为学生提供足够的有意义的学习机会。本期这篇教育论坛文章指出，大多数州“具备高度合格条件”的教师的标准主要强调学位情况，而不是教学表现，从而没有将教师的课堂经验考虑进去，Robert C. Pianta 和同事说。研究人员观察了一年级、三年级、和五年级的2500多个教室中的1000多个学生的课堂经历。他们用行为编号和打分来评估学生学习的机会，研究人员编号了44种行为事件（比如课堂管理、分析、和过渡），然后给观察期间情绪与指导气氛方面打分。教学观察显示，学生的经历中不包括许多科学、技术、以及分析地解决问题这些人们希望的好课堂环境中应有的内容。文章作者提出，需要更多的研究来做进一步的调查以及找到针对问题的更有效的改进方法。 
教育论坛：Opportunities to Learn in America's Elementary Classrooms, Robert C. Pianta, et al. 


有些珊瑚能在高酸性环境中存活？
新研究提出，石珊瑚也许能经受住海洋酸性的增加。大气二氧化碳水平的增加将导致更多的二氧化碳溶解到海洋中，增加海洋的酸性，从而可能会导致珊瑚的石质骨架的溶解。一项新的实验室研究发现，某些石珊瑚随着软体珊瑚虫的形成，看来能经受增加的酸性，而且当pH值恢复正常时，它们能再次生产硬的骨架。虽然这些新研究显示珊瑚也许能经受住海洋pH值临时的下降，但是文章作者警告说，珊瑚礁的溶解仍会给珊瑚礁的生态系统和它们给人类社会提供的服务带来大的变化。在本期的简报中，Maoz Fine和Dan Tchernov在pH值比它们所在水域低一级的试验环境中，检验了来自5种石珊瑚的珊瑚片。一个月后，珊瑚骨架溶解了，但是珊瑚虫仍连接在石质衬底上。所有的珊瑚片存活到为时12个月的试验结束，而且当恢复了正常条件后，珊瑚虫重新钙化。这些发现也许能帮助解释为什么有些珊瑚在化石记录中消失了，而后来又出现了。 
简报：Scleractinian Coral Species Survive and Recover from Decalcification, Maoz Fine and Dan Tchernov 


帮助肝脏再生的蛋白质
新研究发现，一个原来已知的调节神经元存活的蛋白质看来也在肝脏修复中起重要作用。这些发现提出，名为p75NTR的蛋白质也许是控制肝脏疾病药物的一个有用的靶标。由于so-hepatocyte增殖和形成新组织的能力，肝脏能非凡地自我再生。这个过程需要肝星状细胞来产生支持肝细胞增殖的基质。生长因子p75NTR在神经系统发育过程中以及受损后表达，其表达也在人与动物模型身上造成肝硬化的增加。为了更多地了解这个生长因子在肝脏再生中的作用，Melissa Passino和同事制造了一个缺少该蛋白质的小鼠家系。他们报告说，这些小鼠制造较少的肝细胞。p75NTR看来激活肝星状细胞，诱导它们分化成其它生长因子和肝细胞需要的细胞外基质，所以p75NTR是肝脏修复过程中两个关间细胞类型间的一个重要的连接。 
报告：Regulation of Hepatic Stellate Cell Differentiation by the Neurotrophin Receptor p75NTR, Melissa A. Passino, Ryan A. Adams, Shoana L. Sikorski, and Katerina Akassoglou 


更安全和减少环境影响的建筑材料
John E. Fernandez在本期一篇综述中指出，通过先进材料的使用，建筑物能够也应该以对地球资源影响更小方法来修建。建筑商接受新材料的速度比较慢，在新技术（比如PVC管道）已经进入商业应用后，往往还等待几十年的时间才接受它们。Fernandez介绍了现有的改进建筑物性能的技术，比如避免失火时倒塌的新型钢合金、地震易发地区中用橡胶和钢分层叠加的隔震建筑承重、以及增加水泥弹性和抗裂性的新进展。作者展望了一个更智能和高效的建筑物未来，甚至有自我清洁和自我诊断的性能，这个未来将通过材料科学家、建筑设计者和工程师的合作成为可能。他们面临发展高性能、保持人们健康、以及降低对环境影响的安全材料的挑战。 
综述：Materials for Aesthetic, Energy-Efficient, and Self-Diagnostic Buildings, John E. Fernández