本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

12月7日《Nature》

封面故事：生物燃料热背后的事实

生物燃料是当今的热门话题，在媒体报道中占突出地位，在股票市场上也吸引着大量资金。但这种热度在多大程度上是有根据的呢？这是否只是一种宣传呢？在本期的一篇长达11页的Business News Feature文章中，Nature记者揭示了生物燃料热背后的事实。


电活动对胚胎神经发育的影响

最近，研究人员发现，电活动在胚胎神经发育中起举足轻重的作用。该发现为关于脑发育的研究引入了一个新的因素。Nicholas Spitzer 对关于在神经感应刚刚结束之后、突触尚未形成之前的发育阶段电活动对神经增殖、迁移和分异的影响的研究工作进行了综述。电信号作用似乎能够补充基因程序，并且可能为确保有效的神经系统组装提供反馈环。


奖励和惩罚一个都不能少

声誉的形成和高成本的惩罚都能诱导人类在社会困境中进行合作。两个策略不同之处在于，直接惩罚对惩罚者和被惩罚者都会产生成本，而声誉机制则会为惩罚者节省成本。所以在有有效声誉形成机制的环境中，高成本的惩罚的确应淘汰。但令人吃惊的是，事实并不是这样的：在一项低成本的声誉形成机制和间接的互惠关系能够有效发挥作用的公共财产游戏中，试验对象愿意要一种与高成本的惩罚所形成的组合，在这种组合中，搭便车者会受到更严厉的惩罚。通过欣赏声誉，可以使惩罚行动大大减少，前者可能是有助于惩罚选择的演化生存的一个因素。


“穴居人”的牙齿发育

生命史和发育的重要方面，如出生时的发育程度、成熟速度、以及儿童时期的长度等，都敏感地记录在了牙齿中，通过牙釉中每天的生长线及对臼齿伸长和压根形成的详细分析可以跟踪。现代人已知最近的亲缘种“穴居人”一直被认为儿童时期非常短，即个体生长非常快。现在，这个结论被一项关于“穴居人”臼齿的深入研究纠正了过来。虽然“穴居人”牙冠和压根发育完成的时间与现代人是一致的，但它们的牙釉和牙质接合点更复杂，其压根伸长速度在后期有一个高峰，这些特征仍能将它们与现代人区分开来。

一种紧凑而稳定的激光粒子加速器

传统粒子加速器通常有数百米长，所以科学家对能够在要短很多的距离内产生高能电子束的激光-等离子体加速器很感兴趣。这些紧凑型加速器可通过使用强激光脉冲驱动一个大电场来产生高质量电子束，但此前它们没有达到实用加速器所需的稳定性和可重复性。现在，科学家用一种新方法研制出了一种紧凑的、稳定的加速器，有可能用于如放射疗法和材料科学中的放射线研究等应用场合。这种新方法利用了一个首次在10年前提出、但以前未曾被掌握的思想：让第二个激光束与第一个激光束碰撞，从而使电子的注入和随后的加速能够更好地控制。


热辐射扫描隧道显微镜

光学成像所能达到的分辨率受所使用光的波长限制，即存在所谓的衍射极限。“近场扫描光学显微镜”技术，通过使用一种比入射光波长小的探针来测绘样品表面的电磁场，从而绕过了这个限制，所能达到的分辨率远远超过衍射极限。现在，该技术的一种变通形式已经问世，它完全不需要外部光源了。新方法被称为“热辐射扫描隧道显微镜”（TRSTM），它所利用的是来自样品本身的热红外线辐射，几乎可以看作是一台在近场工作的夜视照相机。

埃迪卡拉时期海洋中氧含量记录

地表的氧被认为主要是通过两个步骤出现的。第一步，大约23亿年前，大气和海洋表面氧含量明显增加，这一步已经受到了广泛研究。科学家对第二步的了解要少很多，这一步发生在大约8亿-5.42亿年前，似乎与复杂动物的演化相关。现在，来自阿曼苏丹国的沉积物的碳和硫同位素记录被用来构建埃迪卡拉（Ediacaran）时期（距今约6.35亿—5.42亿年前）海洋中氧含量的一个记录。所获得的数据表明，这一时期有三个明显的氧化阶段：在第二个阶段，深海中氧含量增加，该阶段似乎与复杂动物的演化相关。
从海洋颜色变化看全球气候变化趋势

搭载在OrbView-2卫星上的SeaWiFS仪器，在过去10年里积累了一系列关于世界海洋颜色的独特的高分辨率测绘结果。海洋颜色反映表面海水中光合作用浮游植物的丰度，后者又是全球尺度上海洋生产力的一种度量。与环境因素所做的对比显示，在这一时期，海洋生产力和全球气候趋势之间有一个密切联系，在1999年之后的变暖时期海洋生产力有显著下降。这一数据集将为了解未来气候变化怎样改变海洋食物链提供重要背景。

Klotho基因的一个可能的作用机制

Klotho基因是首次作为一种突变在一种小鼠身上发现的，该小鼠表现出一种综合征，很像人类的衰老，Klotho基因的过度表达能延长小鼠的寿命。哺乳动物身上也有抗衰老活性的证据。现在，研究人员已经发现了Klotho基因的一个可能的作用机制：它是一种主控分子（master molecule），将FGFR1(IIIc)（各种不同的、在不同功能层次上发挥作用的纤维原细胞生长因子的一个受体）转变成专门针对FGF23的一个受体，后者是来自骨头中的一种荷尔蒙，调控肾功能。

12月8日《Science》

HIV和疟疾互相帮助传播
一个新模型显示，疟疾寄生虫和人类免疫缺陷病毒(HIV)在人群中传播时互相帮助，这一发现帮助解释了这两种疾病在撒哈拉以南非洲的传播速度。过去的研究曾显示，艾滋病患者的HIV病毒数量在疟疾发作时增加，而且被HIV感染增加对疟疾的易感性。Laith Abu-Raddad和同事用一个数学模型来分析这些相互作用如何影响这两种疾病在非洲高风险地区人群中的传播。他们用来自肯尼亚Kisumu的数据检验了模型,发现这两个病原体之间的协同作用也许能解释自1980年以来，好几千HIV例感染和几乎100万例疟疾发作，协同作用也许帮助了萨哈拉以南非洲HIV的爆炸性传播。
报告：Dual Infection with HIV and Malaria Fuels the Spread of Both Diseases in Sub-Saharan Africa, Laith J. Abu-Raddad, Padmaja Patnaik, and James G. Kublin

埃博拉病毒杀死上千只大猩猩
Magdalena Bermejo和同事在本期一篇简报中指出，埃博拉病毒的扎伊尔毒株(ZEBOV)正在杀死上千只大猩猩。在过去10年中，在加蓬和刚果的人类ZEBOV爆发时，在附近森林中曾有西部大猩猩(学名Gorilla gorilla)和黑猩猩(Pan troglodytes)的死亡。研究人员怀疑也许ZEBOV是罪魁祸首，如果的确如此，将给动物保护带来影响。Bermejo和同事在刚果共和国西北部的Lossi动物保护区中跟踪了大猩猩群体和它们的窝。他们报告说，在所研究的2700平方公里区域中，2001年和2005年的爆发共杀死了约5,000大猩猩。这是一个保守的估计，其中假设了在所研究的保护区中只有通常用的每平方公里4.4只大猩猩的一半的种群密度。作者的结论是， "10年前分布广泛而且较多的猿物种正在快速地被降低为极小的残余种群。”加上商业捕猎，他们预测一个“快速生态灭绝的处方”。
简报：Ebola Outbreak Killed 5000 Gorillas, Magdalena Bermejo, et al.

火星上的实时变化
通过比较火星表面几年内摄取的数次图像，研究人员记录了新的陨石坑的形成，而且发现了液体水从陨石坑壁缓慢下流的可能证据。Michael Malin和同事在火星全球探测者号拍摄的一系列图像发现，尽管我们太阳系的行星已经不在像过去那样被经常撞击，但是小的石块仍不时掉到它们上面。在过去7年间，陨石坑以黑斑的形式出现在图像中，大概是由撞击激起的灰尘造成的。文章作者测量了形成坑的撞击的大小，发现它们与月亮的大小差不多。研究人员在两个撞击坑壁上看到最近的变化，他们将这些变化解释为最近有流水的证据。
研究文章：Present-Day Impact Cratering Rate and Contemporary Gully Activity on Mars, Michael C. Malin, Kenneth S. Edgett, Liliya V. Posiolova, Shawn M. McColley, and Eldar Z. Noe Dobrea

合作的进化
利他主义进化的根源使许多研究人员困惑，本期三篇论文提供了一些线索。有一个理论认为，群体竞争中，有更多利他主义者的人类群体会获胜，该理论被以经验为依据的分析认为是站不住脚的。Samuel Bowles提供了经验的估计，具体地提出，需要语言和复杂的认知能力的人类文化实践，为利他行为的传播提供了特有的条件。Bowles汇集了遗传、气候、考古、人种志、以及试验数据，用一个基于经济学的成本收益分析来检验人类合作。
生物学的一个基本挑战是认识合作的进化。Martin A. Nowak从基因到细胞到动物社会层次检验了合作的进化机制。他描述了文献中讨论的5种主要的机制：亲属选择、直接的互惠、网络互惠、以及群体选择。在这篇综述中，他介绍了每种机制的基本原则，以及与其相应的利他行为表现为成本-收益比的合作进化的简单规则。
研究文章：Group Competition, Reproductive Leveling, and the Evolution of Human Altruism, Samuel Bowles
综述：Five Rules for the Evolution of Cooperation, Martin A. Nowak

负碳的生物燃料
研究显示，低肥力土壤上的高多样性的草地，比单一农业作物（比如玉米或大豆），能产生更多的生物能量和更少的二氧化碳。为了减少对基于碳的燃料的依赖，研究人员研究了食物、树木、和高肥力土壤种植作物的副产品的生物燃料潜能。David Tilman和他的研究小组调查了美国明尼苏达州被农业耕作降低了养分、空置的贫氮沙质土壤上低输入、高多样性的本地品种混合草地。他们在最多有16种草种的150多块地片中确定了生物能量的生产和生态系统碳隔离量。他们报告说，来自这些多物种植物地片的生物燃料能提供负的净碳量，因为这些地片的生态二氧化碳吸收量高于它们生产的生物燃料生产所释放的碳量。
报告：Carbon-Negative Biofuels from Low-Input High-Diversity Grassland Biomass, David Tilman, Jason Hill, and Clarence Lehman

用DNA组装的机器人和计算机
研究人员制造了两种用DNA分子的部件：一个能实现作为计算基础的逻辑操作，另一个是纳米尺度的机器“臂”。Georg Seelig和同事设计了一组单股DNA的组件，可以用于比如与、或、非门的逻辑线路。这些通常用电子器件制造的门通过对“输入”施以某种规则来得到“输出”。在这项新研究中，这些部件通过让一个门输入的DNA股与另一个门的暴露或没有配对的DNA股结合来实现一些操作。
“纳米机器人”领域的一个目标是将几个单独控制的纳米尺度机器植入一个单一的衬底。在另一项研究中，Baoquan Ding和Nadrian Seeman的研究用的是分子终端的两个状态相差半旋转圈的DNA“机器”。这种部件过去通常只在溶液中操作，本文作者显示，它们在被放进一个坚固的支架中后仍能工作。一篇Walter Fontana撰写的研究评述讨论了生物和计算开始汇合的一些方面。
报告：Enzyme-Free Nucleic Acid Logic Circuits, Georg Seelig, David Soloveichik, David Yu Zhang, and Erik Winfree
报告：Operation of a DNA Robot Arm Inserted into a 2D DNA Crystalline Substrate, Baoquan Ding and Nadrian C. Seeman
研究评述：Pulling Strings, Walter Fontana