本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

1月11日《Nature》

封面故事：反映大脑中基因表达情况的图集

研究人员在神经科学和遗传学两个学科都已经进入了一个新的前沿领域。小鼠基因组中大约22000个基因中每个基因的表达，都已经在小鼠大脑所有主要结构上以细胞分辨率被测绘出来。这一成就是“艾伦脑科学研究所”“脑图集”（Brain Atlas）项目的一部分。Lein等人介绍了该图集的形成过程（这个图集发布在 http://www.brain-map.org/上，读者可以免费查看），并且报告了既支持现有脑解剖观点、又挑战现有脑解剖观点的基因表达模式。该图集包括原位图像和按色度比做成的每个基因和每个大脑区域的信号强度的“热图”（heat maps）。尽管有预测说大脑只能表达有限数量的基因，但小鼠全部基因的大约80%已经表达出来；其中70%的基因信号局限在数量不到全部脑细胞20%的脑细胞上，说明大部分基因信号局限于大脑中很小的区域。封面图片：Chris Lau（艾伦脑科学研究所）。


决定海洋中固氮作用的主要因素

固氮是维持海洋中生物生产力的关键，因为它能代替通过脱氮作用（在脱氮过程中，亚硝酸盐和硝酸盐被转化成氮气）而损失的生物可以利用的氮。控制这一过程的因素仍然不确定，但人们普遍所持的一个观点是，向固氮菌供应铁的速率是限速的。解决这一问题的一个新方法（该方法根据一个海洋环流模型中的养分分布来推断固氮速率）得出一个让人吃惊的发现：固氮速率在太平洋中最高（在太平洋中，来自大气的铁供应低，脱氮速率高），在大西洋中最低（在大西洋中，铁的供应更丰富）。这说明，海洋中的固氮不是取决于铁的水平，而是受脱氮作用的刺激，后者有助于稳定海洋中被固定的氮的存量。


受损心脏的修复

Thymosin ß4是一种已知能够减少心脏病之后肌肉细胞损失的蛋白，研究人员曾发现它能指导心脏来将自身治愈。心脏最外层中的祖先细胞，可在thymosin ß4的引导下向里面运动，帮助修复成年实验鼠的有问题的心脏。以前科学家认为，成年心脏中的细胞处于一种永久性的静止状态，任何能帮助心脏组织修复的祖先细胞都来自骨髓。Thymosin ß4诱发的血管形成和营养作用，也许能比现有方法更好地修复受损的成年心脏。

人类环境的改变对食物链中物种关系的影响

全球变化有可能影响物种相互作用，但这种影响对生态系统功能和稳定性的后果却难以预测。量化的食物链为探索这种问题提供了强大的工具，但到目前为止它们一直被用来描述单个的生物群落。对厄瓜多尔Choco-Manabi地区（那里大规模农业生产威胁到了当地的生物多样性）的48个地块所做的一项研究表明，人类生活环境的改变，能够急剧影响宿主-拟寄生体食物链中物种之间的进食关系网络。从热带雨林向集约农业的转变，对蜜蜂和黄蜂造成了消极的后果，这两类蜂都是授粉和生物虫害控制的重要生物。


三种海洋黄杆菌被发现含有proteorhodopsin基因

6年前细菌proteorhodopsin基因在海洋中的发现预示着，表面海水中存在着一种以前不知道的、从阳光生成能量的形式。此后，为proteorhodopsin编码的基因序列被发现广泛分布在世界上的海洋里，但在培养中含有proteorhodopsin的细菌分离菌种的缺乏，妨碍了对这一新的光营养形式的功能研究。现在，在全面的基因组分析之后，proteorhodopsin基因已经在三种海洋黄杆菌（Flavobacteria）中被发现。生长实验显示，当这些细菌中其中一种在光下生长时，细胞产率就会增加。黄杆菌是海洋浮游细菌的一个重要组成成分，而proteorhodopsin似乎是海洋能量平衡体系中的一个重要成员。

在只有4个细胞的胚胎阶段细胞就开始分异了

认为哺乳动物胚胎细胞在形成“里面的”细胞和“外面的”细胞之前都是一样的假设，被最近的一项发现推翻了，该发现是，从仅有4个细胞的早期阶段开始，小鼠的细胞在细胞命运上就有所不同了。当时研究人员认为可能存在一种外成机制（即非DNA编码的机制），而现在事实证明的确是这样。在只有4个细胞的小鼠分裂球中的组蛋白H3的差异性外成修饰（某些精氨酸的甲基化）改变了胚胎细胞的命运，并且能将一个细胞保持在一种多能状态。

1月12日《Science》

现代人类走出非洲；走入俄罗斯
本期两篇报告为现代人的起源和分散提供了新信息。现有的证据意味着现代人在大约5万年前从非洲分散出来，导致了遍及欧洲和亚洲的旧石器文化。然而，迄今找到的来自撒哈拉以南非洲的人科化石极少，以至不能对这个观点进行检验。Frederick E. Grine和同事重新分析了1952年在南非Hofmeyr附近发现的一个头盖骨化石。由于化石没有足够的胶原可用于准确的碳定年测定，研究人员用先进的光学和铀方法相结合确定出该头盖骨的年代约为3.5万年前。虽然该头盖骨具有几个比同时期的欧洲头盖骨更原始的特征，但是它看来代表了一个从撒哈拉以南非洲迁徙到欧洲和亚洲的早期现代人。 
来自莫斯科以南约400公里的俄罗斯顿河岸的Kostenki考古点的新证据显示，现代人类到达欧洲东北部的时间与他们进入欧洲西部的时间相同或更早。人们过去认为现代人类在大约4万年前迁徙到欧洲中部和西部。 Mikhail V. Anikovich和文章共同作者为在Kostenki找到了的文物提供了改进的、更老的年代，这些文物包括工具、个人饰物、雕刻的象牙等。新确定的年代为4.5万到4.2万年前，与在欧洲西部发现的文物同时，或年代更早。这些文物被认为是现代人制造的，但当地找到的唯一人化石只有一些牙齿。 Ted Goebel在一篇研究评述中讨论了这两篇报告以及Anna Olivieri发表在2006年12月15日《科学》的另一篇报告，称其为仍在形成的人类迁移故事重要的早期篇章。 
报告：Late Pleistocene Human Skull from Hofmeyr, South Africa, and Modern Human Origins, F. E. Grine, et al. 
报告：Early Upper Paleolithic in Eastern Europe and Implications for the Dispersal of Modern Humans, M. V. Anikovich, et al. 
研究评述：The Missing Years for Modern Humans, Ted Goebel 


一个性疾病病原体的基因组序列
研究人员测序了阴道毛滴虫(Trichomonas vaginalis)的基因组，这是一种常见的通过性传染的病原体，虽然可以治疗，但是它与宫颈癌、增加HIV的感染、以及早产有关。这个异常大并有许多重复的基因组也许能为该生物体如何适应泌尿生殖道提供线索，也许还能揭示可能的药物和疫苗靶标。Jane Carlton和同事报告说，阴道毛滴虫基因组的大约三分之一由重复序列和“可转座因子”组成，可转座因子指在基因组上移动的DNA序列。文章作者提出，在其历史的某个时刻，该寄生虫从肠道迁移到泌尿生殖道，那时它的遗传材料发生了巨大的扩展。更大的基因组也许导致更大的细胞，这也许给该寄生虫带来了选择优势。基因组为该寄生虫的代谢路径、以及它如何入侵宿主造成感染提供了线索。这些发现也许能为新的疗法和诊断提供切入点。文章作者说，世界范围内，阴道毛滴虫每年造成约1.7亿例感染。 
报告：Draft Genome Sequence of the Sexually Transmitted Pathogen Trichomonas vaginalis, Jane M. Carlton, et al. 


热带森林砍伐后保留的小片栖息地不帮助鸟类
一项长达13年的研究显示，把亚马孙森林砍伐成小块的、相互隔离的栖息地片对森林中许多当地鸟的物种强的负面作用。Goncalo Ferraz 和同事对巴西的森林片段的生物动力学项目(Biological Dynamics of Forest Fragments Project)做了大规模的实验研究，量化了地片大小与隔离程度对来自亚马逊中部的55种森林鸟类的影响。研究开始时所有23个地片都在连续的森林地带，但后来其中的11个地片被大农场地隔离开。研究方法将地片大小与隔离的作用区分开，并将不同物种的不同检测方式考虑进来。Ferraz和同事发现，地片大小对物种的数量有负面作用：较小的地片中的物种数也少。较大地片与森林的隔离通常也对物种有负面作用，但对不同种类的鸟的作用有很大的不同。这些科学家预测，“森林的进一步破坏会造成更多的物种消失以及更大的隔离作用”。 
报告：A Large-Scale Deforestation Experiment: Effects of Patch Area and Isolation on Amazon Birds, Goncalo Ferraz, et al. 


大花植物终于有了科
一种有最大单花的开花植物，其花的直径通常有1米，对如何将其放到植物生命之树的合适位置上，科学家曾一直面临困难。这些巨花植物的花不同寻常，它长在葡萄藤科的植物上，颜色是血红的，并具有腐肉的臭味。由于两个主要的挑战，确定该植物所属的科用了近200年的时间。它是一种寄生物，没有诸如叶子和主干等植物结构。而且它具有改变的花型，给分类带来困难。Charles C. Davis和论文共同作者报告，他们用多个分子标志确定了巨花植物rafflesiaceae属于大戟科(Euphorbiaceae),该科的植物通常有小得多的花，包括爱尔兰吊钟和一品红，该科还包括具有重要农业价值的橡胶树、蓖麻、以及树薯灌木。 
科学特快简报：Floral Gigantism in Rafflesiaceae, Charles C. Davis, Maribeth Latvis, Daniel L. Nickrent, Kenneth J. Wurdack, and David A. Baum 


改进汽车用的燃料电池
两项新研究为改进用于某些汽车的燃料电池的效率提出了建议。这些燃料电池通常用氢燃料和氧反应来产生电，氧在一个铂阴极还原。但是这个氧化过程缓慢的速度是一个主要的局限，而且当开车的人重复加速和刹车时，总在变化的燃料电池负荷使阴极趋于分解。 Junliang Zhang和同事现在报告说，在碳衬底上的铂粒子沉积纳米尺度的金簇，在电化学循环试验中能抑制阴极的分解。出乎意料的是，金没有极大地抑制氧降解，文章作者提出其通过提高铂的氧化电位而起作用。 
在另一项研究中，Vojislav Stamenkovic和同事报告，用铂合金制造的催化剂比常规的催化剂可能更有用，因为合金催化剂更稳定也更有活性。文章作者制作了镍-铂合金的单晶表面，发现其活性是传统铂表面的10倍。 
报告：Stabilization of Platinum Oxygen-Reduction Electrocatalysts Using Gold Clusters, J. Zhang, K. Sasaki, E. Sutter, and R. R. Adzic 
科学特快报告： Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability , Vojislav R. Stamenkovic, et al. 


新的极小新海洋浮游生物
欧洲的研究人员在北部海洋浮游生物中找到一群极小的海藻。Fabrice Not和同事通过分析采集到的海水中的DNA发现了这些生物体。在研究了基因组信息后，这些研究人员在海水中检测到一些细胞，并称其为“皮浮游生物(picoplankton)”因为它们极小。这些海藻包含名为藻胆素的色素，在蓝光下产生橙色荧光。文章作者推测这些生物体是内共生体，既它们生活在其它生物体内，也许为其提供能量。 
报告：Picobiliphytes: A Marine Picoplanktonic Algal Group with Unknown Affinities to Other Eukaryotes, Fabrice Not, et al.