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本期《自然》《科学》精选
【字体: 大 中 小 】 时间:2007年02月12日 来源:生物通
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本期《自然》《科学》精选
生物通综合:
封面故事:光脉冲的异地复活
本期封面所示为一个引人注目的实验。在一个盒子中停止和熄灭的一个光脉冲,却在位于另一地点的一个完全不同的盒子中被恢复了过来,并沿原路送回了。在实际的实验中,一个慢的光脉冲在一个玻色-爱因斯坦凝聚态体系(第一个“盒子”)中被停止和存储起来,然后在一个相距160微米的完全不同的凝聚态体系中被恢复过来。信息是通过将该光脉冲转变成一个比光容易操控的物质行波来传输的。 该实验表明,共振激光场与玻色-凝聚态原子云之间的相互作用,为用物质来操纵光提供了一个强有力的手段,反之亦然。这种量子操控在量子信息处理及原子 波函数的受控雕刻中有可能派上用场。封面图片:Jay Penni Photography Page: 623
脊椎动物器官形成的演化根源
脊椎动物胚胎中原肠胚阶段的组织体是一个信号作用中心,它决定成年后的身体主轴。因为原肠胚的形成在不同脊椎动物之间相差很大,而且涉及广泛的组织运动,所以原肠胚组织体的起源并不太清楚。相比之下,文昌鱼(一种与脊椎动物有较远亲缘关系的脊索动物)的胚胎非常简单,在原肠胚形成中组织运动极少。对文昌鱼Branchiostoma的胚胎所做的一项研究显示,它有一套脊椎动物组织体的同源结构和一套决定身体轴向模式的同源基因,这些基因在原肠胚形成过程中表达,表达模式非常像脊椎动物的表达模式。这说明,脊椎动物的器官形成有很深的演化根源。Page: 613
用NMR方法探测超分子结构
蛋白酶体(proteasome)是一种大型分子机器,其作用是将受损的和误折叠的蛋白从细胞中清除。同其他较大的大分子聚合体一样,科学家也经常通过X-射线衍射或电子显微镜来对它进行定性。这些方法能提供静态三维结构,但不能显示它们是怎样随时间而变化的,而后者对于了解其功能至关重要。Remco Sprangers 和 Lewis Kay已经克服了妨碍用核磁共振(NMR)进行定量研究的分子重量局限,他们以20S蛋白酶体核心颗粒为目标,发现NMR能够探测超分子结构,比用该方法通常所探测的结构大一个数量级。这一新方法涉及用选择性同位素标记以及相关措施来保持NMR信号的寿命。该方法显示,在20S蛋白酶体核内有重要的功能性运动。Page: 618
钠离子对钻酸钠性能的影响
钻酸钠非凡的电子性能和热性能使其成为人们关注的焦点:当水分子分布在氧化钴层之间时,它变成超导体;同时它还具有新颖的磁性能和较高的热电力。最近关于这些性能起源的研究工作显示,在插入层中,钠离子会形成不寻常的图案;而一项新的中子衍射和计算模拟研究则为了解这种物质中钠离子排列的图案及机制提供了进一步的线索。Na+成形会诱导库仑势发生周期性波动,这种波动在钻酸钠的运输和磁性能中可能起决定性作用。这项工作表明,通过与钠有关的化学和生化反应来在纳米尺度上切换电子流是有可能的。Page: 631
始新世-渐新世过渡对大陆的影响
始新世-渐新世过渡(距今大约3350万年前)是一次重大全球气候事件。始新世末气候异常温暖,南极洲没有明显的冰,但到渐新世,南极洲有了永久冰层。本期Nature上两篇论文与这一气候变化对大陆的影响有关。Dupont-Nivet等人分析了来自青藏高原的沉积记录,发现大气中含水量有所下降,这种下降引起与南极变冷同时发生的变冷和干旱化。以前的研究工作将这一现象归于青藏高原的迅速隆起,但这一新的研究工作表明,青藏高原的区域气候受全球事件的影响。在另一篇关于同一气候过渡事件的论文(与前一篇论文无关)中,Zanazzi等人对当时北美的气候变冷情况进行了探究。他们利用来自化石牙齿和骨头的稳定同位素测定结果来生成一个代理温度记录,发现年平均气温降低了8.2°C,这个下降幅度大于海洋中的温度下降幅度。这一大陆气候过渡事件也许可解释为什么很多冷血爬行动物和两栖动物灭绝了,而哺乳动物由于能够调节其体温却躲过了一劫。 Page: 635
治疗帕金森氏综合症的希望
有人曾经提出,脑回中两个神经通道(“直接”运动通道和“间接”运动通道)之间活动水平的不平衡,是帕金森氏综合症中所见的运动缺陷的病根。对转基因小鼠所做的一项研究显示,所涉及的两组神经元有重要差别。具体来讲,脑回中的突触可塑性的一种显性形式,即eCB-LTD(全称为endocannabinoid-mediated long-term depression)只由间接通道的神经元表达。在帕金森氏综合症的一个小鼠模型中,通过用一种多巴胺D2受体拮抗剂和内生大麻醇降解过程的一种抑制药物来处理,使eCB-LTD活动得到“拯救”,可大大提高运动表现。这表明,多巴胺在脑回中的一个主要作用是在间接通道突触上促进eCB-LTD。以内生大麻醇降解过程为作用目标的药物有可能成为治疗帕金森氏综合症的一种新型治疗方法。Page: 643
控制根分裂组织活性的关键
植物荷尔蒙细胞分裂素是根分裂组织的活性所需要的,而后者是高等植物连续生长的先决条件。Kurakawa等人报告,通过一种新型细胞分裂素激发酶来微调细胞分裂素活性,是控制分裂组织活性的关键。由LONELY GUY (LOG)基因编码的这种酶催化生物活性细胞分裂素的合成中的最后一步。从非活性形式向需要细胞分裂素发挥作用的活性形式的细胞特定性转化,可能是在组织中或在不需要细胞分裂素的时候阻止其作用的一种有效机制。 Page: 652
p53重新激活与肿瘤消退
p53肿瘤抑制基因的功能在大多数人类癌症中不是被关闭就是被其他改变所抑制。本期Nature上两篇论文表明,在已经形成的肿瘤中即便短暂地重新激活内生p53的功能,也能引起一些动物模型中的癌症发生消退。在一些肿瘤中,p53重新激活会引起与一个有助于肿瘤清除的先天免疫反应相关联的细胞老化。这些实验利用基因操控来改变p53的水平,但它们对认为能够提升p53水平的药物可用于治疗癌症的观点进一步提供了支持。 Page: 656
关于非编码RNA调控作用的一个新证据
近年来,非编码RNA(即没有被翻译成蛋白质的RNA)在调控基因表达中扮演一个至关重要的角色已经成为一个清楚的事实。关于这种调控的一个以前人们不知道的证据现在已经被发现,调控作用发生在人类二氢叶酸还原酶(DHFR)基因上。干涉RNA与DHFR基因的促进子区域形成一个复合物,在这个过程中,它干涉转录因子的结合。非编码RNA只在静止的细胞中产生,并在这些条件下导致DHFR基因受到抑制。Page: 666
DNA去甲基化过程的一个关键调控因子
科学家越来越认识到,DNA甲基化(一个普遍存在的调控机制)可以被一个被称为“活性去甲基化”的过程所逆转,但他们对这个过程背后的机制却不是很清楚。DNA去甲基化领域的进展因缺乏关于关键调控因子的知识而受到阻碍,这些关键调控因子有可能成为揭开这一过程奥秘的起点。现在,Barreto等人报告,他们发现了一个这样的调控因子,名叫Gadd45a(全称为“可诱导生长抑制和DNA损伤的蛋白45-阿尔法”)。以前的研究工作表明,Gadd45a是p53和BRCA1肿瘤抑制基因的一个作用目标。在这里,Gadd45a是通过促进DNA修复来消除甲基化痕迹、从而解除基因沉寂的方式发挥作用的。 Page: 671
本期专题部分:能源与可持续性
可持续性与能源有密切联系,可持续性的挑战是用可再生的材料作为能源,而且需要不破坏环境、还要节能、而且成本上有竞争力。但是,这个问题没有简单的答案。来自生物、化学、材料科学、以及政治学的不同领域的专家们在本期专题部分讨论了我们如何以及何时能实现可持续能源目标的问题,专题部分包括7篇研究评述和一组相关的新闻报道。
专题介绍:Energy for the Long Haul, Phil Szuromi, Barbara Jasny, Daniel Clery, James Austin, and Brooks Hanson
基础能源科学研究的需求
能源的生产和可持续性的问题没有单一的解决方案,George Whitesides和 George Crabtree提出,需要不同的方法来对付不断增长的能源需求以及环境问题的挑战。作者提出了8个关键的基础研究问题。他们指出,为了满足眼前的需求,要有一些工程解决方案,但是基础研究才是长远解决方案的关键。我们需要一个对二氧化碳化学的全面了解,因为这是导致全球变暖的一个关键分子。其他的基础能源研究需求包括,改进对光合作用、小分子、氧电极、以及半导体中的电荷和激发的了解。改进与能源有关的系统分析理论与实践也将是有价值的,尤其在使不可预知的后果最小化上。他们还呼吁科学家从事节约能源的研究,包括降低摩擦、侵蚀和磨损、更高效的照明、更好的保温、以及更安全的小型轿车。
研究评述:Don't Forget Long-Term Fundamental Research in Energy, George M. Whitesides and George W. Crabtree
欧盟的可再生能源计划
欧洲联盟正在根据其提出的能源战略一揽子计划形成一个技术方案,来帮助欧盟在2020年实现用可再生能满足其20%的能量需求的目标。对这个方案的资助已经比前些年增加了三分之一。同时,欧盟计划把2020年的能量使用比现在的降低13%,这将每年节省10亿欧元以及少释放780吨二氧化碳。欧洲科学和研究委员会委员Janez Potocnik在本期一篇研究评述中写道,这个能源技术方案将把欧洲带到共同的议事议程,以及集中研究投资,目标是开发可靠的、可持续的能源,使欧盟在不损害环境的条件下,保持其竞争力和财政发展。一个欧洲委员会最近的研究显示,如果不干预,到2050年欧洲的能源需求将是现在的两倍,对电的需求是现在的四倍,所释放的二氧化碳量将增加80%。一项民意调查显示,55%到80%的欧洲公众支持使用可再生能源。
研究评述:Renewable Energy Sources and the Realities of Setting an Energy Agenda, Janez Potocnik
瑞特综合症可能有办法治
瑞特综合症(Rett Syndrome)是幼女的一种罕见遗传疾病,研究人员发现在小鼠模式中,许多瑞特综合的症状能够被逆转,意味着也许该病可能有法治。瑞特综合症是由X染色体上的基因MECP2的一个突变造成的,它导致女童智利落后而且有自闭症症状。现在,研究表明这种疾病不是神经退化类的,也就是说,神经元没有死亡,所以有可能对其治疗。Adrian P. Bird和同事制造了一个模式小鼠,阻止其MECP2基因的表达。研究人员在小鼠的疾病还不明显时,重新激活该基因,防止了症状的出现。在全面表现该症的动物中,重新激活基因在年幼雄性和成年雌性鼠身上,症状也得到了消除。
科学特快报告:Reversal of Neurological Defects in a Mouse Model of Rett Syndrome, Jacky Guy, Jian Gan, Jim Selfridge, Stuart Cobb, and Adrian Bird
四翼昆虫如何保持平衡
新研究显示,蛾子把它们的触角作为类似陀螺的传感器来保持它们在空中的垂直。过去研究人员知道两翼的昆虫用它们单摆状的名为平衡棒(haltere)的退化后翼保持垂直,但是不知道四翼昆虫,比如蛾子,如何保持飞行的稳定性,尤其是当它们盘旋采集花蜜时。Sanjay Sane 和同事现在报告说,鹰蛾的触角起类似平衡棒的功能,它们靠触角底部的毛感觉机械的变化。毛的偏斜被转变为神经信号传输到大脑。一篇相关的研究评述详尽阐述这些发现。
报告:Antennal Mechanosensors Mediate Flight Control in Moths, Sanjay P. Sane, Alexandre Dieudonné, Mark A. Willis, and Thomas L. Daniel
研究评述:Antennae as Gyroscopes, R. McNeill Alexander
冰川的进退
几年的卫星观察显示,格陵兰岛两个最大的注出冰川的进退很像有些堵车的情形。这些冰流将大量的冰从冰架内部运到边缘并注入大海,比冰架本身流动的速度快得多。用Terra卫星上的一种仪器,Ian M. Howat 和合作者检验了格陵兰岛中央东海岸的Kangerdlugssuaq 和Helheim 的速度、几何测绘、以及海洋排入。2000年到2006年之间的观察显示,排入速度可以在很短的时间内有很大的变化。有些排入速度在一年中增加一倍,从而带来气候变暖可能正在比现在认为的速度快得多地在发生的担心。本研究显示,冰流的行为非常动态,冰川排入海洋的速度就像它能增加一样,也能突然降低,这使得将短期趋势长期外推变得困难。
科学特快报告:Rapid Changes in Ice Discharge from Greenland Outlet Glaciers, Ian M. Howat, Ian R. Joughin, and Ted A. Scambos