本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

3月8日《Nature》

封面故事：格陵兰冰川的历史  本期封面所示为2006年由南安普顿大学的Simon A. Johnson拍摄的一个格陵兰冰排（ice raft）。从始新世到渐新世的过渡（距今大约3350万年前）时期，全球气候发生了一次重大变化，从没有大冰层变化为有一个永久性的南极冰层，大小跟今天的南极冰层差不多。然而，关于北半球早期冰川史的性质却很有争议。本期Nature上一篇论文，报告了来自挪威-格陵兰海的晚始新世至早渐新世沉积层中的从地层学来说范围很大的冰排碎片，是在距今3800万年至3000万年前沉积的。这表明，格陵兰冰川的存在要比以前所记录的早2000万年。“国际极地年2007-2008”本月开始，Nature杂志将通过报道即将进行的钻探项目以及关于未来北极变暖最新预测的系列News Features文章，来配合“国际极地年”活动。Page: 176

与癌症有关的突变

通过扫描定位（mapping）、生物鉴定（bioassay）等成熟方法以及通过识别可信的生物学候选目标，已经识别出了超过350个致癌基因。现在，人类基因组序列的确定意味着，大规模测序研究能够进一步发现很多候选致癌基因。蛋白激酶是很多调控过程的关键，它们功能的丧失是肿瘤的一个常见的诱因。所以，研究人员选择了一批与超过200种癌症相关的528个激酶，来进行一个大型测序研究工作。该研究显示了超过1000个以前不知道的突变，它们以某种方式与肿瘤的形成有关：其中有些是所谓的“乘客”突变，即不参与癌症形成；但其中超过100个是所谓的“司机”突变，它们参与癌症形成。这种类型的基因家族研究，能发现导致癌症的缺陷，也能发现分子诊断和治疗的新目标。Page: 153

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" class="viewimg"矮新星与经典新星之间的联系找到观测依据

矮新星是一种激变变星(cataclysmic variables)，它包含一个坍缩的白矮星，后者从其在一个双星体系中的伴星（一个红矮星）获得物质而不断增长。一种不稳定因素周期性地将物质倾倒到这个白矮星上，使其发光度增加100倍。经典的新星要比矮新星亮数千倍，同时伴随着该体系周围壳层的形成。理论预测，矮新星最终将获得足够多的质量，从而经历经典的新星爆发。现在，矮新星与经典新星之间这一被怀疑存在的联系，随着在矮新星Z Camelopardalis（简称Z Cam）周围一个古老新星壳层的发现，已经有了一个观测结果作为依据。该壳层的性质表明，几千年前，Z Cam经历了一次经典的新星爆发，并且在若干天里它是天空中最明亮的星星之一。Page: 159

火星Meridiani地区蒸发岩的形成机制

由“机遇者”漫游车所勘察的火星Meridiani Planum地区的蒸发岩沉积物，被解释为存在一个波动的地下水位的证据。但这种解释有一个问题：这个地区首先没有盆地地形来解释蒸发岩的存在。一个新的水文学模拟研究绕开了这一困难，因为研究人员提出了一个机制，按照这个机制，蒸发岩是有可能在Meridiani地区形成的，而不需要在一个封闭的盆地中积聚水，原因是火星全球地下水在不断上涌和蒸发。Page: 163

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" class="viewimg"双通道Kondo效应已被观测到

半导体量子点（紧紧束缚电子运动的纳米结构）已成为研究和操纵一个或几个电子行为的有用的模型体系。被研究得最彻底的现象之一是Kondo效应，即一个量子点上的一个孤立的电子自旋与电极中的大量电子发生强烈相互作用，产生一种复杂的多粒子状态。一个有微妙不同的、但观测起来却要困难得多的现象是双通道Kondo效应，即两个电极中的电子通过它们与局限在一个量子点中的单独一个自旋之间的相互作用纠缠在一起。与传统Kondo效应不同的是，这一新效应无法在关于费米液体的电子行为的传统画面中来描述。现在，科学家苦苦追寻的双通道Kondo效应已在量子点中被观测到，而该效应首次被预测到已是25年前的事情了。该体系可在显微尺度上实现精确控制，所以这一成果可以被看作是朝着实现根据需要来设计半导体纳米结构的方向迈出的一步。Page: 167

还原二氧化硅的一种低温方法

将二氧化硅（SiO2）还原成硅（Si）的一种低温方法，有可能为以前仅仅被看作是绝缘氧化物的微型结构找到很多新用途，如硅藻的微型壳和定制的自组装结构等。该方法在650 °C将二氧化硅转换成硅，而要求将硅熔化的方法却需要在2,000 °C左右才能做到。该方法还能保留原始二氧化硅的架构，并在产生的硅中复制这种架构，正如图中所示的14纳米长的这个样本一样。像这样的硅结构有可能用作传感器，以及用在电子、光学和生物医学等领域。Page: 172

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" class="viewimg"动物能飞是因基因组变小

与脊椎动物飞行有关的、人们不是很了解的因素之一是基因组大小的减小。鸟类与脊椎动物相比基因组小得多，蝙蝠一般比不会飞的脊椎动物基因组要小。但是，是飞行使得基因组变小的、还是基因组变小才使得动物能够飞行的？根据对恐龙骨细胞体积和基因组大小所做的广泛分析来判断，事实似乎是后一种情况。基因组减小可以追溯到蜥臀目恐龙（在这一类恐龙中鸟类是惟一现存的成员），但在鸟臀目恐龙中却没有。所以，基因组减小就可以归到我们现在跟鸟类联系在一起的一组形态特征中，这些形态特征可以远远追溯到鸟类的恐龙祖先。Page: 180

关于皮肤更新机制的新模型

30多年来，被人们所接受的表皮动态平衡模型一直假设，皮肤组织是由两组单独的先祖细胞来维持的。过去，自更新干细胞被认为产生短寿命的先祖细胞，后者又形成新的表皮。Clayton等人现在提出，这一假设可被一个更简单的模型代替，按照这个更简单的模型，仅一种类型的先祖细胞发生非对称分裂，其分裂速度可确保表皮动态平衡。Page: 185

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" class="viewimg"大脑确定方位的方式和机制

人们的定位能力取决于大脑对关于位置、方向和距离的信息的综合能力。最近的研究成果表明，大脑“嗅内野皮質”（entorhinal cortex）中的“网格细胞”（grid cells）是大脑计算位置的机制的一个构成部分，但科学家对负责空间导航和空间记忆形成的神经网络计算却不了解。现在，让大鼠在变化的环境中寻找食物来源的实验显示，海马体中记忆的表示有两个截然不同的代码。海马体地点细胞中在统计上独立的表示方式的形成（“重新定位”过程），总是在“嗅内野皮質”中相应的全部定位图的一致的迁移之后进行。这将使一个动物的位置能够被其遇到不同环境时的同一翻译机制来表示和更新。Page: 190

表皮组织被确定是决定植物根生长的关键

植物根由三个组织类型形成—表皮组织、表皮下组织和内层细胞组织。其中的一个类型是决定植物最终大小的关键，但到底是哪一种，一个多世纪以来一直有争议。现在，矮拟南芥植物中油菜素内酯(brassinosteroid)生物合成基因的定向表达实验为这个问题提供了答案：是表皮组织既促进根的生长又限制根的生长。油菜素内酯是在化学性质上与“可的松”（cortisol）有关的植物激素，对植物生长有广谱效应。Page: 199

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" class="viewimg"3月9日《Science》

气味帮助在深睡中巩固记忆
来自德国的一篇研究报告指出，给深睡中的人气味暗示刺激新记忆，能巩固这些记忆。Bjorn Rasch和同事教给在有玫瑰味的屋子里工作的试验对象一个任务：记住什么东西放在哪里，这个任务涉及大脑与记忆和空间导向有关的海马区。同一天夜里，研究人员在其中一些实验对象慢波睡眠时，让他们接触到同样的气味。第二天，这些人比慢波睡眠时没有接触玫瑰味的对照组能更好地完成位置记忆任务。研究人员让另一个实验组在浅快眼动睡眠时接触玫瑰味，但是他们没能更好地完成任务。大脑成像显示在慢波睡眠时接触气味暗示，比醒着时接触，对海马区的激活要大。
报告：Odor Cues During Slow-Wave Sleep Prompt Declarative Memory Consolidation, Bjorn Rasch, Christian Buchel, Steffen Gais, and Jan Born

太阳光影响小行星的自转
本期的两项研究证实了太阳光能通过所谓的"YORP效应"影响小小行星的自转。研究人员对此曾做出预测，但在这之前没有观察到过该现象。YORP(四个人名Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack的缩写)效应可能能帮助解释小行星行为的几个令人不解的方面，比如为什么某些小行星分裂成更小的碎片。了解这个也许能帮助降低近地球小行星撞击的危险，因为我们需要知道小行星怎样自转才能破碎，或如何使将撞击地球的小行星改变轨道。YORP效应是这样产生的：从小行星表面反射和重新辐射的暖太阳光给其施加一个力矩，对小行星的自转轴产生影响，或加快或减慢其自转速度。两篇由欧洲和美国作者撰写的新研究报告分析了近地小行星54509 (2000 PH5)。Stephen C. Lowry和同事监测了小行星反射的光，显示了小行星的自转如何变慢。Patrick Taylor和同事用雷达观察测绘了小行星的形状，揭示其自转的变慢能用YORP 效应准确地预测。
科学特快报告：Spin Rate of Asteroid (54509) 2000 PH5 Increasing Due to the YORP Effect, Patrick A. Taylor, et al.
科学特快报告：Direct Detection of the Asteroidal YORP Effect, Stephen C. Lowry, et al.

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" class="viewimg"能在游泳和行走之间转换的机器动物
一个装有模仿两栖类脊髓的控制系统的新的、类似蝾螈的机器动物能在游泳和行走之间转换。这个机器动物以及其模型也许能帮助研究人员了解动物在几百万年前到陆地生活后是如何进化出行走能力的。蝾螈的游泳和行走的步态有很大的差别，被认为与第一个在陆地上生活的脊椎动物相当接近。Jan Auke Ijspeert以及瑞士和法国的同事建立了一个理论模型，揭示出一个类似七鳃鳗的鱼的神经回路能被改变，使其在一个类似蝾螈的动物能驱动行走运动，也能使该动物在游泳和行走之间转换。为了证实这个模型，作者们制造了一个类似蝾螈的自动控制装置，这个机器动物能游泳、像蛇那样爬行、还能行走。它携带一个脊髓模型，能接受从计算机无线发出的简单控制信号，信号调节其行动的速度、方向、以及方式，类似于来自脊椎动物神经中枢的信号。
报告：From Swimming to Walking with a Salamander Robot Driven by a Spinal Cord Model, Auke Jan Ijspeert, Alessandro Crespi, Dimitri Ryczko, and Jean-Marie Cabelguen

空气污染减少山丘降雨
研究人员用50多年的纪录显示，空气中的污染颗粒在有薄雾的日子使中国山区的降雨减少了30%到50%。这个现象过去在其他地方观察到过。潮湿的空气被比如山等地形特征挡住从而上升时，空气的变冷引起云滴、后是雨珠的形成，产生一种名为山岳降雨的特别类型的降雨。但是当空气中充满污染颗粒时，会有更多的云滴形成，因为它们更小从而不太可能变成雨珠。研究人员提出，这个过程在全球许多地理条件类似的地方导致干旱，包括美国西部处于城市空气污染下风口的山脉地区。Daniel Rosenfeld和中国科学家合作，研究了自1954年以来在华山上测量的一组气象数据，华山位于如今污染较严重的华中地区。他们揭示，高度污染的空气所提供的山岳降雨只有干净空气提供的一半。
报告：Inverse Relations Between Amounts of Air Pollution and Orographic Precipitation, Daniel Rosenfeld, et al.

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" class="viewimg"设计新抗生素的起点
有关帮助细菌修筑它们细胞壁的蛋白质的新信息也许能帮助研究人员设计新型抗生素。Andrew L. Lovering和同事确定出PBP2的晶体结构，PBP2是金黄色葡萄球菌的一种酶，本期一篇相关的研究评述称其为抗生素药物研究人员的“圣杯”。糖基转移酶(GT)和转肽酶(TP)都帮助修筑细菌细胞壁。青霉素和相关的抗生素通过TP酶起作用，但是细菌对这类抗生素的抵抗力是一个日益严重的问题。GT酶成为新类型抗生素有吸引力的靶标，但是它们的纯化、鉴定、和结晶一直比较困难。Lovering和同事研究的蛋白质PBP2同时据有GT酶和TP酶的功能。有关该蛋白质的数据为细胞壁合成的过程提供了线索，也为基于结构的新抗生素设计提供了起点。
报告：Structural Insight into the Transglycosylation Step of Bacterial Cell-Wall Biosynthesis, Andrew L. Lovering, Liza H. de Castro, Daniel Lim, and Natalie C. J. Strynadka
研究评述：A New Target for Antibiotic Development, Gerard D. Wright

组蛋白置换率高度变化
本期两篇论文揭示基因调控点是动态的，而不是像过去认为的那样是静态的。在真核细胞中，DNA是包装在染色质中的，染色质是由调控基因的组蛋白组成的信息存贮。Yoshiko Mito和同事研究了果蝇染色质中组蛋白H3的置换率，Michael F. Dion和同事在酵母中作了同样的观察。两个小组分别报告了组蛋白H3置换率随调控点的不同而有高度的不同，在基因组的编码区最“安静”，而在已知的染色质边界元件的蛋白质结合点上表现出极高的置换水平。在这些区域，表观遗传标记必须处于不断变化的状态，才能使它们快速和动态的调制成为可能。
报告：Histone Replacement Marks the Boundaries of cis-Regulatory Domains, Yoshiko Mito, Jorja G. Henikoff, and Steven Henikoff
报告：Dynamics of Replication-Independent Histone Turnover in Budding Yeast, Michael F. Dion, et al.