Nature Science最新內容精選

Nature Science最新內容精選

種群多樣性的重要性

物種多樣性在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中的作用很大，但一個物種內的種群多樣性也很重要，并且經常被忽視。對關于返回阿拉斯加布里斯托爾灣的紅大麻哈魚的超過50年的數(shù)據(jù)所做的一項分析，正好反映了這種所謂的“組合效應”（這種說法是與金融市場上風險傳播的一種類比）會有多重要。紅大麻哈魚捕撈業(yè)是美國最脆弱的魚類捕撈業(yè)之一，60%以上的紅大麻哈魚來自這一地區(qū)。這里的漁場由數(shù)百個孤立種群組成，這個事實使得所觀察到的種群變化只有單一均化種群可以預見之變化的約一半，而且數(shù)值模擬的預測結果是，一個均化種群所面臨的漁場關閉風險是非均化種群的十倍。就漁場管理來說，這項研究工作表明，降低孵化場對遺傳多樣性的均化效應、在混合種群漁場中保護弱勢種群不受過度捕撈和維持生境網絡應當作為優(yōu)先任務來抓。

iPS 細胞系與心臟肥大

患者特異性iPS細胞（誘導多能干細胞）被看作是模擬遺傳疾病和開發(fā)治療它們的新方法的關鍵。現(xiàn)在，iPS 細胞系已通過核重新編程從“LEOPARD”綜合癥（一種罕見的發(fā)育病，其特點是皮膚病灶、心臟異常和失聰）患者生成。從所生成的LEOPARD iPS細胞獲得的心肌細胞有肥大特性，與這種疾病的典型特征相似——90%患有這種綜合癥的兒童有心臟肥大癥。重新編程的細胞在各種不同的信號傳導通道的構成部分中有廣泛改動，其中包括RAS CMAPK，以前曾有人描述它與心臟肥大有關。利用這些細胞系，再加上可靠的分異規(guī)則，就有可能識別那些逆轉病態(tài)細胞表現(xiàn)型的化合物。本期封面圖片所示為來自一個“LEOPARD”綜合癥iPS細胞的一個心肌細胞，背景上的iPS細胞群被染了色，以顯示它們的DNA。

科學度量體系的科學性問題

科學家今天已經習慣用數(shù)字標準來評估他們的表現(xiàn)?！翱茖W度量體系”從上個世紀60年代“科學引文索引”（SCI）的推出起步，此后人們嘗試了很多新的評估方法。但度量體系的應用是否像那些被度量者所認為的那么廣泛呢？Nature雜志對全世界的研究機構所做的一項調查顯示，這個問題是復雜的。很多研究人員感覺，研究機構對“可疑”的度量體系太過信任，盡管很多管理人員提出，個人推薦等傳統(tǒng)方法一般要好于數(shù)字指標。不過，并非所有度量測試都是一樣的，而且如果它們得到改進的話，也許能夠代替舊的方法?，F(xiàn)有的大量方法以及它們到底度量什么這樣一個棘手的問題。

具有高喚回效率的量子記憶體

存取由光脈沖傳輸?shù)牧孔有畔⒌哪芰τ诹孔油ㄐ啪W絡的建設必不可少。以前報道的量子記憶體（以原子蒸氣為存儲媒介）的喚回效率不到17%。 研究人員發(fā)現(xiàn)了一種低噪音固態(tài)量子記憶體，在其中，信息存儲在一個“原硅酸釔”晶體中的鐠離子的光躍遷中，喚回效率高達69%。 在光強度低時，這種量子記憶體的表現(xiàn)超過經典記憶裝置。如果對所采用材料的光學性能做一些改進，這樣的記憶體也許可用于實用的量子信息應用中。

單光子超輻射中集體蘭姆移位

超輻射是指一群相同的原子共同自發(fā)發(fā)射光子的現(xiàn)象，提供了光子和原子有價值的多體物理學信息。研究發(fā)現(xiàn)一群嵌入平面腔中心的諧振原子可以被同步加速輻射共同激發(fā)到純超輻射狀態(tài)。通過輻射場集體性耦合的原子導致實質性地躍遷能輻射遷移，即集體蘭姆移位。我們同時測量了超輻射演化的瞬間衰減和被14.4kilo電子伏同步加速輻射激發(fā)的共振57Fe原子的集體蘭姆移位。我們實驗技術為超輻射發(fā)射的光譜分析提供了一種簡單的方法。

人類群體沖突中神經肽催產素調控狹隘利他主義

人類通過狹隘利他主義來調控群體沖突；他們以自我犧牲的形式來為內群體的福利做貢獻并侵略競爭性外群體。狹隘利他主義具有清晰的存活率函數(shù)，大腦可能已經進化成維持和促進內群體凝聚力和效能并躲避危脅性外群體。我們已將一種由丘腦下部產生的神經肽，即催產素，與群體沖突調控聯(lián)系起來。在三個利用雙盲安慰劑控制設計的實驗中，男性參與者自我支配催產素或安慰劑，分別為自己、內群體和競爭性外群體的財務問題作出決定。結果顯示，催產素驅使產生的“傾向和防衛(wèi)”反應發(fā)生在促進內群體忠實、協(xié)作和防衛(wèi)方面，而不是攻擊、侵略競爭性外群體。

過去 350萬年熱帶海洋溫度

測定熱帶海洋表面溫度的時幅變化對于解決上新世-更新世冰期謎團具有重要的意義。來自大部分大洋底的基于烯酮的熱帶海洋表面溫度記錄顯示在過去的350萬年冰河-間冰河有1～3oC溫度變化，并與全球冰體積和深海溫度變化呈線性排列。在此270萬年后，熱帶溫度變得與深海底18O和軌道作用力緊密耦合。我們闡述了在動態(tài)不相似區(qū)域的熱帶海洋表面溫度的相似性來反映大氣中“上-下”作用力。在270萬年前，溫室氣體二氧化碳強反饋起始和軌道作用力反饋放大自那時起將北半球冰蓋的命運與全球海洋溫度聯(lián)系在一起。

光電發(fā)散延時

原子光電發(fā)散被假定為入射輻射反應，并立即發(fā)生，這為原子尺度電子移動時鐘提供了一個零點時間。我們以阿秒（attosecond）度量來解析100電子伏光脈沖將電子從氖原子2p軌道釋放出來相對于從2s軌道的延時。從不同量子狀態(tài)光電發(fā)散時間的很小差別為多電子動態(tài)模型的建立提供了一個探針。阿秒時間度量精度的理論模型可以了解電子關聯(lián)，并允許以幾阿秒的精度原子尺度周期設定時間零點。

大腸桿菌巖藻糖轉運蛋白結構與功能

巖藻糖轉運蛋白從屬于Major Facilitator Superfamily (MFS)超家族，是一類非常古老、在各個物種中都起著重要作用的轉運蛋白。在大腸肝菌中，巖藻糖的攝取通過一種MFS轉運蛋白（FucP）完成，F(xiàn)ucP是一類依賴于質子梯度的同向共轉運蛋白（Proton Symporter），具有高度的底物特異性。為理解MFS蛋白的工作機理，清華大學醫(yī)學院教授顏寧與生命學院王佳偉領導的研究組獲得了FucP在3.1埃分辨率的晶體結構。此結構顯示FucP處于向胞外開放的構象，這是第一個MFS家族的此類結構，原則上證明了MFS家族兩個構象互變以轉運底物的猜想。揭示了FucP在底物識別和轉運，以及質子傳遞偶聯(lián)過程中起關鍵作用的殘基D46和E135。這些研究顯示，F(xiàn)ucP與LacY存在著不同的質子傳遞機理，為理解MFS家族提供了一個新的重要研究系統(tǒng)。

復雜社會的興盛和衰落

有關奧斯特羅尼西亞社會的、基于語言的發(fā)展史，被用來驗證有關復雜社會怎樣興盛和衰落的一些相互競爭的模型。該研究的結果表明，雖然復雜性的增加傾向于是逐步發(fā)生的，但大幅度的下降也是有可能的。本期封面圖片是一幅畫作，名為“The fleet of Otaheite assembled at Oparu”，由William Hodges創(chuàng)作，他是庫克第二次航行時的隨行畫家。

一種新的電泳方法——液晶電泳

電泳是指帶電擴散粒子相對于一個均勻電場中一種流體的運動。它被廣泛用作一種分離手段，經常以水（一種各向同性流體）作為一個直流電場中的載體?，F(xiàn)在Lavrentovich介紹了這種方法的一個變種：“液晶電泳”，它在新型顯示技術、新穎的分離技術、以及微型電動機等等領域可能會派上用場。這一新方法用一種各向異性流體作為載體，它是一種“向列（線性）液晶”，能讓帶電粒子和不帶電粒子以完美的對稱性在交流或直流電場中運動。采用交流電場在一些應用中有實際優(yōu)勢。這種新型電泳是粒子周圍液晶趨向的改變引起的，而不是由粒子本身上發(fā)生的一種效應引起的。

“1000基因組項目”發(fā)表首篇論文

本期Nature含有“1000基因組項目”(The 1000 Genomes Project)首次發(fā)表的成果，該項目是一個國際合作項目，它將生成一個龐大的、公開的人類基因變異目錄。該項目的計劃是，對大約2000個人進行測序，這些人身份不明，事實上他們來自全世界20個人群。在本期Nature發(fā)表的是該項目的第一篇論文，它是來自該項目試點階段的成果，即測試以高吞吐量平臺進行全基因組測序的三個不同策略：對三個人群的179人按低覆蓋率進行全基因組測序；對兩個由“母親-父親-孩子”組成的三人組按高覆蓋率進行測序；對來自七個人群的697人進行以外顯子為目標的測序。

細菌ECF轉運子S組件的結構和機制

在原核生物中，能量耦合因子（ECF, Energy-Coupling Factor）轉運子負責維生素的攝取，屬于膜蛋白轉運子1、2中的一個獨特家族，每個ECF轉運子都包含一個與底物結合的膜嵌入蛋白，被稱為S組件。該能量耦合組件包含兩個ATP結合蛋白和一個跨膜蛋白。ECF家族的結構和轉運機制卻尚不清楚。清華大學生命科學學院施一公教授領導的課題組報道了金黃色葡萄球菌ECF類核素轉運子S組件RibU的3.6埃分辨率的晶體結構。研究結果顯示，RibU采用了一個先前未見報道的轉運子折疊方式，包含一個與L1環(huán)結合的核黃素分子和若干個跨膜周質蛋白片段。結構分析揭示重要的配體結合殘基，確定了轉運途徑，通過序列對比發(fā)現(xiàn)了保守的結構特征，并提出了ECF轉運子的可能作用機制。

“發(fā)育沙漏”的驗證

相關物種中胚胎的出現(xiàn)在發(fā)育過程中途發(fā)生融合，之后又分開，這個現(xiàn)象被稱為“發(fā)育沙漏”。沙漏模型由Karl Ernst von Baer建立在經典觀察結果之上，后來由Ernst Haeckel（達爾文在德國的支持者）廣泛普及。但這種所謂的系統(tǒng)發(fā)生階段是否真的存在？兩個研究小組利用對比方法對這個模型進行了驗證，并為其提供了支持。在該系統(tǒng)發(fā)生階段所表達的基因在演化上比在其他階段所表達的基因更古老、更保守。本期封面為Haeckel在1879年根據(jù)果蠅胚胎形成過程中的表達模式的數(shù)千幅圖像畫出的一幅圖。

拯救北極熊仍為時不晚

北極熊只生活在北半球的海洋地區(qū)，這些地區(qū)被海冰覆蓋的時間足夠長、使它們有充足的機會去捕捉其海洋哺乳動物獵物。夏季北極海冰最近的減少與北極熊種群數(shù)量的下降巧合，而美國地質調查局2007年的一份報告預測，在正常情況下，北極熊本世紀末就可能從它們的所有生活范圍內滅絕。一些觀察家甚至提出，北極海冰也許已經越過了一個臨界點，過了這個點之后，生境也許將無法恢復。但是現(xiàn)在，一項新的分析表明，拯救北極熊還為時不晚。最近所觀察到的夏季海冰的快速消失也許反映了一個變薄的海冰覆蓋層揮發(fā)性的增加，而不是代表著一個臨界點。溫室氣體減排有可能使海冰的消失停止并保護北極生態(tài)系統(tǒng)。本期封面所示為2009年夏天一只北極熊正從斯瓦爾巴群島附近一處海冰所剩無幾的地方走過。

Nature年度新聞人物

本年度《Nature》年度新聞人物是Jane Lubchenco。2009年3月，她被任命為美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration）的負責人，并被賦予了使其現(xiàn)代化的使命。但是，在她實現(xiàn)該目標之前，一連串棘手的事件出現(xiàn)了：深水地平線鉆井平臺爆炸及其引發(fā)的生態(tài)災難。在本期新聞特寫中，Richard Monastersky跟蹤報道了本年度最大新聞事件之一背后的故事及Lubchenco在組織應對中作用。

真正的3D全息顯示器

一種能夠產生真正三維圖像、不要求觀看者戴特殊眼鏡就能觀看的實用方法，在遠程醫(yī)療、測繪和娛樂等方面將會有很多潛在應用。真正的3D全息顯示器一直存在，但卻不能以足夠快的速度來更新圖像以反映運動情況?，F(xiàn)在，來自美國亞利桑那大學光學學院和位于美國加州Oceanside的日東電工株式會社的一個研究小組研發(fā)出一個系統(tǒng)，它能接近實時地更新圖像。在一項概念證明實驗中，他們對一種基于全息立體記錄的成熟方法進行了改造，同時將一種新型光致折變聚合物材料作為記錄介質，做成一種全息顯示器，該顯示器能每兩秒鐘將其圖像更新一次。在這個體系中也有能做成多色和全視差顯示器，就像在“3D網真”系統(tǒng)中一樣。在后者中，描述來自一個地點的全息圖像的數(shù)據(jù)通過以太網被傳送到另一個地點，圖像在此用“準實時”的動態(tài)全息顯示器“打印”出來。

打敗精神分裂癥

本期《自然》?？ㄒ幌盗嘘P于當今我們對精神分裂癥知識和相關研究議程的特寫、評論和透視。該領域的研究進展可以幫助我們在未來幾十年內控制精神分裂癥。本期封面由Rodger Caier和NARSAD（美國國家精神分裂癥與抑郁癥研究聯(lián)盟，National Alliance for Research on Schizophrenia and Depression）提供，NARSAD是一個展出精神病患者藝術作品的非盈利組織。藝術收益將歸研究的資助機構NARSAD。

冰島火山噴發(fā)的前兆

今年4月使歐洲空運陷入混亂的火山灰是由冰島火山排放出的，該火山此前已間歇性地活躍了約18年。研究人員將基于空間的詳細大地測量結果與對埃亞菲亞德拉冰蓋火山在產生大量火山灰的最終噴發(fā)前一段時間的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)結合起來，發(fā)現(xiàn)了可能是由其處在斷層附近的環(huán)境（這種環(huán)境有溫度相對較低的地表下結構，而且在淺層的巖漿有限）造成的異常變形模式。就該火山這種戲劇化的重新覺醒的可預測性而言，2010年該火山的最初噴發(fā)發(fā)生前的短期噴發(fā)前兆非常微妙，難以檢測，但在此之前的幾個星期、幾個月和幾年時間里有關該火山不穩(wěn)定的明顯跡象，也許可以為將要發(fā)生的災難性噴發(fā)提供更好線索。

“粘著斑”的分子架構

細胞外基質與一個細胞的肌動蛋白細胞骨架之間的物理聯(lián)系由被稱為“粘著斑”(focal adhesion)的細胞器組成，它們通過“整聯(lián)蛋白”（或稱整合素）發(fā)揮作用。它們在人體生理中具有根本性的重要性，因為它們調控細胞粘附、機械傳感和控制細胞生長及分化的信號?，F(xiàn)在，“粘著斑”的分子架構已通過利用三維超分辨率熒光顯微鏡在納米尺度上觀測蛋白組織方式而被確定。它們是組織良好的超級結構，在其中“整聯(lián)蛋白”和肌動蛋白被一個40納米長、由部分重疊的蛋白特異性層組成的核分開，又被“人踝蛋白”(talin)系在一起。這種多層架構產生三個或更多單獨的腔室，它們調控“粘著斑”的相互獨立的功能。本期封面的模型所示為用iPALM（干涉測量光激發(fā)定位顯微鏡）測出的蛋白位置。

國際化學年

國際純粹和應用化學協(xié)會和聯(lián)合國科教文組織將2011年定為“國際化學年”，以紀念化學學科所取得的成就以及對人類文明的貢獻?；瘜W是一門基礎學科，在人類面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)之際，提高公眾對于化學的認識尤其具有重要意義?；瘜W在開發(fā)可替代能源、養(yǎng)活全世界日益增多的人口方面將起到主要作用?！皣H化學年”將在全球范圍內對化學科學起到促進作用。增加公眾對于化學的欣賞和了解，提高年輕人對于科學的興趣，培養(yǎng)對于化學未來發(fā)展的熱情。因此，《Nature》本年度將以聚焦化學作為主科學及物理學家和生物學家不可或缺的工具等方面的專輯開始。

給企鵝戴標記物的研究方法不可靠

幾十年來，研究企鵝（已被確定為最能反映氣候變化的動物）的研究人員的標準做法是，用被稱為“flipper bands”的標記物來標記企鵝。然而這種做法是有爭議的，因為關于標記物本身是否會改變企鵝的行為有相互沖突的報告。現(xiàn)在，對自由放養(yǎng)的王企鵝所做的一項為期十年的研究結果提供了令人信服的證據(jù)：戴這種標記物的企鵝存活率明顯較低，每個主要的生活史特征都受到了影響，并且受氣候變化的影響也比不戴標記物的企鵝要大。除了對利用這種標記方法獲得的海洋生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提出質疑外，這項工作也牽涉到了動物標記方法的道德問題。

用流行病學研究工具分析金融危機

在一篇“Perspectives”評論文章中，英格蘭銀行負責金融穩(wěn)定性的執(zhí)行董事Andy Haldane和流行病學家Robert May，利用通常更多用來分析生態(tài)系統(tǒng)食物鏈及傳染病擴散情況的工具，對2007年導致國際銀行體系全球危機的風險的性質進行了分析。他們得出的結論是，從這次危機可以吸取一些教訓，為未來公共政策方面的決策提供借鑒。認為其他領域的理論可應用于金融機構的觀點并不被普遍接受，由Neil Johnson 和Thomas Lux進行的一場“論壇”辯論就反映了這個問題。

C/D RNA蛋白質復合物催化RNA核糖甲基化的結構機理

C/D RNA是普遍存在于真核生物和古細菌的一類古老的非編碼RNA，它們主要介導核糖體RNA和剪切體RNA大量特定位點上的核糖甲基化修飾，同時參與真核生物核糖體的裝配。雖然對這個復合物的結構已經有較多研究，但二個基本問題仍然沒有解決。首先C/D RNA是如何和蛋白質組裝形成復合物的？第二個問題是C/D RNA如何指導甲基轉移酶選擇特定的修飾位點。北京生命科學研究所葉克窮研究員領導的課題組報道了一個加載了底物的完整C/D RNA蛋白質復合物的3.15埃晶體結構。該結構首次顯示了這個復雜分子機器的整體組裝方式，為“單體”模型提供了直接的證據(jù)。這個結構還清楚的顯示了底物RNA的結合方式和催化亞基選擇特定修飾位點的方式。為了形成催化所需的活性狀態(tài)，底物的加載誘發(fā)了復合物內部結構發(fā)生廣泛的變化。