《科学》

本月《科学》摘要 :

促进智力发明
脑刺激与巴金森氏病
自动修复的涂层
出自深部
鲱鱼集群
南极的融冰
强壮小麦的提示
弹性超强的气溶胶肌肉
最早的驯马
鬼祟的传播
太阳大气的加温
本期的 *Science Signaling*

 

促进智力发明

专利一般被看作是一种促进智力发明的有效方法，因为它们为人们所投入的精力提供了强有力的物质刺激，发明者所投入的成本可因发明的应用所赚取的利润而获得补偿。但专利系统也因为不同的原因而受到批评，其中包括不公平（仅有赢家才能获得所付出的补偿）以及专利的拥有可能变得支离破碎，而这又会抑制更进一步的发明。在 2009 年 3 月 6 日 刊《科学》杂志的一篇 Report 中， Meloso 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5919/1335报告了另外一种刺激创新的方法。在一系列的包括“背包问题”的实验中（在该项实验中，参与者必须确定将最有价值的物品亚组放入具有固定体积的一个背包之中），研究小组对专利样奖励系统及根据市场的奖励系统对参与者的表现的影响进行了比较。在专利系统中，现金奖励被发放给得到解决方法的第一位获胜者。但是在市场系统中，研究人员允许实验参与者对不同物品的股份进行交易。这样，在获胜解决方法中的每一项目都会被授予红利。研究人员发现，在奖励和市场系统中都可以获得对问题的正确的解决方法，但是在市场系统中会有更多的参与者发现正确的解决方法（请听对资深作者 Peter Bossaerts 的播客采访）； http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/323/5919/1335/DC2 。 他们声称，在奖励系统中仅有一位获胜者得到奖励，而这会促使其他人不愿再花努力；而在基于市场的系统中，参与者被更强地调动起来，因为原则上每个人都有可能获得补偿。在一则附随的 Perspective 中， D. K. Levine http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5919/1296 写到，“这一研究给未来的另类诱导创新的补偿系统的实验研究打下了基础。”

 

脑刺激与巴金森氏病

深部脑刺激（ DBS）通过深深植入脑部的电极来发放脉冲电流。这种方法被证明对巴金森氏病患者的运动功能障碍是一种有效的治疗方法。然而，这是一种高度侵入性的手术，而且尽管它很成功，但人们对 DBS 究竟是通过什么机制而产生效果却所知甚少。在本月的《科学》杂志中，有 2篇研究报告对深部脑刺激的机制以及一种有前途的较少创伤但却有类似裨益的手术进行了研究（请参看由 G. Miller 撰写的相关的 NewsFocus ）； http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5921/1554 。

- Gradinaru 等 ( 在 2009 年 3 月 19 日 的科学快讯上以网络版发表 ); http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1167093应用一种尖端的结合遗传工程和光学的方法来仔细剖析丘脑下核（ STN ）中的神经回路。 STN 是 DBS疗法中的一个常用的标靶。巴金森氏病样的小鼠是用基因工程的方法创制出来的，所用的基因会编码对光敏感的离子泵和通道，这使得研究人员能够通过应用由插入脑中的光纤所发送的激光脉冲来选择性地刺激或抑制这些离子泵和通道。该研究团队发现，无论是压制或是刺激神经元的放电都不能改善小鼠的运动障碍。但是直接选择性地刺激来自其它区域的携带送往 STN 信号的轴突（包括来自主要运动皮层的轴突）却有着治疗效果。这些结果除了会对阐明 DBS机制有帮助之外，它们还证明了光学遗传学对系统性地剖析牵涉脑疾病的神经回路所具有的功效。

-- Fuentes 等 ( 2009 年 3 月 20 日 ); http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5921/1578测试了用电刺激脊髓背侧柱作为 DBS的另选治疗方法。他们发现，这种术疗显著地改善了巴金森氏病模型的小鼠和大鼠的运动机能，因此这种方法可能会成为治疗巴金森氏病的一种有效且创伤较少的另选方式。该研究团队还对在脊髓刺激中的基底神经节和运动皮层的神经活动进行了监测。这些记录提示，脊髓刺激通过打断异常的神经放电振荡（由多巴胺损耗所引起，这是运动功能损害的一个主要原因）而帮助恢复了这 2 个脑区域之间的正常交流。

 

自动修复的涂层

聚氨酯是一种因其坚硬和弹性而著称的多用途的聚合材料，但它们仍然会受到机械性的损伤。如今，在 2009 年 3 月 13 日 刊《科学》杂志的一篇 Report 中， Ghosh 和 Urban http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5920/1458对一种新型的聚氨酯材料的研发进行了描述，该新型材料只要接触到紫外线后就能够进行自我修复，因而它可用于从汽车到家具等物品的抗擦伤的涂层。这种新型材料是一个由聚氨酯和环氧丙烷取代的几丁聚糖前体化合物组成的网状结构。几丁聚糖是几丁质的衍生物，而后者是昆虫和甲壳动物外骨骼的结构成分；环氧丙烷有一个四元环的分子式，其中 3个为碳原子、一个为氧原子。当该网状结构受到机械性损伤时，环氧丙烷环会打开并出现 2个反应性的末端。这时如果它接触到紫外线的话，几丁聚糖链会被切断并与环丙烷反应性端点形成交联，从而完成了材料的修复过程。该材料可以在不到一个小时的时间中自我修复。由于交联反应对潮湿不敏感，因此干燥或潮湿的气候环境不会影响修复的过程。资深作者 Marek Urban 在一篇相关的播客采访 http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/323/5920/1458/DC2 中对该项工作进行了讨论。

出自深部

科学家们长期以来就一直在寻求解开造成大气二氧化碳浓度与地球气候之间紧密偶联的物理和生物地球化学作用的谜团。研究人员怀疑，南大洋可能在寒冷的冰川期为大气二氧化碳提供了一个储藏库，而该储藏库中某些二氧化碳的释放可以帮助解释为什么在过去的 5 次冰川消失的时期中，大气中的二氧化碳每次都会上升近50% 。在 2009 年 3 月 13 日 刊《科学》杂志的一篇 Research Article 中， Anderson 等 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5920/1443报告说，在南大洋的由强劲风力驱动的海水上升流可能会在大约 1 万 7000年前的最后一次冰川消失时诱使二氧化碳从深部水域进入大气之中。该研究团队应用生物蛋白石（即海洋硅藻属的硅质细胞壁）的掩埋速度作为海洋上涌流的替代测量物。硅藻属是在受到阳光照射的表层海水中繁茂生长的，但它的生长却依赖于在较深层水域的含量丰富的硅和其它的营养物质。由于每年生物蛋白石产生的总量最终取决于溶解性硅的供应量，因此蛋白石产量和掩埋的变化可以与海洋向上涌流的变化联系在一起。该研究团队发现，蛋白石的掩埋速度以及海洋的向上涌流在过渡出最后的冰川期的时候，在南大洋的每一个部分都有所上升。他们还发现有证据表明，在海洋向上涌流增加的 2个间期中，与该间期同时期的大气中二氧化碳浓度则在冰川消失的时候不断地上升。在一篇相关的 Perspective 中， J. R.Toggweiler http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5920/1434 解释了为什么极向移动的西风（会将富含二氧化碳和硅的海水向海洋的表面吸引）能够解释这些结果。

 

鲱鱼集群

海洋中有许多种鱼会集结在一起，形成某种称之为鱼群的大型集团，这些鱼群中会有上亿条鱼，其范围可覆盖数十公里之广。这些群体对鱼类提供了生存上的优势，包括增加了交配的机会以及避开掠食动物的攻击等。然而，在此之前，关于它们是如何形成大型鱼群的机制人们却所知甚少。在 2009 年 3 月 27 日刊《科学》的一篇 Report 中， Makris 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5922/1734 记述了大西洋鲱鱼群的形成以及其动态变化：它们在初秋时节在每天晚上会集结在一起产卵（参看由 J. Kaiser 撰写的相关的 *Science*NOW 故事）； http://sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2009/326/4。该研究团队应用一种叫做 Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing的成像技术使他们能够在几天的时间内，对成千上万平方公里中的鱼群进行实时、连续性的监测。他们发现，鱼群是在日落的时候在深部水域中开始形成的，当时个体鲱鱼的小群需要达到一个临界密度，即每平方米中有 0.2条鱼。这些领先的小鱼群接着会更为密集地集中在一起，并吸引水平位水域中的其它鱼群，导致了在数十分钟内形成面积超过数十公里的密集鱼群（每平方米中超过5 条鱼）——其形成速度的数量级比鲱鱼的游水速度还要快。该鱼群接着会转移到较浅的产卵场所，并在整个晚上保持稳定的密度，直到日出的时候才开始消散。该新观察与一般的理论预测以及电脑模拟和实验室对动物群集行为的实验结果是一致的。这些新观察到的情况可对保护有着巨大海洋鱼群的海洋生态系统提供有用的资讯。

南极的融冰

在过去的数十年中，南极半岛的西侧大陆架（ WAP）的气候正在发生从寒冷干燥的极地类型的气候转化为一种由于冰川的消退而变得较为暖和且更为潮湿的气候。结果，过去依赖于海冰的物种种群（如磷虾和Adelie 企鹅）被迫向极地方向转移，而它们原先的聚集地则被那些通常厌恶海冰的其它物种所占领。根据 2009 年 3 月 13 日刊《科学》的一篇 Report ， Montes-Hugo 等 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5920/1470提出，海洋食物网底层部分所发生的与气候有关的变化对这些移置现象具有促进的作用。该研究团队利用在三十年中收集的卫星和实地数据证明，沿着 WAP的海洋生物生产力（可从叶绿素 a的浓度来推断）发生了显著的变化。该研究团队将这种现象归因于冰覆盖量、云层的形成以及影响水柱混合的风力模式的变化。在 WAP的北部区域，那里的天空变得云层较多，从而减少了浮游植物所能得到的阳光量。光线变少，加上来自海冰融化的淡水减少以及风力变强（后两者都会抑制水柱的层化）皆会导致浮游生物产量的降低。相比之下，在其南部地区，那里的天空维持着较长时间的无云状态，而大西洋水流则增加了其流速，从而为该地区吸引来了更多的微营养素，因此促进了初级海洋生物生产力的增加。这些区域浮游植物的变化与所观察到的磷虾、鱼类和企鹅群体在南极西侧的变化是一致的。

 

强壮小麦的提示

鉴于全球人口的不断增长及对食物需求的增加，改进减少作物病虫害损失的策略至关重要。了解特别植物抵抗力的分子基础能够使人们开发出可抵抗常见病的作物品种。如今，在 2009 年 3 月 6 日 刊《科学》杂志的 2 篇 Report （在 2009 年 2 月 19 日先以网络版发表）对控制小麦耐受性及广谱抗真菌病抵抗力的分子学机制提出了见解。小麦是全世界产量第二大的谷类作物。 Fu 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5919/1357 克 隆了 *Yr36*基因，该基因会给予小麦抵抗一种叫做条锈病的破坏性真菌病的能力。该基因编码一个激酶区以及一个脂质结合区，这提示在细胞信号传递机制中的植物脂质可能会给予作物抗病的能力。此外， *Yr36*存在于野生的小麦中，但却在几乎所有的现代商业性品种（即用于通心粉和面包的小麦）中阙如。因此该基因可通过逆代杂交在范围广泛的品种中用于增进作物对条锈病的抵抗力。 Krattinger 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5919/1360克隆了 *Lr34* 基因，这种基因与作物抵抗叶锈病、条锈病和白粉病的能力有关。该研究团队发现， LR34 蛋白与所谓的 ABC转运蛋白（或称多向耐药转运蛋白）相似，该转运蛋白可跨膜转运不同的化合物，其中包括植物的天然产物。 *Lr34*看来也与叶子的衰老过程有关（即老叶子的掉落），而这也可有帮助作物抵抗疾病的能力。或者， LR34可能通过输出可影响真菌生长的代谢物而在抵抗疾病上扮演着一个直接的角色。在一则附随的 Perspective 中， D. J.Kliebenstein 和 H. C. Rowe http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5919/1301 着重介绍了这些研究。

弹性超强的气溶胶肌肉

可以将电能、化学能、热能或光能转换为机械能的新型材料正被人们用越来越大的力度进行研究，因为这些材料可被用来产生动力、移动物体及完成作业。在 2009 年 3 月 20 日 刊《科学》杂志的一篇 Research Article 中， Aliev 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5921/1575对一种人造肌肉的开发进行了描述，该种肌肉按重量计算的话在 1 个方向具有钢那样的力量与硬度，而在另外 2个方向则比橡胶更具顺应性。该新型材料是由多层的多壁碳纳米管组成，并形成仅比空气略为致密的气溶胶。当被充电的时候，这些纳米管层可在几个毫秒之内被可逆性地延展到其原先宽度或厚度的 220%。它们也可被冻结在原处。该气溶胶肌肉能够应付比天然骨骼肌强出数十倍的应力，并可能在医疗仪器、机器人和太空应用（需要质量非常低的特殊材料）上有使用前途。在一则附随的 Perspective 中， D. W. Madden http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5921/15 71 提出，这一发现“会激发人们开发新的纳米材料，这些新的纳米材料的刚度、长度及精心排布的成分可使人们对这些材料的性质进行精细的修整。”

 

最早的驯马

驯化野马改变了人类的历史进程、变革了交通运输方法并改变了战争的特别形式。对现代家马繁衍的遗传学研究提示，家马或是来自多重驯马活动事件或是这些种马来自一个单一的原始世系（通过与捕捉到的野生母马进行繁殖）。但是人们尚未搞清楚驯马活动是在什么时候，在什么地方第一次发生的。在 2009 年 3月 6 日 刊《科学》杂志的一篇 Report 中， Outram 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5919/1332提出了三条独立来源的证据，它们指出，早期的驯马来自 Botai 文明，该文明位于现在的哈萨克斯坦的北部地区，距今有 5100 年到 5700年。首先，骨骼的测量表明， Botai 马与青铜器时代较为苗条的家马更为接近，而与该地区的较为粗壮的野马的差别则较大。第二，数个 Botai马的头颅骨在其口腔的骨骼组织上出现损伤，这通常发生在马在被人骑或被勒上马嚼子 / 笼头驱赶的情况下。最后，来自 Botai陶器中的碎屑物的同位素数据披露了马脂肪残剩物的存在，其中包括马奶脂，表明这些器皿是用来加工马奶及承载马匹屠宰产物的，因此马匹是被人们当作一种主食来享用的。

鬼祟的传播

细胞内的细菌性致病原已经形成了多种的策略来利用宿主细胞的资源以达到既能复制又能不为宿主免疫系统所攻击的目的。在 2009 年 3 月 27 日 刊的《科学》杂志中， Hagedorn 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5922/1729报告说，在社会阿米巴虫 *Dictyostelium discoideum*中（这是一种研究细胞感染的模型系统），分枝杆菌性致病原可以从某一宿主细胞悄悄地传染另外一个宿主系统，其采用的是一种叫做弹射体的特别离去结构来完成这一过程的。弹射体是一种桶形的肌动蛋白结构，它环裹着分枝杆菌并通过宿主细胞的胞浆膜而破裂出胞。这种弹射体是由躲避了吞噬体（含有致病原的囊泡）的分枝杆菌产生的。它需要一种来自宿主及分枝杆菌毒力基因位点 RD1 的细胞骨架调节物以进入细胞浆的。引起结核病的致病菌*Mycobacterium tuberculosis*可能在感染的时候应用类似的结构在人类的巨噬细胞间扩散。这一发现可能为发现新药的研究指出新的途径。在一则附随的 Perspective 中，F. Carlsson 和 E. J. Brown http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5922/1678 重点介绍了该 Report 。

 

太阳大气的加温

从太阳表面向其大气外层（即日冕）移动的时候，其温度会发生急剧的升高：从大约 6000 摄氏度 上升至 1百万摄氏度。令人感到好奇的是，尽管有多种磁性波流经太阳的大气层，但它们却未携有足够的能量来产生在日冕中的极度高温。在 2009 年 3 月20 日 刊《科学》的一篇 Report 中， Jess 等人 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5921/1582 做了探测到 Alfvén 波的报告（这是一种高速度、扭曲的磁波，人们长期以来就提出假设，认为这种波对太阳的大气具有加温的作用，但是此前人们却无法明白无误地探测到这种磁波（请聆听对文章主要作者 David Jess 进行的一则播客采访）； http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/323/5921/1582/DC2。应用在 Canary Island 上的 Swedish Solar Telescope以及清除因为地球的湍流大气而造成的影像模糊的光学技术，该研究团队因而能够获得有关太阳表面的高清晰度影像，并观察到了来自一大群的磁性亮点（其面积大约为 43 万平方公里）的震荡，而其震荡则带有 Alfvén 波的鲜明特征。该研究团队猜测，这些磁波是从太阳的光球层（即其可见外层）以一种蜿展管的方式被向上驱行到了 5000 公里 以上的日冕底部。 正如 R. A. Kerr http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/323/5921/1551 a 在一篇附随的 News 故事中所写的 ，该研究团队计算出在太阳表面有足够多的亮点群使得 Alfvén 波能够将日冕加热到其所观察到的百万摄氏度的高温。

 

本期的 *Science Signaling*

固有的反应性

通过有丝分裂原活化蛋白激酶（ MAPK ）通路传导的信号对酵母细胞所介导的渗透压反应来说非常重要。在接触到高渗透压的时候， MAPK通路被激活，并以细胞的基因转录作为其激活的巅峰。这些基因的转录会帮助细胞避免出现生理性的损伤。在 2009 年 3 月 24 刊的一篇Research Article 中， Macia 等人 http://stke.sciencemag.org/cgi/content/abstract/2/63/ra13报告说，抑制 MAPK Hog1 的激酶活性不能阻碍其磷酸化形式的积累，这表明经过这一通路的信号传导甚至可发生在没有渗透压刺激的情况之下。研究人员发现，这一基本的信号传导受到一个负反馈环路的牵制，而该环路需要有 Hog1 的激酶活性。一个包括该基础信号传导及负反馈的数学模型概要性地重述了这些试验数据，并提示处于固有基态的信号传导可以使该系统迅速进行反应，即使是在渗透压变化很小的情况下亦然。一种类似的基态活性同样也在 2 种其它的由 MAPK 参与的外激素反应中被探测到，提示高度的基态信号传导可能是 MAPK通路的一种共性。

-- Levy 等人 http://stke.sciencemag.org/cgi/content/abstract/2/60/pe11 讨论了为什么并非所有的蛋白 - 蛋白间的相互作用都是功能性的进化上的原因（ 2009 年 3 月 3 日 ）

-- Roy 等人 http://stke.sciencemag.org/cgi/content/abstract/2/62/pe14 突出介绍了最近的一则有关某种细菌蛋白的翻译后修饰以及灭活宿主中的 GTPases 的研究（ 2009 年 3 月 17 日 ）

-- Depoil 等人 http://stke.sciencemag.org/cgi/content/abstract/2/63/pt1 做了一则幻灯介绍，阐述了 B 细胞在应对抗原呈递细胞而被激活时所发生的形态学上的变化（ 2009 年 3 月 24 日 ）

-- Takei http://stke.sciencemag.org/cgi/content/abstract/2/64/ra14 描述了可以使神经突外生长的一种磷酸化的过程。神经突外生长是在中枢神经系统中轴突再生的一个先决条件（ 2009 年 3 月 31 日 ）。

按出现顺序排列的启谢人像： Alex Aravanis 和 Karl Deisseroth/Stanford; NicholasMakris; Stephen Ausmus/Agricultural Research Service, USDA; Alan K.Outram; D.B. Jess ）