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[交流] 2007《自然》杂志内容精选---环境生态相关

2007《自然》杂志内容精选---环境生态相关

January 04, 2007

研究已灭绝动物饮食习惯的新方法

古生物学家希望能够重建已灭绝动物的饮食，将其作为它们生活方式的一种指示。这通常需要将化石牙齿与可比的现存动物的牙齿进行非常细致的比较。现在有了一种新方法，它建立在一个虚拟牙齿数据库基础之上，而这个数据库是用来自81种食肉动物和啮齿动物的牙齿的441幅数码影像建立起来的。该新方法耗时比较少，而且可能更准确。在食肉动物和啮齿动物的例子中，牙齿比较表明，牙冠表面复杂性直接反映所吃食物。现存物种不同饮食种类之多意味着，将这种多样性考虑进去时，这一新方法对于在现存物种中没有接近的可比对象的化石来说尤其有用。

一种喜欢在黄铁矿排出的酸性水中生活的微生物

Ferroplasma acidiphilum是最近发现的喜欢极端条件的微生物，存在于富含铁和重金属的酸性环境中，如黄铁矿排出的酸性水中。大多数已知现有生物只含有少量铁金属蛋白，与Ferroplasma acidiphilum共享黄铁矿生活环境的该微生物在种类史上的近亲也含有正常的蛋白组。但Ferroplasma acidiphilum的代谢机制在已知生命形式中是独特的，其独特之处是，它的蛋白组所含铁金属蛋白百分比异常地高。很多这些蛋白中的铁原子起“铁铆钉”的作用，用来稳定它们的三维结构。一个可能的、也是人们迫切希望得到的解释是，Ferroplasma acidiphilum一类的微生物是完全在黄铁矿生活环境中演化的，其蛋白组也许代表着一种早期的细胞生命形式。

January 11, 2007

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。

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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。

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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。

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January 18, 2007
季风强度变化对整个亚太地区都有不利影响

根据大规模珊瑚对过去6300年所做的详细气候重建，记录了“印度洋双极”（对印度洋地区的降雨有深远影响的一个气候振荡）以前不知道的变化。这些新的记录显示，在印尼长期干旱与强亚洲季风降雨期之间有一个未曾料到的联系。亚洲季风强度未来的变化因此有可能会比以前的预测产生更广泛的后果。对季风强度变化的预测一直主要集中在对亚洲和印度的影响上，但新的数据表明，它对整个大洋洲和亚洲地区都有不利影响。

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January 25, 2007

封面故事：能进行基本逻辑推理的鱼

鱼类并不是因为聪明而出名，但它们可以被添加到具有逻辑思维入门知识的动物清单中。传递性关系推理，指的是根据已知关系来推理未知关系，这种能力是逻辑推理所必需的，也被看作是儿童发育过程中的一个重要步骤，而类似的能力也见于非人类灵长目动物、大鼠和鸟类。Astatotilapia burtoni是一种领土鱼（territorial fish），即其雄性的生殖成功取决于它们在“鱼类社会”中的地位。这种鱼能通过观察其他不熟悉的鱼之间的争斗，得知它们当中一种暗示的等级关系。令人吃惊的是，鱼是作为旁观者来间接进行这种学习的，而不需要直接强化学习。这种行为对以前的传递性关系推理模型提出了质疑，它表明，这些鱼在其特定的生存和生殖条件下已经形成了鲜明的推理机制。封面所示为这种鱼中的一个雄性个体。

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澳洲大陆更新世中期的动物

最近在澳大利亚西部干旱、无树的Nullarbor平原下面的洞穴中发现的丰富的化石源，让我们对更新世中期（距今大约800,000年至200,000年前）、远在人类到达之前澳洲大陆上的生命能够有难得的一瞥。尽管当时动植物多样性非常大（包括8种以前不知道的袋鼠物种，其中两种是树袋鼠），但当时的气候跟今天相似。这意味着气候变化一个因素不大可能是造成随后出现的将澳大利亚大型动物几乎全部消灭的灭绝事件的惟一原因。

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对“红潮”生物的重新认识

“红潮”生物Myrionecta rubra是一种独特的海洋纤毛虫，自达尔文乘坐“贝格尔”号考察船所进行的航行（当时他们在太平洋上看到了“红潮”）以来一直让科学家感到好奇。作为惟一真正的光营养纤毛虫（以光作为其惟一或主要的能量来源），它过去被认为拥有一种永久性的、能够进行光合作用的内共生体。但根据一项新的研究，事实不是这样的。M. rubra能够从一种特定的猎物偷取、并暂时保持一个细胞核，这种猎物就是隐芽藻Geminigera cryophila。现在，研究发现该细胞核能将其功能保持30天左右，并被用来调控所偷叶绿体和线粒体。这一被称为“karyoklepty”的新颖的“细胞器耕作”方式可能是获得生物化学势的一种强大的演化策略，也可能是研究真核生物叶绿体获取方式的一个模型。

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February 01, 2007

一个演示物种间相互作用重要性的实验

生物膜是微生物群落的专门的生存环境，在这种环境中，它们通过一种由其自己分泌的细胞外聚合物材料与外界隔绝。这样形成的微生物垫曾在复杂性和生物多样性方面被与热带雨林相比。这种生物膜所承受的选择压力很可能要求各种细菌之间要有强烈的相互作用，而利用一个只含有两个物种（即土壤中的细菌Pseudomonas putida 和 Acinetobacter sp.）的简单群落所做的一个实验正好反映了这种相互作用关系有多么紧密。若以对两个物种都有利的方式改变该群落的物理结构，会导致其中一个物种的基因组发生一个简单的突变。在缺少一个伙伴的情况下，这种突变（发生在P. putida中）将是有害的。这一体系说明了物种间相互作用的重要性，并且对关于这些相互作用演化方式的研究工作也可能会有用。

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February 08, 2007
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。

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February 22, 2007
封面故事：东爪哇泥火山喷发是人为造成的？

本期封面所示为当地居民正努力从一个被来自“Lusi”泥火山的泥和水冲毁的工厂中往出清理货物。该火山首次于2006年5月29日在东爪哇的Sidoarjo地区喷发。最近的一篇关于该火山喷发原因和影响的报告预测，它将继续喷发，每天喷出7000至15万立方米的泥浆，持续很多个月时间，在火山喷口周围留下一个面积至少10平方公里的地区数年不适宜居住，有超过11000人将永久离开家园。至于原因，却存在争议。认为这是一个自然现象、是由喷发前两天附近发生的一次地震诱发的观点受到地质学家的质疑。他们说，该火山的喷发几乎肯定是人为的，是人们在附近为勘探天然气进行钻探造成的。David Cyranoski对该火山喷发当前的状态及它所引起的争议进行了报道。

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鸟儿也知道想着明天

关于动物是否能进行遐想、是否能预期某种需要而对未来进行规划存在很多争论。要证明一个动物的行动是这种遐想的结果是很困难的，但研究人员对一种鸟（西方灌丛鸦）所进行的研究似乎正好完成了这样一项工作。研究人员进行了两个实验：一个是“对早餐进行规划”的实验，另一个是“早餐选择”实验。两个实验都表明，这种鸟能够为未来的需要做准备: 一种办法是特意把食物存在某个地方，在这个地方，它们已经知道自己第二天早上会饿；另一种办法是，专门把某种特别的食物保存在一个自己第二天早上不会吃到的地方。这两个实验的结果表明，这种鸟是本能地为明天做准备的，并没有参考它们当前的动机状态。

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March 08, 2007
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。

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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。

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历史应该多回顾
March 15, 2007
封面故事：瑞典博物学家林奈诞辰300周年

2007年是瑞典博物学家林奈（Linnaeus）诞辰300周年，本期Nature也来凑这份热闹。相关文章包括对系统发育基因组学现状的分析、关于《濒危物种法案》的政治问题、以及对业余分类学家所起作用的分析与评估等。两篇评论文章（分别在第259页和261页）讨论了在数据处理方式发生了革命性变化和生命科学其他领域迅速发展的情况下继续采用林奈物种分类方法所存在的问题。Staffan Müller-Wille解释了在Systema Naturae中提出的risqué概念何以使得分类学被当成一种业余爱好而流行。事实上，林奈的著作今天仍然在影响着生物学研究，读者在本期Nature上第279页和第312页的研究论文中就能发现林奈思想的强烈影响。而且，如果你仔细看的话，也许在本期其他地方也能找到这种影响。封面图片：Jovan Djordjevic

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进化永远是主线....
排水草科是被子植物的近亲

排水草科(Hydatellaceae)是小型水生植物，生长在不引人注目的地方，传统上被认为是单子叶开花植物，与草本有关。现在，研究人员利用最新分子技术对它们进行了研究，发现它们原来是睡莲（水百合）等基础被子植物的近亲，这便大大提升了它们的重要性。它们似乎属于一种以前未得到认可的分支，是从接近被子植物根部的地方分出来的一个分支，它是对1999年发现的三个最深的分支的一个根本性的补充，这三个分支曾经重新引发分子生物学家对被子植物起源的兴趣，达尔文曾经将其起源称之为一个“可恶的秘密”。

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March 22, 2007
影响生物多样性的生态因素和演化因素

生命的多样性被认为是源自一系列演化突发事件或“适应性辐射”。造成这些突发事件的条件是什么？为什么它们会在大灭绝之后出现、会出现在岛屿上、并且从时间上来讲是零星或偶然出现的？Justin Meyer 和 Rees Kassen在一个包含原生动物捕食者Tetrahymena thermophilia及其细菌猎物的群落中为我们提供了实验证据，该证据表明，引起演化突发事件的演化过程受这些捕食者影响。要减少猎物的种群数量，捕食者会降低猎物物种分化成新形式的速度。捕食者在孤立的岛屿上数量稀少，而且有时会发生大量灭绝，说明它们的缺席是随后发生的突发演化事件的一种催化剂。在另一篇论文中，Fukami等人利用模型细菌种群发现，生物多样性是向群落内迁移的生态过程和群落内的多样化演化过程这两个过程的结果。这意味着，只有将生态和演化综合起来，才能充分认识生物多样性。

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March 29, 2007
过去4.2亿年间的气候敏感性
了解全球平均表面温度对大气二氧化碳浓度的响应，是理解过去气候变化的关键，也是预测未来气候变化的关键。对由大气中二氧化碳浓度加倍而造成的温度上升（即所谓的“气候敏感性”）的多数估计，是基于过去几十年至上千年的气候变化记录，因而限制了它们在不同气候条件下的适用性。Royer等人采用了一种新颖的方法，即模拟二氧化碳浓度，并将模拟结果与代理记录进行比较，以估计过去4.2亿年间的长时间尺度上的气候敏感性。他们获得的结果表明，气候敏感性几乎肯定超过1.5 °C。这与根据短期记录所做的估计是一致的，说明它可能是这一时间段里地球气候系统的一个稳定特征。

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哺乳动物到底是怎么出现的？

现代形式的哺乳动物是在非鸟类恐龙于距今6500万年前灭绝之后突然出现的、还是花了较长时间才有了其现代特征?关于这个问题的争论还在继续，古生物学家一般倾向于认为它们是突然出现的，而分子系统发生遗传学家则认为哺乳动物的根源要深得多。Olaf Bininda-Emonds等人利用大量分子数据发现，不仅哺乳动物的演化有很深的根源，而且现存的哺乳动物的一些目是在恐龙灭绝之后数百万年才出现在地球上的。在白垩纪末期发生的大灭绝对于哺乳动物的演化几乎没有可以辨别出的影响。

Page: 507

矿山微生物为什么能适应严酷自然环境？

酸性矿山排出物的形成是最普遍和最严重的环境问题之一，是由微生物群落调控的，这些群落经常为II-类钩端螺旋菌属（Leptospirillum group II）所支配。这些微生物生长在pH值一般低于1.0、富含有毒金属的硫酸溶液中。来自美国加州Iron Mountain被废弃的Richmond矿的生物膜，是研究这些重要微生物群落的理想材料，因为它们所包含的物种数量相对很少。一项高分辨率蛋白组-基因组学（proteogenomic）研究表明，在彼此关系密切的细菌种群和在生物个体之间大量的基因变种交换，是它们适应这一严酷生态环境的关键。这项工作是在微生物的自然环境中对它们进行研究方面的一项重要进展，这种蛋白组-基因组学方法在其他方面也应能够找到用途，比如说在对病原体的分类中。

Page: 537

2007年4月12日出版

光合作用能量传输过程中涉及量子方式

光合作用为地球上几乎所有生命提供了初级能量来源。它的了不起的地方之一是，能量在由光合作用器官组成的可以利用光的复合物内传输的效率非常高。现在，对在光合作用核心的能量传输过程中可能涉及量子方式的怀疑，已经被一项新的光谱研究所证实。该研究显示，在来自绿硫菌的细菌叶绿素内存在波状能量运动典型的电子量子节拍。能量传输过程的这种波状特点可以解释光合作用的效率为什么极高，因为在光合作用中，巨大的相空间可以被有效搜索，从而找到能量传输效率最高的通道。

资源限制对生物多样性的影响

什么能解释生物多样性？一种理论认为，在各种不同资源都是有限的生态系统中，多样性将增加，因为生态系统中的条件将有利于那些能适应水、磷、氮等等都缺乏的环境的物种。在资源丰富时，生产率将提高，但优胜者将是那些能够最快生长并消灭对手的少数物种。虽然资源限制并不是可解释物种丰富程度的唯一因素，但Harpole和Tilman研究表明，它能在美国加州塞奇威克的实验草地上解释植物的多样性，并且还能为人类活动(如富营养化等，它们往往会简化一个生活环境)引起的生物多样性减少提供另一种解释。

植物根和茎中干细胞体系之间的联系

植物有两个明显不同的干细胞体系，分别在根分裂组织和茎分裂组织中，它们不断分裂而产生新的组织和器官。以前的研究工作发现，在两个体系中有不同的发育模式和不同的控制基因，但Sarkar等人现在发现，二者之间在机理上有一个强烈的联系。两个体系的信号作用中心都利用相关的转录因子(茎中为WUSCHEL，根中为WOX5)来使相邻的干细胞保持不分化，这两个因子在两个分裂组织中都发挥作用，以维持正常功能。这一发现提供的分子证据表明，干细胞调控系统起源于根和茎在作为现代高等植物祖先的陆地植物中分开之前。

April 19, 2007
世界上最早的森林
树木习性的演化对地球陆地生态系统具有根本性的重要性。关于森林的最早已知证据是化石树桩，距今大约3.85亿年，来自纽约州北部的Gilboa。这些树桩自19世纪70年代以来人们就已经知道了，并被命名为“Eospermatopteris”。但由于这些树桩没有地上部分，所以它们与其他树种的关系以及它们的意义至今仍不清楚。现在，Stein等人介绍了来自纽约州Schoharie县的一种非常引人注目的化石树，它首次显示了一个属于一种以前已知植物类型（即cladoxylopsid Wattieza）的完好树冠，而其树干和树根都是“Eospermatopteris”。这一完整的化石记录为详细重建世界最早森林的外貌提供了所需的证据。

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April 26, 2007
封面故事：雨燕的飞行技巧

滑翔的鸟不断改变其翅膀的形状和大小，通过形态变化来调整自己的飞行表现。（这种形态变化过程也许有一天可用来控制飞机的飞行）。鸟类需要调整其翼展来适应滑翔速度的事实已经从空气动力学理论预测到。本期Nature报告的实验在此基础上更进了一步，研究人员在一个风洞中对雨燕的翅膀进行了测定，目的是建立一个更为优化的模型。实验结果显示，雨燕能够对自己的飞行表现有令人吃惊的控制：它们能够通过选择最合适的翼展来将下沉速度减半，将转弯速度提高三倍。它们翅膀展开是为了降低滑翔和转弯速度，而收缩翅膀是为了应对快速滑翔和转弯时所产生的极大重负。本期封面照片是由Jean-François Cornuet拍摄的，照片上是一只正在急转弯的雨燕。该照片是在雨燕的飞行平面上拍摄的，从照片上可以看出，稳定滑翔过程中雨燕的翅膀保持得有多么薄和多么直。该照片还显示雨燕实际上在倾斜转弯过程中其脑袋是保持水平的，目的是使自己所看到的周围景物保持水平。

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海洋沙漠中的一片绿洲

微藻在海水中的生长是决定气候条件的一个重要因素，因为它能将碳从大气中运送到深海中。这一过程在南大洋因为缺铁而受到抑制，因此该大洋似乎是一个生物沙漠。迄今为止，铁在碳循环中的作用基本上是利用短期添加铁的实验来评估的。现在，对来自科研船泊Marion Dufresne的‘KEOPS I’巡航之旅的数据所做的分析研究，显示在这个沙漠中有一个绿洲——由来自深层海水中的铁所诱导产生的一个浮游植物繁盛区域。这一自然施肥作用的效果至少要比短期实验所做估计大10倍。这说明，海洋表面铁供应的自然变化对大气二氧化碳的影响可能要比过去所想的更大。但人工干预不大可能有来自深层海水的铁和养分的缓慢自然供应那么有效。

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入侵者比本地物种更能利用有限资源
在资源缺乏条件下，本地物种的表现也许能够超过入侵物种。的确，在自家的土地上它们应当能够更好地适应这种条件。这种思维方式已经成为通过操控资源供应来控制入侵物种和恢复本地生态系统的很多策略的一个构成部分。但对在系统发生方面相关联的19对入侵植物物种/本地植物物种的成功或失败情况所做的一项研究表明，入侵者在利用有限资源方面往往比本地物种效率更高。这项工作使得任何试图依靠降低资源供应水平来偏向本地物种生长的管理策略都成了疑问。

Page: 1079

转自环境生态论坛.

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