小图按：2019年是Nature周刊创立150周年。图书馆“资源深度推广计划”（挖矿）计划推出一系列文章来纪念Nature150岁生日，帮助大家了解世界顶尖学术期刊的过去、现状与未来。本计划预计由10篇文章组成，5篇转载文章分别介绍Nature的起源、Nature与中国等，后5篇文章介绍登上Nature封面故事的高水平研究成果，分成IT与人工智能、生物与医学、人文与社会等。
人类在成长进步的过程中从未停止过对神奇的自然界的观察，而其中各种生命的奇迹，更是激活了生物界与医学界学者们内心最深层次的好奇。在这广袤的天地间，人类的视野从多彩而和谐的生物圈与生态，到多姿多彩的种群行为，再到精致巧妙的细胞结构，乃至神奇而伟大的基因，层层深入；在恢弘的生物进化发展历史中，人类的探索更是可追溯至遥远而神秘的古生物，贯穿整个生物演化进程。基于此，人们坚持不懈地用已有的知识去解释各种机制、原理，并通过奇思妙想，设计出丰富而有效的医疗方法与药物。名为《自然》，Nature从来不拒绝学者对大自然的任何有价值的探索，可谓是包罗万象。而现在，就让我们走进Nature呈现出的世界，一窥究竟。
01
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生态与生物多样性
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1) 生物多样性专题
https://www.nature.com/nature/volumes/546/issues/7656
地球的生物多样性令人惊叹，但也面临着严重的威胁。生物之间不仅存在许多潜在有益的关系，比如封面所示的红嘴牛椋鸟和斑马之间的关系，也存在极为有害的关系，它们对物种、栖息地和生态系统构成了前所未有的挑战。本期《自然》探讨了生物多样性和生态保护领域的一些关键话题。在Insight特集中，我们深入探讨了促使多样化生命得以出现的过程，以及生物多样性被加速削弱的趋势；另外还探索了可以缓解生物多样性下降、保护生态系统的方法，以及这类保护措施能带来的许多益处。
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2) 纳米比亚“精灵圈”之谜
Tarnita C E , Bonachela J A , Sheffer E , et al. A theoretical foundation for multi-scale regular vegetation patterns[J]. Nature, 2017, 541(7637):398-401.
封面所示为从热气球上拍摄到的纳米比亚纳米布兰自然保护区鸟瞰照片。从照片中可以看出，纳米比亚一些地区的沙漠草原上规律分布着内部寸草不生的怪圈，它们被称为“精灵圈”，其形成原因至今仍未可知。Corina Tarnita, Juan Bonachela及同事使用模型模拟方法表明，植物间的尺度依赖反馈与地下社会性昆虫群落种内竞争的共同作用能为此提供解释。
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3) 海岛生物地理学
Pinheiro H T, Bernardi G, Simon T, et al. Island biogeography of marine organisms[J]. Nature, 2017, 549(7670): 82.
封面所示为马丁瓦斯群岛，属于距巴西东海岸约1170千米的特林达迪和马丁瓦斯群岛。岛屿生物地理学家往往专注于岛屿上的陆生栖息者，以及海平面变化、动植物入侵和特有生物体分布如何影响生物多样性，而生活在岛屿附近水域的海洋生物则没有吸引太多注意。Pinheiro及其团队研究发现，海平面的变化促进了海洋物种形成，但是由于鱼类比陆地生物能更好地扩散，因此大量外来物种的涌入促进了生物多样性的提升。作者总结表示岛屿地理、地质历史和海平面变化影响海洋生物扩散的方式与影响陆地生物的方式不同。
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4) 海鸟可提高无鼠岛珊瑚礁的生产力和功能
Graham N A J , Wilson S K , Peter C , et al. Seabirds enhance coral?reef productivity and functioning in the absence of invasive rats[J]. Nature, 2018, 559(7713):250-253.
封面所示为一只红脚鲣鸟（Sula sula），红脚鲣鸟和另外几种海鸟都栖息在印度洋中部的查戈斯群岛。在本期《自然》中，Nicholas Graham和同事指出，这些海鸟的鸟粪不仅能被岛上动植物循环利用，还能滋养附近珊瑚礁的生态系统，增强珊瑚礁鱼类的生产力和功能。研究小组还发现在老鼠肆虐的岛屿上，海鸟数量和海鸟所提供的营养素大幅减少。研究人员认为，消除海岛鼠患或能修复生态平衡，并最终帮助增强珊瑚礁的抵抗力。
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5) 全球林木共生的生物地理学受气候控制的分解速率驱动
Steidinger B S, Crowther T W, Liang J, et al. Climatic controls of decomposition drive the global biogeography of forest-tree symbioses[J]. Nature, 2019, 569(7756): 404.
根部共生微生物会严重影响森林生态系统的功能发挥，了解这些共生物的种属有助于确定树木在汲取营养、固碳或抵御气候变化影响方面的能力。在本期《自然》中，Brian Steidinger 和同事利用覆盖逾110万个森林资源调查样地、涉及约2.8万个树木物种的数据库，绘制了一幅全球森林共生状态地图。作者发现，主导的共生类型之间存在剧烈转变，且这些转变主要由受到气候控制的分解速率驱动。
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6) 捕食者诱导的生态位结构和物种共存的瓦解
Pringle R M, Kartzinel T R, Palmer T M, et al. Predator-induced collapse of niche structure and species coexistence[J]. Nature, 2019, 570(7759): 58..
Robert Pringle及其团队调查了向岛屿生态系统引入捕食性物种会对其它物种造成何种影响。研究人员考察了16座巴哈马岛屿将树栖的绿安乐蜥（被捕食者）与地栖卷尾蜥（捕食者）以不同的组合引入了部分岛屿。团队观察发现，在没有卷尾蜥的岛上，沙氏变色蜥和绿安乐蜥能够共存，分别占据不同的食性和生境生态位。但是在引入了卷尾蜥的4座岛上，出于被捕食的恐惧导致沙氏变色蜥爬到树上寻求庇护，并与绿安乐蜥展开了资源竞争，结果导致2座岛上的绿安乐蜥逐渐灭绝。研究人员认为这个“避难竞争”的案例表明，顶级捕食者不一定会推动生物多样性的增加，而捕食风险可能会动摇物种共存。
02
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种群行为
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1) 斑马鱼幼鱼的趋流性
Oteiza P , Odstrcil I , Lauder G , et al. A novel mechanism for mechanosensory-based rheotaxis in larval zebrafish[J]. Nature, 2017, 547(7664):445.
封面所示为斑马鱼（Danio rerio）幼鱼。斑马鱼幼鱼的趋流性使其即使在缺乏所有视觉线索的情况下，也能始终溯流而上。作者研究发现，其中的奥秘存在于一系列毛细胞（红色），又称为侧线。他们提出毛细胞通过探测鱼身体周边的局部流场旋转，判断水流流动方向，而在野外，正是这些毛细胞使得鱼能够在缺乏视觉线索的情况下感知环境。
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2) 大小的确很重要
Huchard E , English S , Bell M B V , et al. Competitive growth in a cooperative mammal[J]. Nature, 2016, 533(7604):532-534.
狐獴是小型群居肉食性动物，在每一群内一个居支配地位的繁殖对(breeding pair)垄断繁殖活动，而它们的后代则由所有群体成员来抚养。争夺繁殖角色的竞争是激烈的，个体在群体中的地位取决于其大小和重量。作者研究了野生喀拉哈里狐獴的一个天然种群，发现它们在不断估计彼此的大小，以确保年轻个体不会超过它们的大小，因而也不会超过它们的群体地位。一旦一只狐獴成为群体中的老大，它就会猛长一阵，以确保它仍然比其最大的对手更大、更重。作者提出，对竞争风险的类似反应可能也会出现在如家畜和灵长类等其他群居哺乳动物中。
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3) 善用工具的夏威夷乌鸦
Rutz C , Klump B C , Komarczyk L , et al. Discovery of species-wide tool use in the Hawaiian crow[J]. Nature, 2016, 537(7620):403-407.
鸦科鸟类以其认知能力著称。一直以来，新喀鸦（Corvus moneduloides）因能够制作和使用工具觅食而闻名。不过，Christian Rutz等人发现，这种能力并非新喀鸦独有，另一种来自太平洋岛屿的乌鸦——夏威夷乌鸦（Corvus hawaiiensis）也具备这种能力：夏威夷乌鸦在幼年时自然而然地学会如何使用工具，整个物种全部都能熟练使用工具。研究表明，热带乌鸦的技术能力或许是由偏远岛屿的独特生态环境促成的，包括内部猎物竞争降低和被捕食风险下降。发现第二种会使用工具的乌鸦为动物在使用工具方面的比较研究创造了难得的机会。
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4) 合作育雏的杜鹃将社会性寄生育雏作为替代繁殖策略
Riehl C, Strong M J. Social parasitism as an alternative reproductive tactic in a cooperatively breeding cuckoo[J]. Nature, 2019, 567(7746): 96.
大犀鹃通常会选择合作育雏的方式，即两个或以上的雌性大犀鹃与配偶共用一巢。但如果第一个巢被破坏，一些雌性大犀鹃就会改变策略，选择寄生育雏——在另一个巢产卵，并丢弃给它者抚育。而作者考察表明，两种育雏策略的适应性收益大致相同。虽然选择寄生育雏的雌性大犀鹃产卵量更高，但寄生的卵常常无法成功孵化，因此存活率较低；而一直采用合作育雏的雌性大犀鹃产卵量较低，但后代的存活率较高。结果显示，两种繁殖行为已经演化成抵御巢捕食者攻击的替代策略。
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5) 性印记为物种形成创造条件
Yang Y, Servedio M R, Richards-Zawacki C L. Imprinting sets the stage for speciation[J]. Nature, 2019, 574(7776): 99-102.
封面所示为草莓箭毒蛙（Oophaga pumilio），这是一种生活在中美洲，具有各种不同体色的蛙。在本期《自然》中，Yusan Yang和同事揭示了母体如何影响草莓箭毒蛙的配偶选择和雄性竞争，以及这种影响如何潜在地推动新物种的形成。印记是指后代从父母身上认识到的特征会在日后帮助塑造其自身行为。研究人员发现，在这些草莓箭毒蛙中，雌性后代更愿意和体色与其母亲一致的雄蛙交配；而雄性后代对于体色与其母亲相同的雄蛙也更具攻击性。研究人员认为，这种现象最终可能会减少具有不同交配特征的草莓箭毒蛙之间的基因流，从而为性选择驱动的物种形成创造条件。
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6) 斑马鱼睡眠的神经特征
Leung L C, Wang G X, Madelaine R, et al. Neural signatures of sleep in zebrafish[J]. Nature, 2019, 571(7764): 198-204.
封面所示为一只正在睡觉的白点河豚鱼。鱼是怎么睡觉的？在本期《自然》中，Philippe Mourrain、Louis Leung和同事解答了这个问题。虽然科学家已经在哺乳动物、鸟类和爬行动物中识别并定义了各种睡眠阶段，但尚不清楚这些阶段对鱼类等其他脊椎动物是否同样适用。来自斯坦福大学的研究人员利用无侵入分子、成像和生理学工具，观察到斑马鱼的神经特征可以分为至少两个不同的睡眠阶段——类似于其他生物体中发现的慢波睡眠期和快速眼动期。在鱼类中发现此类特征表明，脊椎动物的大脑可能在4.5亿年前就已出现了这些睡眠阶段。
03
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细胞与分子
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1) 细胞周期调控系统
Yang H W, Chung M, Kudo T, et al. Competing memories of mitogen and p53 signalling control cell-cycle entry[J]. Nature, 2017, 549(7672): 404.
当增殖细胞完成有丝分裂后，一些新生子细胞会立即进入下一个细胞周期，而另一些则切换至静止状态，而Tobias Meyer及同事揭示了遗传自母细胞的互相矛盾的记忆如何让子细胞决定停止还是启动下一个细胞周期。生长信号引发细胞周期蛋白D1信使RNA在母细胞中累积，而DNA损伤导致细胞包含更高量的活化p53。它们都被传递到子细胞中，而遗传了更多细胞周期蛋白D1的子细胞继续进入下一个细胞周期，遗传更多活化p53的则进入静止状态。这样形成的细胞周期调控系统通过有偏好地选择DNA损伤较小的细胞进行更频繁的增殖，从而最大程度地优化生长的细胞群的健康状况。
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2) 遗传与转录演化改变癌细胞系的药物反应
Ben-David U, Siranosian B, Ha G, et al. Genetic and transcriptional evolution alters cancer cell line drug response[J]. Nature, 2018, 560(7718): 325.
封面所示为一连串弹珠沿斜坡滚动，它们表面上看起来一样，但是仔细观察可以发现坡底的弹珠的内部纹路有所变化，就像它们所代表的细胞系一样，这一点也反映在Todd Golub及同事在本期《自然》中所报道的研究结果。研究人员表明，细胞系“品种”并非完全一样，它们在基因组变化、基因表达谱、增殖率和药物反应方面都表现出某些差异，而这些差异均源自遗传与转录演化。这一发现对于使用这类细胞系开展癌症研究具有启示意义。
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3) 阿尔兹海默症关键蛋白的冷冻电镜结构
Fitzpatrick A W P, Falcon B, He S, et al. Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease[J]. Nature, 2017, 547(7662): 185.
封面所示为tau蛋白双螺旋丝，它是阿尔兹海默症中缠结的主要组成成分。在许多患有神经退行性疾病的人（包括阿尔兹海默症患者）中，tau蛋白细丝构成了其大脑神经细胞内的蛋白包含体。在本期《自然》中，Sjors Scheres、Michel Goedert及同事首次揭示了阿尔兹海默症中tau细丝两种形态的高分辨结构。研究人员从阿尔兹海默症患者大脑中分离出这些细丝，并使用冷冻电镜技术进行成像。这些高分辨结构或有助于开发新型诊断方法和治疗性化合物。
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4) 人类MHC-I肽组装复合体的结构
Blees A, Januliene D, Hofmann T, et al. Structure of the human MHC-I peptide-loading complex[J]. Nature, 2017, 551(7681): 525.
封面展示了人类肽组装复合体（PLC）的结构。作为免疫应答的关键组成，PLC负责将来自异物（如病毒）的肽片段装载至MHC-I分子。这些MHC-I分子再将肽片段呈递至身体的免疫细胞，启动免疫系统抗击入侵者。Robert Tampé及同事使用冷冻电镜揭示了PLC的结构。他们还发现将抗原肽装载到MHC-I能诱导其结构变化，从而促进释放稳定的肽-MHC-I复合体，启动免疫应答。该发现让研究者得以窥探PLC、抗原加工以及MHC-I介导的免疫启动过程背后的机制。
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5) NLRP3炎性小体的激活驱动tau蛋白病理发生
Ising C, Venegas C, Zhang S, et al. NLRP3 inflammasome activation drives tau pathology[J]. Nature, 2019, 575(7784): 1-5.
本期封面所示为tau蛋白（蓝色）在神经元内的聚集。除了β淀粉样蛋白，据信tau蛋白也在阿尔茨海默病中起到了重要作用。β淀粉样蛋白沉积成斑块，而过度磷酸化的tau蛋白则聚集形成神经原纤维缠结，这些斑块和缠结会导致神经变性和认知功能下降。NLRP3炎性小体是一种参与人体天然防御的蛋白复合物，其在小胶质细胞内的激活对于β淀粉样蛋白斑块的形成至关重要。在本期《自然》中，Michael Heneka和同事发现，NLRP3炎性小体也会帮助驱动tau缠结的形成，验证了阿尔茨海默病的淀粉样蛋白级联假说。另外，tau蛋白本身可促进该炎性小体的激活，这有望为理解其他神经退行性疾病带来重要启示。
to be continued
SpringerNature 翻译
王媛、杜其原 整理
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