重温现代数据揭示达尔文进化论：快速适应能力也可用来解释物种分化

重温现代数据揭示达尔文进化论：快速适应能力也可用来解释物种分化通过汇编和分析来自现有物种和化石的大量数据集，研究人员能够证明，许多不同特征的微进化可预测性能够预测相隔长达一百万年的种群和物种之间的变化量。"达尔文认为物种是逐渐进化的，但我们发现，即使种群在短期内迅速进化，这种（短期）进化也不会随着时间的推移而累积。然而，从长远来看，种群和物种的平均差异仍然取决于它们的短期进化能力，"论文的资深作者、挪威国立师范大学生物学系教授克里斯托夫-佩拉邦（ChristophePélabon）说。对选择做出反应和适应的能力，即进化性，取决于可遗传（基因）变异的数量。研究人员在进行分析时，首先汇编了一个庞大的数据集，其中包含了从公开信息中获得的生物种群和物种的进化性指标。然后，他们绘制了不同性状（如喙的大小、后代数量、花的大小等）的进化性与种群和物种差异的曲线图。他们还研究了来自150个不同化石系的信息，其他研究人员在这些化石中测量了短至10年、长至760万年的化石形态特征差异。达尔文注意到，加拉帕戈斯群岛的不同雀鸟如何根据它们擅长吃的食物长出不同种类的喙。后来的研究表明，随着时间的推移，种子大小的快速波动会导致鸟喙大小的快速波动，这与发表在《科学》杂志上的新研究结果如出一辙。这幅插图来自达尔文，1845年。比格尔号皇家海军上尉菲茨-罗伊（FitzRoy,R.N.）环球航行期间所到国家的自然史和地质学研究札记》，第2版。来源：约翰-古尔德他们发现，可进化性较高的特征在现有种群和物种之间的差异更大，而可进化性较高的特征在两个连续的化石样本之间更有可能彼此不同。相反，进化性差或变异性小的特征在不同种群之间或连续化石样本之间变化不大。环境波动是关键佩拉邦说，进化能力强的性状变化快，因为它们能更快地应对环境变化。环境--如温度、食物种类或其他对个体生存和繁殖很重要的特征--是进化变化的驱动力，因为种群试图适应自己的环境。通常情况下，环境每年或数十年都在变化，围绕稳定值波动。这就产生了选择方向的波动。进化能力强的性状能迅速对选择的波动做出反应，并随着时间的推移产生高振幅的波动。进化能力差的性状也会波动，但波动速度较慢，因此振幅较小。"地理位置相距遥远的种群或物种所处的环境波动并不同步。因此，这些种群将具有不同的性状值，这种差异的大小取决于性状波动的幅度，因此也取决于性状的可进化性，"佩拉邦说。对生物多样性的影响研究人员的研究结果表明，过去的选择和环境相对稳定。随着气候变化，情况正在迅速变化，而且主要是朝着一个方向变化。这可能会对选择模式以及物种如何适应环境产生重大影响，因为环境仍在波动，但围绕最佳环境的变化即使在几十年内也不再稳定。他说："物种能够跟踪这些最佳状态并进行适应的程度还不确定，但这很可能会对生物多样性产生影响，即使是在短时间内。"编译来源：ScitechDailyDOI:10.1126/science.adi8722...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431701.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431701.htm

解码小鼠的思维：索尔克研究所具有里程碑意义的表观基因组大脑图谱

解码小鼠的思维：索尔克研究所具有里程碑意义的表观基因组大脑图谱这些工作由美国国立卫生研究院的"通过推进创新神经技术进行大脑研究计划"（BRAINInitiative）负责协调，该计划的最终目标是为哺乳动物的大脑绘制一幅全新的动态图像。索尔克教授、遗传学国际理事会主席、霍华德-休斯医学研究所研究员约瑟夫-埃克（JosephEcker）说："通过这项工作，我们不仅获得了关于哪些细胞构成了小鼠大脑的大量信息，还了解了这些细胞内的基因是如何被调控的，以及这些基因是如何驱动细胞功能的。当利用这个基于表观基因组的细胞图谱，开始研究已知会导致人类疾病的基因变异时，就会对哪些细胞类型在疾病中可能最脆弱有了新的认识"。美国国立卫生研究院大脑计划于2014年启动，已为研究人员提供了30多亿美元的资金，用于开发变革性技术并将其应用于脑科学。2021年，得到"脑神经启示录计划"（BRAINInitiative）支持的研究人员--包括索尔克（Salk）的团队--公布了小鼠大脑图谱的初稿，该图谱开创了描述神经元特征的新工具，并将这些工具应用于小鼠大脑的小切片。今年早些时候，许多相同的技术被用于绘制最初的人脑图谱。在最新的工作中，研究人员扩大了研究细胞的数量和小鼠大脑的区域，并使用了过去几年才出现的新的单细胞技术。左上图：解剖小鼠大脑的三维效果图，根据解剖的脑区划分为不同的部分；左下图：小鼠大脑的三维效果图，根据解剖的脑区划分为不同颜色的部分（黄色、蓝色、水蓝色、绿色、粉色、橙色、棕色、红色）。右上角：小鼠大脑的垂直切片，不同颜色（橙色、绿色、蓝色、水蓝色、红色、紫色）代表不同细胞类型，代表特定细胞类型在该切片中的空间位置；右下角：小鼠大脑的垂直切片，不同颜色（橙色、绿色、蓝色、水蓝色、红色、紫色）代表不同细胞类型，代表特定细胞类型在该切片中的空间位置：多色圆圈（黄色、蓝色、水蓝色、绿色、粉红色、橙色、棕色、红色）代表根据表观基因组剖析在小鼠整个大脑中发现的细胞类型的数量和多样性。资料来源：索尔克研究所全脑分析和公众可及性两篇新论文的资深作者爱德华-卡拉韦教授说："这是整个大脑的研究，以前从未有过。观察整个大脑会产生一些想法和原理，而这些想法和原理是你每次观察一个部分所无法了解的"。为了帮助其他研究小鼠大脑的研究人员，新数据通过一个在线平台公开发布，不仅可以通过数据库进行搜索，还可以使用人工智能工具ChatGPT进行查询。索尔克研究教授玛格丽塔-贝伦斯（MargaritaBehrens）补充说："将小鼠作为模式生物的人非常多，这为他们在涉及小鼠大脑的研究中提供了一个非常强大的新工具。"这期《自然》特刊共刊登了10篇美国国立卫生研究院大脑计划（NIHBRAINInitiative）的文章，其中4篇由索尔克研究人员合著，描述了小鼠大脑的细胞及其连接。这四篇论文中的亮点包括单细胞DNA甲基化图谱为了确定小鼠大脑中的所有细胞类型，索尔克研究人员采用了一次分析一个脑细胞的尖端技术。这些单细胞方法既研究细胞内DNA的三维结构，也研究DNA上附着的甲基化学基团的模式--这是基因受细胞控制的两种不同方式。2019年，埃克的实验室小组开创了同时进行这两项测量的方法，这让研究人员不仅能研究出不同细胞类型中哪些基因程序被激活，还能研究出这些程序是如何开启和关闭的。研究小组发现了基因在不同细胞类型中通过不同方式被激活的例子，就像用两个不同的开关打开或关闭电灯一样。了解了这些重叠的分子回路，研究人员就能更容易地开发出干预脑部疾病的新方法。埃克实验室的博士后研究员、本文第一作者刘汉清说："如果你能了解这些细胞类型中所有重要的调控元素，你也就能开始了解细胞的发育轨迹，这对了解自闭症和精神分裂症等神经发育疾病至关重要。"研究人员还对大脑的哪些区域含有哪些细胞类型有了新的发现。在对这些细胞类型进行编目时，他们还发现脑干和中脑的细胞类型远远多于大得多的大脑皮层--这表明大脑的这些较小部分可能进化出了更多的功能。单细胞染色质图另一种间接确定DNA结构以及细胞正在积极利用哪段遗传物质的方法是测试哪些DNA可以被其他分子结合。加州大学圣地亚哥分校的任兵（BingRen）领导的研究人员（包括索尔克的埃克和贝伦斯）利用这种称为染色质可及性的方法，绘制了来自117只小鼠的230万个脑细胞的DNA结构图。然后，研究小组利用人工智能，根据这些染色质可及性模式，预测DNA的哪些部分是细胞状态的总体调控因子。他们发现的许多调控元件都位于DNA片段中，而这些DNA片段已经与人类脑部疾病有牵连；关于哪些细胞类型使用哪些调控元件的新知识有助于确定哪些细胞与哪些疾病有牵连。神经元投射和连接在贝伦斯、卡拉韦和埃克共同撰写的另一篇论文中，研究人员绘制了整个小鼠大脑神经元之间的连接图。然后，他们分析了这些图谱与细胞内甲基化模式的对比。这让他们发现了哪些基因负责引导神经元到达大脑的哪些区域。埃克实验室的博士后研究员、该论文的共同第一作者周景天（音译）说："我们发现了某些规则，这些规则根据细胞的DNA甲基化模式决定细胞投射到哪里。"神经元之间的连接对其功能至关重要，而这套新规则可能有助于研究人员研究疾病中出现问题的原因。比较小鼠、猴子和人类的运动皮层运动皮层是哺乳动物大脑中参与计划和执行自主肢体运动的部分。贝伦斯、埃克和任领导的研究人员研究了来自人类、小鼠和非人灵长类运动皮层的20多万个细胞的甲基化模式和DNA结构，以更好地了解运动皮层细胞在人类进化过程中的变化。他们能够确定特定调控蛋白的进化与基因表达模式进化之间的相关性。他们还发现，近80%的人类特有的调控元件是可转座元件--DNA的移动小段，可以很容易地改变在基因组中的位置。"我认为，总的来说，这一整套研究为其他人未来的研究提供了蓝图，"索尔克分子神经生物学文森特-科茨讲座教授卡拉韦说。"研究特定细胞类型的人现在可以查看我们的数据，了解这些细胞的所有连接方式以及它们的所有调控方式。这是一种资源，可以让人们提出自己的问题"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422384.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422384.htm

一个物种如何演变成多个物种？科学家证实了达尔文的假设

一个物种如何演变成多个物种？科学家证实了达尔文的假设然而，对这一理论进行正式研究一直是个挑战，因为很难明确地确定物种的特征与其进化成功之间的关系，尤其是对于最近从一个共同祖先那里分化出来的一组物种来说。麦吉尔大学（McGillUniversity）领导的一个全球生物学家团队汇编了近二十年的野外数据，这些数据代表了对加拉帕戈斯群岛上3400多只达尔文雀的研究结果，从而确定了四种不同物种的雀喙特征与个体寿命之间的关系。这项研究使用了四个物种的数据，它们都是在不到一百万年前从一个共同祖先进化而来的。研究人员构建了一个详细的"适应性景观"，以预测个体长寿的可能性与其鸟喙特征的关系。他们发现，具有每个物种典型喙特征的雀类寿命最长，而那些偏离典型特征的雀类存活率较低。简而言之，每个物种的特征都对应着适合度的高峰，这些高峰就好比地形图上的山脉，与其他山脉相隔的是适合度较低的山谷。领衔作者马克-奥利维耶-博索莱尔是麦吉尔大学的一名博士研究员，他的导师是罗文-巴雷特（RowanBarrett）教授。他表示："因此，生命的多样性是物种向不同环境辐射的产物；就达尔文雀而言，这些环境就是不同的食物类型。"也许令人惊讶的是，研究人员还发现，所研究的不同种类的雀类并没有达到其体能的顶峰，这表明每个物种并没有完全适应它们的食物。这种"完美"最终是否会进化，还有待观察。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418009.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418009.htm

NASA的OSIRIS-REx接近揭示具有里程碑意义的小行星样本

NASA的OSIRIS-REx接近揭示具有里程碑意义的小行星样本美国国家航空航天局约翰逊航天中心的OSIRIS-REx策展团队成员开始从科学罐的航空电子设备甲板上拆卸和翻转TAGSAM（Touch-and-Go样品机制）。资料来源：美国国家航空航天局/詹姆斯-布莱尔保护科学家于周一和周二从TAGSAM头的顶部拆下了14块圆形见证板。这些板子用于在任务期间的不同时间点监测航天器的内部环境条件，并被小心地保存起来，以便了解污染情况。在取下所有14块板并收集剩余的松散灰尘后，研究小组将TAGSAM头从其航空电子设备甲板平台上取下，并首次有机会查看头底部的24个表面接触垫和收集器头下方的小行星样本。这幅艺术家的概念图展示了OSIRIS-REx（起源光谱解读资源识别安全--岩石资源管理器）航天器利用"触摸和取样臂机制"（TAGSAM）接触小行星贝努。这次任务成功地将贝努表面涂层样本送回地球进行研究。资料来源：美国国家航空航天局2020年10月，当样本采集器接触到小行星时，这些表面接触垫直接捕获了来自贝努表层的细粒小行星岩石和尘埃。接触垫中的材料将提供一组独特的样本，让科学家了解贝努表面的状况。捕获环上和捕获环内部的小行星材料来自样本采集活动。在采集过程中，TAGSAM向贝努发射氮气，将小行星颗粒从地表下19英寸（50厘米）深处推入TAGSAM头部，头部用挡板密封。如果收集到的颗粒撑开挡板，它们就会掉落到捕获环的内部区域。因此，这两组收集到的材料将为科学家提供有关地表材料和地表下更深处材料的信息。总之，这些来自小行星的细粒度样本将帮助科学家和研究人员对小行星贝努的地质历史、撞击历史以及对小行星撞击评估的影响有新的发现。大块样本的图像和早期分析结果将在美国东部时间10月11日星期三上午11点举行的NASA现场活动中揭晓。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388735.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388735.htm

具有里程碑意义的固体材料可以改变我们利用阳光的方式

具有里程碑意义的固体材料可以改变我们利用阳光的方式低强度的可见蓝光或较低能量的光子被转换为较高能量的紫外线光子，使用的是在圆形玻璃基底上形成的固体薄膜。紫外线通过光催化反应有效杀死病毒和细菌的能力是另一个重要的应用。然而，只有一小部分太阳光属于紫外线范围，使得大部分光谱无法用于这一目的。光子上转换（UC）可能是解决这一问题的关键。它是将长波长、低能量的光子（如存在于可见光中的光子）通过一个被称为"三倍体-三倍体湮灭"（TTA）的过程转换为短波长、高能量的光子（如存在于紫外光中的光子）。该领域以前的工作报告了使用有机溶剂溶液的可见光到紫外线的UC，这些溶液需要首先脱氧，然后密封在一个密闭的容器中，以防止暴露在氧气中，而氧气会使基于TTA的光子UC样品失活和退化。这些材料不仅在氧气存在的情况下缺乏光稳定性，而且在阳光强度的入射光下也不能有效地发挥作用。这些问题给光子UC的实际应用带来了障碍。现在，东京理工大学的两位科学家--村上洋一教授和他的研究生榎本力已经想出了解决这些问题的办法--一种革命性的固体薄膜，可以对微弱的入射光进行可见光到紫外线的光子UC，同时在空气中保持前所未有的光稳定性。他们在发表于《材料化学杂志C》的论文中描述了这一突破性发明。村上洋一教授解释了他们研究的新颖性。"我们的发明将使低强度光的可见部分，如太阳光和LED室内光，能够被实际利用，用于有效利用紫外线的应用。而且它的光稳定性--经证明至少超过100小时，即使在空气存在的情况下--是任何基于TTA的光子UC材料有史以来最高的报告，无论材料形式如何。"除了这一创纪录的光稳定性，这些薄膜还具有超低的激发阈值（只有0.3倍的太阳强度）和4.3%的高UC量子产率（归一化UC发射效率为8.6%）--两者都在空气中存在，这使得这种材料成为独一无二存在，因为大多数这类材料在暴露于空气中时都会失去其光子UC能力。为了制备这种材料，研究人员将增感剂（即能够吸收较长波长光子的分子发色团）与大量的湮灭剂（即从增感剂中接收三重激发能量，然后引起TTA过程的有机分子）融为一体；增感剂和湮灭剂的组合由研究人员选定。然后，这种双组分熔体在一个温度梯度控制的表面上被冷却，形成一个固态的可见光至紫外光子UC薄膜。这种新颖的温度梯度凝固技术具有高度的可控性和可重复性，这意味着它与现实的工业流程是兼容的。村上教授表示："我们相信，温控凝固可以为开发先进的光子UC薄膜提供坚实的基础，这也是在不使用有机溶剂的情况下在固体基底上进行的，这项工作首次证明了这一点。"最后，为了证明该薄膜的可见光-紫外线光子UC，研究人员用仅由可见光组成的1个太阳强度的模拟太阳光成功地固化了一种树脂，否则需要用紫外线来完成同样的过程。这项研究首次提出了一类具有前所未有的光稳定性的新型UC固体，可以现实地用于在空气存在下将低强度可见光光子上转换为紫外线光子。"村上教授总结说："我们的研究不仅将扩大对一类新的紫外光生成材料的探索，而且还将有助于大幅拓宽丰富的微弱可见光的效用，使其走向由紫外光驱动的应用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350383.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350383.htm

比人类基因组更复杂 甘蔗基因组图谱的绘制标志着一个科学里程碑

比人类基因组更复杂甘蔗基因组图谱的绘制标志着一个科学里程碑现代杂交甘蔗简介现代杂交甘蔗是地球上收获最多的作物之一，用于制造糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等产品。它也拥有最复杂的基因蓝图。迄今为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整和高度精确基因组的主要作物。科学家们开发并结合多种技术，成功绘制出甘蔗的遗传密码图。有了这张地图，他们就能验证抗褐锈病的具体位置，这种褐锈病如果不加以控制，就会对糖料作物造成毁灭性打击。研究人员还可以利用基因序列更好地了解糖类生产中涉及的许多基因。甘蔗遗传研究进展这项研究是美国能源部联合基因组研究所（JGI）社区科学计划的一部分，JGI是能源部科学办公室在劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的用户设施。该研究于3月27日发表在《自然》杂志上，基因组可通过JGI的植物门户网站Phytozome获取。"这是我们迄今为止完成的最复杂的基因组序列，"JGI植物项目负责人、哈德逊阿尔法生物技术研究所（HudsonAlphaInstituteforBiotechnology）研究员杰里米-施穆茨（JeremySchmutz）说。"这表明我们已经取得了很大进展。这种事情在10年前人们认为是不可能的。我们现在能够实现我们认为在植物基因组学领域不可能实现的目标"。甘蔗的基因组之所以如此复杂，一方面是因为它体积庞大，另一方面是因为它比一般植物含有更多的染色体拷贝，这一特征被称为多倍体。甘蔗有大约100亿个碱基对（DNA的组成单位）；相比之下，人类基因组大约有30亿个碱基对。甘蔗DNA的许多片段在不同染色体内部和之间都是相同的。因此，在重建完整基因蓝图的同时，正确重组所有小段DNA是一项挑战。研究人员将多种基因测序技术结合起来，包括一种新开发的名为PacBioHiFi的测序方法，这种方法可以准确确定较长DNA片段的序列，从而解决了这一难题。了解和利用甘蔗基因组有了完整的"参考基因组"，研究甘蔗就更容易了，研究人员可以将甘蔗的基因和通路与其他研究得比较透彻的作物（如高粱或其他感兴趣的生物燃料作物，如开关草和马齿苋）的基因和通路进行比较。通过与其他作物进行比较，可以更容易地了解每个基因是如何影响相关性状的，例如哪些基因在制糖过程中高度表达，或者哪些基因对抗病性很重要。这项研究发现，负责抵抗棕色锈病的基因只存在于基因组的一个位置，而棕色锈病是一种真菌病原体，曾给甘蔗作物造成数百万美元的损失。这张图片显示的是基因排序图（使用GENESPACE创建），它比较了相关植物物种的基因组组装情况。水平白线代表染色体，连接染色体的彩色编织线表示保守的基因块。这样，研究人员就能将研究得比较透彻的作物（如双色高粱，一种特殊的高粱）中的保守基因追踪到更复杂的基因组中，如野生甘蔗和栽培品种R570，从而更好地了解它们的功能。为了形成对比，上一行提供了R570先前的单倍体组合，其中基因组中的多个染色体拷贝被表示为一个单一的马赛克组合。图片来源：AdamHealey和JohnLovell/HudsonAlpha论文第一作者、HudsonAlpha公司研究员亚当-希利（AdamHealey）说："当我们对基因组进行测序时，我们填补了围绕褐锈病的基因序列空白。甘蔗基因组中有数十万个基因，但只有两个基因共同发挥作用，保护植物免受病原体的侵害。据我们所知，在所有植物中，以类似方式进行保护的情况屈指可数。更好地了解甘蔗的这种抗病性是如何起作用的，有助于保护其他面临类似病原体的作物。"研究人员对一种名为R570的甘蔗栽培品种进行了研究，几十年来，该品种一直被世界各地用作了解甘蔗遗传学的模型。与所有现代甘蔗栽培品种一样，R570也是由甘蔗驯化品种（产糖能力强）和野生品种（携带抗病基因）杂交而成的。对农业和生物能源的潜在影响该论文的最后一位作者、法国国际发展农业研究中心（CIRAD）甘蔗研究员安热莉克-德洪（AngéliqueD'Hont）说："了解R570的完整遗传图谱将使研究人员能够追踪哪些基因来自哪个亲本，从而使育种人员能够更容易地确定控制相关性状的基因，以提高产量。"改良未来的甘蔗品种在农业和生物能源领域都有潜在的应用前景。改进甘蔗的产糖方式可以提高农民的作物产量，在相同的种植面积上提供更多的糖分。甘蔗是生产生物燃料（尤其是乙醇）和其他生物产品的重要原料或起始材料。甘蔗压榨后剩下的残渣被称为甘蔗渣，是一种重要的农业残渣，也可被分解和转化为生物燃料和生物产品。联合生物能源研究所是伯克利实验室领导的能源部生物能源研究中心，该研究所的首席科技官布雷克-西蒙斯（BlakeSimmons）说："我们正在努力了解植物中的特定基因与下游生物质质量的关系，然后我们可以将生物质转化为生物燃料和生物产品。""有了对甘蔗遗传学的深入了解，我们就能更好地理解和控制植物基因型，从而生产出我们所需的糖类和蔗渣衍生中间体，实现与生物经济相关的规模化可持续甘蔗转化技术"。到目前为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整和高精度基因组的主要作物。研究人员结合多种技术，成功绘制出甘蔗的DNA图谱，并确定了关键区域--包括与糖的生产和运输以及对褐锈病的抗病性有关的几个区域。甘蔗的参考基因组可用于帮助培育抗逆性更强的作物或提高糖产量，并可应用于农业和生物能源领域。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425662.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425662.htm