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生物学科技信息突变与寿命·肠道微生物·空气质量·古化石保存·
发布日期:2022-05-20 17:01   来源:未知   阅读:

  原标题:生物学科技信息突变与寿命·肠道微生物·空气质量·古化石保存·生命起源·微塑料与病原体

  摘自4月20日《科技日报》报道,这是一个困扰科学家多年的谜团——为什么不同的动物有如此不同的寿命?人类可以活到80岁左右,而长颈鹿往往在24岁时死亡,裸鼹鼠的成年个体只有长颈鹿的两万三千分之一,但它可活到25岁。这表明,除了体型之外还有其他原因影响寿命。近日发表在 Nature 杂志上的一项研究,分析了从老鼠到长颈鹿的16种哺乳动物的基因组。研究证实,一个物种的寿命越长,基因突变发生的速度就越慢,每年发生的突变越少。

  在生物体的整个生命周期中,体细胞突变发生在所有细胞中。这是一个自然的过程,人类细胞每年大约获得20到50个突变。这些突变中的大多数是无害的,但其中一些可能会使细胞走上癌变的道路,或者损害细胞的正常功能。

  在这项新的研究中,研究人员对16种哺乳动物的样本进行了全基因组测序,这些哺乳动物的寿命和身体大小各不相同,包括黑白疣猴、猫、牛、狗、雪貂、长颈鹿、港湾鼠海豚、马、人类、狮子、老鼠、裸鼠、兔子、大鼠、环尾狐猴和老虎。分析显示,包括人类在内的所有物种的体细胞突变都是由类似的机制引起的。随着时间的推移,它们也呈线性积累,《间谍过家家》开设父亲节活动!征集阿尼亚提供如何在,突变频率较高的物种寿命较短。例如,可长到约5.5米高的长颈鹿具有每年约99次的突变率,寿命约为24岁。与此同时,裸鼹鼠也具有非常相似的突变率,每年93次,相似的寿命约为25岁。而裸鼹鼠体型小得多,身长只有约12.7厘米。

  研究人员从48个个体中收集了样本,统一从结肠隐窝组织中获取上皮细胞进行单细胞测序分析。研究发现,体细胞突变随着时间的推移呈线性积累,并且,尽管包括人类在内的所有物种的饮食和生活史天差地别,但突变是由相似机制引起的。

  该发现为体细胞突变在衰老过程中可能起作用提供了证据,即随着每个物种寿命的延长,体细胞突变率下降。不过,这些发现并没有为“皮托悖论”提供答案。研究小组发现体细胞突变率和体重之间没有显著联系。

  摘自4月21日《中国科学报》报道,长期以来,用物种形态特征和分子数据构建物种关系树,是很多研究常用的做法。而实际上用这两种方法推断物种演化历程时,常常出现相互矛盾的情况,但相关研究非常有限。4月20日, Cell 刊发了一项由中国科学家领衔的中外联合团队进行的研究。该研究不仅公布了对有袋类哺乳动物物种辐射性大爆发过程的研究结果,重建了有袋类物种的演化关系,而且解释了上述矛盾的发生机制。

  该研究显示,在物种快速分化的过程中,一些随机事件也有可能导致远缘物种具有相似表型。以人、黑猩猩和大猩猩为例,相较于大猩猩,人与黑猩猩的亲缘关系更近。大多数的基因区域也显示人和黑猩猩更接近,但在超过15%的人类基因组区域里,人与大猩猩更相似,而与黑猩猩的差异更大。可以假设一个A基因来解释这个现象。三者共同祖先的群体中A基因具有较高的遗传多样性,大猩猩在第一次物种分化后形成,随着时间的推移,大猩猩的群体最终固定了某一种类型(如A1)。人和黑猩猩的共同祖先群体继承了两种类型(A1和A2),然而在第二次物种分化的时候,人可能最终随机固定了和大猩猩一样的A1,而黑猩猩最终随机固定了A2。这样一来,我们就会观察到人的一些基因组序列与大猩猩更相似,而与黑猩猩差异更大。

  为了了解不完全的谱系分流对物种形态和性状演化的影响,该论文的研究人员利用有袋类动物开展研究。这一类群很可能经历了物种大爆发,导致其早期演化关系长期存在争议,特别是在南美有袋类微兽目的演化地位方面。

  新研究利用小山猴和其他有袋类动物的全基因组数据证明,小山猴应该是澳洲所有有袋类动物的姐妹群。也就是说,它与澳洲有袋类有共同祖先但不属于澳洲有袋类。进一步的分析揭示,有袋类基因组有超过50%区域构建出的分子树跟真实的物种分化过程不一致,小山猴跟某些澳洲有袋类之间的相似度反而大于澳洲有袋类之间的相似度。研究人员猜测,早前观察的那些与真实物种发生过程不符的表型特征,很可能就是由于物种快速分化的过程中不完全的谱系分流导致的。

  物种表型的演化被认为是物种长期适应环境的结果,即突变产生新的基因与新的表型,新基因通过繁殖扩散开来。那些有利于生存与繁殖的表型及其基因会被自然选择保留下来。对于远缘物种中出现相同表型的情况,过去往往会用趋同演化来解释这一现象。然而,该研究揭示不同类群间相同表型的出现也可能是随机遗传了祖先表型引起的。

  研究人员表示,这一研究表明,仅依靠部分基因、部分表型来构建物种关系树是不可靠的,全基因组数据才是重构物种演化历程的金标准。并且,不完全的谱系分流可以作为解释基因组物种关系树和表型变异之间冲突的一种机制。

  摘自4月22日《科技日报》报道,鸡蛋还是酸奶,蔬菜还是薯片?我们每天都在决定要吃什么,但这些选择可能并不完全来自我们自己的“口味”。美国匹兹堡大学对老鼠的一项新研究首次表明,动物肠道中的微生物会影响它们的饮食选择,从而产生对不同食物的渴望的物质。换句话说,肠道微生物组成不同的动物会选择不同种类的饮食。为了验证微生物是否会影响我们偏爱饮食的假设,研究人员给30只缺乏肠道微生物的老鼠提供了一种来自三种野生啮齿动物的微生物混合物,它们的天然饮食非常不同。研究发现,每组老鼠都选择了富含不同营养成分的食物,这表明它们的微生物群改变了它们偏好的饮食。研究人员21日在 PNAS 上发表了他们的研究成果。

  虽然微生物群影响人的行为的想法听起来可能有些牵强,但对科学家来说,这并不令人惊讶。人的肠道和大脑处于不断的对话中,某些分子充当了“中间人”。这些消化的副产物表明我们已经吃了足够的食物,或者我们还需要某些营养物质。但肠道中的微生物可以产生一些相同的分子,可能会劫持这条通信线路,改变信息的含义,从而使自己受益。

  例如,有的人在吃完火鸡大餐后往往需要打个盹。这是因为色氨酸这样的信使在其中发挥作用。色氨酸是一种必需氨基酸,在火鸡中很常见,但也是由肠道微生物产生的。当它进入大脑时,它会转化为血清素,这是饱腹感的一个重要信号。最终,它会转化为褪黑素,于是人就会感到困倦。

  研究还表明,具有不同微生物群的小鼠的血液中的色氨酸水平不同,甚至在它们选择不同的饮食之前,那些血液中色氨酸分子含量较多的小鼠的肠道中也有更多能够产生色氨酸的细菌。

  摘自4月25日《中国科学报》报道,城市绿化通常被认为是一种提高环境舒适度、改善空气质量的经济有效的解决方案,但中科院大气物理研究所研究员唐贵谦团队的最新研究表明,城市绿化也可能会恶化空气质量。相关成果近日在线发表于 Environmental Science & Technology 。

  在本研究中,科研团队采用高分辨率区域气候和空气质量模型测试了3种情景,旨在量化土地利用变化和城市绿化生物排放对区域气候和空气质量的影响。

  研究发现,城市绿化虽然可以有效将近地表温度降低0.45℃,但增加的苯、甲苯等生物挥发性有机化合物(BVOC)排放抵消了部分冷却效应,这种抵消作用使地表降温幅度减少65%左右。

  此外,城市绿化引起的土地利用变化,有利于人类舒适度的改善,但也会恶化空气的扩散条件,导致细颗粒物在特定区域聚集。

  科研团队表示,在常用城市绿化植被类型中,草地是排放量最大的类型,因此,选择低排放的树木作为绿色设施非常有必要。尽管城市绿化增加的排放不会改变臭氧对前体物的敏感性,但随着清洁能源的发展和低碳生活方式的普及,城市绿化产生的BVOC排放很可能将成为主要污染源之一。

  摘自4月25日《科技日报》报道,根据 Communications Earth & Environment 杂志近日发表的一篇古生物学论文,法国南部出土的2250万年前的蜘蛛化石之所以保存得异常完好,或许要得益于硅藻的分泌物。

  图为来自法国普罗旺斯艾克斯的蜘蛛化石。白色方框内显示了扫描电镜图像的位置,右上方看到的硫(黄色)和硅(粉红色)的化学图像。这些信息共同揭示了化石上的黑色富硫聚合物和两种硅质微藻的存在。

  化石记录中很少能看到体型小而脆弱的动物被完整地保存下来,比如蜘蛛、昆虫、两栖动物。最新描述的这种由硅藻协助的过程,或对于迄今掌握的关于这些生物演化的认知功不可没。

  对于地球上生命的历史,大部分认知都来自于那些保存完好的生物化石。矿化身体部位,比如躯壳、骨骼和牙齿的保存方式相对直接,因此很多这些化石都遗留至今。然而,体型微小脆弱的物种以及软组织的化石更为罕见,因为它们成为化石的概率更低,人们对其保存方式也所知不多。

  美国堪萨斯大学研究人员艾利森·奥尔科特及其同事,此次研究了从法国普罗旺斯艾克斯一个古代湖床的沉积物中发现的蜘蛛化石。他们使用高分辨显微镜技术发现这些化石被硅藻微化石环绕。已知这些微观水藻会在一生中分泌富硫物质,以形成藻垫。研究人员认为,这种物质包绕在蜘蛛周围,促进了硫化作用,而这一过程能固定并保存蜘蛛脆弱的身躯。

  研究团队认为这个过程可能非常普遍,硅藻最早开始出现在大陆湖后的6600万年里,湖泊沉积物中保存异常完好的很多其他化石可能也要归功于这一过程。

  摘自4月25日《中国科学报》报道,4月22日, Science 发表的一项大规模研究分析了12000多个肿瘤基因组中隐藏的数亿个突变,筛选确定了几十个新的DNA突变特征,可能为研究癌症的遗传和环境原因提供线索。在某些情况下,这也可能帮助临床医生为病人选择最佳的个人治疗方法。

  摘自4月28日《科技日报》报道,英国 Nature Communications 杂志26日发表的一篇行星科学论文指出,对组成DNA和RNA必不可少的嘧啶碱基可能是由富碳陨石带到地球的。团队通过新的分析,发现了此前从未在陨石样本中发现的DNA和RNA信息单元中的最后两个。研究人员表示,虽然DNA不太可能在陨石中形成,但该发现表明,这些遗传部分可用于传递,并可能有助于早期地球上生命分子的发展。

  流星体向古代地球输送核碱基的概念图。核碱基由结构图表示,其中氢原子为白色球体,碳为黑色,氮为蓝色,氧为红色。

  科学界对地球生命起源有不同的见解,而此前科学家发现了原始陨石中存在对生命很重要的元素的证据,表明陨石可以携带生命有机分子到早期的地球上。

  组成DNA和RNA离不开两类化学成分,也称碱基。这两类化学成分是嘧啶和嘌呤,其中嘧啶包括胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶,嘌呤包括鸟嘌呤、腺嘌呤。目前为止,只有嘌呤碱基和尿嘧啶在陨石中发现过。然而,研究人员在模拟星际介质(恒星之间的空间)条件的实验中发现了嘧啶,有人据此推测它们可能是通过陨石抵达地球的。

  此次,日本北海道大学科学家大场康弘及其同事使用了专门针对碱基进行优化的小规模量化的先进分析技术,分析了3颗富碳陨石:默奇森陨石、默里陨石和塔吉什湖陨石。除了之前在陨石中已检测到的化合物,如鸟嘌呤、腺嘌呤、尿嘧啶之外,研究人员还首次发现了达到十亿分比浓度的各种嘧啶碱基,如胞嘧啶和胸腺嘧啶。这些化合物存在的浓度,与模拟太阳系形成前条件的实验预测的差不多。

  研究团队认为,最新结果表明,这类化合物可能是在星际介质中经由光化学反应产生的,随后又在太阳系形成的过程中融入了小行星。这些化合物最终通过陨石抵达地球,对于早期生命出现的遗传学功能可能起到了一定作用。

  摘自4月27日《中国科学报》报道,一对雄雌蜘蛛正在交配,30秒后,雄蛛突然“弹飞”了。很快,它又顺丝爬回来“寻求”交配,然后再次“弹飞”,循环往复……在一次出野外采集蜘蛛时,湖北大学生命科学学院副教授张士昶被蜘蛛的这一“奇特”行为吸引。随后,他故意阻挡了正在交配的雄蛛,使其不能弹开。随后他发现,雄蛛被雌蛛杀死了。对于研究了13年蜘蛛、观察过各类蜘蛛行为的张士昶而言,这种现象还是第一次见。“在蜘蛛的世界里,雌蜘蛛可能会利用弹射行为判断雄性质量。”他说。经过近3年的研究,4月25日,相关成果在线发表于 Current Biology 。审稿人评价,研究成果是“极有吸引力的”“重要的”“充分的”。

  张士昶团队在实验室里设计了让155对蜘蛛交配的实验,发现其中152对中的雄蛛在交配完成后都做了弹射动作,而且都活了下来;3个没有做弹射动作的雄蛛,最后都被雌蛛抓住并杀死了。同时,他还进行了反证实验,操纵雌雄交配不让雄蛛“弹飞”,发现30只雄蛛全部被雌蛛所杀。这些实验证实了他之前的假设,即雄蛛做弹射动作是为了躲避雌蛛的性相残。张士昶团队逐帧分析了雄蛛在弹射过程中的位移,用Python软件计算其弹射轨迹及各种物理参数。“以高达88.2厘米/秒的速度将自己从雌蛛身边弹开,相当于一个人在1秒内弹射500米远。你能想象这样一个场景吗?是不是很惊人!”张士昶说。更神奇的是,“弹飞”的雄蛛还会回到雌蛛身边,循环往复最多6次后便不再回来,因为它已无力再爬回雌蛛的网上。张士昶团队还发现,雄蛛是靠第一对腿上的胫节和趾节之间的关节来弹射的,这个关节处是一个囊状结构。

  雄蛛的弹射行为是如何形成的?张士昶介绍,性选择在长期的演化过程中扮演了重要角色,尤其是在动物交配过程中,雌性对某些性状特征的偏好,会导致雄性一些性特征的演化。比如,鹿和某些犀金龟、锹甲等长着很长的角,雄孔雀长着漂亮的尾羽。在结网蜘蛛中,很多雌蛛是非常凶猛的,最为人所熟知的就是“黑寡妇”蜘蛛,雌蛛在交配过程中会杀死雄蛛。“这种在交配中杀死交配对象的现象叫作‘同类性相残’或者‘性食同类’,且一般是雌性杀死雄性。通过杀死雄性,雌性可以跟更多雄性交配,从而获得更多交配机会,同时在精子来源上也有更多选择。”张士昶说。除了杀死雄性,雌性还可以“隐性选择”优势精子,比如改变生殖道的pH值,对精子进行选择。“不像哺乳动物的精子与卵子实时结合,雌蛛有一个纳精囊,交配时,雄性的精液先被存储起来,用的时候再被挤出来与卵子结合。”张士昶说。他补充道,在交配过程中,雌性可能会利用弹射行为来判断雄性的质量,“如果雄性不能弹射,那就杀死它;如果雄性可以多次弹射,那就接受它的精子”。

  摘自4月28日《科技日报》报道,根据美国加州大学戴维斯分校的一项研究,微塑料可以将陆地上的病原体带入海洋,可能会对人类和野生动物的健康造成影响。这项研究发表在26日的Scientific Reports杂志上,首次将海洋中的微塑料与陆地上的病原体联系起来。研究发现,微塑料可以使致病病原体更容易集中在海洋中受塑料污染的区域。此次研究的病原体包括弓形虫、隐孢子虫和贾第鞭毛虫,它们既可以感染人,也可以感染动物。

  “人们很容易对塑料不屑一顾,认为这对他们来说无关紧要,就像‘我不是大海里的乌龟,我不会被这玩意儿呛到’一样。”通讯作者、加州大学戴维斯分校兽医学院传染病专家、副教授凯伦·夏皮罗说,“但微塑料实际上可以四处传播细菌,这些细菌最终进入我们的水和食物中。”

  微塑料是小于5毫米的微小塑料颗粒。比一粒米还小的它们却污染了远至南极洲的水域。这项研究表明,搭乘微塑料的“便车”,病原体可以在整个海洋中扩散,到达通常永远不会发现陆地寄生虫的地方。弓形虫是一种只在猫粪便中发现的寄生虫,它已经感染了许多海洋物种,甚至还杀死了极度濒危的野生动物,包括驼背豚和夏威夷僧海豹。在人类中,弓形虫病可导致终生疾病,以及发育和生殖障碍。隐孢子虫和贾第鞭毛虫会导致胃肠道疾病,对幼儿和免疫功能低下的人来说可能是致命的。

  在这项研究中,作者进行了实验室实验,以测试选定的病原体是否与海水中的塑料有关。他们使用了两种不同类型的微塑料:聚乙烯微珠和聚酯微纤维。微珠经常存在于化妆品中,如去角质油和清洁剂,而微纤维则存在于服装和渔网中。科学家们发现,这两种类型的塑料都可以携带陆地病原体,而附着在微纤维上的寄生虫比附着在微珠上的寄生虫更多。这种细小的超细纤维颗粒在加利福尼亚州的水域中很常见,在贝类中也发现了这种颗粒。

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