封面故事：我们为什么要睡觉？

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Nature 430: 6995
01 July 2004
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[自然要览]

（选自英国Nature杂志，2004年7月1日出版）


封面故事：我们为什么要睡觉？
Local sleep and learning

睡觉的作用是什么目前仍然不很清楚，也许其部分作用是为了巩固记忆中的新信
息。这是一个科学实验所得出的结论。在这个实验中，研究人员要求实验对象在睡
觉之前学习一种需要手-眼协调的简单的电脑游戏，然后测定其大脑的电信号。结
果表明，在已经学会该游戏的处于睡眠状态的实验对象大脑右顶叶中，睡眠过程中
所出现的“慢波”活动增加，参与学习过程的大脑的部分区域比其他区域睡眠更
深。看来，睡眠好像是在做一件重要的“家务事”，这一职责取决于大脑的活动；
睡眠也可能反映了细胞对休息的潜在需求。在本期封面图片上，红色的点表示记录
深度睡眠的电极，黄色的点表示未受实验影响的电极。（Letters, p. 78; News
and Views）


酵母的基因组演化（Genome evolution: join the dots）
Genome evolution in yeasts

真核分子演化是通过一系列截然不同的事件进行的，这些事件在现有基因组中只留
下扭曲的和叠加的痕迹。然而，半子囊门的酵母却为我们提供了一个可用来解开遗
传史之谜的体系。对被选择用来代表一大演化范围的4种酵母的基因组序列所做的
比较表明，包括“前后重复”、“区段复制”、“大量基因复制和基因丢失”在内
的一些分子机制相结合，才形成了4种截然不同的酵母。（Articles, p. 35;
News
and Views）


Procyon并没有振荡（Procyon maintains low profile）
No stellar p-mode oscillations in space-based photometry of Procyon

Procyon是我们在天空中看到的第八颗最亮的恒星，天文学家过去曾对该恒星寄予
厚望。理论和地面观测表明它应当像太阳那样脉动，具有压力驱动的振荡（即具有
压力波）。这样的压力波是天体地震学（Asteroseismology）的基础，该学科是研
究太阳内部结构的一个强大工具，所以天文学家认为同样方法也应适用于
Procyon。加拿大的第一个轨道天文望远镜MOST可以达到研究除太阳以外的恒星所
需的几个ppm的光度精度，但MOST的观测结果显示，Procyon并没有振荡，如果它在
振荡的话，至少其压力波非常弱、或寿命非常短，或其压力波既非常弱、又非常
短。这一结果将促使天文学家重新思考今后天体地震学研究的目标选择问题以及对
恒星振荡理论重新审视。（Letters, p. 51; News and Views）


粒子质量的精确测定（When mass means movement）
Cyclotron frequency shifts arising from polarization forces

今天所能达到的最精确的质量测定，是基于在一个磁场中的一个带电粒子的回旋频
率与其质量和电荷之间的一个简单关系。现在，Thompson等人发现，偏振力会使单
独一个CO+离子的回旋频率发生偏移，因此准确的质量测定需要校正这一基本扰
动。当CO+离子从一个量子转动状态跳跃至另一个量子转动状态（具有不同的偏振
性）、使人们能够计算该离子的偶极矩时，该效应也会显示出来。这一发现对其他
最新应用具有实际意义，如对爱因斯坦的质能方程（e = mc2）进行直接验证以及
对化学键进行可能的“称重”等。（Letters, p. 58）


纳米尺度的炼金术？（Nanoscale alchemy?）
Single-crystal metallic nanowires and metal/semiconductor nanowire
heterostructures

新的研究工作表明，半导体硅的纳米尺度的线可被转变成一种金属线（硅化镍），
同时保持完好的晶体结构。硅化镍纳米线的导电性能非常好，大约是铜的100倍。
而且，这种转变可以有选择性地进行，只将硅纳米线的某些部分转变成金属化合
物。这使得人们有可能在一根导线内制造一种小型电子装置，如一个晶体管，而该
导线还可传导电流。这些新的硅化镍纳米线的研制成功，有可能成为向着制造独立
的集成纳米系统所迈出的重要一步。（Letters, p. 61）


细菌是怎样帮助砷进入地下水源的？（Bacteria linked to poisoning）
Role of metal-reducing bacteria in arsenic release from Bengal delta
sediments

上个世纪90年代初，孟加拉国和印度孟加拉邦恒河流域有上百万口水井被砷污染，
世界卫生组织在一份报告中将其称为“人类历史上最严重的集体中毒事件”。饮用
水和灌溉水被砷污染的风险仍然是对全世界数百万生命的一种威胁，所以更好地了
解砷释放进地下水的机制至关重要。从对小型生态环境的研究中获得的新证据，将
能够还原金属的细菌对有机碳的利用与从印度孟加拉邦一个被污染的蓄水层收集到
的沉积物中砷的运动联系了起来。这一结果支持认为有机碳的引入（如通过灌溉）
是增加恒河三角洲浅层地下水中砷流动性的一个因素的理论。该信息对于制订富含
砷的地下水的治理战略可能会有价值。（Letters, p. 68）


大尺度气候条件对物种分布和种群数量的影响（The big picture）
Why large-scale climate indices seem to predict ecological processes
better than local weather

传统上，生态学家在监测天气和气候对物种分布和种群数量的影响时主要考虑当地
条件。让人感到矛盾的是，如“北大西洋振荡”（NAO）等大尺度气候指标最近成
为比地方天气参数更好的反映生态过程的指标体系。为什么呢？苏格兰Hirta岛上
的“乡村湾”的Soay羊种群自1985年以来一直受到科学家的密切关注和研究，所以
有可能通过将这些动物种群动态的一个长期记录与当地和大尺度气候指标进行比较
来探讨这一问题。所获数据表明，死亡发生的时间在不同年份之间变化很大，远至
两星期以前的降雨、气温变化或大风等都会引起动物大量死亡。鉴于此，我们对一
个当地天气变量的月平均值也许不会影响生态过程、但跨越数月的综合指标如NAO
就可能会影响生态过程的事实就不会感到吃惊了。（Letters, p. 71; News and
Views）


晚奥陶纪灭绝事件后能形成有机叠层沉积物的微生物的复活（Mat finish:
extinctions ebb and flow）
Microbialite resurgence after the Late Ordovician extinction

Microbialites是有机质的沉积矿物，由微生物垫形成，多数是由生长在湖底和海
床上的细菌和藻类形成的。今天，它们只能在极端环境中找到，不受多细胞生物的
干扰或不被其吃掉。在距今6亿至15亿年前的原生代、当生命由细菌、真菌和少数
几种原始多细胞生物组成时，Microbialites数量丰富，但当多细胞生物在“寒武
纪辐射”期间物种数量增多时，它们变得更为少见。我们最熟悉的Microbialites
形式为“有机叠层沉积物”（Stromatalites），在所谓的三叠纪灭绝事件之后，
“有机叠层沉积物”好像又重新出现了。现在，研究人员在本期Nature上描述了发
生在北美西部晚奥陶纪灭绝事件之后的一个类似现象。在大约500万年的时间里，
随着生活在微生物垫上的动物从浅水中消失，能够形成Microbialite的生物在这里
复活了。（Letters, p. 75）
               


单个细胞也有生理节律（The small clockmaker）
Resilient circadian oscillator revealed in individual cyanobacteria

生理节律振荡器在很多活的生命体中驱动体内每天的生理周期，这些生命体包括哺
乳动物、昆虫、植物和真菌。在藻青菌中也是这样，这类细菌为研究生理节律提供
了一个理想体系，因为对它们来说，细胞分裂可在不扰乱生理节律的情况下进行。
藻青菌Synechcoccus
elongatus是具有生理节律的最简单的生物之一，对它所做的
新的测定表明，生理节律振荡能够发生在单个细胞中，具有一个给定后代的细胞尽
管相互分离但仍保持同步。这种稳定性一定是更深层次的生化细胞网络的一个特
性，鉴于即使是最简单的细胞内也存在大分子波动，这种稳定性是值得注意的。
（Letters, p. 81; News and Views）




能够自己利用氮素的植物（The self-composting vetch）
Nitrification by plants that also fix nitrogen

死亡的有机物分解成有用的含氮肥料的过程（在园丁们的堆肥场中所发生的就是这
一过程），通常被假设涉及几种不同微生物。现在，对在马蹄形野豌豆和其他植物
的根部发现的一种植物毒素（该毒素在根部的作用可能是防止食草动物将植物吃
掉）的合成和生物降解所做的一项研究，显示了一个以前人们不知道的机制，通过
该机制，氮能够在没有细菌或其他帮手干预的条件下返回土壤中。某些豆科植物在
其根部积累这种毒素，其名称为3-硝基丙酸。这种毒素自然分解成氧化的无机氮，
后者作为垃圾返回土壤中，从而对氮循环做出贡献。这些自己“堆肥”的豆科植物
还能在其根瘤中的共生细菌的帮助下固定大气中的氮，从而将氮循环的主要步骤综
合在一种生物中。（Letters, p. 98）
  
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News and Views
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Circadian rhythms: As time glows by in bacteria
Carl Hirschie Johnson
  Page 23
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/full/430023a_fs.html>;

Extrasolar planets:  Too close for comfort
Gibor Basri
  Page 24
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/full/430024a_fs.html>;

Evolutionary genomics:  Seeing double
Andr?Goffeau
  Page 25
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/full/430025a_fs.html>;

Palaeoclimate:  Message from the fish teeth
Bernhard Diekmann
  Page 26
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/full/430026a_fs.html>;

Neurobiology:  Sleep on it
Ilana S. Hairston and Robert T Knight
  Page 27
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/full/430027a_fs.html>;

Astronomy:  Where are Procyon's quakes?
Jorgen Christensen-Dalsgaard and Hans Kjeldsen
  Page 29
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/full/430029a_fs.html>;

Cancer:  Understanding the target
Michael R. Stratton and P. Andrew Futreal
  Page 30
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/full/430030a_fs.html>;

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Brief Communications
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Pterosaurs as part of a spinosaur diet
Eric Buffetaut, David Martill & Francois Escuilli?
  Page 33
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/430033a_fs.html>;

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Brief Communications Arising
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Biodiversity conservation: Uncertainty in predictions of extinction
risk
WILFRIED THUILLER, MIGUEL B. ARAUJO, RICHARD G. PEARSON, ROBERT J.
WHITTAKER, LLUIS BROTONS & SANDRA LAVOREL
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02716_fs.html>;

Biodiversity conservation: Effects of changes in climate and land use
LAUREN B. BUCKLEY AND JOAN ROUGHGARDEN
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02717_fs.html>;

Biodiversity conservation: Climate change and extinction risk
JOHN HARTE, ANNETTE OSTLING, JESSICA L. GREEN & ANN KINZIG
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02718_fs.html>;

Biodiversity conservation: Uncertainty in predictions of extinction
risk/Effects of changes in climate and land use/Climate change and
extinction risk (reply)
CHRIS D. THOMAS, et al.
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02719_fs.html>;

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Articles
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Genome evolution in yeasts
Bernard Dujon, et al.
  Page 35
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02579_fs.html>;

Crystal structure of a self-splicing group I intron with both exons
Peter L. Adams, Mary R. Stahley, Anne B. Kosek, Jimin Wang & Scott A.
Strobel
  Page 45
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02642_fs.html>;

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Letters to Nature
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No stellar p-mode oscillations in space-based photometry of Procyon
Jaymie M. Matthews, Rainer Kusching, David B. Guenther, Gordon A. H.
Walker, Anthony F.J. Moffat, Slavek M. Rucinski, Dimitar Sasselov &
Werner W. Weiss
  Page 51
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02671_fs.html>;

Experimental demonstration of five-photon entanglement and
open-destination teleportation
Zhi Zhao, Yu-Ao Chen, An-Ning Zhang, Tao Yang, Hans J. Briegel &
Jian-Wei Pan
  Page 54
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02643_fs.html>;

Cyclotron frequency shifts arising from polarization forces
James K. Thompson, Simon Rainville & David E. Pritchard
  Page 58
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02682_fs.html>;

Single-crystal metallic nanowires and metal/semiconductor nanowire
heterostructures
Yue Wu, Jie Xiang, Chen Yang, Wei Lu & Charles M. Lieber
  Page 61
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02674_fs.html>;

Evidence for deep-water production in the North Pacific Ocean during
the
early Cenozoic warm interval
Deborah J. Thomas
  Page 65
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02639_fs.html>;

Role of metal-reducing bacteria in arsenic release from Bengal delta
sediments
Farhana S. Islam, Andrew G. Gault, Christopher Boothman, David A.
Polya, John M. Charnock, Debashis Chatterjee & Jonathan R. Lloyd
  Page 68
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02638_fs.html>;

Why large-scale climate indices seem to predict ecological processes
better than local weather
T. B. Hallett, T. Coulson, J. G. Pilkington, T. H. Clutton-Brock, J.
M.
Pemberton & B. T. Grenfell
  Page 71
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02708_fs.html>;

Microbialite resurgence after the Late Ordovician extinction
Peter M. Sheehan and Mark T. Harris
  Page 75
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02654_fs.html>;

Local sleep and learning
Reto Huber, M. Felice Ghilardi, Marcello Massimini & Giulio Tononi
  Page 78
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02663_fs.html>;

Resilient circadian oscillator revealed in individual cyanobacteria
Irina Mihalcescu, Weihong Hsing & Stanislas Leibler
  Page 81
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02533_fs.html>;

Evolutionary changes in cis and trans gene regulation
Patricia J. Wittkopp, Belinda K. Haerum & Andrew G. Clark
  Page 85
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02698_fs.html>;

Evidence for dynamically organized modularity in the yeast
protein-protein interaction network
Jing-Dong J. Han, Nicolas Bertin, Tong Hao, Debra S. Goldberg, Gabriel
F. Berriz, Lan V. Zhang, Denis Dupuy, Albertha J. M. Walhout, Michael
E.
Cusick, Frederick P. Roth & Marc Vidal
  Page 88
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02555_fs.html>;

PTK7/CCK-4 is a novel regulator of planar cell polarity in vertebrates
Xiaowei Lu, Annette G. M. Borchers, Christine Jolicoeur, Helen
Rayburn,
Julie C. Baker & Marc Tessier-Lavigne
  Page 93
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02677_fs.html>;

Nitrification by plants that also fix nitrogen
Charles R. Hipkin, Deborah J. Simpson, Stephen J. Wainwright & Mansour
A. Salem
  Page 98
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02635_fs.html>;

Context-dependent contributions of backbone hydrogen bonding to
[beta]-sheet folding energetics
Songpon Deechongkit, Houbi Nguyen, Evan T. Powers, Philip E. Dawson,
Martin Gruebele & Jeffery W. Kelly
  Page 101
<http://www.nature.com/nlink/v430/n6995/abs/nature02611_fs.html>;

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