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8月 | PNAS 论文热点研究速览

 

用于疟疾控制的下一代基因驱动器

科研人员报告了一个下一代基因驱动器系统,它可以帮助开发出控制蚊子传播疟疾的策略。目的是阻止病媒传播寄生虫的基因驱动器在实地使用前必须满足最严格的技术标准,这包括与效率、特异性以及对携带基因驱动器的病媒的适应度的效果有关的参数。Anthony James及其同事报告了一种经过遗传改造的传播疟疾的冈比亚按蚊,它携带了一个基于Cas9/引导RNA的基因驱动器。这个驱动器可以促进未来的能够用于疟疾蚊子种群控制实地测试的蚊子品种的开发。这个带有基因驱动器的蚊子品种AgNosCd-1瞄准了这种蚊子的最重要的基因,该基因编码参与眼色彩色素合成的一种酶。这个基因驱动器表现出了对雄性和雌性平均有效率为96.7%,体外实验脱靶效应最小化,对带有基因驱动器的蚊子的适应度几乎没有副作用,并且可能对抗它的可能的耐性等位基因的频率低。重要的是,在实验室中的小笼试验表明了以1:1的比例(AgNosCd-1:野生型)单次释放带有基因驱动器的雄蚊足以确保在6代以内每只蚊子携带至少一份拷贝的这个基因驱动器构造,这相当于6个月时长,处于单次年度疟疾传播周期之内。因此,AgNosCd-1 能够充当把抗寄生虫效应器基因运送到蚊子体内的一个有效的载具。这组作者说,这个基因驱动器可能有助于加速用于未来实地试验的蚊子品种的开发,实地试验可能需要进行风险评估、管理监督以及社区参与。

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用于疟疾控制的下一代基因驱动器

 

沙尘碗时代的草丰富程度

一项研究发现,在极端干旱时期的季节性降水模式的改变可能解释草原对20世纪30年代美国沙尘碗干旱时期的响应。在20世纪30年代美国沙尘碗干旱时期,使用C3光合作用路径的植物扩张到了此前以C4光合作用路径为主的草原。这种转变是反直觉的,因为C3植物通常水利用效率更低,而且比C4植物对高温更敏感。为了理解在干旱期间C3植物的扩张背后的因素,Alan K. Knapp及其同事在美国堪萨斯州和怀俄明州的实验草原地块模拟了4年的极端干旱。在干旱地块,C3植物生物质生产增加到了至多原来的5倍,而C4植物的生物质下降,这符合对尘埃碗时期的观测结果。对长期气候记录的分析揭示出了在温暖的温度和高降水量同时出现的时候,C4草在该地区占主流,而C3草通常随着相对高的冷季节降水的增加而增加。这组作者指出,在极端干旱年份,在凉爽天气时期的降水比例增加,这导致了一种偏爱C3草的季节性降水模式。这些结果解释了尘埃碗时期植被对极端干旱的响应的悖论。这组作者说,此外,这些发现揭示出了在具有全球重要性并且在气候上脆弱的草原,植物对极端气候的响应可能包括了无法根据已知的植物生理性状加以预测的生态系统功能的转变。

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沙尘碗时代的草丰富程度

 

植物可利用的营养物质与动物身体尺寸

一项研究发现,在一个生态系统中吃草动物的平均身体尺寸影响着植物可利用的营养物质的平衡。在生态系统中的植物生产力反映了诸如氮和磷等关键营养物质的可利用度,这些关键营养物质必须以特定的数量和比例加以供给。草食动物的粪代表了这些营养物质的一个重要来源,但是食草动物废物的营养物质谱随着动物的尺寸而变化。Elizabeth le Roux 及其同事提出,影响食草动物身体尺寸的环境因素改变了植物可利用的氮磷比率。这组作者使用土地覆盖的异质性与降水作为替代指标,发现了捕食风险和食物可利用度改变了一个生态系统中的草食动物的平均身体尺寸,但是在觅食草坪上积累的粪物质的数量仍然大致相同。然而,这组作者还发现,与来自更小的食草动物的粪相比,来自更大身体的食草动物的粪含有的磷更少、氮磷比更高,这提示在更多地被大型食草动物访问的区域生长的植物通过动物排便获得了相应不同的营养物质供给。这项研究提出,控制食草动物在一个地形上的尺寸分布的过程影响着植物可利用的营养物质的分布和组成。这组作者说,这些发现还可能为优先清除大型物种的灭绝事件提供见解。

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植物可利用的营养物质与动物身体尺寸

 

早期逆境与心理健康

一项研究提出,更大程度的早年贫穷可能通过影响睾酮和海马区生长从而增加青春期抑郁的风险。早期逆境与之后的不良心理健康结果有关联,但是构成其基础的机制不明。Deanna Barch及其同事进行了一个纵贯研究,追踪了167名儿童从学龄前到青春期后期的大脑发育、青春期激素、情绪调控以及精神健康的变化。这组作者使用自我报告的抑郁症状和抚养者完成的检查单评估了儿童的情绪调控。使用磁共振成像检查了称为海马区的一个大脑区域的体积,该区域涉及正常压力应答。此外,收集了唾液样本从而评估睾酮水平,睾酮是一种压力应答激素,已知能保护海马区的细胞。早期贫穷程度的增加与青春期睾酮增加的减少、海马区生长率降低以及情绪调控不良和抑郁的增加有关联。建模结果符合一个理论,即早期贫穷很可能通过压平睾酮斜率从而增加抑郁,这会减少海马区的生长率因此也就增加了情绪失调。这组作者说,这些发现提示,需要采取可能减少早期逆境导致的心理健康问题风险的干预手段。

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早期逆境与心理健康

 

研究人族动物食谱的变化

科研人员报告了人族物种如何对食物可利用度的变化做出响应的同位素证据。人族动物傍人属表现出了食谱的分离,牙齿微磨损和稳定同位素证据提示,粗壮傍人(P. robustus)摄入硬的物体,而鲍氏傍人摄入使用C4光合作用路径的植物的食谱。然而,仍然不清楚这种食谱分离的时机。Jonathan G. Wynn及其同事分析了来自埃塞俄比亚的时间跨度是300万年前到200万年前的Shungura和Usno地层的86个人族动物化石的稳定碳同位素数据。在大约237万年前,这些人族动物牙齿的碳13对碳12同位素的比率的中位数提示从C3植物食谱的同位素特征显著转向了提示基于C4植物食谱的一个同位素特征。这种转变发生在粗壮傍人和鲍氏傍人的姐妹进化支埃塞俄比亚傍人(P. aethiopicus)出现后,但是在鲍氏傍人出现之前。此外,粗壮傍人没有遇到类似的同位素转变,这可能是由于相应的物种生活的地区的植物营养物质含量的差异。这组作者说,这些发现提示,人族动物食谱的转变恰逢其他哺乳动物的同位素的转变,并且表明了人族动物对食物可利用度变化的做出响应的方式。

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研究人族动物食谱的变化

 

 食草动物生态与人族动物环境的转变

科研人员报告了化石食草动物的食谱的变化,这表明了环境的变化。埃塞俄比亚西南部的Shungura地层含有人族动物和食草动物化石,探索这个地层的分类群的生态,可能发现人族动物进化的环境背景。来自化石食草动物的稳定碳同位素数据能够提供关于动物食谱以及食谱转变的见解。Enquye W. Negash<t6/>及其同事分析了时间跨越了从360万年前到105万年前的代表9个食草动物科的1050多个化石牙齿。这些食草动物的食谱从早于290万年前的高比例混合进食转变为270万年前到190万年前之间以及晚于190万年前的高比例食草。在大约270万年前和200万年前表明了两个重大变化,前一个变化恰逢人族动物傍人属的首次出现。此外,这种转变提示,与傍人相比,生活在早于270万年前的南方古猿可能生活在一个主要为木本植物的生态系统中,而傍人很可能生活在一个开放环境中。这组作者说,这种食草动物食谱的转变为人族动物食谱的同时代转变提供了背景,其综合结果表明了哺乳动物如何对环境变化做出响应。

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食草动物生态与人族动物环境的转变

 

用生物燃料缓解温室气体

一项研究探索了生物燃料的温室气体(GHG)缓解潜力。使用生物燃料缓解温室气体(GHG)排放的做法已经与土地转换为生物燃料原料作物栽培的可能负效应联系在了一起。这样的可能的效应包括生态系统碳储存的大的前端减少,间接的土地使用变化,以及使用土地种植生物燃料原料而非恢复森林的机会成本。为了确定这些缺点是否超过了生物燃料的收益,John Field 及其同事分析了与在美国3个案例研究地点恢复森林以及恢复草原相比,生态系统和当前与未来生物燃料系统的供应链碳流。次生林转换成生物燃料生产将会导致碳储存的大规模的前端减少,这可能需要当前生物燃料生产模式用数十年才能抵消。然而,使用当前的技术把之前的农田或牧场转换成生物燃料生产将会实现相当于恢复森林所实现的温室气体(GHG) 缓解,并且在头30年时间里是在同一片土地恢复草原实现的温室气体(GHG) 缓解的250%。农作物产量和燃料炼制技术未来可能的改进以及将碳捕获和储存纳入到供应链中,能带来的估计的温室气体(GHG) 缓解潜力分别是恢复森林和恢复草原的4倍和15倍。这组作者说,这些结果支持了生物燃料的气候缓解潜力。

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铁沉积与过去的超新星活动

科研人员报告了对深海沉积物中的来源于超新星的铁-60的测量。太阳系定期经过行星际物质云,诸如当前的本地星际云团(LIC),这可能影响地球对星际尘埃和宇宙射线的暴露。这些云的起源尚不确定。Anton Wallner 及其同事测量了来自印度洋岩心的跨越了过去33000年的5个深海沉积物样本中的铁-60放射性同位素的痕量浓度。铁-60不是在地球上天然生成的,它在地质记录中的存在表明了暴露于超新星抛射物或者穿过了超新星残骸。这组作者探测到了显著高于预期的纯粹地球铁的背景水平的铁-60。根据这些测量,这组作者估计,在过去33000年里铁-60的平均沉积率是每年每平方厘米3.5个原子,随着时间推移没有可分辨出的趋势。这些发现表明了地球在过去33000年时间里穿过的星际介质含有铁-60。这组作者说,然而,这个时间里的低的估计沉积率以及缺乏沉积的变化提示,本地星际云团(LIC)不是一个近来的超新星孤立的残骸,超新星产生的铁-60渗透进了这个星际介质中。

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铁沉积与过去的超新星活动

 

预测水诱导产生的土壤侵蚀

一项研究预测了水诱导产生的土壤侵蚀率。土壤侵蚀和土地退化的一个主要驱动因素是气候变化和人类活动导致的土地使用诱导的水侵蚀。Pasquale Borrelli及其同事使用3个情境,预测了2015年到2070年的水导致的土壤侵蚀的变化。这组作者对202个国家的情境进行了建模,把共享社会经济路径和代表性集中路径的数据与联合国粮农组织的数据结合了起来。对全部情境的建模结果发现了在全部被观察的国家的全部气候条件下的持续的水侵蚀。空间土壤侵蚀模式提示了土壤侵蚀可能损害主要的农业部门,特别是如果侵蚀与强烈的降水同时出现。有陡坡和高峻地形的地区也可能遇到高的侵蚀率,这类似于具有稀疏植被覆盖的地区。农作物和有管理的牧场估计造成了全部土壤侵蚀的半数一样,而土地使用和气候变化联合起来可能导致到2070年土壤侵蚀平均增加至多66%。此外,低收入和中等收入的热带和亚热带国家可能比温带的高收入国家更容易受到侵蚀增加的损害。这组作者说,这些发现提示,为了缓解未来的土壤侵蚀和确保食品保障,保护性农业是必要的。

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预测水诱导产生的土壤侵蚀

 

果蝇从静止图案中看到了幻觉的运动

一项研究发现,观看静止图案的果蝇感受到了类似于人类感受到的幻觉运动,这种效应是受到大脑的运动探测神经元调控的。诸如锯齿亮度渐变图案等某些静止图案,能够引发多种脊椎动物物种的幻觉运动感受。然而,构成这些幻觉的基础机制尚不明确。Damon Clark 及其同事使用果蝇作为一个模型系统,把行为测量数据、遗传沉默以及神经成像结合起来,探索了这种机制。这组作者把系留的果蝇放在空气支撑的球上,并且在一个全景屏幕上呈现了静止的锯齿亮度渐变图案。这些图案音发了一个转向响应,这已知是被特定旋转图案引发的,这提示这些果蝇感受到了幻觉运动。遗传沉默以及钙成像实验表明了探测运动的T4和T5神经元调控了这种幻觉运动的感知,这是由方向选择性神经元对静止边缘的响应的不平衡贡献驱动的。人类受试者参与的心理物理实验提示,类似的神经元机制可能构成了各种生物分类门的类似幻觉运动感知的基础,这指向了运动探测的共同策略的趋同进化。这组作者说,这种幻觉运动感知可能是大脑有效处理自然环境中的运动的一个副产品。

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果蝇从静止图案中看到了幻觉的运动

 

超新星导致大灭绝的假说

一项研究探索了超新星爆发可能引发了泥盆纪末期灭绝的一项假说。泥盆纪末期的特点是物种多样性减少和灭绝事件,其顶峰是在泥盆纪和石炭纪之间的边界上的一次灭绝事件。同温层臭氧水平的一次显著下降恰逢这次最终的灭绝,这可能是由于一次全球升温造成的。Brian D. Fields及其同事提出了另一个假说,即一颗超新星爆发可能在一个长的时期提供了高水平的电离辐射,可能长达10万年左右。在大约20秒差距的距离上的一次爆发不会杀死地球上的生命,但是可能提供足够的辐射从而耗尽臭氧层并且将地球的表面暴露于显著的紫外线破坏,宇宙射线有可能造成额外的生物伤害。在太阳系围绕银河系旋转的轨道上有制造超新星的大型恒星,而这种爆发很可能沉积了痕量的长寿命放射性同位素,这包括钐-146和钚-244。这组作者说,在与泥盆纪末期同时代的岩层中探测这样的放射性,可能为这种超新星假说提供支持。

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超新星导致大灭绝的假说

 

膜辅助的辐射供冷

科研人员报告了一种辐射供冷的方法,它能在潮湿条件下冷却个体而无需对流冷却空气。随着全球温度上升,对大量消耗能量的空调的需求很可能上升。为人们供冷通常涉及冷却空气,这需要大的空气流以及潮湿气候下的能量密集型的除湿。Eric Teitelbaum及其同事构造了一个辐射供冷系统,它能不用空气为人们供冷,没有观察到冷凝。这个系统由含有一个对红外辐射透明的膜的板组成,它被水冷系统冷却,并且与周围的空气在对流上是隔绝的。这组作者报告说,2019年1月在新加坡有55名受试者测试了一个装有这种称为“冷管”的板的户外亭。当这个系统激活的时候,受试者报告说在79%的时间里感到凉爽或者中性,尽管气温是29.6摄氏度。没有在这些冷管上观察到凝结,这是由于膜对空气和湿度的抗渗性。这组作者说,辐射供冷系统可能有助于减少冷却相关的能源需求。

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膜辅助的辐射供冷

 

农业水的价值

科研人员报告说,在16种具有全球重要性的农作物中,把与灌溉有关的农作物增加的价值因素考虑进去,得到了农业用水的平均价值是大约每立方米0.23美元;这组作者说,这些结果提供了即便在缺乏水市场体系的情况下对全世界农业水价值的一个空间分布的全球估计。

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农业水的价值

 

南极洲物理事件的遗传时间线

一项关于南极横贯山脉原产的6个微节肢动物物种的研究发现了其中3个物种的种群曾经在遗传上相互隔离达至少352万年、另外3个物种的种群隔离了不到200万年的遗传证据;这些结果提示,分离的时间线对应于西南极冰原的大尺度变化,这会影响到这些节肢动物扩散和与其他种群结合的能力。

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南极洲物理事件的遗传时间线

 

 

政客对说真话的偏好情况

科研人员招募了西班牙的816名市长,让他们完成一项调查,并且询问这些市长是否希望获得这些结果的一份个性化报告;在调查末尾,这些市长被告知他们只有在一个自我报告的抛硬币结果中得到硬币正面的时候才能获得这份报告,这组作者说,即便在统计上大约50%的市长会获得报告,接近68%的市长报告得到了硬币正面。

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旅行时长与疾病传播

科研人员研究了大约250万名手机用户的手机通话记录,从而确定2010年到2014年纳米比亚各地区之间的流动性,结果发现前往高密度地区的旅行,旅行时长通常小于1周,但是当目的地是低密度地区的时候,时长增加;这组作者说,把旅行时长纳入到病原传播模型中,得到了空间传播的延迟的时机,而把旅行时长纳入到这类模型中能够改善低人口路径疾病传播的评估。

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旅行时长与疾病传播

 

深度学习帮助评估储存的血液质量

科研人员报告说,一个被专家训练的神经网络在识别储存的血液中的破损的红细胞的形态方面与专家有76.7%的一致性;这组作者还报告说,让这个网络学会独立于专家探测破损并且训练只使用每个血样的储存时长,得到了比专家预测更好的血液质量预测。

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深度学习帮助评估储存的血液质量

 

超级传播与年龄特异性SARS-CoV-2感染性

对2020年3月1日到5月3日期间在美国佐治亚州五个县收集的COVID-19 的监测与流动性数据的分析提示,少数个体导致不成比例的大量次级病例的超级传播对农村地区有特别强烈的冲击,而60岁以下的人们可能更具传染性,比60岁以上的人更可能成为超级传播者。

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超级传播与年龄特异性SARS-CoV-2感染性

 

口罩政策的有效性与感知到的公平性

根据对2020年4月到5月之间德国将近7000人的每周截面调查,科研人员报告说,当强制口罩政策实施但是只有温和支持的时候,戴口罩的行为急剧增加,而戴口罩与其他保护行为正相关;925人参与的一项实验提示,一个自愿戴口罩政策可能导致更低的依从度,更大的污名化,以及被认为比强制政策更不公平。

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口罩政策的有效性与感知到的公平性

 

COVID-19 死亡率的人口统计学后果

科研人员估计,由于COVID-19 造成的假设的美国2020年100万人死亡,将会让2020年的预期寿命相对于2017年减少将近3年,而那些死亡者将会失去平均大约12年的剩余预期寿命;这组作者说,人口平均死亡率将会低于1918流感,但是与艾滋病和阿片类物质的流行相当。

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COVID-19 死亡率的人口统计学后果

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