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  英国《自然·通讯》杂志7日发表的一项遗传学研究指出,家猫身上皮毛花纹(如斑纹)的形成是由发育胚胎中的特定分子决定的。研究结果提示我们,相同的皮肤细胞具有不同的遗传特征,这些遗传特征之后会让毛色形成复杂的花纹,这也是体现猫和许多其它哺乳动物多样性的一个典型特征。  猫咪的花色属于哺乳动物里最复杂的情况之一,甚至同一个品种的猫咪也可能“换”一身花纹,从而被误认为是另一个品种。实际上,猫咪的花纹与遗传学关系密切。此前的研究显示,家猫会在毛发生长过程中出现毛色花纹,相邻毛囊会在这个阶段产生不同类型的黑色素。不过,动物学家们对决定毛囊产生黑色或黄色黑色素的遗传学发育过程,一直不够了解。  此次,美国哈森阿尔法生物技术研究院的格里高利·巴施及其同事研究了家猫的皮肤样本,这些样本取自不能成活的猫胚胎的不同发育阶段,他们还分析了组织切片中发现的单细胞基因和蛋白。  研究人员发现,胚胎的基因表达差异决定了毛发生长后期产生的毛色花纹的形状。他们认为,名为“Dickkopf 4”(Dkk4)的基因编码的一个信号分子,在此过程中起到了关键作用;他们的研究还表明,Dkk4基因在有细纹斑的猫(如阿比西尼亚猫或一种热带草原猫)的体内发生了突变。  虽然这项研究主要关注家猫,但巴施和共同作者们认为,研究结果可能也适用于豹、虎等其它哺乳动物的毛色花纹形成。

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  “管住嘴、迈开腿”一直被奉为减肥的铁律。但对一些人来说,“迈开腿”的效果却很“玄学”:有人运动了也不见得瘦,有人运动完反而更胖了。  8月27日发表于《当代生物学》的一项研究指出,由于身体自带的“能量补偿”机制,运动会在一定程度上降低基础代谢水平,从而让运动的燃脂效果大打折扣。对本身就比较肥胖的人来说,这个折扣打得更狠——近乎5折。这或许解释了为什么越胖的人越难通过运动来成功减肥。  残酷真相:胖人运动减肥难  “一个残酷的反转:运动会让肥胖者休息时燃烧的卡路里减少”——约翰·斯彼克曼在介绍这项成果时,用了这样一个引人注目的标题。  他是中国科学院深圳理工大学(筹)药学院讲席教授、中国科学院深圳先进技术研究院医药所能量代谢与生殖研究中心首席科学家。他联合国际团队开展的这项研究探讨了人体能量补偿机制与肥胖的关系。  这项研究通过国际原子能机构(IAEA)双标水数据库收集了1754名成年人的数据并进行分析。这些人的BMI值(身体质量指数)分布在12.5到61.7之间。BMI是国际上常用的衡量人体胖瘦程度及是否健康的标准。一般来说,当BMI在20至25之间为正常值,超过25为超重,30以上则属于肥胖。  研究发现,肥胖者(BMI较高)运动时燃烧的热量大约有一半都被“抵消”掉了,因为运动后他们的静息代谢竟减少了49%。相比之下,BMI正常的个体只有28%的运动耗能被“抵消”。  具体来说,当一个肥胖者通过运动每消耗100卡,其静息代谢就会减少49卡,那么总能量支出只增加了51卡;而一个不胖的人运动每消耗100卡,其总能量支出会增加72卡。也就是说,与不胖的人相比,肥胖者的运动减肥效果更差。  “这对肥胖者来说是一个残酷的结论。”就连论文共同通讯作者斯彼克曼都不禁如此感慨。  读懂能量补偿:减肥还有希望吗?  在这项工作中,研究人员对BMI值进行分层研究发现,胖的人比瘦的人补偿效应更大。为了进一步明确肥胖在其中起到的作用,他们在同BMI人群中,把脂肪量作为连续变量进行了交互分析,发现脂肪含量的确影响了能量补偿效应。  “造成补偿效应的原因可能有两种,一种是由于运动增加了食欲,导致吃得更多,另一种则是运动降低了人体其他方面的能量支出,比如静息代谢,这样运动的能量成本就降低了。”斯彼克曼说。  参与这项研究的英国罗汉普顿大学路易斯·哈尔西教授总结道:“世界各地都倾向于通过运动和节食减少500~600卡的热量,来达到减肥的效果。然而,他们没有考虑到维持人体基本功能所燃烧的卡路里的减少,而这是身体为了补偿运动所消耗的卡路里所造成的。”  尽管是一项“扎心”的研究,但论文还是指出了一条有希望的路:既然人们已经发现,花样繁多的减肥计划和不断涌现的减肥风尚很少能带来长期、实质性的体重变化,那不妨对有关减肥的公共卫生策略进行必要的修订。随着科学家对各类人群能量代谢机制的认识加深,未来有望像“精准医疗”那样,结合不同个体能量补偿的遗传倾向打造个性化运动减肥计划。  相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.08.016  (原载于《中国科学报》2021-08-30第1版要闻)

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1991年皮纳图博火山爆发导致全球气温骤降。图片来源:ARLANNAEG   地球上几乎没有什么力量比一次大型火山爆发更强大了。威力最大时,火山会将数百万吨阻挡阳光的粒子“注入”大气层,使地球冷却近5年,危及农作物,导致“无夏年”。最近一次是1991年菲律宾皮纳图博火山爆发,导致全球气温暂时下降0.5摄氏度。  现在,人类驱动的气候变化正在改变这种巨大的力量。一项发表于《自然—通讯》的新研究表明,温室气体增加将使大型火山喷发产生的羽流喷射得更高、传播得更快、反射更多阳光,导致更加突然和极端的降温。  英国剑桥大学地球物理学家ThomasAubry和同事将理想化的火山喷发与全球气候模型相结合,模拟了在历史条件下以及到2100年地球预计会迅速变暖的情况下,中型和大型火山喷发出的羽流的反应。  研究人员发现了两个相互抵消的趋势。正常情况下,每年只有一两次中等规模火山喷发穿过对流层到达平流层,当高反射粒子扩散到平流层时,它们会导致全球降温。而当对流层变暖时,它的高度就会膨胀,最终使平流层远离火山喷发的范围。  “这就好像世界各地的标准篮筐突然升高了几英寸,让得分变得更加困难。”未参与这项研究的美国罗格斯大学新布伦瑞克分校火山学家BenjaminBlack说。  然而,随着皮纳图博这种规模的火山爆发,情况发生了变化。到2100年,地球温度将升高6摄氏度,对流层高度将增加1.5公里,但超大规模喷发仍能穿透平流层。研究人员称,与目前的气候相比,那时火山气体到达的地方更高,传播速度更快,降温效果放大了15%。  根据该团队的模型,到2100年,空气在平流层的上下混合将使火山羽流比以前高出约1.5公里。此外,气候变暖将加速平流层的主要风型,导致高反射的火山颗粒在聚合成更大粒子前就在上层大气中更快地扩散到两极。而粒子越小,反射的光就越多。  未参与这项研究的美国国家大气研究中心大气化学家MichaelMills说,中等规模的喷发可能不再到达平流层这一事实是“有趣和重要”的。新模型中发现的许多趋势——平流层变冷、对流层上升和环流加速,已经在现实世界中出现。但Mills补充说,新模型模拟的粒子增长是否反映了现实世界中的情况,仍不确定。  Aubry说,事实上,这项研究提出的问题比回答的问题多。首先,它只研究了热带地区的火山喷发,而不是那些更接近于平流层的两极地区的火山喷发。而且,很难说是大型火山的降温作用增加还是小型火山的降温作用减弱,最终会对气候产生更大影响。“我的直觉是,大型火山喷发效应将占主导地位。”他补充说。  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-021-24943-7

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  “人到中年,大不如前”“代谢下降,喝水都胖”……真是这样吗?最新科学研究表明,并非如此。  8月13日,中国科学院深圳理工大学(筹)药学院讲席教授、中国科学院深圳先进技术研究院医药所能量代谢与生殖研究中心首席科学家约翰·罗杰·斯彼克曼团队,联合杜克大学进化人类学副教授赫尔曼·庞泽等多个国际团队的研究表明:人的代谢规律呈现出“升高-下降-稳定-缓慢下降”的模式,这颠覆了以往人们对“青春期代谢率高,中年之后代谢下降”的传统认知。  这一最新研究的论文发表于国际学术期刊《科学》杂志。该研究通过国际合作,测量了人类从出生到老年的代谢率的高峰和低谷,首次揭示了全生命周期的代谢规律。  6000多名受试者几乎覆盖所有年龄层  这是一场大规模的国际合作,有近100个国际团队共同参与,有来自29个国家的6000多名受试者,研究样本几乎覆盖所有年龄层。  据赫尔曼·庞泽介绍,此前,一些大规模的研究,仅仅关注于测量人体的基础代谢率,即进行呼吸、消化、心脏搏动等重要基本功能时所消耗的能量。然而,这部分维持生命所需要消耗的基本能量,只占人体每天总能量消耗的50%-70%。人类日常生活中从事家务、运动,甚至思考、坐立不安也会消耗能量,但这些日常活动需要的能量,并未纳入此前的大规模研究中。  他说,为了测算人在日常生活中的能量消耗,研究团队与国际原子能科学家小组,分析了6000余名被测者在日常生活中消耗的平均卡路里数据,数据样本年龄覆盖从刚出生后1周的婴儿到95岁的老人。  研究人员采用了一种用于人体能量消耗的测量技术——“双标水”,即通过收集尿液并分析尿液中标记物的丰度值变化,来了解机体的能量代谢情况。  作为国际原子能机构“双标水”数据库项目的主要负责人,斯彼克曼表示,由于此类研究成本昂贵,研究的规模和范围都受到限制。因此,多个实验室共享相关数据,并将测量结果整合在一个数据库中。  “针对庞大的数据库,对数据进行整合和管理是最困难的部分,我们设计了一个新的方程,将不同实验室以不同方式分析的数据,最终转换为通用方法,回答了单个研究团队无法回答的问题。”斯彼克曼表示,正是基于“双标水”技术的精确检测方法,研究团队检测了人们每天总能耗的数值,通过汇集和分析整个生命周期的能量消耗的数据,观察人体的代谢规律,发现了一些“令人惊喜”的现象。  人体代谢率在60岁之后才缓慢下降  研究人员找到了人体代谢规律的“高峰”与“低谷”。  数据表明,婴儿的代谢率最高。婴儿在出生后的前12个月里,对能量的需求会迅速增加,因此到一岁时,婴儿单位体重消耗的卡路里,是成人代谢率的1.5倍。  “部分原因可能是,在他们生命最初的几周,基本上是久坐不动的,到1岁左右才开始真正的活跃起来。”斯彼克曼说。  与此同时,婴儿的静息代谢率也大幅度上升,这可能与他们的生长率有关。斯彼克曼认为,婴儿期如此高的能量需求,可能导致了婴儿期的成活率,非常依赖能量供给,在婴儿期这个关键的发育时间窗口,如果能量供给不足,就很难成活,即使成活下来,也很难正常生长到成年。  代谢率在经过婴儿初期的激增之后,就会以每年约3%的速度减缓直到20多岁,随后便稳定下来进入正常状态。  赫尔曼·庞泽说,尽管青少年是生长突增的时期,但数据表明,青少年时期的每天能量需求似乎并没有任何增加,“我们本来认为青春期的代谢率会有所不同,但事实并非如此。”  另一个有趣的发现是在中年时期。  研究团队发现,20多岁至50多岁这一时期的能量消耗,是最稳定的。即使在怀孕期间,伴随着婴儿的成长,孕期女性的能量需求,仅仅是随着体重的增加而增加,其自身的能量需求,并没有出现大幅上升。  “也许有人告诉你,30岁以后身体的各项机能都会下降,从而导致体重的增长,但作为家庭和社会中流砥柱的中年人,发福的因素有很多,我们的研究表明,最起码代谢率变化并不是原因之一。”斯彼克曼表示。  “人到中年,大不如前”,这“锅”代谢率可不背。  研究指出,人体的代谢率在60岁之后才真正开始缓慢下降,每年以0.7%的速度缓慢下降,到90多岁时,人每天需要消耗的卡路里,只有中年人的74%。  颠覆以往人们对代谢的认知  那么,究竟是什么影响了人体的代谢水平?  赫尔曼·庞泽说,随着年龄的增长,肌肉质量的减少可能是代谢下降的部分原因,因为肌肉燃烧的卡路里比脂肪多。不过,这并不是全部原因。  “我们发现,即便我们控制了肌肉量的因素后,受试者细胞水平的代谢也在减慢。”赫尔曼·庞泽说。  斯彼克曼也表示,影响代谢水平的最大因素,可能是身体的筋肉组织量,但筋肉组织量本身也受体重、性别、年龄的影响。  “能量需求随时间变化的机制,目前还不完全清楚。”斯彼克曼说。  不过他认为,这项研究成果颠覆了以往人们对代谢的认知,也表明人们可能需要重新审视发育阶段和衰老阶段的能量需求和营养策略。  《科学》杂志特别刊发了题为《长远眼光看代谢》的观点文章,其中提到:这项研究为人类新陈代谢的研究提供了重要的新见解。团队杰出的协作精神,让这项具备了空前规模和范围的研究成为可能。  “该研究可以对能量需求进行估计,人们可以更准确地计算出他们需要吃多少食物既能保证营养,又能避免体重增加。”斯彼克曼说,从更广泛的角度来看,只有了解了人口有多大的能量需求,才知道需要生产多少食品,才知道粮食安全的红线在哪儿。(原载于《中国青年报》2021-08-1712版)

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图片来源:pixabay  中东人是五六万年前走出非洲的同一群人的后裔;  在最早发展农业的黎凡特地区,人口出现巨大飞跃,而阿拉伯人却在大约6000年前发生了人口锐减;  阿拉伯族群的尼安德特人血统显著低于其他欧亚族群……  研究人员从8个中东人群中获得了100多个高覆盖率的基因组序列,填补了人们对中东地区人类进化认知的巨大空白。8月4日,相关论文发表于《细胞》。  被“遗忘”之地  在世界范围内进行的全基因组测序工作,为人类多样性、历史移民和不同地区人群之间的关系提供了重要见解,但直到现在,科学家仍没有拼凑出一个完整图景,因为针对某些地区和人群的研究依然不足,例如中东地区。  中东地区通常是指地中海东部、南部到波斯湾沿岸的部分地区,包括西亚(除阿富汗)和部分北非地区(即埃及)等。这里联通亚欧非,沟通大西洋和印度洋,自古以来就是东西方交通枢纽。中东也是理解人类历史、迁徙和进化的重要地区。  “两洋三洲五海”这样独特的地理位置使得中东地区成为现代人类首次走出非洲的地方、狩猎采集者首次定居并转变为农民的地方、第一个书写系统发展的地方,甚至也是第一个已知的主要文明出现的地方。  “然而,尽管该区域具有如此重要的意义,历史上该地区在基因组研究中一直未得到充分重视。”论文通讯作者、英国威康桑格研究所的MohamedAlmarri在接受《中国科学报》采访时说,“主要原因是当地对隐私的保护,以及对出于商业目的的基因数据利用的担忧。”  目前,卡塔尔是该地区首批启动大规模国家基因组计划的国家之一。今年2月,卡塔尔基金会研究人员在《自然—通讯》发表了中东地区首个遗传关联研究。该研究对6218个个体的全基因组的遗传变异进行了详细评估,结合45个临床相关性状数据,研究人员确定了大约300个独立的遗传标志物,其中一些主要在卡塔尔人口中发现。  中东最全面遗传资源  在这项新研究中,Almarri、伯明翰大学的MarcHaber及其同事对来自8个中东人群的137个全基因组进行了测序,并鉴定出480万个针对中东地区人群的新基因变异,为今后的研究奠定了基础。  “我们发现的这数百万种新基因变异是中东人口特有的。”Almarri说,“我们还发现了体现自然选择证据的遗传变异,即传播异常迅速的突变,可能是源于对不断变化的环境和生活方式的适应。”  通过使用一种被称为链读测序的新测序技术,研究人员获得了中东地区目前最全面的人类遗传变异资源,并以前所未有的分辨率重建了该地区的基因组历史。链读测序主要将相同的条形码与长DNA片段序列连接在一起,并能够消除其中的一些错读,从而改进宏基因组组装。  “这些数据能帮助我们确认发生在数千年前的事件,这些事件被记录在中东人口的基因组中。”Almarri说,“其中一些事件可以与考古学或语言学联系起来,例如,农业的出现和闪米特语言的传播。但其他一些事件只有通过研究生活在该地区的古人和现代人DNA才能知道。其中一个例子是‘基础欧亚’人口的存在,他们没有与尼安德特人杂交。”  而且,该研究也延伸或者推翻了之前一些考古研究的结论。“我们发现,中东人是五六万年前从非洲走出来的同一群人的后裔,但考古学记录中的人类遗骸——已被鉴定并追溯至8万多年前的中东地区,在基因上对现代人口没有贡献。”Almarri说。  揭秘数千年  实际上,自从有历史记录以来,黎凡特地区(包括以色列、叙利亚、黎巴嫩、约旦和巴勒斯坦)的冬天一直潮湿,夏天又热又干。在现代之前,那些炎热干燥的夏天会成为人们试图穿越这片土地的一大障碍。之前有研究借助洞穴结构和洞穴矿物发现,在12.5万年前和10.5万年前的两个时期,中东可能比往常更温暖、更潮湿。相关论文2019年刊登于美国《国家科学院院刊》。  这种条件可能有利于走出非洲的人类祖先穿越黎凡特,也可能使得中东地区成为现代人类首次走出非洲的地方,从而使中东人具有了非洲祖先血统。另一方面,阿拉伯人的祖先来自一个“神秘”群体。与其他欧亚人种的祖先不同,阿拉伯人的“基础欧亚”和非洲血统过多,从而耗尽了其尼安德特人血统。因此,今天的阿拉伯人是所有欧亚混血人种中尼安德特人血统最低的。  大约6000年前,阿拉伯遭受了严重的人口减少,与此同时,中东气候出现变化,使它从一个绿色、潮湿的地区逐渐演变成今天世界上最大的沙漠。但在最早发展农业的黎凡特,人口在向农业过渡期间经历了巨大增长,这种增长在人口一直很少的阿拉伯地区却没有出现。  研究人员还发现,在青铜器时代,人口的流动可能将闪族语言从黎凡特传播到阿拉伯和东非。此外,在过去2000年中,一些中东人群中与2型糖尿病相关的变异频率增加,这表明过去有益的变异如今却与疾病相关。  “我们发现的这400多万种变异以前在其他人群中没有出现,但在该地区人群中很常见,其中任何一种都可能有医学意义。”Haber说。  “我们的研究通过对中东遗传变异进行分类,填补了国际基因组计划的一个重大空白。”威康桑格研究所的ChrisTyler-Smith说,“这些新变异将改善该地区未来的医学研究。我们的结果解释了中东人的遗传学是如何随时间推移而形成的,并提供了新的见解,补充了考古学、人类学和语言学的知识。”  研究人员表示将继续研究显示遗传选择证据的变异。通过这些持续性研究,他们希望进一步了解这些新发现遗传变异的生物学效应,同时进一步完善该地区的遗传史。  相关论文信息:  https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.07.013  https://doi.org/10.1038/s41467-021-21381-3  https://doi.org/10.1073/pnas.1903139116

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尽管月球和地球是由同样的物质组成的,但月球可能从来没有像地球那样的强磁场。图片来源:MichaelOsadciw  对美国阿波罗计划收集的月球岩石的最新分析显示,我们唯一的天然卫星可能从未有过强磁场。相关研究8月4日发表于《科学进展》。  月球形成于大约45亿年前的一次天体碰撞,那次碰撞将地球的一部分送入了轨道,所以月球有一个与地球相似的铁核。目前,月球的磁场强度还不到地球磁场强度的千分之一,但20世纪70年代对月球岩石的初步分析表明,在39亿年至36亿年前,月球的磁场强度可能与地球的磁场强度相同。  但罗切斯特大学的JohnTarduno和同事认为,这种强磁场的证据实际上是由于月球岩石被小行星的撞击磁化了。他们发现,阿波罗计划同期从月球不同位置采集的其他岩石样本则没有这种磁场的迹象。  研究小组分析了200万年前小行星撞击形成的月球岩石的玻璃状样本,发现其冷却和凝固时存在强磁场的证据。那时,月球的强磁场应该已经减弱了。他们说,这证明了磁化对更古老的样本可能有影响,从而错误地导致先前的研究人员认为月球有一个活跃的磁场。  他们还测试了可追溯到39亿年前至32亿年前的样本,这段时间的月球应该有一个强大的磁场,但他们没有发现任何证据。这些样品含有的矿物质能够在其冷却和形成过程中记录任何强度的磁场——如果它存在。  Tarduno表示,总的来说,这些结果表明,月球并不像之前认为的那样具有长期存在的强磁场。他承认,在月球形成1亿年后——在它冷却和稳定下来之前,可能存在磁场。但由于月球地貌不断受到小行星撞击的冲击,因此没有那么久远的月表岩石可供研究。  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.abi7647

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