科學(xué)家揭示細(xì)菌細(xì)胞分裂的全新機(jī)制

5月18日，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在細(xì)菌細(xì)胞生長(zhǎng)分裂領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展，研究成果于近日在國(guó)際權(quán)威期刊《自然·微生物學(xué)》雜志發(fā)表。

在現(xiàn)代定量微生物學(xué)領(lǐng)域中，“SMK生長(zhǎng)法則”是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的定量規(guī)律，與“恒定起始質(zhì)量假說”相輔相成，形成的研究思維范式主導(dǎo)了細(xì)菌細(xì)胞周期相關(guān)研究領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)之久。為了深入探索細(xì)菌細(xì)胞分裂的機(jī)制，中國(guó)科學(xué)家對(duì)兩大法則進(jìn)行了驗(yàn)證并獲得重大突破。

歷時(shí)3年多，科研團(tuán)隊(duì)選取超過30種培養(yǎng)基開展實(shí)驗(yàn)，是迄今為止在有報(bào)道的類似研究工作中選用培養(yǎng)基種類最多、覆蓋生長(zhǎng)速率范圍最廣的一項(xiàng)研究。在數(shù)百次取樣，測(cè)定數(shù)千個(gè)定量數(shù)據(jù)后，細(xì)菌細(xì)胞的生命周期逐漸清晰起來。研究結(jié)果顯示，盡管細(xì)胞的平均大小隨著生長(zhǎng)速率增大，但數(shù)據(jù)卻與“SMK生長(zhǎng)法則”提出的定量公式不符；此外，假說中認(rèn)為細(xì)胞DNA復(fù)制前的恒定比值也并非一成不變，而是根據(jù)生長(zhǎng)速率的升高，呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)。這說明奠定現(xiàn)代定量微生物學(xué)研究領(lǐng)域的兩大法則可能并不準(zhǔn)確。

除修正了原有的兩大法則外，基于新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此項(xiàng)研究中科研團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了適用于所有生長(zhǎng)速率的全新規(guī)律，明確了DNA復(fù)制到細(xì)胞分裂的時(shí)間間隔與生長(zhǎng)速率間的關(guān)系，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞大小、復(fù)制分裂間隔、生長(zhǎng)速率三者間的關(guān)系，并將其命名為“個(gè)體生長(zhǎng)分裂方程”，為該領(lǐng)域的研究提供了全新的思考模式。

揭秘塔克拉瑪干永久沙漠形成

通過中國(guó)科學(xué)院院士安芷生主持的大陸環(huán)境鉆探項(xiàng)目獲取的塔里木盆地1000米的巖芯，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所、香港大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、蘭州大學(xué)相關(guān)研究人員合作開展研究。他們通過巖芯碳酸鹽碳氧同位素和粒度記錄揭示了塔克拉瑪干沙漠700萬(wàn)年（Ma）以來的詳細(xì)沙漠化歷史。為黃土高原粉塵來源及構(gòu)造和氣候雙重控制下的亞洲內(nèi)陸干旱化過程提供了新證據(jù)。相關(guān)成果近日發(fā)表在Geology上。

研究結(jié)果表明，大約4.9Ma之前塔里木盆地還存在間歇性的湖泊群，氣候明顯比當(dāng)代濕潤(rùn)，證實(shí)了周圍山體的隆起擴(kuò)張對(duì)水汽的阻隔作用。湖泊群消失后，塔里木盆地仍然交替出現(xiàn)風(fēng)成沙丘、河流相和淺湖相沉積，并持續(xù)了很長(zhǎng)一段時(shí)間直到0.7Ma。塔克拉瑪干沙漠的最后永久性沙漠形成在0.5Ma？0.7Ma，響應(yīng)全球中更新世氣候轉(zhuǎn)型時(shí)期的氣候變化。青藏高原山地冰川的出現(xiàn)和大氣環(huán)流的變化，可能控制了中更新世轉(zhuǎn)型以來亞洲內(nèi)陸永久沙漠的形成和極端干旱化。碳酸鹽碳氧同位素和粒度記錄揭示了塔克拉瑪干沙漠7Ma以來的詳細(xì)沙漠化歷史。

同時(shí)，通過與黃土記錄的對(duì)比，他們還發(fā)現(xiàn)中更新世轉(zhuǎn)型以前塔里木盆地與黃土高原呈現(xiàn)相同的干濕氣候變化特征，但在中更新世轉(zhuǎn)型以來塔里木盆地干旱化加劇與黃土記錄的東亞季風(fēng)增加揭示干濕變化呈反向發(fā)展趨勢(shì)，該研究成果可能為理解東亞季風(fēng)演化和西部干旱化的耦合關(guān)系提供新思路。

研究發(fā)現(xiàn)植物氣孔開閉調(diào)控新機(jī)制

為適應(yīng)環(huán)境的影響，植物的氣孔會(huì)經(jīng)常開閉，這對(duì)于植物平衡光合作用中二氧化碳的攝入和蒸騰過程中水分的釋放是很重要的。但植物氣孔開閉調(diào)控的機(jī)制仍在深入研究中。

日前，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、中國(guó)浙江大學(xué)的一個(gè)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《植物細(xì)胞》雜志的一篇綜述論文指出，葡萄糖是保衛(wèi)細(xì)胞（植物氣孔的兩個(gè)“唇”）中主要的淀粉代謝產(chǎn)物，并且在藍(lán)光誘導(dǎo)的氣孔開放過程中，葡萄糖是氣孔的主要能量來源，這一發(fā)現(xiàn)有助于揭示植物氣孔開閉調(diào)控的新機(jī)制。

保衛(wèi)細(xì)胞中的淀粉降解是藍(lán)光誘導(dǎo)下氣孔打開的標(biāo)志之一。為了研究這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)利用了淀粉降解雙突變體amy3-bam1。在淀粉降解雙突變體amy3-bam1中，藍(lán)光誘導(dǎo)的穿過保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜的氫、鉀和氯等離子轉(zhuǎn)運(yùn)并未發(fā)生改變，這表明淀粉降解產(chǎn)物不會(huì)直接影響保衛(wèi)細(xì)胞運(yùn)輸離子的能力。

長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為淀粉降解產(chǎn)生的碳骨架可用于合成蘋果酸，并且蘋果酸含量變化與保衛(wèi)細(xì)胞原生質(zhì)體體積有關(guān)。然而，該研究發(fā)現(xiàn)，amy3-bam1雙突變體的保衛(wèi)細(xì)胞中蘋果酸的濃度與野生型相似，并未發(fā)生明顯的改變；而葡萄糖的水平卻顯著降低。這表明葡萄糖是保衛(wèi)細(xì)胞中主要的淀粉代謝產(chǎn)物，并且在藍(lán)光誘導(dǎo)的氣孔開放過程中作為主要能量來源。

同在《植物細(xì)胞》雜志發(fā)表的來自美國(guó)密歇根州立大學(xué)的Anne Rea評(píng)述論文指出，此前的研究者們一直持有的觀點(diǎn)，是保衛(wèi)細(xì)胞淀粉被分解成糖，并轉(zhuǎn)化為蘋果酸鹽。但中瑞聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，挑戰(zhàn)了關(guān)于保衛(wèi)細(xì)胞代謝與離子轉(zhuǎn)運(yùn)之間關(guān)系的一些早期假設(shè)，并最終挑戰(zhàn)了氣孔開放動(dòng)力學(xué)。

生物因子調(diào)控喜馬拉雅高山樹線變化速率

高山樹線是樹木分布的海拔上限，對(duì)溫度變化具有潛在的敏感性。在氣候變暖背景下，樹線趨于向高海拔遷移。在喜馬拉雅山區(qū)連續(xù)分布著高山樹線，它是指示氣候變化對(duì)高寒生態(tài)系統(tǒng)影響的敏感生態(tài)過渡帶。然而，多年來，人們對(duì)該地區(qū)高山樹線變化了解十分有限。

已有研究顯示，樹線上升對(duì)于溫度的響應(yīng)并不是線性的。那么，除氣候因子外，生物因子是否也調(diào)控樹線變化速率？

近日，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過合作探究揭示了種內(nèi)關(guān)系也是調(diào)控喜馬拉雅山中段樹線爬升速率的重要因子，這深化了對(duì)高山樹線變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究的理論認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《生物地理學(xué)》。

生物因子可分為種內(nèi)關(guān)系和種間關(guān)系。研究人員基于喜馬拉雅山中段樹線樣地網(wǎng)絡(luò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，樹線上升速率不僅受降水和種間競(jìng)爭(zhēng)限制，還受種內(nèi)關(guān)系影響。隨著降水減少，樹線幼苗趨于集群分布，且集群強(qiáng)度與樹線爬升速率顯著負(fù)相關(guān)，即樹木之間相鄰距離越大，爬升速率越快，反之爬升速率越慢。其中，34.7%的樹線爬升速率由樹木集群分布強(qiáng)度決定。這表明，溫度與降水的交互作用影響幼苗集群分布狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)控樹線爬升速率。

研究人員表示，該研究展示了局域尺度上氣候和非氣候因子如何驅(qū)動(dòng)大空間尺度樹線格局。從種內(nèi)關(guān)系的視角解釋了樹線變化的空間差異，量化了生物因子對(duì)樹線變化的影響，解釋了樹線變化對(duì)氣候變暖的滯后效應(yīng)。

生命起源或與超臨界二氧化碳有關(guān)

近年來，地球生命起源與初始有機(jī)質(zhì)形成一直廣受關(guān)注。生物學(xué)研究表明，超嗜熱菌很可能是地球上生命的共同祖先，因此熱液系統(tǒng)一直被認(rèn)為與生命起源密切相關(guān)。但是熱液流體中缺少合成氨基酸的關(guān)鍵元素——氮，這是早期生命起源于熱液假說最致命的問題。

近日，中國(guó)科學(xué)家通過合作首次在熱液系統(tǒng)觀測(cè)到自然狀態(tài)下超臨界二氧化碳流體的噴發(fā)。此次觀測(cè)到的超臨界二氧化碳中含有大量氮?dú)夂陀袡C(jī)組分，為生命起源以及初始有機(jī)質(zhì)的形成提供了新的啟示。相關(guān)研究成果以封面文章的形式發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》上。

超臨界二氧化碳流體大量富集氮?dú)猓瑸樵缙诘厍驈臒o(wú)機(jī)到有機(jī)的過程提供了絕佳的反應(yīng)介質(zhì)。近期有實(shí)驗(yàn)表明，在超臨界二氧化碳和礦物的參與下，從H2OCO2-N2體系中可以合成4種氨基酸，包括丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸和精氨酸。

由此科學(xué)家提出了一個(gè)新的早期地球生命起源模型。月球形成后的幾百萬(wàn)年間原始大氣逐步形成，此時(shí)的原始大氣中含有數(shù)百大氣壓的水蒸氣和二氧化碳，以及氮?dú)獾?。在原始海洋形成后，?dāng)溫壓條件大于31℃和7.3MPa時(shí)，二氧化碳將以超臨界流體相態(tài)存在，因此在地球表面存在超臨界態(tài)的二氧化碳層。在水圈與大氣圈的交界面上，氮?dú)夂偷V物微粒可以被稠密的超臨界二氧化碳所吸附。超臨界二氧化碳、水、氮?dú)庠诘V物顆粒的催化下，形成了初始的有機(jī)物氨基酸等物質(zhì)，從而完成了從無(wú)機(jī)到有機(jī)的轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生了生命體必需的氨基酸等有機(jī)大分子。