人类为何能长跑？抹香鲸的“咔嗒”声复杂似人语、父系肠道微生物影响后代健康 | 一周论文新鲜

5.20

本周值得读

来自《自然》旗下期刊的最新发表，我们为您精选呈现。

1. 抹香鲸的复杂叫声

2. 小鼠微生物组和后代健康的联系

3. 受蜥蜴启发的建筑系统或预防全楼倒塌

4. 探索耐力跑的演化

5. AlphaFold 3扩大并提升了对蛋白质-分子相互作用的结构预测准确性

6. 2023年夏季是两千年来最热

生态学 | 抹香鲸的复杂叫声

Contextual and combinatorial structure in sperm whale vocalisations

Nature Communications

发表在《自然-通讯》上的新研究显示，抹香鲸的交流可能比之前想象的更加复杂。作者认为，抹香鲸可以将不同的“咔嗒”声和节奏进行结合、调节，从而创造出复杂的叫声，类似于人类的语言。

交流对于社会性动物而言十分重要，可以帮助它们做出群体决策，协调共同任务，例如觅食和养育幼崽。抹香鲸是一种善于社交的哺乳动物，它们会通过连续的“咔嗒”声互相交流。尽管此前研究表明，一些“咔嗒”声序列可以用来传达它们的身份，但人们对抹香鲸的交流系统所知甚少。

美国麻省理工学院的Praytusha Sharma和同事利用最大的抹香鲸数据库——多米尼克抹香鲸项目——中的数据，分析了来自东加勒比抹香鲸部族的约60头不同抹香鲸的录音，并利用这些录音定义了该部族“咔嗒”声组合的“抹香鲸发音字母表”。他们发现，抹香鲸的交流系统比之前想象的更加复杂，信息的承载量也更大，“咔嗒”声序列的组合和结构取决于个体的对话语境。作者还发现它们的语言有一种“组合结构”，即它们可以组合和调节不同的“咔嗒”声与节奏，以创造出复杂的发声，这与人类的语言类似。

虽然这些“咔嗒”声组合的功能和含义尚不清楚，但作者认为抹香鲸的语言或能表达大量可能的含义。

微生物学 | 小鼠微生物组和后代健康的联系

Paternal microbiome perturbations impact offspring fitness

Nature

根据《自然》发表的一项研究，雄性小鼠肠道微生物组的紊乱可能会影响其后代的健康。这项研究表明，扰乱雄性的肠道微生物组可能会影响胎盘功能。

众所周知，导致肠道微生物生态系统失衡的环境因素会塑造宿主的生理和疾病相关反应。但父系肠道微生物组对后代的影响尚不明确。

为了评估雄性小鼠肠道微生物群紊乱对后代的影响，意大利欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Jamie Hackett和同事给雄性小鼠注射了6周抗生素，导致它们微生物多样性、丰度和丰富度下降。这些小鼠的后代出现出生体重较轻、生长严重受限以及过早死亡的概率更高。作者认为，这一效应与雄性生殖系统对微生物失衡的反应有关，包括激素信号受损和睾丸代谢物特征改变。这种反应可能会增加胎盘功能不全的风险。在受孕前恢复紊乱的父系微生物群能降低后代健康不良的风险。这一发现表明，与父系微生物组紊乱有关的后代健康状况变差是一种表观遗传效应而非遗传效应。

作者认为，肠道微生物群是小鼠父系孕前环境与后代健康之间的关键界面。这些发现凸显出理解环境因素如何影响跨尺度复杂生物系统——从直接的分子反应到代际疾病易感性——的重要性。

工程学 | 受蜥蜴启发的建筑系统或预防全楼倒塌

Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation

Nature

《自然》发表的一篇论文报道了一种新的建筑系统——在灾难性损坏事件下，该系统或可将结构破坏局限于受损区域，从而预防整个建筑倒塌。这种方法的灵感来自蜥蜴通过断尾摆脱捕食者的能力。

建筑倒塌的压力源有很多，如地震、车辆碰撞和施工错误，有可能造成生命损失。目前用于预防倒塌的设计通常让初始破坏重新分布到建筑的完好结构组件中，从而防止其扩散。虽然这种设计很有效，但可能会在无意中使整个建筑倒塌。

西班牙瓦伦西亚理工大学的Jose Adam和同事报道了一种能隔绝初始破坏的建筑设计，类似于蜥蜴尾巴上的断裂面能让蜥蜴在受攻击时断尾。这种建筑系统名为“层级式倒塌隔离”（hierarchy-based collapse isolation），能让建筑沿着特定截面的预选边缘发生受控断裂，从而防止初始破坏传播到整个建筑，有助人员抢救。

为测试这种层级式倒塌隔离设计，团队用预制混凝土建造了一个15米×12米的两层建筑，每层2.6米高。Adam和同事对该建筑进行了两轮测试。第一轮测试模拟了一次较小的初始破坏，即去掉建筑转角两根柱子中的一根——这轮测试证实了该设计能提供传统的结构性支持。第二轮模拟了更极端的初始破坏，他们去掉了转角剩下的那根柱子。通过这一测试，研究团队注意到，层级式倒塌隔离成功防止了整个结构坍塌，只有沿着加载路径的部分建筑发生了倒塌。

虽然这些测试证明了层级式倒塌隔离的可行性，但Adam和同事指出，在该设计拓展用于不同形式的建筑前，仍需开展更多测试。不过，层级式倒塌隔离可以实现只对建筑倒塌部分的重建，而无需对整个建筑重建，有望显著减少生命损失并协助救援工作。

人类学 | 探索耐力跑的演化

Ethnography and ethnohistory support the efficiency of hunting through endurance running in humans

Nature Human Behaviour

根据《自然-人类行为》发表的一篇论文，耐力奔跑狩猎可能和其他传统狩猎方法同样有效。这些研究发现基于建模和民族史、民族志解释，为耐力追逐假说提供了支持。

人类的运动肌肉主要由抗疲劳纤维组成，并有排出长时间活动产生的代谢热的能力，这在哺乳动物中十分独特。因而有些人类学家提出了耐力追逐假说，认为这些特征的演化是因为演化选择了长距离追逐猎物的能力。但是关于当代人类通过这些耐力追逐狩猎的报告很少，而且奔跑非常耗能。

加拿大特伦特大学的Eugène Morin和Bruce Winterhalder利用模型估算了通过耐力跑狩猎的回报率，发现耐力跑的热量收益和其他狩猎方法相当。这些发现表明，跑步可能是一种获取食物的有益策略。

作者还汇总和分析了一个民族志和民族史文献数据库，其时代包含了从16世纪早期到21世纪初，以研究耐力跑狩猎的潜在作用。他们发现了来自世界上272个地方的近400个人类利用耐力跑追逐狩猎的案例，表明这一策略不像此前认为的那么罕见。这些耐力追逐活动可能包括不止一名猎手，且发生在各种生态系统中，包括平原等开放环境以及森林生物群落中。

Morin和Winterhalder认为，这类狩猎可能是更新世（260万年至11700年前）人族的一个可行策略，在人类演化中可能也发挥过作用。但他们指出，这项研究依赖于近代史民族志（大多书写于一百多年前）的解释，并不能直接反映出我们的演化历史。

结构生物学 | AlphaFold 3扩大并提升了对蛋白质-分子相互作用的结构预测准确性

Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3

Nature

《自然》报道了AlphaFold 3能以较高准确率预测蛋白质与其他生物分子相互作用的结构。AlphaFold 3是该人工智能模型的最新迭代，准确率比之前的专用工具显著提升，该模型由谷歌（Google）DeepMind和Isomorphic Labs的团队研发。这一最新模型能预测含有蛋白质数据银行（Protein Data Bank）内几乎所有分子类型的复合物的结构。这种用计算机解析蛋白质与其他分子复杂相互作用的能力，将拓展我们对生物过程的理解，并有望推动药物研发。

AlphaFold首次于2020年问世，它和迭代版AlphaFold 2能根据蛋白质的氨基酸（蛋白质的基本成分）序列预测其3D结构。之后的AlphaFold-Multimer推动了对蛋白质-蛋白质复合物的预测。不过，扩大单一深度学习模型能预测的复合物范围一直很难，因为不同类型的特异性相互作用差异太大。

英国谷歌DeepMind新闻办公室的John Jumper和同事报道，在AlphaFold 2模型的深度学习架构和训练系统的大幅提升下，如今可以对一个统一框架内大量生物分子系统的结构进行更准确的预测。AlphaFold 3能预测蛋白质与其他蛋白质、核酸、小分子、离子、修饰蛋白质残基的复合物，以及抗体-抗原相互作用。预测准确性显著超过当前预测工具，包括AlphaFold-Multimer。

作者也指出了一些局限性，比如约4.4%的结构会出现不正确的手性（一种对称特性），或是幻觉导致“飘带”（一种常见的蛋白质二级结构元素）的出现减少。他们补充道，模拟准确率的进一步提升需要生成一个很大的预测集并对预测结构进行排序，而这会产生额外的计算成本。

气候 | 2023年夏季是两千年来最热

2023 summer warmth unparalleled over the past 2,000 years

Nature

《自然》的一项研究认为，2023年夏季是北半球热带以外地区在过去2000年里最热的夏天。

德国美因茨大学的Jan Esper和同事结合了观测性数据和基于代用指标的重建，分析了过去2000年中北半球热带以外地区（北纬30-90度，包括欧洲在内的各个地区）6月至8月的地表气温。结合来自数千个气象站的测量数据，作者发现，2023年夏季北半球这部分陆地温度比公元1850年至1900年间仪器测量的平均温度高2.07°C。

为调查过去2000年的趋势，作者使用了北半球热带以外夏季温度的群集重建，并结合了现有9个最长的温度敏感树轮年代学数据。他们发现，2023年夏季比公元1-1890年有仪器记录前的平均温度高出2.20°C。与这一时期中最冷的重建夏季温度（公元536年，当时温度受到了火山爆发影响）相比，2023年的夏季气温要高出3.93°C。

作者指出，这项研究中的变暖情况不能应用到全球尺度。但他们认为，这些估计值展示出当下前所未有的气候变暖状况，迫切需要采取行动来减少碳排放。

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