01

迄今已知距离最远的昆虫迁徙:研究发现小红蛱蝶能穿越撒哈拉沙漠

科学家们发现,一种发现于撒哈拉以南非洲的蝴蝶,在天气条件有利的年份,能够跨越撒哈拉沙漠,向欧洲迁徙数千英里。这种引人注目的小红蛱蝶(Painted Lady ,学名Vanessa cardui)首次被证明能够进行12000-14000公里的“往返旅行”–这是迄今为止已知的距离最远的昆虫迁徙–当沙漠中更潮湿的条件有助于其产卵的植物时,其数量会更多。

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这个国际研究小组的发现增加了人们对昆虫的了解,包括授粉者、害虫以及它们携带的疾病将来如何在各大洲之间传播,因为气候变化改变了季节性条件。

雷丁大学的生态学家、该研究的共同作者Tom Oliver教授说:“我们知道,欧洲的小红蛱蝶数量变化很大,有时一年比一年多出100倍。然而,造成这种情况的条件是未知的,而且关于蝴蝶可以穿越撒哈拉沙漠和海洋到达欧洲的说法也没有得到证实。”

“这项研究表明,这种不太可能的旅程是可能的,而且在迁徙季节之前的某些气候条件对迁徙的数量有很大影响。它表明了我们在英国看到的野生动物是如何超越国界的,保护这类物种需要强有力的国际合作。”

除了回答关于蝴蝶迁徙的长期问题,这些发现还可以帮助预测影响人类的其他昆虫的移动,例如目前困扰东非的蝗虫,或者携带疟疾的蚊子。

Oliver教授说:“我们喜欢在欧洲的花园里看到美丽的小红蛱蝶,但气候变化也将导致作为作物害虫的入侵物种或传播疾病的物种发生转变。东非的粮食短缺提醒我们,气候变化的影响可能比最初看起来的几度升温要剧烈得多。”

小红蛱蝶在冬季繁殖季节之后,在春季进行迁徙。研究人员利用来自数千名训练有素的志愿者记录员的长期监测数据,以及撒哈拉以南非洲和欧洲地区的气候和大气数据来了解它们的迁移情况。

发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究发现,非洲大草原在冬季和北非在春季的植被增加,再加上有利的顺风,是迁徙到欧洲的数量的三个最重要因素。

小红蛱蝶毛虫以撒哈拉以南非洲大草原和萨赫勒地区冬季较潮湿条件下生长的植物叶片为食,导致种群数量爆炸性增长。它们穿越撒哈拉沙漠,当北非的春天也有湿润和绿色的条件时,这些允许进一步繁殖,并使穿越地中海到达欧洲的数量膨胀。

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科学家们的模拟研究还表明,非洲和西欧之间经常有有利的尾风,为昆虫提供了横跨大陆的机会。研究小组计算出,这些蝴蝶必须在白天不停地飞行,在夜间休息,以穿越撒哈拉沙漠,并停下来采食花蜜。这与夜间飞行的鸣禽迁徙的模式相似。

他们得出结论海葵是动物还是植物,这些蝴蝶必须在海平面以上1-3公里处飞行,以利用有利的顺风,因为它们每秒约6米的最大飞行速度会使穿越撒哈拉变得极为困难。

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研究人员利用对类似蝴蝶物种的观察,计算出小红蛱蝶在蜕变后有足够的身体脂肪来维持40个小时的不间断飞行,并通过尽可能地采食花蜜来保持脂肪的充足,以便穿越撒哈拉沙漠。

这些发现可能有助于改善对未来因气候变化而可能在不同地区发现的昆虫物种的预测,以及它们可能到达的数量。

02

研究发现被喂食咖啡因的蜜蜂能更有效地瞄准目标花朵

一项新研究发现,咖啡因可以用来帮助蜜蜂找到特定的花朵。研究表明,咖啡因能增强蜜蜂的记忆力,使它们更有效地锁定某些目标花朵。咖啡因是一种中枢神经兴奋剂,它可以帮助人们专注于他们需要完成的工作。而事实证明,它对蜜蜂也有同样的作用。

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之前的研究表明,蜜蜂会优先寻找用咖啡因做诱饵的花朵。有人假设蜜蜂只是在追寻一种它们喜欢的药物的渴望。这项新研究旨在更好地了解咖啡因对蜜蜂的影响。蜜蜂是以它们渴望的药物为目标,还是咖啡因实际上增强了它们对特定花朵的记忆,使它们在获取特定花蜜时更有效率?

这项新研究的通讯作者 Sarah Arnold说:“当你给蜜蜂喂食咖啡因时,它们不会做任何事情,比如循环飞行,但似乎更有动力,更有效率。我们想看看喂食咖啡因是否能帮助它们的大脑在某种花的气味和糖的奖励之间建立起积极的联系。”

因此,研究人员没有在目标花中加入咖啡因,而是在蜜蜂的巢中加入了咖啡因。该实验将咖啡因与草莓气味的糖溶液相结合。

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研究人员的计划是测试被喂食咖啡因的蜜蜂是否能更好地瞄准具有同样草莓气味的人造花。作为比较,第二组蜜蜂被喂食同样的没有咖啡因的草莓溶液,第三组得到了无味的糖溶液。

在有两种人造花的实验环境中自由活动,与其他蜜蜂相比,被喂食咖啡因的蜜蜂更倾向于向草莓花集中,数量更多。只有不到45%的被喂食纯糖的蜜蜂以草莓花为目标,而超过70%的被喂食咖啡因的蜜蜂则以草莓花为目标。

研究人员还注意到,被喂食咖啡因的蜜蜂比其他组的蜜蜂更快地提高了访花速度。虽然这项研究没有具体探讨咖啡因对蜜蜂运动学习技能的影响,但研究人员确实假设咖啡因会提高觅食效率和动机。

咖啡因已经被发现可以影响人类的记忆获取,但这是它可能增强蜜蜂行为的第一个证据。研究人员说,这些发现可能对农民具有重要价值。

目前,许多农场每年都会购买大量的授粉蜜蜂。最近的一项研究发现,这些蜜蜂中只有大约四分之一访问了目标作物,绝大多数都被附近的其他野花分散了注意力。Arnold认为,使用咖啡因使蜜蜂专注于目标作物,可以帮助农民和周围的自然生态系统。

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Arnold说:“……我们把野花资源留给了野生蜜蜂,而种植者在巢穴上花费的钱也得到了更多的价值。这是个双赢的解决方案。”

这项新研究发表在《当代生物学》杂志上。

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美国佛罗里达州发现新入侵物种–水生蚓螈

美国佛罗里达州生活着很多非本体生物,包括蟒蛇、绿鬣蜥和蛇头鱼等等,而现在名单上又加了一个物种–蚓螈(caecilian)。它外观上像是巨型蚯蚓,但实际上是一种独特的两栖动物。蚓螈主要分布在非洲中部、东南亚,以及南美洲和中美洲,在西半球比较少见。

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不过两年前,佛罗里达州渔业和野生动物管理局的工作人员从佛罗里达州南部的塔米米运河中捞出了一个体长 2 英尺(0.6米)的神秘生物。当时,他们把它的照片发给了佛罗里达自然历史博物馆的爬虫学收藏经理科尔曼·希伊博士。在它死于人工饲养后它的尸体后来也被送到了博物馆。

经过标本的研究和 DNA 测试,确认该物种为水生蚓螈 (Typhlonectes natans)。它的自然栖息地是干旱大草原,亚热带或热带干旱灌丛,亚热带或热带潮湿灌丛,亚热带或热带季节性湿润或淹没的低地草原和河流。

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据专家称,这些动物是吃小动物的食腐动物,他们还不确定非本地物种是否已经在运河中定居。博物馆表示,自从这份初步报告以来,在运河中发现了其他的蝾螈,但现在判断它们可能对该地区的生态系统产生什么样的影响还为时过早。

幸运的是,研究人员说这些生物——尽管它们看起来很奇怪——并不危险,而且它们似乎不是“严重的掠食者”,而只是在它们也成为更大的食物之前以较小的生物为食。

04

“令人惊讶”:科学家首次观察到珊瑚细胞首次吞噬海藻的画面

一项关注珊瑚和海藻之间的关键“伙伴关系”的新研究可能有一天会帮助防止珊瑚白化。科学家们首次观察到石珊瑚细胞吞噬甲藻的画面。甲藻是一类单细胞具有双鞭毛的集合群,对保持珊瑚的生存至关重要。

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研究人员使用了一种名为IVB5的细胞系,其中包含从石珊瑚(Acropora tenuis)培养的内胚层类细胞。大约40%的珊瑚细胞在30分钟内吸收了藻类,并在一个月内保持健康。这项研究向了解珊瑚和甲藻之间的伙伴关系迈出了一步,并可能揭示出珊瑚白化是如何发生的。

科学家们在《海洋科学前沿》杂志上报告说,这些被称为甲藻的微小藻类被从石珊瑚(Acropora tenuis)培养出来的细胞吞噬。

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该研究的资深作者、冲绳科学技术大学研究生院海洋基因组学组长Noriyuki Satoh教授说:“甲藻对于保持珊瑚的健康和活力至关重要。珊瑚细胞吸收了海藻,并为它们提供了庇护所和光合作用的构件。作为回报,海藻为珊瑚提供它们所合成的营养物质。”

然而,在最近几十年里,这种基本的关系已被置于压力之下。在污染、酸化和海洋温度上升的推动下,受压的珊瑚细胞在大规模白化事件中排出了微小的彩色藻类,导致大片的死亡和白色珊瑚礁。

石珊瑚是热带和亚热带珊瑚礁中最常见的类型,特别容易受到这些白化事件的影响。这些快速生长的珊瑚奠定了碳酸钙的骨架,因此在建立珊瑚礁方面发挥了关键作用。

“对于珊瑚礁的保护来说,我们必须充分了解石珊瑚和生活在这些动物体内的藻类之间在单细胞水平上的伙伴关系,”来自高知大学的教授Kaz Kawamura解释说。“但是直到最近,这都很难实现。”

珊瑚细胞是出了名的难以培养,所以以前科学家不得不依靠其他密切相关的海洋生物的实验系统,如海葵,来研究甲藻如何进入和离开细胞的机制。

直到2021年4月,该研究小组才取得了重大的飞跃,他们在《海洋生物技术》上报告说,他们已经成功地在培养皿中培养了来自石珊瑚(Acropora tenuis)幼虫的不同细胞系。

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在这项研究中,科学家们专注于一个名为IVB5的珊瑚细胞系。这个品系中的许多细胞在形态、行为和基因活动方面与内胚层细胞有类似的特性。重要的是,在整个珊瑚生物体中,正是内胚层细胞在吞噬藻类。

科学家们将甲藻,Breviolum minutum,添加到一个含有IVB5珊瑚细胞的培养皿中。培养液中大约40%的珊瑚细胞迅速形成长长的、像手指一样的突起,伸出来接触甲藻。然后这些藻类被“吞噬”了,这个过程大约需要30分钟。

Satoh教授说:”看到这一幕真是令人惊讶-这几乎是一场梦!”。

在接下来的几天里,细胞内的藻类要么被分解成碎片,要么被成功地封入细胞内的液泡中。对于研究人员来说,这暗示了这种关系可能是在几千年前开始的。

“可能最初,珊瑚的祖先吞噬了这些藻类,并将它们分解为食物。但是随着时间的推移,它们进化到利用这些藻类进行光合作用,”共同第一作者,高知大学的Satoko Sekida博士认为。

研究人员现在正在使用电子显微镜来获得珊瑚细胞如何吞噬甲藻的更详细图像。他们还在进行遗传学实验,以确定哪些珊瑚基因参与其中。

在这个阶段,含有藻类的珊瑚细胞在死亡前能存活一个月左右。在不久的将来,该团队希望实现稳定的培养,使珊瑚细胞和甲藻能够一起繁殖。

Satoh教授说:“这将是非常令人兴奋的,因为这样我们就可以提出新的问题,比如珊瑚在受到压力时如何反应。这可以让我们更全面地了解白化现象是如何发生的,以及我们如何能够减轻它。”

05

耶鲁新研究:哺乳动物在出生前如何“梦到”它们即将经历的世界

耶鲁大学研究人员日前发文称,当新生的哺乳动物第一次睁开眼睛时,它已经可以对周围的世界产生视觉上的感觉。但是,在它们经历视觉之前,这是如何发生的呢?耶鲁大学的一项新研究表明,从某种意义上说,哺乳动物在出生前就已经“梦到”它们即将经历的世界。

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由威廉-齐格勒三世神经科学教授和眼科及视觉科学教授迈克尔-克雷尔领导的团队在7月23日的《科学》杂志上撰文,描述了新生小鼠在睁开眼睛之前从视网膜中发出的活动波。这种活动在它们出生后不久就消失了,取而代之的是一个更成熟的视觉刺激的神经传输网络,在那里信息被进一步编码和存储。

该研究的高级作者、耶鲁大学负责研究的副教务长克雷尔说:“在睁眼时,哺乳动物能够做出相当复杂的行为。但是,使我们能够感知运动和导航世界的电路是如何形成的呢?事实证明,我们生来就具有许多这些行为的能力,至少是初级形式的。”

在这项研究中,克雷尔的团队探索了这些活动波的起源。耶鲁大学团队在小鼠出生后不久但在眼睛睁开之前对其大脑进行成像海葵是动物还是植物,发现这些视网膜波以一种模式流动,模仿动物在环境中前进时的活动。

克雷尔指出:“这种早期的类似梦境的活动在进化上是有意义的,因为它使小鼠能够预测它在睁开眼睛后会经历什么,并准备好立即对环境威胁作出反应。”

研究小组还调查了负责传播视网膜波的细胞和电路,这些视网膜波在新生小鼠中模拟着向前运动。他们发现,阻断星爆型无长突细胞的功能,即视网膜上释放神经递质的细胞,可以阻止活动波向模拟前行的方向流动。这反过来又损害了小鼠出生后对视觉运动的反应能力的发展。

耐人寻味的是,在小鼠的成年视网膜内,这些相同的细胞在一个更复杂的运动检测电路中发挥着关键作用,使它们能够对环境线索作出反应。

当然,小鼠与人类不同,它们在出生后不久就能快速浏览环境。然而,人类婴儿也能够立即检测物体并识别运动,例如手指在他们的视野中移动,这表明他们的视觉系统在出生前也已被激发。

“这些大脑回路在出生时是自我组织的,一些早期教学已经完成,”克雷尔说。“这就像在你睁开眼睛之前就能梦见着你将会看到什么。”

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新研究揭示生物体如何进化以解决性染色体的不平衡问题

由爱荷华州立大学的一位科学家领导的一项新研究揭示了生物体是如何进化以解决性染色体的不平衡的。生态学、进化和生物体生物学教授、该研究的主要作者Nicole Valenzuela说,这项研究着眼于一种软壳龟,但其结果可能有助于阐明许多物种的一个重要进化过程。

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许多生物体通过一对专门的染色体来决定其性别,这些染色体几乎出现在生物体的每一个细胞中。一对匹配的染色体导致一种性别,而一对不匹配的染色体则导致另一种性别。例如,在人类和许多其他物种中,性染色体被称为X和Y。女性体内有两条X染色体,而男性具有X及Y染色体。这些染色体也包含生产基本蛋白质的遗传密码,而XY个体的染色体比例失调是由于他们每一对非性染色体(称为常染色体)只携带一个X,这可能导致蛋白质的生产不平衡。这项研究揭示了生物体是如何通过一个被称为性染色体剂量补偿或SCDC的过程来解决这种不平衡的。

这项研究的重点是一种被称为Apalone spinifera的软壳龟,它们是最大的淡水龟之一,居住在北美的大部分地区,包括爱荷华州。但是这项研究可以帮助科学家了解其他生物体的这个过程。该研究还可以产生更好的理解,如果SCDC过程不能正常运作,疾病会如何产生。

Valenzuela说:“了解自然界中SCDC机制的多样性,它们是如何发生和演变的,更广泛地了解动物和人类如何补偿基因剂量的不平衡,以及为什么未能正确补偿这些差异会导致疾病状态。”

这项研究本周发表在同行评议的科学杂志英国《皇家学会哲学汇刊B辑》上。

什么是性染色体剂量补偿?

性染色体剂量补偿是针对那些拥有不匹配的性染色体的个体。在研究中包括的软壳龟的情况下,性染色体被称为Z和W,是该物种的雌性有不匹配的,或ZW,染色体。这种不匹配意味着它们缺乏Z染色体的第二个副本,不像它们的雄性同类有两条Z染色体。

Z染色体包含正常功能的细胞应该产生的一些蛋白质的指令,只有一个染色体副本会导致产生的蛋白质数量减少,因为蛋白质的生产往往受到基因副本数量的影响。更多的副本意味着更多的蛋白质生产。因此,一起工作的基因副本数量的不均衡会导致发育、生理或其他方面的障碍。但SCDC机制的作用是上调或增加单条Z(或X)染色体上的基因的蛋白质生产水平。维持适当平衡的重要性在由性染色体数量异常引起的疾病中显而易见,包括人类的Klinefelter综合症和Turner综合症,Valenzuela说这些过程在许多其他生物体中也有进化和健康的影响。

Valenzuela和她的合著者对处于不同发育阶段的软壳龟进行了采样,包括胚胎、幼龟和成年龟,并分析了各种组织以确定哪些基因被激活。然后,研究人员比较了来自性染色体和常染色体的基因的活性,并按雄性和雌性海龟进行了细分。

该研究不仅代表了第一个分析海龟性染色体剂量补偿的此类研究,而且研究结果还显示,值得注意的是,温度似乎会影响海龟的SCDC过程。Valenzuela在以前的研究中曾研究过温度依赖性的性别决定(TSD),或者环境温度影响龟类胚胎在缺乏性染色体的物种中发育成雄性或雌性的方式。但她说,由于软壳龟失去了这种祖先的TSD系统,SCDC的这种热敏感性让人感到惊讶。而且软壳龟进行SCDC的方式也是不寻常和复杂的。

该研究发现,软壳龟的两种性别在早期胚胎发育中都会使Z的活性增加一倍,这就解决了ZW雌性的表达不平衡问题(现在Z表达的两倍与常染色体表达相匹配)。但这一反应也造成了雄性的不平衡(Z表达现在是常染色体表达的两倍)。根据这项研究,在较晚的胚胎阶段,雄性Z的表达会减少,而且这种影响在较冷的孵化温度下比在较热的孵化温度下更明显。Valenzuela说,这项新研究可能是第一次表明温度不仅在海龟或动物中可以影响SCDC,而且广泛地影响真核生物,或遗传物质包含在细胞核中的生物体。真核生物包括大量的生物体,包括动物、植物和真菌。

07

研究发现小鼠能学会操纵多巴胺冲动

大脑中一种被称为多巴胺的神经信使被描述为与奖励和快乐有关的 “感觉良好”的化学物质。多巴胺存在于人类的大脑和其他动物的大脑中,包括小鼠。这种神经递质的目的是在脑细胞之间传递信号,多巴胺具有许多功能,包括认知处理的各个方面。

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多巴胺已经从被称为确定性信号的外部线索的角度进行了广泛的研究。加州大学圣地亚哥分校的研究人员调查了与多巴胺的自发冲动有关的一个不太为人所知的方面。该研究小组在研究中发现,小鼠可以故意操纵随机的多巴胺脉冲。研究人员发现,小鼠的神经皮层显示的是大约每分钟发生一次的不可预测的多巴胺脉冲,而不是只在呈现愉悦或基于奖励的期望时发生。

研究小组着手调查小鼠是否意识到这些脉冲正在发生。通过分子和光学成像技术,这些脉冲在实验室里被记录下来。科学家设计了一个反馈方案,如果跑步机上的小鼠显示它们能够控制即兴的多巴胺信号,它们就会得到奖励。研究人员发现,小鼠不仅意识到了多巴胺的冲动,收集到的数据显示,小鼠学会了预测并自愿地对其中的一部分采取行动。

研究人员在他们的研究论文中写道,关键是,小鼠学会了在接受奖励前可靠地引起多巴胺冲动。当奖励被移除时,这些影响被逆转了。研究人员认为,自发的多巴胺冲动可能作为行为规划中一个突出的认知事件。研究人员认为,这项研究为多巴胺和大脑动力学的研究开辟了一个新的维度。

在未来,该研究将被扩展到探索不可预测的多巴胺事件是否以及如何驱动觅食。觅食活动是野外啮齿动物生活的一个重要方面,用于寻找食物、配偶,以及开拓新家园时的一种社会行为。研究小组认为,动物能感觉到自发的多巴胺冲动,这可能促使它们在没有已知奖励预测刺激的情况下进行搜索和觅食。

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