企鹅为什么不会飞

　　分子发育生物学国家重点实验室John Speakman研究员最近参与了一项国际合作课题的研究，解决了长久以来困扰科学界的一个谜团——企鹅为什么不会飞？该工作发表在最近的《美国国家科学院院刊》上。

　　企鹅科是一类广泛分布的海鸟，其共同特点是不能飞行。企鹅为什么在进化过程中丧失了飞行能力？原因一直以来都是个谜，因为丧失飞行能力使企鹅的一些行为看起来与环境不相适应。例如，为了从栖息地走到海边，帝企鹅通常会花上几天时间步行60公里，如果它们能飞的话，则只需要几个小时的时间。此外，许多企鹅都是海豹的猎物，如果企鹅能飞行的话，即使只能掠过捕食者，都不会遭到捕食。那么，企鹅为什么不会飞？

　　有一种观点认为，企鹅可能无法设计出既能飞行又能游泳和潜水的双翼，这种观点我们称之为生物力学理论。根据这种理论，企鹅在进化过程中，双翼越来越来适应游泳和潜水，使得游泳和潜水行为变得非常高效，但也使得飞行成本越来越高，在某些时候，企鹅甚至无法维持飞行的成本，因此就变得不再会飞。

　　一个由来自加拿大、美国、英国和中国的科学家组成的联合小组，在对海雀科的一种鸟类——海鸠进行了观察之后发现，用生物力学理论来解释企鹅为什么不会飞这一问题极有可能是正确的。海鸠是一种潜水和游泳行为与企鹅非常类似的海鸟，不同的是，海鸠仍然保留了飞行能力。从各种方面来看，海鸠就像是依然保留了飞行能力的企鹅祖先。该团队借助了一种叫做双标水的同位素技术，在用记录仪监控海鸠行为数据的同时检测了海鸠的能量消耗，这样就有可能同时检测其飞行行为和潜水行为的能量需求。

　　这篇文章发表在PNAS杂志上，文章证实了海鸠的潜水行为所需的能量远高于其他鸟类，仅次于企鹅潜水行为的效率。但是，海鸠飞行行为所需的能量，是其基础代谢率的31倍，在所有有报道的飞行鸟类中是最高的。这种高效潜水和高效飞行行为的结合很好的印证了生物力学模型的预测。

　　该课题的研究目的是要确定驱动北极海鸟能量需求的因素，本意是为了预测捕鱼业、航海和气候变化等人类行为在现在和将来对鸟类的影响，这篇文章是该课题的一项意外发现。

　　该文章的第一作者，来自加拿大马尼托巴大学的研究生Kyle Elliott表示，很显然，野生动物的结构限制了其功能，动物会在两种不同生境中的行为中取折衷。当然前提是鳍状肢不能飞行。

　　该文章的通讯作者，来自密苏里大学圣路易斯分校的Bob Ricklefs教授表示，海鸟从能飞到不能飞的转变，是研究动物跨越适应谷的经典案例，在该案例中，在特殊的环境条件下即使是适应性差的结构改变也能使动物跨越适应谷。这将成为很好的教材，因为它再次证明了能量学和生理学研究的价值。

　　John Speakman研究员在本课题中主要负责同位素分析，他表示，“和许多人一样，我被电影中企鹅横渡南极冰盖的镜头深深吸引，我总是在想，它们究竟为什么失去了飞行的能力？现在这一问题终于解决了，很高兴能作为团队的一员在本课题中参与了数据的收集和问题的解决。”

Nature News对该文章的报道：http://www.nature.com/news/why-penguins-cannot-fly-1.13024

文章链接：http://www.pnas.org/content/early/2013/05/16/1304838110

以下是海鸠和企鹅的图片，供免费使用。请在适当的位置注明图片的出处。图片由Kyle Elliott和Uli Kunz提供。

海鸠 (Kyle Elliott提供)

企鹅 (Uli Kunz提供)

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戴建武研究组通过三维培养直接把皮肤细胞变成神经干细胞

2006年，山中伸弥（shinya Yamanaka）利用逆转录病毒转基因的方法实现体细胞重编程，产生诱导性多能干细胞（iPS细胞），开创了基因调控细胞重编程的全新领域。随后大量研究表明，不同基因的联合应用可以诱导体细胞向多种类型细胞转变,如心肌细胞、神经元细胞、神经干细胞、血液祖细胞、胰岛细胞等。这些转分化研究都是通过病毒转染、整合、基因过表达等直接调控细胞内部基因网络调节细胞命运，寻找更为安全的转分化方法是重编程技术临床应用亟待解决的重要问题。

　　干细胞的命运不仅受到细胞内部基因网络的调控，细胞外部信号、生长方式及所处微环境的调节作用也是极为重要的。三维球状形态（或者克隆形态）与干细胞特性是密切相关的，如胚胎干细胞在滋养层上以克隆形态生长，神经干细胞以神经球的形态生长；克隆形成实验是鉴定干细胞的重要手段,干细胞分化后失去克隆样形态；多项研究也表明三维成球培养可以更好地维持干细胞的自我更新和多向分化特性。那么，三维成球培养对细胞重编程有什么影响呢

　　戴建武研究组对小鼠成纤维细胞进行了三维成球培养，发现三维成球培养的小鼠成纤维细胞显著上调了Sox2基因的表达，并且获得了类似于神经前体细胞（neural progenitor cell, NPC）的特性，包括相似的细胞形态、NPC标志物的表达及自我更新能力。并具有分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的能力。当注射到鼠大脑海马部位后，可以存活并在体内分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。这些结果首次表明不依赖基因、RNA及蛋白的导入，三维成球培养可以诱导成纤维细胞发生重编程，获得神经前体细胞特性，为寻找更安全的转分化方法提供了新的思路。相关结果发表在Biomaterials杂志（DOI：10.1016/j.biomaterials.2013.04.040）,　苏冠男,赵燕南和魏建树为共同第一作者。该项工作受到科技部重大科学研究计划和中科院干细胞与再生医学战略先导科技专项资助。