關注氣候關注生命

許 涵 (本刊特約記者)

關注氣候關注生命

許 涵 (本刊特約記者)

2010年中國西南地區特大旱情牽動了全中國乃至全球人民的心,氣候問題再一次成為科學界關注的焦點,善待地球,善待自然,就是善待人類自身。

氣 候

中國西南地區持續干旱

自2009年9月以來,中國西南地區降水持續偏少,西南三省平均降水量比常年同期降低40%左右,是1952年以來最低值,為60年來最嚴重的。持續干旱的原因,引起了社會各界的廣泛關注。對西南干旱的成因存在各種猜測、說法,但是多位專家給出了一個幾近相同的答案:2010年發生在中國西南地區的特大旱災是大自然的自身調整而非“人禍”所致。

2010年3月份在中國氣象局例行舉辦的新聞發布會上,對于西南干旱的成因,國家氣候中心氣候預測室主任任福民提出,以大氣環流形勢看主要有兩點,一是2009年9月以來,來自印度洋和太平洋的水汽供應非常弱;二是冷空氣長時間處于中國偏北地區,冷暖空氣無法或極少在西南地區交匯,形成了一個不利于降水的環境場。9月以來中國南方大部地區被副熱帶高壓系統控制,導致來自北方的冷空氣和來自南海和孟加拉灣的暖濕氣流難以在江南和華南北部地區相遇,從而造成南方地區出現持續高溫少雨天氣。先后登陸中國的“彩虹”“巨爵”和“芭瑪”3個熱帶氣旋,其中2個登陸海南,1個登陸廣東,位置都比較偏南,只能影響到華南南部和沿海地區,不能直接或間接給我國南方大部地區帶來豐沛的降水,致使江南和華南北部等南方地區降水持續偏少。從溫度條件來看,9月以來旱區的溫度與常年比較是持續偏高的。總的來說,導致此次干旱的直接原因就是降水持續偏少、氣溫持續偏高、水汽蒸發量大。當然,氣候變化和雨季的提早結束也是引起持續干旱重要因素。

也有學者認為西南干旱可能與海平面升溫、青藏高原的積雪偏少有關。近幾年海上溫度高了,陸地上特別是中國北方或者東部地區冬天都比較冷,陸地上比較冷,海洋上比較暖,不利于海風的形成。中國主要是北方的干旱,特別是華北的干旱比較多。西南地區干旱屬于第二位,過去發生的次數、頻率,僅次于華北。西南省份受“世界屋脊”的影響較大,青藏高原冬季積雪偏少。雖然2009冬有數次冷空氣影響中國,但大多數冷空氣在北方開始偏東移動。另外,溫室效應也是導致氣候極端化的可能原因。

中國科學院院士、2009年度世界自然基金會(WWF)“愛丁堡公爵保護獎”獲得者陳宜瑜表示,西南地區發生的旱情是正常的、是周期性的自然災害,“水災、旱災的發生都是正常的,因為地球總是在變的。氣候異常是肯定的,毫無疑問的,但區域的環境和整個大環境的關系并不是直接相關的,像美國雪災、歐洲雪災都非常厲害。2010年是整個全球氣候異常,很突出,中國的旱災也是全球氣候異常表現的一部分。”中國環境科學研究院院長孟偉研究員也認為,西南旱災是大自然的調整過程,只是人類的活動加劇了這一調整的難度,人為的干預越來越大。中國人均水資源實際上只有全世界人均水資源的四分之一,而且地區分布又很不均衡,可以說,中國水資源非常緊缺。這次旱災再一次為國人敲響了警鐘,提醒我們一定要善待自然,人類只是自然的一部分。

人類活動強化澳洲南極反常氣候

研究人員最近發現了澳洲大陸西南角與南極東部地區一個有趣的氣候關系。一旦前者經歷了一場干旱,后者便會大雪紛飛。更讓人意想不到的是,一些氣候模型顯示,人類的活動能夠強化這一聯系。相關的研究報告發表在2010年2月7日出版的Nature Geoscience網絡版上。

在對采集自拉奧冰帽——Poinsett角附近的一處冰原,位于澳大利亞西南端的正南方——的南極冰芯進行了將近30年的研究后,科學家注意到了這一聯系。這一區域在幾十年的時間里經歷了不同尋常的大量降雪,同時,澳大利亞西南部在同一時間段發生了幾次嚴重的大旱。研究人員對采自拉奧冰帽的750年來冰芯記錄進行了分析。他們隨后將這些冰芯記錄與旨在測量澳大利亞西南部降水模式的氣象記錄,以及南半球過去40年來的大氣環流模式進行了對比。研究人員發現,拉奧冰帽的降雪量變化情況能夠反映澳大利亞西南部約40%的降雨量變化。更有趣的是,在過去幾十年中,拉奧冰帽的降雪模式似乎得到了強化。

實際上,氣候模型預測顯示,這樣反常情況的出現與人類在20世紀向大氣中排放的CO2氣體有很大的關系。根據這些模型,大氣層中CO2氣體的增加和臭氧的減少,在南大洋上空產生了一個大氣環流模式,從而將更加干燥的空氣帶到澳大利亞西南部的農業地區,并使拉奧冰帽降下更多的雪。然而根據這一模型顯示,隨著CO2氣體的增加以及臭氧的減少,正常的循環將被打斷,這便發生了人們現在所看到的情況。研究人員表示,這是人類活動影響區域氣候的“一個非常扎實的證據”。

南海珊瑚灰度記錄反映人類引起氣候變化

《科學通報》2010年第一期封面文章發表了中國科學院南海海洋所人類活動引起的氣候變化研究論文“南海珊瑚灰度記錄中反映人類引起的氣候變化信息”。

20世紀全球地表溫度增暖是全球變化的重要標志。生長熱帶海洋珊瑚包含很好的氣候記錄的代用指標,已經被廣泛地應用在人類活動對地球氣候系統變化影響的研究中。過去的珊瑚古氣候研究主要是分析珊瑚骨骼化學元素同位素或地球化學的代用指標,大都只能重構一種環境與氣候變量信息。比較而言,珊瑚生長密度帶能綜合反映珊瑚的生長環境狀況,且更容易測量。20世紀全球地表溫度增暖的背景下影響著珊瑚生長密度帶的長期變化趨勢,南海熱帶海洋珊瑚生長密度帶的研究表明,南海珊瑚生長密度帶能夠揭示出近200年以來人類引起的氣候變化歷史。

研究團隊分析了南海西北部珊瑚生長帶的長期趨勢變化,珊瑚生長帶資料提供了綜合的氣候環境變化信息。研究表明,近兩個世紀南海西北部珊瑚年平均密度的變化趨勢與全球大氣CO2濃度的變化相吻合。在19世紀末之前,二者長期變化趨勢都很微弱;之后二者的趨勢變化非常顯著,尤其是從20世紀60年代到90年代(該珊瑚記錄的結束日期)從19世紀末期到20世紀末,珊瑚密度表現出穩定的下降趨勢。因此,南海北部珊瑚密度的年變化趨勢能夠揭示出人類引起的氣候變化的歷史。這一結果與其他地區器測以及其他代用氣候記錄的結果一致,提出了一個簡單的基于珊瑚生長帶的代用指標來重構過去兩個世紀人類引起的氣候變化資料。

癌癥研究

首次發現細胞凋亡開關

美國科羅拉多大學博爾德分校的研究小組通過研究線蟲,首次發現引起細胞凋亡的“開關”,此項研究結果可用于治療人類由于“非正常細胞凋亡”引起的癌癥等疾病。相關研究成果發表在2010年3月12日出版的Science雜志上。

研究人員表示,這項新研究結果在理解細胞程序死亡或者細胞凋亡方面邁出了一大步。細胞凋亡是細胞的自殺過程,通過自殺方式去除體內非必需細胞或即將發生變異的細胞。細胞凋亡不同于創傷性死亡,它可以幫助人類預防諸如癌癥和自身免疫性疾病。

研究小組在小型土壤線蟲上進行試驗,小型土壤線蟲是常用于遺傳和生物醫學實驗用的有機體。研究線蟲的細胞死亡機制,其結果可用于了解人類細胞死亡機制,并研究出解決人類因為“不適當的細胞凋亡”而導致的疾病的方法。研究小組利用線蟲的半胱天冬酶(caspase)進行試驗。半胱天冬酶是細胞凋亡的“酶劊子手”,因為它的主要作用就是切斷和破壞細胞的蛋白質。但是,研究小組在試驗中發現半胱天冬酶對Dicer酶具有不同的作用,當半胱天冬酶分裂Dicer酶后,它并沒有殺死Dicer酶,而只是改變了Dicer酶的功能,使其由RNA切割酶轉變為DNA切割酶,Dicer酶開始分裂染色體,并殺死細胞。研究人員還表示,通過對線蟲的研究,已經發現了對細胞凋亡非常重要的基因。細胞凋亡共分為5個步驟,這些步驟包括確定死亡細胞、激活細胞死亡程序、開始細胞殺死過程、吞噬死亡細胞尸體以及降解細胞碎片。

細胞防癌機制新發現

細胞防止自身無節制分裂導致生成癌細胞有兩種方式——細胞凋亡和細胞衰老。而發表在2010年3月16日出版的Cancer Cell雜志上的一項最新研究成果顯示,細胞凋亡和細胞衰老之間存在關聯,這一發現可能對癌癥治療具有重要意義。

一般情況下,醫生會通過化療促使細胞凋亡從而幫助治療癌癥。一種叫“Myc”的基因也會引起細胞凋亡,導致細胞“自殺”,舍己來保護整個機體。細胞衰老則是由另一種名為“ras”的基因啟動的。細胞衰老會中斷細胞生長周期,使細胞不再分裂。與凋亡不同的是,此時細胞依然存活并能代謝。以往普遍認為,細胞凋亡和細胞衰老這兩種細胞保護過程的啟動相互并無關聯。

馬克斯·德爾布呂克分子醫學中心和沙里泰大學醫院的研究人員利用動物進行淋巴瘤研究時首次發現,“Myc”基因在沒有“ras”基因存在的情況下對激活兩種細胞保護機制都有重要作用:首先“Myc”基因會觸發淋巴瘤細胞凋亡,凋亡的細胞又會引起免疫系統的巨噬細胞去吞噬已死亡的淋巴瘤細胞。因此,被激活的巨噬細胞此后又會分泌出“轉化生長因子β”等信號分子。“轉化生長因子β”能在癌癥早期阻止癌細胞生長。研究人員認為,這一發現可能對深入了解各種癌癥的發病機理都有意義。如果能通過激活細胞衰老的方式抑制那些化療無法殺死的癌細胞的生長,這將為治療癌癥提供一種新的可能性。

阻斷基因Skp2

2010年3月18日出版的Nature雜志刊登了美國科學家的最新研究成果,通過阻斷一種名為Skp2的基因,能夠使癌細胞老化并死亡。這一發現或許能為治療癌癥提供一種新方法。

研究人員表示,阻斷癌細胞中的Skp2基因能夠觸發“衰老進程”,迫使癌細胞像體細胞暴露在陽光下那樣“干死”,無法無限分裂、在人體內轉移。研究人員以兩組老鼠為對象進行實驗。這些老鼠在基因經過改造后會患上一種前列腺癌,但其中一組老鼠的Skp2基因遭阻斷。6個月后,這組老鼠沒有長出腫瘤,而Skp2基因未遭阻斷的另一組老鼠長出腫瘤。從那組沒有長腫瘤的老鼠身上提取淋巴腺和前列腺組織,發現其中許多癌細胞開始老化,細胞分裂速度變慢。

研究人員向實驗鼠體內植入人類癌細胞,結果也發現這些癌細胞發生老化。這說明,這種相關Skp2基因的老化進程看起來僅對癌細胞起作用,對其他細胞沒有影響。

考 古

恐龍最古老親戚化石

最近一國際科研小組在非洲坦桑尼亞南部找到了距今約2.45億年的生物化石,這是迄今為止恐龍家族最古老的親戚,要比目前已知的最古老恐龍大1 000萬歲。該新發現或將改寫恐龍的進化史。相關研究發表在2010年3月11日出版的Nature雜志上。

新發現的恐龍名為Asilisaurus,體長1m至3m,重30kg,牙齒為三角形,具有類似于鳥喙的嘴巴。研究顯示,Asilisaurus生活在三疊紀(距今2.5億年至2.03億年)中期,距今約2.45億年,屬于目前已知的西里龍(silesaurs)家族中的一員。研究人員表示,Asilisaurus可能是恐龍最古老的親戚,它與恐龍的關系就好比黑猩猩和人類的關系。此前科學家一直認為,恐龍最近的親屬是肉食動物,依靠兩條腿走路,但Asilisaurus用四條腿走路,或許是個素食主義者,也可能是雜食動物,以植物和肉類為生。研究人員認為,能夠以植物為生讓Asilisaurus可以找到更大范圍的棲息地。

這一新的發現為科學家提供了關于恐龍如何進化的重要信息。Asilisaurus和恐龍具有很多相同的特征,它是介于更古老的爬行動物和恐龍之間的物種。化石記錄表明,Asilisaurus在地球上生活了約4 500萬年后滅絕,而恐龍在地球上生活了大約1.65億年。

單爪龍類恐龍化石

中國科學家在河南西峽恐龍蛋化石點發現了一個單爪龍類恐龍的新屬種,該新屬種是由中國科學院古脊椎與古人類研究所徐星研究員和河南國土資源科學研究院王德友研究員領導的聯合考察隊發現的,這一成果發表在2010年3月29日出版的《動物分類學》雜志上。這個被命名為張氏西峽爪龍的恐龍化石是中國首次發現的單爪龍類恐龍,對于研究這一類群的演化具有重要意義。單爪龍類恐龍是恐龍家族中最奇特的類群之一,它修長的后腿和短粗的前肢形成鮮明的對比。化石一般分布于白堊紀最晚期沉積的地層中。

此次發現于河南西峽周家溝的單爪龍類化石產自晚白堊世中期的馬家村組,代表世界上已知最早的單爪龍類之一。張氏西峽爪龍的許多形態特點顯示了后期單爪龍類形態特征的初始狀態。通過分析張氏西峽爪龍的脊柱和后肢形態,科學家們推測它是一種奔跑能力非常強的恐龍。科學家們推測,單爪龍類可能是一類食蟻型動物,它們的超強奔跑能力可能是在穿梭于不同蟻穴之間時形成的。

西峽恐龍蛋化石點以產出恐龍蛋化石世界聞名,但恐龍化石非常稀少。張氏西峽爪龍化石的發現是西峽恐龍蛋化石點的一個重要發現。另據了解,科學家還在周家溝出露的馬家村組發現了一枚大型獸腳龍類牙齒,很可能是從未在亞洲地區發現過的重爪龍類牙齒。

科學家發現史前巨魚

科學家在博物館里對幾乎被遺忘的古生物化石進行研究,發現了兩種巨大的濾食性史前魚類物種。這兩種大魚曾經統治地球海洋上億年,它們在生態系統中的位置之后被鯨魚和鯨鯊占據。

英國牛津大學古生物學家馬特·弗里德曼教授有一次在參觀堪薩斯大學時,偶然發現了一種遠古巨魚化石。他將這種遠古巨魚命名為“B.gladius”。據了解,這種巨魚的化石是在19世紀被發現的,并被錯誤地歸類為利茲魚。弗里德曼研究發現,最古老的“B.gladius”化石有1.72億年歷史,距今最近的“B.gladius”化石有6 600萬年歷史。在倫敦自然歷史博物館,弗里德曼發現了另外一種遠古巨魚:“R.taylori”。不過這種遠古巨魚的化石剛發現時卻被吉迪恩·曼特爾錯誤定性,后來被其遺忘。曼特爾是19世紀英國地質學家和古生物學家。他長期致力于中生代的古生物學,并在白堊紀的地層中首次發現了著名的恐龍類爬行動物。在2010年2月18日《科學》雜志上刊登的一篇論文弗里德曼和其他5名古生物學家發表了他們的研究成果,這兩種魚屬于已滅絕的pachycormids屬。它們會在水中緩慢游動,張開大嘴將浮游生物和其他海洋生物吞下。

從化石記載來看,“B.gladius”的消失同白堊紀大滅絕相吻合。在白堊紀大滅絕中,恐龍從地球上消失,地球上出現了鳥類、哺乳動物和昆蟲。白堊紀大滅絕很可能是由于小行星撞擊或長時期火山活動所導致的。小行星撞擊或火山活動使得食物鏈底層的植物全部死亡。日內瓦自然歷史博物館古生物學家萊昂內爾·凱文在一篇評論中寫道:“由于以依靠光合作用的藻類為食,pachycormids屬巨魚不幸成為受害者,并因此滅絕。”在B.gladius消失1000萬年后,鯊魚和鰩魚開始占據重要地位。B.gladius消失2 500萬年后,進化出現代鯨魚。

第112號化學元素正式命名

國際純粹與應用化學聯盟(IUPAC)歷經長期驗證,確認元素112號成功被合成,并于2009年6月正式認可此發現。2010年2月19日德國重離子研究中心宣布,經IUPAC確認,第112號化學元素獲正式名稱“Copernicium”,相應的元素符號為“Cn”。

德國重離子研究中心于1996年在粒子加速器中用鋅離子轟擊鉛靶首次成功合成了第112號化學元素的一個原子,2002年重復相同的實驗又制造出一個第112號化學元素的原子。此后,日本的一個研究機構于2004年也合成了這種元素的兩個原子,從而證實德國科學家的發現。新元素原子質量約為氫原子質量的277倍,是得到國際純粹與應用化學聯合會正式承認的最重的元素。

該元素的全稱是Copernicium,其實是化學元素通常使用的英文結尾ium(化學元素很多的英文結尾都帶ium,比如鋁就是aluminum)與哥白尼(Copernicus,1473—1543)這個英文名的結合,是為了紀念哥白尼,因為哥白尼所提出的日心說與化學中的原子結構(拉塞福模型)有很多相似之處。按照化學元素通常的簡寫方法,最多不超過前三個字母,所以德國重離子研究中心于2009年7月向國際純粹與應用化學聯合會提出了上述用Cp命名建議,但后來發現,Cp這個縮寫已經被一種很常用的化合物環戊二烯(Cyclopentadiene)用掉了,而且Cp也曾是元素镥的舊稱(Cassiopeium),為避免歧義就用Cn來簡寫。國際純粹與應用化學聯合會經與發現第112號化學元素的研究小組協商,最終將新元素的元素符號定為“Cn”漢語譯名為“鎶”。該聯合會選擇2月19日為新元素正式冠名是因為這一天是哥白尼的生日。

黑洞的自轉速度

宇宙航空研究開發機構等研究小組的最新研究成果顯示,黑洞自轉速度其實只有光速的五分之一。這是世界上首次測定黑洞的自轉速度。研究小組以位于銀河中心的射手座A星目標觀測天體,該天體質量相當于太陽的400萬倍。在此次觀測中,研究小組采用了新方法,計算出黑洞的自轉速度為光速的22%,否定了之前不少科學家提出的假想:大型黑洞自轉速度為光速的45%。研究認為在自轉中,黑洞可能越轉越慢,這可能是因為自轉使黑洞損失部分能量,而這些能量可能催生銀河系中其他星體的形成,也可能成為高速宇宙噴射系統的能量源。這一研究結果表明,巨大黑洞的自轉速度比眾多科學家認為的要慢得多。該研究成果發表2010年3月出版的英國《皇家天文學會月刊》上。

研究小組提出了一個嶄新的測定巨大黑洞自轉的方法,就是利用氣體向黑洞落下時的旋轉氣體圓盤(吸積盤)產生的共振現象。由于黑洞幾乎不發光,直接觀測很困難,但其周圍存在著旋轉氣體圓盤,氣體邊圍繞黑洞公轉邊向黑洞中心墜落。圓盤的氣體之間摩擦產生高溫,釋放出X射線、γ射線等各種電磁波。在黑洞周圍公轉的氣體會出現相反方向的運動和使之復原的動力,產生振動現象。恒星質量黑洞成長為巨大黑洞時,通過旋轉的降落圓盤吸收巨大質量的氣體和角運動量,因此巨大黑洞的自轉速度應該更大。但此次研究得出的數值卻顯示,巨大黑洞的自轉速度和較小的恒星質量黑洞沒有大的差別。研究小組認為有兩個理由可以對此作出解釋:一是旋轉軸方向的左右角運動量互相吸收;二是黑洞的自轉能量被抽取。

巨大黑洞的自轉能量,據認為是像黑洞射流一樣成為星系中心發生的爆發現象的能量源。以接近光速噴發的宇宙射流,不僅對星球的形成,對星系的形成活動也會造成巨大影響。通過對星系中心巨大黑洞自轉的測定,可以為了解巨大黑洞的成長以及揭開宇宙演化之謎提供重要手段和線索。

“打結”的光線

英國科學家利用電腦控制的全息圖和理論物理學,成功地給一束光打了結,相關研究成果發表在2010年1月17日出版的《自然·物理學》雜志上。研究人員表示,這種給光打結的工藝技術不僅能制造出一些非常美麗的圖案,更重要的是,這一突破也為未來的激光技術和激光裝置的研發鋪平了道路,從測速槍到高精度的測量領域都可見激光技術的“倩影”。

該論文的主要作者、英國布里斯托爾大學的首席研究員馬克·丹尼斯說:“在空間中穿行的光束猶如在河流中流淌的水。雖然光線通常沿直線傳播,但是,它也能呈螺旋狀彎曲前進,這種旋轉的光被稱作光旋渦(optical vortices)。光沿著螺旋路線運行,最終達到奇點,也就是沒有了光。丹尼斯進一步解釋說,我們周圍的光充滿了這種暗線,只是我們看不到它們。我們的工作就是彎曲這些黑色物質,給光束打結。他們利用扭結理論(一種抽象數學分支),制作了全息圖,呈現出了光漩渦。全息圖就像一根引入光的纖維,控制光波的狀態,讓光沿著黑色結點運行。隨后,科學家在光漩渦中成功給光打結。該科研組還通過激光場嚴密監視照相機,拍到了光打結的圖片。

研究人員知道,可以通過全息圖制成光學旋渦。全息圖對光的流向起到引導作用。通過利用所謂的纖維紐結理論(fibered knot theory),丹尼斯和同事們制成了全息圖,并通過反射作用,讓常規激光束遠離它。纖維紐結理論是在日常打結的啟發下,出現的一種抽象數學分支。

丹尼斯認為全息圖就像一根引入光的纖維,跟教堂里的彩色玻璃窗非常相似。經過一面彩色玻璃窗后,光會出現窗戶的彩色圖案。不過它們之間也存在差異,彩色玻璃窗控制顏色,全息圖控制光波的狀態。因此全息圖上的每個點,就像窗玻璃上的每一個小格子,改變部分光束上的光波周期里的每一個點。他們制成的全息圖可以改變光的狀態,讓它沿著黑色結點運行。雖然所謂的結點理論對類似于黑色結點的數學問題進行了研究,但是這項最新研究通過遵循光傳播規律的數學函數,制成這些結點。另外,跟制成的與其他結點紐結在一起的黑色結點不一樣,丹尼斯和他的同事們在光束里生成單一黑色結點。

丹尼斯說:“對我們來說,它顯示了物理學家是如何適應現有純數學的(例如結點理論),并在自然現象里發現它的。它還顯示了我們可以利用全息圖控制激光流和激光傳播。這種控制手段有可能會被應用在未來的激光裝置上。”

(2010年4月2日收到)

(責任編輯:方守獅)

Value Human Life and Attach Importance to Climate

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