关注气候关注生命

许 涵 (本刊特约记者)

关注气候关注生命

许 涵 (本刊特约记者)

2010年中国西南地区特大旱情牵动了全中国乃至全球人民的心,气候问题再一次成为科学界关注的焦点,善待地球,善待自然,就是善待人类自身。

气 候

中国西南地区持续干旱

自2009年9月以来,中国西南地区降水持续偏少,西南三省平均降水量比常年同期降低40%左右,是1952年以来最低值,为60年来最严重的。持续干旱的原因,引起了社会各界的广泛关注。对西南干旱的成因存在各种猜测、说法,但是多位专家给出了一个几近相同的答案:2010年发生在中国西南地区的特大旱灾是大自然的自身调整而非“人祸”所致。

2010年3月份在中国气象局例行举办的新闻发布会上,对于西南干旱的成因,国家气候中心气候预测室主任任福民提出,以大气环流形势看主要有两点,一是2009年9月以来,来自印度洋和太平洋的水汽供应非常弱;二是冷空气长时间处于中国偏北地区,冷暖空气无法或极少在西南地区交汇,形成了一个不利于降水的环境场。9月以来中国南方大部地区被副热带高压系统控制,导致来自北方的冷空气和来自南海和孟加拉湾的暖湿气流难以在江南和华南北部地区相遇,从而造成南方地区出现持续高温少雨天气。先后登陆中国的“彩虹”“巨爵”和“芭玛”3个热带气旋,其中2个登陆海南,1个登陆广东,位置都比较偏南,只能影响到华南南部和沿海地区,不能直接或间接给我国南方大部地区带来丰沛的降水,致使江南和华南北部等南方地区降水持续偏少。从温度条件来看,9月以来旱区的温度与常年比较是持续偏高的。总的来说,导致此次干旱的直接原因就是降水持续偏少、气温持续偏高、水汽蒸发量大。当然,气候变化和雨季的提早结束也是引起持续干旱重要因素。

也有学者认为西南干旱可能与海平面升温、青藏高原的积雪偏少有关。近几年海上温度高了,陆地上特别是中国北方或者东部地区冬天都比较冷,陆地上比较冷,海洋上比较暖,不利于海风的形成。中国主要是北方的干旱,特别是华北的干旱比较多。西南地区干旱属于第二位,过去发生的次数、频率,仅次于华北。西南省份受“世界屋脊”的影响较大,青藏高原冬季积雪偏少。虽然2009冬有数次冷空气影响中国,但大多数冷空气在北方开始偏东移动。另外,温室效应也是导致气候极端化的可能原因。

中国科学院院士、2009年度世界自然基金会(WWF)“爱丁堡公爵保护奖”获得者陈宜瑜表示,西南地区发生的旱情是正常的、是周期性的自然灾害,“水灾、旱灾的发生都是正常的,因为地球总是在变的。气候异常是肯定的,毫无疑问的,但区域的环境和整个大环境的关系并不是直接相关的,像美国雪灾、欧洲雪灾都非常厉害。2010年是整个全球气候异常,很突出,中国的旱灾也是全球气候异常表现的一部分。”中国环境科学研究院院长孟伟研究员也认为,西南旱灾是大自然的调整过程,只是人类的活动加剧了这一调整的难度,人为的干预越来越大。中国人均水资源实际上只有全世界人均水资源的四分之一,而且地区分布又很不均衡,可以说,中国水资源非常紧缺。这次旱灾再一次为国人敲响了警钟,提醒我们一定要善待自然,人类只是自然的一部分。

人类活动强化澳洲南极反常气候

研究人员最近发现了澳洲大陆西南角与南极东部地区一个有趣的气候关系。一旦前者经历了一场干旱,后者便会大雪纷飞。更让人意想不到的是,一些气候模型显示,人类的活动能够强化这一联系。相关的研究报告发表在2010年2月7日出版的Nature Geoscience网络版上。

在对采集自拉奥冰帽——Poinsett角附近的一处冰原,位于澳大利亚西南端的正南方——的南极冰芯进行了将近30年的研究后,科学家注意到了这一联系。这一区域在几十年的时间里经历了不同寻常的大量降雪,同时,澳大利亚西南部在同一时间段发生了几次严重的大旱。研究人员对采自拉奥冰帽的750年来冰芯记录进行了分析。他们随后将这些冰芯记录与旨在测量澳大利亚西南部降水模式的气象记录,以及南半球过去40年来的大气环流模式进行了对比。研究人员发现,拉奥冰帽的降雪量变化情况能够反映澳大利亚西南部约40%的降雨量变化。更有趣的是,在过去几十年中,拉奥冰帽的降雪模式似乎得到了强化。

实际上,气候模型预测显示,这样反常情况的出现与人类在20世纪向大气中排放的CO2气体有很大的关系。根据这些模型,大气层中CO2气体的增加和臭氧的减少,在南大洋上空产生了一个大气环流模式,从而将更加干燥的空气带到澳大利亚西南部的农业地区,并使拉奥冰帽降下更多的雪。然而根据这一模型显示,随着CO2气体的增加以及臭氧的减少,正常的循环将被打断,这便发生了人们现在所看到的情况。研究人员表示,这是人类活动影响区域气候的“一个非常扎实的证据”。

南海珊瑚灰度记录反映人类引起气候变化

《科学通报》2010年第一期封面文章发表了中国科学院南海海洋所人类活动引起的气候变化研究论文“南海珊瑚灰度记录中反映人类引起的气候变化信息”。

20世纪全球地表温度增暖是全球变化的重要标志。生长热带海洋珊瑚包含很好的气候记录的代用指标,已经被广泛地应用在人类活动对地球气候系统变化影响的研究中。过去的珊瑚古气候研究主要是分析珊瑚骨骼化学元素同位素或地球化学的代用指标,大都只能重构一种环境与气候变量信息。比较而言,珊瑚生长密度带能综合反映珊瑚的生长环境状况,且更容易测量。20世纪全球地表温度增暖的背景下影响着珊瑚生长密度带的长期变化趋势,南海热带海洋珊瑚生长密度带的研究表明,南海珊瑚生长密度带能够揭示出近200年以来人类引起的气候变化历史。

研究团队分析了南海西北部珊瑚生长带的长期趋势变化,珊瑚生长带资料提供了综合的气候环境变化信息。研究表明,近两个世纪南海西北部珊瑚年平均密度的变化趋势与全球大气CO2浓度的变化相吻合。在19世纪末之前,二者长期变化趋势都很微弱;之后二者的趋势变化非常显著,尤其是从20世纪60年代到90年代(该珊瑚记录的结束日期)从19世纪末期到20世纪末,珊瑚密度表现出稳定的下降趋势。因此,南海北部珊瑚密度的年变化趋势能够揭示出人类引起的气候变化的历史。这一结果与其他地区器测以及其他代用气候记录的结果一致,提出了一个简单的基于珊瑚生长带的代用指标来重构过去两个世纪人类引起的气候变化资料。

癌症研究

首次发现细胞凋亡开关

美国科罗拉多大学博尔德分校的研究小组通过研究线虫,首次发现引起细胞凋亡的“开关”,此项研究结果可用于治疗人类由于“非正常细胞凋亡”引起的癌症等疾病。相关研究成果发表在2010年3月12日出版的Science杂志上。

研究人员表示,这项新研究结果在理解细胞程序死亡或者细胞凋亡方面迈出了一大步。细胞凋亡是细胞的自杀过程,通过自杀方式去除体内非必需细胞或即将发生变异的细胞。细胞凋亡不同于创伤性死亡,它可以帮助人类预防诸如癌症和自身免疫性疾病。

研究小组在小型土壤线虫上进行试验,小型土壤线虫是常用于遗传和生物医学实验用的有机体。研究线虫的细胞死亡机制,其结果可用于了解人类细胞死亡机制,并研究出解决人类因为“不适当的细胞凋亡”而导致的疾病的方法。研究小组利用线虫的半胱天冬酶(caspase)进行试验。半胱天冬酶是细胞凋亡的“酶刽子手”,因为它的主要作用就是切断和破坏细胞的蛋白质。但是,研究小组在试验中发现半胱天冬酶对Dicer酶具有不同的作用,当半胱天冬酶分裂Dicer酶后,它并没有杀死Dicer酶,而只是改变了Dicer酶的功能,使其由RNA切割酶转变为DNA切割酶,Dicer酶开始分裂染色体,并杀死细胞。研究人员还表示,通过对线虫的研究,已经发现了对细胞凋亡非常重要的基因。细胞凋亡共分为5个步骤,这些步骤包括确定死亡细胞、激活细胞死亡程序、开始细胞杀死过程、吞噬死亡细胞尸体以及降解细胞碎片。

细胞防癌机制新发现

细胞防止自身无节制分裂导致生成癌细胞有两种方式——细胞凋亡和细胞衰老。而发表在2010年3月16日出版的Cancer Cell杂志上的一项最新研究成果显示,细胞凋亡和细胞衰老之间存在关联,这一发现可能对癌症治疗具有重要意义。

一般情况下,医生会通过化疗促使细胞凋亡从而帮助治疗癌症。一种叫“Myc”的基因也会引起细胞凋亡,导致细胞“自杀”,舍己来保护整个机体。细胞衰老则是由另一种名为“ras”的基因启动的。细胞衰老会中断细胞生长周期,使细胞不再分裂。与凋亡不同的是,此时细胞依然存活并能代谢。以往普遍认为,细胞凋亡和细胞衰老这两种细胞保护过程的启动相互并无关联。

马克斯·德尔布吕克分子医学中心和沙里泰大学医院的研究人员利用动物进行淋巴瘤研究时首次发现,“Myc”基因在没有“ras”基因存在的情况下对激活两种细胞保护机制都有重要作用:首先“Myc”基因会触发淋巴瘤细胞凋亡,凋亡的细胞又会引起免疫系统的巨噬细胞去吞噬已死亡的淋巴瘤细胞。因此,被激活的巨噬细胞此后又会分泌出“转化生长因子β”等信号分子。“转化生长因子β”能在癌症早期阻止癌细胞生长。研究人员认为,这一发现可能对深入了解各种癌症的发病机理都有意义。如果能通过激活细胞衰老的方式抑制那些化疗无法杀死的癌细胞的生长,这将为治疗癌症提供一种新的可能性。

阻断基因Skp2

2010年3月18日出版的Nature杂志刊登了美国科学家的最新研究成果,通过阻断一种名为Skp2的基因,能够使癌细胞老化并死亡。这一发现或许能为治疗癌症提供一种新方法。

研究人员表示,阻断癌细胞中的Skp2基因能够触发“衰老进程”,迫使癌细胞像体细胞暴露在阳光下那样“干死”,无法无限分裂、在人体内转移。研究人员以两组老鼠为对象进行实验。这些老鼠在基因经过改造后会患上一种前列腺癌,但其中一组老鼠的Skp2基因遭阻断。6个月后,这组老鼠没有长出肿瘤,而Skp2基因未遭阻断的另一组老鼠长出肿瘤。从那组没有长肿瘤的老鼠身上提取淋巴腺和前列腺组织,发现其中许多癌细胞开始老化,细胞分裂速度变慢。

研究人员向实验鼠体内植入人类癌细胞,结果也发现这些癌细胞发生老化。这说明,这种相关Skp2基因的老化进程看起来仅对癌细胞起作用,对其他细胞没有影响。

考 古

恐龙最古老亲戚化石

最近一国际科研小组在非洲坦桑尼亚南部找到了距今约2.45亿年的生物化石,这是迄今为止恐龙家族最古老的亲戚,要比目前已知的最古老恐龙大1 000万岁。该新发现或将改写恐龙的进化史。相关研究发表在2010年3月11日出版的Nature杂志上。

新发现的恐龙名为Asilisaurus,体长1m至3m,重30kg,牙齿为三角形,具有类似于鸟喙的嘴巴。研究显示,Asilisaurus生活在三叠纪(距今2.5亿年至2.03亿年)中期,距今约2.45亿年,属于目前已知的西里龙(silesaurs)家族中的一员。研究人员表示,Asilisaurus可能是恐龙最古老的亲戚,它与恐龙的关系就好比黑猩猩和人类的关系。此前科学家一直认为,恐龙最近的亲属是肉食动物,依靠两条腿走路,但Asilisaurus用四条腿走路,或许是个素食主义者,也可能是杂食动物,以植物和肉类为生。研究人员认为,能够以植物为生让Asilisaurus可以找到更大范围的栖息地。

这一新的发现为科学家提供了关于恐龙如何进化的重要信息。Asilisaurus和恐龙具有很多相同的特征,它是介于更古老的爬行动物和恐龙之间的物种。化石记录表明,Asilisaurus在地球上生活了约4 500万年后灭绝,而恐龙在地球上生活了大约1.65亿年。

单爪龙类恐龙化石

中国科学家在河南西峡恐龙蛋化石点发现了一个单爪龙类恐龙的新属种,该新属种是由中国科学院古脊椎与古人类研究所徐星研究员和河南国土资源科学研究院王德友研究员领导的联合考察队发现的,这一成果发表在2010年3月29日出版的《动物分类学》杂志上。这个被命名为张氏西峡爪龙的恐龙化石是中国首次发现的单爪龙类恐龙,对于研究这一类群的演化具有重要意义。单爪龙类恐龙是恐龙家族中最奇特的类群之一,它修长的后腿和短粗的前肢形成鲜明的对比。化石一般分布于白垩纪最晚期沉积的地层中。

此次发现于河南西峡周家沟的单爪龙类化石产自晚白垩世中期的马家村组,代表世界上已知最早的单爪龙类之一。张氏西峡爪龙的许多形态特点显示了后期单爪龙类形态特征的初始状态。通过分析张氏西峡爪龙的脊柱和后肢形态,科学家们推测它是一种奔跑能力非常强的恐龙。科学家们推测,单爪龙类可能是一类食蚁型动物,它们的超强奔跑能力可能是在穿梭于不同蚁穴之间时形成的。

西峡恐龙蛋化石点以产出恐龙蛋化石世界闻名,但恐龙化石非常稀少。张氏西峡爪龙化石的发现是西峡恐龙蛋化石点的一个重要发现。另据了解,科学家还在周家沟出露的马家村组发现了一枚大型兽脚龙类牙齿,很可能是从未在亚洲地区发现过的重爪龙类牙齿。

科学家发现史前巨鱼

科学家在博物馆里对几乎被遗忘的古生物化石进行研究,发现了两种巨大的滤食性史前鱼类物种。这两种大鱼曾经统治地球海洋上亿年,它们在生态系统中的位置之后被鲸鱼和鲸鲨占据。

英国牛津大学古生物学家马特·弗里德曼教授有一次在参观堪萨斯大学时,偶然发现了一种远古巨鱼化石。他将这种远古巨鱼命名为“B.gladius”。据了解,这种巨鱼的化石是在19世纪被发现的,并被错误地归类为利兹鱼。弗里德曼研究发现,最古老的“B.gladius”化石有1.72亿年历史,距今最近的“B.gladius”化石有6 600万年历史。在伦敦自然历史博物馆,弗里德曼发现了另外一种远古巨鱼:“R.taylori”。不过这种远古巨鱼的化石刚发现时却被吉迪恩·曼特尔错误定性,后来被其遗忘。曼特尔是19世纪英国地质学家和古生物学家。他长期致力于中生代的古生物学,并在白垩纪的地层中首次发现了著名的恐龙类爬行动物。在2010年2月18日《科学》杂志上刊登的一篇论文弗里德曼和其他5名古生物学家发表了他们的研究成果,这两种鱼属于已灭绝的pachycormids属。它们会在水中缓慢游动,张开大嘴将浮游生物和其他海洋生物吞下。

从化石记载来看,“B.gladius”的消失同白垩纪大灭绝相吻合。在白垩纪大灭绝中,恐龙从地球上消失,地球上出现了鸟类、哺乳动物和昆虫。白垩纪大灭绝很可能是由于小行星撞击或长时期火山活动所导致的。小行星撞击或火山活动使得食物链底层的植物全部死亡。日内瓦自然历史博物馆古生物学家莱昂内尔·凯文在一篇评论中写道:“由于以依靠光合作用的藻类为食,pachycormids属巨鱼不幸成为受害者,并因此灭绝。”在B.gladius消失1000万年后,鲨鱼和鳐鱼开始占据重要地位。B.gladius消失2 500万年后,进化出现代鲸鱼。

第112号化学元素正式命名

国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)历经长期验证,确认元素112号成功被合成,并于2009年6月正式认可此发现。2010年2月19日德国重离子研究中心宣布,经IUPAC确认,第112号化学元素获正式名称“Copernicium”,相应的元素符号为“Cn”。

德国重离子研究中心于1996年在粒子加速器中用锌离子轰击铅靶首次成功合成了第112号化学元素的一个原子,2002年重复相同的实验又制造出一个第112号化学元素的原子。此后,日本的一个研究机构于2004年也合成了这种元素的两个原子,从而证实德国科学家的发现。新元素原子质量约为氢原子质量的277倍,是得到国际纯粹与应用化学联合会正式承认的最重的元素。

该元素的全称是Copernicium,其实是化学元素通常使用的英文结尾ium(化学元素很多的英文结尾都带ium,比如铝就是aluminum)与哥白尼(Copernicus,1473—1543)这个英文名的结合,是为了纪念哥白尼,因为哥白尼所提出的日心说与化学中的原子结构(拉塞福模型)有很多相似之处。按照化学元素通常的简写方法,最多不超过前三个字母,所以德国重离子研究中心于2009年7月向国际纯粹与应用化学联合会提出了上述用Cp命名建议,但后来发现,Cp这个缩写已经被一种很常用的化合物环戊二烯(Cyclopentadiene)用掉了,而且Cp也曾是元素镥的旧称(Cassiopeium),为避免歧义就用Cn来简写。国际纯粹与应用化学联合会经与发现第112号化学元素的研究小组协商,最终将新元素的元素符号定为“Cn”汉语译名为“鎶”。该联合会选择2月19日为新元素正式冠名是因为这一天是哥白尼的生日。

黑洞的自转速度

宇宙航空研究开发机构等研究小组的最新研究成果显示,黑洞自转速度其实只有光速的五分之一。这是世界上首次测定黑洞的自转速度。研究小组以位于银河中心的射手座A星目标观测天体,该天体质量相当于太阳的400万倍。在此次观测中,研究小组采用了新方法,计算出黑洞的自转速度为光速的22%,否定了之前不少科学家提出的假想:大型黑洞自转速度为光速的45%。研究认为在自转中,黑洞可能越转越慢,这可能是因为自转使黑洞损失部分能量,而这些能量可能催生银河系中其他星体的形成,也可能成为高速宇宙喷射系统的能量源。这一研究结果表明,巨大黑洞的自转速度比众多科学家认为的要慢得多。该研究成果发表2010年3月出版的英国《皇家天文学会月刊》上。

研究小组提出了一个崭新的测定巨大黑洞自转的方法,就是利用气体向黑洞落下时的旋转气体圆盘(吸积盘)产生的共振现象。由于黑洞几乎不发光,直接观测很困难,但其周围存在着旋转气体圆盘,气体边围绕黑洞公转边向黑洞中心坠落。圆盘的气体之间摩擦产生高温,释放出X射线、γ射线等各种电磁波。在黑洞周围公转的气体会出现相反方向的运动和使之复原的动力,产生振动现象。恒星质量黑洞成长为巨大黑洞时,通过旋转的降落圆盘吸收巨大质量的气体和角运动量,因此巨大黑洞的自转速度应该更大。但此次研究得出的数值却显示,巨大黑洞的自转速度和较小的恒星质量黑洞没有大的差别。研究小组认为有两个理由可以对此作出解释:一是旋转轴方向的左右角运动量互相吸收;二是黑洞的自转能量被抽取。

巨大黑洞的自转能量,据认为是像黑洞射流一样成为星系中心发生的爆发现象的能量源。以接近光速喷发的宇宙射流,不仅对星球的形成,对星系的形成活动也会造成巨大影响。通过对星系中心巨大黑洞自转的测定,可以为了解巨大黑洞的成长以及揭开宇宙演化之谜提供重要手段和线索。

“打结”的光线

英国科学家利用电脑控制的全息图和理论物理学,成功地给一束光打了结,相关研究成果发表在2010年1月17日出版的《自然·物理学》杂志上。研究人员表示,这种给光打结的工艺技术不仅能制造出一些非常美丽的图案,更重要的是,这一突破也为未来的激光技术和激光装置的研发铺平了道路,从测速枪到高精度的测量领域都可见激光技术的“倩影”。

该论文的主要作者、英国布里斯托尔大学的首席研究员马克·丹尼斯说:“在空间中穿行的光束犹如在河流中流淌的水。虽然光线通常沿直线传播,但是,它也能呈螺旋状弯曲前进,这种旋转的光被称作光旋涡(optical vortices)。光沿着螺旋路线运行,最终达到奇点,也就是没有了光。丹尼斯进一步解释说,我们周围的光充满了这种暗线,只是我们看不到它们。我们的工作就是弯曲这些黑色物质,给光束打结。他们利用扭结理论(一种抽象数学分支),制作了全息图,呈现出了光漩涡。全息图就像一根引入光的纤维,控制光波的状态,让光沿着黑色结点运行。随后,科学家在光漩涡中成功给光打结。该科研组还通过激光场严密监视照相机,拍到了光打结的图片。

研究人员知道,可以通过全息图制成光学旋涡。全息图对光的流向起到引导作用。通过利用所谓的纤维纽结理论(fibered knot theory),丹尼斯和同事们制成了全息图,并通过反射作用,让常规激光束远离它。纤维纽结理论是在日常打结的启发下,出现的一种抽象数学分支。

丹尼斯认为全息图就像一根引入光的纤维,跟教堂里的彩色玻璃窗非常相似。经过一面彩色玻璃窗后,光会出现窗户的彩色图案。不过它们之间也存在差异,彩色玻璃窗控制颜色,全息图控制光波的状态。因此全息图上的每个点,就像窗玻璃上的每一个小格子,改变部分光束上的光波周期里的每一个点。他们制成的全息图可以改变光的状态,让它沿着黑色结点运行。虽然所谓的结点理论对类似于黑色结点的数学问题进行了研究,但是这项最新研究通过遵循光传播规律的数学函数,制成这些结点。另外,跟制成的与其他结点纽结在一起的黑色结点不一样,丹尼斯和他的同事们在光束里生成单一黑色结点。

丹尼斯说:“对我们来说,它显示了物理学家是如何适应现有纯数学的(例如结点理论),并在自然现象里发现它的。它还显示了我们可以利用全息图控制激光流和激光传播。这种控制手段有可能会被应用在未来的激光装置上。”

(2010年4月2日收到)

(责任编辑:方守狮)

Value Human Life and Attach Importance to Climate

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