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首幅土壤颜色地图描绘“中国肤色” 来看看你的家乡是什么色号!

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首幅土壤颜色地图描绘“中国肤色” 来看看你的家乡是什么色号!插图

高精度土壤颜色地图,提供了我国第一个标准一致、详细的土壤颜色视图,是土壤肥力质量评价与空间管理的关键参照

  土壤是地球的皮肤,“肤色”各异的土壤蕴藏着地球生命的密码,有的带有远古气息,有的则暗藏人类活动的蛛丝马迹。

  我国国土面积广大,土壤景观复杂多样,如何绘制较为精细的全国土壤颜色空间分布图,颇具挑战。2009—2019年,从事土壤研究的学者们在全国各地选取了近6000个样点,进行典型土壤剖面调查。他们取回的一抔抔土,建成了我国土壤系统分类基层分类单元土系及土系数据库。

  在此基础上,本月初,中国科学院(以下简称中科院)南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室张甘霖团队绘制生成了我国第一幅高精度土壤颜色地图——全国土壤颜色三维分布图,该研究成果于月初发表于国际著名土壤学期刊《国际土壤科学》上。

  腐殖质、矿物质都是土壤的调色师

  土壤的形成源自地壳表层岩石的风化。风化壳的表层就是形成土壤的物质基础——成土母质。暴露在地表的成土母质不仅仍然受风化作用的影响,而且还要与周围的环境(包括大气、水、植物)相互作用,发生一系列的物质和能量交换,才能形成具有肥力特征的土壤。这就是土壤的形成过程。

  “土壤颜色一定程度上反映了土壤的物质组成,可以直观地传达出土壤属性、土壤肥力等信息,在实际应用中有着非常重要的价值。”论文的通讯作者、土壤与农业可持续发展国家重点实验室主任张甘霖研究员说。

  这些颜色各异的土壤,究竟是什么力量塑造的?

  据了解,土壤里腐殖质含量的多少和矿物质成分的差异,会让土壤呈现不同的颜色。

  土壤腐殖质由动植物残体演变而成,一般粘附在土粒的表面,它的多少会影响土壤颜色的深浅。黑色的土壤一般是腐殖质含量较高的,因为腐殖质呈黑色和棕色;腐殖质含量较少时,土壤则呈现灰色或灰白色。从灰到黑,颜色随腐殖质含量的升高呈梯度变化。

  此外,矿物质也会影响土壤的颜色。比如,氧化铁就是土壤矿物质中的“调色高手”,当它在土壤中的含量高时,土色会呈现为偏红色或棕红色。同时,氧化铁又是一种善变的物质,在土壤里它的性状经常发生变化。在低洼潮湿的环境中,氧化铁极易与水发生化学反应,转变为偏黄色的水化氧化铁,因而这种地方的土壤常显黄色。当通风不良、氧气缺乏时,土壤中的氧化铁又变成了氧化亚铁,氧化亚铁积累较多时,土壤就呈现出灰蓝色。又如,碳酸钙、碳酸钠、氯化钠等盐类,或氢氧化铝等物质在土壤中呈粉末状存在时,都可能让土壤呈现偏白的颜色。

  在此次研究中,研究团队对5、10、15、25、35、50、75、100、125厘米共9个深度的土壤颜色进行了推测制图,发现总体上土壤颜色随深度增加而变浅。“一个重要原因是植物凋亡融入土壤形成有机质,在土壤上部累积较多,所以颜色较深,越往下有机质含量往往急剧下降,因此颜色较浅。”论文第一作者、中科院南京土壤研究所刘峰副研究员说,然而并不是所有土壤的颜色都随深度变化,比如黄土高原一些植被覆盖不佳的黄土剖面,上下就都是很均一的黄色。

  各地自然环境造就不同“肤色”

  2009—2019年,10年间采集的土壤大数据,终于在2020年迎来“出彩”的高光时刻。

  此次发表的高精度土壤颜色地图,从10年间采集的土壤剖面的孟塞尔颜色(比较色法的标准,常用于泥土研究中颜色描述)数据中,选取了大约4600个土壤剖面,进行数字制图。“这些土壤剖面取土点最高在西藏海拔约5700米的高山上,最低在接近海平面的沿海地区,我们将土壤属性与气候、地形、植被、土地利用、土壤母质等40多个环境参数结合,进行了土壤颜色的预测分析。”刘峰说。

  据刘峰介绍,在我国西北部的沙漠、荒漠和戈壁地区,土壤有机质含量低,游离碳酸盐或盐分含量高,土壤颜色以白色和灰色为主。

  中部的黄土高原,包括甘肃、宁夏、陕西、山西和河南西部等地,土壤颜色主要是黄色;东北和青藏高原东部等较湿润的高寒地区,植被条件好,植物根系残体和凋落物日积月累,土壤有机质不易矿化且含量较高,土壤颜色较暗较黑。

  南方土壤颜色偏红,尤其是江西、湖南和云南一些区域颜色最红。“这些地区土壤的母质经历较为快速的风化和淋溶后,土壤相对富含氧化铁、氧化铝,所以呈现红色。”刘峰说。

  东部地区的长江、淮河和黄河的下游以及鄱阳湖周围土壤呈淡褐色,趋于灰青色,“因为这些区域地势低洼,排水不畅,母质多为河湖相沉积物。”刘峰说。

  同时,土壤颜色地图也刻画出土壤颜色变异的空间细节,如西安和成都区域,就显示出土壤颜色随着地形地貌的改变而发生变化,主要表现为:在25厘米深度处,西安北部的黄土高原地区土壤呈黄色,中部的渭河谷地呈浅黄色,南部的秦岭地区则呈褐色。同样深度的成都地区,西北部的山区呈褐色,东南侧的四川盆地地区则呈红色。

  “这幅高精度土壤颜色地图,提供了我国第一个标准一致、详细的土壤颜色视图,是土壤肥力质量评价与空间管理的关键参照。”张甘霖说,土壤颜色地图还可为法庭土壤物证溯源提供支撑,例如根据鞋上粘的泥土颜色、泥土中的有机质,可以大致分析出泥土来自哪个区域,从而判断相关对象是否去过某个区域。不过,要想精准锁定泥土来源地,测定精度还需不断提高。

  相关链接

  6000个剖面破译土壤“密码”

  土壤类型和属性的空间分布信息是生态水文模拟、全球变化研究、资源环境管理所需的基础数据。

  2009年,科技部基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”项目启动。此后的10年,土壤研究者们在我国31个省市区共调查了近6000个典型土壤剖面,建立了4420个土系,最终建立了我国土壤系统分类基层分类单元土系及土系数据库,为我国数字土壤建设提供了重要支撑。

  作为该项目的主持单位,中科院南京土壤研究所至今保留着项目中收集到的土壤样本。

  中科院南京土壤研究所刘峰副研究员曾在2011年赴安徽采集土壤剖面样本。“我们在平原、丘陵、沿江、山地等地貌不同的景观部位选择了约180个代表典型景观条件的地点挖掘土壤剖面,每个土坑宽1.2米、深1.5—2米、长2米。”刘峰说,土壤剖面通常都是由人工挖掘,土坑的深度以露出母质层为宜。

  据了解,自然土壤自上而下依次为表层、腐殖质层、淋溶层、淀积层、母质层和母岩层。而一般典型的自然土壤剖面分为A层(表层、腐殖质层、淋溶层)、B层(淀积层)、C层(母质层、母岩层)。对B层发育不完整(不发育)的山地土壤,只采A、C两层。在对土壤剖面进行采样时,研究人员要根据颜色、结构、质地、松紧度、温度、植物根系分布等指标标定区分出各土层,并进行仔细观察;将剖面形态、特征自上而下逐一记录。随后在各土层的中间位置自下而上逐层采样,每个采样点的取土深度和取样量应一致。

  刘峰介绍说,研究人员将土壤样品带回实验室后,要分析土壤的有机质、PH值、阳离子交换量、碳酸钙、氮磷钾含量等基本土壤属性,从而获得覆盖全国的第一手土壤样本资料。

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高精度土壤颜色地图,提供了我国第一个标准一致、详细的土壤颜色视图,是土壤肥力质量评价与空间管理的关键参照

  土壤是地球的皮肤,“肤色”各异的土壤蕴藏着地球生命的密码,有的带有远古气息,有的则暗藏人类活动的蛛丝马迹。

  我国国土面积广大,土壤景观复杂多样,如何绘制较为精细的全国土壤颜色空间分布图,颇具挑战。2009—2019年,从事土壤研究的学者们在全国各地选取了近6000个样点,进行典型土壤剖面调查。他们取回的一抔抔土,建成了我国土壤系统分类基层分类单元土系及土系数据库。

  在此基础上,本月初,中国科学院(以下简称中科院)南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室张甘霖团队绘制生成了我国第一幅高精度土壤颜色地图——全国土壤颜色三维分布图,该研究成果于月初发表于国际著名土壤学期刊《国际土壤科学》上。

  腐殖质、矿物质都是土壤的调色师

  土壤的形成源自地壳表层岩石的风化。风化壳的表层就是形成土壤的物质基础——成土母质。暴露在地表的成土母质不仅仍然受风化作用的影响,而且还要与周围的环境(包括大气、水、植物)相互作用,发生一系列的物质和能量交换,才能形成具有肥力特征的土壤。这就是土壤的形成过程。

  “土壤颜色一定程度上反映了土壤的物质组成,可以直观地传达出土壤属性、土壤肥力等信息,在实际应用中有着非常重要的价值。”论文的通讯作者、土壤与农业可持续发展国家重点实验室主任张甘霖研究员说。

  这些颜色各异的土壤,究竟是什么力量塑造的?

  据了解,土壤里腐殖质含量的多少和矿物质成分的差异,会让土壤呈现不同的颜色。

  土壤腐殖质由动植物残体演变而成,一般粘附在土粒的表面,它的多少会影响土壤颜色的深浅。黑色的土壤一般是腐殖质含量较高的,因为腐殖质呈黑色和棕色;腐殖质含量较少时,土壤则呈现灰色或灰白色。从灰到黑,颜色随腐殖质含量的升高呈梯度变化。

  此外,矿物质也会影响土壤的颜色。比如,氧化铁就是土壤矿物质中的“调色高手”,当它在土壤中的含量高时,土色会呈现为偏红色或棕红色。同时,氧化铁又是一种善变的物质,在土壤里它的性状经常发生变化。在低洼潮湿的环境中,氧化铁极易与水发生化学反应,转变为偏黄色的水化氧化铁,因而这种地方的土壤常显黄色。当通风不良、氧气缺乏时,土壤中的氧化铁又变成了氧化亚铁,氧化亚铁积累较多时,土壤就呈现出灰蓝色。又如,碳酸钙、碳酸钠、氯化钠等盐类,或氢氧化铝等物质在土壤中呈粉末状存在时,都可能让土壤呈现偏白的颜色。

  在此次研究中,研究团队对5、10、15、25、35、50、75、100、125厘米共9个深度的土壤颜色进行了推测制图,发现总体上土壤颜色随深度增加而变浅。“一个重要原因是植物凋亡融入土壤形成有机质,在土壤上部累积较多,所以颜色较深,越往下有机质含量往往急剧下降,因此颜色较浅。”论文第一作者、中科院南京土壤研究所刘峰副研究员说,然而并不是所有土壤的颜色都随深度变化,比如黄土高原一些植被覆盖不佳的黄土剖面,上下就都是很均一的黄色。

  各地自然环境造就不同“肤色”

  2009—2019年,10年间采集的土壤大数据,终于在2020年迎来“出彩”的高光时刻。

  此次发表的高精度土壤颜色地图,从10年间采集的土壤剖面的孟塞尔颜色(比较色法的标准,常用于泥土研究中颜色描述)数据中,选取了大约4600个土壤剖面,进行数字制图。“这些土壤剖面取土点最高在西藏海拔约5700米的高山上,最低在接近海平面的沿海地区,我们将土壤属性与气候、地形、植被、土地利用、土壤母质等40多个环境参数结合,进行了土壤颜色的预测分析。”刘峰说。

  据刘峰介绍,在我国西北部的沙漠、荒漠和戈壁地区,土壤有机质含量低,游离碳酸盐或盐分含量高,土壤颜色以白色和灰色为主。

  中部的黄土高原,包括甘肃、宁夏、陕西、山西和河南西部等地,土壤颜色主要是黄色;东北和青藏高原东部等较湿润的高寒地区,植被条件好,植物根系残体和凋落物日积月累,土壤有机质不易矿化且含量较高,土壤颜色较暗较黑。

  南方土壤颜色偏红,尤其是江西、湖南和云南一些区域颜色最红。“这些地区土壤的母质经历较为快速的风化和淋溶后,土壤相对富含氧化铁、氧化铝,所以呈现红色。”刘峰说。

  东部地区的长江、淮河和黄河的下游以及鄱阳湖周围土壤呈淡褐色,趋于灰青色,“因为这些区域地势低洼,排水不畅,母质多为河湖相沉积物。”刘峰说。

  同时,土壤颜色地图也刻画出土壤颜色变异的空间细节,如西安和成都区域,就显示出土壤颜色随着地形地貌的改变而发生变化,主要表现为:在25厘米深度处,西安北部的黄土高原地区土壤呈黄色,中部的渭河谷地呈浅黄色,南部的秦岭地区则呈褐色。同样深度的成都地区,西北部的山区呈褐色,东南侧的四川盆地地区则呈红色。

  “这幅高精度土壤颜色地图,提供了我国第一个标准一致、详细的土壤颜色视图,是土壤肥力质量评价与空间管理的关键参照。”张甘霖说,土壤颜色地图还可为法庭土壤物证溯源提供支撑,例如根据鞋上粘的泥土颜色、泥土中的有机质,可以大致分析出泥土来自哪个区域,从而判断相关对象是否去过某个区域。不过,要想精准锁定泥土来源地,测定精度还需不断提高。

  相关链接

  6000个剖面破译土壤“密码”

  土壤类型和属性的空间分布信息是生态水文模拟、全球变化研究、资源环境管理所需的基础数据。

  2009年,科技部基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”项目启动。此后的10年,土壤研究者们在我国31个省市区共调查了近6000个典型土壤剖面,建立了4420个土系,最终建立了我国土壤系统分类基层分类单元土系及土系数据库,为我国数字土壤建设提供了重要支撑。

  作为该项目的主持单位,中科院南京土壤研究所至今保留着项目中收集到的土壤样本。

  中科院南京土壤研究所刘峰副研究员曾在2011年赴安徽采集土壤剖面样本。“我们在平原、丘陵、沿江、山地等地貌不同的景观部位选择了约180个代表典型景观条件的地点挖掘土壤剖面,每个土坑宽1.2米、深1.5—2米、长2米。”刘峰说,土壤剖面通常都是由人工挖掘,土坑的深度以露出母质层为宜。

  据了解,自然土壤自上而下依次为表层、腐殖质层、淋溶层、淀积层、母质层和母岩层。而一般典型的自然土壤剖面分为A层(表层、腐殖质层、淋溶层)、B层(淀积层)、C层(母质层、母岩层)。对B层发育不完整(不发育)的山地土壤,只采A、C两层。在对土壤剖面进行采样时,研究人员要根据颜色、结构、质地、松紧度、温度、植物根系分布等指标标定区分出各土层,并进行仔细观察;将剖面形态、特征自上而下逐一记录。随后在各土层的中间位置自下而上逐层采样,每个采样点的取土深度和取样量应一致。

  刘峰介绍说,研究人员将土壤样品带回实验室后,要分析土壤的有机质、PH值、阳离子交换量、碳酸钙、氮磷钾含量等基本土壤属性,从而获得覆盖全国的第一手土壤样本资料。

文章来源于互联网中科网:首幅土壤颜色地图描绘“中国肤色” 来看看你的家乡是什么色号! 更多科普知识,欢迎关注芝麻网!

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下一代引力波“捕手”:有望揭示更多宇宙秘密

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下一代引力波“捕手”:有望揭示更多宇宙秘密插图

  近日,欧洲科学家将拟议的爱因斯坦望远镜(ET)纳入“欧洲研究基础设施战略论坛”(ESFRI)路线图内。ESFRI在欧洲研究基础设施的决策中起关键作用,ET的设计目前已经得到欧盟委员会及欧洲各地约40个研究机构和大学的财团支持。

  据物理学家组织网9月15日报道,计划中的ET是地基引力波探测器,它将能够发现更多黑洞和中子星并和事件,从而测试爱因斯坦的广义相对论并使引力波天文学变得更加精准。

  除ET外,美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)正在升级;日本和印度的引力波探测器的建造工作也在如火如荼地进行之中。

  ET光学联席主席、英国思克莱德大学生物医学工程系主任斯图尔特·里德教授说:“未来的引力波天文台,如ET等,有望帮助研究人员发现更多黑洞和中子星并和现象,使我们能更好地描绘宇宙如何膨胀,并观察到全新的事件。”

  引力波领域仍有大量未解之谜

  中国国家天文台研究员张承民对科技日报记者介绍说:“引力波是一种‘时空涟漪’,类似石头丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞合并过程中将产生引力波。”

  “引力波像其他的波一样,携带着能量和信息。电磁波(宇宙微波背景辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象,而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初的瞬间,检验宇宙大爆炸理论是否正确,是人类认识宇宙的全新窗口”,张承民进一步解释道。

  2015年9月,LIGO探测到了由双黑洞合并产生的引力波信号,这是人类历史上首次直接探测到引力波,这一发现印证了物理学大师爱因斯坦100年前的预言。

  2020年9月2日,LIGO和欧洲“处女座(Virgo)”引力波探测器携手宣布,探测到两个质量分别为85倍和65倍太阳质量的恒星级黑洞并和产生的引力波,这两个黑洞并和形成了一个142倍太阳质量的黑洞,碰撞释放出的8倍太阳质量的能量以引力波形式弥散于宇宙中,被上述两大引力波“捕手”捕获。

  新发现的142倍太阳质量的黑洞是迄今发现的第一个“中等质量”黑洞,此前科学家从未发现质量是太阳100到1000倍的黑洞。

  该研究报告共同作者、意大利帕多瓦大学天体物理学家、“处女座”团队成员米夏埃拉说:“这是处于该质量范围的黑洞的第一项证据,可能带来黑洞天体物理学的范式转变。”

  张承民表示:“此次探测也证明宇宙中仍然存在大量我们以前未知的”。

  多款下一代探测器将上线

  为进一步揭示宇宙之谜,科学家们需要新一代引力波望远镜。

  张承民说:“ET将使科学家能探测到整个宇宙中两个中等质量黑洞的合并,并有助了解其演化历程”。

  据张承民介绍,ET地下探测器将由6个V形干涉仪组成,它们被排列成等边三角形,每边长度为10公里,该望远镜将使用激光来测量大规模和剧烈的天体物理事件对时空的拉伸和挤压。

  物理学家组织网在报道中指出,ET有望于本世纪30年代中期上岗,科学家们目前正在对两个建设站点进行评估,预计将在未来五年内确定建设地点。

  里德说:“ET独特的三角形形状将通过天体物理学的信号提供更多信息;更好地定位引力波在天空中的来源,并通过在强引力场中测试爱因斯坦的引力理论来推动科学家对物质和引力行为的理解”。

  此外,其他引力波探测器的升级和建造计划也在进行中。

  据英国《自然》杂志2019年2月中旬报道,英美两国2月14日宣布,从2023年开始,LIGO将进行2015年以来最重大的一次技术升级——所谓的“先进LIGO+”(ALIGO+)项目。

  格拉斯哥大学的物理学家肯·斯特恩表示,如果一切按计划进行,LIGO将能够发现距离地球325百万秒差距(约10亿光年)范围内发生的中子星合并事件,相比ALIGO +升级前的设计探测精度(173百万秒差距),这次升级几乎将LIGO的探测精度提高了一倍。诺贝尔奖得主、LIGO前主任巴里·巴里什则表示,此次升级不仅会提高探测频率,同时也将提高观测质量。“例如,降低噪音将使研究人员能了解黑洞在合并之前是如何自旋的,这将为研究黑洞的历史提供线索”。

  张承民补充说:“下一代引力波探测器还包括欧洲的激光干涉仪空间天线(LISA)计划。LISA由三个卫星激光干涉探测器组成,旨在探测超大质量黑洞并合的低频引力波信号。LISA已在2015年发射关键技术卫星,预计2034年发射3颗卫星组成边长为百万公里量级的等边三角形星座”。

  日本“神冈引力波探测器”(KAGRA)由诺贝尔奖得主梶田隆章坐镇指挥,于2010年正式启动,建设成本约150亿日元,由两条3公里长的激光干涉臂组成。我国的清华大学、北京师范大学等也是KAGRA的合作伙伴。无独有偶,LIGO实验室和印度引力波物理学界此前达成协议,计划把LIGO的一部分实验设备运往印度,在印度建造“LIGO-印度(LIGO-India)”引力波观测站,其有望2025年后投入运行。

  中国引力波探测如火如荼

  我国的引力波探测活动也进行得如火如荼。

  张承民说:“我国正在进行的引力波探测计划有三个:两个空间和一个地面项目,分别是中科院推动的‘太极计划’和中山大学主导的‘天琴计划’,以及中科院高能所牵头的‘阿里计划’”。

  张承民进一步介绍道,“太极”和“天琴”类似于LISA计划。“太极”和“天琴”的干涉臂分别是几十万公里和17万公里,拟探测的引力波频率介于LIGO和LISA之间。“太极”和“天琴”可以探测双白矮星并合以及几万倍太阳质量的大黑洞并合,这扩展了LISA的低频引力波探测频段;而LIGO探测到的是高频引力波,由恒星级质量黑洞和中子星彼此并合而产生。

  “太极一号”和“天琴一号”卫星分别于2019年8月31日和2019年12月20日成功发射,正在进行前期技术验证,试验和发展空间引力波探测器的两个精密技术,即空间惯性基准和激光干涉测距。

  我国的地面引力波项目“阿里计划”与美国物理学家合作进行,2016年正式启动,在海拔5100米的西藏阿里地区建设,旨在进行宇宙原初引力波探测,目前进展顺利,预计2022年后投入先期试验观测。

  有望揭示更多宇宙奥秘

  张承民说:“在可预见的未来,这么多引力波探测器组团上线,将帮助科学家们进一步揭示宇宙的奥秘”。

  “ET的精度将高于LIGO;而LISA将开启认识宇宙超级大质量黑洞新时代”,张承民强调说。

  对此,张承民进一步解释道,首先,我们可以期待获得更多黑洞-黑洞并和、黑洞-中子星并和、中子星-中子星并和事件,极大丰富人类关于宇宙的认知视野;其次,探测精度的提升可以针对黑洞自旋进行测量,这扩展了我们对黑洞的更新理解;再次,从几百到几百万倍太阳质量的中等黑洞和超级大黑洞也是预想目标,这些测量可能刷新人类对全新的宇宙家园的认识;最后,新的大科学探测装置投入也可能获得完全预料之外的新发现。

  张承民指出:“毕竟人类关于宇宙的定量探索还处于摸索阶段,面对浩瀚而漫长的138亿年宇宙,人类不过几百万年,而科学探索仅仅几百年。我们常常无知地以为人类是宇宙最伟大的生命,然而事实正如爱因斯坦所言:宇宙像一个无限延伸的球,我们走的越远,遇到的问题越多”。

  蓬勃发展的引力波探测装置,即将给人们呈现出美妙的宇宙交响乐章,让我们管窥宇宙的浩渺和神秘。

文章来源于互联网中科网:下一代引力波“捕手”:有望揭示更多宇宙秘密 更多科普知识,欢迎关注芝麻网!

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以“云”为裳,量子计算不再“高冷”

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以“云”为裳,量子计算不再“高冷”插图

视觉中国供图

  量子计算云平台对量子计算资源和成果进行开放共享,并提供各种基于量子计算的衍生服务,可提前释放量子计算的潜力,进而促进量子计算产业提前布局与生态的良性培养。 

  9月12日,我国企业自主研发的超导量子计算云平台正式上线,全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。

  据了解,此次发布的云平台系中国科学技术大学郭光灿院士团队的成果转化企业合肥本源量子计算科技有限责任公司(以下简称本源量子)研发。本源量子董事长孔伟成博士表示,该量子云平台基于国内率先实现工程化的超导量子计算机——悟源打造,搭载了6比特超导量子芯片夸父KF C6—130,保真度、相干时间等技术指标均达到国际先进水平。

  那么,量子计算云平台是如何搭建的?它跟普通的云平台又有何不同呢?为此,记者专门采访了本源量子的相关专家。

  超越经典计算的突破路径

  要了解量子计算云平台,首先要弄清楚什么是量子计算。

  量子计算的概念自上世纪80年代提出以来,就被誉为“大自然赋予人类的终极计算能力”。近年来更是成为世界各国争相布局的前沿领域,IBM、谷歌、Intel等科技巨头纷纷入局。

  据了解,量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的计算模式,它与现有的经典计算模式完全不同。经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于0或1的确定状态。量子计算则借助量子力学的叠加特性,能够实现计算状态的叠加,它不仅包含0和1,还包含0和1同时存在的叠加态。

  “简单来说,量子计算机就是使用量子器件制造,利用量子的叠加与纠缠特性,运行量子算法与量子软件的新型计算设备。在处理某些特定问题上,量子计算机相对于经典计算机具有指数级别的计算速度优势。即便是目前运算速度最快的超级计算机,在量子计算机面前也只能是个算盘。”本源量子公司董事长孔伟成博士告诉科技日报记者。

  对比来说,在解决实际问题的过程中,CPU(中央处理器)采用“串行”计算,即将一个问题的若干部分按照顺序依次进行运算;GPU(图形处理器,一种能非常高效地执行一些专门运算的超高速芯片)采用“并行”计算,即将一个问题拆成若干个小问题后,同时对每个小问题的一部分进行运算;QPU(量子处理单元)则利用量子叠加性快速遍历问题的各种可能性并找到正确答案。

  形象地说,CPU算力随比特数n的增长呈线性n增长,GPU算力随比特数n的增长呈平方次n×n增长,QPU算力随比特数n的增长呈幂指数2n增长。

  随着人类对于计算机算力需求的不断提升,半导体芯片的制程技术也在不断提高,目前已有多款5纳米芯片产品发布。

  “5纳米大小相当于40个硅原子,如果硅基半导体器件尺寸继续缩小至1纳米级,那就意味着我们已经从经典物理学深入到了量子物理学领域。”孔伟成说,“在这样的情境下,摩尔定律即将走向终结,大规模集成电路为基础的经典计算机到此可以画上句号。研发量子计算机,就成为了帮助人类继续提升计算能力的新方向。”

  为世界提供中国量子计算服务

  顾名思义,量子计算云平台就是提供以量子计算为核心的云服务的平台。量子程序将被发送到远程量子服务器上,在云端完成它的编译、运行与测试调试等一系列过程,然后将结果传回本地。

  据了解,当前量子计算机仍需要严苛的运行环境与复杂的辅助设备,这些系统造价高昂,普通用户很难接触到。为了让更多用户体验、学习、探索量子计算,国际主要的量子计算公司都开发了各自的量子云平台,使用云技术连接用户与真实的量子计算设备。

  2016年,IBM率先研发出世界上第一个基于5位超导量子计算机的量子云平台IBM Q Experience。目前,IBM已经有22台公开的量子计算机,先后有100多家企业单位和科研机构使用了其提供的量子计算云服务。在2019年,亚马逊、微软先后上线了量子计算云平台Braket与Azure Quantum。

  虽然起步较晚,但此次我国企业自主研发的量子计算云平台同IBM的产品性能相差无几。据本源量子的官方数据显示,对比2017年、2020年IBM量子云平台上公布的量子逻辑门保证度和量子读取保证度等数据,本源量子公司此次推出的量子计算云平台目前的水平甚至能够超过IBM最初建立的云平台水平。

  孔伟成告诉记者,为满足不同用户的开发需求,平台提供了图形化编程与代码编程两种量子计算在线编程方式,同时推出了复杂网络排序、手写数字识别、用户偏好行为预测3款典型的量子编程应用,供用户使用。

  “这3款应用基于目前成熟的量子算法,都是由本源量子研究团队使用自主研发的量子编程框架QPanda与量子编程语言QRunes开发的。”孔伟成告诉记者,复杂网络排序应用可对给定的网络进行建模,例如为预测病毒的下一个传播点提供重要参考,帮助各地更为高效地分配防疫物资与医疗资源;而手写数字识别应用在AI领域占有举足轻重的分量,为后续加速计算机视觉量子化处理提供了可能;用户偏好行为预测应用则能够实现量子关联规则数据挖掘算法,将用户数据编码到量子叠加态上,并基于此给出用户偏好预测,相较于经典算法可以达到指数级的加速效果。

  从历史的维度来看,本次量子计算云平台的推出,意味着我国的量子计算机正走出实验室。孔伟成表示,量子计算走出实验室分为两个阶段,第一个阶段是从科学研究到工程实现,第二个阶段是从工程实现到产业落地的过渡,量子云平台的公布,意味着量子计算已经从成熟度较低的科研范畴过渡到技术成熟度更高的工程实现阶段。

  将成量子计算争夺的主战场

  “从目前的研究来看,未来量子计算有望在密码破解、化学分子模拟、金融工程、人工智能等领域发挥重大作用。”孔伟成举例说,在一些有巨大算力需求的传统行业,如生物制药、化工、能源等,以现有人类科技的计算能力进行计算的话,所消耗的时间过长、成本巨大;还有另一些本身对计算能力要求较高的科技行业,也将会是量子计算实现商用的领域,例如搜索、数字安全、人工智能、机器学习等等。

  据波士顿咨询发布的报告预测,在不考虑量子纠错算法的进展情况下,2035年全球量子计算应用市场规模将达到近20亿美元,随后暴涨到2050年的2600多亿美元;若量子计算技术迭代速度超出预期,2035年市场规模可突破600亿美元,2050年则有望飙升至2950亿美元。

  在此背景下,量子计算云平台依托互联网资源,为各类用户提供云端接入,对量子计算资源和成果进行开放共享,并提供各种基于量子计算的衍生服务,可提前释放量子计算的潜力,进而促进量子计算产业提前布局与生态的良性培养。

  国外云计算企业在量子云计算方面的竞争开始加剧。如IBM推出20量子比特的量子云服务器,提供了完善的QiKit量子程序开发套件,并建立了完善的开源社区服务。谷歌发布了72量子比特计算机Bristlecone,开发了Cirq量子开源框架,提供了量子化学材料计算的OpenFermion-Cirq用例。

  与此同时,国内量子云服务公司的发展也呈现出蓬勃态势。除本源量子公司推出量子云计算平台外,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院与阿里云在超导量子计算方向发布了11量子比特的云接入超导量子计算服务。华为也已经发布了HiQ量子计算云服务平台和兼容ProjectQ量子编程框架。

  目前量子计算云平台从物理底层、计算引擎、应用软件开发到上层应用已经具备生态雏形。在量子计算云平台上培养研究者和用户的操作习惯,引导诸多行业对量子计算的应用倾向,将为以后计算领域的内核升级奠定生态基础,可以预见,未来量子计算云平台势必会成为量子计算争夺的主战场。

文章来源于互联网中科网:以“云”为裳,量子计算不再“高冷” 更多科普知识,欢迎关注芝麻网!

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中国五大地貌分别包括喀斯特地貌、丹霞地貌、岱崮地貌、嶂石岩地貌以及张家界地貌。地貌和地形不同,地貌只是指小范围的地形地质特点,其中喀斯特地貌是我国范围最大的一种地貌,主要分布在云南、贵州以及广西等地区,主要以溶洞和石林等为主要景观。 中国五大地貌 1. 喀斯特…

欲染纤纤指——凤仙花

zmbug阅读(15)

  金盘和露捣仙葩,解使纤纤玉有暇。

  一点愁疑鹦鹉喙,十分春上牡丹芽。

  娇弹粉泪抛红豆,戏掐花枝缕绛霞。

  女伴相逢频借问,几番错认守宫砂。

  ——《凤仙花》元·杨维桢

欲染纤纤指——凤仙花插图

成片栽植的凤仙花

  对于凤仙花的记忆大多源于街头巷尾的多有人家盆栽或者群植于花坛可以染指甲,作为儿时的一大娱乐活动,当时凤仙花可谓风靡一时,每到夏秋两季放学后多是孩童相聚在一起吸着一串红的花蜜或者用凤仙花进行染甲。

  作为中国传统的庭院花卉的凤仙花(Impatiens balsamina),属凤仙花科(Balsaminaceae),凤仙属(Impatiens)其原产印度东部、南部,又名小桃红、海蒳(nà)、急性子、旱珍珠等。唐代以来便不断出现在相关文献中,但多见于诗词。植物相关文献如《本草纲目》、《花史》等均有记载,清代更是有专门的《凤仙花谱》其中描绘的凤仙花品种就达184种。

  凤仙花花型也丰富多变,有单瓣、重瓣、蔷薇型、石竹型、茶花型等等,颜色从白色、粉色、桃红到紫色有诸多变化。

欲染纤纤指——凤仙花插图(1)

欲染纤纤指——凤仙花插图(2)

 

欲染纤纤指——凤仙花插图(3)

凤仙花

  最为常见的单瓣凤仙花“宛如飞凤,头翅尾足俱全”,主要包括型同凤尾、凤翅、凤身、凤颈的翼瓣、旗瓣、唇瓣、距等结构,微风拂过丛间如同凤凰翩翩展翅登仙。

欲染纤纤指——凤仙花插图(4)

凤仙花的结构,主要包括型同凤尾、凤翅、凤身、凤颈的翼瓣、旗瓣、唇瓣、距等结构

  要染纤纤红指甲,金盆夜捣凤仙花

  凤仙花染甲的方法自古便多见于诗词之中,唐代便开始用凤仙花染指甲。唐代诗人李贺在《宫娃歌》就有“蜡光高悬照纱空,花房夜捣红守宫”描摹出夏夜烛光之下女子在花房中搜寻凤仙花捣碎后染指的生活场景。

 

  将红色系的凤仙花捣碎敷在指甲之上,采用明矾作为固色剂固色,染就的效果十分美好,如同藏在袖中的相思豆一般,所以凤仙花也常被人们称作指甲花。

  珠玉终相类,同名作指甲

  日常中称作指甲花的植物不止凤仙花一种,千屈菜科散沫花属的散沫花(Lawsonia inermis L.)也常被称作指甲花。

 

 

  指甲花叶片中2-羟基-1,4-萘醌(指甲花醌,Lawsone)是指甲花的主要着色成分为黄色色素,能染指甲或头发,其在指甲花叶中含量最高为0.55%~0.95%,其次为果皮和种子。

  凤仙花与散沫花虽然分属不同的科属,但其染色成分则十分相近,其花含有矢车菊素、飞燕草素、蹄纹天竺葵素、锦葵花素等色素,叶片则同样具有指甲花醌,不过含量较低为0.047%~0.143%。

  娇弹粉泪抛红豆,戏掐花枝缕绛霞

  仔细观察凤仙花的果实,其种子传播方式也十分有趣,成熟的种夹轻轻触碰就会炸开将种子抛射很远以达到传播目的,在种子传播生物学中这种传播方式称为细胞膨胀传播(turgor mechanism)。

 

欲染纤纤指——凤仙花插图(5)

欲染纤纤指——凤仙花插图(6)

欲染纤纤指——凤仙花插图(7)

凤仙花的种夹炸裂过程

  凤仙花果实的假种皮主要由泡状细胞组成,成熟过程中假种皮内部的泡状细胞失水收缩严重,而外部的泡状细胞含水量较为充足,假种皮内外收缩不平衡产生扭转力并随着果实成熟过程逐渐积聚,当超过临界点后在果实的尖端处裂开并翻卷,会将种子抛射出去。不同细胞间因失水收缩不平衡积聚的扭转力,是种子弹射直接作用力,一旦种子受到触动整个果实就会分成五瓣炸开,将种子抛射出去。

  凤仙花作为我国古老的乡土植物极具文化价值、生态价值,曾经街头巷尾常见的凤仙花如今越来越少见了,偶尔看到常能串起大人们对于童年的回忆,反观现在的孩子们,对于凤仙花正越来越陌生,偶尔在园中看到那藏于丛间的花朵,是否还能识得书本中的它呢?

  金盘和露捣仙葩,解使纤纤玉有暇。

  一点愁疑鹦鹉喙,十分春上牡丹芽。

  娇弹粉泪抛红豆,戏掐花枝缕绛霞。

  女伴相逢频借问,几番错认守宫砂。

  ——《凤仙花》元·杨维桢

欲染纤纤指——凤仙花插图

成片栽植的凤仙花

  对于凤仙花的记忆大多源于街头巷尾的多有人家盆栽或者群植于花坛可以染指甲,作为儿时的一大娱乐活动,当时凤仙花可谓风靡一时,每到夏秋两季放学后多是孩童相聚在一起吸着一串红的花蜜或者用凤仙花进行染甲。

  作为中国传统的庭院花卉的凤仙花(Impatiens balsamina),属凤仙花科(Balsaminaceae),凤仙属(Impatiens)其原产印度东部、南部,又名小桃红、海蒳(nà)、急性子、旱珍珠等。唐代以来便不断出现在相关文献中,但多见于诗词。植物相关文献如《本草纲目》、《花史》等均有记载,清代更是有专门的《凤仙花谱》其中描绘的凤仙花品种就达184种。

  凤仙花花型也丰富多变,有单瓣、重瓣、蔷薇型、石竹型、茶花型等等,颜色从白色、粉色、桃红到紫色有诸多变化。

欲染纤纤指——凤仙花插图(1)

欲染纤纤指——凤仙花插图(2)

 

欲染纤纤指——凤仙花插图(3)

凤仙花

  最为常见的单瓣凤仙花“宛如飞凤,头翅尾足俱全”,主要包括型同凤尾、凤翅、凤身、凤颈的翼瓣、旗瓣、唇瓣、距等结构,微风拂过丛间如同凤凰翩翩展翅登仙。

欲染纤纤指——凤仙花插图(4)

凤仙花的结构,主要包括型同凤尾、凤翅、凤身、凤颈的翼瓣、旗瓣、唇瓣、距等结构

  要染纤纤红指甲,金盆夜捣凤仙花

  凤仙花染甲的方法自古便多见于诗词之中,唐代便开始用凤仙花染指甲。唐代诗人李贺在《宫娃歌》就有“蜡光高悬照纱空,花房夜捣红守宫”描摹出夏夜烛光之下女子在花房中搜寻凤仙花捣碎后染指的生活场景。

 

  将红色系的凤仙花捣碎敷在指甲之上,采用明矾作为固色剂固色,染就的效果十分美好,如同藏在袖中的相思豆一般,所以凤仙花也常被人们称作指甲花。

  珠玉终相类,同名作指甲

  日常中称作指甲花的植物不止凤仙花一种,千屈菜科散沫花属的散沫花(Lawsonia inermis L.)也常被称作指甲花。

 

 

  指甲花叶片中2-羟基-1,4-萘醌(指甲花醌,Lawsone)是指甲花的主要着色成分为黄色色素,能染指甲或头发,其在指甲花叶中含量最高为0.55%~0.95%,其次为果皮和种子。

  凤仙花与散沫花虽然分属不同的科属,但其染色成分则十分相近,其花含有矢车菊素、飞燕草素、蹄纹天竺葵素、锦葵花素等色素,叶片则同样具有指甲花醌,不过含量较低为0.047%~0.143%。

  娇弹粉泪抛红豆,戏掐花枝缕绛霞

  仔细观察凤仙花的果实,其种子传播方式也十分有趣,成熟的种夹轻轻触碰就会炸开将种子抛射很远以达到传播目的,在种子传播生物学中这种传播方式称为细胞膨胀传播(turgor mechanism)。

 

欲染纤纤指——凤仙花插图(5)

欲染纤纤指——凤仙花插图(6)

欲染纤纤指——凤仙花插图(7)

凤仙花的种夹炸裂过程

  凤仙花果实的假种皮主要由泡状细胞组成,成熟过程中假种皮内部的泡状细胞失水收缩严重,而外部的泡状细胞含水量较为充足,假种皮内外收缩不平衡产生扭转力并随着果实成熟过程逐渐积聚,当超过临界点后在果实的尖端处裂开并翻卷,会将种子抛射出去。不同细胞间因失水收缩不平衡积聚的扭转力,是种子弹射直接作用力,一旦种子受到触动整个果实就会分成五瓣炸开,将种子抛射出去。

  凤仙花作为我国古老的乡土植物极具文化价值、生态价值,曾经街头巷尾常见的凤仙花如今越来越少见了,偶尔看到常能串起大人们对于童年的回忆,反观现在的孩子们,对于凤仙花正越来越陌生,偶尔在园中看到那藏于丛间的花朵,是否还能识得书本中的它呢?

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为光合作用,沉水植物有多努力?

zmbug阅读(9)

  35亿年前,伴随蓝藻的诞生,光合作用登上历史舞台,并牢牢占据生物化学循环的C位。植物为了能最大程度的进行光合作用,可谓是争奇斗艳。究其根本其竞争的本质是对光合作用的三要素:光、水和CO2的竞争。

  从广袤的海滨到无边的荒漠,从炎热的赤道到冰封的两极,陆生植物均在使用大气中的CO2。近几个世纪的人类活动使大气层中的CO2浓度从工业革命之前的280 ppm增加到现在的379 ppm(IPCC2007),但是大气中CO2的变化的程度与水体中一昼夜的变化相比实则小巫见大巫。

  自然水体中无机碳的存在形式主要有CO2、HCO3-、CO32-,处于主导地位的无机碳形式由pH调控(图1)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图

水体不同pH下无机碳存在的形态(Osmond, Winter et al. 1982)

  池塘和湖泊中,早晚的pH变化范围为7.0-9.0,那么CO2在一天之中的浓度可以相差百倍。此外,CO2在水体中的扩散速率仅是空气中的万分之一,这限制了沉水植物光合作用时CO2的有效供应。为了适应水体无机碳环境,沉水植物都做了哪些努力呢?

  削足适履——水生植物叶片结构的变化

  地球上的生命皆诞生于海洋中,植物为了“登陆”,早在4亿年前就演化出了气孔,可以控制大气中CO2的摄入及自身水分的散失。然而,现存的沉水植物大多数都没有(功能性的)气孔,导致它们无法通过控制气孔的开合来调节CO2的吸收。沉水植物的叶片通常会发育成非常薄的条形、卵圆形、丝状或羽毛状(图2)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(1)

沉水植物的叶片形态:(A)苦草(B)龙舌草(C)穗状狐尾藻(付文龙拍摄)

  据统计,全球沉水植物的叶片平均厚度约为130 μm,也就是大约两到三个细胞的厚度,而陆生植物叶片的平均厚度约240 μm(Maberly & Gontero,2018)。这样的叶片结构能增加比表面积,使叶片细胞能最大程度的和水体接触,获取水体中的无机碳。

  广开财路——利用底泥中的CO2

  水生生态系统中的植物凋落物和动物的尸体残渣有很大一部分会沉积到底泥里,这些富含碳的有机物会在底泥微生物的作用下被分解,产生CO2和CH4。有些沉水植物,在根部和叶片中有大量连续的空洞,它们为CO2从沉积物扩散到叶片提供了路径,从而可以从根部吸收底泥中的CO2,供给植物的光合作用。比如,半边莲属的Lobelia dortmanna和水韭属的Isoetes australis,就可以从根部运输底泥CO2到叶片进行光合作用(图3)。

  这类植物通常都根系发达、植株矮小,因为CO2从根部大叶片的扩散速率限制了植物的大小(Pedersen et al. 2011)。目前,已知的沉水植物种,这类植物占3%左右。

  变废为宝——利用HCO3-

  自然水体pH通常在7到9之间,在这个范围内,水体中无机碳主要以HCO3-的形式存在(图1)。对于那些只能利用CO2的沉水植物而言,这部分无机碳就是无法利用的废物。看似“废物”的HCO3-,却被一部分植物当作香饽饽。目前,已知的沉水植物中就有约50%的物种可以利用HCO3-作为碳源进行光合作用。

  这些植物利用HCO3-的方式也是多样的,有的植物向细胞外分泌碳酸酐酶,将HCO3-催化生成CO2,然后再吸收进叶片;有的植物向胞外分泌H+, 这些H+与HCO3-结合生成CO2,再被吸收;有些植物在细胞膜上演化出碳酸氢根和阴离子交换通道,直接吸收HCO3-。当然这几种HCO3-利用方式并不是互斥的,它们可以在同一个植物中同时存在(图4)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(2)

巨藻(Macrocystis Pyrifera)及其利用HCO3-的示意图(Fernandez, P. A. et al 2014)(图片来源于塔斯马尼亚大学)

  *Tips1:由于沉水植物吸收HCO3-需要额外的消耗能量,因此沉水植物中HCO3-利用现象虽然普遍,但是并不是在所有条件下都是最优的方式。

  节省开支——C4代谢

  夏日的正午阳光强烈,光合作用旺盛,水体中的CO2被消耗殆尽,产生大量的O2,导致水体的溶解氧处于饱和状态。在低CO2和高O2的情况下,原本主要起固定CO2作用的酶Rubisco,反而会吸收O2产生CO2,这一过程叫作光呼吸。在光呼吸循环中,有大量的(75%)无机碳会被浪费。为了弥补Rubisco的缺陷,减少无机碳的浪费,沉水植物C4代谢途径应运而生。在C4代谢过程中,从外界吸收的低浓度的CO2由催化效率更高的PEPC固定为含有4个碳原子的酸(如草酰乙酸,苹果酸,天冬氨酸等),然后这些酸进入叶绿体,在Rubisco附近释放出高浓度的CO2,抑制光呼吸过程。C4代谢就起到减少无机碳浪费,并提高光合作用效率的作用。

  目前,主要在水鳖科植物中发现具有C4代谢过程的沉水植物,包括黑藻(Hydrilla verticillata)、水蕴草(艾格草Egeria densa)、龙舌草(Ottelia alismoides)和海菜花(Ottelia accuminata)等(图5)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(3)

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(4)

黑藻和海菜花照片(付文龙拍摄)

  *Tips2:PEPC以三个碳原子的酸为底物,固定一个CO2,形成四个碳原子的酸,在这个循环中几乎所有的代谢中间物都含有4个碳原子因此称为C4代谢途径。

  错位竞争——CAM代谢

  既然白天各种水生植物都在争夺水体中的CO2或HCO3-,且晚上还有呼吸作用产生的CO2,夜晚水体中含有丰富的CO2,那植物为什么晚上不吸收CO2储存起来呢?聪明的沉水植物当然也想到了这点,因此它们也演化出和陆生植物类似的景天科酸代谢(CAM)途径。CAM途径是在夜间水体中CO2浓度较高的时候吸收二氧化碳,转变为有机酸(一般为苹果酸、柠檬酸或者天冬氨酸等)并存储在液泡中。白天这些酸被运输到叶绿体,释放出CO2供给光合作用。这个过程导致植物细胞在夜间的酸度比白天要高。

  最典型的CAM代谢水生植物就是中华水韭(Isoetes sinensis),其昼夜酸度差可以高达110μequ/g鲜重(Yin et al2017 )。除中华水韭外,泽番椒(Deinostema violaceum)也具有较强的CAM代谢能力,刺苦草也可能具有CAM途径。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(5)

水韭(图片来源:中国植物志)

  *Tips3:CAM,景天科代谢,最初在景天科植物中发现他们细胞内的酸度在昼夜有很大的变化,因此,命名为“景天科-酸-代谢”(Crassulaceanacid metabolism)。现在许多教材或文献中都被误解为“景天酸代谢”,事实上并没有一种叫“景天酸”的物质。

  多管齐下——多途径碳固定

  为了更好地吸收无机碳进行光合作用,沉水植物当然也不止有一种吸收和固定无机碳的途径。比如,龙舌草叶片只有两三层细胞,但它既可以吸收CO2,也可以利用HCO3-,还具备C4代谢途径,在低CO2环境下还能发展出CAM代谢,可谓集多种碳浓缩机制于一身。

  正是因为沉水植物的种种努力,才换来它们在全球碳循环中不可或缺的地位。据估计海洋沉水植物固定的碳为40Pg每年,大约贡献全球海洋碳埋藏的20%,对维持全球碳库的周转和稳定起重要作用。

  35亿年前,伴随蓝藻的诞生,光合作用登上历史舞台,并牢牢占据生物化学循环的C位。植物为了能最大程度的进行光合作用,可谓是争奇斗艳。究其根本其竞争的本质是对光合作用的三要素:光、水和CO2的竞争。

  从广袤的海滨到无边的荒漠,从炎热的赤道到冰封的两极,陆生植物均在使用大气中的CO2。近几个世纪的人类活动使大气层中的CO2浓度从工业革命之前的280 ppm增加到现在的379 ppm(IPCC2007),但是大气中CO2的变化的程度与水体中一昼夜的变化相比实则小巫见大巫。

  自然水体中无机碳的存在形式主要有CO2、HCO3-、CO32-,处于主导地位的无机碳形式由pH调控(图1)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图

水体不同pH下无机碳存在的形态(Osmond, Winter et al. 1982)

  池塘和湖泊中,早晚的pH变化范围为7.0-9.0,那么CO2在一天之中的浓度可以相差百倍。此外,CO2在水体中的扩散速率仅是空气中的万分之一,这限制了沉水植物光合作用时CO2的有效供应。为了适应水体无机碳环境,沉水植物都做了哪些努力呢?

  削足适履——水生植物叶片结构的变化

  地球上的生命皆诞生于海洋中,植物为了“登陆”,早在4亿年前就演化出了气孔,可以控制大气中CO2的摄入及自身水分的散失。然而,现存的沉水植物大多数都没有(功能性的)气孔,导致它们无法通过控制气孔的开合来调节CO2的吸收。沉水植物的叶片通常会发育成非常薄的条形、卵圆形、丝状或羽毛状(图2)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(1)

沉水植物的叶片形态:(A)苦草(B)龙舌草(C)穗状狐尾藻(付文龙拍摄)

  据统计,全球沉水植物的叶片平均厚度约为130 μm,也就是大约两到三个细胞的厚度,而陆生植物叶片的平均厚度约240 μm(Maberly & Gontero,2018)。这样的叶片结构能增加比表面积,使叶片细胞能最大程度的和水体接触,获取水体中的无机碳。

  广开财路——利用底泥中的CO2

  水生生态系统中的植物凋落物和动物的尸体残渣有很大一部分会沉积到底泥里,这些富含碳的有机物会在底泥微生物的作用下被分解,产生CO2和CH4。有些沉水植物,在根部和叶片中有大量连续的空洞,它们为CO2从沉积物扩散到叶片提供了路径,从而可以从根部吸收底泥中的CO2,供给植物的光合作用。比如,半边莲属的Lobelia dortmanna和水韭属的Isoetes australis,就可以从根部运输底泥CO2到叶片进行光合作用(图3)。

  这类植物通常都根系发达、植株矮小,因为CO2从根部大叶片的扩散速率限制了植物的大小(Pedersen et al. 2011)。目前,已知的沉水植物种,这类植物占3%左右。

  变废为宝——利用HCO3-

  自然水体pH通常在7到9之间,在这个范围内,水体中无机碳主要以HCO3-的形式存在(图1)。对于那些只能利用CO2的沉水植物而言,这部分无机碳就是无法利用的废物。看似“废物”的HCO3-,却被一部分植物当作香饽饽。目前,已知的沉水植物中就有约50%的物种可以利用HCO3-作为碳源进行光合作用。

  这些植物利用HCO3-的方式也是多样的,有的植物向细胞外分泌碳酸酐酶,将HCO3-催化生成CO2,然后再吸收进叶片;有的植物向胞外分泌H+, 这些H+与HCO3-结合生成CO2,再被吸收;有些植物在细胞膜上演化出碳酸氢根和阴离子交换通道,直接吸收HCO3-。当然这几种HCO3-利用方式并不是互斥的,它们可以在同一个植物中同时存在(图4)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(2)

巨藻(Macrocystis Pyrifera)及其利用HCO3-的示意图(Fernandez, P. A. et al 2014)(图片来源于塔斯马尼亚大学)

  *Tips1:由于沉水植物吸收HCO3-需要额外的消耗能量,因此沉水植物中HCO3-利用现象虽然普遍,但是并不是在所有条件下都是最优的方式。

  节省开支——C4代谢

  夏日的正午阳光强烈,光合作用旺盛,水体中的CO2被消耗殆尽,产生大量的O2,导致水体的溶解氧处于饱和状态。在低CO2和高O2的情况下,原本主要起固定CO2作用的酶Rubisco,反而会吸收O2产生CO2,这一过程叫作光呼吸。在光呼吸循环中,有大量的(75%)无机碳会被浪费。为了弥补Rubisco的缺陷,减少无机碳的浪费,沉水植物C4代谢途径应运而生。在C4代谢过程中,从外界吸收的低浓度的CO2由催化效率更高的PEPC固定为含有4个碳原子的酸(如草酰乙酸,苹果酸,天冬氨酸等),然后这些酸进入叶绿体,在Rubisco附近释放出高浓度的CO2,抑制光呼吸过程。C4代谢就起到减少无机碳浪费,并提高光合作用效率的作用。

  目前,主要在水鳖科植物中发现具有C4代谢过程的沉水植物,包括黑藻(Hydrilla verticillata)、水蕴草(艾格草Egeria densa)、龙舌草(Ottelia alismoides)和海菜花(Ottelia accuminata)等(图5)。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(3)

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(4)

黑藻和海菜花照片(付文龙拍摄)

  *Tips2:PEPC以三个碳原子的酸为底物,固定一个CO2,形成四个碳原子的酸,在这个循环中几乎所有的代谢中间物都含有4个碳原子因此称为C4代谢途径。

  错位竞争——CAM代谢

  既然白天各种水生植物都在争夺水体中的CO2或HCO3-,且晚上还有呼吸作用产生的CO2,夜晚水体中含有丰富的CO2,那植物为什么晚上不吸收CO2储存起来呢?聪明的沉水植物当然也想到了这点,因此它们也演化出和陆生植物类似的景天科酸代谢(CAM)途径。CAM途径是在夜间水体中CO2浓度较高的时候吸收二氧化碳,转变为有机酸(一般为苹果酸、柠檬酸或者天冬氨酸等)并存储在液泡中。白天这些酸被运输到叶绿体,释放出CO2供给光合作用。这个过程导致植物细胞在夜间的酸度比白天要高。

  最典型的CAM代谢水生植物就是中华水韭(Isoetes sinensis),其昼夜酸度差可以高达110μequ/g鲜重(Yin et al2017 )。除中华水韭外,泽番椒(Deinostema violaceum)也具有较强的CAM代谢能力,刺苦草也可能具有CAM途径。

为光合作用,沉水植物有多努力?插图(5)

水韭(图片来源:中国植物志)

  *Tips3:CAM,景天科代谢,最初在景天科植物中发现他们细胞内的酸度在昼夜有很大的变化,因此,命名为“景天科-酸-代谢”(Crassulaceanacid metabolism)。现在许多教材或文献中都被误解为“景天酸代谢”,事实上并没有一种叫“景天酸”的物质。

  多管齐下——多途径碳固定

  为了更好地吸收无机碳进行光合作用,沉水植物当然也不止有一种吸收和固定无机碳的途径。比如,龙舌草叶片只有两三层细胞,但它既可以吸收CO2,也可以利用HCO3-,还具备C4代谢途径,在低CO2环境下还能发展出CAM代谢,可谓集多种碳浓缩机制于一身。

  正是因为沉水植物的种种努力,才换来它们在全球碳循环中不可或缺的地位。据估计海洋沉水植物固定的碳为40Pg每年,大约贡献全球海洋碳埋藏的20%,对维持全球碳库的周转和稳定起重要作用。

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揭秘太阳

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揭秘太阳插图

  根据势场源表面模型计算得到的太阳三维磁场结构。不同颜色的线代表磁力线,中间为光球磁场在视线方向上的分量分布图(Yang, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Sci China Tech Sci

揭秘太阳插图(1)

  CoMP测量的日冕磁场强度分布图叠加在SDO卫星拍摄的日冕图像上(Yang, Bethge, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Science)。本文图片由受访者田晖供图

  它给予我们光与热,为世间万物赋予生命的色彩,主宰着麾下的所有行星……它,就是太阳。

  每个人都会认为自己很熟悉这个顶在头上的“大光球”。可是很少有人知道,太阳,这个太阳系的中心天体,占有太阳系总体质量的99.86%,包括地球在内的所有行星都依赖着它而存在,是太阳系的主宰,并且控制着行星际空间和地球空间的洪荒变迁。

  正因如此,天文学家们一直孜孜不倦地努力揭开太阳的奥秘。然而,这么多年过去了,人类对于太阳一些性质的了解依然有限。不久前,北京大学地球与空间科学学院教授、中国科学院太阳活动重点实验室主任田晖及其研究生杨子浩同学等人在日冕磁场测量方面取得重要进展。他们首次测量得到日冕磁场的全局性分布,也让人们对于太阳的了解更进一步。

  星系主宰

  科学家们为什么一定要了解太阳?这是因为,毫不夸张地说,太阳是我们太阳系的主宰。

  太阳不仅是地球上生命存在的关键,也在塑造我们周围的空间环境方面发挥了重要作用,更是掌控着整个太阳系的“天气”。而对于太阳来说,磁场具有极其重要的意义。

  田晖介绍说:“太阳磁场一直延伸到冥王星之外的日球层边界,太阳还以每秒数百公里的速度往外发射带电粒子流,形成所谓的太阳风。太阳上的局部区域时不时也会发生太阳爆发,当这些太阳风暴猛烈袭击地球时,会产生美丽的极光,但同时也会干扰通信和导航系统,影响卫星及星载仪器的正常运行,甚至威胁宇航员的生命安全。”

  虽然太阳离我们很远,但地球作为太阳系中的一颗行星,时常会在太阳面前“战战兢兢”。例如,1989年的一场太阳风暴,就曾严重影响多颗卫星及星载仪器的正常运行,并造成加拿大魁北克省电力系统崩溃,北美地区数百万人受到影响。类比地面上的天气,太阳风暴及其对日地空间环境的扰动被称为空间天气。

  “研究太阳,可以让我们对空间天气有更深的理解。目前,人们对于太阳风暴依然难以准确地预测,这对人类社会众多高技术系统的正常运行带来了很大影响。如果我们能够对太阳各层大气的磁场及其演化有深入了解,就可以较好地预测太阳风暴的发生及其对地球的影响。”田晖告诉中青报·中青网记者。

  而对于太阳本身来说,磁场是它最基本的属性之一。首先,太阳黑子的11年周期本质上是太阳大尺度磁场的周期性转化;其次,太阳系中最剧烈的爆发现象——太阳耀斑和日冕物质抛射通常是由太阳磁场的演化所驱动的;最后,与磁场相关的物理过程导致了太阳外层大气——日冕的百万度高温,并因此产生充满行星际空间的超声速太阳风。

  因此,测量太阳磁场一直都是太阳物理学家最重要的使命之一。自17世纪初伽利略用望远镜观测和研究太阳算起,太阳物理的科学研究已经持续了数百年。然而受限于观测技术的水平,到20世纪初期,人类才开始利用原子物理领域的塞曼效应来测量太阳磁场。直到最近二三十年,人类才实现对太阳表面(光球层)磁场的高分辨率常规测量。

  揭秘日冕

  “然而迄今为止,我们对太阳磁场的成熟测量仅仅局限在光球层。”田晖表示,光球之上的太阳大气,尤其是最外层的日冕,其中的磁场仍难以测量。“100多年来,人们对于日冕磁场的研究进展非常缓慢,难以找到有效方法进行常规测量。因此,测量日冕磁场成了一个切切实实的世纪难题。”田晖说。

  田晖解释说,这是因为,日冕磁场比光球磁场要弱得多,日冕谱线因塞曼效应而分裂所产生的子线之间波长差很小;另外,日冕的高温导致日冕谱线的轮廓变得很宽,使本来就不明显的谱线分裂更加难以被测量出来。

  由于太阳大气各层次中的磁场实际上是一个整体,磁场将各层大气耦合在一起,这导致太阳上最重要的物理过程大多跟磁场的三维结构及其演化有关,因此,日冕磁场测量的困难极大地制约了太阳物理学科的发展。

  鉴于日冕磁场测量的困难,太阳物理学者通常只能在一些假设下,通过模型来重构出日冕磁场位形,用以研究太阳大气动力学和太阳爆发等物理过程。但是,这些模型假设对于日冕中的有些区域不一定成立,而且不同模型重构得到的磁场结构经常不一样。因此,人们急需对日冕磁场进行直接的测量。

  近年来,一种被称为“磁震学”的方法被一些学者认为可以用于诊断日冕磁场。其基本原理是根据一些日冕结构中偶尔发生的震荡或波动现象的观测,结合磁流体波动理论,来诊断日冕中的磁场。

  “由于这些震荡现象通常只是偶尔发生在日冕中很小的区域内,并且震荡经过几个周期后就衰减消亡了,因此只能诊断日冕中较小区域的磁场,无法用于对大视场范围内磁场的常规测量。”田晖说。

  田晖教授和他的团队,利用高山天文台CoMP日冕仪的观测,将“磁震学”方法推广应用到日冕中普遍存在的磁流体波动上,从而首次测量得到日冕磁场的全局性分布,为日冕磁场测量这一世纪难题的解决提供了一个新的有效途径。两篇相关论文近日分别发表在Science杂志(《科学》)和Sci China Tech Sci杂志(《中国科学:技术科学》)上。

  据了解,这一研究成果实现了用冕震学方法测量日冕磁场从点、线到面的飞跃,填补了全局性太阳磁场测量的空缺,从而向实现日冕磁场常规测量的最终目标迈进了一大步。田晖表示:“一方面,未来我们需要建造更大口径的日冕仪,从而获得更高信噪比的观测数据;另一方面,我们需要保持开放的心态,通过充分探索来发现更多的可用于测量日冕磁场的有效方法。”

  恒星探测

  除了地球,人类还能生活在什么地方?也许有人认为这只是科幻片里才会讨论的问题,但事实上,如今科学家们正在寻找除地球以外的宜居星球。

  要想找到像地球一样的宜居星球,这颗行星需要处于距离恒星远近合适的区域。在这一区域内,恒星传递给行星的热量适中,行星不会太热或太冷,可能存在液态水。此外,恒星的电磁辐射和爆发活动对系外行星的宜居性也有重要影响,这一新兴的领域被称为“空间天气宜居性”研究。

  “由于人类对其他恒星-行星系统的了解极少,因此当前空间天气宜居性的相关研究大多是基于我们对太阳和日地系统中空间天气的认识而发展起来的。太阳物理学者正积极推动这一新兴前沿研究领域的进展。”田晖表示,太阳的“脾气”相对较好,它状态稳定,爆发活动也没有那么频繁;但是很多其他的恒星却没有太阳这么好的脾气,频繁和剧烈的爆发足以影响环绕它们运行的系外行星上生命的存在。

  未来,一方面我们需要参考对太阳的探测手段,大力推动对恒星的探测;另一方面,日冕加热、太阳爆发和太阳活动周等重大问题依然困扰着我们,我们需要与世界各国一道,继续推动对太阳的探测,尤其是空间卫星探测。

  田晖表示,我国在太阳低层大气(包括光球和色球)的观测方面实力较强,但在太阳高层大气(包括日冕和过渡区)的观测方面远远落后于美国、日本、欧洲等。目前,我国的日冕光学观测设备仅有中日共建的丽江日冕仪。近年来,中国太阳物理界积极推动射电日像仪、白光和紫外日冕仪、极紫外成像仪和光谱仪、日食望远镜等日冕核心观测设备的研制,期望提升我国对太阳高层大气观测的能力。

  空间太阳探测一直是世界强国空间探测的重点,从1995年至今,美、欧、日等一共发射了近10颗太阳探测卫星,平均不到3年发射一颗。

  “我国首颗太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)也将于2022年前后发射,它将同时对太阳爆发及驱动爆发的太阳磁场进行观测。中国的太阳物理学者也在持续推动后续的太阳和恒星探测卫星计划,以缩小我国与发达国家在空间探测方面的巨大差距。”田晖说。

揭秘太阳插图

  根据势场源表面模型计算得到的太阳三维磁场结构。不同颜色的线代表磁力线,中间为光球磁场在视线方向上的分量分布图(Yang, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Sci China Tech Sci

揭秘太阳插图(1)

  CoMP测量的日冕磁场强度分布图叠加在SDO卫星拍摄的日冕图像上(Yang, Bethge, Tian, Tomczyk, et al. 2020, Science)。本文图片由受访者田晖供图

  它给予我们光与热,为世间万物赋予生命的色彩,主宰着麾下的所有行星……它,就是太阳。

  每个人都会认为自己很熟悉这个顶在头上的“大光球”。可是很少有人知道,太阳,这个太阳系的中心天体,占有太阳系总体质量的99.86%,包括地球在内的所有行星都依赖着它而存在,是太阳系的主宰,并且控制着行星际空间和地球空间的洪荒变迁。

  正因如此,天文学家们一直孜孜不倦地努力揭开太阳的奥秘。然而,这么多年过去了,人类对于太阳一些性质的了解依然有限。不久前,北京大学地球与空间科学学院教授、中国科学院太阳活动重点实验室主任田晖及其研究生杨子浩同学等人在日冕磁场测量方面取得重要进展。他们首次测量得到日冕磁场的全局性分布,也让人们对于太阳的了解更进一步。

  星系主宰

  科学家们为什么一定要了解太阳?这是因为,毫不夸张地说,太阳是我们太阳系的主宰。

  太阳不仅是地球上生命存在的关键,也在塑造我们周围的空间环境方面发挥了重要作用,更是掌控着整个太阳系的“天气”。而对于太阳来说,磁场具有极其重要的意义。

  田晖介绍说:“太阳磁场一直延伸到冥王星之外的日球层边界,太阳还以每秒数百公里的速度往外发射带电粒子流,形成所谓的太阳风。太阳上的局部区域时不时也会发生太阳爆发,当这些太阳风暴猛烈袭击地球时,会产生美丽的极光,但同时也会干扰通信和导航系统,影响卫星及星载仪器的正常运行,甚至威胁宇航员的生命安全。”

  虽然太阳离我们很远,但地球作为太阳系中的一颗行星,时常会在太阳面前“战战兢兢”。例如,1989年的一场太阳风暴,就曾严重影响多颗卫星及星载仪器的正常运行,并造成加拿大魁北克省电力系统崩溃,北美地区数百万人受到影响。类比地面上的天气,太阳风暴及其对日地空间环境的扰动被称为空间天气。

  “研究太阳,可以让我们对空间天气有更深的理解。目前,人们对于太阳风暴依然难以准确地预测,这对人类社会众多高技术系统的正常运行带来了很大影响。如果我们能够对太阳各层大气的磁场及其演化有深入了解,就可以较好地预测太阳风暴的发生及其对地球的影响。”田晖告诉中青报·中青网记者。

  而对于太阳本身来说,磁场是它最基本的属性之一。首先,太阳黑子的11年周期本质上是太阳大尺度磁场的周期性转化;其次,太阳系中最剧烈的爆发现象——太阳耀斑和日冕物质抛射通常是由太阳磁场的演化所驱动的;最后,与磁场相关的物理过程导致了太阳外层大气——日冕的百万度高温,并因此产生充满行星际空间的超声速太阳风。

  因此,测量太阳磁场一直都是太阳物理学家最重要的使命之一。自17世纪初伽利略用望远镜观测和研究太阳算起,太阳物理的科学研究已经持续了数百年。然而受限于观测技术的水平,到20世纪初期,人类才开始利用原子物理领域的塞曼效应来测量太阳磁场。直到最近二三十年,人类才实现对太阳表面(光球层)磁场的高分辨率常规测量。

  揭秘日冕

  “然而迄今为止,我们对太阳磁场的成熟测量仅仅局限在光球层。”田晖表示,光球之上的太阳大气,尤其是最外层的日冕,其中的磁场仍难以测量。“100多年来,人们对于日冕磁场的研究进展非常缓慢,难以找到有效方法进行常规测量。因此,测量日冕磁场成了一个切切实实的世纪难题。”田晖说。

  田晖解释说,这是因为,日冕磁场比光球磁场要弱得多,日冕谱线因塞曼效应而分裂所产生的子线之间波长差很小;另外,日冕的高温导致日冕谱线的轮廓变得很宽,使本来就不明显的谱线分裂更加难以被测量出来。

  由于太阳大气各层次中的磁场实际上是一个整体,磁场将各层大气耦合在一起,这导致太阳上最重要的物理过程大多跟磁场的三维结构及其演化有关,因此,日冕磁场测量的困难极大地制约了太阳物理学科的发展。

  鉴于日冕磁场测量的困难,太阳物理学者通常只能在一些假设下,通过模型来重构出日冕磁场位形,用以研究太阳大气动力学和太阳爆发等物理过程。但是,这些模型假设对于日冕中的有些区域不一定成立,而且不同模型重构得到的磁场结构经常不一样。因此,人们急需对日冕磁场进行直接的测量。

  近年来,一种被称为“磁震学”的方法被一些学者认为可以用于诊断日冕磁场。其基本原理是根据一些日冕结构中偶尔发生的震荡或波动现象的观测,结合磁流体波动理论,来诊断日冕中的磁场。

  “由于这些震荡现象通常只是偶尔发生在日冕中很小的区域内,并且震荡经过几个周期后就衰减消亡了,因此只能诊断日冕中较小区域的磁场,无法用于对大视场范围内磁场的常规测量。”田晖说。

  田晖教授和他的团队,利用高山天文台CoMP日冕仪的观测,将“磁震学”方法推广应用到日冕中普遍存在的磁流体波动上,从而首次测量得到日冕磁场的全局性分布,为日冕磁场测量这一世纪难题的解决提供了一个新的有效途径。两篇相关论文近日分别发表在Science杂志(《科学》)和Sci China Tech Sci杂志(《中国科学:技术科学》)上。

  据了解,这一研究成果实现了用冕震学方法测量日冕磁场从点、线到面的飞跃,填补了全局性太阳磁场测量的空缺,从而向实现日冕磁场常规测量的最终目标迈进了一大步。田晖表示:“一方面,未来我们需要建造更大口径的日冕仪,从而获得更高信噪比的观测数据;另一方面,我们需要保持开放的心态,通过充分探索来发现更多的可用于测量日冕磁场的有效方法。”

  恒星探测

  除了地球,人类还能生活在什么地方?也许有人认为这只是科幻片里才会讨论的问题,但事实上,如今科学家们正在寻找除地球以外的宜居星球。

  要想找到像地球一样的宜居星球,这颗行星需要处于距离恒星远近合适的区域。在这一区域内,恒星传递给行星的热量适中,行星不会太热或太冷,可能存在液态水。此外,恒星的电磁辐射和爆发活动对系外行星的宜居性也有重要影响,这一新兴的领域被称为“空间天气宜居性”研究。

  “由于人类对其他恒星-行星系统的了解极少,因此当前空间天气宜居性的相关研究大多是基于我们对太阳和日地系统中空间天气的认识而发展起来的。太阳物理学者正积极推动这一新兴前沿研究领域的进展。”田晖表示,太阳的“脾气”相对较好,它状态稳定,爆发活动也没有那么频繁;但是很多其他的恒星却没有太阳这么好的脾气,频繁和剧烈的爆发足以影响环绕它们运行的系外行星上生命的存在。

  未来,一方面我们需要参考对太阳的探测手段,大力推动对恒星的探测;另一方面,日冕加热、太阳爆发和太阳活动周等重大问题依然困扰着我们,我们需要与世界各国一道,继续推动对太阳的探测,尤其是空间卫星探测。

  田晖表示,我国在太阳低层大气(包括光球和色球)的观测方面实力较强,但在太阳高层大气(包括日冕和过渡区)的观测方面远远落后于美国、日本、欧洲等。目前,我国的日冕光学观测设备仅有中日共建的丽江日冕仪。近年来,中国太阳物理界积极推动射电日像仪、白光和紫外日冕仪、极紫外成像仪和光谱仪、日食望远镜等日冕核心观测设备的研制,期望提升我国对太阳高层大气观测的能力。

  空间太阳探测一直是世界强国空间探测的重点,从1995年至今,美、欧、日等一共发射了近10颗太阳探测卫星,平均不到3年发射一颗。

  “我国首颗太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S)也将于2022年前后发射,它将同时对太阳爆发及驱动爆发的太阳磁场进行观测。中国的太阳物理学者也在持续推动后续的太阳和恒星探测卫星计划,以缩小我国与发达国家在空间探测方面的巨大差距。”田晖说。

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晨观“星月童话” 夜赏超亮火星

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  天文爱好者一饱眼福的机会来了:10月14日,天宇上演了“火星冲日”,同时近期也是观测“金星合月”的好时机。观测条件好的地区,人们早上先观赏“星月童话”,晚上再欣赏超亮火星。

  据北京天文馆研究员朱进介绍,行星合月的天文现象几乎每个月都会发生。但近期的金星合月,由于月球呈现出小月牙状,因而观赏度较高。人们或许可以在东方低空肉眼看到一弯细小的月牙出现在亮如明珠的金星旁边,相依相伴,交相辉映,成为一道美丽的风景线。

  14日夜间,火星迎来“冲日”。据中国科学院国家天文台研究员、被大家昵称为“火星叔叔”的郑永春博士介绍,当火星与地球太阳的同一侧,也就是说太阳、地球、火星在一条直线上时,即为“火星冲日”。“此时,太阳一落山,火星正好在东方的地平线上升起来。在深夜的时候,火星在头顶上方,然后早晨太阳升起来之前,火星从西方落下,相当于整个晚上火星都可见到。”郑永春说,“火星在这几天的夜空中可谓熠熠生辉,因为这段时间火星离地球很近,只有6200万公里,来自火星的亮光大概3~4分钟左右可以到达地球;但是最远的时候有4亿公里,要20多分钟,距离非常遥远。”由于近日火星离地球近,因此成了观测火星的最好时机。

  大家在地球上该如何观测火星,能观测到什么呢?“近期火星整夜可见。通过专业的天文望远镜,我们可以看到火星的红色、火星上的明暗变化和暗斑地区,甚至还能看到火星上白色的极冠、水手大峡谷,火星上最高的山峰也清晰可见——这也是整个太阳系最高的奥林匹斯山,一个高达22公里的火山。”郑永春介绍。

  如果14日错过了这两大天文现象,也不必遗憾。朱进介绍说,近期仍有机会欣赏。“金星合月”经过一个月的周期还会再次出现,11月中旬可见到小月牙与金星的相遇,“下个月当月球运行到同一位置,还会再次出现类似的天象,区别仅在于小月牙的形态有微小的变化。”

  超亮火星的观测更是不限于14日当晚,整个10月都是观测它的好时机。只要天气晴好,天黑后,感兴趣的公众面向东方天空就会看到,火星就像一块红色宝石镶嵌在天幕之上,熠熠生辉,美艳无比。

  朱进提醒大家,10月下旬会有来自猎户座的流星雨,这是由哈雷彗星带来的流星雨,也具有一定的观赏价值。

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封面新闻记者 滕晗 “综合来看,最佳的赏月区域是在华东地区,也就是在江苏、安徽、上海、浙江、福建一带。”9月29日,中国气象局公共气象服务中心气象服务首席朱定真介绍。 中国气象局公共气象服务中心气象服务首席朱定真 图片来源:中国网 当日,中国气象局举行新闻发布…

青藏高原植物于苦寒处绽芳华 来了解一下它们的生存之道

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青藏高原植物于苦寒处绽芳华 来了解一下它们的生存之道插图

视觉中国供图

  在上个月举办的第77届威尼斯电影节“聚焦中国”特别市场展映活动中,国产纪录片《喜马拉雅的种子》一经亮相,就赢得了各方点赞。

  该影片以纪实的方式,介绍了青藏高原珍稀的野生植物资源,尤其是像塔黄、绿绒蒿等因独特性而著称的植物,它们在严酷的高原环境中为生存繁衍所焕发出的顽强生命力,十分令人惊叹。

  有“世界屋脊”和“地球第三极”之称的青藏高原总面积约250万平方千米,平均海拔超过4000米,是中国三大自然阶梯中最高一级。在数千万年的隆起和复杂的地质、气候变化过程中,生长在这里的植物也在不断发生着变化,并拥有着常人难以想象的“智慧”。

  抱团取暖来抵御严寒

  “青藏高原高寒地区的植物正是凭借自己的独特本领,在高原顽强地生存和繁衍着。”曾在中国科学院青藏高原研究所任职,并多次参加青藏高原科考的中国科学院西双版纳热带植物园党委书记、副主任杨永平研究员说,温度和水分是影响植物生长的两个最重要的环境因子。以藏北为例,年平均气温为0-3℃,最热月平均气温也只有8-l0℃。

  “在青藏高原西部的广袤地区,年降水量不足100毫米,如何有效地抗旱保水,也是高原植物能否成功适应环境的关键所在。”杨永平说。

  为了应对高原的低温、干旱和强风的恶劣环境,一些植物会通过紧密的植株排列和贴地的生长高度来保持小环境下的适宜温度,类似于“抱团取暖”。这种矮化的植物不仅能够避免较低的气温对植物的冻害,同时还能避免强风引起的强烈蒸腾导致植物水分丧失,以及土壤和岩层反复融化冻结引起的植物细胞缺水。

  高山流石滩上的“垫状植物”就是一种典型的矮化植物。垫状植物是对具有球形或半球形表面的植物的总称,有极端缩短的茎、密集的叶或者小枝,是植物经过多年辐射性生长而形成的紧密簇生结构。在喜马拉雅地区,常见的垫状植物有垫状点地梅、雪灵芝、钻叶风毛菊等,通常分布在山地高寒草甸带和高山流石坡稀疏植被带之间,呈斑块状或者条带状分布。

  这些植物堪称高寒环境中的“工程师”,它们不但自己适应了高寒、强旱等极端环境,还会改善生长位置及周边生境的土壤的物理和化学性质、营养成分和水热条件,为其自身及其他物种创造并维持一个条件更加优越的、特殊的微环境。这种在垫状植物内部形成的微环境,还能够显著提高群落的物种多样性和丰富度,在群落物种组成和结构方面起着重要的调节作用。

  “多功能外套”成防护神器

  雪域草滩地、盐湖或流石滩上,菊科风毛菊花属有众多植物明星。如弱小火绒草全身披着白色或灰白色的绒毛;还有高山雪莲,全株长满白色长绒毛;近年由于一些植物科普纪录片的传播,拥有绒毛“大衣”的雪兔子也格外引人注目。

  据了解,雪兔子是多年生、一次结实,根呈黑褐色,有纺缍状分枝。它的茎直立,高达30厘米,全身披着稠密的白色、黄褐色或浅紫色的厚棉毛,这些棉毛的御寒保暖效果一点都不逊于科考人员身上的羽绒服,可避免冻伤。

  可别小看了这件“外套”,它的作用可不止保暖这么简单。杨永平解释说,雪兔子能在高寒恶劣的环境中得以生存,全靠这件“秘密武器”。

  记者了解到,雪兔子的绒毛可以起到三重防护作用:第一,高原山地受到的太阳辐射远远高于其他地区,长长的绒毛有利于雪兔子更好地抵御太阳辐射;第二,由于石缝的储水能力较差,很难供植物生长所需,而雪兔子的大量绒毛可以更好地保留水分为己所用;第三,厚厚的绒毛也可以尽量保存花粉,作为繁衍后代的重要工具。

  然而,并不是所有的植物都能拥有厚厚的绒毛,那些“衣着单薄”的植物也会找到其他办法来防止自身水分散失,增加叶片表面的蜡质层就不失为一个好主意。

  针茅属是多年生密丛草本植物,全世界约100种,主要分布于亚洲和欧洲的温带和暖温带地区。昆明植物所的研究人员此前在考察中发现,藏北高原上相对干旱的高寒草原地区生长着一种特殊的紫花针茅。

  杨永平带领团队利用三代测序平台和技术进行对比分析,发现紫花针茅在基因表达中优化了紫花针茅合成蜡酯的功能。“叶片表面的蜡酯形成了一个蜡质保护层,可减少水分蒸发,增强紫花针茅对干旱环境的适应能力。”杨永平说。

  各出奇招博昆虫一顾

  对于植物来说,开花的目的就是为了通过传粉产生种子,进而完成繁衍。植物的传粉方式主要分为自花传粉和异花传粉,其中自花传粉不需要依赖于传粉媒介,一棵植物自身就能产生种子;而异花传粉则需要媒介的帮助在不同植物间完成传粉。在环境恶劣的高海拔地区,能够为植物传粉的动物种类和数量都要远远少于内陆。因此,高原植物为博昆虫一顾都使出了浑身解数。

  植物可以通过多种方式来吸引昆虫,其中最主要的一种就是增强花的展示度以增加对昆虫的吸引能力。用大而鲜艳、形状特异的花朵“招蜂引蝶”,马先蒿当属个中翘楚。杨永平说,列当科的马先蒿有600至800个种,许多特有种分布在青藏高原地区。马先蒿最大特点之一是其花冠形态多样,几乎每个种的花朵都不相同,变化之多让人眼花缭乱。

  已有的研究表明,马先蒿缤纷多样的花冠类型是与其传粉机制相适应而长期演化的结果。颜色鲜艳、形状各异的花朵,可以增强其对传粉蜂虫的吸引力。

  而塔黄则开辟了与昆虫“你为我传粉,我替你养娃”的合作模式。常见于海拔4000—6000米区域的蓼科大黄属植物塔黄,在经过5—7年的风雪考验后,性成熟的塔黄便会长出高达1.5—2米的花序,由下向上逐渐变细;花序外面一层一层包裹着大型半透明的奶黄色苞片。

  在一片片低调的苞叶下,藏着一串串等待发育的花序。层层叠叠的苞叶,为花朵和各种各样的昆虫搭起天然的暖房。花序由下而上次第绽开,昆虫在花序上爬来爬去,就会把别处带来的花粉不经意间抹到塔黄雌蕊的柱头上,于是在不经意间就帮助塔黄完成了授粉。

  为了将来能继续与这些昆虫保持合作,塔黄还不惜贡献出自己大约三分之一的种子给这些昆虫的幼虫作为食物。

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古DNA研究:洞察欧亚东部大陆人群历史

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古DNA研究:洞察欧亚东部大陆人群历史插图

中科院古脊椎动物与古人类研究所的科研人员在超净室工作研究古DNA。中科院古脊椎动物与古人类研究所提供 

古DNA研究:洞察欧亚东部大陆人群历史插图(1)

田园洞人生活场景想象图(郭肖聪绘)

  中国人从哪里来?在现代人类的演化过程中,我们祖先经历过怎样的迁徙?

  科学研究发现,在末次盛冰期之前,现代人祖先已扩散至整个欧亚大陆,北至西伯利亚、西至欧洲、东至亚洲,在这片大陆上繁衍生息。地球气候在末次冰期时历经数次冷暖更替的变化,使得现代人群或是为寻求宜居之地而不断进行扩散与交流活动,或是因极端恶化的环境而遭受灭顶之灾,由而带来欧亚大陆区域性人群结构的相应改变,并逐渐演化成如今形色各异,从表面的语言、文化,到根本的遗传上均存在差别的各类族群。

  那么,末次盛冰期前后,欧亚大陆曾经存在过哪些现代人群?他们在欧亚版图里留下怎样的活动轨迹?对现今人群又有着怎样的遗传影响呢?现有的古基因组(古DNA)研究已勾勒出欧亚西部人群演化的大致脉络,为我们揭开现代人在欧洲迁徙、分化与融合的历史。而欧亚东部人群的研究相对匮乏,已有的研究多数聚焦在欧亚大草原人群。直到2017年中国田园洞人基因组的破译才为东亚人群演化研究打开新局面。随着针对中国人群的大规模古DNA研究地不断涌现,让我们得以在更大时空框架下去讲述欧亚大陆东部人群的演化故事。

  本期,邀请中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的科学家们为我们梳理了近年来与欧亚东部人群相关的重要古DNA研究,为我们展示旧石器时代晚期至新石器时代以来不同人群栖息和在欧亚东部大陆迁徙与互动的图景,以及这些远古人群在我们当今现代人的基因图谱里留下的遗传印记。

  1、旧石器时代的欧亚东部大陆有过哪些现代人群?

  古DNA为我们提供了近距离观察远古人群遗传分布、迁徙路径和互动网络的独特窗口。尽管欧亚东部旧石器时代人群的基因组数据非常稀少,然而通过少数东亚北部与西伯利亚人群的已有基因组,我们仍然得以发现这一时期栖息在欧亚东部大陆的现代人群并不单一,并观察到他们所携遗传成分的差异及与现今欧亚人群的不同联系,由此探明这些人群的演化历史与遗传印记。

  西伯利亚4.5万年前Ust’-Ishim个体所代表的早期现代人群

  2014年,出土于西伯利亚西部沿额尔齐斯河岸的现代人股骨(Ust’-Ishim个体)的基因组公开发布,这是迄今为止世界最古老的早期现代人基因组。

  尽管Ust’-Ishim个体来自欧亚东部,但基因组数据却显示他与欧亚西部的古代狩猎采集人群以及古代和现今的东亚人群有相同的遗传联系,这表明Ust’-Ishim个体代表的早期现代人群在欧亚大陆东西部人群分离之前或之时,便从两者的共同祖先人群中分化出来,对现今欧亚人群没有明显遗传影响。从Y染色体来看,Ust’-Ishim个体代表的群体较之非洲人而言,更接近欧亚大陆群体,与亚洲人群有一定遗传联系。

  中国4万年前田园洞人所代表的古东亚人群

  2017年,发掘自中国北京房山区周口店附近山洞里的一具男性骨骼化石(田园洞人)成功展开基因组范围捕获和测序,最终获得东亚地区最古老的人类基因组。

  古基因组数据显示,该4万年前的田园洞人是古东亚人,已经呈现亚洲人的遗传特征,但却并没有直接后代延续至今。虽然4万年前的亚洲和欧洲人群已经分离,但有趣的是,地处东亚的田园洞人与远在比利时3.5万年前的古欧洲人(Goyet Q116-1个体)存在遗传联系,他们体内都残存着一种古老基因。这表明古欧洲人与古亚洲人之间在遗传上并不是简单决然地分开的,很可能有一种更古老的人群间接对田园洞人和Goyet Q116-1个体代表的古欧洲人共同产生了遗传影响,而这个古老人群可能是从尚未分化的古欧亚人群中的某一亚群演化而来。

  西伯利亚3.16万年前Yana个体所代表的古北西伯利亚人群

  2019年,西伯利亚东北部一处文物丰富、海拔很高的亚纳河犀牛角遗址发现3.16万年前的两颗人类牙齿(Yana个体),通过基因组研究显示其代表了一种独特的群体——古北西伯利亚人群。

  虽然地处西伯利亚东北部的极端环境,Yana个体从遗传上却显示与欧亚西部人群有更近的联系,他们携有71%的欧洲人群祖源成分和29%的东亚人群祖源成分,这也揭示出约在3.9万年前欧亚东西部人群发生的重要分歧事件。

  此外,古北西伯利亚人群显示与来自贝加尔湖地区的北欧亚人群(2.4万年前的Mal’ta个体和1.7万年前的Afontova Gora 2、3个体)有最紧密的遗传联系,可以说北欧亚人群就是古北西伯利亚人群的后裔。而北欧亚人群与美洲原住民也有着紧密的遗传联系,美洲原住民的祖先人群正是该后裔人群与东亚人群的基因混合人群。这些结果表明,古北西伯利亚人群的祖源成分曾广泛分布在西伯利亚的古代人群之中,并随着部分后裔人群的迁徙扩散到北美洲,大约在1.4-3.6万年前与分批迁徙到这里的东亚人群不断发生融合,形成美洲原住民的远古祖先;同时部分后裔人群在西伯利亚与分批迁徙而来的两支古东亚人群混杂而居,并发生基因交流以形成后期人群。

  这些不同的人群及其祖源成分,突显出旧石器时代晚期生活在欧亚东部大陆人群的多样性,以及该时期人群迁徙与融合历史的复杂性。

  2、新石器时代的欧亚东部大陆有过哪些现代人群?

  新石器时代,欧亚大陆东部也存在着各种有着不同遗传特征的祖先人群,主要包括古西伯利亚人群、东亚古北方人群、东亚古南方人群、两种不同的古老的亚洲人群及青藏高原人群等,他们的迁徙与融合使欧亚东部人群的遗传结构发生着巨大变化,并对后期人群产生遗传影响。古DNA证据让我们得以追踪这些人群的遗传演变与基因传承。

  俄罗斯远东Kolyma1个体所代表的古西伯利亚人群

  古西伯利亚人群以俄罗斯远东地区杜凡尼亚尔遗址9800年前的Kolyma1个体为代表,主要含有亚洲人群成分。

  古西伯利亚人群的形成与美国原住民相似,其祖先人群也是同时携有东亚人群祖源成分和古北西伯利亚人群祖源成分的混合人群,但不同的是其东亚人群祖源成分的影响更为显著。在西伯利亚,新石器时代早期的重要标志就是亚洲人群成分的流入,而这些成分正是导致西伯利亚人群自9800年以来发生遗传变异的重要组成部分。

  东亚古北方人群

  东亚古北方人群以新石器时代早期东亚北部的人类样本为代表,包括俄罗斯远东地区鬼门洞7700年前的6个个体,中国北方黄河流域下游山东省9500—7400年前的6个个体,以及西伯利亚南部贝加尔湖地区7100—6300年前的15个个体。这些个体形成一个支系,显示与古代和现今的东亚北方人群有最近的遗传联系。

  有一个有趣的现象,鬼门洞地区人群自新石器时代以来有着非常高的遗传连续性,并没有发生重大的人群更替。相比之下,贝加尔湖地区却发生了人群的替代,即旧石器时代晚期携有古西伯利亚人群相关成分的狩猎采集人群被新石器时代早期携有东亚古北方人群成分的新西伯利亚人群所大量替代。这些结果表明,东亚古北方人群成分曾广泛分布在东亚北部地区,且向北扩散至西伯利亚。

  东亚古南方人群

  东亚古南方人群以中国南方福建省8400年前的奇和洞个体和台湾海峡8300—7500年前的亮岛个体为代表。东亚古南方人群成分与东亚古北方人群成分截然不同,研究表明东亚南北方人群至少在9500已经发生分化,而自新石器时代早期以来随着人群的迁徙流动开始发生融合。后期,古南方人群成分在4600—4200年前的福建人群中仍持续存在并占据较高比例,直到如今在东亚大陆的大部分人群里仅占有较小比例,而对现今南岛语系人群及部分东南亚人群显示有重要的遗传贡献。

  两种不同的古老的亚洲人群

  新石器时代还存在着两种不同的古老的亚洲人群。

  第一种古老的亚洲人群以和平文化相关的狩猎采集人群(8000年前的La368个体和4300年的Ma911个体)为代表,他们与现今安达曼群岛的翁奇人同属于东南亚人群的“第一层”祖先人群。这种古老的亚洲人群与欧亚东部的其他人群有非常大的遗传差异(同田园洞人和欧亚东部的其他人群之间的差异程度相似),和现今大多数东亚人群没有遗传联系。

  第二种古老的亚洲人群以日本绳纹文化相关的晚期人群(3800—2500年前的Jōmon个体)为代表,这种人群同样与古代和现今东亚人群的祖先在很早以前就分离了。这些绳纹文化相关人群较之田园洞人和第一种古老的亚洲人群来说,与东亚古北方人群和古南方人群有更近的遗传联系,但是该人群与东亚南北方人群的分离时间很可能要早于与美洲原住民分离的时间。

  青藏高原人群

  青藏高原人群主要以生活在青藏高原的古代人群(3100—2400年前的Chokhopani个体,目前已有基因组并未到新石器时代早期那么早)和现今藏族人群为代表。

  我们在欧亚东部古人群中展开比较时发现,青藏高原人群与东亚古北方人群有更多的遗传联系。最近相关的古线粒体基因组研究显示,青藏高原及周边地区5000—3000年前的人群对现今藏族人群有部分遗传贡献,这表明青藏高原上可能有更古老的祖先人群尚未被探明。现有证据表明青藏高原人群远比以前想象的要复杂多样,需要补充更多古基因组数据以深入了解青藏高原史前人群的迁徙和演化历史。

  3、新石器时代的欧亚东部大陆有过哪些大规模的迁徙浪潮?

  迁徙在欧亚东部现今人群结构的形成和发展中发挥着重要作用。欧亚大陆东部人群自新石器时代以来发生过多次大规模的人群迁徙,古DNA为我们揭示出至少三次大规模的南向迁徙浪潮与基因影响,凸显出基因流动在东部人群演化历史中占据的重要地位:一是东亚北方人群向南迁徙,导致南方人群所携有的古北方人群成分不断增高;二是东亚人群扩散至东南亚地区,导致东亚人群相关成分在东南亚人群中与古老的亚洲人群成分相混合;三是东亚古南方人群成分随着南岛语系人群的迁徙而扩散至东南亚与太平洋西南部岛屿。

  东亚北方人群的南向迁徙

  新石器时代晚期,4600—4200年的东亚南方人群已经显示含有少量东亚古北方人群相关成分,且显示与新石器时代早期的北方人群有更密切的联系。这表明在东亚版图里,该时期北方人群的南迁活动已经开始,并显示出其遗传成分的明显影响。

  在现今东亚南方大陆的人群里,尽管东亚古南方人群成分依然以一定比例存在,但是东亚古北方人群成分——与新石器时代早期黄河流域下游的山东人群最为相关的成分已呈现出显著影响;同时在现今部分东亚北方人群中,也发现有少量东亚古南方人群成分。这表明,在新石器时期之后出现了大量黄河流域人群向南迁徙的现象,从而形成现今东亚南北方人群的基本遗传格局。

  东亚人群向东南亚地区的扩散

  东亚人群成分约在4000年前扩展到东南亚地区,这种来自中国南方的基因流对东南亚人群的遗传构成有着深远影响。我们在现今东南亚人群中依然发现了以采集狩猎人群为代表的第一种古老的亚洲人群成分的痕迹,这表明存在一个复杂的过渡时期,其特征是发生多次东亚人群的迁徙浪潮,这些移民与东南亚的原住民发生了混合。最终,第一层古老的亚洲人群成分与后来第二层和农业人群相关的东亚人群成分共同对现今多样化的东南亚人群作出贡献。

  东亚古南方人群及其后代向东南亚及太平洋岛屿的扩散

  东亚古南方人群显示与现今南岛语系人群有最密切的遗传联系,这反映最早的南岛语系人群可能起源于东亚大陆的东南沿海地区,而后扩散到台湾岛。

  有趣的是,来自大洋洲以3000年前Vanuatu个体为代表的古南岛语系人群,较之新石器时代早期(8400—7500年前)的南方人群而言,与新石器时代晚期(4600—4200年前)南方人群的关系更近。此外,不早于1,900年前的菲律宾个体集群与印度尼西亚的现今和古代人群(2300—1800年前)是同一人群,他们被认为是携有南岛语系人群成分和南亚语系人群相似成分的混合人群。这些结果表明,南岛语系人群不断向东南亚扩张——至少在2100年前到达印度尼西亚,至少在1800年前到达菲律宾。总之,东亚南方人群和大洋洲人群的古基因组数据表明,东亚南方人群向南迁徙,扩散到东南亚和太平洋西南部的岛屿。

  欧亚东部人群古基因组信息的增多,极大提高了我们对欧亚大陆东部人群遗传演化历史的了解,尤其是最近基于中国南方和东南亚发现人类遗骸所发表的古基因组研究意义重大。这表明针对炎热潮湿地区的古基因组复原技术发展迅速,使我们能够直接探索到更多的、且可能比以往更古老的遗传学材料。

  随着研究者们对欧亚大陆东部古人群样本的关注日益增加,未来针对该区域更密集的采样与研究,将以更精确的视角揭示欧亚东部史前人群遗传演变和迁徙互动的细节,帮助我们了解更完整的现代人类历史,并解决更多悬而未决的人类演化相关科学问题。

  (作者:平婉菁 张明 付巧妹,平婉菁系中国科学院古脊椎动物与古人类研究所古DNA实验室科研实验助理,张明曾系该所博士,付巧妹系该所研究员)

 

古DNA研究:洞察欧亚东部大陆人群历史插图

中科院古脊椎动物与古人类研究所的科研人员在超净室工作研究古DNA。中科院古脊椎动物与古人类研究所提供 

古DNA研究:洞察欧亚东部大陆人群历史插图(1)

田园洞人生活场景想象图(郭肖聪绘)

  中国人从哪里来?在现代人类的演化过程中,我们祖先经历过怎样的迁徙?

  科学研究发现,在末次盛冰期之前,现代人祖先已扩散至整个欧亚大陆,北至西伯利亚、西至欧洲、东至亚洲,在这片大陆上繁衍生息。地球气候在末次冰期时历经数次冷暖更替的变化,使得现代人群或是为寻求宜居之地而不断进行扩散与交流活动,或是因极端恶化的环境而遭受灭顶之灾,由而带来欧亚大陆区域性人群结构的相应改变,并逐渐演化成如今形色各异,从表面的语言、文化,到根本的遗传上均存在差别的各类族群。

  那么,末次盛冰期前后,欧亚大陆曾经存在过哪些现代人群?他们在欧亚版图里留下怎样的活动轨迹?对现今人群又有着怎样的遗传影响呢?现有的古基因组(古DNA)研究已勾勒出欧亚西部人群演化的大致脉络,为我们揭开现代人在欧洲迁徙、分化与融合的历史。而欧亚东部人群的研究相对匮乏,已有的研究多数聚焦在欧亚大草原人群。直到2017年中国田园洞人基因组的破译才为东亚人群演化研究打开新局面。随着针对中国人群的大规模古DNA研究地不断涌现,让我们得以在更大时空框架下去讲述欧亚大陆东部人群的演化故事。

  本期,邀请中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的科学家们为我们梳理了近年来与欧亚东部人群相关的重要古DNA研究,为我们展示旧石器时代晚期至新石器时代以来不同人群栖息和在欧亚东部大陆迁徙与互动的图景,以及这些远古人群在我们当今现代人的基因图谱里留下的遗传印记。

  1、旧石器时代的欧亚东部大陆有过哪些现代人群?

  古DNA为我们提供了近距离观察远古人群遗传分布、迁徙路径和互动网络的独特窗口。尽管欧亚东部旧石器时代人群的基因组数据非常稀少,然而通过少数东亚北部与西伯利亚人群的已有基因组,我们仍然得以发现这一时期栖息在欧亚东部大陆的现代人群并不单一,并观察到他们所携遗传成分的差异及与现今欧亚人群的不同联系,由此探明这些人群的演化历史与遗传印记。

  西伯利亚4.5万年前Ust’-Ishim个体所代表的早期现代人群

  2014年,出土于西伯利亚西部沿额尔齐斯河岸的现代人股骨(Ust’-Ishim个体)的基因组公开发布,这是迄今为止世界最古老的早期现代人基因组。

  尽管Ust’-Ishim个体来自欧亚东部,但基因组数据却显示他与欧亚西部的古代狩猎采集人群以及古代和现今的东亚人群有相同的遗传联系,这表明Ust’-Ishim个体代表的早期现代人群在欧亚大陆东西部人群分离之前或之时,便从两者的共同祖先人群中分化出来,对现今欧亚人群没有明显遗传影响。从Y染色体来看,Ust’-Ishim个体代表的群体较之非洲人而言,更接近欧亚大陆群体,与亚洲人群有一定遗传联系。

  中国4万年前田园洞人所代表的古东亚人群

  2017年,发掘自中国北京房山区周口店附近山洞里的一具男性骨骼化石(田园洞人)成功展开基因组范围捕获和测序,最终获得东亚地区最古老的人类基因组。

  古基因组数据显示,该4万年前的田园洞人是古东亚人,已经呈现亚洲人的遗传特征,但却并没有直接后代延续至今。虽然4万年前的亚洲和欧洲人群已经分离,但有趣的是,地处东亚的田园洞人与远在比利时3.5万年前的古欧洲人(Goyet Q116-1个体)存在遗传联系,他们体内都残存着一种古老基因。这表明古欧洲人与古亚洲人之间在遗传上并不是简单决然地分开的,很可能有一种更古老的人群间接对田园洞人和Goyet Q116-1个体代表的古欧洲人共同产生了遗传影响,而这个古老人群可能是从尚未分化的古欧亚人群中的某一亚群演化而来。

  西伯利亚3.16万年前Yana个体所代表的古北西伯利亚人群

  2019年,西伯利亚东北部一处文物丰富、海拔很高的亚纳河犀牛角遗址发现3.16万年前的两颗人类牙齿(Yana个体),通过基因组研究显示其代表了一种独特的群体——古北西伯利亚人群。

  虽然地处西伯利亚东北部的极端环境,Yana个体从遗传上却显示与欧亚西部人群有更近的联系,他们携有71%的欧洲人群祖源成分和29%的东亚人群祖源成分,这也揭示出约在3.9万年前欧亚东西部人群发生的重要分歧事件。

  此外,古北西伯利亚人群显示与来自贝加尔湖地区的北欧亚人群(2.4万年前的Mal’ta个体和1.7万年前的Afontova Gora 2、3个体)有最紧密的遗传联系,可以说北欧亚人群就是古北西伯利亚人群的后裔。而北欧亚人群与美洲原住民也有着紧密的遗传联系,美洲原住民的祖先人群正是该后裔人群与东亚人群的基因混合人群。这些结果表明,古北西伯利亚人群的祖源成分曾广泛分布在西伯利亚的古代人群之中,并随着部分后裔人群的迁徙扩散到北美洲,大约在1.4-3.6万年前与分批迁徙到这里的东亚人群不断发生融合,形成美洲原住民的远古祖先;同时部分后裔人群在西伯利亚与分批迁徙而来的两支古东亚人群混杂而居,并发生基因交流以形成后期人群。

  这些不同的人群及其祖源成分,突显出旧石器时代晚期生活在欧亚东部大陆人群的多样性,以及该时期人群迁徙与融合历史的复杂性。

  2、新石器时代的欧亚东部大陆有过哪些现代人群?

  新石器时代,欧亚大陆东部也存在着各种有着不同遗传特征的祖先人群,主要包括古西伯利亚人群、东亚古北方人群、东亚古南方人群、两种不同的古老的亚洲人群及青藏高原人群等,他们的迁徙与融合使欧亚东部人群的遗传结构发生着巨大变化,并对后期人群产生遗传影响。古DNA证据让我们得以追踪这些人群的遗传演变与基因传承。

  俄罗斯远东Kolyma1个体所代表的古西伯利亚人群

  古西伯利亚人群以俄罗斯远东地区杜凡尼亚尔遗址9800年前的Kolyma1个体为代表,主要含有亚洲人群成分。

  古西伯利亚人群的形成与美国原住民相似,其祖先人群也是同时携有东亚人群祖源成分和古北西伯利亚人群祖源成分的混合人群,但不同的是其东亚人群祖源成分的影响更为显著。在西伯利亚,新石器时代早期的重要标志就是亚洲人群成分的流入,而这些成分正是导致西伯利亚人群自9800年以来发生遗传变异的重要组成部分。

  东亚古北方人群

  东亚古北方人群以新石器时代早期东亚北部的人类样本为代表,包括俄罗斯远东地区鬼门洞7700年前的6个个体,中国北方黄河流域下游山东省9500—7400年前的6个个体,以及西伯利亚南部贝加尔湖地区7100—6300年前的15个个体。这些个体形成一个支系,显示与古代和现今的东亚北方人群有最近的遗传联系。

  有一个有趣的现象,鬼门洞地区人群自新石器时代以来有着非常高的遗传连续性,并没有发生重大的人群更替。相比之下,贝加尔湖地区却发生了人群的替代,即旧石器时代晚期携有古西伯利亚人群相关成分的狩猎采集人群被新石器时代早期携有东亚古北方人群成分的新西伯利亚人群所大量替代。这些结果表明,东亚古北方人群成分曾广泛分布在东亚北部地区,且向北扩散至西伯利亚。

  东亚古南方人群

  东亚古南方人群以中国南方福建省8400年前的奇和洞个体和台湾海峡8300—7500年前的亮岛个体为代表。东亚古南方人群成分与东亚古北方人群成分截然不同,研究表明东亚南北方人群至少在9500已经发生分化,而自新石器时代早期以来随着人群的迁徙流动开始发生融合。后期,古南方人群成分在4600—4200年前的福建人群中仍持续存在并占据较高比例,直到如今在东亚大陆的大部分人群里仅占有较小比例,而对现今南岛语系人群及部分东南亚人群显示有重要的遗传贡献。

  两种不同的古老的亚洲人群

  新石器时代还存在着两种不同的古老的亚洲人群。

  第一种古老的亚洲人群以和平文化相关的狩猎采集人群(8000年前的La368个体和4300年的Ma911个体)为代表,他们与现今安达曼群岛的翁奇人同属于东南亚人群的“第一层”祖先人群。这种古老的亚洲人群与欧亚东部的其他人群有非常大的遗传差异(同田园洞人和欧亚东部的其他人群之间的差异程度相似),和现今大多数东亚人群没有遗传联系。

  第二种古老的亚洲人群以日本绳纹文化相关的晚期人群(3800—2500年前的Jōmon个体)为代表,这种人群同样与古代和现今东亚人群的祖先在很早以前就分离了。这些绳纹文化相关人群较之田园洞人和第一种古老的亚洲人群来说,与东亚古北方人群和古南方人群有更近的遗传联系,但是该人群与东亚南北方人群的分离时间很可能要早于与美洲原住民分离的时间。

  青藏高原人群

  青藏高原人群主要以生活在青藏高原的古代人群(3100—2400年前的Chokhopani个体,目前已有基因组并未到新石器时代早期那么早)和现今藏族人群为代表。

  我们在欧亚东部古人群中展开比较时发现,青藏高原人群与东亚古北方人群有更多的遗传联系。最近相关的古线粒体基因组研究显示,青藏高原及周边地区5000—3000年前的人群对现今藏族人群有部分遗传贡献,这表明青藏高原上可能有更古老的祖先人群尚未被探明。现有证据表明青藏高原人群远比以前想象的要复杂多样,需要补充更多古基因组数据以深入了解青藏高原史前人群的迁徙和演化历史。

  3、新石器时代的欧亚东部大陆有过哪些大规模的迁徙浪潮?

  迁徙在欧亚东部现今人群结构的形成和发展中发挥着重要作用。欧亚大陆东部人群自新石器时代以来发生过多次大规模的人群迁徙,古DNA为我们揭示出至少三次大规模的南向迁徙浪潮与基因影响,凸显出基因流动在东部人群演化历史中占据的重要地位:一是东亚北方人群向南迁徙,导致南方人群所携有的古北方人群成分不断增高;二是东亚人群扩散至东南亚地区,导致东亚人群相关成分在东南亚人群中与古老的亚洲人群成分相混合;三是东亚古南方人群成分随着南岛语系人群的迁徙而扩散至东南亚与太平洋西南部岛屿。

  东亚北方人群的南向迁徙

  新石器时代晚期,4600—4200年的东亚南方人群已经显示含有少量东亚古北方人群相关成分,且显示与新石器时代早期的北方人群有更密切的联系。这表明在东亚版图里,该时期北方人群的南迁活动已经开始,并显示出其遗传成分的明显影响。

  在现今东亚南方大陆的人群里,尽管东亚古南方人群成分依然以一定比例存在,但是东亚古北方人群成分——与新石器时代早期黄河流域下游的山东人群最为相关的成分已呈现出显著影响;同时在现今部分东亚北方人群中,也发现有少量东亚古南方人群成分。这表明,在新石器时期之后出现了大量黄河流域人群向南迁徙的现象,从而形成现今东亚南北方人群的基本遗传格局。

  东亚人群向东南亚地区的扩散

  东亚人群成分约在4000年前扩展到东南亚地区,这种来自中国南方的基因流对东南亚人群的遗传构成有着深远影响。我们在现今东南亚人群中依然发现了以采集狩猎人群为代表的第一种古老的亚洲人群成分的痕迹,这表明存在一个复杂的过渡时期,其特征是发生多次东亚人群的迁徙浪潮,这些移民与东南亚的原住民发生了混合。最终,第一层古老的亚洲人群成分与后来第二层和农业人群相关的东亚人群成分共同对现今多样化的东南亚人群作出贡献。

  东亚古南方人群及其后代向东南亚及太平洋岛屿的扩散

  东亚古南方人群显示与现今南岛语系人群有最密切的遗传联系,这反映最早的南岛语系人群可能起源于东亚大陆的东南沿海地区,而后扩散到台湾岛。

  有趣的是,来自大洋洲以3000年前Vanuatu个体为代表的古南岛语系人群,较之新石器时代早期(8400—7500年前)的南方人群而言,与新石器时代晚期(4600—4200年前)南方人群的关系更近。此外,不早于1,900年前的菲律宾个体集群与印度尼西亚的现今和古代人群(2300—1800年前)是同一人群,他们被认为是携有南岛语系人群成分和南亚语系人群相似成分的混合人群。这些结果表明,南岛语系人群不断向东南亚扩张——至少在2100年前到达印度尼西亚,至少在1800年前到达菲律宾。总之,东亚南方人群和大洋洲人群的古基因组数据表明,东亚南方人群向南迁徙,扩散到东南亚和太平洋西南部的岛屿。

  欧亚东部人群古基因组信息的增多,极大提高了我们对欧亚大陆东部人群遗传演化历史的了解,尤其是最近基于中国南方和东南亚发现人类遗骸所发表的古基因组研究意义重大。这表明针对炎热潮湿地区的古基因组复原技术发展迅速,使我们能够直接探索到更多的、且可能比以往更古老的遗传学材料。

  随着研究者们对欧亚大陆东部古人群样本的关注日益增加,未来针对该区域更密集的采样与研究,将以更精确的视角揭示欧亚东部史前人群遗传演变和迁徙互动的细节,帮助我们了解更完整的现代人类历史,并解决更多悬而未决的人类演化相关科学问题。

  (作者:平婉菁 张明 付巧妹,平婉菁系中国科学院古脊椎动物与古人类研究所古DNA实验室科研实验助理,张明曾系该所博士,付巧妹系该所研究员)

 

文章来源于互联网中科网:古DNA研究:洞察欧亚东部大陆人群历史 更多科普知识,欢迎关注芝麻网!

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土木双星伴月将连续两天上演,最佳观测时间公布

wding6阅读(59)

原标题:土木双星伴月将连续两天上演,最佳观测时间公布

今年北半球的天文爱好者将十分的快乐,因为今年已经上演了很多次的天象奇观,在9月份也还将上演“土木双星伴月”,只要通过肉眼就可以观测到这一天象。

土木双星伴月将连续两天上演,最佳观测时间公布插图

在本月的25日和36日,土星和木星将与一轮盈凸月连续两晚上演“双星伴月”。专家介绍,天气晴好条件下,公众凭肉眼就可在西南方天空目睹奇特天象。有条件的公众可用小型天文望远镜,观测到土星光环、木星卫星和月球的澄海、静海等“月海”。

最佳观测时间段:

“双星伴月”的具体时间是 9 月 25 日 14 时 48 分木星合月, 9 月 26 日 4 时 38 分土星合月。届时,木星和土星将分别位于月球北侧1. 6 度和2. 33 度。而观看双星伴月的最好时段则分别是 9 月 25 日和 26 的傍晚过后。

专家透露,木星和土星的会合周期,大约 20 年才发生一次,这次的天象还刚好出现在周末,如果你所在的地区天气不错的话,可以在夜晚就观测到。

文章来源于互联网

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