Category Archives: 科学松鼠会

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解谜禽流感

本文作者:一起剥坚果 作者:贝塔-鱼(病毒学博士研究生) “国家卫生和计划生育委员会3月31日通报,上海市和安徽省发现3例人感染H7N9禽流感病例。其中2人抢救无效死亡,1人病情危重。3例病例临床表现均为早期出现发热、咳嗽等呼吸道感染症状,进而发展为严重肺炎和呼吸困难……” 在非典过后的十年,在同样的冬春交替之季,我们又一次感受到了新型流感病毒的威胁,这一次的首发地点在上海,一座拥有近2400万人口的大型城市。 20世纪以来,流感病毒引发过四次大流行,均发生在人口稠密的地区,包括1918年爆发的西班牙流感(H1N1),造成近4000万人死亡;1957年的亚洲流感(H2N2)和1968年的香港流感(H3N2)均造成了近百万人的死亡;离我们最近的一次是2009年暴发的猪流感(pH1N1),共在208个国家得到确诊,累计1.8万人死亡。流感病毒暴发已经成为现代人类社会公共卫生的一大威胁 。 1. 流感病毒是什么? 流感是由流行性感冒病毒(influenza virus)感染引起的传染病,具有季节爆发性特点。流感病毒是一种RNA病毒,它的RNA基因组分为7-8个节段,分别编码不同的病毒蛋白质。 根据内部蛋白抗原性的不同,流感病毒可被分为甲型(A型),乙型(B型)和丙型(C型)三种,其中乙型和丙型流感病毒 通常仅引起局限性流行或散发。甲型流感病毒变异性强,多寄生在野生禽类体内,由于感染能力强,较容易引起小规模暴发,甚至世界性大流行。其中,高致病性禽流感病毒感染人后会引起严重的症状,死亡率较高。 流感病毒颗粒外面包裹着一个双层的脂质膜,在脂质膜上面含有几种不同的病毒蛋白质,其中血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)分别具有不同的亚型。对于甲型流感病毒,现在已经至少发现了17种HA亚型(H1~H17)和10种NA亚型(N1~N10),可以通过这两种蛋白质的不同组合将甲型流感病毒分成不同的亚型。我们在新闻里听到的H7N9就是根据这两种蛋白亚型做出的分类。理论上,HA和NA共有170种不同的组合,预示着可能存在170种不同亚型的甲型流感病毒,这些流感病毒在感染宿主类型,感染力和致病力等方面各有不同。 野生禽类可谓流感病毒的大仓库。几乎所有甲型流感病毒亚型都可以从禽类中得到分离,但大多对禽类致病能力较低,会导致禽类出现严重疾病的主要是高致病性H5和H7两个亚型。人流感病毒则主要是H1,H2和H3三个亚型。另外,流感病毒也可以感染其他种类的宿主,比如猫,猪,马,鲸,雪貂和海豹等。在禽流感疫区,不要让家养的猫狗食用生的禽肉。 2. 禽流感病毒如何向人群传播? 病毒想换个宿主,比人换份工作可难多了。通常认为流感病毒感染具有宿主特异性,不会产生跨物种传播,感染人的流感病毒通常是人型流感病毒或者是人型流感病毒和禽型流感病毒的重组毒株。然而,1997年在香港发现了18个人感染H5N1高致病性禽流感病毒病例,其中6人不幸死亡,这是世界上首次发现H5型禽流感病毒感染人的病例,使得人们认识到,“鸡瘟”是可以变“人瘟”的。由于H5和H7型禽流感病毒亚型都有从低致病性转变为高致病性的可能性,同时在大多数情况下,人体内缺乏对抗这类新型流感病毒的抗体存在,所以它们在感染人后往往会有较高的致病性和致死率。 这次引起关注的H7型禽流感病毒,原本纠缠的对象是鸥雁鹳鹭,但自2002年起,科学家陆续发现人感染H7型禽流感病毒的病例。在过去的10年里,人感染H7型禽流感病毒共有100多例确诊或疑似感染病例,人数最多的一次发生在荷兰,共有80多人感染H7N7型禽流感病毒,其中1人死亡,同时还导致3000多万只鸟禽死亡。2012年下半年在墨西哥暴发的H7N3型禽流感是北美有史以来在禽类中暴发的最大一次疫情,共有2千万只禽鸟被扑杀。此次暴发还导致2人感染,幸运的是他们并未发生发热和肺部症状,仅出现了结膜炎症。 一种病毒能够感染什么宿主,这决定于很多因素,其中最为重要的一点是,病毒能否结合宿主细胞膜表面的特异性受体。 流感病毒在感染宿主的时候,首先需要以病毒表面的血凝素(HA)去结合宿主细胞膜表面的唾液酸受体,所以HA的特异性决定了流感病毒能够感染的宿主种类。 人型流感病毒更倾向于结合一种(α-2,6)唾液酸受体,可以通俗的称为人型流感病毒受体;禽型流感病毒则优先识别另一种(α-2,3)唾液酸受体,可以通俗的称为禽型流感病毒受体。 人的上呼吸道主要分布人型流感病毒受体,下呼吸道则同时分布有人型和禽型流感病毒受体。一般来说流感病毒首先侵犯的是人上呼吸道粘膜上皮细胞,所以人型流感病毒更容易感染人类。 禽类的消化道和呼吸道则主要分布禽型流感病毒受体,所以禽流感病毒更倾向于感染禽类。 这个地方可能有人会有疑问,为什么人的下呼吸道会有禽型流感病毒受体。补充解释一下,这是一种非学术的通俗讲法,这里的受体名称是针对其倾向于结合的流感病毒种类来分的,和受体所处的宿主类型没有关系。 在有些情况下,比如人与禽类长期较为近距离的接触,使得禽流感病毒有机会接触到人,并且有可能在禽类与人之间多次互相传播 。在这个过程中,原本属于禽类的流感病毒会发生适应于感染人的突变,比如出现了能使禽流感病毒结合人呼吸道上皮细胞膜表面受体的能力,便有可能造成人感染禽流感病毒。测序显示,这次的新型H7N9病毒对人型流感病毒受体的结合能力就比一般的禽流感病毒强。 猪的呼吸道内同时存在能够被禽流感病毒和人流感病毒结合的受体,所以人流感病毒和禽流感病毒均可以感染猪,研究界一直认为,不同亚型的流感病毒可以在猪的体内发生基因重组或重排,这样的过程也有可能使得原本只能感染禽类的病毒向人群传播。 南方科技大学生物系副教授贺建奎发现,最近感染人的新H7N9病毒的8个RNA节段,H来自欧亚系的H7亚型病毒,N则来自N9家族中的H11N9或经典H7N9,其余6个节段都来自H9N2,这些来源全部是禽流感病毒。也就是说,还没有发现猪流感病毒的手笔,结合现有的资料,这个新病毒可能与二师兄无关。 3. H7N9是新型禽流感病毒吗? H7N9禽流感病毒曾多次从禽类被分离出来,并且已经造成过几次在禽类中的小规模流行。如在2005年7月到2007年7月之间,科学家就在西班牙中部不同地区采集到的绿头鸭样品中,发现了H7N9禽流感病毒。2009年2月在捷克共和国一个自由放养的鹅农场中曾发生了H7N9型禽流感病毒的暴发。2009年4月,美国肯塔基州的一个养鸡场中鸡蛋产量出现10%-20%的下降,研究人员在这些鸡中分离到H7N9禽流感病毒。2011年,在美国明尼苏达州的火鸡中以及内布拉斯加州的鹅和珍珠鸡中,科学家共分离到8株H7N9禽流感病毒。 近期发生在上海和安徽的禽流感病例,是有史以来首次发现人感染H7N9型禽流感病毒,我们对于这种禽流感病毒知之甚少。从官方发布的《人感染H7N9禽流感疫情答问》可知,人感染H7N9型禽流感的症状与其他型流感病毒类似,均为发热,咳嗽等急性呼吸道感染症状,严重者会出现高热,呼吸困难和重症肺炎。最近研究人员在上海活禽交易市场的鸽子和鸡中分离到H7N9禽流感病毒,而且与之前在病人体内分离的病毒高度同源,说明感染H7N9的病禽有可能是传染源。 近期一项研究表明,H7N3和H7N9型禽流感病毒可以不需要适应过程,便可以在小鼠和雪貂的呼吸道内进行有效复制。研究使用的H7N9禽流感毒株是2011年在美国内布拉斯加州的鹅和珍珠鸡中分离得到的。在实验中,研究者并没有发现H7N3和H7N9在感染雪貂后能够引起明显的症状;小鼠在感染后也仅出现体重下降,但很快恢复。 而人感染禽流感病毒后的严重程度与多种因素相关,如患者年龄,发病后就诊时间和感染病毒种类等。由于缺乏研究资料,H7N9禽流感病毒对于人的致病能力还不清楚,但在本次人感染H7N9禽流感病毒病例中,重症居多,且死亡率较高。现有的资料表明,H7N9禽流感病毒在感染人体后,会主要影响下呼吸道甚至肺深部的细胞,造成较为严重的肺部炎症,是病人出现重症和死亡的主要原因。 从流感病毒感染的角度而言,人类上呼吸道和下呼吸道存在一些差别。人的上呼吸道主要分部人型流感病毒(H1,H2和H3型)受体,而在下呼吸道则同时分布有人型和禽型(H5和H7型等)流感病毒受体。此外,相比上呼吸道,人的下呼吸道和肺部温度会更高一些。禽类体温比人类要高,禽流感病毒更适宜在禽类体内较高温度的环境下生存。H7N9禽流感病毒容易影响到下呼吸道和肺深部细胞的原因还不清楚,但可能涉及受体与温度。另外,人类在首次感染新型禽流感病毒时,由于体内缺乏针对这种病毒的抗体,病毒感染后容易迅速扩增,从而对宿主产生较大的伤害,这也可能导致人感染H7N9禽流感病毒后出现较为严重的症状。 4. H7N9禽流感病毒会造成大流行吗? 根据以往的经验来看,每隔十来年,往往会出现一场流感大流行。大规模疫情要发生,除了需要流感病毒能够有效感染人并能在人体内成功复制外,还需要病毒能够建立有效的人际间传播的能力。在能够感染人体的病毒中,通常已经出现了适应于感染人的突变,然而,这却不能够与病毒可以在人际间传播相等同。比如1997年在香港发现了人感染H5N1高致病性禽流感病毒病例,表明这种禽流感病毒已经产生了易于感染人类的突变。同时,也有国外研究表明,在一种哺乳动物雪貂中,H5N1经过人为反复多次传代后,实验室条件下可以得到能够在雪貂间直接传播的H5N1禽流感病毒病毒。但截至目前,仍没有H5N1能够在人际间传播的报道。 病毒想要建立人际间传播的能力,需要突破多种限制因素。比如病毒需要在传播媒介中能够较长时间稳定存在,对于通过呼吸道传播的传染病,需要病毒在灰尘或气雾中能够保持感染力;病毒还需要能够较容易的从宿主体内排出,这样才能够有足够数量的病毒去感染新的个体,H7N9禽流感病毒主要感染人的下呼吸道和肺部,在那里复制的病毒不容易被咳出,也正是因为这个原因,H7N9也不容易到达相应的感染部位;另外,病毒对于宿主的感染力,也就是病毒与宿主细胞膜表面受体的结合能力也会影响感染的成功率。所以,病毒想要在人际间传播,需要通过产生多种突变才能够实现。现在已知自然界存在的H5和H7型禽流感病毒还未发现在人际间传播的病例,从目前的证据来看,此次出现的新型H7N9禽流感病毒难以造成较大规模的流行。 当然,抗原变异或与人流感病毒重配有可能让新型H7N9产生传播力更强的新毒株,疾控部门仍不可放松警惕。 … Continue reading

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打造双语宝宝

本文作者:圆儿 双语教育是当今十分流行的一个字眼。也许是由于经济文化越来越国际化的原因,越来越多的人开始学习使用两种以上的语言。有数据显示,全世界会两种以上语言的 人口已经远超过单一语言的人口数目。为了跟上“国际化”的潮流,越来越多的父母开始注重孩子双语的培养,甚至从刚出生就尽力创造双语环境给宝宝。那么, 双语宝宝除了在语言上有优势以外,在其他方面有什么优势和劣势呢?在培养双语宝宝的过程中我们又应当考虑和注意些什么呢? 双语好处多 长期以来,语言学家和语言发育方面的学者一直认为双语环境是不利于宝宝的学习的,甚至会降低孩子学习语言和掌握词汇量的速度。可后来,越来越多的研究发现,在双语环境下培养出来的孩子竟然在认知方面有优势,甚至当他们老了以后,还能有效的推后老年痴呆症的发生。 这是怎么一回事呢?双语对学习认知难道有辅助作用? 我们在日常的生活中无时不刻的被各种感官输入包围,而要快速有效的完成自己想要做的事情就要屏蔽掉99% 的无用输入,而准确的抓住1%的有效输入然后进行处理加工。在这个过程中,起到决定性关键作用的就是对外界刺激进行选择的过程,被称为执行功能,是大脑前 额叶区的重要功能之一。而大脑前额叶区正是在0-5岁发育起来的,那也是人类学习语言的关键时期。学习多种语言的过程正使大脑面临了类似的一种挑战,他们需要在潜意识里自动切换不同的语言环境,从而对执行功能起到了潜移默化的锻炼作用。所以,双语甚至多语在对一个人的认知发展方面有着积极的促进作用。 不仅如此,2010年的一项对双语儿童和单语儿童的行为研究中发现,对于小学年龄的孩子来说,熟练掌握双语的孩子行为方面的问题要比单语儿童出现的晚而且 少。有科学家猜测,这也是执行功能起的作用。由此可见,双语的训练对孩子的大脑发育有着极其特殊的作用,对孩子的智商情商的双重积极影响也是值得我们关注和研究的。 双语初养成 虽然说“活到老,学到老”,学习这种事情多晚都不算晚,但是对于双语来说,还是越早越好的。 我们知道,学习语言最重要的是环境。科学研究发现,成年人学习第二语言的方式和婴儿学习语言有很大的不同。成年人在学习第二种语言的时候一般来说会利用母语 作为翻译的工具和手段,而婴儿学习语言是一种完全自然的过程,是环境造就的结果。在一项对英语和西班牙语双语环境下的婴儿脑波观测的研究中,科学家发现,6-9个月的婴儿大脑还不能分辨两种语言,但是到了10-12个月的时候,婴儿大脑中对两种语言的反应的差别就日趋明显。家庭环境中两种语言利用率越高,婴儿分辨两种语言的能力越强,并且婴儿日后的双语熟练水平和综合能力也与早期家庭语言环境有很强的关联性。 美国麻省州立大学语言专家Pearson教授提出两种培养双语宝宝的方法,一种叫做OPOL(one parent one language) 一个家长一门语言,也就是说在家里对孩子说话的时候,爸爸只用一种语言,妈妈只用另外一种语言。另一种是mL@H(minority language at home)家中使用非官方语言,也就是说社会中(比如学校,超市,医院)孩子接触一种语言,而回家后接触另一种非官方的语言。这两种方法都是本着最大程度的提高对两种语言的接触环境的原则,也是最有效的双语教育方法。 不过国内大部分家庭都没有这种语言环境,这就对培养双语宝宝构成了一定的挑战性。尤其如果父母的外语水平有限,口音严重的话,还是尽量不要对宝宝讲外语。通过专业人士定期上课的方法也许才是最佳选择。 双语问答 问:双语会导致孩子说话晚么? 答: 很多家长都认为双语环境会导致孩子说话晚,但其实,并没有什么科学证据显示双语宝宝在语言方面有任何的延迟。在2002年发表的一篇科学综述中,两位美国 科学家通过对大量文献的研究,他们提出婴儿期开始的多语环境的教育不会对孩子语言和概念的学习造成任何影响。事实上,丰富的双语环境会让孩子最终获得两种 母语,一样的流利纯熟。 问:双语会导致孩子对语言混淆么? 答: 双语宝宝的语言混淆也是家长所担心的问题之一。科学研究发现,这种语言混淆是完全可以避免的。比如说前面提到的OPOL,也就是父母两个人每人对孩子只说 一种不同的语言,日积月累,孩子就明白了,比如只和爸爸说英文,只和妈妈讲中文,这样就能最大程度的避免语言混淆。研究还发现,让孩子在两种语言环境下相 处的时间越多,语言混淆的程度也就越低。 问:通过看外语电视能培养出双语宝宝么? 答: 很多家长通过看电视等手段给孩子创造外语环境,这是否可行呢?最近的一项在婴儿听觉的实验中发现,婴儿辨别声音的能力会随着年龄的增长而减退。只有和父 母保姆老师等接触到的语言中的声音辨别才会保持不变,即使通过电视让婴儿反复听一门外语,他对外语中声音的辨别能力还是会下降的。 … Continue reading

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睡得越多,死得越快吗?

本文作者:冷月如霜 流言: 【惊人!睡得越多死得越快】每天仅睡六七个小时的人,比每天睡超过8小时,或少于4小时的人死亡率要低很多。睡得过多和吃得过饱都是一个道理,吃得八分饱,也许才是最健康的。因此,即使到点之后还觉得困,你也应该说服自己别再赖在床上了。 真相: 人的一生有很大一部分时间在睡眠中度过。熬夜加班缺乏睡眠让人精神不振,不少人都深有体会,但要说“每天睡超过8小时死亡率反而高”,可能不少人都会觉得不可思议。不过,美国癌症协会( American Cancer Society )领导的一项大型研究确实发现在长达6年的追踪时间内,每晚睡8个小时的人竟比每晚睡7个小时的人有着更高的死亡率。 这项名为“第二期癌症预防研究”(Cancer Prevention Research II)的研究目的在于搞清不同的环境因素和生活习性在癌症发病上起的作用,因此饮食、烟酒史、家族患病情况等信息都会被一一记录下来,而睡眠时间正是其中的参数之一。 这是一项大样本的调查,研究总共收集了116万人的数据,受试者中最年轻的有30岁,最年长的有102岁。在调查问卷中,受试者需要如实填写自己每晚的平均睡眠时间,并在四舍五入近似到小时后录入数据库。6年之后,调查人员对这些受试者进行了回访,统计出了健在者和死亡者的名单,以此来计算每一个具有不同睡眠时长的群体的死亡率。最后的结果我们已经在开头提到了——在排除了其他环境因素、生活习惯和健康状况的影响后,平均每晚睡眠7个小时的人有着最低的死亡率,其次则是每晚睡6个小时的人,而每晚睡眠8个小时的人的死亡率竟要比每晚睡7个小时的人高出12% 。 【不同睡眠时间对女性(左)和男性(右)死亡风险率的影响。风险率以每晚睡眠7小时的群体死亡率为基准,数值每高0.1则意味着死亡率高10%[1]。】 除了睡眠时间长短,失眠是否对健康有影响也是容易勾起人们兴趣的话题。这项研究通过调查每名受试者在过去一个月中失眠的次数,对失眠与健康的关系也做了研究。令人感到惊讶的是,失眠对死亡率只有很小的影响,失眠次数的多寡(从不失眠到每月失眠10次以上)也与相应群体的死亡率无关。然而在失眠频度相同的情况下,长期使用安眠药助眠会使每天睡眠7-10个小时的群体的死亡率明显上升。 如果说“长期使用安眠药会影响人的健康”尚且好理解,那么“每天睡眠7小时而不是8小时才对健康有益”以及“失眠对人体的健康无害”这两个观点无疑颠覆了很多朋友的三观。对于这项研究的解读真能证实这两个结论吗?研究论文的第一作者,来自加州大学圣迭戈分校的克里普克教授( Daniel F. Kripke)对此的评价很是谨慎[2]。 关于第一点,虽然睡眠时长和受试者6年内的死亡率呈现出极强的相关性,但之间的因果关系尚未得到证明。仅依靠目前已知的知识仍然无法确认究竟是睡眠时长导致了死亡率的不同,还是由于某些短期内致死率高的隐疾影响了人体的睡眠时长。无论是哪一种可能,其中的机理都有待阐明。关于第二点,很多时候的所谓“失眠”并不是真正的缺乏睡眠。仔细算来,许多受试者的睡眠时间依旧在正常人的睡眠范围之内。此外,研究仅仅考虑了失眠频度对短期死亡率的影响,诸如犯困、情绪沮丧或注意力不集中等问题并没有在这项研究中得到重视。在对“失眠”做出明确的定义,并检视失眠对人体的其他影响之前,断言失眠对人体的健康无害显然为时过早[4]。 结论: 因为最近几周压力大没睡好而担心自己的健康?没有必要,而长期服用安眠药助眠可能更是得不偿失。虽然在阐明睡眠和健康之间的作用机理之前把每天的闹钟拨快一个小时并不是什么明智的做法,但这项研究至少告诉我们或许人类并不需要那么多的睡眠。 参考资料: [1] Mortality associated with sleep duration and insomnia, Kripke et al., Arch Gen Psychiatry. 2002;59(2):131-136 … Continue reading

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北京地面沉降——人与自然谁在主推?

本文作者:溯鹰 城市,是人类最具象化的文明表现形式。一座城市的文化与底蕴,只有经历时光的磨砺才能愈显厚重。文化意义上的“厚重”,自然是城市们趋之若鹜的选项,可当它回归字面意义时,“厚重”,便瞬间成了任何城市都不愿面对的一大难题。 地面沉降——便是这字面意义上“厚重”的同义词。地面沉降给一座现代化城市所带来的影响可谓巨大。一方面,它潜在地影响着市政基础设施的功用,为建筑、轨道交通及供排水等系统埋下巨大的隐患;另一方面,它更能通过地裂缝、地表塌陷等突发形式直接危害市民的出行安全,从而在保障公民的安居乐业——这一城市的终极责任上,投上一朵乌云。 北京是我国地面沉降较为严重的城市之一。虽然北京作为中国城市系统中执牛耳者,享受着最为现代化的发展轨迹,但同时,地面沉降对北京的种种影响和制约,也让防治沉降摆上了市政发展的议事日程。据1935年北京地面沉降问题首次发现至今,地面沉降随着京城的发展而日趋严重。据统计,在1935至1952年间,17年内的最大累积沉降量仅有58mm,而到了2009年,一年之内的最大沉降量便可达137.51mm,换句话说,每过一年,身在北京的你,脚踏的地面或许便已经矮了十几公分。 【繁荣发展的北京示意图。这座现代化的古都,却在地面沉降的问题上遭受着来自自然的先天性影响。图片来源:http://cnreviews.com/life/travel-tourism/beijing-accent-pollution-subway_20091217.html】 北京地面沉降程度与其发展规模之间在数值上显得如此“息息相关”,让人们不禁把目光投向自身的生产生活。一直以来,地下水开采量的剧增,被认为是导致北京地面沉降增幅的主要原因。这诚然在很大程度上道出了北京地面沉降的直接诱发机制,然而,再发达的城市也不可能是与自然完全隔绝的孤立体,:如果人们不开采地下水、不建筑密密麻麻的楼盘、甚至完全不在这片土地上开发城市,它就不沉降了吗?在关注人类自身行为的同时,也同样不要忽视了现象背后另一只“看不见的手”——自然的“第一推力”。 揭示北京地面沉降中大自然的幕后推力,便是揭示北京地质发育史的过程。 自然——第一推力 燕赵古都——北京,是一个发祥在冲积扇上的城市。而这冲积扇“地基”的历史,更足以回溯到距今约1亿多年的中生代。当时,在宏伟的燕山运动下,燕山拔地而起,塑造出今日 “西部山区、东部低地”的华北地貌格架。到了新生代,燕山上持续的降水,又孕育出永定河、潮白河等众多水系。这些水系携带着燕山的冲积物滚滚而下,在华北塑造出永定河冲积扇、潮白河冲积扇等数个冲积扇。母亲河们在时光中绵延滔滔,由之形成的冲积扇也在千百万年时空中扩大、成长。相互叠积、覆盖;并在最终,由叠加的冲积扇体系演化为了广袤一体的冲积平原——这,便是今日的北京平原了。 【冲积扇的典型结构示意图。图片来源:http://www.taylordimage.com/technical.html】 今日北京的地面沉降问题,实际只是悠久的平原发育史中一个响在当代的音符罢了。换个说法可能更明白易懂:我们都知道河流一直不断地从山上往下搬运砂石,那为什么地面并没有因它们的持续堆积而升高呢?千百万年以来,燕山还是那个燕山,华北平原,还是那个华北平原。我们从来没见过北京被堆成另一个黄土高坡。 千万年来,维持华北平原“西高东低”的关键因素之一,便在于华北平原地面的不断沉降。平原,在大地构造上属于“稳定区域”。地质演化过程中的稳定,并不是指上下之间固然不动,而是指地区在长期具有缓慢沉降的特征。据地质学家统计,永定河冲积扇自358万年前形成以来,沉积物质已达340余米厚。在当代的凹陷中心如马池口、后沙峪等,沉积物更可厚达597m至1000m。几百米厚的砂石都堆在这里,而华北平原的海拔却一直没有直接飚上去,为什么?就是因为地表的沉降,使得这些沉积物得以一点点地往下挪。 为何沉降?泥土埋藏真相 正是这区域沉降的大地构造趋势,成为了现代北京地面沉降的先天背景。超量开采地下水所引起的隐患,是这“时代背景”下由人类触发的导火索 ——在冲积扇形成过程中,随着水流输出山口,其流力会迅速衰减。而冲积扇(扇中-扇缘)的主体物质中往往是细小松软的泥沙。流力衰减的水系便渗入到这些沙泥的孔隙中去,成为地下水。可想而知,在冲积扇里,有多少水分是虚虚地赋存在泥沙中的。 泥沙,主要由粘土矿物以及微米级造岩矿物颗粒组成。松软的特质导致它们极易被压缩。当你举起一捧华北平原上松软的泥土,和你握住一块硬邦邦的敦实页岩,两者的本质实际上是一样的。泥岩/页岩,便是泥土被彻底压实后的最终产物。这种完全质变的压缩中,被压掉的是什么呢?便是孔隙中赋存的水。 【松散的泥土,在脱水压实之后,能够大规模缩减体积,完成向泥岩的质变。图片来源:http://www.earthsciences.hku.hk/shmuseum/earth_mat_2_1.php】 那么,从泥土向泥岩的转化中,体积究竟缩小多少呢?数据可以很好地说明这个问题:正常的泥土中,水分的含量可达70-80%乃至更高,而页岩的平均含水量(注:此处指自由水而非粘土矿物的晶格水)却往往只有10%乃至更低。地质学中用孔隙度 [Porosity,φ=(孔隙体积/岩石总体积)*100% ] 的概念来量化岩石中富水的程度。在泥土脱水压实形成泥岩的过程中,由于孔隙度的锐减,体积会变为原来的1/7,甚至1/8,整整被压缩了七八倍! 在本来的自然条件下,地表堆积物的重力,已经扮演起天然压缩机的功效了。地下软弱的泥土在地表物质的的重力作用下被压缩,沉积区的地表沉降,也就一直而缓慢地发生着。这是自然给我们的大前提,沉降不仅必然存在,更不可违背。 把自然的帐结了之后,再来说说人类自己的问题。 与城市地面沉降有关的人类直接因素可谓很多,如市政施工中土方回填不足,甚至地下工程的直接垮塌等,但这些因素却基本与区域沉降的大地质背景无关。真正将区域沉降的背景故事做了一场“夸张演绎”的,便是人类生产生活对地下水的过量开采了——实际上,在我们不动声色地讲“城市往事”的时候,坚决不能忽略了这样一个事实:区域沉降在地史中演绎的时间尺度,其实是一个动辄万年的漫长过程。而城市发展日新月异,对地下水的大量需要导致了短时间内严重超量的开采,这无疑相当于在火上浇了一把油,大大地缩短了这个必然事件的时间跨度。北京地区属于严重缺水地区,但人口又偏偏稠密。自1999年以来,年均降水量仅为457mm。缺水的现状,使得向天要水天不给的人们,只能将目光转向地下。第四纪这些“入土未干”的冲积物,便成了滋养京城人口的水源。于是,本应在千万年时间内慢慢完成的沉降过程,便被人工抽取在短时间内代替。可想而知,既然干涉如斯,地球的回馈也就自然不会再慢慢以万千年代来计时了,于是,突变降临城市,地陷改变朝夕。 俗话有讲,尽人事,听天命。我们当然不能把皮球一脚踢给自然,让自己在环境问题上安然免责;但我们也同样不能一股脑钻到自身的牛角尖里,而忽略了自然机制这个先决性背景。无论城市也好,更大的文化范畴也罢,一个健康的文明系统都理应是开放而负责的。向外保持对自然的了解,力求实现人与自然的良性交互———同时———又能够积极地通过体制建设来完成文明内部的发展自约和规模管理。我想,这才是身为地球智慧之子的我们,在延续、繁衍和共生——这些文明Vs.自然的终极命题下,理应给出的符合身份的方案。 参考文献 蔡向民等,北京平原地质系统,《城市地质》。2009,第4卷第3期 杨艳等,北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析,《上海地质》。2010第31卷第4期 关于 感谢田小森、游识猷对初稿提出的宝贵意见。 本文已独家刊发于《新商务周刊》 from 科学松鼠会 http://songshuhui.net/archives/72419 biggest 5 jessica antoinette scams … Continue reading

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宇宙飞船如何往家里打电话?

本文作者:Shea 文 :Francis Reddy 编译:Shea 如果你认为和一个正在太阳系中遨游的探测器通话是一项挑战的话,那么你可以想象一下和30个探测器保持联系会是什么样的情景。美国宇航局的这些远征军究竟是如何往家里“打电话”的呢…… 50年来美国宇航局(NASA)深空探测网(DSN)所接收过数据的探测器名单读起来就像是人类太阳系无人探测的名人录,“先驱者”号、“水手”号、“旅行者”号、“伽利略”、“卡西尼”-“惠更斯”、“深度撞击”、“勇气”号、“机遇”号等一一在列。然而,在这些探测任务所发回的惊人照片和科学结果不断激发我们想象的同时,我们似乎却忽略了这些数据是怎样从太阳系的边缘跃然到NASA网站之上的。 与它的价值相比,DSN并没有得到应有的关注。“它是在深空中运转的探测器和地面之间的生命线,”NASA喷气推进实验室(JPL)DSN深空任务系统项目主管迈克尔・罗德里格斯(Michael Rodrigues)说,“没有它,就没有空间探测。” DSN是同类型中唯一可以为几十个深空探测任务同时提供服务的系统,而深空探测的官方定义为到地球距离超过190万千米的探测任务。目前DSN正支持着大约30个探测器,这其中既包括了地球轨道上的一些探测器,也包括了对近地小行星、月球、水星和金星所进行的雷达探测。事实上,DSN位于美国加利福尼亚州戈德斯通的50万瓦雷达是全世界X波段(7-12千兆赫)雷达中最强大的。 【深空探测网位于美国加州戈德斯通的70米天线,它可以和“旅行者”号之间进行联络。版权:NASA。】 1991年,戈德斯通雷达实验发现,水星极地环形山的阴影中似乎存在着本不应存在的冰。这一雷达也可以用来跟踪近地轨道上的太空垃圾,而有时它甚至还会充当射电望远镜的角色。“事实上DSN并不仅仅是一个通讯工具,”罗德里格斯提醒说。 DSN的天线在经度上以120°为间隔遍布全球,包括美国加州戈德斯通、西班牙马德里以及澳大利亚的堪培拉。当地球自转使得一处的天线无法再和探测器通讯的时候,另一处的天线就会转到朝向它的位置。罗德里格斯说:“我们可以连续监测位于地球同步轨道以外的任何一个物体。” 当DSN和探测器之间进行通讯的时候,取决于探测器的距离DSN可以在几厘米到几米的精度范围内确定它的位置。因此即便DSN无法用来为探测器导航,但它所能提供的信息对于引导任务来说也是至关重要的。 DSN偶尔也会扮演探测任务“救星”的角色。当伽利略木星探测器上的高增益天线无法完全打开的时候,DSN重新配置了地面上的设备以此来使用“伽利略”上的低增益天线。这使得“伽利略”探测任务中80%的科学目标得以实现。 此外,在发射之后的检测中发现欧洲空间局(ESA)的惠更斯探测器和NASA的卡西尼探测器之间存在通讯问题,而前者要依赖后者来向地球发送数据。“为此我们重新调配了探测网中的天线来捕捉‘惠更斯’的信号,获得了更多的信息,”罗德里格斯解释说。 管理问题 2006年6月,DSN的管理者发现他们自己一反常态地成为了关注的焦点。检修DSN核心设备之一的、马德里70米天线的工程师发现,在支持1,900吨天线的承座上存在裂缝。 更换承座意味着维护时间的翻倍,这将使得它在2007年1月之前都无法投入使用。“当时很多探测任务都计划要使用这一天线,”罗德里格斯回忆说,“但突然间被告知不能用了,他们不得不重新做出安排,着实造成了不小的恐慌。” 【深空探测网位于西班牙马德里的70米天线。版权:NASA。】 这一事件也使得人们开始更多的关注正在被老化的硬件、延长的探测任务以及不断增加的新探测器压得喘不过气的DSN。就在工程师发现马德里的天线存在问题之前几个月,做为美国国会调查机构的政府问责办公室公布了一份报告,报告要求对DSN满足日益增长需求的能力予以关注。 报告中写道,DSN正在老化,而且可能会出现越来越多的问题,最后也许会在需求不断上升的情况下崩溃。由此造成的科学数据丢失的风险是难以承受的。 马德里天线更换承座危及到了当时刚到达火星并且正处于精细轨道调整阶段的环火星巡逻者。与此同时,卡西尼探测器也正在发回土星及其卫星的大量探测数据。由于火星和土星在天空中的距离不到30°,因此这两个探测项目的管理者都希望在同一时间使用DSN中的同一个天线。 做为补救,DSN“部署”了多个34米的天线,通过综合它们所获得的信号来达到原先大型天线所能达到的高传输率。一些探测任务不得不为此降低它们的信号传输率以此来适应34米的天线。而对于“卡西尼”的科学团队来说,他们不得不为此来决定哪些观测数据要优先发回地球,而哪些数据将就此永远消失在太空中。 天线阵 不过现在天线阵已经不再是一种应急的措施了,它使得任务的管理者可以更好地与探测器之间建立联系。这样一来,对于相同的信号强度就可以拥有更大的通讯带宽,也意味着更高的数据传输率。它相当于综合了许多小天线,使它们像一个大天线一样工作。按照罗德里格斯的说法,预计于2011年发射的“朱诺”木星探测器就可能会使用天线阵。目前正前往冥王星的“新视野”探测器可能也会使用它。 而斯皮策空间望远镜则是使用天线阵的常客。“虽然‘斯皮策’距离我们并不是很远,但是它正在不断远离地球,而且它上面的发射器功率也不是很大,”罗德里格斯解释说。事实上,“斯皮策”的运转方式为我们提供了一个一窥探测任务管理者、探测器以及DSN之间如何相互作用的绝佳机会。 2003年8月25日“斯皮策”被发射到了一条尾随地球的独特轨道上。“斯皮策”任务主管查尔斯・斯科特(Charles Scott)说:“在相同的轨道上‘斯皮策’会尾随着地球一起绕太阳转动,而与此同时它也在慢慢远离地球。”它离开地球的速度大约为每年1800万千米。 【深空探测网位于澳大利亚堪培拉的70米和34米天线。版权:NASA。】 之所以选择这样的轨道是为了使得“斯皮策”的太阳能电池板可以一直对着太阳,这样一来也可以保护望远镜免受阳光的直接照射。而在与之相反的另一侧,“斯皮策”则是完全暴露在太空中的,没有任何保护。由于要进行红外观测,它上面的望远镜也被冷却到了-248℃。 “斯皮策”发射时携带了360升液态氦制冷剂。“斯皮策”项目科学家迈克尔・沃纳(Michael Werner)说:“我们已经打破了所有使用制冷剂探测器的最长寿命纪录。”其中的秘诀就是“斯皮策”的轨道。即使不使用制冷剂,“斯皮策”自身的温度就可以使得它上面搭载的仪器在两个红外波段上进行不间断的观测。 但是由于它处于尾随地球的轨道上,因此它也有一个显著的缺点。“我们很难在想要的数据传输率下和探测器之间建立通讯,”斯科特说,“当‘斯皮策’越飞越远的时候,数据的传送速率就会不断降低。” 由于“斯皮策”上的液氦制冷剂会缓慢地蒸发,因此科学家们想尽量使得“斯皮策”处于最高效的工作状态,这样就可以在2009年4月底制冷剂耗尽之前完成绝大部分的观测。 “我们必须尽可能的高效,”斯科特说,而“斯皮策”在红外波段的表现也相当不错。从总体来看,到目前为止观测、指向目标以及校准仪器所花的时间占了总时间的90.64%。 “而高效的一部分则来自于数据的高速下行传输,”斯科特解释说,“我们通常采用的下行传输速率为每秒2.2兆。当然随着‘斯皮策’在不断远离地球,我们不得不采用更大口径的天线才能做到这一点。” 在发射的时候,单个34米的天线就能接收“斯皮策”的数据,但是现在则必须要用70米的天线。在DSN中只有3个这么大的天线,而当马德里的天线出现问题的时候,就无法保证它们随时都可以使用了。因此斯科特开始使用天线阵,综合多个小天线所获得的信号来达到一个大天线的效果。“开始的时候我们采用2个34米的天线,现在我们则要用4个,”他说。为了在2009年10月依然能维持目前的“斯皮策”数据传输率,DSN就需要1个70米的天线和1个30米的天线组成的天线阵。 【日落时分的戈德斯通70米天线。版权:NASA。】 与“斯皮策”的舞蹈 … Continue reading