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  • 关于喝水的这13个说法到底是真是假？今天一文说清楚！ 全能贴心问候语：“多喝水”！喝水看似是小事，但却关乎生命。3月22日~3月28日是中国水周，虽然大家对喝水这件事相当熟悉，但关于喝水的传言也是五花八门，比如“阴阳水不能喝”“矿泉水比纯净水更好”等，让人真假难辨。本文整理了关于喝水的13个常见说法，今天来一探真假。图片来源：版权图库01喝水量越多越好？真相：并不是虽然“多喝水”对健康有益，但也并非喝的越多越好。当水的摄入量超过了肾脏排出能力的时候，可导致体液浓度降低，血浆钠离子浓度减少；血液稀释，血浆蛋白质总量、血红蛋白、红细胞比积减少；细胞内、外液的容量增加等，进而导致水中毒。[1]不过，水中毒的现象在正常健康人群中比较少见，多见于有肾脏疾病、肝病、充血性心力衰竭等人群中。并且，如果短期内大量饮水而钠盐又摄入不足，可能会导致低钠血症，出现恶心、呕吐、头疼、记忆力减退、精神迟钝，甚至昏迷死亡。这种情况多见于剧烈运动后大量喝水但没有及时补充电解质的人群，比如马拉松选手。再说了，每天喝水量过大也会影响进食，导致进食量减少，这可能会增加营养不良的风险。那么，喝多少水合适呢？根据《中国居民膳食指南》的建议，温和气候下，轻身体活动水平的男性和女性每天分别需要喝够1700毫升和1500毫升的白水，比如白开水、桶装水、包装饮用水、天然矿泉水、天然泉水等。如果高温或者大量身体活动情况下，需要适量增加饮水量。如果喝不下没有味道的水，也可以喝淡茶水、柠檬水、薄荷水、不加糖的绿豆汤和酸梅汤等。02口渴的时候再去喝水就行？真相：不建议等到口渴才喝水。身体缺水的时候，下丘脑的渗透压感受器会感觉到内环境渗透压上升了，便会将这个信号传递给大脑皮层，让大脑发布信号告诉我们“机体已经缺水了，赶紧补水吧！再不喝水就危险了。”所以当我们出现口渴的感觉时，身体已经处于明显缺水的状态了。平时最好不要等到口渴了才去喝水，应当定时定量主动饮水，或者没事就来一杯，每次喝200毫升，这个量喝起来很轻松也没负担。图片来源：版权图库03“阴阳水”不能喝？真相：放心喝。民间传言：“喝阴阳水会拉肚子，不能喝两掺水。”所谓的阴阳水其实就是冷热两掺的水，生活中这种现象特别普遍，毕竟刚烧开的水那么烫，着急又不能喝，只能掺些凉水来降温，正常操作而已。这种“阴阳水”完全可以喝，也不会导致拉肚子，但前提是保证无论冷水还是热水都是已经烧开过的水或者卫生指标合格的瓶装水，只要符合这样的条件，温度不同的水掺和在一起喝就没问题。但如果是生水可就不好说了，因为生水没有经过高温处理，可能含有致病菌或寄生虫，并不推荐饮用，喝了真可能就会拉肚子了。04饭后喝水会影响消化？真相：并不会有人认为饭后喝水会稀释胃酸，影响食物的消化。其实并不会，胃酸没有那么容易就会被稀释掉。比如有一篇国外的资料中就提到：吃饭前后喝水以及吃饭的时候喝水，都不会影响消化，反而还有助于改善消化。[2]另外，还有一些研究提到：如果纯从生化角度考虑，大概需要近2000毫升的水才会让胃液有变化，相当于三四瓶水呢，想必没有人会在吃完饭以后就一下子喝进去这么多水。所以，饭后适量喝水没问题，不会影响消化，注意小口慢饮，别喝撑就行。05矿泉水比纯净水好？真相：并不是，需要视情况而定。纯净水是普通水采用蒸馏法、电渗析法、离子交换法、反渗透法或其他适当的水净化工艺，加工制成的包装饮用水，几乎不含矿物质等杂质；[3]而矿泉水是从地下深处自然涌出或经钻井采集的，含有一定量的矿物质、微量元素或其他成分，在一定区域内未受污染并采取预防措施避免污染的水。虽然饮用水对人体微量元素营养的贡献较小，但当膳食中无法获得足够钙等微量元素时，从饮用水中补充矿物质含量也不失为一个途径。所以建议微量营养素本身缺乏的人群可以选择喝矿泉水。而存在尿路结石等疾病的人群，建议选择喝纯净水。图片来源：版权图库06饮水机的水很安全？真相：并不是，也可能很脏。在饮水机干净卫生且水质合格的前提下，饮水机的水的确是安全的，但如果一桶水喝很久或者饮水机常年不清理、不消毒可能就不安全了，反而还会增加患病风险。桶装水里的水在密封桶或饮水机中贮存时间较长的时候，当与空气接触后，水中微生物的活动可能使水质发生变化。有研究结果表明，饮水机桶装水启封后，饮用时间越长，桶内水以及饮水机出水中细菌含量越多，桶装水开盖后在7天内饮用完为佳。[4]饮水机内胆和冷水阀内壁的污染是造成出水口微生物含量超标的主要原因，并且很多人会忽略饮水机中聪明座的清洗，聪明座也很容易滋生细菌。家里使用饮水机的小伙伴平时一定要注意给饮水机进行消毒，一般建议半个月~1个月消毒一次。内胆和冷水阀等饮水机部件7天就要清洗一次。07喝硬水容易得结石？真相：放心喝。所谓的硬水就是指水里面钙和镁总浓度比较高的水，含量越高水质越硬。水里面的钙镁等矿物质含量较高，烧水的时候就会在水壶底层和壁上形成水垢。常喝这样的水并不意味着得结石。要想预防结石还得做到多喝水才行，有研究表明，增加饮水量和排尿量可以降低肾脏及泌尿系统结石的发生风险。[1]去除水垢小妙招：用醋和小苏打试试。图片来源：版权图库08喝水也会胖人？真相：怎么可能！长胖的原因是因为全天摄入的热量＞消耗的热量，导致脂肪积累，逐渐变的“圆润”。而水并没有热量，无论是热水、冷水、温水，他们的热量都是0。所以，即便喝再多的水也是不会长胖的，除非你喝的是“糖水”。09喝苏打水能治疗高尿酸？真相：不能治疗临床上治疗高尿酸经常会用到碳酸氢钠，所以有一部分人认为喝苏打水就能治疗高尿酸血症了。我们常说的苏打水，虽然也是含有碳酸氢钠的弱碱性水溶液，但是苏打水中碳酸氢钠的含量和药物相差很多，是不能起到治疗作用的。不过，喝一些苏打水倒是能增加饮水量，当然白水也会有一样的效果。我国《高尿酸血症与痛风患者膳食指导》中建议高尿酸血症与痛风人群每天需要喝够2000毫升的水，多喝水能促进尿酸排出体外。另外需要注意的是：部分苏打水钠含量较高，如果苏打水喝多了，就要减少一些食盐的摄入量。10晨起要喝淡盐水？真相：不建议。很多人习惯早上喝一杯淡盐水，认为可以增加肠道渗透压、清理肠胃、促进宿便排出。实际上，人体没有啥“宿便”，医学上也没有“宿便”“排毒”这样的概念。一杯300毫升的淡盐水，一般需要2克左右的盐。根据《中国居民膳食指南》的推荐，每人每天的食盐摄入量要小于5克，如果早上喝水就已经摄入了近2克的食盐，全天的食盐摄入量就很容易超标，容易升高血压，对心血管健康不利。特别是对于本身就患有高血压、心脏病及肾功能异常的人更需要提高警惕。虽然不建议喝，但可以用淡盐水漱口，有助于清新口气。11喝蜂蜜水治疗便秘？真相：不一定有用。关于喝蜂蜜水促进排便这件事，并不是对所有人都有用的。如果你喝了蜂蜜水以后达到了所谓的通便效果，说明你有果糖不耐受。蜂蜜中含有大量的果糖，而有的人肠道对果糖吸收比较慢，果糖来不及吸收，为了平衡肠道内的渗透压，水分会进入肠腔，大便体积就会增加，从而增加了大便排出，有的人还可能会出现腹泻！也许有人会说：“就算蜂蜜水对排便没用，那也能摄入些营养呀！”蜂蜜水营养有限，蜂蜜中75.6%的成分是糖（包括葡萄糖和果糖等），还有22%的水，脂肪和蛋白含量占2.3%，维生素、矿物质等等成分连0.1%都不到。[5]泡蜂蜜水一般也就用1小勺，营养更是微乎其微，不仅没什么保健作用，多喝还可能会变胖哦！图片来源：版权图库12千滚水会致癌？真相：不会。生活中千滚水是特别常见的，一壶水烧完放久变凉了，再想喝热的就需要继续插上电加热一下，有的时候一壶水都要重新烧开三四次。于是有人担心，反复烧开的千滚水会不会亚硝酸盐超标而致癌？有人做了相关的实验：自来水反复煮沸8次后, 亚硝酸盐含量仅为3.38μg/L。[6]与《GB5749-2006 生活饮用水卫生标准》中规定的生活饮用水水质中亚硝酸盐含量为≤ 1000μg/L相差还很远，所以不用担心会致癌。只要自来水本身卫生是合格的，多烧开几次完全可以放心喝。13隔夜水不健康？真相：密封好放心喝。如果把早上烧好的水放到晚上喝，人们就不担心它不健康；而把晚上烧好的水放到第二天早上喝，就有人担心会有害健康。想不通，这是为什么？其实隔夜水也是相对安全的，只要在不喝的时候盖好盖子，避免掉进去异物就好。但喝水也和吃食物一样，喝多少取多少，不隔夜放置为最佳。看到这儿了还不快去喝杯水？ 作者： 2023/03/28 09:10
  • 全国中小学生安全教育日丨@所有家长，这份安全须知送给孩子！ 每年3月最后一周的周一，是全国中小学生安全教育日。安全教育是每个孩子成长过程中必不可少的一部分，多一次安全教育，孩子就多一份安全保障。这份安全须知送给所有的家长和孩子也希望所有的中小学生无论何时何地都要有安全防范意识学会正确的自我保护提高中小学生交通安全意识做到知危险会避险是每位家长和全社会的责任让我们共同守护孩子成长的每一步让孩子成为自己的安全小卫士综合来源：中华人民共和国应急管理部官方微博、新华网等 作者： 2023/03/28 09:09
  • 爱吃辣的人更容易得痔疮？到底是不是真的？ 你在马桶上坐了好久，便意却迟迟不来。当你铆足了劲儿，终于，突破了瓶颈，但菊花上随之而来的一阵温暖和湿润，以及手纸上鲜红的血迹......这些都在告诉你：有可能是痔病惹得祸！痔疮，大概是很多人的难言之隐。俗话说：“十男九痔，十女十痔。”虽然具体比例没这么高，但痔疮确实是个困扰大众的问题。尤其是随着大家的生活、工作方式的改变，久坐不动的情况越来越多，痔疮的发生自然也越来越多。01什么是痔疮？那么让人谈之色变的痔疮，究竟是什么？其实，痔疮的本质就是黏膜静脉丛曲张形成的一个或者好几个静脉团，看起来是比较鲜红的颜色。这个静脉团，也就是我们自己所说的“小肉球”。小肉球一旦出现往往很难自愈，严重时往往需要去医院切除才行。痔疮可以分为内痔和外痔。医学上，通常以直肠和肛管之间的锯齿状分界线齿状线为标准，将位于齿状线以下的痔称为外痔。外痔，顾名思义就是位于肛门。外痔的存在感通常都比较强，会让肛门产生明显的瘙痒、疼痛、异物感。一般来说，有外痔的人自己都会有感觉。内痔通常位于直肠内，平时没什么存在感。但如果你用力过猛，或者对它有强烈刺激，那么就有可能出血了。内痔还有可能脱出肛门外，如果有破口或者感染就会产生明显的疼痛。02痔疮是怎么形成的？无论内痔还是外痔，痔疮大概是每个人都需要担忧的问题。毕竟，痔疮的发生很可能与我们直立行走，以及习惯性下半身用力的习惯有关。直立行走，让人类得以解放双手使用工具。但直立行走同时也让人类有了其他大部分物种都不会有的困扰——痔疮。直立时，重力会让我们的内脏自然下坠，再加上我们总是习惯下下半身用力，给整个臀部的压力都很大。本就比较脆弱的直肠、肛门等部分很容易就不堪重负。痔疮的形成以及有些人后期变得严重，还与我们不好的生活习惯有关。长时间的久坐或者久站，会让血液流到直肠就走不动了，淤积在此的血液会让肛门部位过度充血，加剧痔疮的严重程度。**习惯边上厕所边玩手机，**在马桶上一坐就是半小时，也会给我们的直肠、肛门部分造成比较大的压力。长此以往，就可能诱发痔疮。平时蔬果、膳食纤维吃得太少，导致肠道蠕动缓慢，排便不顺畅，也会诱发痔疮。甚至平时水喝的太少，大便总是过干，也会对肛门产生刺激。至于吃辣，其实与痔疮的形成并没有直接关系。但是辛辣的食物会刺激你的肠道，让你长时间和马桶相亲相爱，可能间接地导致了痔疮的发生。如果你本来就有痔疮，那么你吃下去的辛辣食物不仅会辣你的嘴，还会辣你的“菊花”。毕竟，肛门部分的黏膜本就敏感，有着丰富的痛觉感受器，而“辣味”的本质就是痛觉，这些辛辣的食物自然也不会放过你菊部地区的这些黏膜们。因此，如果有痔疮，尽量还是少吃辣，是真的会让你痛不欲生啊！03已经有痔疮了应该怎么办？痔疮确诊需要通过医生的指检，如果怀疑自己得了痔疮，或者出现了疑似痔疮的问题，千万不要自己治疗。一定要先去肛肠科确认后，再根据医嘱治疗。毕竟菊部地区的疾病除了痔疮，还有肛裂、直肠癌等等，而且它们的症状也有可能是疼痛、出血。确诊的痔疮，并不是所有都需要切掉。一般来说，痔疮对我们的正常生活不会造成特别大的影响，这种痔疮往往不需要手术切除，日常生活中注意护理就可以。比如改变久坐的习惯、建立更合理的饮食结构、坐浴清洁、减少排便时间等等都很有用处。针对便血症状还可以使用药物进行治疗。如果你的痔疮已经严重到影响你的生活，那么你确实可以去医院切掉。但一定要注意的是，切痔疮并不是一劳永逸的。如果你切掉之后继续不健康的生活，痔疮依然有可能复发！ 作者： 2023/03/27 09:20
  • 自助餐想吃回本？做什么美梦呢？ 审核专家：周娇娇武汉轻工大学 食品科学与工程学院副教授提起自助餐，可谓是风光一时，琳琅满目、五花八门的美食，深深吸引着各位“吃货们”，试问哪个小伙伴没有过肆无忌惮吃自助餐的快乐呢？来源丨电影《千与千寻》相信每个曾走进自助餐厅的人，心中都有一个共同目标——吃回本。更有追求的人，则可能直接放下豪言，要吃垮自助餐厅！为了在自助餐厅吃回本甚至“薅羊毛”，网上出现了各种自助餐攻略，也总结出无数经验：研究各种食物的饱腹感差异，合理规划就餐时间、设计最佳进食顺序，选择就餐位置方便抢占昂贵食材。还有人会在吃自助餐前故意少吃一些，饿上两顿，为的就是到时候可以吃回成本。来源丨pixabay但是，如果人人都能把本给吃回来，那自助餐的商家们又是靠什么赚钱呢？今天就让我们一起来了解自助餐吃不回本的真相。为啥一吃自助餐就容易饱？当我们去吃自助餐的时候会发现，平时胃口超好的自己还没怎么吃就饱了，难不成自助餐老板会魔法，让你的食量变小？首先，自助餐虽然种类丰富，但仔细观察不难发现，大部分菜品高油高盐重口味。一方面，没吃多少就会因为油腻吃不下了；另一方面，摄入盐分过多，会引起渗透压失衡，从而刺激神经中枢，产生渴觉，不自主地就会想喝水。这时候一看饮料区，几乎清一色都是汽水。三口两口喝下肚，二氧化碳就把肚子顶饱了。来源丨pexels其次，很多人抱着“扶墙进、扶墙出”的想法吃自助餐，因此，在这之前已经饿了一两顿甚至一两天了。而当人体过于饥饿时，就会缺少能量、血糖低下，从而对碳水化合物，也就是主食有极大的渴望。试想，当你吃下一盘价格相对低廉的炒饭时，肚子还有多少空间呢？另外，甜食也是自助餐必不可少的一员。不仅款式多样，而且做工精致，还会摆放在很显眼的位置，让你忍不住“下手”。但是，这些精美的糕点油脂也较高，含有大量的饱和脂肪酸和胆固醇。而这些东西需要肝脏参与消化，但是由于消化能力有限，一部分未消化掉的脂肪会使人腹胀恶心，进而丧失食欲。来源丨pixabay特定的“套路”影响进食除了在食物本身上下功夫，自助餐还会有许多“套路”。例如，稍微贵一点的食材，如和牛、鲍鱼、龙虾等，一般会摆放在比较远的位置，并且还会限量供应，三四十分钟发放一批。当你辛辛苦苦去排队，快轮到你时，可能就会被告知等下一批。还有常见的生蚝、扇贝这类食物，虽然很多自助餐也会供应，但往往个头很小，蒜蓉生蚝可能咬下去都是蒜蓉的味道。不仅白白浪费了这么长时间，心情也被糟蹋了。来源丨pixabay就算你运气好，拿到了自以为比较昂贵的食材，但其实，商家通过批发采购的方式压低食材价格，所以你以为的成本远高于商家的实际成本。实际上，我们能花相对便宜的价格吃到更多食物，本身也得益于自助餐厅的成本控制。不像在海底捞花钱能买到各种服务，在自助餐厅，花钱买到的就是各种食物。在自助餐的经营模式下，商家的主要任务就是源源不断地提供食物，除了收拾餐具其他时候基本没有服务员的身影，自助餐厅不需要像普通饭店那样点菜、传菜，这节省了很大的人力成本。另外，还有餐盘的设置，在吃自助的时候，很多人会喜欢把吃过的餐盘堆起来放在旁边，看着这些盘子，满足感也特别强。但其实，这也是商家的一种“套路”。自助餐厅的餐具相对于普通餐厅会更小，这就需要我们少量多次盛取食物，给人一种“吃了很多”的错觉。美国康奈尔大学的食物心理学家布莱恩·万辛克及其团队的一项研究表明，人们是通过眼睛，而不是胃来判断吃了多少。简单来说就是，不同尺寸的盘子虽然盛放的食物多少一样，但眼睛会产生错觉，认为小盘子里的食物更多。来源丨Brian Wansink还有对于就餐时长的规定，很多自助餐都会把时间限制在2个小时左右，还有大部分餐厅会明确规定菜品的浪费问题，比如超过100克就会罚款，这些都让顾客在取食物也会有所顾虑。来源丨网络自助餐行业在走下坡路虽然我们无法吃垮自助餐，但是，不可否认的是，自助餐行业已经在走下坡路了。20世纪80年代，自助餐开始在中国餐饮市场正式发展并流行起来，这与当时的社会环境有着极大的关系。那时的中国，正处在改革开放的浪潮中，人们对新鲜的事物充满好奇，同时，在消费能力有限的情况下，五花八门的食材和自助的形式深深吸引着广大人群。后来，随着中国经济的腾飞，人们的消费水平开始上升，对餐饮有了更多诉求，曾经火遍大街小巷的自助餐行业，开始走下坡路。据美团点评和餐饮老板内参联合发布的《中国餐饮报告(白皮书2017)》显示，2016年，我国自助餐的营业额约为11.5亿元，在餐饮总营业额排名第二，仅次于火锅。来源丨《中国餐饮报告(白皮书2017)》而据天眼查数据显示，2018以后，自助餐相关企业增长越来越缓慢，并且2020年、2021年连续两年大度下滑，自助餐厅数量分别减少32.8%和35.6%。来源丨网易同样是来自天眼查的数据，截止2022年11月，中国33012家自助餐厅中，还存活的仅剩17278家。也就是，将近一半的自助餐厅倒闭了。随着经济的迅速发展，人们的物质生活水平不断提升，各种特色的餐厅不断出现，满足不同人群的饮食需求。同时，比起实惠，人们更加注重的是健康、安全以及味道。虽然自助餐看着种类多，有海鲜、水果、牛羊肉。但经营者为了压低成本，采购的食材大多不新鲜，因食品安全被曝光的事件也屡见不鲜。总而言之，这已经不是一个只追求吃饱的年代了，不要再想着去自助餐吃回本了，与其吃太多把自己吃的难受，还不如多关心关心自己的身体健康。毕竟，身体才是革命的本钱。 作者： 2023/03/27 09:17
  • 你可能没注意，海洋好像快“炸”了 出品：科普中国作者：半懒不懒（中国科学院大气物理研究所）监制：中国科普博览想象一下，当你身处广袤的宇宙，遥望地球，映入眼帘的，将是大片静谧美好的蔚蓝海洋。这片占到地球表面积71%的区域，以它的浩瀚造就了生命的起源，并无私哺育着这些生命。然而，在积极响应全球变暖的“号召”下，海洋，这个吸收了93%以上地球系统能量收入的大载体，终于也不负众望地“发烧”了。NOAA首次公布的GOES-18（地球静止轨道运行环境卫星）的图像图片来源：NOAA早在1965年，人们就已经提出大气温室气体增加会引起海洋变暖。2000年，来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究员S. Levitus在《Science》撰文表明，1948年至1998年期间，世界海洋从表面到3000米深度的热含量（平均温度）广泛地增加，但全球海洋到底变暖了多少，一直是一个争议不断的问题。给海洋“量体温”，怎么这么难？大量的观测数据证实，全球升温是不争的事实，那为什么海洋的增暖还会充满争议呢？海洋变暖多少的争议还是来源于过去海洋观测数据质量和数量的不足。为了知道历史时期的气候变化，科学家们可以从历史文献、化石、沉积物（如海洋、黄土、石笋等）、冰川、树轮等找到历史气候变迁的痕迹。到了现代，卫星和全球密集的观测站点又成为测量大气温度的最佳武器之一。目前陆地上大约有11000个站点在进行大气温度的观测工作。但是面对广袤无垠的大海，这些方法就显得鞭长莫及了。竺可桢先生根据历史文献重现的中国近五千年来温度曲线图片来源：《中国近五千年来气候变迁的初步研究》海洋的复杂性在于，不仅有宽度（3.6亿平方公里），还有深度（平均深度3680米，最深海沟达到海平面以下10911米）。不同地区的地表温度尚有区别，不同区域的海洋当然也有着自己的“脾气”。正是由于对海洋的探索是一个三维的过程，使得厘清海洋热容量的变化变得尤为困难。即使在现在，人类对海洋的探索还只是九牛一毛，《海底两万里》的故事到现在还只是科幻小说呢！而目前人类对海洋温度的探索仅仅集中于海洋上层2000米的部分。在1970年到2001年间，海洋次表层最主要的温度观测，是利用船只沿航道扔下的一次性抛弃式测温仪（XBT）进行的，占到总数据量的41%。可受到当时技术的限制，它的结果存在系统性偏差。要想知道海温的长期变化，就必须想方设法订正这些数据。因此自2008年起，全球科学家开始了订正历史XBT数据系统性偏差的工作，同时通过结合2000年正式实施的Argo全球实时海洋观测网数据，尝试量化海洋温度的长期变化。但由于数据偏差订正方法不同，往往会得到不一致的海洋增暖结论。全球Argo浮标的分布图片来源：https://argo.ucsd.edu/about/status/再破纪录！海洋：我超越我自己2014年，中国科学院大气物理研究所（以下简称大气所）研究团队提出的海洋数据偏差订正方案，一跃成为目前国际上推荐的最佳订正方案，有效减小了政府间气候变化专门委员会第五次评估报告中的海温估计误差。2023年，大气所牵头的2022年全球海洋环境变化研究报告显示，2022年成为有现代海洋观测记录以来海洋最暖的一年。2022年，全球海洋上层2000米储存的热量与2021年相比，增加了10.9±8.3ZJ（1 ZJ=10的21次方焦耳）。这些热量可以同时烧开7亿亿壶1.5升的水，约为2021年中国全年发电总量的325倍、2021年世界发电总量的100倍。在20世纪90年代以后，科学家在2000米以下的深海也已观测到了变暖信号。1958 - 2022年全球海洋2000米以上热含量异常图片来源：参考文献3在区域增暖中，七个大洋2022年海温的记录，都排进了历史记录的前十，其中有四个（北大西洋，地中海，北太平洋(北纬30°-62°)和南太平洋，以及南大洋）甚至创下了历史最热纪录。相对于1981-2010年基线，1958 - 2022年区域观测到的2000 m上部热含量变化。图片来源：参考文献3海洋变暖有什么可怕的？很可怕！看上去，最害怕海洋变暖的会是海洋生物。2018年的研究表明，海洋温度升高和层结加剧会导致海水中溶解的氧减少，这是造成大多数有记录的海洋物种灭绝的原因。温度依赖性缺氧（二叠纪末海洋物种大灭绝的驱动因素）示意图图片来源：参考文献42022年，科学家们的研究进一步表明，如果人类对温室气体没有采取行之有效的减排行动，将使地球在2300年走上二叠纪末期大规模海洋物种灭绝（这一事件被称为“物种大灭绝”，导致96%的海洋物种和70%的陆地物种消失）的道路。这其中，极地物种灭绝的风险最高，但热带地区的生物丰富度下降得更多。只有大规模扭转温室气体排放趋势，才能减少70%以上的物种灭绝风险，保护过去5000万年进化史中积累的海洋生物多样性。海洋生物丰富度的过去和未来图片来源：参考文献5除此之外，在陆地上经历越来越频繁的高温热浪时，海洋热浪（是指发生在海洋中的极端高温事件，被定义为海表温度至少连续5天超出气候平均态90百分位阈值）也正在成为新常态。海洋热浪图片来源：NOAA在1982年至2016年期间，海洋热浪天数增加了一倍。如果全球变暖控制在1.5℃，预计海洋热浪天数将增加16倍，然而，按照目前各个国家的自主贡献目标（是每个国家对其如何减少温室气体排放以及减排程度所做出的非约束性承诺）来计算，21世纪末全球将变暖约3.5℃，海洋热浪天数增加可能为41倍。全球变暖水平为1°C (a)、2°C (b)和3.5°C (C)时，海洋热浪天数超过工业化前第99百分位的概率变化图片来源：参考文献6如同面对高温热浪一样，渔业，甚至人类社会经济，对此都是高度脆弱的。南海海洋热浪事件导致了2010年以来，南海珊瑚礁白化现象不断出现，我国沿海海域均出现严重的珊瑚礁白化事件。2021年的加拿大极端热浪则直接把海滩上的贻贝和其他水生有壳生物烤熟。不仅是海洋生物，海洋热浪还会通过大气遥相关影响陆地的极端天气，从而影响我们的生活。加拿大西部海滩上，极端高温烤熟了水生有壳生物图片来源：CNN在2021年，世界上近60%的海洋表面至少经历了一次海洋热浪的袭击（WMO）。联合国环境规划署提出，如果海水继续变暖，到本世纪末，世界上的每一个珊瑚礁都可能会出现白化现象。海洋增暖还会导致海洋生物的锐减、有毒藻类的大量繁殖和海岸线水生物的死亡等等。这些变化最终将影响包括约6.8亿生活在低洼沿海地区的人，近20亿生活在世界沿海大城市的人，以及近6000万在渔业和水产养殖业工作的人。珊瑚礁白化图片来源: Kelsey Roberts/USGS不只是变暖，海洋危机SOS！海洋面临的危机当然不仅是“发烧”。随着海洋变暖，温度的变化像多米罗骨牌一样带来了连锁反应。储存在海洋中的热量导致海水膨胀，可以在全球海平面上升中占三分之一到二分之一，这将使得沿海和低洼地区面临着越来越严重的风险。在过去的30年里，海平面上升了一倍多图片来源：WMO海洋的变化还会加剧像风暴潮、洪水这样的极端气象灾害。研究表明，在温和气候变化情景下，西北太平洋低纬地区上层海洋的持续变暖，将使2100年平均台风强度进一步增加14%。另外，由于海洋具有非常高的储热能力，是全球变暖的“缓冲器”，仅从1800年工业革命开始到1994年，全球海洋就吸收了1180亿公吨碳。但海洋无限制为减排“背锅”的背后，也总有一个临界值。研究发现，虽然进入海洋的CO2正在增加，但与2004年第一次全球海洋碳调查相比，被海洋吸收的排放量（约31%)）保持相对稳定。如果海洋无法吸收持续增加的CO2，或者随着海洋变暖和海洋层结加剧，海洋碳吸收效率下降了，人为排放的CO2不得不留在大气中，这将进一步加剧全球变暖。18001994年和1994-2007年的全球CO2预算图片来源：参考文献8另外，海洋持续吸收CO2也使得海洋继续酸化，这对于贝类以及其他利用矿物碳酸钙来形成外壳和外骨骼的海洋生物而言，无疑是灭顶之灾。碳中和是否能为海洋危机按下暂停键？在过去80年，海洋每个十年都比前十年更暖。研究表明，历史性的海洋变暖在本世纪是不可逆转的。到2100年，预计海洋上层2000米的变暖是迄今观察到的变暖的2~6倍。太平洋将成为最大的热库，大西洋和南大洋的区域平均变暖依然是最强的。那么，如果实现碳中和目标，使碳排放与碳吸收平衡，温度不再上升，能使得海平面停止上升，甚至下降吗？CO2在大气中的寿命是由碳汇吸收CO2的速度决定的。虽然约一半的排放被相对较快地吸收，但我们在大气中积累的部分CO2排放，仍将存在数万年。而即使全球的温室气体排放量处在一个稳定的状态，在海水热膨胀的作用下，海平面仍然会上升几百年的时间。冰川和冰盖的融化也会促使海平面进一步上升。图 由于热膨胀导致的全球海平面上升距平和海温距平（与平均值的差）。a，全球年平均海平面上升距平（相对于1986-2005年）；b，全球300米海温年均距平（相对于1986-2005年）。c，全球3000米海温年均距平（相对于1986-2005年）。图片来源：参考文献10但即使处在一个零碳排放的世界，海平面在未来的几百年里依然会上升，至少80厘米的额外海平面上升是“肯定”的。结语昨天是世界气象日，我们讲述海洋的故事，是为了警醒大家：温室气体问题是我们生活、生存的根本性问题。海洋危机可能无法避免，但减排可以极大地遏止海平面上升幅度，我们需要更加积极地减缓升温和准备适应措施。无数的科学家展示了同一个我们可能面临的未来：地球会更不适宜人类生存。我们最终需要的可能不仅是净零排放，而是更严格的全球净负排放，这样才能阻止升温后人类无法承受的世界来到。“天气气候水，代代向未来”。深夜，当我们闭上眼，也有超过10000个气象站、7000艘船、1000个漂流浮标、数百个天气雷达、约30颗气象卫星和200颗研究卫星和其他设备在不停歇地观测着陆地和海洋。当我们拥有了足够的数据来武装我们的知识，下一步，就该是切实的行动了。参考文献：【1】Revelle, R., W. Broecker, H. Craig, C. D. Keeling, and J. Smagorinsky (1965), Appendix Y4, in Restoring the Quality of Our Environment—Report of the Environmental Pollution Panel, pp. 112–133, Pres. Sci. Advis. Comm., Washington, D. C.【2】Levitus, S., J. Antonov, T. P. Boyer, and C. Stephens (2000), Warming of the world ocean, Science, 287, 2225–2229.【3】Cheng, L., Abraham, J., Trenberth, K.E. et al. Another Year of Record Heat for the Oceans. Adv. Atmos. Sci. (2023). https://doi.org/10.1007/s00376-023-2385-2【4】Penn JL, Deutsch C, Payne JL, Sperling EA. Temperature-dependent hypoxia explains biogeography and severity of end-Permian marine mass extinction. Science. 2018 Dec 7;362(6419):eaat1327. doi: 10.1126/science.aat1327【5】Penn JL, Deutsch C. Avoiding ocean mass extinction from climate warming. Science. 2022 Apr 29;376(6592):524-526. doi: 10.1126/science.abe9039【6】Frölicher, T.L., Fischer, E.M. & Gruber, N. Marine heatwaves under global warming. Nature 560, 360–364 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0383-9【7】Mei, W., Xie, S., Primeau, F.W., McWilliams, J.C., & Pasquero, C. (2015). Northwestern Pacific typhoon intensity controlled by changes in ocean temperatures. Science Advances, 1.【8】Gruber N , Clement D , Carter B R , et al. The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007[J]. Science, 2019, 363(6432):1193-1199.【9】Cheng, L., J. Abraham, Z. Hausfather, K. E. Trenberth, 2019: How fast are the oceans warming? Science, 363 (6423), 128-129. doi: 10.1126/science.aav7619.【10】Meehl, G., Hu, A., Tebaldi, C. et al. Relative outcomes of climate change mitigation related to global temperature versus sea-level rise. Nature Clim Change 2, 576–580 (2012). https://doi.org/10.1038/nclimate1529【11】Nauels, A., Gütschow, J., Mengel, M., Meinshausen, M., Clark, P. U., & Schleussner, C. F. (2019). Attributing long-term sea-level rise to Paris Agreement emission pledges. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116(47), 23487–23492. https://doi.org/10.1073/pnas.1907461116【12】WMO Provisional State of the Global Climate 2022【13】Cheng, L., von Schuckmann, K., Abraham, J.P. et al. Past and future ocean warming. Nat Rev Earth Environ 3, 776–794 (2022). https://doi.org/10.1038/s43017-022-00345-1【14】Gruber N , Clement D , Carter B R , et al. The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007[J]. Science, 2019, 363(6432):1193-1199.（注：文中拉丁文部分应为斜体。） 作者： 2023/03/27 09:16
  • 一对“冤家”同台领奖——还是诺贝尔奖呢 1906年的诺奖颁奖典礼上，一对学术观点针锋相对的“同行冤家”一同站上了领奖台。年长得主演讲的主题竟然不是介绍自己的学术成就，而是抨击另一位年轻得主的学术理论。最终，历史做出了它的判决，这一届诺贝尔生理学或医学奖是公平公正的：没有高尔基染色法，便没有拉蒙-卡哈尔的神经元理论。前者提供了方法，后者建立了学说，确是成功的连珠合璧。撰文 | 陈关荣（香港城市大学）世界上没有比人脑更复杂更神奇的东西了。大脑是身体的指挥中心，它控制着人的思维、情感、言语和行动，并让身体其他器官各司其职以维持整体生命。外界的各种信息通过人体特定的感受功能如视觉、嗅觉、听觉和味觉传送到大脑，然后大脑通过感觉神经系统接收并处理这些信息，再用来指挥身体的相应器官作出反应。现今医学界对人脑中单个细胞（cell）的结构和运作机制或许已有相当的了解。然而，数以千亿计的神经元（neuron）如何以集群的方式合作，仍然是一个未解之谜。自古以来，人类一直都在试图弄清大脑的内部结构和了解大脑的内在功能。中国古代有华佗（145－208）开颅的传说。在欧洲，古希腊和古罗马帝国留下了一些有关人脑医学和动物大脑结构的记录。文艺复兴时期的达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452－1519）为了作画而解剖人体的故事是众所周知的。但是，从现代医学的观点来看，第一个打开人脑进行医学研究的可能是比利时医生安德烈亚斯·维萨留斯（Andreas Vesalius，1514－1564）。他被认为是近代人体解剖学的创始人，在1543年编写了一部比较完整的解剖学著作《人体的构造》（De humani corporis fabrica），其中描述了大脑和神经系统的许多结构特征。大脑的功能是由它的结构决定的吗？也是，也不完全是，目前没有定论——大脑太复杂了。近年来的复杂网络科学研究发现，大脑神经网络和宇宙星球网络以及人造互联网之间的结构极为相似，都具有所谓的“小世界网络”和“无标度网络”拓扑特征，但这三者功能互异。不过，再往这个论题说下去的话就扯得太远了。>>>一对“冤家”同台分享诺贝尔奖在大脑的医学研究和科学研究的漫长历史中，做出卓越贡献的医生和科学家多不胜数，这里仅介绍两位特别重要的人物。他们是“冤家对头人”意大利神经解剖学家、组织学家、病理学家卡米洛·高尔基（Camillo Golgi，1843.7.7－1926.1.21）和西班牙病理学家、组织学家、神经学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal，1852.5.1－1934.10.17）。1906年，诺贝尔生理学或医学奖同时授予高尔基和拉蒙-卡哈尔，以“表彰他们在神经系统结构方面的工作”。这两位获奖者的主要科学贡献和观点如下：高尔基于1873 年发展出一种神经组织铬酸盐-硝酸银染色技术：经过染色处理的神经组织中的神经元和胶质细胞变成棕黑色，让显微镜下标本里的黑色细胞在黄色背景中一目了然。这一染色技术后来被称为“高尔基染色法”（Golgi staining）。利用这一技术，高尔基于1898年发现了真核细胞（eukaryotic cell）中的细胞器（organelle），后人称为“高尔基体”（Golgi apparatus）。高尔基一直坚定地支持由德国神经解剖学家奥托·戴特斯（Otto F. K. Deiters，1834–1863）铺垫、德国解剖学家冯·格拉赫（Joseph von Gerlach，1820–1896）建立的神经系统环路理论（reticular theory）。该理论认为神经系统是由简单的连续性网络“reticulum”构成的，拉丁文 reticulum 一词即是 net 的意思。高尔基认定，大脑是一个整体的神经纤维网络，而不可能是离散的细胞单元组合，神经网络没有单向传导的神经信号，在生理上也没有任何不连续性特征。拉蒙-卡哈尔比高尔基年轻九岁，在学术界算是后一辈的学者。他对高尔基染色法作了改进，换用更高浓度的重铬酸钾并延长硝酸银浸泡时间，以获得更精确细致、更完整可靠的染色样本。基于大量详尽、精细的实验观测结果，拉蒙-卡哈尔认为，大脑神经系统是由许多各自独立的神经元（而非reticulum）构成的，神经元是神经系统的基本单位，神经元内的信号传导是单向的，神经元之间的活动是不连续的，神经信号可以跨过不相连的组织结构，通过神经元的相互接触来进行传递。显然，这两位诺奖得主的学术观点是针锋相对的。图1 1906年诺贝尔生理学或医学奖获得者：高尔基（左）、 拉蒙-卡哈尔 （右）现在回到1906年的诺奖颁奖典礼现场。在颁奖典礼上，高尔基被安排首先发言。令与会者吃惊的是，高尔基的演讲不是去阐释自己的研究成果，却是去批评拉蒙-卡哈尔的理论。他的演讲主题竟然是“神经元学说”（The neuron doctrine）。发言中，他明确反对拉蒙-卡哈尔的“离散”神经元理论并捍卫自己主张的“连续”神经系统环路理论。他说：“很奇怪，我一直反对神经元理论，但是这个理论开始得到承认还是因为我的工作。我选择神经元作为我的演讲主题，但现在这个观点大体上已经不受欢迎了。……尽管这[环路理论]和组成元素个体化的趋势背道而驰，但我依然无法放弃这个观点：神经系统是整体行动的，别怪我坚守陈旧观念。”高尔基认为，没有充分证据可以证明神经元学说是正确的。他引用了诺贝尔的一句话作结：“每个新发现将在人类大脑中留下一颗种子，使新一代更多人去思考更伟大的科学观点。”接下来轮到拉蒙-卡哈尔发言了。他回应道：“没错，从分析的角度来看，如果所有神经中枢都由运动神经……和感觉神经之间的连续中介网络组成，那将是非常方便而且经济的。不幸的是，大自然似乎没有意识到我们的智慧对方便和统一的需求，反而常常欢迎复杂性和多样性。”科学并不理睬科学家们的个性，历史作结论也不以人的意志为转移。后人在精密仪器和先进技术的支持下，证明了拉蒙-卡哈尔的理论是正确的。今天，拉蒙-卡哈尔被誉为“神经科学之父”。多年以后，拉蒙-卡哈尔在自传中不失幽默地说：“命运是多么残酷的讽刺，就像连体双胞胎那样肩并肩，把性格如此鲜明的科学对手配对在一起！”不过，他心地坦然：“（诺奖）另一半非常正确地授予了帕维亚（大学）的杰出教授卡米洛·高尔基。他是我实现那些惊人发现所用方法的发明者。”1906年的诺贝尔生理学或医学奖被认为是公平公正的：没有高尔基染色法，便没有拉蒙-卡哈尔的神经元理论。前者提供了方法，后者建立了学说，确是成功的连珠合璧。卡米洛·高尔基生平高尔基于1843年7月7日出生在意大利Brescia省的Corteno镇，父亲Alessandro Golgi是个医师，也是当地医疗机构一位负责人。高尔基中学毕业后进入意大利帕维亚大学（University of Pavia）医学院学习。帕维亚大学的建立可以追溯到公元825年，已有逾千年的历史。在那里，高尔基有幸受教于一位仅比他年长三岁的组织学先驱Giulio Bizzozero（1846－1901），以及著名的病理学家、生理学家、人类学家Paolo Mantegazza（1831－1910）和组织学家、生理学家Eusebio Oehl（1827－1903）。1865年，高尔基毕业，到St. Matteo医院当实习医生，同时开始了对神经系统疾病的研究。1867年，高尔基回到帕维亚大学医学院，跟随精神疾病和人类学教授 Cesare Lombroso（1835－1909）继续修读医学理论。翌年，他完成了以“精神障碍病因学”为主题的毕业论文，获得医学博士学位。高尔基毕生从事医学教学和科研工作，并担任过一些行政职务，但从未真正临床行医。1872年，高尔基来到米兰附近的一家慢性病医院担任主任医师（Chief Medical Officer）。期间，他建立并领导了帕维亚地区“血清疗法及疫苗与抗原检测”研究所。1875年，高尔基回到帕维亚大学出任特聘教授，同时兼任St. Matteo 医院普通病理学教授和名誉院长。在那里，他是一位出名的好教师，他的实验室对任何渴望做研究的人都无条件开放。1879年，高尔基转到锡耶纳大学（University of Siena）担任解剖学教授。1881年，高尔基再次回到帕维亚大学医学院，接替指导教师Bizzozero的职位，担任综合病理学教授，此后终生在帕维亚大学工作直至退休。在1893年－1896年和 1901年－1909年两段时间内，高尔基担任帕维亚大学校长。他和Bizzozero的侄女Donna Lina Aletti结了婚，两人没有子女，但收养了一个女儿Carolina。第一次世界大战期间，古稀之年的高尔基依然担任帕维亚地区Borrmeo军事医学院负责人。在那里，他还创建了一个神经病理学和物理治疗中心，研究和治疗神经损伤并负责护理伤员。贡献在高尔基的那个时代，中枢神经系统的研究极其困难，因为人们无法识别单个的细胞。当年的粗糙组织染色技术对精细的神经组织无能为力。高尔基改变了历史：他探索出一种新型染色方法，彻底改变了人们观察大脑的方式。那是在慢性病医院工作的期间，由于这家小医院没有实验室和研究设备，高尔基在公寓的小厨房里搭起了一个简易实验室，放上一台显微镜，晚上在烛光下做实验。尽管高尔基并不是第一个尝试给细胞染色的人，但他对传统方法做了极大改进。他的神经组织染色方法，可以对有限数量的细胞进行整体染色。他首先用重铬酸钾处理一小片脑神经组织，让其硬化，然后泡在硝酸银里。在显微镜下，少量（不到3%）神经元的轮廓变得与周围的组织和细胞截然不同：铬酸银颗粒在它们的表面形成鲜明的黑色沉积物，凸显出神经细胞的胞体（soma）和轴突（axon）以及所有的树突（dendrite），从而提供了一幅颇为清晰的神经元图片，并与黄色背景形成鲜明对比，显示出大脑神经细胞的基本结构。由于细胞被选择性地染成黑色，高尔基称这个过程为“黑色反应”。1873年8月2日，他把这一染色方法发表在意大利医学杂志Gazzeta Medica Italiani上。今天，这种方法被称为“高尔基染色法”。图2 高尔基用他的染色法显示出来的神经细胞（左）和海马体（右）手稿图接下来，高尔基使用他的染色法对人体神经系统进行了一系列重要的观察。他发现了能检测肌肉紧张的感受器，现称为“高尔基腱器官”（Golgi tendon organ）。1878年，他发现了传导压力的“高尔基－马佐尼氏小体”（Golgi-Mazzoni corpuscles）。1879年，他又发现了髓鞘环状器（myelin annular apparatus），亦称“高尔基－雷佐尼科角质漏斗”（Golgi-Rezzonico horny funnel）。1885年，高尔基发现大脑中有两种基本神经元：一种具有很长的轴突，从大脑皮层延伸到其他部分，而另一种的轴突很短或根本没有轴突。这两种神经元后来分别被命名为“高尔基一型神经元”（Golgi type I）和“高尔基二型神经元”（Golgi type II）。他还第一个清晰地描述了小脑、海马体、脊髓、嗅叶的结构，以及舞蹈症（chorea）中的纹状体和皮质病变。高尔基的另一大贡献是发现并详细描述了细胞中负责蛋白质和脂质包装的细胞器，现在的生物课本上称之为“高尔基体”。高尔基体的主要功能是对合成蛋白质进行加工、分拣、运输，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞之外。这个过程包括对蛋白质作糖基化、参与细胞分泌活动、进行膜的转化功能、将蛋白水解为活性物质、参与形成溶酶体、参与植物细胞壁的形成。其他功能还包括在某些原生动物中参与调节细胞的液体平衡。此外，高尔基也研究过人的肾功能和人体内的疟原虫。他第一个完整解剖出肾单位（nephron），还发现了远端肾小管（Henle环）的肾单位会返回肾小球（glomerulus）。1885年，他发现不同类型的疟疾是由不同类的疟原虫引起的。次年，他又发现了疟疾患者发烧与人类血液中的红细胞周期相关。原来，疟原虫寄生在红细胞中，红细胞裂解时患者发烧，这条规律被称为“高尔基定律”。身后1918年，高尔基从帕维亚大学退休，成为荣休教授。但他没有停止毕生喜爱的医学研究和观测实验。1926年1月26日，高尔基与世长辞，安葬在帕维亚纪念公墓，终年82岁。帕维亚大学在校园里为他建了一个纪念碑，上面用意大利文写着：“卡米洛·高尔基（1843－1926），杰出的组织学家和病理学家、先驱与大师。神经组织的秘密结构经由他的艰苦努力而被发现，并被清楚描述。他在这里工作，他在这里生活，他还在这里指导并启示未来的学者。”图3 帕维亚大学校园里的高尔基塑像帕维亚大学还在校史馆中专门开辟了一个展厅，命名为“高尔基大厅”，用以展示他的神经科学成就，并陈列了他的80多幅奖状和荣誉学位证书。高尔基曾获得的主要荣誉有：1900年被意大利国王翁贝托一世（Umberto I）册封为上议院议员（senator）；1913年被荷兰皇家艺术与科学院遴选为外籍院士；先后获得剑桥大学、日内瓦大学、Kristiania学院大学、雅典国立Kapodistrian大学和巴黎索邦大学颁发的荣誉博士学位。1994年，欧洲共同体（European Communities）在意大利发行了一枚卡米洛·高尔基纪念邮票。1956年，高尔基的出生地Corteno改名为 Corteno Golgi镇。此外，天上的第 6875 号小行星现在名叫“高尔基星”。圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔生平1852年5月1日，拉蒙-卡哈尔出生于西班牙北部的Petilla de Aragón镇，父亲Justo Ramón Casasús（1822－1903）是个外科医生，也是西班牙萨拉戈萨大学（University of Zaragoza）应用解剖学教授。拉蒙-卡哈尔后来回忆说，父亲相信人类的思想是为了获取知识而诞生的，“他蔑视且批判文学的一切，也拒绝所有纯粹为欣赏或消遣的东西。”父亲认为艺术是一种绝症，他只允许家里有医学书籍，而文学小说之类是绝对不能存在的。但是，拉蒙-卡哈尔的母亲Antonia Cajal却是一个浪漫主义者，她时常把便宜的奇幻小说藏在箱底，偷偷塞给拉蒙-卡哈尔和他的弟弟Pedro及妹妹Paula看，因而孩子们都很喜欢母亲。拉蒙-卡哈尔从小非常调皮，个性倔强，是个“问题少年”，令父母和教师头疼不已。为了让他坐下来好好读书，父亲给他转了好几间小学。但是他在学校里成绩极差，还经常逃课。于是父亲干脆让他退学，先后去跟一个理发师和一个皮匠学手艺，不过都没有成功。后来，“问题少年”拉拉扯扯还是上了中学。幸好，拉蒙-卡哈尔并非一无是处。他爱好画画，还喜欢拍照，幻想成为一名艺术家。有一次，父亲把他带到墓地考察一座古坟，猜想他或许对画骨头会有点新奇乐趣。没想到，儿子不但喜欢画人体骨骼，而且对解剖学发生了极大兴趣。其实，拉蒙-卡哈尔早在阅读相关资料时已经被一些文学作品的隐喻深深吸引。他觉得德国病理学家Rudolf L. C. Virchow（1821－1902）的名言很有趣：“整个身体就是一个国家，而每个细胞都是它的公民”。拉蒙-卡哈尔第一次使用显微镜观察时就证实了这个说法——他“从无限小的生命中发现了迷人的场景”。他后来回忆说，自己当时是如此的入迷，以至连续二十个小时都在观看白细胞的移动。1868年，16岁的拉蒙·卡哈尔进入了父亲任教的萨拉戈萨大学医学院。在父亲的督促和指导下，他表现得越来越出色，特别是在解剖技术方面非常熟练。三年后，他获得了优等生奖，还被聘为解剖学助教。1873 年，他从医学院毕业并获得了行医资格。就在这一年，拉蒙-卡哈尔被征召入伍。在军队服役几个月后，他成功地申请加入了医疗队。1874年，他服役的部队迁往西班牙的殖民地古巴。第二年，他从古巴被派回西班牙，彼时已经患上了痢疾和疟疾，特别是疟疾，几乎要了他的命。离开军队后，拉蒙-卡哈尔重回学校，于1877年在西班牙马德里大学获得了医学博士学位。接下来，他先后在巴塞罗那大学和马德里大学获得教授职位。1879年，拉蒙-卡哈尔成婚，后来与妻子养育了4个女儿和2个儿子。同年，他出任萨拉戈萨博物馆馆长，1881年任西班牙瓦伦西亚大学（University of Valencia）教授，1899年被委任为西班牙国家卫生研究所所长。1932年，拉蒙-卡哈尔创建了卡哈尔研究所（Cajal Institute），隶属于西班牙国家研究委员会（Spanish National Research Council）。拉蒙-卡哈尔的妻子于 1930 年去世，他本人于1934年10 月 17 日辞世，享年 82 岁。夫妇俩先后被一起安葬在马德里。图4 马德里的拉蒙-卡哈尔夫妇墓贡献1887年，35岁的拉蒙-卡哈尔访问了来自瓦伦西亚大学的神经学和精神病学家Luis Simarro Lacabra（1851－1921），第一次目睹了用高尔基方法染色的神经组织标本。拉蒙-卡哈尔后来在自传中写道，当时“绝大多数神经学家都不知道或低估了”高尔基染色法。他回忆了当时对浸渍元素的观察，形容像看到“用印度墨来描绘的画”，在他的“生命中留下了一道闪光”。不过，用高尔基染色法只能看到神经细胞的胞体和少量近端的突起，以及某些着色不明显的神经纤维。正因为此，高尔基才认为神经细胞彼此融合在一起，构成一个模糊的整体网络。但拉蒙-卡哈尔用“双重浸渍”对高尔基染色法做了关键性的改进。他对许多不同物种的神经系统的不同部位做了染色实验。在他留给后人的大约 1500 张神经系统切片中，有 800 多张是用高尔基染色法得到的。他绘制的神经系统图谱包括一些动物大脑里几乎所有的脑区，并且有从发育期到成年期、正常和病态、以及退化和再生的各种神经组织。正是在这样大量的观测、比较和分析之下，拉蒙-卡哈尔觉得他所看到的绝不是当年众人信奉的神经细胞网络学说的一个例外。他看到并且认定，神经系统是由一个个独立的神经细胞构成的，而不是高尔基认为的那样是不间断的环路网络。图5 拉蒙-卡哈尔绘制的小脑浦肯野（Purkinje）纤维图1888年，拉蒙-卡哈尔正式发表了他的突破性成果。他报告了一些鸟类和哺乳动物大脑中的神经系统，指出那是由许多相互接触但各自独立的神经元组成的。当时他已经能够很清楚地展示这一点，因为鸟类大脑中能够染色的细胞比例相当高。1889年10月，拉蒙-卡哈尔参加了在柏林举行的德国解剖学会学术会议（German Anatomy Society Congress）。会上，他展示了自己的许多实验图像，得到了一些与会者特别是瑞士组织学家Rudolf A. von Kölliker（1817－1905）的赞同和支持。1891年，拉蒙-卡哈尔的另一位支持者、德国解剖学家Heinrich W. G. von Waldeyer-Hartz（1836－1921）总结了拉蒙-卡哈尔等人提供的实验证据，定义了染色体（chromosome），完善了神经元学说（neuron doctrine）。从此，神经元学说成为了现代神经科学的理论基础。1894年，拉蒙-卡哈尔在伦敦皇家学会发表演讲，报告他观察到神经元树突棘（dendritic spine）的超微结构，并推测树突棘能够接受轴突传来的信号。他还提出了“动态极化定律”，指出神经细胞是“极化”的，它们在细胞体和树突上接收信息，并通过轴突将信息传递到远处。这些发现和描述将高尔基多年前的原始观测结果变得大大精细了。1904年，拉蒙-卡哈尔在《人类与脊椎动物神经系统的组织学》（Textura del Sistema Nervioso del Hombre y los Vertebrados）一书中进一步阐明了他的观点。在这本书中，他详尽地描述了许多动物的中枢和外周神经系统的神经细胞组织特点，并用自己精巧的绘画技术将这些特点细致地呈现出来。1913年，拉蒙-卡哈尔又出版了《神经系统的退化和再生》（Degeneración y Regeneración del Sistema Nervioso）一书，详细总结了他观测到的神经系统的发育及其对损伤的反应。基于这方面的研究，拉蒙-卡哈尔首次将“可塑性”（plasticity）这个词用于大脑，以描述神经系统在发育期间的修剪、连接以及在学习过程中的结构变化和创伤后的自我重建，他甚至还向人们推广“大脑体操”以提高智力。图6 拉蒙-卡哈尔在实验室归纳起来，拉蒙-卡哈尔为现代神经科学贡献了三个基本组分。第一，拉蒙-卡哈尔以精致详尽的观测验证了“神经元”的概念，并促成了“神经元学说”的建立。他指出，神经系统不是一种连续的网络结构，而是由许多独立的神经细胞——神经元——通过彼此之间的接触联接而成。1897年，英国神经生理学家Sir Charles S. Sherrington（1857－1952）将这种接触点命名为“突触”（synapse）。实际上，拉蒙-卡哈尔并不是第一个有这种“分散”观念的人。1886年，瑞士出生的德国解剖学家、胚胎学家Wilhelm His Sr（1831－1904）就已经观察过不同发育时间点上的神经纤维，认为神经细胞并不相互融合，而是可以在没有紧密连接的情况下彼此传递信息。同年，瑞士神经解剖学和精神病学家Auguste-Henri Forel（1848－1931）也注意到运动神经并不与肌纤维直接相连，由此推测中枢神经系统中的神经细胞也不需彼此连接。不过，毋庸置疑的是，拉蒙-卡哈尔是第一个用大量实验结果验证了这种看法的神经科学家。这一观念颠覆了当时以高尔基为首的、主张大脑是一个整体神经纤维网络的主流思想，相悖于高尔基关于“大脑神经不是离散细胞单元组合”的认知。后来，先进的检测技术证明了拉蒙-卡哈尔是正确的。第二， 拉蒙-卡哈尔精确地验证并厘清了高尔基早年的模糊观测结果。他发现所有神经元都具有不对称的极性结构：一端是一条很长的纤维状轴突，而另一端是有许多树枝样的树突。他从而提出了一条“动态极化定律”（Law of Dynamic Polarization）。他认为，神经细胞是“极化”的，轴突是神经元将信息传向远方的输出结构，而树突则是接收来自其他神经元信号的输入结构，并且信号在神经元内是单向地从树突流向轴突的。这一论断和高尔基认为神经元内部没有单向传导神经信号的观点背道而驰。拉蒙-卡哈尔的理论后来被证实是神经连接功能的基本原理。第三，拉蒙-卡哈尔发现处于生长期的轴突前端有一种“生长椎”（growth cone），它会在靶细胞分泌的化学物质诱导下寻找生长路径，最终找到自己的靶细胞，进而发生突触联接。图7 拉蒙-卡哈尔绘制的神经元纤维状轴突和树突图身后拉蒙-卡哈尔之后一百多年来，神经科学界一直公认他是最杰出的神经解剖学家。他正确诠释了神经系统的结构和功能，并提供了大量珍贵的神经解剖学资料。他绘制的许多神经元和神经系统图谱一直为现代神经科学教科书采用。这些都是他对神经科学做出的无与伦比的贡献。但是，当时以高尔基为首的神经网络环路派一直坚决地批评、顽强地抵制拉蒙-卡哈尔“离经叛道”的学说。拉蒙-卡哈尔在有生之年与当时神经科学界主流理论的论争是颇为艰难卓绝的。拉蒙-卡哈尔的著作《关于人和脊椎动物神经系统结构》和《神经系统组织学的新观点》反映了他艰苦绝伦的抗争。为了传播和捍卫自己的学说，拉蒙-卡哈尔奋斗到他生命最后一刻。他在去世前一年，即1933年还在写作《神经元学说还是环路理论学说》（Neuronismo ó Reticularismo）一书。该书稿在1952年由卡哈尔研究所正式出版，其英文译本在1954年面世。除了专著，拉蒙-卡哈尔也为年轻人写了几本科学研究进阶读物。他在1899年写的《科学研究的规则和技巧》（Reglas y consejos sobre investigación científica）以及1897年写的《致青年学者》（英译本：Advice for a Young Investigator）等著作中一再强调科学研究的独立性、专注性和持久性。他认为智力不是最关键的，即使中等资质的科学家也可以做出重大的科学成果。他说：“我真的不是一个天才。我只是……不知疲倦的工作者。”他留给了后人一条极好的忠告：“对待失败的态度只有简单四个字：继续尝试。”图8 拉蒙-卡哈尔著作选拉蒙-卡哈尔是西班牙历史上第二位获得诺贝尔奖的科学家。第一位是土木工程师、数学家、政治家、剧作家何塞·埃切加赖（José Echegaray，1832－1916），1904年诺贝尔文学奖得主。拉蒙-卡哈尔给脑神经科学留下了巨大的宝贵财富，但他生前并没有获得多少荣誉。或许，这位“问题少年”并不在乎。无论如何值得一提的是，2017年，拉蒙-卡哈尔的全部档案（包括手稿、图纸、绘画、照片、书籍和信件）被联合国教科文组织的《世界记忆名录》（Memory of the World Register）永久收存。图9 《大脑之美：圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔绘图集》，[美] 埃里克·A. 纽曼等编著，严青译，傅贺校，湖南科学技术出版社2020年10月出版出品：科普中国特 别 提 示1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。版权说明：欢迎个人转发，任何形式的媒体或机构未经授权，不得转载和摘编。转载授权请在「返朴」微信公众号内联系后台。 作者： 2023/03/27 09:16
  • 今年，这些世界纪录由中国创造！ 近日，由我国自主研制的新晋全球最大集装箱船稳稳靠在宁波舟山港穿山港区4号泊位。它长399.99米，最大载货量24116只标准集装箱，堪称名副其实的“海上巨无霸”和“带货王”，是我国在集装箱船领域创下的又一项新纪录。除了全球最大海上“带货王”今年，还有这些世界纪录由中国创造↓↓↓这座桥主拱成功合龙创下三个“世界第一”作为渝湘复线高速公路的重要部分——双堡特大桥主拱近日成功合龙。双堡特大桥位于重庆市武隆区境内，合龙后的主拱肋犹若一双绚丽的彩虹，与青山绿水交相辉映、浑然天成。作为世界在建跨径最大双跨连续拱桥，双堡特大桥实现了三项世界第一：双联拱跨径世界第一；独立吊塔的缆索吊跨径世界第一；同等结构的缆索吊吊重世界第一。铺装面积22600平方米！这个中国工程再次刷新世界纪录3月12日，深中通道中山大桥钢桥面铺装顺利完成。当日铺装面积达22600平方米，再次刷新该项目创下的热拌环氧沥青钢桥面铺装世界纪录。深中通道是集“桥、岛、隧、水下互通”于一体的超大型跨海集群工程，也是粤港澳大湾区核心枢纽工程。全长约24公里，计划在2024年建成通车，建成后深圳⇌中山仅需20分钟。安全运行6000天这座核电站刷新世界纪录截至3月16日，中广核大亚湾核电基地岭澳核电站1号机组已实现连续安全运行6000天，创造了国际同类型机组连续安全运行天数的最高纪录。中广核大亚湾核电基地拥有大亚湾核电站、岭澳核电站共六台百万千瓦级核电机组，自1994年首台机组投入商业运行以来，一直保持安全稳定运行。在国际核电安全业绩挑战赛中已累计获得39项次第一名，是全球获冠军数量最多的核电基地。刷新纪录！我国实现百兆比特率量子密钥分发3月14日，我国科学家的一项重要研究成果在国际期刊《自然·光子学》杂志发表。由中国科学技术大学潘建伟院士、徐飞虎教授等组成的研究团队开发出高速高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术实现百兆比特率的实时量子密钥分发。此前，在10公里标准光纤信道下，国际学术界最高的实时成码率是每秒10兆比特，而我国研究团队实现了同等条件下每秒115.8兆比特的密钥率，将此前的国际成码率纪录提升了一个数量级。这项研究成果表明量子密钥分发可实现百兆比特率的实时密钥分发，满足高带宽通信需求，对未来量子通信大规模实际应用具有重要意义。持续刷新世界纪录它在月面“辛勤工作”超9年！中国制造不仅在基建、核电、科研领域表现亮眼，还闪耀深空。在38万公里外的月球，嫦娥三号着陆器在月面已经工作9年，刷新着世界探测器月表工作时长的新纪录。2013年12月2日，嫦娥三号探测器成功发射。它突破了着陆自主避障技术和月夜生存技术，从此，月球的着陆不再是“盲降”，探测器可以在月面工作更长时间，获得更多的科学探测数据。为这些创下世界纪录的中国制造点赞！（来源：《新闻直播间》、央视新闻客户端） 作者： 2023/03/27 09:15
  • 啥，有人看到“穿墙术”了？ 出品：科普中国作者：栾春阳（清华大学物理系）监制：中国科普博览穿墙术听过吗？就那种chua chua chua两边来回穿的穿墙术。虽然人类不行，但量子可以，最近科学家们就“看”到了这种量子“穿墙术”。量子：有人说我会穿墙术？他说得对在宏观世界中，当你想穿墙而过时，你和墙必须先碎一个，但在微观世界中，一切就都不一样了，经典物理学理论在这里完全不适用。量子隧穿指的就是电子或者原子等微观粒子似乎可以穿越一些看似不可能穿越的障碍物，比如需要较高能量才能翻越的势垒（可以简单理解为能量差），来到障碍物的另一边。经典物理学与量子隧穿能量转移概图（图片来源：Veer图库）在经典物理学理论中，如果一个人想移动到一面高墙的另一边，这个人没有足够的能量是无法做到的。然而在量子的世界里，这个人却有一定的概率直接穿过墙体，就好像穿越了一个虚拟的隧道，而不需要真正克服墙的高度。（图片来源：Veer图库）造成经典物理学和量子世界中现象不同的原因是什么呢？其实，在量子世界中，微观粒子不再是经典物理学中所描述的一个精确的点，而是具有波动性的实体，其运动可以用波函数（别着急，波函数在后文会讲解）来描述。这些微观粒子在空间上的分布是概率性的，它们可以存在于多个位置上，同时也有可能穿过障碍物，出现在另一边。因此，当这些微观粒子遇到势垒时，自身的波函数会随之改变，而这种改变会使得粒子存在于势垒另一边的概率不为零。虽然这个概率非常小，但是它不为零，因此粒子具有穿过势垒或势峰的可能，从而出现了隧穿现象。既是粒子又是波，我就是这么神奇量子隧穿是一种基于波粒二象性的现象。波粒二象性，是不是有点耳熟？这个概念最早可以追溯到20世纪初期，当时物理学家们开始研究微观粒子（如电子、光子等）的性质时，发现它们的行为与经典物理学中认为“光是一种波动”的主流观点完全不同。1905年，爱因斯坦提出了光子的概念，认为光是由粒子组成的，从而验证了光具有粒子性质。而在随后的实验中，科学家们发现光不仅具有粒子性质，同时也表现出波动性质，这就是光的波粒二象性。在1924年，法国物理学家路易·德布罗意提出了一个新的假设：微观粒子也具有波动性质。他根据爱因斯坦的光子概念，将波粒二象性扩展到了其他微观粒子上。德布罗意的假设也得到了实验的验证，从而揭示出微观量子世界中的基本规律——微观粒子同时具有波动和粒子的性质，也就是波粒二象性。波粒二象性示意图（图片来源：Veer图库）因此，波粒二象性就成了量子力学中一个重要的物理概念。波粒二象性这一概念的诞生，彻底改变了人们对物质和能量本质的认识，对于研究量子世界的本质和开展量子技术具有重要的意义。这种函数没有奇偶，但能变来变去由于微观世界中的粒子具有波粒二象性，粒子的运动状态就不像宏观世界那样可以完全确定，这就需要引入一个全新的物理概念，用以描述粒子的运动状态，以及计算粒子在空间中的存在概率。这种能够深刻揭示微观粒子的波粒二象性的物理学概念，就是波函数。炽热发光的量子波函数（图片来源：Veer图库）波函数是量子力学中的一个核心概念，通常用符号ψ表示。通过引入波函数ψ，我们不仅可以描述粒子的波动性，还可以计算出粒子在某个时刻存在的可能位置和可能状态。因此，量子隧穿是一种基于波函数的量子力学现象，并且量子隧穿的机制可以通过波函数的解释来理解：当一个粒子遇到一个较高的能量势垒时，描述粒子的波函数会发生变化，这个波函数的变化将决定粒子是否能够穿过势垒。当波函数与势垒相互作用时，将产生一个干涉效应，此时波函数会分成两个部分——反射波和透射波。此时，反射波表示粒子被势垒反射回去的部分，透射波表示粒子穿过势垒的部分。既然有透射波，就说明可以实现量子隧穿。想练穿墙术，得用多厚的墙？为什么在宏观的角度和微观的角度，物体的行为不同呢？这是与物质所处空间的能量尺度和时空尺度相关的。为了让大家对量子隧穿发生的微观世界有更加形象的认识，我们将以单个电子穿过较高能量的势垒为例，讨论一下量子隧穿发生的能量尺度和时空尺度。量子隧穿的能量尺度取决于所研究系统的具体情况，一般与势垒的能量高度、宽度、粒子质量有关，粒子能量越高，隧穿的概率也就越大，能够穿透更高的势垒。对电子来说，穿过一个高度为1电子伏特，宽度为1纳米的势垒，其典型的能量尺度可以达到几个到几十电子伏特。这里的电子伏特是非常微小的能量单位，一个电子伏特约等于1.6×10的-19次方焦耳。而我们随手拿起一颗苹果就需要消耗大约1~2焦耳的能量，这相当于1万亿亿个电子伏特的能量。因此，量子隧穿发生的能量尺度在非常非常微小的范围内。（图片来源：Veer图库）此外，**量子隧穿发生的时空尺度也在极小的范围内，并且主要取决于势垒的宽度。**通常情况下，量子隧穿发生的概率随着势垒宽度的增加而指数下降。例如，对于电子隧穿，空间尺度通常在纳米级别，相应的时间尺度在皮秒级别。对于一个能量为1电子伏特的电子，穿过一个高度为1电子伏特、宽度为1纳米的势垒，其隧穿距离约为0.1纳米，相应的隧穿时间大约为0.1~1皮秒。而对于一个能量为10电子伏特的电子，穿过相同的势垒，其隧穿距离约为1纳米，相应的隧穿时间大约为0.05皮秒。这里的纳米和皮秒是非常微小的长度和时间单位，具体而言，1纳米等于10的-9次方米，而通常情况下，一根头发丝的直径大约为7万纳米（0.07毫米），而一粒沙子的直径大约在90万纳米（0.9毫米）左右。1皮秒等于10的负12次方秒，打个比方，手指敲击键盘的时间约为0.1秒，这相当于1000亿皮秒。（图片来源：Veer图库）（图片来源：Veer图库）总结一下，像是我们日常生活中轻而易举地举起一个苹果消耗的能量，或者像头发丝这样细的距离，又或者敲击键盘时的短暂瞬间……这一切对于微观世界来说都太大了，量子隧穿发生的尺度比这些小得多。量子隧穿，有人“看”到啦正如我们先前所说，量子隧穿的现象只有在微观尺度下才会表现出来的，在宏观尺度下，量子隧穿的影响非常微弱。所以，在实验中观测到量子隧穿现象，需要使用高精度、高灵敏度的实验仪器，同时，实验中需要对系统的微小变化进行非常精确的测量和控制。这对人类来说，十分困难。然而就在不久之前，位于奥地利的因斯布鲁克大学的物理学家首次在化学反应实验中观察到了这种量子隧穿的效应。该研究团队首先用一个离子阱装置捕获一定数目的氘离子，并对其进行充分冷却，随后用氢气充满整个离子阱装置。由于环境温度极低，缺乏足够能量的氘离子在经典条件下无法越过化学反应的能量势垒，也就无法与氢气发生反应。然而，根据量子隧穿的理论计算结果，此时氘离子具有波粒二象性。虽然量子隧穿发生的概率很低，但是氘离子的波函数仍然有一定的概率穿过能量的势垒与氢气发生反应。该实验论文的截图（图片来源：《自然》官网）而该研究的结果也表明，可以通过测量给定时间内形成的反应产物数量，推断出反应发生的频率。也就是说，这种简单的化学反应实验成功验证了量子力学中难以观测的隧穿效应现象。量子隧穿在很多领域中都有应用，比如半导体器件中的隧穿二极管、扫描隧穿显微镜等。量子隧道二极管可用于制造高速、高精度的电子设备，扫描隧穿显微镜中电子的隧穿可以实现高分辨率的成像，从而获得样品表面的详细信息。纳米级电子显微镜（图片来源：Veer图库）这次的新发现，对人类理解量子隧穿的原理有重要作用，未来，我们或许可以拥有更多量子隧穿的相关应用。结语量子隧穿这种奇妙的微观现象，实现了微观尺度的“穿墙术”。研究量子隧穿的成果不仅推动了量子力学基础理论的发展，帮助我们更好地理解微观世界的运行规律，也推动了材料科学、化学、生物学等高科技领域的发展，为人类社会的进步和发展做出了重要贡献。相信未来科学家们会进一步“观察”量子隧穿现象，让我们能“遇事不决，量子力学”。参考文献：[1] https://www.nature.com/articles/s41586-023-05727-z编辑：郭雅欣 作者： 2023/03/24 10:44
  • 世界气象日 | 用《三体》剧情打开气候预警 今天是2023年世界气象日，我们用《三体》的剧情开脑洞：某个平行世界，气候变暖加剧、极端天气气候事件频发、动植物大量灭绝……深陷气候变化危机的地球人计划“反推”占据三体星。三体人会如何回应？地球的命运是否还能扭转？超长手绘漫画，给你答案↓↓ 作者： 2023/03/24 10:43
  • 发个烧“烧开”7亿壶水！还有救吗？ 想象一下，当你身处广袤的宇宙，遥望地球，映入眼帘的，将是大片静谧美好的蔚蓝海洋。这片占到地球表面积 71% 的区域，以它的浩瀚造就了生命的起源，并无私哺育着这些生命。然而，在气候变化的今天，海洋，这个吸收了 93% 以上地球系统能量收入的大载体，也开始“发烧”了。NOAA首次公布的GOES-18（地球静止轨道运行环境卫星）的图像。图片来源：NOAA早在 1965 年，人们就已经提出大气温室气体增加会引起海洋变暖。2000 年，来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究员西德尼·莱维图斯（Sydney Levitus）在《科学》撰文表明，1948~1998 年期间，世界海洋从表面到 3000 米深度的热含量（平均温度）广泛增加。但全球海洋到底变暖了多少，一直是一个争议不断的问题。01给海洋“量体温”怎么这么难？大量的观测数据证实，全球升温是不争的事实，那为什么海洋的增暖还会充满争议呢？究其原因，来自于过去海洋观测数据质量和数量的不足。为了知道历史时期的气候变化，科学家们可以从历史文献、化石、沉积物（如海洋、黄土、石笋等）、冰川、树轮等找到历史气候变迁的痕迹。到了现代，卫星和全球密集的观测站点又成为测量大气温度的最佳武器之一。目前陆地上大约有 11000 个站点在进行大气温度的观测工作。但是面对广袤无垠的大海，这些方法就显得鞭长莫及了。竺可桢先生根据历史文献重现的中国近五千年来温度曲线。图片来源：《中国近五千年来气候变迁的初步研究》海洋的复杂性在于，不仅有宽度（3.6 亿平方千米），还有深度（平均深度 3680 米，最深海沟达到海平面以下 10911 米）。不同地区的地表温度尚有区别，不同区域的海洋当然也有着自己的“脾气”。正是由于对海洋的探索是一个三维的过程，使得厘清海洋热容量的变化变得尤为困难。即使在现在，人类对海洋的探索还只是九牛一毛。而目前人类对海洋温度的探索仅仅集中于海洋上层 2000 米的部分。在 1970~2001 年间，海洋次表层最主要的温度观测，是利用船只沿航道扔下的一次性抛弃式测温仪（XBT）进行的，占到总数据量的 41%。可受到当时技术的限制，它的结果存在系统性偏差。要想知道海温的长期变化，就必须想方设法订正这些数据。因此自 2008 年起，全球科学家开始了订正历史 XBT 数据系统性偏差的工作。同时通过结合 2000 年正式实施的 Argo 全球实时海洋观测网数据，尝试量化海洋温度的长期变化。但由于数据偏差订正方法不同，往往会得到不一致的海洋增暖结论。全球Argo浮标的分布。图片来源：https://argo.ucsd.edu/about/status/02再破纪录！海洋：我要“燃”起来了2014 年，中国科学院大气物理研究所（以下简称大气所）研究团队提出的海洋数据偏差订正方案，一跃成为目前国际上推荐的最佳订正方案，有效减小了政府间气候变化专门委员会第五次评估报告中的海温估计误差。2023 年，大气所牵头的 2022 年全球海洋环境变化研究报告显示，2022 年成为有现代海洋观测记录以来海洋最暖的一年。2022 年，全球海洋上层 2000 米储存的热量与 2021 年相比，增加了 10.9±8.3 泽焦耳（1 泽焦耳=10 的 21 次方焦耳）。这些热量可以同时烧开 7 亿壶 1.5 升的水，约为 2021 年中国全年发电总量的 325 倍、2021 年世界发电总量的 100 倍。在 20 世纪 90 年代以后，科学家在 2000 米以下的深海也已观测到了变暖信号。1958~2022 年全球海洋2000米以上热含量异常。图片来源：参考文献[3]在区域增暖中，七个大洋 2022 年海温的记录，都排进了历史记录的前十，其中有四个（北大西洋，地中海，北太平洋(北纬 30°~62°)和南太平洋，以及南大洋）甚至创下了历史最热纪录。相对于 1981~2010 年基线，1958~2022 年区域观测到的 2000 米上部热含量变化。图片来源：参考文献[3]03海洋变暖多种生物将面临危机看上去，最害怕海洋变暖的会是海洋生物。2018 年的研究表明，海洋温度升高和层结加剧会导致海水中溶解的氧减少，这是造成大多数有记录的海洋物种灭绝的原因。温度依赖性缺氧（二叠纪末海洋物种大灭绝的驱动因素）示意图。图片来源：参考文献[4]2022 年，科学家们的研究进一步表明，如果人类对温室气体没有采取行之有效的减排行动，将使地球在 2300 年走上二叠纪末期大规模海洋物种灭绝（这一事件被称为“物种大灭绝”，导致 96% 的海洋物种和 70% 的陆地物种消失）的道路。这其中，极地物种灭绝的风险最高，但热带地区的生物丰富度下降得更多。只有大规模扭转温室气体排放趋势，才能减少 70% 以上的物种灭绝风险，保护过去 5000 万年进化史中积累的海洋生物多样性。海洋生物丰富度的过去和未来。图片来源：参考文献[5]除此之外，在陆地上经历越来越频繁的高温热浪时，海洋热浪（是指发生在海洋中的极端高温事件，被定义为海表温度至少连续 5 天超出气候平均态 90 百分位阈值）也正在成为新常态。海洋热浪。图片来源：NOAA在 1982~2016 年期间，海洋热浪天数增加了一倍。如果全球变暖控制在 1.5℃，预计海洋热浪天数将增加 16 倍，然而，按照目前各个国家的自主贡献目标（是每个国家对其如何减少温室气体排放以及减排程度所做出的非约束性承诺）来计算，21 世纪末全球将变暖约 3.5℃，海洋热浪天数增加可能为 41 倍。全球变暖水平为1°C (a)、2°C (b)和3.5°C (c)时，海洋热浪天数超过工业化前第99百分位的概率变化。图片来源：参考文献[6]**如同面对高温热浪一样，**渔业，甚至人类社会经济，在海洋热浪面前都是高度脆弱的。南海海洋热浪事件导致了 2010 年以来，南海珊瑚礁白化现象不断出现，我国沿海海域均出现严重的珊瑚礁白化事件。2021 年的加拿大极端热浪则直接把海滩上的贻贝和其他水生有壳生物烤熟。不仅是海洋生物，海洋热浪还会通过大气遥相关影响陆地的极端天气，从而影响我们的生活。加拿大西部海滩上，极端高温烤熟了水生有壳生物。图片来源：CNN在 2021 年，世界上近 60% 的海洋表面至少经历了一次海洋热浪的袭击（WMO）。联合国环境规划署提出，如果海水继续变暖，到本世纪末，世界上的每一个珊瑚礁都可能会出现白化现象。海洋增暖还会导致海洋生物的锐减、有毒藻类的大量繁殖和海岸线水生物的死亡等等。这些变化最终将影响包括约 6.8 亿生活在低洼沿海地区的人，近 20 亿生活在世界沿海大城市的人，以及近 6000 万在渔业和水产养殖业工作的人。珊瑚礁白化。图片来源: Kelsey Roberts/USGS04不只是变暖海洋危机 SOS！海洋面临的危机当然不仅是“发烧”。随着海洋变暖，温度的变化像多米罗骨牌一样带来了连锁反应。储存在海洋中的热量导致海水膨胀，可以在全球海平面上升中占 33.3%~50%，这将使得沿海和低洼地区面临着越来越严重的风险。过去 10 年间，海平面上升的高度（45.0 毫米）接近之前 20 年的总和（50.0 毫米）。图片来源：WMO海洋的变化还会加剧像风暴潮、洪水这样的极端气象灾害。研究表明，在温和气候变化情景下，西北太平洋低纬地区上层海洋的持续变暖，将使 2100 年平均台风强度进一步增加 14%。另外，由于海洋具有非常高的储热能力，是全球变暖的“缓冲器”，仅从 1800 年工业革命开始到 1994 年，全球海洋就吸收了 1180 亿公吨碳。但海洋无限制为减排“背锅”的背后，也总有一个临界值。研究发现，虽然进入海洋的 CO2 正在增加，但与 2004 年第一次全球海洋碳调查相比，被海洋吸收的排放量（约 31%)）保持相对稳定。 如果海洋无法吸收持续增加的 CO2，或者随着海洋变暖和海洋层结加剧，海洋碳吸收效率下降了，人为排放的 CO2 不得不留在大气中，这将进一步加剧全球变暖。1800~1994年和1994~2007年的全球 CO2预算。图片来源：参考文献[8]另外，海洋持续吸收 CO2 也使得海洋继续酸化，这对于贝类以及其他利用矿物碳酸钙来形成外壳和外骨骼的海洋生物而言，无疑是灭顶之灾。05碳中和是否能为海洋危机按下暂停键？**在过去 80 年间，海洋每个十年都比前十年更暖。**研究表明，历史性的海洋变暖在本世纪是不可逆转的。**到 2100 年，预计海洋上层 2000 米的变暖是迄今观察到的变暖的 2~6 倍。**太平洋将成为最大的热库，大西洋和南大洋的区域平均变暖依然是最强的。那么，如果实现碳中和目标，使碳排放与碳吸收平衡，温度不再上升，能使得海平面停止上升，甚至下降吗？CO2 在大气中的寿命是由碳汇吸收 CO2 的速度决定的。虽然约一半的排放被相对较快地吸收，但我们在大气中积累的部分 CO2 排放，仍将存在数万年。而即使全球的温室气体排放量处在一个稳定的状态，在海水热膨胀的作用下，海平面仍然会上升几百年的时间。冰川和冰盖的融化也会促使海平面进一步上升。由于热膨胀导致的全球海平面上升距平和海温距平（与平均值的差）。a，全球年平均海平面上升距平（相对于 1986~2005 年）；b，全球 300 米海温年均距平（相对于 1986~2005 年）。c，全球3000米海温年均距平（相对于 1986~2005 年）。图片来源：参考文献[10]但即使处在一个零碳排放的世界，海平面在未来的几百年里依然会上升，至少 80 厘米的额外海平面上升是“肯定”的。06结语今天是世界气象日，我们讲述海洋的故事，是为了警醒大家：温室气体问题是我们生活、生存的根本性问题。海洋危机可能无法避免，但减排可以极大地遏止海平面上升幅度，我们需要更加积极地减缓升温和准备适应措施。无数的科学家展示了同一个我们可能面临的未来：地球会更不适宜人类生存。我们最终需要的可能不仅是净零排放，而是更严格的全球净负排放，这样才能阻止升温后人类无法承受的世界来到。“天气气候水，代代向未来”。深夜，当我们闭上眼，也有超过 10000 个气象站、7000 艘船、1000 个漂流浮标、数百个天气雷达、约 30 颗气象卫星和 200 颗研究卫星和其他设备在不停歇地观测着陆地和海洋。当我们拥有了足够的数据来武装我们的知识，下一步，就该是切实的行动了。参考文献：[1] Revelle, R., W. Broecker, H. Craig, C. D. Keeling, and J. Smagorinsky (1965), Appendix Y4, in Restoring the Quality of Our Environment—Report of the Environmental Pollution Panel, pp. 112–133, Pres. Sci. Advis. Comm., Washington, D. C.[2] Levitus, S., J. Antonov, T. P. Boyer, and C. Stephens (2000), Warming of the world ocean, Science, 287, 2225–2229.[3] Cheng, L., Abraham, J., Trenberth, K.E. et al. Another Year of Record Heat for the Oceans. Adv. Atmos. Sci. (2023). https://doi.org/10.1007/s00376-023-2385-2[4] Penn JL, Deutsch C, Payne JL, Sperling EA. Temperature-dependent hypoxia explains biogeography and severity of end-Permian marine mass extinction. Science. 2018 Dec 7;362(6419):eaat1327. doi: 10.1126/science.aat1327[5] Penn JL, Deutsch C. Avoiding ocean mass extinction from climate warming. Science. 2022 Apr 29;376(6592):524-526. doi: 10.1126/science.abe9039[6] Frölicher, T.L., Fischer, E.M. & Gruber, N. Marine heatwaves under global warming. Nature 560, 360–364 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0383-9[7] Mei, W., Xie, S., Primeau, F.W., McWilliams, J.C., & Pasquero, C. (2015). Northwestern Pacific typhoon intensity controlled by changes in ocean temperatures. Science Advances, 1.[8] Gruber N , Clement D , Carter B R , et al. The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007[J]. Science, 2019, 363(6432):1193-1199.[9] Cheng, L., J. Abraham, Z. Hausfather, K. E. Trenberth, 2019: How fast are the oceans warming? Science, 363 (6423), 128-129. doi: 10.1126/science.aav7619.[10] Meehl, G., Hu, A., Tebaldi, C. et al. Relative outcomes of climate change mitigation related to global temperature versus sea-level rise. Nature Clim Change 2, 576–580 (2012). https://doi.org/10.1038/nclimate1529[11] Nauels, A., Gütschow, J., Mengel, M., Meinshausen, M., Clark, P. U., & Schleussner, C. F. (2019). Attributing long-term sea-level rise to Paris Agreement emission pledges. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116(47), 23487–23492. https://doi.org/10.1073/pnas.1907461116[12] WMO Provisional State of the Global Climate 2022[13] Cheng, L., von Schuckmann, K., Abraham, J.P. et al. Past and future ocean warming. Nat Rev Earth Environ 3, 776–794 (2022). https://doi.org/10.1038/s43017-022-00345-1[14] Gruber N , Clement D , Carter B R , et al. The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007[J]. Science, 2019, 363(6432):1193-1199. 作者： 2023/03/24 10:42
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