大部分世界遗产珊瑚礁遭白化,最奇怪的动物

“最奇怪的动物”身份揭秘

大部分世界遗产珊瑚礁遭白化 若不减排本世纪末将全部死亡

口袋里的实验室 智能手机将实验科学带到野外、教室和诊所

美能源部长谨慎回避国会预算制定者

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图片来源:美国自然历史博物馆

美国摩萨亚群岛附近被漂白的鹿角珊瑚 图片来源:NOAA

研究人员借助柯迪风筝绑着智能手机拍下的法国波利尼西亚的海岸线照片。图片来源:E.
Reynaud

美能源部长里克:佩里在田纳西州橡树岭国家实验室泰坦超级计算机前留影。
图片来源: Oak Ridge National Laboratory

6月27日,《自然—通讯》报告了已灭绝的南美原生有蹄动物长颈驼(Macrauchenia
patachonica)的近乎完整的线粒体基因组。自达尔文首次发现南美原生有蹄动物化石以来,它们的演化关系就一直困扰着生物学家,但古DNA则为其带来了新的见解。

本报讯
就在上周,关于全世界的珊瑚礁同时收到了一个好消息和一个坏消息。前者是马里兰州银泉市美国国家海洋与大气管理局于6月19日宣布,始于2015年的全球珊瑚礁白化事件似乎已经结束。后者则是连续3年的白化过程破坏了联合国教育、科学及文化组织世界遗产名录29个珊瑚礁中的26个。同时预测结果是严峻的——如果不能显著减少温室气体排放量,所有这些礁体“在本世纪末将不再支持功能性的珊瑚礁生态系统”。这是UNESCO位于法国巴黎的世界遗产中心在一份报告中预测的。

随着夏季的到来,美国东岸进入假期:海滩、野餐,当然还有蚊子。弗吉尼亚州的威廉王子县也不例外。该县官员一直在设置陷阱收集蚊子,并研究其致病性。

美国能源部部长里克:佩里曾与演员在电视机节目中表演恰恰舞和快步舞。所以在国会3个委员会评估特朗普政府2018年对能源部的预算请求之前,这位得克萨斯州前州长采取的谨慎仔细的步法令人一点儿也不吃惊。美国总统曾呼吁对这家拥有300亿美元的机构的科技项目进行大幅经费削减,这引发了政界法律制定者的强烈批评。

现已灭绝的南美原生有蹄动物拥有着不同寻常的性状组合——体型似骆驼,鼻部似貘——不符合经典分类方法。之前,古胶原蛋白中的蛋白质序列为认识这种令人困惑的物种与现存哺乳动物的关系提供了最好的解释。人们一直尝试利用古DNA进一步了解这些与众不同的动物的演化历史,但是却因为DNA降解和缺乏来自近亲的参照基因组而受阻。

当温度较高的海水导致珊瑚礁排出名为虫黄藻的共生藻类时,白化现象便发生了。而虫黄藻能够利用光合作用产生自己及其寄主所需的养分。失去彩色藻类的珊瑚逐渐变为白色,也就是人们所说的白化。一旦海水的温度在几天或几周内下降,这些共生藻类还会回来。然而如果白化现象持续下去,等待珊瑚礁的便只有死亡。

通常,这些蚊子实验包括将它们带回实验室,分析其携带的病原体核苷酸信号,这一过程需要数天。但去年9月,Joseph
Russell能够利用车上的空调设备获得相同数据。而这多亏了他的智能手机和掌上仪器two3。

面对反对意见,近日佩里的舞步反复偏离维护开支请求。他指出,这是最终的结果,是他在今年3月初认职之前已经做出的决定,他没有发表任何意见。他暗示自己已经认识到国会在年度预算中是“领舞”的一方,因为它控制着钱袋子。“我知道,用这些预算,我们也可以做一些事。”他在6月21日告诉参议院拨款委员会成员,他“期待”与法律制定者合作以解决他们对支出水平的担忧。

德国波茨坦大学的Michael
Hofreiter及同事克服了这些困难,他们使用新型测序和映射技术来组装从长颈驼化石样本中收集到的古DNA的线粒体基因组。之后,研究人员对DNA序列进行系统发育分析,评估这些动物的演化关系,结果强化了之前的蛋白质组学分析,即滑距骨目是奇蹄目的姐妹群,并且表明这些动物类群在6600万年前左右出现分化。

珊瑚礁是支撑100多万种海洋物种的生态系统。据估计,全世界有5亿人依靠基于珊瑚礁的渔业和旅游业为生。

two3由一个手机软件控制,能同时检测提取自2个序列目标的3个核苷酸提取物中的1个。而且,人们只需要打开顶盖,放入样品试管,按压开关即可。“当我收集好下一个地点的蚊子时,我就知道了前一个取
样点的结果。”马里兰州MRIGlobal的博士后Russell说。

同时,在民主党人士就他对气候变化的态度向其施压时,佩里采取了挑衅性的回应。“我的观点是那并非是已经确定的科学。”他对参议院开支专家组说,并争论称评判委员会对于来自人类活动的CO2排放是否在驱动全球变暖仍未作定论。

该研究展示了如何在甚至没有现存亲缘物种参照基因组的情况下,重建古基因组。不过,还需要开展额外研究才能阐明其它南美原生有蹄动物类群的演化关系。

NOAA的珊瑚礁观测项目利用卫星测量海表温度,同时建模监测和预测水温何时上升到足以引起白化的程度。在最近的一个案例中,大西洋、太平洋和印度洋盆地的海水从2014年年中开始升温,并在2015年发生白化过程。这一持续3年的最新事件是前所未有的;以前发生的全球性白化事件来来回回超不过1年时间。

Russell只是其中一个缩影。目前,随着移动电话功能的日益强大,越来越多的研究人员正将实验从实验室转移到田间。

在三次关于提议预算削减的听证会上,佩里听到许多令其肉痛的言辞,其中包括对能源部50亿美元的科学办公室进行17%的预算削减,即减少9.19亿美元,此外还有撤销3.06亿美元的高级能源研究计划署。“这不是一项合理的科学预算,而是一项不科学的预算。”参议员Angus
King在参议院能源专家组听证会上说,“我不羡慕你,因为你被派去捍卫站不住脚的事情。”

世界遗产中心海洋项目协调人Fanny
Douvere表示,为了摸清气候变化可能对珊瑚礁意味着什么,该中心邀请NOAA及其他机构的珊瑚专家给出了他们所谓的首个此类研究,即“科学地量化问题的规模,预测未来的走势,并指出影响到个别位点的水平”。她补充说:“在世界遗产项目的历史中,这是之前从未做过的事情。”

加州大学洛杉矶分校电器和生物学工程师Aydogan
Ozcan表示,结合了计算机、摄像机、全球定位系统、网络、传感器和电池,智能手机就像“瑞士军刀”,几乎拥有“十八般武艺”。Ozcan利用10年时间,将手机变成一个功能强大的显微镜和生物传感器。

佩里明确表示,他不会费力抵抗这些经费削减。但他也并未作出任何承诺。“我不会说实验室没有一个人会失去工作。”他告诉参议院能源专家组说。他承认ARPA-E将不会消失,并表示这家已有8年资历的机构可能会通过一些组织调整而受益,但却未披露任何细节。

研究团队梳理了已发表的现场观测报告和NOAA数据。结果表明,除了3个珊瑚礁外,29个中有21个遭受了严重和/或反复暴露于热水而足以导致的白化过程。

而且,随着数十亿计的通讯设备和蜂窝网络的覆盖,以及数据传输速度的不断提高,研究人员正在利用手机把他们的科学研究带到更远的地方。目前,智能手机被广泛用于科学和医学用途。

科学家发现,即使是经历了最小限度人类影响的偏远而原始的珊瑚礁——包括美国夏威夷Papahanamokuakea和塞舌尔亚达伯拉环礁——也遭遇了严重白化。这份报告指出:“在第三次全球白化事件中,珊瑚礁的死亡率是有史以来观测到的最严重的一次。”

Ozcan的团队目前正在开发更精确和敏感的成像器,能用于成像个体病毒和DNA分子。康奈尔大学机械工程师David
Erickson和营养学家Saurabh
Mehta已经开发出一个名为NutriPhone的手机系统,用于检测患者血液中的维生素B12和铁等微量元素。

珊瑚礁可以从白化过程中恢复过来,但需要15年到25年的时间。然而在1985年至2013年间,世界遗产名单29个珊瑚礁中有13个每10年暴露于白化过程的次数超过两次,甚至在最近一次白化事件发生之前,澳大利亚大堡礁已经连续2年有大量珊瑚礁死亡。

目前,甚至还有基于手机的DNA测序仪。英国牛津纳米孔技术公司宣布,今年年底有望推出一台名为SmidgION的商业设备。1月,瑞典斯德哥尔摩大学的Mats
Nilsson展示了一个3D打印的智能手机连接物,能用于检测DNA突变。

研究人员预测,如果二氧化碳排放量继续上升,白化事件的间隔将越来越短。该报告指出,“在一切正常的排放情景下”,到本世纪末,所有29个世界遗产名录中的珊瑚礁都将基本被摧毁。

或许在发展中国家,智能手机的颠覆性潜力是最明显的。在“资源匮乏”的环境中,专门人才和实验室设备也同样紧缺。电力、清洁水等重要基础设施也不可靠。但蜂窝网络能提供某些帮助。

然而即使二氧化碳排放受到限制,珊瑚礁仍将面临来自气候变化的挑战。《巴黎协定》设定的目标是将全球平均增温水平控制在不高于工业化前水平2摄氏度的范围内,同时呼吁努力将升温控制在1.5摄氏度范围内。这份报告指出,任何增温大于1.5摄氏度的情况都有可能导致“绝大多数珊瑚礁的严重退化”。不过,限制大气温度的上升至少会留给珊瑚礁一些时间去适应。

2014年,加拿大多伦多综合医院热带医学专家 Isaac
Bogoch一直在科特迪瓦乡村地区研究血吸虫病。他提到,在科特迪瓦,血吸虫病是地方性疾病,但易于诊断和治疗,前提是医护人员能有和会用显微镜。不过,通常他们不能。

该报告将在7月2日于波兰卡拉科夫市召开的一次会议上提交给世界遗产委员会。世界遗产中心与国际自然保护联盟已经起草了供该委员会通过的决议草案。

为了突破困境,Bogoch和同事将智能手机改造成一部便携式显微镜,并教给当地技术员如何使用其检验潜在患者的尿液和粪便。“与将患者或样本转移到遥远的实验室不同,我们可以将实验室带给人们。”他说。

目前全球正处于一个非同寻常的长期厄尔尼诺过程中,这种气候现象能够加热赤道太平洋海域,进而影响全球天气。如今在全球变暖的驱动下,厄尔尼诺现象一直在促使全球的珊瑚礁进入危险区域。

据悉,Bogoch等人用双面胶将直径3毫米的球状透镜与手机的后置摄像头连接固定。在测试中,科研人员用该显微镜观测了200份粪便样本,从而发现样本中不同类型的寄生虫。结果显示,用智能手机改装的显微镜达到了常规显微镜精准度的70%。

研究人员指出,目前在全球所有近海海域,珊瑚礁的健康水平每况愈下。之前的全球性研究已然表明,主要的珊瑚礁系统正在更加缓慢地钙化,此举旨在建立它们的石质骨骼。其中一项研究显示,澳大利亚沿岸大堡礁的生长速度在过去30年中下降了40%。

此外,芬兰赫尔辛基大学分子医学研究室主任Johan
Lundin等人利用手机部件开发出的自动荧光滑动扫描仪,也可用于诊断血吸虫感染。他们最近在坦桑尼亚进行了测试。

《中国科学报》 (2017-06-28 第2版 国际)

Lundin表示,尽管参与实验的学校没有电,但野外收集的图片能上传到赫尔辛基大学的服务器上。

而Bogoch的团队也在训练更偏远乡村的显微镜工作者如何从人类尿液和粪便中鉴别血吸虫卵。相关项目使用了一个简单的3D打印电话连接物——CellScope。

该设备由加州大学伯克利分校生物工程师Daniel
Fletcher的实验室研发。它主要基于一个可拆卸部件,能将智能手机的相机镜头反转,以放大图像。同时,Fletcher团队还使用CellScope寻找其他寄生虫,例如罗阿丝虫。

“在实验室研发一个设备,然后证实它能工作是一件事。”Fletcher说,“但让这些设备能在野外工作,是一个非常难的过渡。当它确实能发挥作用时,有用到令人难以置信。”

还有人使用智能手机进行教学。宾夕法尼亚大学生物工程学研究生Megan
Sperry和Heidi
Norton,与Biomeme公司及教育机构TechGirlz合作,使用手机向18位女学生教授现代分子生物学。

该团队从费城3家餐厅订购了新鲜生鱼片,然后使用two3检验了菜单是否准确描述了鱼的种类。但一半情况下没有。Sperry表示,对于学生而言,能将课堂与生活结合起来,会让学习更有趣。“这是一个真实实验案例:我们有了鱼,然后进行基因分析,弄清菜单是否正确。”她说。

无独有偶,斯坦福大学生物工程师Ingmar
Riedel-Kruse则使用手机制造了教学显微镜。Riedel-Kruse开发出一个3D打印的LudusScope。该设备包含操纵杆控制的LED灯,学生能用它驱动视野中的光应答单细胞原生生物。

而西班牙生物医学研究所工程师和管理者Julien
Colombelli将智能手机电池和LEGO积木结合在一起,阐明了光片照明显微镜背后的原理。LEGOLish系统不是一个真的显微镜,Colombelli表示,它并不包含放大镜。但它能成像1~2厘米的物体,大约有老鼠胚胎大小。这个设备的成本约200美元,当然不包含手机。

Colombelli和光学研究所的同事Jordi
Andilla最初设计LEGOLish的目的是作为2014年的一次显微镜学会议最佳海报的奖品。但他们后来升级了设计,使其适合于科学应用,尽管成本是之前的10倍。“我们认为这将对许多办公室有所帮助,他们能在1周内用不到2000美元建造一个能用的系统。”他说。

智能手机的轻便性让它们在边远地区尤其有用。去年年底,缅因州比洛奇海洋学实验室海洋微生物学家Peter
Countway就在南极洲北部的帕默站使用了two3。他们使用该设备研究了海洋细菌如何代谢二甲基磺基丙酯——
一种浮游植物产生的有机硫化合物,能反映全球气候模型的变化。

而且,爱尔兰都柏林大学学院的Emmanuel
Reynaud也利用智能手机研究了法卡拉瓦岛珊瑚礁的健康状况和结构。

为了获得广角视野,研究人员利用柯迪风筝将一部便宜的安卓手机带入空中,然后每6个小时拉动风筝。手机能每20分钟拍摄一张照片,然后将照片和数据传输到下方的电脑中。而硬件的总成本仅约为400美元。

此外,越来越多的手机能收集医学相关数据,例如心率等。4月,CNBC报道称,苹果公司正在研发能通过皮肤测血糖的传感器。研究人员正在寻找新方法,利用这些数据解答科学问题。

例如,苹果的ResearchKit允许科学家使用苹果手机招募志愿者参加实验,并管理相关工作。“我认为这是一个相当好的主意。”西奈山伊坎医学院的Yvonne
Chan说,ResearchKit能将普遍需求与人们内在的科学好奇心相结合,从而完成一些“极好的事”。

当苹果在2015年发布ResearchKit时,它还宣布启动5个使用该软件的研究。一些研究使用手机传感器存档患者的症状,还有人利用这些工具诊断患者或收集手机使用者上传的数据。

Chan便是其中一个研究项目的负责人。研究人员要求参与者每天回答健康问题,然后将这些数据与参与者的位置信息相关联。她提到,多亏苹果的营销能力,相关App的普及率高于预期,仅3天就有3000人完成注册和同意参与。

无论手机带给人们的福利是否会过去,有一件事情是肯定的:全球智能手机开发者之间的技术竞争几乎没有放缓的迹象。这对消费者来说是个好消息,对科学来说也是个好消息。

《中国科学报》 (2017-06-28 第3版 国际)

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