七天科技博览(3月15日)

【本期导读】

  1. 温度、湿度、纬度对病毒传播的作用
  2. 研究显示儿童新冠肺炎诊治需重视粪口传播
  3. 中国学者回应新冠病毒演化争议
  4. 中国科大成功制备出34种单原子催化剂
  5. 是谁终结了“冰河时代”?
  6. 张景中:把数学变容易大有可为

 

温度、湿度、纬度对病毒传播的作用

温度、湿度、纬度,一些科研团队围绕新冠病毒传播的外部环境条件进行研究,并就疫情进展发出类似于“天气预报”的“警报”。而这对当前防疫乃至未来“预防”有何作用?

来自美国马里兰大学医学院人类病毒学研究所的科学家们近日发表预印版论文称,新冠肺炎疫情主要沿着狭窄的东西向分布,即在北纬30度至50度的“走廊”,中国湖北、韩国、日本、伊朗、意大利北部等疫情严重的地区均在其间。受疫情影响的城市与温湿度具有相关性,温度在5摄氏度至11摄氏度,湿度在47%至79%。这些地点还有共同点,“疫情暴发时间与年度温度周期的最低点重合,在一个多月的时间内温度相对稳定”。

该科研团队又使用天气模型,预测未来几周内最有可能出现新冠肺炎社区严重传播的高风险区,包括东北亚、中亚、东欧、中欧、不列颠群岛、美国东北部和中西部等。这份“走廊”地图最早绘制于2月下旬。截至记者发稿时,欧洲报告的确诊病例数和死亡人数已超过除中国以外世界其他地区的总和,美国、英国的确诊病例数均已破千。

将新冠肺炎疫情与气候结合研究的还有来自中山大学公共卫生学院的王茂团队。他们收集了1月20日至2月4日、429个城市和地区每日确诊人数与温度数据,发现气温与新冠病毒传播存在相关性:当平均气温上升到8.72摄氏度时,日累计确诊人数达到峰值。科研人员由此推测“可能存在最适合新冠病毒传播的温度区间”,认为随着日平均温度超出这一温度区间,疫情可能得到相应控制。这一结论也以预印版论文的形式发表。

对于这些尚未正式经过同行评议的研究,已有学者提出质疑。比如,没有考虑确诊人数的增加与输入性病例、感染人群基础的关系;又如,仅考虑确诊时气温,忽视了病毒感染的潜伏期;再如,没有纳入年龄、性别等传播因素。

武汉大学医学部病毒研究所教授杨占秋对媒体分析相关研究时说,作为流行病学分析,样本量还是不足,特别是湖北以外其他省份病例较少,会有较大误差。他补充说,实验室研究发现呼吸道病毒的培养在34摄氏度左右时繁殖能力最强,但在自然环境中适宜传播的温度还不明确。

在中国工程院院士钟南山、中山大学公共卫生学院(深圳)院长舒跃龙、清华大学全球健康与传染病研究中心主任张林琦等专家看来,气温的上升可能会对病毒在自然条件下的存活有一定影响,“但不是决定性的影响因素”。

以SARS(严重急性呼吸综合征)病毒为例。上海市气象局曾回顾了“非典”时期每日新增确诊数量与当日气象因素的关系,通过数据建模得出结论:SARS发病数量与发病前7天的环境温度之间存在显著相关性,SARS病例出现的最佳环境温度在16摄氏度至28摄氏度之间。还有研究表明,SARS病毒在低温(22摄氏度至25摄氏度)、低湿(相对湿度40%至50%)环境中具有更好的稳定性。

包括世界卫生组织在内各方普遍认为SARS病毒是在综合因素的作用下消失,既有温度、湿度、日照时间等自然因素,也基于病例通报透明公开、各国尽最大努力控制患病人员流动等切实举措。专家强调,眼下不能寄希望于“让天气消灭疫情”,特别是在防控取得成效的中国,切不可因气温回暖而放松警惕。

不过,继续摸清新冠病毒传播的“脾气”仍有其必要性。一方面,查明病毒在受污染的物体表面存活条件,有助于指导人们科学消毒,避免“过度防疫”;另一方面,一旦新冠病毒成为类似于流行性感冒的“常客”,这些研究或将用于指导防控,比如分析哪些人口密集的大城市面临风险最大,应加强何种规模的控制措施,如何预测来年季节性表现等,继而帮助可能处于“疫区”的人们做好准备。

而对新冠病毒“天气预报”来说当务之急是提高精准度。研究者认为,应进一步整合“流行病学—人类系统模型”,结合气候和天气等变量及其时空变化,加入对人类互动场景的模拟,改进现有模型。还有科学家建议纳入病毒变异考量,“不排除病毒传播到其它动物,从而演化成一种新的人畜共患病,长期存在于自然界中的可能”。舒跃龙说,应加强对动物中新冠病毒的监测。(中国新闻网)

 

研究显示儿童新冠肺炎诊治需重视粪口传播

中国一个团队13日在期刊《自然·医学》上发表研究说,很多儿童感染新冠病毒后临床表现与成人患者有差异,而研究人员发现,对儿童患者来说病毒经粪口传播的可能性较高,从这个角度去诊断和治疗可能效果更佳。

澳门科技大学医学院和广州市妇女儿童医疗中心研究人员合作完成了这项研究。

据研究团队介绍,很多情况下儿童与成人相比,感染新冠病毒后的临床表现反而不严重,往往没有成人患者们普遍出现的高烧、咳嗽和乏力等临床表现,许多儿童患者肺部X光片和实验室指标也无明显病变特征。

报告通讯作者、澳门科技大学医学院教授张康接受新华社记者邮件采访时说:“出现这种情况,我们认为可能和儿童对新冠病毒的免疫力比成年人,特别是老年人更强有关;同时,儿童患者粪便中可检测出新冠病毒核酸,并且阳性显示时间和载量均高于呼吸道样本中的相关检测结果,因此粪口传播的可能性较高。”

研究团队表示,从这项研究来看,肛拭子比咽拭子能更准确地诊断儿童是否感染新冠病毒并让医护人员更好地判断治疗效果。

另一位通讯作者、广州市妇女儿童医疗中心教授龚四堂说,由于儿童和成年人感染后的临床表现差异,在对这一疾病的预防上应该有所区别,对体弱的老年人群应该更多地关注。(新华网)

 

中国学者回应新冠病毒演化争议

近日,发表于《国家科学评论》上的论文《关于 SARS-CoV-2 的起源和持续进化》(On the origin and continuing evolution of SARS-CoV-2)得出结论称,新冠病毒已经演化出了更具攻击性且传播速度更快的类型。这一观点引发了国际同行的反对,格拉斯哥大学四名学者在 virological.org 网站上发文表示论文结论证据不足、分析方法存在问题,并且会误导公众产生恐慌情绪,要求作者撤稿。

目前该论文的作者们做出最新回应——在论文 PDF 版的文末更新了一个英中对照版本的补充性声明。内容如下:

在我们最近发表的文章(https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa036)中,分析结果显示,103 个 SARS-CoV-2 病毒基因组存在两种不同的谱系;分别称之为 “L”和“S”谱系。我们用来定义L和S谱系的氨基酸位点位于 ORF8(开放阅读框8)基因,这个基因还没有发现具有任何已知的重要功能。基于“ L”谱系的频率高于谱系S的发现,我们将L谱系描述为“aggressive”(具有侵略性)。我们现在认识到,在本研究阐述的内容中,“侵略性”一词会具有误导性,应该用更精确的术语“更高的频率”代替。简而言之,尽管我们已经发现这两个谱系自然并存,但我们没有提供任何证据支持关于 SARS-CoV-2 毒力或致病性的任何流行病学结论。因此,我们将在本文的印刷版本中进行更正,以避免产生误导。

本文的通讯作者之一,北京大学生命科学学院陆剑研究员此前曾在 virological.org 网站直接回应格拉斯哥大学研究者的质疑,表示会通过期刊和对方进行深入讨论。不过这份最新声明尚未对其他学术性问题作出明确回应。

 

中国科大成功制备出34种单原子催化剂

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和化学物理系曾杰教授、周仕明副教授研究团队,发展出了一套利用电化学沉积制备单原子催化剂的普适性方法,利用该方法研究人员成功制备出了34种单原子催化剂,覆盖了多种过渡金属和多种衬底。相关成果日前发表在《自然·通讯》上。

单原子催化剂因为具有最大化的原子利用率和独特的电子结构,在水解、氧还原、二氧化碳加氢、甲烷转化等化学反应中受到了广泛关注。但目前合成单原子催化剂的方法对单原子和衬底都有比较高的要求,还不能实现在任何衬底上制备任何的金属单原子催化剂,因此,发展对衬底和金属无选择性的普适性单原子合成方法具有重要意义。

研究人员在电化学三电极体系下进行电化学沉积,又探究了沉积条件对单原子形成的影响,发现当金属的负载量低于某一限度时,可以获得单原子;高于这一限度时则有金属团簇或颗粒形成,这一变化类似于液相中晶体生长中的成核过程。为了证明该方法的普适性,研究人员又在氢氧化钴、硫化钼、氧化锰、氮掺杂的碳等衬底上成功获得覆盖3d、4d、5d金属的单原子催化剂,并且对所制备的单原子催化剂的结构表征后发现,阴极和阳极沉积获得的同一单原子催化剂具有不同的电子结构,这为其在不同催化反应中的应用提供了可能。

实验结果表明,阴极沉积所得的一些催化剂在电催化析氢反应中表现出了优异的性能。同时,阳极沉积所得的一些催化剂在电催化析氧反应中也表现出了良好的性能。电化学测试表明,该系统仅需1.39 V的电势即可获得10 mA/cm2的全水解电流密度,突破了在碱性电解质中的最低电势记录。

该普适性方法不仅为单原子催化领域注入了新的活力,而且为今后系统性研究催化剂结构和性能之间的关系提供了新的思路。(科技日报)

 

是谁终结了“冰河时代”?

猛犸象、剑齿虎、树懒、松鼠……冰河时代让无数动物离开家园寻找食物。虽然这只是动画片的情景,但“结伴一起去南方”,却也是第四纪冰期的写照。

第四纪(250万年前开始的地球历史时期)通常以一系列的冰期和间冰期为特征,这期间大陆规模冰盖反复消长,尤其是北半球的大部分地区出现了冰冻潮汐。

在中更新世转变之前,第四纪全球冰期大约每4万年重复一次。然而,在中更新世转变期间,第四纪冰期的模式发生了根本性转变并扩展到10万年的间期。尽管人们普遍同意, 4万年的周期是由地球轨道倾斜或倾角的周期性变化驱动的,但轨道推动力理论未能充分解释中更新世转变之后的冰川—间冰周期为何会延长。

澳大利亚墨尔本大学的一项新研究显示,当地轴的倾斜度接近最高值时,过去100万年的冰河时代就结束了。相关论文3月13日刊登于《科学》。

这项由博士生Petra Bajo及其同事进行的研究还表明,这些冰期终结时的夏季能量水平控制着冰原崩塌所需的时间,而更高的能量水平则会导致冰原迅速崩塌。

该研究为最近11次冰川消退提供了一个新的高分辨率记录,并揭示了倾角和日射在测量地球冰期—间冰期循环中的持续影响。“地球轨道的倾斜是整个第四纪(跨越中更新世转变及之后)的冰川—间冰期周期的主要驱动因子。”Bajo说。

冷热交替 循环往复

寒冷—温暖—寒冷……地球的历史似乎总是在冰期和间冰期之间来回切换。

事实上,地球默认的气候似乎温暖宜人。在过去的10亿年里,非冰期占了3/4。然而,其间的6次冰河时代使地球变冷,其中两次严重到足以把地球变成一个冰雪覆盖大部分表面的雪球。

而在冰期之间,更长、更强烈的夏季,融化了北半球的大冰原,推动地球气候进入温暖的间冰期,就像人们在过去11000年经历的那样。但人们一直不清楚,什么原因导致了持续数千万年的冰期结束。

在很大程度上,地球的气候是由大气中二氧化碳含量所驱动的,二氧化碳会留住热量,使地球变暖。尽管自工业革命以来,化石燃料的燃烧已经将二氧化碳水平推高到了300万年未见的高度,但在地球历史上,二氧化碳水平甚至更高,并与温暖时期相吻合。

“地球本身有长期固碳的能力,我们知道这些过程使地球的气候保持平衡,但确定是什么原因导致非冰川气候和冰川气候在百万年的时间尺度上发生变化是一个长期存在的难题。”未参与上述研究的加州大学伯克利分校地球和行星科学系助理教授Nicholas Swanson-Hysell说。

板块撞一撞 寒冷就到来

地球温暖宜人的气候偶尔会被寒潮打断,寒潮使两极被冰雪覆盖,为何地球会进入冰河时代?之前研究发现,关键的触发点可能是热带大陆板块与火山岛弧碰撞时形成的山脉,比如阿拉斯加的阿留申群岛。

2019年4月,Swanson-Hysell团队及合作者,使用地理学模型“重建”了过去5亿年中地质板块的变动情况,发现这期间所有3次冰河期都出现在大陆板块和火山岛弧在热带地区相撞事件之后。

火山岛弧指大洋中成弧形分布并有火山活动的群岛。这种撞击形成的蛇绿岩能大量吸收二氧化碳,把大气中的二氧化碳封存在岩石中,从而给地球降温。

当这类撞击慢慢停止,就不再有新的蛇绿岩裸露到地表。如果新生成的蛇绿岩不是处于温暖潮湿的热带,其“固碳”效率也会降低。而火山爆发等事件继续释放二氧化碳,地球温度又重新上升。相关论文刊登于《科学》。

不幸的是,对地球的未来来说,消耗二氧化碳的地质过程是缓慢的,而且无法与当前石油、煤炭和天然气燃烧产生的大量二氧化碳排放相抗衡。Swanson-Hysell说,在数千年时间尺度内,地球有可能恢复自然的碳平衡,但对现代文明来说,这是过于漫长的等待。

那么,冰河时代又为何来了又去?

自19世纪中期以来,科学家一直怀疑,地球轨道的几何形状的变化是导致冰河时代结束的原因,但人们不确定的哪个轨道特性最重要。

地球弯弯腰 冰河说拜拜

在过去的100万年中,地球轨道在整个中更新世过渡期及之后的小幅变化,是否触发和终止了全球性的冰川活动?Bajo等人计划通过确定冰河时代结束的时间,进一步解开冰河时代为什么会结束的一些谜团。

评估地球冰河期周期理论的一个主要挑战是无法确定海洋深处沉积记录的年代。于是,研究小组将来自意大利石笋的数据与来自葡萄牙海岸的海洋沉积物的信息结合起来。利用最新的放射性年代测定技术,研究小组确定了两个分别发生在96万年前和87.5万年前的冰河时代终止的年代。这些年代表明,这两次终止的开始与地球倾斜角度的增加更为一致。

“剑桥大学和葡萄牙研究所的同事对北大西洋冰盖崩塌情况做了详细记录。”论文通讯作者、副教授Russell Drysdale告诉《中国科学报》,“我们可以在石笋生长层中发现与海洋沉积物中记录的变化相同的变化。这使我们能够将石笋的年龄信息应用到海洋沉积物记录中,而这个时期的海洋沉积物记录是无法确定日期的。”

Bajo和同事还将研究扩展至过去100万年的11次成冰—消冰事件。结果证明,中更新世转变之后的前两次消冰事件被两个倾角周期隔开。研究人员还表示,在北半球冰盖所在的地区,气温升高会导致夏季变暖,导致冰层融化。

Drysdale说:“当北半球夏季冰盖上的能量接近峰值时,这两次冰期都进入了结束阶段。将这些发现与之前发表的更晚期的终结数据进行比较,就会发现这种模式在过去100万年反复出现。”

研究人员仍在试图了解这些周期发生的频率,以及人们多久可以“等到”另一个周期的到来。他们还计划进一步研究更新世中期,那时冰期周期的平均长度突然增加一倍。(中国科学报)

 

张景中:把数学变容易大有可为

数学重要,但难学。改善数学教育是世纪性世界大课题。

30年前,我在一本书里提出了“教育数学”的想法。所谓教育数学,就是为教育改造数学,把数学变得更容易。要让概念更平易,推理更简捷,方法更有力。

40多年前,我在新疆一个农场中学教数学时,有几件事情启发了我,让我认识到数学能够变得更容易。1977年的一道高考题,我用小学里的面积计算方法做出来了。1978年的一道奥数题,我又是用基于小学知识的面积方法找到了一个不到两行的证明。10多年后,我才明白,这其实是发现了一种几何定理机器证明的新方法。

三角难懂,我用菱形面积定义正弦,接着通过面积计算轻松获得了正弦定理和正弦和角公式。对此,初二学生说容易懂,记得牢,有趣。

40年后,我才知道,数学教育大师弗赖登塔尔曾提出,能否提前两年先学正弦。我找到了三角学在小学数学知识基础上的生长点,实现了他的设想。

1979年,我到中国科学技术大学任教,整理了这些心得,写了《平面几何新路》等读物。不久,我又结合讲微积分的体会,在1989年出版了《从数学教育到教育数学》一书,提出了“教育数学”的观点,举出了一批把数学变容易的实例,涉及几何、三角和微积分。

“教育数学”的主张赢得了广泛赞同。2004年,中国高等教育学会教育数学专业委员会成立,专家们在多届委员会年会上就教育数学进行了深入交流。

数学究竟能不能变容易,还是要由教学实践来检验。为了为教学实践做更多准备,提供可操作的内容,2006年,我在《数学教学》和《数学通报》撰文,提出了“重建三角,全局皆活”的主张;2009年,我写了《一线串通的初等数学》,作为科学出版社《走进教育数学》丛书中的一册出版。

经过30年的发酵,重建三角的思路,终于开始渗入课堂。

从相关学术刊物和学位论文,我们可以捕捉到有关教学实验的信息:对教育数学,学生教师均表示欢迎,认为新的概念方法别具一格,简捷易懂,易于接受。

宁波教育学院的崔雪芳教授曾组织在初一教正弦的实验课,得出的结论是:学生始终保持浓厚的兴趣,对后续学习产生了强烈的期待,学习的动力被进一步激发;在三角、几何、代数间搭建了一个互相联系的思维通道,后续学习的思维空间得到整体的拓展。

从2012年到2015年,在广州市科协项目支持下,广州市海珠实验中学青年教师张东方,对两个班105名学生,做了初中全程的“重建三角”教学实验。实验结果显示:学生的思维更活跃,分析和解决问题的能力明显提升。中考数学成绩优秀率达到100%,而对比班级为67%。

成功的实验引起了关注。有些师范学院把教育数学列入教学内容,组织相关教学实验;农村山区的实验学校,学生学习积极性提高,进步也很快;不少老师自发地投入教学实践,组织课外活动,编写校本教材,推广教育数学的新思想和新方法。三十年磨一剑,把数学变容易在初中里开始成为现实。

解析几何、向量能不能变容易?微积分呢?

莱布尼茨问过,点如何相加?我们提出的“点几何”给出了最为浅显的回答,由此对上千个几何问题给出了简单清楚的恒等式解答。这解答立刻能转化为向量、复数或坐标的表达方式。这将把解析几何、复数、向量的学习变得更容易。

历史上不少大家如拉格朗日,曾致力于建立不用极限的容易理解的微积分,都未成功。后人普遍认为此路不通。《普林斯顿微积分读本》干脆宣称,如果没有极限概念,微积分将不复存在。

在中国科学技术大学时,我曾致力把微积分变容易,虽小有所获,终因进展艰难而停顿。在林群学长这方面长期坚持不懈的探索启发激励下,近20年,我重拾此方向的研究。最近,我们发现,从一些很平常的想法出发,即使没有微积分,也能够系统而简捷地解决通常认为微积分才能解决的许多问题。沿此思路,可以在引入极限之前严谨地建立微积分了。

著名英国数学家阿蒂亚认为,为了知识的传承,必须不断努力把它们简化和统一。他希望,“过去曾经使成年人困惑的问题,在以后的年代里,连孩子们都能容易地理解。”

把数学变容易,任重道远,但大有可为。

(文章转载自《人民日报海外版》,作者为中国科学院院士、著名数学家)

 

(选编: 洪田)

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