奇妙的科学世界

版次：31
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印刷时间：2015年07月01日
开本：B5
纸张：胶版纸
包装：平装
是否套装：否
国际标准书号ISBN：9787030449030
作者:胡智慧等译出版社:科学出版社有限责任公司出版时间:2017年08月

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　　《奇妙的科学世界》内容丰富，通俗易懂，适合大众阅读。

目　　录

译者序
原书序
第1章农业科学进展
第2章基础科学
第3章生物学前沿
第4章国防创新
第5章令人振奋的地球科学进展
第6章能源新进展
第7章环境相关的发展
第8章遗传学研究进展
第9章医疗卫生研究进展
第10章材料科学前沿
第11章当今物理学前沿
第12章科学政策

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　　第1章农业科学进展
　　1.地球正在枯竭
　　最近，科学家利用模型对全球气候进行了模拟，结果表明：喜马拉雅山脉、欧洲和世界其他地区的冰川将会融化，这将导致亚洲、非洲、美国和南美洲大部分地区成为不再适宜人类居住的沙漠。即使全球平均温度仅上升4℃，地球上也将出现可怕的情景：一些地区将发生洪灾，另一些地区则出现严重的旱灾，数百万人将死于这种温度上升引发的重大灾害。到2050年，地球上的动植物将大量消失，人口可能会增长到90多亿，最终，大规模的饥荒和战争可能导致人口迅速减少。
　　最近一次大规模的全球升温发生在5500万年前，当时大量冰冻的甲烷从深海中释放出来，造成全球温度升高5~6℃。由于这次升温，两极地区出现了热带雨林，而非洲南部到欧洲的广大地区变成了沙漠，同时，海洋中溶解的二氧化碳不断增加，使海水酸化，最终导致海洋生物的大量灭绝。
　　2.用海水种植粮食作物
　　地球上的水98%是海水，另外1%是咸水（含盐量比淡水多但比海水少），大约仅有1%是淡水。未来50年，随着世界人口的增长，全球变暖将加剧水资源短缺，所以人类必须寻找种植粮食作物的替代方法。同时，化石燃料的枯竭，也会导致石油供应严重短缺。人类也许可以通过种植耐盐作物来解决这些问题。
　　自然界存在着许多天然的耐盐植物，它们在长期的进化过程中已经形成了完善的耐盐机制，因此被称为“盐生植物”。盐生植物的生长区域独特，不会与粮食作物竞争土地。科学家可以通过识别耐盐基因，并将其导入到小麦、玉米和水稻中，显著地提高粮食作物的耐盐性，从而使作物能够适应海水或咸水环境。部分盐生植物在改良盐渍化土壤方面效果显著，所以也可以通过种植盐生植物降低土壤盐渍化对粮食作物的影响。
　　盐生藻类可作为生物燃料的来源。目前，以色列的Seambiotic公司已成功利用藻类产油，每年的产量已超过了5600加仑1加仑=3.785升。/公顷。相比之下，棕榈油每年的产量为1187加仑/公顷，巴西乙醇年产量为1604加仑/公顷，豆油年产量为150加仑/公顷。将来，人类可能会依靠海水种植粮食作物，以满足能源需求。
　　3.在沿海沙滩上开展海水种植业

第1章农业科学进展 
　　1.地球正在枯竭 
　　最近，科学家利用模型对全球气候进行了模拟，结果表明：喜马拉雅山脉、欧洲和世界其他地区的冰川将会融化，这将导致亚洲、非洲、美国和南美洲大部分地区成为不再适宜人类居住的沙漠。即使全球平均温度仅上升4℃，地球上也将出现可怕的情景：一些地区将发生洪灾，另一些地区则出现严重的旱灾，数百万人将死于这种温度上升引发的重大灾害。到2050年，地球上的动植物将大量消失，人口可能会增长到90多亿，最终，大规模的饥荒和战争可能导致人口迅速减少。 
　　最近一次大规模的全球升温发生在5500万年前，当时大量冰冻的甲烷从深海中释放出来，造成全球温度升高5~6℃。由于这次升温，两极地区出现了热带雨林，而非洲南部到欧洲的广大地区变成了沙漠，同时，海洋中溶解的二氧化碳不断增加，使海水酸化，最终导致海洋生物的大量灭绝。 
　　2.用海水种植粮食作物 
　　地球上的水98%是海水，另外1%是咸水（含盐量比淡水多但比海水少），大约仅有1%是淡水。未来50年，随着世界人口的增长，全球变暖将加剧水资源短缺，所以人类必须寻找种植粮食作物的替代方法。同时，化石燃料的枯竭，也会导致石油供应严重短缺。人类也许可以通过种植耐盐作物来解决这些问题。 
　　自然界存在着许多天然的耐盐植物，它们在长期的进化过程中已经形成了完善的耐盐机制，因此被称为“盐生植物”。盐生植物的生长区域独特，不会与粮食作物竞争土地。科学家可以通过识别耐盐基因，并将其导入到小麦、玉米和水稻中，显著地提高粮食作物的耐盐性，从而使作物能够适应海水或咸水环境。部分盐生植物在改良盐渍化土壤方面效果显著，所以也可以通过种植盐生植物降低土壤盐渍化对粮食作物的影响。 
　　盐生藻类可作为生物燃料的来源。目前，以色列的Seambiotic公司已成功利用藻类产油，每年的产量已超过了5600加仑1加仑=3.785升。/公顷。相比之下，棕榈油每年的产量为1187加仑/公顷，巴西乙醇年产量为1604加仑/公顷，豆油年产量为150加仑/公顷。将来，人类可能会依靠海水种植粮食作物，以满足能源需求。 
　　3.在沿海沙滩上开展海水种植业 
　　海水的含盐量很高，不能直接用来灌溉粮食作物。毗邻海洋的沙漠地区空气较潮湿，可以通过冷凝作用收集并储存空气中的水分。科学家已经在特内里费岛（Tenerife）、阿布扎比（Abu Dhabi）和阿曼（Oman）建成三大温室，海水被抽到温室里的蒸发器中，从而为各种不同植物的生长创造较为湿润的环境。潮湿空气中的水分被冷凝、收集和储存，最终被用于浇灌植物。英国公司建设海水温室大棚的成本低至每平方英尺1平方英尺=0.093平方米。仅为5美元，现在海水温室大棚内增加了聚光型太阳能发电设备和水泵，具备了提供更多淡水的能力。 
　　4.应用反渗透膜技术发展海水农业 
　　到2050年，世界人口预计将达到90亿，这将给粮食供应带来巨大的压力。由于全球变暖，随着河流的干涸和淡水资源的逐渐枯竭，一场灾难即将来临。人类亟须科学地找到可行的解决方案应对挑战。 
　　将盐水（海水或地下苦咸水）转换成可用于饮用或灌溉的淡水的方法称为“反渗透”法。在一种特殊聚合物膜的一侧泵入海水，该聚合物膜只允许水分子通过，盐类、细菌和杂质都无法通过，从而达到淡化海水的目的。该方法的缺点是使用一段时间后杂质颗粒物就会阻塞并损坏聚合物膜，所以需要定期更换昂贵的聚合物膜，这增加了海水淡化的成本。 
　　美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家利用纳米技术研制出了表面附着微小聚合物绒毛的新型反渗透膜（Nancy H.Lin， J. Mater. Chem.，2010， DOI: 10.1039/b926918e）。在渗透过程中，反渗透膜表面的绒毛像一个内置的清洗刷，迅速摆动，可以有效地防止杂质在反渗透膜表面沉积。该技术一旦商业化，可能会降低海水淡化的成本，提高大规模发展海水灌溉农业的可能性。 
　　5.正向渗透——令人振奋的海水淡化进展 
　　人口增长和全球变暖导致的冰川融化威胁着未来的水资源。2006年联合国的报告预测，到2025年，地球上2/3的人口将面临淡水资源短缺的问题。地球表面大约70%将被海洋覆盖，这约占全球水资源总量的97%。目前，只有推动科技进步才能使海水淡化技术逐步走向高效节能的发展道路，这激发了人们寻求淡化海水新方法的兴趣。 
　　渗透是水分子从低浓度溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的过程。半透膜两侧溶液平衡时，两侧溶液产生的位能差被称为“渗透压”。通过施加压力使水分子向相反方向流动的过程称为“反渗透”。盐分子被阻隔在膜的一侧，水分子则顺利通过，从而导致膜的一侧盐分浓度很高，另一侧成为纯水。目前，反渗透技术已被广泛用于海水淡化生产饮用水。然而，该过程十分昂贵，因为需要消耗大量的能量，并且反渗透膜造价昂贵，使用寿命有限，必须定期更换。 
　　正向渗透方法（“随大流”）取得的突破令人振奋。在膜的一侧放置高浓度的溶质（如蔗糖），另一侧为盐水，水分子则从含有盐水的一侧自然地流动到蔗糖溶液中。因此，依据正向渗透原理可以利用海水制备软饮料。较之反渗透，正向渗透过程因为利用了能量梯度，减少了80%的能耗。 
　　美国俄勒冈州奥尔巴尼的水化技术创新公司（Hydration Technology Innovations）是公认的正向渗透技术的先行者。该公司推出一款基于正向渗透原理的便携式“X包”供美国士兵使用。“X包”中的正向渗透膜的内侧装有糖分和香料。将这些“X包”浸泡在海水甚至脏水坑中，它们可以吸收纯净的水分子，并把盐分和杂质微粒留在包外，从而自制出甜美的风味饮料。总部设在美国马萨诸塞州剑桥市的Oasys公司利用正向渗透技术，提取大型植物细胞内的碳酸氢铵等化学物质。 
　　6.采用碳纳米管淡化海水 
　　盐水中去除盐分（脱盐）的两种常用方法是蒸馏和反渗透。蒸馏法是首先将盐水加热到沸点，然后通过收集冷凝的水蒸气而得到纯水；反渗透法则是在放置特殊“半透膜”的盐水一侧施加压力，只允许水分通过，盐分则无法通过薄膜而被去除。这两个过程都消耗了大量的能量，因此，并不是环保的脱盐方法。现在，美国新泽西技术研究所的科学家们基于上述两种方法开发出了一项新技术，能使热盐水通过内置碳纳米管道的半透膜，从而提高渗透性。与传统半透膜相比，应用该新技术使水分子通过半透膜的速度提高了6倍。 
　　7.自浇灌沙漠植物 
　　以色列科学家发现，生长在以色列内盖夫（Negev）沙漠上的沙生植物沙漠大黄（Rheum palaestinum），具有独特的自浇灌机制。其叶片直径可达到1米，而其他沙生植物的叶片都是小而尖的。这是迄今发现的首例可以自行浇灌的植物。沙漠大黄蜡质的叶片上分布着凹凸不平的纹理，这些错综复杂的纹理将水滴捕获并导入根部。因为独具一套科学合理的自灌系统，所以即使是小雨天气，沙漠大黄根部附近的水分也是该植物附近其他区域的10倍。 
　　8.小麦的种植面临风险 
　　小麦可能会受到一种来自伊朗的新致命真菌——秆锈菌的威胁，这种真菌导致小麦大量减产，并引发大规模的饥荒。这种秆锈菌1999年首次在乌干达（Uganda）被发现，因而被命名为Ug99。Ug99能随风蔓延，2007年出现在了伊朗境内，现在正向巴基斯坦和阿富汗蔓延，可能会迅速滋生并蔓延到整个亚洲。所以，在巴基斯坦，我们需要发展和壮大新的小麦品种，以抵抗这种真菌的威胁。 
　　9.使用组织培养技术克隆植物 
　　现在，不使用种子也可以进行大量植物体的商业化生产。科学家将植物叶片分成许多小块后放置于试管内，在含有营养素和生长激素的溶液中培养。6~8周后，诱导不定芽再生，将芽放置在另一种培养基中繁殖、生长。一旦根系形成，再将植物转移至（温室）湿度较高的土壤里继续培养。植物长出叶片后就可以适应较干旱的环境了。用于克隆的植物（母体）一般具有所需的特殊性状，如花瓣的颜色、大小或果实的味道等，而克隆植物的基因与母体完全相同，所以具备与母体完全相同的性状。组织培养技术因其成本低、效益好，目前已经大规模地被应用于生产性状优良的植物，如兰花、香蕉等。 
　　10.生物技术能否解决粮食危机 
　　粮食危机可能导致国家政权变更，从而影响全球文明进程。人口增长、全球变暖导致作物减产和耕地面积减少，共同蕴藏着巨大的危机，会给今后的生活带来深刻的影响。2008年世界粮食库存量仅够维持62天，几乎接近历史最低库存记录。粮食需求的增长速度远远超过粮食产量，从而导致世界粮食价格猛涨。对于巴基斯坦等人均收入较低的国家来说，粮食危机是一个严峻的挑战。20世纪六七十年代，全球依靠先进的农业科学技术开展了“绿色革命”。1950~1990年，每英亩1英亩≈40.47平方米。粮食产量以平均每年2%的速度增长，但1990年以后粮食增产速度逐步放缓了，每年仅为1%左右。虽然转基因作物可能使某些作物产量增加，但似乎无法实现“绿色革命”期间粮食增产2~3倍的想法。从长远来看，只有控制全球人口增长、提高农民的教育水平、改善粮食的储存和分配方式、控制作物虫害和真菌侵入所造成的损失，才能根本解决粮食危机。 
　　11.即将破灭的粮食泡沫 
　　在过去的几十年中，不可持续地利用水资源和土地资源确实提高了粮食产量，但这种粮食泡沫即将破灭，全世界将陷入前所未有的危机中。据世界银行估计，目前在印度约1.75亿人必须依靠过度抽取地下水才能吃上粮食，他们抽取地下水的速度远超过了降雨对蓄水层的补充速度。因此，各地的地下水位正在以惊人的速度下降。沙特阿拉伯也是通过抽取地下水满足小麦生产。然而，这些地下水资源很快会耗竭，未来2~3年里小麦可能面临停产。 
　　世界人口的快速增长（全球每周大约出生150万个新生儿）和未来天气的不可预测性加剧了人类对世界粮食危机的担忧。2010年，莫斯科遭受了热浪袭击，造成俄罗斯粮食作物减产40%。如果同样的情况发生在印度、中国或美国，可能会对全球粮食生产造成灾难性影响。大多数国家粮食价格一直以惊人的速度上涨，数十亿穷人的生活变得苦不堪言。同时，印度在跨界水道上修建水坝的问题极富争议，因为这意味着下游巴基斯坦境内的水量将大幅减少，很可能最终引发两个国家的核战争。 
　　应对粮食危机必须要加强教育、控制人口增长、采用现代可持续农业技术、通过减少碳排放恢复自然的平衡、增加森林面积、恢复土壤肥力、在各级部门采取有效的节水措施。总之，采取行动改变现状已迫在眉睫。

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