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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    天這么熱,南極企鵝能挺住嗎?

                    2020-10-22 11:36:00

                      北極熊為什么不吃企鵝?標準答案是北極沒有企鵝。這有點腦筋急轉彎的意思。據考證,北極原來是有企鵝的,被稱為大企鵝。北極熊可不是吃素的,肥嘟嘟的大企鵝落到嘴邊哪有不吃之理,只是現在大企鵝已經滅絕了。大企鵝是在人類探險、北歐海盜進入北冰洋的過程中被大量捕食而逐漸滅絕的,也許更重要的是,它們的生存環境太脆弱了。大企鵝不像南極的企鵝有豐富的磷蝦作為食物,它們還要面對北極熊這樣的天敵,人類可能只是壓垮北極大企鵝種群的最后一根稻草。不幸的是,導致地球上物種加速滅絕的最后一根稻草常常是文明的人類。

                      那么,南極的企鵝還好嗎?面對步步逼近的全球氣候變暖,它們會不會重蹈北極大企鵝的覆轍呢?

                    企鵝

                      企鵝也害怕寒冷

                      企鵝是南極最重要的動物種群之一,占南極鳥類生物量的90%以上。人類對南極鳥類的考察和研究最早可追溯到19世紀中葉,但直到最近幾十年,人們才開始關注企鵝的現實生存狀態和它們未來的命運。全球變暖是導致這種關切的最重要的原因。企鵝是怎樣應對氣候變化的呢?僅僅依靠過去幾十年來的氣候變化數據和幾個地區的企鵝數量統計結果是不可能得到正確判斷的,這需要考察企鵝的歷史。歷史是窺探未來的窗口,如同英國地質學家萊伊爾所說的,現在是了解過去的鑰匙。

                      遺憾的是,企鵝沒有給我們留下“文獻記錄”,也沒留下“秦磚漢瓦”,它們留下的遺跡或遺物太少而且不容易辨認。相對于地球歷史的時間尺度,千年只是彈指一揮間,對于考證企鵝生態幾千年來的變化,幾十厘米厚的沉積層實在是杯水車薪。

                      然而,探索企鵝歷史對于有好奇心的科學家來說,實在太有誘惑力了。他們進行了不懈的努力,從廢棄的企鵝巢穴中尋找殘存的骨片,然后對骨骼進行碳14定年,根據測年結果的數據統計,確定在某個歷史時期某地企鵝何時來、何時去、何時多、何時少。這實際上是移植了人類學考古方法,但是這樣的結果只能粗略地回答什么時候“有”或“無”的問題,沒有辦法解決企鵝連續變化的歷史及其與氣候環境變化的關系。另有一些學者根據單位泥土層中所含有的海豹毛數量的變化,推測近200年來海豹數量的變化。這種方法雖然存在不確定性,但很有趣,也說明了南極生態考古的艱難和無奈。

                      20年前,我們用企鵝糞土層作為載體去探尋人類活動在多大程度上影響了企鵝有機體中的物質組成,同時通過企鵝糞土層的元素變化去尋找企鵝糞的含量變化,進而探究企鵝生態變化的歷史記錄。我們在南極長城站區阿德雷島企鵝特別保護區的湖泊中采集了一段67.5厘米長的泥芯,對每厘米樣品進行27種元素的定量分析,又用碳14定年的方法確定這是一段大約“3000歲”的泥芯。

                      企鵝糞土層剖面

                      研究結果顯示:鍶、氟、硫、磷、硒、鋇、鈣、銅和鋅9種元素的豐度變化顯著相關,隨深度同步變化;這9種元素豐度比非企鵝聚集區沉積物中的元素豐度高得多,磷的含量局部高達15%。磷的高度富集等特征表明,這是一個含企鵝糞的元素組合,它們是企鵝糞的標志性元素。根據標型元素的濃度可以確定含糞量的相對變化,進而推定該地區企鵝種群數量的相對變化。應用這個新的研究方法,我們得到了企鵝種群數量的波動及其對氣候變化的響應過程。

                      我們的研究發現,在過去大約3000年中,在人類未曾干預的情況下,企鵝數量發生過顯著波動。其中距今1800~1400年氣候相對溫和時期數量達到極大值;距今2300~1800年小冰期時數量銳減。這表明氣候冷暖變化是控制企鵝種群盛衰的主要因素??雌饋?,企鵝也害怕寒冷,對它們來說天氣還是暖和一點好。我們的論文發表在2000年的《自然》上。

                      這個研究結論引起了國內外科學和新聞媒體的廣泛關注,被認為是“研究南極湖泊集水區企鵝生態變化的新穎的生物地球化學方法”,它打開了認識企鵝生態史的大門。有了打開南極企鵝生命歷史大門的鑰匙,我們就可能在南極生態環境的歷史隧道中穿行,那些掩蓋往事的煙云將被排除。20年過去了,我們已經可以解說更多有關企鵝的生命故事了。

                      偵破小企鵝集體死亡慘案

                      2016年,中國科學技術大學極地環境研究室的博士生高月嵩隨中國第33次南極考察隊去南極中山站考察,考察期間乘直升機去了澳大利亞的戴維斯站。他與澳大利亞的現代生態學家一起考察時,在站區附近的長半島采集了多個糞土沉積剖面。按照常規的研究技術路線,發現了保存企鵝糞的最老地層,距今已有14600年。這表明那個時候企鵝已經在本地區登陸,它打破了末次冰期后企鵝在東南極登陸時間最早的紀錄。

                      對我們而言,這個發現并不算意外。有趣的是,在野外采樣過程中,考察隊員發現部分地區有廢棄的企鵝巢穴和數量驚人的小企鵝木乃伊,其中一些靠近海岸,高出海平面10多米,另一些分布在海拔10~30米的平坦緩坡上。在南極,這是兩個不多見的巨大企鵝“墓園”。它們可能代表著兩次不知原因的生態災難事件。

                      我們首先對高海拔處的企鵝殘骨和羽毛以及含糞泥炭層進行了碳14測年。結果表明,有多個沉積剖面開始發育的時代為距今3500~2000年,它們記錄著那個時期以來企鵝生態和環境的歷史。大部分沉積柱中都有一個表層厚約20厘米的沉積層,這個非常特別的層位中多個層次的年齡都是距今750年。剖面研究還發現,在地表20厘米以下,每沉積1厘米需要幾十年到上百年,而地表20厘米厚的沉積卻幾乎是同時發生的。顯然,距今750年前后的很短時間內,當地可能發生了一個不同尋常的事件。

                      另一個測試指標——標型元素的含量分析結果也很不尋常。在4個剖面中有3個剖面的頂部,其上大約20厘米厚的沉積物里都富集了磷和硫等企鵝糞土層的標志性元素。這通常標志著企鵝種群數量的突然增高。在其中一個剖面中,在頂部20厘米的層位中還罕見地保存了一個小企鵝木乃伊,年代也是距今750年。地表暴露的企鵝木乃伊的碳14年齡與此一致,也是距今750年。

                      這表明小企鵝的死亡事件是在一個時間段同時發生的。據此可以合理推測,地表木乃伊原來是被沉積物覆蓋才保存起來的,這些沉積物大概在距今750年前形成,后來表層沉積物被雪融水或風侵蝕掉了,這樣一來小企鵝就“暴尸”了。但是,它們慘遭集體“屠殺”的原因是什么呢?“兇手”是誰呢?

                      我發現,在一張有大量企鵝木乃伊的照片下部,木乃伊和企鵝筑巢用的石子呈條帶狀平行排列,而且企鵝腦袋一致向下偏,有被水流推動過的痕跡。這引發了降水導致生態災難的猜想。

                      一場強降雨有可能導致企鵝的大量災難性死亡,但是死亡的都是小企鵝,沒有發現成年企鵝的尸體;因此不大可能是大規模山洪暴發,現場也沒有暴發山洪的地形條件。更可能的原因是,小企鵝在換去胎毛前,羽毛缺少油性物質,在強降雨導致成年企鵝逃逸后,小企鵝被雨水浸濕,極易凍傷乃至死亡。照片上顯示的小企鵝排列方式與雨后的流水動力作用有關。但我們需要尋找更多證據來支持“降水假說”。

                      南極現在發生過這樣的事嗎?法國生態學家發現,2013—2014年幾場連續的降雪和罕見的降雨,導致法國南極科考站企鵝繁殖地當年孵化的幾萬只小企鵝無一存活。

                      按照猜想,如果歷史上發生過強降水,那不可能是孤立的氣候事件,在鄰近地區同樣可能會有降雨發生,因此一定會在附近的湖泊沉積中找到降雨的證據。過去十幾年來,我們在毗鄰戴維斯站的我國中山站區開展了湖泊沉積的研究,發現距今750年前后的地層中有快速沉積和沉積物粒度變粗的層位。這是水動力加強和物質搬運加速的證據,表明確實發生過強降雨事件。

                      同時,極地科學家在南極冰芯和南半球的氣壓模型重建中都發現,在該時間段,氣候冷暖交替,降水增多。強降雨是南極氣候冷暖交替過程中的極端天氣事件。嚴寒、暴雪和狂風嚇不倒小企鵝,它們有父母親的保護可以安然度過,但是,它們的皮膚不能抵御冰水,降雨成為威脅小企鵝生態安全的頭號殺手。位于海岸邊“墓園”中的小企鵝是在距今200年時蒙難的,“兇手”可能同樣是一場強降雨。

                      球氣候變暖的背景下,極端氣候事件頻發的可能性似乎在加大,對企鵝來說,這不是一個好消息。企鵝的命運將面臨新的挑戰和威脅,也許這是全球新聞媒體如此關注企鵝生態災難事件的原因。但是,無論是冷暖交替,還是暖冷交替,都只是全球氣候變化過程中的拐點,當變化后的暖或者冷成為新常態時,極端天氣事件還會頻繁發生嗎?這些問題有待我們繼續研究下去。

                      企鵝為什么搬進海豹的家

                      從歷史上冰期和間冰期的反復轉換、暖期和冷期的不斷更迭中,我們看到企鵝數量不斷隨之發生變化,但并沒有企鵝種群滅絕的事情發生,我相信當下企鵝還沒有太大的生存風險。它們已經在地球上生存了幾千萬年,經受了嚴寒和暖冬等極端天氣事件的考驗,它們還會繼續生存下去。從我們的研究結果來看,企鵝有應對氣候變化的多樣性選擇和策略。

                      2011年,在位于南極羅斯海海灣的美國麥克默多站,我們進行了最有趣也最具挑戰性的工作。我們在企鵝糞土層中取得一段長約 35 厘米的泥芯,在進行元素分析后發現了一個奇怪現象:企鵝數量在冷期上升了。這是一個此前未曾發現的異常,而且是一個可靠的異常。

                      我與謝周清教授都極為興奮,我們總是為“異?!迸d奮,因為可靠的異常是點燃發現的引線。我們還注意到一個有趣的異?,F象:在企鵝糞土層底部的泥芯中有一段沒有企鵝糞卻含有大量海豹毛的海豹糞土層層位。這意味著,這個泥芯記錄了海豹出走、企鵝進入的海洋生物在海岸帶遷徙的過程?!谤Z占豹巢”顯然不是企鵝用武力脅迫的。那么,海豹為什么要離開自己的聚居地呢?

                      我們對羅斯海區域企鵝海豹糞土層沉積物進行了分子標志物測定,恢復了過去700年來該地區企鵝、海豹和植被的生態歷史。結果發現,該地區從過去1000年來最寒冷的小冰期(公元1500—1800年)開始,海豹聚居區轉變為企鵝聚居區。

                      海豹走了,企鵝來了,企鵝為什么要搬進人家的“老屋”呢?海豹在海岸帶總是占據最有利于生存的島嶼北側地帶,這里地形較為平坦,而且常常能避開強烈的下降風(南風)。在冰期到來時,海豹的出走表明,它們不能適應惡化的生存環境,而分布在島嶼南側的企鵝聚居地的環境顯然更加惡劣了。企鵝在強烈的下降風的襲擊下,也離開原來的聚居地尋找出路,海豹的空巢顯然是理想的去處。

                      島嶼南部的企鵝群落可能最先不能承受強烈的下降風侵襲,來到島的北緣,特殊的海灣地形為企鵝提供了避風港。隨著冷期的持續,各地的企鵝開始陸續遷移到宜居的地方??雌饋?,在冷期,并不是企鵝數量增加了,而是局部有利于企鵝生存的地方增加了;與此同時,也有許多企鵝聚居地消失了,可以推定,不少企鵝聚居地的企鵝數量銳減。

                      企鵝在小冰期的聚集帶來了捕食的問題,如果沒有食物來源,羅斯灣的避風港也留不住這些客人。前人在本地區的研究表明,羅斯灣的海冰面積在冰期會顯著擴大,這對捕食是很不利的。好在此時羅斯灣冰原強勁的下降風會吹碎海冰,打開一些缺口,形成眾多的冰間湖,這為企鵝的捕食創造了條件。湖水和冰下的冰藻繁盛,它們是磷蝦最美味的食糧,豐富的食料促進了磷蝦的生長和繁殖,為企鵝的生存提供了有利條件。

                      企鵝的生存智慧是在惡劣的環境中磨煉出來的。面對嚴酷的自然環境,企鵝們總能選擇一種適當的方式來面對。它們的生存智慧令人心生感動。2013年,我們的論文《企鵝在冷期數量增加》引起了國際媒體的廣泛關注?!蹲匀弧肪W站當年8月23日頭版頭條予以報道,英國廣播公司(BBC)、美國全國廣播公司(NBC)等國際媒體和我國的主流媒體紛紛對我和謝周清教授進行了采訪。美國廣播公司還采訪了與劉曉東教授一起參加野外考察的合作者美國學者斯蒂文教授。

                      媒體廣泛關注的原因可能是,企鵝在冷期數量增加的“異?!闭f明了生物適應環境能力的多樣性——在常識之外,還有其他可能。更重要的是,我們不必太為企鵝們擔心,那些認為帝企鵝可能在21世紀末絕滅的科學家也許過慮了。從過去1萬多年來企鵝與氣候變化的歷史來看,我是樂觀的。我們要相信企鵝家族有足夠的生存智慧渡過全球變暖的難關。不過,話說回來,如果人類不能管好自己,任“文明”放縱,也許最先受傷害的就是可愛的南極企鵝們,因為它們的生存環境已經非常惡劣了。我們還是做好自己,不做那“最后一根稻草”吧。

                      文/孫立廣

                    本文來自《科學畫報》

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