菠菜成精了!它给我发封邮件,说菜园里有炸弹

|· 本文来自“我是科学家”·|

几十年来,自然赋予了科技无数的灵感。曾经,“鲨鱼皮泳衣”助力成就了泳池神话,模仿壁虎爪子制成的粘性材料让人们可以真正地“飞檐走壁”……人类在观察自然的过程中模仿自然,以此创造出的新奇技术令人赞叹。

但随着我们发现自然的脚步越走越远,技术手段更新换代,我们已不再仅仅停留在模仿自然的层面,而是通过更强大的方式“利用”自然,来回答人类世所面临的各种问题。

菠菜爆炸探测器

追随阳光的向日葵,机智的捕蝇草,敏感的含羞草,这些看似“不动”的植物一直在通过它们自己的方式感知着这个世界,也在向我们传递着信息。近年来,一个全新的领域产生——机器人植物园(cyborg botany)。研究者们试图将自然与技术结合,基于植物非凡的感受能力,制造出能够为人们提供环境及其他数据的机器人。

2016年,来自麻省理工学院的化学工程师Min Hao Wong及其团队将碳纳米管通过气孔植入菠菜的叶子。当植物通过空气或地下水吸入微量爆炸品时,纳米管就会发射出荧光信号。一台对准叶子的小型红外摄像机可以捕捉到这一信号,并将其传递给与之相连的微型电脑树莓派(Raspberry Pi)上。一旦信号触发,系统就可以自动发出一封电子邮件进行提醒。

菠菜爆炸探测器 | Melanie Gonick/MIT

在完成菠菜纳米传感器的开发后,Wong继续探索拓展着这一技术在其他领域的应用,尤其是在农业生产领域中。植物是非常敏感的,在农民们发现干旱或病虫害之前,植物就已经可能对其进行预警。目前Wong带领的新加坡颠覆性和可持续性农业精密技术(DiSTAP)研究中心正努力将这项技术商业化。

每一棵植物都有很多信息可以告诉我们,而我们正在努力学着如何获取这些信息。

让生物发光点亮城市

或许你还记得《少年派的奇幻漂流》中那片梦幻的海洋,夜空下海面泛起了淡蓝色的荧光,迷人深邃。我们这种陆生生物对那些可以产生绚丽光芒的海洋生物痴迷已久。这种生物发光(bioluminescence)现象,激起了法国设计师桑德拉·雷伊(Sandra Rey)的好奇心,促使她把它们带出了海洋。雷伊渴望让生物发光成为陆地上的自然光源,制造出“活着的”灯,可以不用电就发出舒服的光晕,从而减少CO2的排放。

海洋馆中的水母| 拍摄:悲催的铊宝宝

为此,雷伊创立了Glowee公司并担任CEO。Glowee的技术人员致力于融合仿生学和合成生物学,在陆地上制造出那些海洋之灯。他们将来自夏威夷短尾乌贼体内的生物发光基因插入到大肠杆菌当中,并对这些细菌进行培养。通过对DNA进行编辑,工程师们可以控制光的颜色、开关和其他功能。

为了让这些生物光源可以亮得更久,技术人员需要照顾并喂养这些细菌来保证它们可以继续生长。目前,科学家们已经建立了可以持续发光六天的系统。此外,还开发出一种像鱼缸的系统:只要你喂养细菌,它们就开始熠熠发光。

生物发光或许将会用于服装上 | Glowee

形状任意是Glowee研发出的灯的优势之一,不论是标准的路灯还是薄薄的窗胶纸,都可以塑造出来,因此它的应用前景非常广阔。目前这种灯寿命有限,恰好适合用于一些活动或节日场合。由于法国禁止商店在夜晚点亮标志物或橱窗展示,以降低光污染和节省能源,一些商店的店主非常期待能用生物发光的窗胶纸来装饰店面。

雷伊还有一个宏大的终极设想,就是用这些有生命的灯在未来的街道上织出一张发光的网络。随着科技的进步,能源利用率的提高固然有助于降低光所带来的环境足迹。但对于世界上那些获取电力仍有困难的地区,我们或许可以跳过电力光源,直接跨越到生态友好的发光体上,而雷伊正是从海洋中为我们找到了一个答案。

有生命的灯在未来的街道上织出一张发光的网络 | Glowee

 蜜蜂物联网

无人机在农业生产的运用为农民们带来了极大的便利,他们可以在短时间内获取农田的有关信息,极大地提高了生产效率。然而,无人机待机时间短,需要频繁充电也成了它的一大弊病。来自华盛顿大学的工程师们正在试着为田间的熊蜂们安上微小却强大的装备,取代那些笨重的大家伙。

研究者在田间工作 | Mark Stone/University of Washington

曾经有研究者尝试制造模拟昆虫的机器人,但复杂多变的风向和有限的电量都带来了极大的技术困难。这次UW团队则是直接利用蜜蜂类的力学优势:昆虫们早已进化出了应对各种复杂情境的飞行方式,并且它们还可以不断为自己供能。

为了让熊蜂可以成为精准农业的工具,工程师们将传感器、数据存储、记录位置追踪的接收器及一个可充电电池打包成一个102毫克的小背包安装在熊蜂身上。在它们进行日常活动时,传感器可以测量温度和湿度,它们的位置可以通过无线信号进行追踪。当它们回到蜂巢时,数据就可以自动上传,电池则进行无线充电。

背着小背包的熊蜂 | Mark Stone/University of Washington

团队将这项技术称为活的物联网(Living IoT)。它充分利用了生物学的优势来对环境进行监测,构建一个传感器网络,让自然成为领路人。

 预测火山爆发的绵羊和山羊

公元前373年一场大地震的前5天,罗马作家艾利安(Aelian)曾记录下了发生在希腊的奇异现象。老鼠、貂、蛇和其他生物都逃离了镇子。当动物学家马丁·威克尔斯基(Martin Wikelski)高中阶段翻译这段古希腊和罗马文字时,他第一次想到了动物可能具有某种与生俱来的能力,能够感知到即将发生的灾难。

如今威克尔斯基成为了马克斯·普朗克鸟类研究所国际空间动物研究合作组织(ICARUS initiative)的负责人。他通过给动物安上带有GPS的标签来观察动物的群体行为。他发现白鹳可以预警蝗灾的爆发,绿头鸭的位置和体温则可以作为禽流感在人群中播散的提示。

现在他正在通过对山羊的观察来检验“动物可以预知即将到来的地震和火山爆发”这个古老的观点是否正确。当然,这一观点依然极具争议,但对大事件发生前后进行全天候的数据收集无论如何都会提供一些有力的科学佐证。

常年生活在西西里岛埃特纳火山的山羊,它们对火山内部活动有着敏锐的直觉。图片来源:Lorenzo Blangiardi via Flickr CC

2016年,意大利诺尔夏经历了一次强烈的地震,威克尔斯基立即为震中附近农场中饲养的动物佩戴了项圈来监测它们是否在余震到来之前出现任何行为异常。每个项圈中都有一个GPS追踪设备和加速度计。通过这种昼夜不停的监测,研究者可以观察到什么是正常的行为,并且从中找到异常的数据。他们测量到了在余震发生前的2小时到18小时前,动物们的运动加速度都超出背景水平,距离余震震中越远的动物,越早出现“预警”。目前他正着手发表有关这项发现的详细数据。

此外,威克尔斯基希望进一步了解动物们感知这些自然现象的机制。如果动物们仅仅是对地球晃动更加敏感的话,那么地震学家早就应该解决了地震预测的问题。但事实上,在地震前处于高应力的岩石会将带电粒子从矿物中释放,动物们所感知到的可能正是空气中的这些电荷。

威克尔斯基还参与对环太平洋火山带的动物进行标记,通过这个更大的网络了解野外不同动物的行为模式,观测何种“传感器”可以预测自然灾难。与此同时,由于人类行为对世界各地的动物都产生很大影响,或许这张即将绘制出的“动物互联网”可以唤起更多对关心、爱护动物的支持,也带来前所未有的价值。(编译:郭怿暄;编辑:悲催的铊宝宝;审稿:Yuki)

原文链接:http://www.anthropocenemagazine.org/2019/06/hacking-nature/(本文由storythings供稿)

山上“飞”来只火凤凰,这里的居民却要杀掉它?

|· 本文来自“我是科学家”·|

一提到火山喷发,人们想到的第一个词语也许是“危险”,但是,2019年7月19日晚,位于意大利西西里岛的埃特纳火山的一次喷发,更称得上是美丽的 —— 从火山脚下的卡塔尼亚城远眺,火焰般的岩浆沿山坡流淌,仿佛凤凰降临人间。

7月19日西西里岛埃特纳火山喷发的岩浆流下山坡 | U / Porodicnostablo

火山喷发常常造成各种各样的灾害,而这次埃特纳火山的喷发,虽然没有危及附近居民的生命安全,但喷发形成的火山灰导致卡塔尼亚城的两座机场关闭了一夜。

埃特纳火山7月19日喷发形成的火山灰 | thelocal.it

不过,这与2010年冰岛艾雅法拉火山的那次喷发相比,明显温柔了太多。那次发生在冰岛的喷发产生约9公里高的火山灰气柱,喷发的爆发指数(VEI)达到了4级(公元79年覆灭庞贝古城的维苏威火山喷发指数为5级)。火山灰导致约20个国家的机场被迫关闭一周,约一千万乘客的出行受到影响[1]

从直升飞机上看2010年冰岛艾雅法拉火山喷发产生的火山灰气柱 | wired

那么,为什么埃特纳火山喷发产生的灾害较冰岛的火山喷发来说,要小得多呢?原因就藏在不同火山所处的不同地质构造环境,以及它们不同的喷发形式之中。

“温柔”的溢流式火山

埃特纳(Etna)是一座海拔约3300米的复合型火山(stratovolcano),也是欧洲境内最高、活动最频繁的火山。它坐落于西西里岛东部,东南侧山脚是拥有大约三十万人口的西西里岛第二大城市卡塔尼亚(Catania),东北侧山脚距离电影《教父》的取景地萨沃卡(Savoca)小镇不过30公里路程。

西西里岛上的埃特纳火山,以及教父的拍摄地萨沃卡小镇(图中红色圆点所示)| 谷歌地图

作为欧洲喷发最频繁的火山,埃特纳火山在过去的四十年中平均每两年喷发一次。关于它的喷发的历史记载,甚至可追溯至距今约3500年前。而埃特纳火山之所以如此活跃,是因为它处在非洲板块与欧亚板块的交界处的俯冲带上。除此之外,埃特纳火山的东侧还有一个叫做Malta escarpment的大型走滑断层[2]。这个断层加剧了软流圈的上涌,更促进了岩浆向地表移动,使得埃特纳的喷发活动不断。

埃特纳火山的区域地质构造示意图 | 参考文献[2]

与埃特纳火山类似的俯冲带成因的火山,还遍布于太平洋沿岸的很多国家,比如日本,菲律宾,印度尼西亚,新西兰,美国。这些位于太平洋板块边缘的火山共同组成了著名的“环太平洋火山带”(Ring of fire)。

环太平洋火山带“Ring of Fire”(图中红点为火山)| USGS

虽然埃特纳火山的喷发活动频繁,但它还算是一座比较“温柔”的火山:和脾气火爆的“同胞”维苏威火山曾经覆灭整座庞贝古城的普林尼式(Plinian eruption)喷发不同,埃特纳火山通常是像挤牙膏一样,把岩浆从火山口或山坡的裂隙中“挤”出,形成典型的“溢流式喷发”。这些流出的岩浆二氧化硅含量较低,成分以玄武岩(basalt)为主,因此黏度比较小,和快餐店的番茄酱差不多。这些岩浆通常以熔岩流(lava flow)的形式沿山坡流下。

埃特纳火山喷发后岩浆从冰雪覆盖的山体上流下| https://ounews.co/science-mct/volcano/

这种黏度类似于番茄酱的玄武质岩浆,还常见于夏威夷的火山喷发中。皮克斯动画工作室曾以夏威夷的火山喷发为背景,制作了一部有趣的动画短片“I lava you”[3]

山也包不住火?山坡上流出的岩浆

大部分复合式火山的喷发都发生于位于山顶的火山口,而埃特纳火山的独特之处就在于,岩浆不仅可以从它“头顶”的四个火山口涌出,还能从山坡上的裂隙中钻出地面,这样的喷发被称为“裂隙式喷发”,每次喷发可持续数小时,甚至超过一年的时间。

卫星图像显示2018年12月发生于埃特纳火山东南侧山坡喷发形成的岩浆 | NASA

这种特殊的发生于山坡上的“裂隙式喷发”,与埃特纳火山所处的地质区域内存在很多活动断层和裂隙有关。等待喷发的岩浆就像机场等待安检的旅客一样,如果通往火山口的路途比较拥堵(可能堵塞着以往喷发遗留下来的岩石),而位于山坡上的裂隙(“VIP通道”)畅通无阻的话,那么岩浆就会“偷懒”选择VIP通道。对埃特纳火山来说,这些“VIP 通道”大部分处于火山的东面和南面,因此,在过去的二十年中,发生于山坡上的裂隙式喷发大多数发生在这些地带。由于这样的“VIP通道”不止一条,岩浆便可以“任性”地选择从不同的通道经过。

埃特纳火山所处地区的主要断层(fault)和裂隙(fissure) 分布图 | 参考文献[4]

堤坝反击战

在火山喷发的巨大能量面前,最容易的自保方式自然是逃跑。然而,虽然人可以逃跑,但是家园却很可能被经过的温度达到数百甚至上千摄氏度的岩浆毁灭。与其他“脾气火爆”的火山不同,“温柔”的埃特纳火山曾经给予了人类除逃跑之外的另一种防御形式——修建堤坝,阻隔岩浆。

由于埃特纳火山是著名的观光景点,它的南坡上有很多为服务游客而修建的房屋及设施,每一次南坡喷发都可能摧毁这些设施,造成巨大的经济损失。因此,当地政府曾在1983年,1991-1992年和2001年, 根据每次喷发开始后岩浆的走势,预测它们的去路,在岩浆抵达房屋之前,利用周围的碎石和以往喷发形成的火山砾,修建起几米至十几米高,数十米宽,几百米长的人工堤坝,意在阻挡岩浆的继续肆虐。

然而,由于喷发刚开始时,熔岩流涌动的速度较快,离喷发位置比较近的堤坝大多失败了——岩浆通常能越过堤坝,继续前进。然而,随着火山活动逐渐减弱,熔岩流由于长度跋涉,前进的势头也逐渐减弱,速度减慢,这些人工堤坝便开始发挥作用。

最成功的一次利用人工堤坝阻挡岩浆的事例就发生在2001年7~8月埃特纳火山的喷发期间。从当年的7月17日开始,岩浆从火山口南侧海拔约3000米到2100米的六处裂隙中相继涌出地面。海拔较低的几次喷发由于离人类活动区更近,对附近的房屋设施产生了很大威胁。因此,从喷发的第五天起,当地政府紧急决定展开堤坝反击战,在岩浆最可能的去路上,陆续修建了 13个最长约400米的人工堤坝。

2001年7月埃特纳喷发期间,人们使用附近的碎石和火山砾建造堤坝来阻止岩浆侵袭 | 参考文献[5]

在这次喷发期间,虽然最初修建的几个堤坝没能阻止岩浆前进,后期修建的几个堤坝却成功地阻止了岩浆的继续肆虐,保住了游客中心的所有建筑。更幸运的是,七月底开始,火山的喷发势头减弱,岩浆流动速度变慢,在抵达两个村子前就停下了脚步,本已计划好的离火山距离更远的几处堤坝也就不用再修建了。由于修建这些堤坝是就地取材,其成本仍然远远低于重建游客中心需要的费用,埃特纳的“堤坝反击战”也变成了少见的人类对抗火山喷发灾害的成功案例。

2001年喷发期间修建于埃特纳火山南坡的几个人工堤坝。其中三个堤坝(B3,B4,B5)几乎完全被熔岩流覆盖,而另外三个堤坝(C2,C3,C4)则成功地阻止了岩浆抵达游客中心 | 参考文献[5]

 火山活动监测体系

埃特纳火山地处地震频发地带,地震也可能促成火山的喷发,甚至引起山体滑坡,威胁到周围居民的安全。这些潜在的灾害使得火山学家们必须24小时关注埃特纳火山的活动情况。所幸,设置在埃特纳火山的监测体系称得上是世界范围内最完善的监测体系之一。意大利国家地球物理与火山学研究所(简称INGV)的科学家们在埃特纳的火山口、山坡、以及周围地区,设置了一系列地震仪,测斜仪,GPS,气体测试装置,以及各类影像设备,用来时刻监测火山活动。在这一系列监测手段之中,火山口释放的气体的化学成分可以说是最能显示岩浆活动的指标了。火山学家们利用这些气体中二氧化碳和二氧化硫含量的比例,可以推算出地下岩浆释放气体时的大概深度[6],从而估算出岩浆可能到达地表的时间点,为喷发的到来做好准备,并且在必要的时候做出喷发预警。

采集火山喷发前释放气体的成分的几种测试仪器 | flickr

当然,仅仅依靠火山喷发前释放的气体成分,还不足以准确地预测喷发,火山学家们通常还会综合其他监测仪器(比如地震仪,GPS)采集的实时数据,并且对比以往喷发前的监测数据,来做出更准确的判断。为了给火山的偶尔“淘气”买单,科学家们仍然在努力开发新技术,相信在未来某日,准确预测火山喷发终会实现,人类也许会拥有足够的智慧,找到与地球长久相处的方式。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. 《冰岛七火山:地质版“冰与火之歌”》原文链接:https://www.guokr.com/article/441725/
  2. Kahl, M., S. Chakraborty, M. Pompilio, and F. Costa (2015), Constraints on the nature and evolution of the magma plumbing system of Mt. Etna volcano (1991–2008) from a combined thermodynamic and kinetic modelling of the compositional record of minerals, J. Petrol 56, 2025–2068.
  3.  “I lava you”背后的科学故事请阅读 https://www.guokr.com/article/441382/
  4. Patanè, D., M. Aliotta, A. Cannata, C. Cassisi, M. Coltelli, G. Di Grazia,P. Montalto, and L. Zuccarello (2011), Interplay between tectonics and Mount Etna’s volcanism: Insights into the geometry of the plumbing system, in New Frontiers in Tectonic Research—At the Midstof Plate Convergence, edited by U. Schattner, pp. 73–104, In Tech, Croatia.
  5. Barberi F, Brondi F, Carapezza ML, Cavarra L, Murgia C (2003) Earthen barriers to control lava flows in the 2001 eruption of Mt. Etna. J Volcanol Geotherm Res 123:231–243.
  6. Aiuppa, A., Moretti, R., Federico, C., Giudice, G., Gurrieri, S., Liuzzo, M., Papale, P., Shinohara, H., Valenza, M., 2007. Forecasting Etna eruption by real time evaluation of volcanic gas composition. Geology 35 (12), 1115–1118.

作者名片

鹅蛋解胎毒?穿山甲下奶?……这是哺乳还是修仙?

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生孩子,喂孩子,一直被视为一大家子的人生头等大事。

既是大事,讲究必多。于是各种“禁忌”、“妙招”层出不穷,什么要吃木瓜下奶啊,要吃鹅蛋解胎毒啊,听着都跟修炼到了褃节儿上临要得道得去除妖气似的。

这类说法还有个特点,就是特别能相时而动,各种变体极具创新性——母乳会引起婴儿过敏,产后抑郁会影响奶水质量——感觉特别与时俱进吧?但就如我们都知道的,这些说法好多都不靠谱。

我们梳理了12条有关母乳喂养最广为流传的谣言。虽说谣言年年有,大家早就做好了持久战的准备,但还是希望这12条谣言可以留在今年,能让大家尤其是妈妈们收获正确的知识,不要在来年继续让这些不靠谱的说法困扰了。

谣言1: 初乳里面有胎毒要先吃鹅蛋化解后才能喂奶

解析1
“胎毒”并不存在,母乳里更不可能含有有毒物质。婴儿常见的过敏、湿疹、皮炎等都有各自的发病原因,只是古人未能有足够的医学知识,只能概归入“胎毒”这一模糊的概念。

谣言2:初乳是最有营养的!一定要给宝宝吃初乳

解析2
人初乳肯定是珍贵的,但也绝非非吃不可。更重要的意义在于婴儿尽快吮吸母亲乳头,能让泌乳反射在第一时问启动,保证后面婴儿对奶量的需求。

谣言3:乳乃血所化,静置三年可看到变回血液

解析3
乳腺由汗腺分化演变而来,血液会为乳腺带去氧气和营养物质,但正常情况下血红细胞无法通过血管壁,所以乳汁中不可能有血红蛋白和成血细胞。所谓“放三年变血”更是无稽之谈。

谣言4:米酒和穿山甲可以下奶

解析4
酒精会通过乳汁分泌被婴儿吮吸到,影响其身体和智力发育;穿山甲也没有任何特殊成分可以“下奶”。由于米酒呈奶白色,穿山甲的“穿”给人通乳的感觉,故而产生这种附会的说法。

谣言5:产后抑郁会影响母乳质量

解析5
产后出现抑郁情绪是常见的,症状或轻或重。但没有任何研究证据表明,母亲体内会因情绪波动产生毒素,更不会因母乳喂养毒死婴儿。

谣言6:母乳喂养会传播乙肝

解析6
宝宝从妈妈传染上乙肝基本上是在分娩过程中,母乳喂养不会增加乙肝妈妈所生婴儿的乙肝感染风险。
只有同时符合以下所有条件感染才可能发生:
– 妈妈与宝宝的体液发生交换(妈妈出现乳头破损,同时宝宝出现肠胃伤口);
– 妈妈的乙肝病毒浓度很高;
– 小孩对乙肝病毒没有免疫力(如接种疫苗后没有免疫应答)

谣言7:母亲发烧不能给孩子喂奶

解析7
上感类发烧,正常喂奶,乳汁不是病毒传播的途径,反而能把抗体给宝宝;胃肠道疾病引起的发烧,正常喂奶,注意戴口罩多洗手,不亲吻宝宝;乳腺炎引起的发烧,更得继续喂奶,否则会加重堵奶;超38.5℃可吃宝宝用退烧药否则奶太烫宝宝可能不吃,另外妈妈体感非常不适。

谣言8:宝宝拉肚子是对母乳过敏

解析8
母乳过敏发生率极低。首先应该怀疑细菌感染,其次怀疑辅食导致腹泻,还有宝宝口服药物引起过敏;此外怀疑配方奶粉中的牛奶蛋白过敏(即便改为全母乳喂养,之前的过敏症状仍可能存在)。

谣言9:宝宝总是哭就说明奶不够

解析9
如饿、肠绞痛、没睡够、没有安全感、寻求安抚都会引起婴儿哭,如果每次都以为是饿、都以奶头作为安抚,反而不好。

谣言10:宝宝一岁后母乳就没营养了

解析10
母乳营养不会因为喂养时间长而改会因为喂养时间长而改变,只会随着孩子添加辅食,吃母乳渐少而减少分泌量。WHO建议坚持母乳喂养到两岁。

谣言11:婴儿除了母乳还需要补充水分

解析11
母乳含水量达到88%,完全满足六个月内宝宝对水分的需要,水反而占据胃容量。但六个月后随着辅食的添加,需要适量喝水。

谣言12:剖腹产会使母乳中有大量麻醉剂残留

解析12
剖腹产后,母亲的初乳中可能会残留少量麻药,但含量不足以危害到宝宝。有一些产后输液用药有可能随血液循环进入乳汁,但很快会代谢出体外,对乳汁分泌和乳汁成分的影响很小。

原文链接:http://zone.guokr.com/area/gates_newborn/article/409671/