虫子吃塑料,指系外行星
分类:数理科学

近日,北京航空航天大学化学学院教授杨军的一次科普演讲引起了社会各界的关注。原来,这位科学家偶然间将虫子与塑料挂上了钩。 塑料能被虫子“吃掉”?这是否意味着,困扰人类的“白色污染”找到了终极解决途径?这样的期待,让杨军的演讲迅速成为热议话题。 偶然的科学发现 2004年春节,杨军从家中橱柜里拿出一袋小米准备煮粥时,发现装米的塑料袋上有许多孔洞,还有虫子和飞蛾爬出。 米坏了,不能吃,赶紧处理扔掉,这是许多人看到上述情景时的自然反应。不过,这一幕却给了博士毕业于清华环境工程专业环境生物技术方向的杨军不一样的启发。虫子咬过,塑料去哪了?如果被虫子吃掉了,塑料能否被虫子消化? 杨军初步推测,塑料可能被虫子吃掉了,但能否被虫子消化吸收并转化成能量或身体组织就不得而知了。 “如果这个问题能被证实,就意味着塑料能被降解。这将是一项革命性的发现。”春节过后,杨军就带着硕士生秦小燕着手开始研究。 通过各种渠道,他买到了“米虫”,即蜡虫。随后,通过解剖将其内含物取出,接种于仅仅铺有聚乙烯薄膜的无碳培养基中。 “碳是维持生命的主要元素,不给蜡虫葡萄糖、淀粉等碳源,只给含有聚乙烯的薄膜,蜡虫要么依靠薄膜进行繁殖代谢,要么因没有能量来源而死掉。”杨军告诉《中国科学报》记者。 实验进行到第28天,杨军和秦小燕通过电镜观察发现,蜡虫肠道的内含物侵蚀并穿透了塑料薄膜。这意味着蜡虫的肠道微生物降解了塑料。 虫子活下来了 实验蜡虫肠道的内含物会分泌出很多菌株,但之前的研究并未将其细化。 为学习基础研究方法,杨军前往英国牛津大学做了一年访问学者。回国后,他开始展开系统深入的研究,提取内含物中的“纯菌”进行实验。 杨军将蜡虫肠道内含物与含有聚乙烯的薄膜放在一起进行富集培养。他以聚乙烯为唯一碳源,60天富集培育分离出8种纯菌株,并最终通过抗拉强度试验选择了两种降解能力最强的菌种:阿氏肠杆菌和芽孢杆菌。 实验证明,这两种菌株的确靠塑料薄膜“活了下来”。它们在含聚乙烯的薄膜上稳定增长,并具有较强的活性,可以腐蚀掉聚乙烯膜的表面。“把聚乙烯这种长链的C-C单键氧化断裂成为一个亲水的碳氧双键的羰基,这就是降解的初步机制。”杨军解释道。 他推测,如果将黄粉虫的培养时间延长至60天,阿氏肠杆菌和芽孢杆菌可以分别使聚乙烯减重6%和11%,聚乙烯的分子量可以降低6%和13%。“这表明黄粉虫的降解效率是很高的。” 随后,杨军又做了黄粉虫降解聚苯乙烯实验。他培养了1500条黄粉虫,将其平均分成三组,进行为期30天的实验。一组仅喂食聚苯乙烯的泡沫塑料;另两组作为对照组,食物分别是它们最喜欢的麦麸和无食物。结果发现,分别单独喂食泡沫塑料和麦麸的两组存活率没有显著差异。 为测量聚苯乙烯的降解程度,杨军收集了吃过麦麸和泡沫塑料的虫粪,并用GPC证明聚苯乙烯的分子量降低了,热量也降低了。 “50%的聚苯乙烯被黄粉虫转化为二氧化碳和自身肌体,可以说是‘长肌肉’了。作为生物化学机制的‘金标准’,碳13-同位素标记示踪的实验也更加证实了这个结果。”杨军兴奋地说,实验充分证明了黄粉虫能降解聚苯乙烯。 塑料生物降解的新窗口 杨军表示,塑料本身是一种高分子的惰性材料,难以被生物降解。 “塑料在自然界中降解需要约500年。而我们找到了一种高效降解微生物来源的新途径,就是从虫子的肠道里找到可高效降解塑料的细菌、酶,只需24小时甚至更少的时间就能降解塑料,这为解决石油基塑料污染问题打开了一扇窗。”杨军说。 中国工程院院士、清华大学环境学院教授钱易对此评价说,杨军团队从虫子吃塑料的自然生活现象出发,证实了昆虫及其肠道微生物可以高效降解聚乙烯和聚苯乙烯。“这个发现是革命性的,揭示了细菌能够利用过去被认为不可能生物降解的石油基塑料。这是近年来环境科学领域最大突破之一,为解决全球塑料污染问题打开了一扇新的大门。” 杨军告诉记者,实验研究中所用的塑料均为最难降解的石油基塑料。不过,想要真正造福人类,还需要通过产业化,使微生物和酶得到高效利用。目前他正在寻求与企业合作,试图开发一种降解可控的新型材料。

星系统。 人工智能在此功不可没,尽管此前机器学习技术已被运用于搜索开普勒望远镜数据库,但最新研究证明,在捕捉遥远天体发出的最微弱信号方面,神经网络技术大有可为。 棋逢对手 迷你太阳系“浮出水面” 开普勒-90距离地球2545光年远,位于天龙座。 最新发现的开普勒90i是一颗岩石星球,大小是地球的1.3倍,由于距离其主恒星更近,公转周期仅为14.4天,平均温度据信超过800华氏度。 该研究负责人之一、德州大学奥斯汀分校的安德鲁·范德伯格说:“开普勒-90系统就像迷你版的太阳系:较小行星在内侧;较大行星在外侧,只不过彼此之间更‘亲密’一点。尽管如此,其并不比其他行星系统在孕育生命方面更有优势。” 开普勒-90i并非最新研究“筛查”出的唯一系外行星,他们还找到了开普勒-80系统的第六颗行星开普勒-80g,其大小与地球类似,与邻近的4颗行星形成了一个超稳定的系统,类似此前发现的拥有7颗行星的TRAPPIST-1系统。 NASA天体物理学部门主管保罗·赫兹表示:“正如我们所料,在之前已经分析过的开普勒望远镜数据中,仍潜伏着令人兴奋的新发现,等待着合适的新工具或新技术来揭示它。这一发现表明,这些数据在未来多年都将是开展创新研究的珍宝。” 大显神威 神经网络揪出“漏网之鱼” “谷歌人工智能”(Google AI)的高级软件工程师克里斯托佛·沙律首先提出利用神经网络技术对开普勒望远镜的数据进行分析。他认为,随着数据采集技术的不断升级,天文学正和其他学科一样,慢慢陷入被海量数据淹没的困境,于是,他对利用计算机技术搜寻系外行星产生了浓厚兴趣。他说:“当数据太多,人工分析难以招架之时,正是机器学习‘大显神威’之时。” 在长达4年的运行期间,开普勒望远镜收集的数据中包含3.5万个疑似行星信号,尽管科学家采用人工方法筛查出了其中最可能的信号,但最微弱的信号往往会成为“漏网之鱼”。沙律和范德伯格猜想,这些数据中可能潜伏着更有趣的系外行星发现。 于是,沙律和范德伯格训练人工智能如何根据开普勒望远镜获得的亮度数据发现系外行星。受人脑中神经元之间连接方式的启发,他们的人工神经网络技术对开普勒数据进行筛查,发现了此前被忽视的围绕开普勒-90旋转的第8颗行星微弱的凌日信号。系外行星从恒星前方经过时会导致恒星亮度轻微下降,开普勒望远镜记录下这种亮度下降信号,科学家可以据此间接推算出行星的存在以及这颗行星的诸多物理特性——这就是所谓的凌日法。 范德伯格表示:“尽管我们发现了很多假信号,但其中也可能隐藏着真实的行星。这就像翻遍小石块寻找珠宝,筛子越好,找到宝石的可能性当然也更大。” 研究人员计划接下来让这一神经网络对开普勒已搜索过的15万多颗恒星的亮度数据进行分析。 “身残志坚” 开普勒书写美丽篇章 这个最新发现的“大功臣”除了人工智能,当然最重要的是开普勒望远镜。 开普勒望远镜于2009年发射升空,最初的主要任务是扫描一小片天区,巡天任务持续到2016年。但人算不如天算,2013年5月11日,望远镜出现关键故障,导致无法对原来的天区进行精确定位。NASA的天才们将错就错,调整太阳能帆板角度,采用太阳辐射光压帮助开普勒望远镜实现平衡。但凡事都有代价:望远镜必须跟太阳保持一个特定的角度,因此,原本扫描天鹅座一小片天区的角度被转移到了黄道面。 不过,开普勒望远镜注定是要书写传奇的,它“身残志坚”,在浩渺的宇宙史上留下了自己的印记。从2014年开始,开普勒望远镜进入K2——“开普勒任务2”阶段。 今年6月19日,NASA最新公布一组数据,其中囊括了开普勒望远镜的观测数据,现已发现4034颗候选系外行星,其中2335颗已被确认,49颗是类地行星,30多颗已被证实,且都在宜居带上,最吸引人的也许就是编号为“KOI-7711”的世界。这个星球大小为地球的1.3倍,在类似地球的轨道上绕着一颗类似太阳的恒星公转,几乎就是地球的双胞胎兄弟。当然,关于这个世界的更多细节,还需等新一代太空望远镜来揭开。

随着新的课程标准的实施,"从生活走向物理,从物理走向生活"的基本理念深入贯彻,中考命题围绕生活的应用题也变得丰富起来。生活中离不开衣食住行,物理要走向生活就必须引导学生关心日常生活中常见的现象。下面是笔者围绕衣食住行选编的中考试题,但愿对大家有所启发。

衣 例1. 为使潮湿的衣服尽快变干,你可采取哪些不同的措施: ___________________________________________________ ;___________________________________________________ ;_______________________________________________________。 答案:放在向阳处;将衣服铺开;放在通风处。

例2. 通常在煮饺子时,先将包好的饺子放入沸水中,饺子将沉在锅底,这是为什么?待沸水再沸腾后,饺子逐一浮出水面,这是为什么?煮一会儿后,往往需要向锅中加入少许凉水,这又是为什么? 答案:由于饺子所受的浮力小于重力,所以下沉;由于饺子的体积增大,排开水的体积也增大,所以饺子受到的浮力大于重力,上浮;加入少许凉水目的是使沸水放热,温度降低,达到止沸的目的。虽然饺子表面的温度降低了,但饺子馅的温度仍较高,起到了煮馅的目的。

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