環(huán)境

深海珊瑚發(fā)光之謎

光是影響光合生物群落結(jié)構(gòu)的基本因素。在海洋中，根據(jù)光照的強(qiáng)度不同，光合生物存在組成和密度上的梯度變化。蟲黃藻珊瑚是海洋中生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一，從淺水到深水都有分布。它們貧瘠的熱帶海域的成功歸功于與蟲黃藻的共生。珊瑚群落的深度結(jié)構(gòu)主要依靠光的驅(qū)動(dòng)，光合作用是珊瑚生物學(xué)的基本組成部分。通過轉(zhuǎn)移光合產(chǎn)物，蟲黃藻與珊瑚的共生體可以滿足超過90%的能量需求。很早以前，科學(xué)家就注意都，在淺水中，這種生物體會(huì)發(fā)出綠光，而這是通過將熒光蛋白質(zhì)作為一種"防曬霜"所形成的。這些蛋白質(zhì)能夠吸收有害的紫外線并重新釋放出綠光，同時(shí)保護(hù)與它們共生的藻類——這些藻類通過光合作用提供了珊瑚生長(zhǎng)所需的大部分能量。2015年，研究者發(fā)現(xiàn)棲息在海洋深處的珊瑚也會(huì)發(fā)出熒光，這一次是一些鮮艷的黃色、橙色和紅色光線的集合。其中一些生物生活在水下165米的深處，只有很少的陽光能夠照射到這里，并且大部分光線位于光譜的藍(lán)色區(qū)域。因此，研究者懷疑這些珊瑚發(fā)光可能另有原因。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，深海珊瑚利用一種熒光蛋白最大限度地制造少量光線以供棲息在這里的藻類進(jìn)行光合作用。換句話說，深海珊瑚和它們的淺海親戚出于相反的原因而發(fā)出了熒光。研究表明，藍(lán)光對(duì)于光合作用更有用，但紅光更能穿透到珊瑚的組織中。因此，珊瑚使用一種紅色的熒光蛋白將藍(lán)光轉(zhuǎn)換成橘紅色光的波長(zhǎng)。這就意味著此類光線能夠接觸到更多的生物體共生藻類，從而幫助珊瑚通過光合作用生成盡可能多的養(yǎng)分以供生存。為了對(duì)自身至關(guān)重要的光合作用伙伴的利益，珊瑚需要特殊的功能來調(diào)節(jié)這些低光照度的生活。這一發(fā)現(xiàn)顯示了珊瑚和它們的海藻伴侶之間的共生關(guān)系是多么的復(fù)雜。（Proc.R.Soc.B 2017，284:20170320.）

帝企鵝或在本世紀(jì)末消失

憨態(tài)可取的企鵝人見人愛。在企鵝家族中，以勇敢地面對(duì)南極嚴(yán)寒的冬天而著稱的帝企鵝尤為出名，但它們可能無法面對(duì)氣候變化的殘酷現(xiàn)實(shí)。此前研究表明，使海冰融化的快速變暖的大氣和海洋溫度可能導(dǎo)致帝企鵝數(shù)量到2100年驟降19%。近期，研究者利用了此前從南極地質(zhì)學(xué)群島收集的數(shù)據(jù)，以及揭示關(guān)于其行走和覓食行為信息的企鵝棲息地衛(wèi)星圖像。該模型預(yù)測(cè)，未來20年，企鵝數(shù)量將保持穩(wěn)定，甚至可能隨著它們遷移到更加宜居的地方而有所增加。2050年后，企鵝數(shù)量開始全面下降。盡管種群衰減的速度可能各不相同，但到2100年，幾乎所有帝企鵝可能都會(huì)消失。（Biological Conservation 2017,212：63-73）

植物應(yīng)答干旱脅迫新路徑

干旱嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)作物的產(chǎn)量。為了對(duì)抗這一威脅，植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中，形成了適應(yīng)或抵抗干旱脅迫的復(fù)雜調(diào)控機(jī)制。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干旱來臨，植物細(xì)胞能感知到干旱的信號(hào)，它會(huì)讓轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞核中啟動(dòng)抗旱基因的表達(dá)，來抵抗干旱對(duì)自己的生存壓力。近期，研究者發(fā)現(xiàn)了一種新型的NAC轉(zhuǎn)錄因子。NAC轉(zhuǎn)錄因子為植物特有，它涉及多個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫應(yīng)答過程，功能多樣。新發(fā)現(xiàn)的這一NAC轉(zhuǎn)錄因子，其本身結(jié)構(gòu)并不能讓它"定位"在細(xì)胞膜上。但是，在被一種軟脂酸（十六烷酸）修飾后，它能通過疏水作用力錨定在細(xì)胞膜上。那么，這種轉(zhuǎn)錄因子是怎么去往細(xì)胞核"搞事情"的呢？關(guān)鍵之一在于一類特殊的硫脂酶。干旱到來時(shí)，硫脂酶蛋白能將轉(zhuǎn)錄因子NAC和軟脂酸之間的硫酯鍵切開，這樣一來，釋放了的轉(zhuǎn)錄因子就進(jìn)入了細(xì)胞核。之后，它啟動(dòng)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡的一種關(guān)鍵物質(zhì)表達(dá)，幫助植物抗旱。這種植物抵抗干旱脅迫的方式在黃花苜蓿、截形苜蓿、大豆、擬南芥等植物中存在，是一種普遍現(xiàn)象。它揭示了一條植物應(yīng)答干旱脅迫的新路徑，為植物抗旱育種提供了新思路。（The Plant Cell 2017,doi:10.1105/tpc.17.00044）

臭氧層新殺手

臭氧層（地球生命免受太陽紫外線輻射的高海拔氧分子層）在過去10年間一直在恢復(fù)。但一種新發(fā)現(xiàn)的威脅可能延遲其恢復(fù)。研究者發(fā)現(xiàn)，過去幾年，溶劑、油漆去除劑和藥品生產(chǎn)中經(jīng)常使用的一種化學(xué)物質(zhì)的排放已經(jīng)達(dá)到原來的兩倍，這將會(huì)導(dǎo)致南極洲的臭氧層恢復(fù)延遲5至30年，如果該化學(xué)物質(zhì)水平繼續(xù)增長(zhǎng)，未來恢復(fù)期甚至可能更長(zhǎng)。這種受質(zhì)疑的物質(zhì)是二氯甲烷，其自然界來源極少，因此近年來其排量的增加可能來自于人類。從2000年到2012年，平均來看二氯甲烷濃度增加了。在全球范圍內(nèi)，從2004年到2014年，二氯甲烷濃度增長(zhǎng)接近原來的兩倍，據(jù)推測(cè)，目前二氯甲烷排放為每年約100萬噸。像含氯氟烴和其他破壞臭氧層化學(xué)物質(zhì)一樣，二氯甲烷在遇到陽光時(shí)會(huì)分解。氯原子被釋放后會(huì)消除任何與其發(fā)生相互作用臭氧分子。1987年，《蒙特利爾議定書》達(dá)成對(duì)生產(chǎn)和使用含氯氟烴以及許多與工業(yè)化國家相關(guān)的化合物的禁令，但卻忽視了二氯甲烷，因?yàn)檠芯空哒J(rèn)為它不能原封不動(dòng)地在大氣中停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間從而到達(dá)同溫層。然而，現(xiàn)在的研究證據(jù)表明，該分子能夠抵達(dá)同溫層的較下方，其中包括臭氧層，其高度距離極地8千米。為了測(cè)量二氯甲烷對(duì)高海拔臭氧層目前以及未來的威脅，研究者采用了計(jì)算機(jī)模擬。2016年，他們的分析表明，南極洲約3%的夏季臭氧流失源自于二氯甲烷。該數(shù)量看似較小，但2010年，該物質(zhì)對(duì)南極洲夏季臭氧流失的1.5%負(fù)有責(zé)任。如果二氯甲烷排放繼續(xù)以過去10年的速率增長(zhǎng)，那么臭氧空洞的恢復(fù)將會(huì)推遲30年。但如果二氯甲烷的排放維持現(xiàn)有水平，臭氧空洞的恢復(fù)將會(huì)僅僅延后5年左右。不包括二氯甲烷的模擬表明，到2065年，南極洲高海拔地帶將會(huì)恢復(fù)到1980年前的水平，含氯氟烴氣體和其他破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)的濃度則被認(rèn)為是一個(gè)問題。（Nature Communications 2017，8:15962）

氣候變化加劇美國經(jīng)濟(jì)不平等

毫無疑問，全球變化是是目前威脅人類健康發(fā)展最大的威脅之一。為量化分析到本世紀(jì)末氣候變化對(duì)美國的影響，研究者利用數(shù)學(xué)模型對(duì)美國經(jīng)濟(jì)進(jìn)行了2.9萬次模擬，分析了1981年至2010年間高溫、降雨變化、海平面升高和颶風(fēng)增多等對(duì)農(nóng)業(yè)、犯罪、健康、能源需求、勞動(dòng)力和沿海社區(qū)6項(xiàng)關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)因素的影響。結(jié)果顯示，相對(duì)貧窮和易受高溫影響的美國南部和中西部地區(qū)遭受經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)最大。例如，高溫會(huì)增加犯罪或引發(fā)玉米減產(chǎn)，但它也可以降低寒冷導(dǎo)致的死亡人數(shù)。而且，氣候變化更有可能增大美國不同地區(qū)間的貧富差距，加劇經(jīng)濟(jì)不平等問題。如果現(xiàn)有全球變暖趨勢(shì)繼續(xù)，那么到本世紀(jì)末，美國最貧窮的1/3縣承受的經(jīng)濟(jì)損失將可能多達(dá)其收入的20%；相反，較富裕、不易受高溫影響的美國北部以及西部一些地區(qū)可能會(huì)有小幅經(jīng)濟(jì)增益，原因是農(nóng)業(yè)收入增加、能源需求減少以及健康情況改善。例如，大西洋沿岸地區(qū)會(huì)因上平面上升和颶風(fēng)頻襲付出慘重代價(jià)，而持續(xù)高溫對(duì)農(nóng)業(yè)的毀滅性打擊，以及不斷攀升的能源需求，也會(huì)嚴(yán)重影響南部和中西部地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)。不過，與此同時(shí)，北方和西北各州的經(jīng)濟(jì)可能會(huì)因氣候變暖而受到溫和的推動(dòng)——由于嚴(yán)冬變短，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量上升，而在家庭抵御嚴(yán)寒的能源需求也減少了?？傮w而言，氣候變化會(huì)讓美國農(nóng)業(yè)平均產(chǎn)出減少約9%。全球平均溫度每增加1攝氏度，美國每10萬人中的死亡人數(shù)會(huì)增加約5.4人，讓美國國內(nèi)生產(chǎn)總值平均減少1.2%。（Science 2017，356：1362-1369）

恐龍滅絕時(shí)地球黑暗兩年

大約6600萬年前，一顆直徑10公里的小行星撞擊地球，導(dǎo)致白堊紀(jì)-古近紀(jì)生物大滅絕事件，曾經(jīng)的陸地霸主恐龍就此消失。近期的一項(xiàng)研究顯示，此次撞擊引發(fā)全球性大火，大量煙灰進(jìn)入大氣層，最終在地球上空形成一層屏障，讓地球陷入長(zhǎng)達(dá)近兩年的黑暗。估計(jì)當(dāng)時(shí)有150億噸煙灰進(jìn)入大氣層，阻擋了超過99%的陽光到達(dá)地球表面。一開始天空黑暗恍如月夜，隨著時(shí)間的推移，天空漸漸變亮，但植物至少有18個(gè)月時(shí)間無法進(jìn)行光合作用。由于地球上大多數(shù)植物已被撞擊引發(fā)的大火焚毀，受黑暗影響最大的應(yīng)該是海洋浮游植物，它們位于海洋食物鏈的最底層。在浮游植物因無法光合作用死亡后，連鎖效應(yīng)最終導(dǎo)致許多海洋生物滅絕。此外，即便按只有50億噸煙灰進(jìn)入大氣層計(jì)算，地球也需要一整年時(shí)間才能恢復(fù)可供植物光合作用的條件。在這種情景下，地球陸地氣溫可能下降了28攝氏度，海洋表面溫度則可能下降了11攝氏度。由于煙灰會(huì)吸收陽光，所以大氣層中的同溫層溫度變得很高，導(dǎo)致大量臭氧損耗，同時(shí)存儲(chǔ)大量水蒸氣。這些水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫化合物，導(dǎo)致臭氧進(jìn)一步消耗。在煙灰被清除后，臭氧損耗將使得破壞性劑量的紫外線抵達(dá)地表，可能進(jìn)一步對(duì)生物造成危害。分析顯示水蒸氣一旦開始清洗大氣中的煙灰，這個(gè)過程就很快。當(dāng)煙灰隨水蒸氣落回地球，高空大氣層氣溫開始下降，結(jié)果導(dǎo)致水蒸氣冷凝成冰粒子，這又進(jìn)一步清洗掉更多的煙灰。在這種氣溫下降導(dǎo)致降雨、降雨導(dǎo)致氣溫下降的循環(huán)作用下，薄薄的煙灰層在幾個(gè)月內(nèi)被清洗一空。（PNAS 2017，www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1708980114）

人類活動(dòng)影響大型食肉動(dòng)物進(jìn)食行為

生態(tài)學(xué)家越來越意識(shí)到，恐懼會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)。例如，捕食者的恐嚇會(huì)改變獵物的行為，而這又對(duì)其他物種產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。曾有研究顯示，美洲豹會(huì)在人口更加密集的地區(qū)殺死更多鹿，但原因一直不明。為此，研究者設(shè)計(jì)了一項(xiàng)試驗(yàn)，以觀察人類的出現(xiàn)是否會(huì)令美洲豹感到恐懼并且影響它們的進(jìn)食。在該地區(qū)，人類是導(dǎo)致美洲豹死亡的首要原因。它們可能因吃掉山羊被殺死，或者被車輛撞死。歷史上，美洲豹也一直在遭受獵殺。研究者在圣克魯斯山中最近有美洲豹獵食的地方設(shè)置了運(yùn)動(dòng)傳感器、揚(yáng)聲器和攝像機(jī)。當(dāng)美洲豹來覓食時(shí)，揚(yáng)聲器會(huì)播放一段脫口秀剪輯或者太平洋樹蛙的叫聲作為對(duì)照。在針對(duì)17只美洲豹開展的29次試驗(yàn)中，當(dāng)有人類聲音被播放時(shí)，它們?cè)?3%的測(cè)試中逃走。對(duì)樹蛙聲音作出的回應(yīng)僅出現(xiàn)過一例。如果美洲豹聽到人類聲音，它們會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間重新捕殺獵物。這種恐懼反應(yīng)似乎對(duì)美洲豹的主要獵物——鹿來說是個(gè)壞消息。（Proc.R.Soc.B 284:20170433.）