科學(xué)發(fā)現(xiàn)

【閱讀一】

決定細(xì)菌大小的公式

一個(gè)新方程的出爐意味著什么？在物理界，“阿基米德浮力定律”推動(dòng)了潛艇的面世，“牛頓第二定律”是人類得以翱翔太空的理論基石。那么，合成生物學(xué)領(lǐng)域的方程呢？2020年5月，中國科學(xué)家提出了決定細(xì)菌大小的全新公式。

眾所周知，細(xì)菌是生物的主要類群之一，它會(huì)對人類的活動(dòng)產(chǎn)生很大影響，從發(fā)酵酸奶的乳酸菌，到生產(chǎn)胰島素的大腸桿菌，細(xì)菌充斥于人類的生活和科學(xué)研究的方方面面。細(xì)菌的個(gè)體總體非常小，但細(xì)菌和其他生物一樣，也是有大有小的。生物學(xué)家一直想知道，究竟是什么決定了細(xì)胞的大小。

20世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞長得越快，細(xì)胞就會(huì)越大，還突破性地用一個(gè)數(shù)學(xué)公式描述了細(xì)菌細(xì)胞生長速度和細(xì)胞大小之間的定量關(guān)系，這個(gè)公式被稱為SMK生長法則。1968年，另一位科學(xué)家認(rèn)為細(xì)胞的大小決定了細(xì)胞內(nèi)DNA何時(shí)開始新一輪復(fù)制，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入復(fù)制階段時(shí)，細(xì)胞大小和復(fù)制起點(diǎn)數(shù)的比值是恒定不變的，這被稱為恒定起始質(zhì)量假說。這兩個(gè)生長法則環(huán)環(huán)相扣，就像一塊科研道路上的指路牌，統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界半個(gè)世紀(jì)。

幾年前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院研究員劉陳立帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準(zhǔn)確，被奉為經(jīng)典的“指路牌”可能會(huì)將相關(guān)領(lǐng)域的研究引向偏離的方向。

然而，要挑戰(zhàn)權(quán)威，就需要用數(shù)據(jù)說話。劉陳立發(fā)現(xiàn)，過去也有一些研究團(tuán)隊(duì)曾對這兩個(gè)法則的準(zhǔn)確性提出過質(zhì)疑，但都缺乏系統(tǒng)且全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，沒有說服力。他覺得要想修正主流細(xì)胞生長法則，就必須確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整的覆蓋度，以及高度的可重復(fù)性。于是，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始對兩大法則進(jìn)行系統(tǒng)性的重復(fù)實(shí)驗(yàn)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)改變以往選取1種或少數(shù)幾種培養(yǎng)基的做法，選擇了超過30種的培養(yǎng)基開展實(shí)驗(yàn)。他們采用早晚輪班制，對細(xì)胞的生長狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細(xì)胞穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行的。在低生長速率條件下，完成一次實(shí)驗(yàn)需要一周時(shí)間，為了確保數(shù)據(jù)可靠，實(shí)驗(yàn)還需要重復(fù)，有時(shí)甚至重復(fù)超過9次。

經(jīng)過3年多的潛心研究，劉陳立科研團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)，原有的兩大法則并不準(zhǔn)確。雖然生長速度越快，細(xì)胞越大，但兩者之間的關(guān)系并不符合SMK生長法則的預(yù)期。按照法則描述，無論細(xì)胞生長快慢，一旦達(dá)到起始質(zhì)量，就應(yīng)該開始新一輪的DNA復(fù)制。然而，劉陳立科研團(tuán)隊(duì)卻在實(shí)驗(yàn)中觀察到，細(xì)菌細(xì)胞沒有遵循假說，在不同的培養(yǎng)條件下，起始質(zhì)量有高有低。

那么，____________________________________________________________________________________

劉陳立根據(jù)大量科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)背后的量化關(guān)系，最終推演出一個(gè)全新且適用于不同生長速率條件的“個(gè)體生長分裂方程”。這個(gè)新方程統(tǒng)一了不同生長速率條件下的細(xì)菌細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制，使得細(xì)菌個(gè)體大小、生長速率等自然現(xiàn)象具有了一定的可預(yù)測性。比如，一旦得知細(xì)菌生長速率和DNA復(fù)制周期，科學(xué)家便可以根據(jù)公式，準(zhǔn)確預(yù)測出細(xì)菌的大小。

至此，中國科學(xué)家用一個(gè)全新公式揭秘了細(xì)菌細(xì)胞大小的決定因素，解答了細(xì)菌細(xì)胞大小和DNA復(fù)制周期，以及生長速度之間的關(guān)系，它可以在生物世界實(shí)現(xiàn)理性設(shè)計(jì)、改造形式或者創(chuàng)造形式，以滿足人類的不同需求。

（作者梁水源，選自《知識(shí)窗》2020年第8期）

讀有所思

1.選文第一段有什么作用？

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2.第四段畫線句子中的“可能”二字能否刪去？請說明你的理由。

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3.請?jiān)谖闹械臋M線上填寫一句恰當(dāng)?shù)脑掝I(lǐng)起下文內(nèi)容。

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4.與SMK生長法則和恒定起始質(zhì)量假說兩大法則相比，劉陳立團(tuán)隊(duì)的“個(gè)體生長分裂方程”有哪些進(jìn)步性？

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【閱讀二】

海洋有個(gè)聚寶盆，名叫海藻林

最近，美國國家地理學(xué)會(huì)研究團(tuán)隊(duì)到位于南美洲最南端的阿根廷火地群島海域考察，發(fā)現(xiàn)該片水底海藻林生態(tài)系統(tǒng)相隔半世紀(jì)幾乎沒有變化，這一發(fā)現(xiàn)引起了世界海洋生物學(xué)家的廣泛關(guān)注。

（1）何謂海藻林？海藻林就是由海帶目等多種大型褐藻類構(gòu)成的海底森林。世界上大部分海藻林生長在有季節(jié)性變化的海域，它們主要分布于北美洲西海岸、南美洲沿海、南極洲島嶼海岸、南非海岸、澳大利亞海岸、新西蘭海岸等地。

世界上最大的海藻林面積可達(dá)8000多平方千米，這片“森林”位于北美太平洋海域。在涌升流豐富營養(yǎng)鹽的滋潤下，海藻林中的巨藻可長到60米以上，葉片基部的氣囊使海藻能向海面上延伸，形成巨大的海底森林景觀。

海藻林像陸地上的森林一樣，可分為幾層：上層被稱為冠層，指海藻林最頂端的部分，最大的海藻物種可以從冠層向下延伸至30米甚至更深的海底;第二層是中間層，在巨大的海藻葉片中游來游去的有巖魚、沙丁魚和其他魚類;第三層是最底層，附著在海床和巖石的海藻假根處生活著海蟹、章魚、海膽及鮑魚等。海藻林有“海洋瑰寶”之稱，它不但能凈化海水，有利于維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定性，還能為魚類提供氧氣、食物和生存空間，被認(rèn)為是地球上最豐富多彩、最具活力的生態(tài)系統(tǒng)之一，為數(shù)以百計(jì)的生物們（包括軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、棘皮動(dòng)物、魚類及海洋哺乳動(dòng)物等）提供了安全的庇護(hù)所，同時(shí)也為人類提供了產(chǎn)量豐富的漁場。

在海藻林生態(tài)系統(tǒng)中，海洋生物間彼此制衡，相互依賴，互相利用，形成了一個(gè)完整的生態(tài)食物鏈。比如海藻通過光合作用釋放出大量的氧氣，供給貝類，而貝類排放的二氧化碳會(huì)被藻類吸收，它的排泄物會(huì)被海參、海蝸牛等生物食用;海水中過剩的氮磷等有機(jī)物被藻類吸收，繁茂的藻類又為鮑魚、龍蝦等生物的生長提供了豐富的餌料。由于海藻林處于避開湍急洋流的天然緩沖地帶，擁有豐富的生物種類，所以這里還是海豹、海獅、海獺等哺乳動(dòng)物，以及各種海鳥經(jīng)常覓食的場所。除了為廣大海洋生物營造安居的樂土，海藻在生長發(fā)育中還能將無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，起到凈化海水的作用。

多年來，由于氣候變化及人類捕撈活動(dòng)，致使海藻林受到破壞。據(jù)澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織稱，澳大利亞塔斯馬尼亞東海岸曾經(jīng)是巨藻的天堂，那里依附著13億年前就誕生的龐大深海巨藻群，（2）但是隨著氣候的變化，冬季最低水溫在20年里上升了20%，導(dǎo)致巨藻林覆蓋面積萎縮了95%以上。除了氣候變暖之外，還有大量的殺蟲劑、除草劑及其他化肥流入海洋，造成了海洋污染，導(dǎo)致巨藻林迅速消失。

然而，正當(dāng)澳大利亞塔斯馬尼亞東海岸等地區(qū)的海藻林遭到嚴(yán)重破壞時(shí)，1973年，有一支科研團(tuán)隊(duì)到阿根廷火地群島海域的海藻林進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)這片凈土沒有受到污染和侵?jǐn)_。半個(gè)世紀(jì)過后，此地的海藻林一直保存完好，猶如海洋中的時(shí)間囊。這片海藻林為什么能保持完好無損呢？

原來，阿根廷政府十分重視對海洋環(huán)境的保護(hù)，特別是對海藻林和海洋生物的保護(hù)。2013年前，該國受到保護(hù)的海洋只有納姆庫拉-博爾伍德海灘Ⅰ號(hào)保護(hù)區(qū)，海洋受到保護(hù)的面積還不到其領(lǐng)海面積的3%。2018年12月，該國參議院通過一項(xiàng)法案，設(shè)立了納姆庫拉-博爾伍德海灘二號(hào)保護(hù)區(qū)和亞加內(nèi)斯保護(hù)區(qū)這兩個(gè)新保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)的面積增長到了占其領(lǐng)海面積的9.5%，從而使受保護(hù)的海洋面積增加了兩倍。正因?yàn)橛辛巳绱藦?qiáng)有力的海洋保育措施，阿根廷火地群島海域的海藻林才會(huì)保持得這么完好無損。

海藻林是海洋的聚寶盆，要讓它不受污染、侵?jǐn)_和破壞，絕非易事，但要把它保護(hù)好也并非難事。阿根廷是海洋環(huán)境、海洋生物保育的模范，只要我們能夠像他們那樣，那么，充滿生機(jī)與活力的海洋環(huán)境和海洋生物必定會(huì)呈現(xiàn)在世人面前。

（作者黃增強(qiáng)，選自《文萃報(bào)·周二版》2020年第40期。有改動(dòng)）

讀有所思

1.文中兩處畫橫線的句子分別運(yùn)用了什么說明方法？有何作用？

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2.本文是從哪些方面對海藻林進(jìn)行說明的？

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3.概括破壞海藻林的因素。

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4.海藻林是海洋的聚寶盆，作者說“要把它保護(hù)好也并非難事”，請你結(jié)合實(shí)際提出一條保護(hù)海藻林的合理建議。

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