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一周星球见闻

SIGHT星球 2018-07-02 07:04:51

星球的观众朋友们,晚上好。最近的一周里世界上发生了挺多有意思的事,在这里我挑其中的四件(可能会使我们的未来变得不一样)出来分享一下。


一、元素周期表之争

2015年12月30日,国际纯化学和应用化学联合会举办了一场研讨会,物理学家和化学家们齐聚一堂评估核研究的成果和极限,并且正式宣布在元素周期表中添加了四项新的元素,它们分别是Nh(113号),Mc(115号),Ts(117号),Og(118号)。这代表着元素周期表的第七行正式完成,这距周期表被门捷列夫创造出来已有约150年了。

随着2019年国际元素周期表年的即将到来,然而很多研究人员认为115号和117号元素尚未找到足够充分的证据证明它们的存在,但仍有少部分俄罗斯的研究人员认为该发现已经足够成熟到由官方宣布的时候了。

新元素的发现已经从原来的传统化学家在实验室里提炼自然元素的方法过渡到了与核物理学家一同轰击原子核发现人造新元素的新时代。物理学家的方法大概是使用某种元素的原子核作为炮弹来轰击另一种元素的原子核,两种原子核融合在一起后,质子数发生改变,新元素就诞生了。但新元素的诞生十分困难,可能需要好几年的时间才能完成,而且形成的原子核十分不稳定,经常在眨眼间就衰变分裂。当研究团队着急创造下一个元素时,想找到足够的元素存在证据就变的异常困难。

图丨如何创造一个元素(图片来源:《自然》)


不过这项发现的最大争议却并不在元素本身上,而是在当今两个国际化学组织:国际纯化学和应用化学联合会,国际纯粹与应用物理联合会对新元素的决定权上。这四项新元素的诞生激化了两个组织间原有的矛盾。

尽管如此,我们还是希望未来新元素的诞生能有它应有的纯粹,就像一粒原子一样简单。


二、MIT开发出新型益生菌

麻省理工学院的工程师们研发出了一种由天然细菌与经改造细菌混合组成的益生菌,能够用来诊断和治疗霍乱。

霍乱是一种导致严重脱水的肠道传染病,其爆发通常是由受污染的饮用水引起,若不及时治疗可能会致命。霍乱最常用的治疗方法是补水,如果病人重度脱水,则必须进行静脉补液。然而,静脉注射治疗并不完全有效,每年仍然有约 95,000 人死于这种疾病。

麻省理工学院医学工程和科学研究所(IMES)及生物工程系教授、本文高级作者 James Collins 称,研究团队所研发的新型混合益生菌可以作为预防措施在霍乱高发地区定期被食用,或用于治疗刚刚感染的患者。

“我们的目标是利用合成生物学来研发一种廉价的检测和诊断方法,并同时抑制或治疗霍乱感染,”Collins 说。“如果某种方法能够以低廉的价格快速地诊断疾病,并使用天然的或经过基因改造的益生菌来治疗,那么它将在世界上许多地方产生颠覆式的效应。”

他期待益生菌可以被添加至一种药丸或一种类似于酸奶的饮料中,可以作为一种预防措施或治疗感染的方法。拥有诊断霍乱简易方法,也可以帮助公共卫生官员及早发现疫情并监测疾病的传播。

“例如,这项工作无疑使我们能够设想直接使用益生菌与其改造形式来监测和预防霍乱,”Chang 说。“更重要的是,许多人可以利用这项研究,尤其是其可推广的‘探测与反应’方法,设计出针对其他传染性疾病的各种基于饮食的预防策略。”

目前,这支研究团队正在探索利用这种方法打击其他微生物,如造成胃肠道感染的艰难梭状芽胞杆菌(Clostridium difficile),及能够造成多种感染的肠球菌(enterococci)。

“人们对使用益生菌治疗疾病的兴趣越来越大,这主要是因为人们逐渐认识到微生物群落以及它在健康和疾病中所起的重要作用,以及寻找抗生素替代品的迫切需求,”Collins 说。


三、全球首座零排放发电站于美国诞生

在可预见的未来,我们可能要一直将天然气作为主要的发电能源之一。我国目前天然气约占总电力供应量的 3%,截至 2020 年预计将占 6.7%。现成又便宜的天然气发出的电占美国总发电量的 30%, 全世界发电量的 22%。

图 | 2018 年《麻省理工科技评论》全球十大突破性技术榜单


天然气虽然比煤炭清洁得多,仍造成了大量的碳排放。

那么,发电厂能否以廉价高效的方式捕捉天然气燃烧释放的碳元素,进而避免了温室气体的排放?这就是零碳天然气技术所要实现的效果。而这项技术也入围了 2018 年《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”。

该发电厂采用全新的方法来捕获二氧化碳:将二氧化碳转化为驱动专门设计的涡轮机的“工质”。过程中过剩的气体会被抽走,可以运走或销售。

其中的关键在于,Net Power 彻底摒弃传统的以水蒸气为工质的热能循环过程,选用全新的 Allam 循环过程。该循环利用特殊设计的小型汽轮机,在充满高温高压的超临界二氧化碳的燃烧室内,燃烧天然气与纯氧的混合气体。燃烧会产生额外的二氧化碳、水和很多热量。这些高温、高压混合物通过汽轮机,推动叶片产生电力。

混合气体通过汽轮机之后温度会稍有降低,它们随后会被分离。适量的二氧化碳被压缩到临界状态,再重新添加到初始的燃烧室内,这样系统就有稳定的气体循环。剩余的纯二氧化碳气体可以出售或者埋于地下。水蒸气可以凝结成干净的水。阿拉姆循环的热转换效率非常高,可以将 80% 的天然气能量转化为电能(大部分先进天然气电站只能做到 60%)。

现有的天然气工厂用空气来燃烧天然气,空气是氧气和氮气的混合物。这些技术会排放出二氧化碳,这与氮气和残余的氧气分离起来很困难而且昂贵,这使得碳捕获对于传统发电厂来说是不经济的。Net Power 利用新型工艺 - 氧燃料、超临界二氧化碳动力循环 - 解决了旧技术的成本障碍,该技术可高效生产电力。该系统用氧气燃烧天然气,而不是空气。此外,该循环不使用蒸汽,而是使用高压二氧化碳来转动涡轮机,实际上将二氧化碳问题转化为气候解决方案,同时运行的效率与当今大多数天然气发电厂相当。此外,该技术可以在没有水的情况下运行(但会少量降低效率)。该技术将成为未来经济型世界清洁能源的可靠基石。


四、新型光合作用的发现

近日,科研人员发现了新型光合作用。该发现改变了人们对光合作用基本原理的认识,甚至可能改写课本。

这一发现为我们搜寻外星生命量身定制了新方式,同时,此发现还为人们设计新作物提供了思路,使得这些作物能够利用更长的光波。

地球上,绝大多数的生命在进行光合作用时所利用的都是可见红光,但此种新型的光合作用则利用了近红外光。这种新型光合作用发现于大范围的蓝藻(蓝绿藻)中。在像黄石公园细菌垫及澳大利亚海滩岩石等阴暗环境,这些藻类也能在近红外光下生长。

图|拟甲色球藻状(Chroococcidiopsis-like)细胞集落,其光合作用由叶绿素-a(品红)和叶绿素-f(黄)驱动

标准的、几乎所有类型的光合作用都要用到绿色素——叶绿素-a 来收集光线,并利用光能制造出有用的生化物质及氧气。这种叶绿素-a 吸收光的方式意味着只有红光产生的能量才能被光合作用所利用。 

由于叶绿素-a 存在于已知的所有植物、藻类及蓝藻中,因此,人们普遍认为,红光的能量为光合作用设置了“红光限制”。所谓“红光限制”就是在产生氧气的化学过程中所需要的最少能量。在天体生物学中,“红光限制”可用于判断其他太阳系行星中能否演化出复杂生命。

然而,这些在近红外光下生长的蓝藻打破了叶绿素-a 一统天下的局面,其他叶绿素,叶绿素-f 登上了历史舞台。 

在此之前,人们曾认为叶绿素-f 只能吸收光线。此项新研究表明,其实恰恰相反,在阴暗条件下,叶绿素-f 在光合作用中大有用武之地,它可以利用低能量红外光来进行复杂的化学反应。这也就是所谓超越了“红光限制”的光合作用。 

研究带头人、帝国理工学院生命科学部的首席研究员 Bill Rutherford 教授表示:“这种光合作用的新形式引发了我们对之前认为可能事情的新思考,同时,也改变了我们对标准光合作用核心的认识,是一项改写教科书的发现。”



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