《奇妙的科學(xué)世界》內(nèi)容豐富，通俗易懂，適合大眾閱讀。
目錄：
譯者序
原書序
第1章農(nóng)業(yè)科學(xué)進(jìn)展
第2章基礎(chǔ)科學(xué)
第3章生物學(xué)前沿
第4章國防創(chuàng)新
第5章令人振奮的地球科學(xué)進(jìn)展
第6章能源新進(jìn)展
第7章環(huán)境相關(guān)的發(fā)展
第8章遺傳學(xué)研究進(jìn)展
第9章醫(yī)療衛(wèi)生研究進(jìn)展
第10章材料科學(xué)前沿
第11章當(dāng)今物理學(xué)前沿
第12章科學(xué)政策
第13章空間科學(xué)進(jìn)展譯者序
原書序
第1章農(nóng)業(yè)科學(xué)進(jìn)展
第2章基礎(chǔ)科學(xué)
第3章生物學(xué)前沿
第4章國防創(chuàng)新
第5章令人振奮的地球科學(xué)進(jìn)展
第6章能源新進(jìn)展
第7章環(huán)境相關(guān)的發(fā)展
第8章遺傳學(xué)研究進(jìn)展
第9章醫(yī)療衛(wèi)生研究進(jìn)展
第10章材料科學(xué)前沿
第11章當(dāng)今物理學(xué)前沿
第12章科學(xué)政策
第13章空間科學(xué)進(jìn)展
第14章技術(shù)進(jìn)步 第1章農(nóng)業(yè)科學(xué)進(jìn)展
1.地球正在枯竭
最近，科學(xué)家利用模型對(duì)全球氣候進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：喜馬拉雅山脈、歐洲和世界其他地區(qū)的冰川將會(huì)融化，這將導(dǎo)致亞洲、非洲、美國和南美洲大部分地區(qū)成為不再適宜人類居住的沙漠。即使全球平均溫度僅上升4℃，地球上也將出現(xiàn)可怕的情景：一些地區(qū)將發(fā)生洪災(zāi)，另一些地區(qū)則出現(xiàn)嚴(yán)重的旱災(zāi)，數(shù)百萬人將死于這種溫度上升引發(fā)的重大災(zāi)害。到2050年，地球上的動(dòng)植物將大量消失，人口可能會(huì)增長(zhǎng)到90多億，最終，大規(guī)模的饑荒和戰(zhàn)爭(zhēng)可能導(dǎo)致人口迅速減少。
最近一次大規(guī)模的全球升溫發(fā)生在5500萬年前，當(dāng)時(shí)大量冰凍的甲烷從深海中釋放出來，造成全球溫度升高5~6℃。由于這次升溫，兩極地區(qū)出現(xiàn)了熱帶雨林，而非洲南部到歐洲的廣大地區(qū)變成了沙漠，同時(shí)，海洋中溶解的二氧化碳不斷增加，使海水酸化，最終導(dǎo)致海洋生物的大量滅絕。
2.用海水種植糧食作物
地球上的水98%是海水，另外1%是咸水（含鹽量比淡水多但比海水少），大約僅有1%是淡水。未來50年，隨著世界人口的增長(zhǎng)，全球變暖將加劇水資源短缺，所以人類必須尋找種植糧食作物的替代方法。同時(shí)，化石燃料的枯竭，也會(huì)導(dǎo)致石油供應(yīng)嚴(yán)重短缺。人類也許可以通過種植耐鹽作物來解決這些問題。
自然界存在著許多天然的耐鹽植物，它們?cè)陂L(zhǎng)期的進(jìn)化過程中已經(jīng)形成了完善的耐鹽機(jī)制，因此被稱為“鹽生植物”。鹽生植物的生長(zhǎng)區(qū)域獨(dú)特，不會(huì)與糧食作物競(jìng)爭(zhēng)土地�？茖W(xué)家可以通過識(shí)別耐鹽基因，并將其導(dǎo)入到小麥、玉米和水稻中，顯著地提高糧食作物的耐鹽性，從而使作物能夠適應(yīng)海水或咸水環(huán)境。部分鹽生植物在改良鹽漬化土壤方面效果顯著，所以也可以通過種植鹽生植物降低土壤鹽漬化對(duì)糧食作物的影響。
鹽生藻類可作為生物燃料的來源。目前，以色列的Seambiotic公司已成功利用藻類產(chǎn)油，每年的產(chǎn)量已超過了5600加侖1加侖=3.785升。/公頃。相比之下，棕櫚油每年的產(chǎn)量為1187加侖/公頃，巴西乙醇年產(chǎn)量為1604加侖/公頃，豆油年產(chǎn)量為150加侖/公頃。將來，人類可能會(huì)依靠海水種植糧食作物，以滿足能源需求。
3.在沿海沙灘上開展海水種植業(yè)
海水的含鹽量很高，不能直接用來灌溉糧食作物。毗鄰海洋的沙漠地區(qū)空氣較潮濕，可以通過冷凝作用收集并儲(chǔ)存空氣中的水分�？茖W(xué)家已經(jīng)在特內(nèi)里費(fèi)島（Tenerife）、阿布扎比（AbuDhabi）和阿曼（Oman）建成三大溫室，海水被抽到溫室里的蒸發(fā)器中，從而為各種不同植物的生長(zhǎng)創(chuàng)造較為濕潤(rùn)的環(huán)境。潮濕空氣中的水分被冷凝、收集和儲(chǔ)存，最終被用于澆灌植物。英國公司建設(shè)海水溫室大棚的成本低至每平方英尺1平方英尺=0.093平方米。僅為5美元，現(xiàn)在海水溫室大棚內(nèi)增加了聚光型太陽能發(fā)電設(shè)備和水泵，具備了提供更多淡水的能力。
4.應(yīng)用反滲透膜技術(shù)發(fā)展海水農(nóng)業(yè)
到2050年，世界人口預(yù)計(jì)將達(dá)到90億，這將給糧食供應(yīng)帶來巨大的壓力。由于全球變暖，隨著河流的干涸和淡水資源的逐漸枯竭，一場(chǎng)災(zāi)難即將來臨。人類亟須科學(xué)地找到可行的解決方案應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。
將鹽水（海水或地下苦咸水）轉(zhuǎn)換成可用于飲用或灌溉的淡水的方法稱為“反滲透”法。在一種特殊聚合物膜的一側(cè)泵入海水，該聚合物膜只允許水分子通過，鹽類、細(xì)菌和雜質(zhì)都無法通過，從而達(dá)到淡化海水的目的。該方法的缺點(diǎn)是使用一段時(shí)間后雜質(zhì)顆粒物就會(huì)阻塞并損壞聚合物膜，所以需要定期更換昂貴的聚合物膜，這增加了海水淡化的成本。
美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家利用納米技術(shù)研制出了表面附著微小聚合物絨毛的新型反滲透膜（NancyH.Lin，J.Mater.Chem.，2010，DOI:10.1039/b926918e）。在滲透過程中，反滲透膜表面的絨毛像一個(gè)內(nèi)置的清洗刷，迅速擺動(dòng)，可以有效地防止雜質(zhì)在反滲透膜表面沉積。該技術(shù)一旦商業(yè)化，可能會(huì)降低海水淡化的成本，提高大規(guī)模發(fā)展海水灌溉農(nóng)業(yè)的可能性。
5.正向滲透——令人振奮的海水淡化進(jìn)展
人口增長(zhǎng)和全球變暖導(dǎo)致的冰川融化威脅著未來的水資源。2006年聯(lián)合國的報(bào)告預(yù)測(cè)，到2025年，地球上2/3的人口將面臨淡水資源短缺的問題。地球表面大約70%將被海洋覆蓋，這約占全球水資源總量的97%。目前，只有推動(dòng)科技進(jìn)步才能使海水淡化技術(shù)逐步走向高效節(jié)能的發(fā)展道路，這激發(fā)了人們尋求淡化海水新方法的興趣。
滲透是水分子從低濃度溶液通過半透膜進(jìn)入高濃度溶液中的過程。半透膜兩側(cè)溶液平衡時(shí)，兩側(cè)溶液產(chǎn)生的位能差被稱為“滲透壓”。通過施加壓力使水分子向相反方向流動(dòng)的過程稱為“反滲透”。鹽分子被阻隔在膜的一側(cè)，水分子則順利通過，從而導(dǎo)致膜的一側(cè)鹽分濃度很高，另一側(cè)成為純水。目前，反滲透技術(shù)已被廣泛用于海水淡化生產(chǎn)飲用水。然而，該過程十分昂貴，因?yàn)樾枰拇罅康哪芰�，并且反滲透膜造價(jià)昂貴，使用壽命有限，必須定期更換。
正向滲透方法（“隨大流”）取得的突破令人振奮。在膜的一側(cè)放置高濃度的溶質(zhì)（如蔗糖），另一側(cè)為鹽水，水分子則從含有鹽水的一側(cè)自然地流動(dòng)到蔗糖溶液中。因此，依據(jù)正向滲透原理可以利用海水制備軟飲料。較之反滲透，正向滲透過程因?yàn)槔昧四芰刻荻�，減少了80%的能耗。
美國俄勒岡州奧爾巴尼的水化技術(shù)創(chuàng)新公司（HydrationTechnologyInnovations）是公認(rèn)的正向滲透技術(shù)的先行者。該公司推出一款基于正向滲透原理的便攜式“X包”供美國士兵使用�！癤包”中的正向滲透膜的內(nèi)側(cè)裝有糖分和香料。將這些“X包”浸泡在海水甚至臟水坑中，它們可以吸收純凈的水分子，并把鹽分和雜質(zhì)微粒留在包外，從而自制出甜美的風(fēng)味飲料。總部設(shè)在美國馬薩諸塞州劍橋市的Oasys公司利用正向滲透技術(shù)，提取大型植物細(xì)胞內(nèi)的碳酸氫銨等化學(xué)物質(zhì)。
6.采用碳納米管淡化海水
鹽水中去除鹽分（脫鹽）的兩種常用方法是蒸餾和反滲透。蒸餾法是首先將鹽水加熱到沸點(diǎn)，然后通過收集冷凝的水蒸氣而得到純水；反滲透法則是在放置特殊“半透膜”的鹽水一側(cè)施加壓力，只允許水分通過，鹽分則無法通過薄膜而被去除。這兩個(gè)過程都消耗了大量的能量，因此，并不是環(huán)保的脫鹽方法�，F(xiàn)在，美國新澤西技術(shù)研究所的科學(xué)家們基于上述兩種方法開發(fā)出了一項(xiàng)新技術(shù)，能使熱鹽水通過內(nèi)置碳納米管道的半透膜，從而提高滲透性。與傳統(tǒng)半透膜相比，應(yīng)用該新技術(shù)使水分子通過半透膜的速度提高了6倍。
7.自澆灌沙漠植物
以色列科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在以色列內(nèi)蓋夫（Negev）沙漠上的沙生植物沙漠大黃（Rheumpalaestinum），具有獨(dú)特的自澆灌機(jī)制。其葉片直徑可達(dá)到1米，而其他沙生植物的葉片都是小而尖的。這是迄今發(fā)現(xiàn)的首例可以自行澆灌的植物。沙漠大黃蠟質(zhì)的葉片上分布著凹凸不平的紋理，這些錯(cuò)綜復(fù)雜的紋理將水滴捕獲并導(dǎo)入根部。因?yàn)楠?dú)具一套科學(xué)合理的自灌系統(tǒng)，所以即使是小雨天氣，沙漠大黃根部附近的水分也是該植物附近其他區(qū)域的10倍。
8.小麥的種植面臨風(fēng)險(xiǎn)
小麥可能會(huì)受到一種來自伊朗的新致命真菌——稈銹菌的威脅，這種真菌導(dǎo)致小麥大量減產(chǎn)，并引發(fā)大規(guī)模的饑荒。這種稈銹菌1999年首次在烏干達(dá)（Uganda）被發(fā)現(xiàn)，因而被命名為Ug99。Ug99能隨風(fēng)蔓延，2007年出現(xiàn)在了伊朗境內(nèi)，現(xiàn)在正向巴基斯坦和阿富汗蔓延，可能會(huì)迅速滋生并蔓延到整個(gè)亞洲。所以，在巴基斯坦，我們需要發(fā)展和壯大新的小麥品種，以抵抗這種真菌的威脅。
9.使用組織培養(yǎng)技術(shù)克隆植物
現(xiàn)在，不使用種子也可以進(jìn)行大量植物體的商業(yè)化生產(chǎn)�？茖W(xué)家將植物葉片分成許多小塊后放置于試管內(nèi)，在含有營(yíng)養(yǎng)素和生長(zhǎng)激素的溶液中培養(yǎng)。6~8周后，誘導(dǎo)不定芽再生，將芽放置在另一種培養(yǎng)基中繁殖、生長(zhǎng)。一旦根系形成，再將植物轉(zhuǎn)移至（溫室）濕度較高的土壤里繼續(xù)培養(yǎng)。植物長(zhǎng)出葉片后就可以適應(yīng)較干旱的環(huán)境了。用于克隆的植物（母體）一般具有所需的特殊性狀，如花瓣的顏色、大小或果實(shí)的味道等，而克隆植物的基因與母體完全相同，所以具備與母體完全相同的性狀。組織培養(yǎng)技術(shù)因其成本低、效益好，目前已經(jīng)大規(guī)模地被應(yīng)用于生產(chǎn)性狀優(yōu)良的植物，如蘭花、香蕉等。
10.生物技術(shù)能否解決糧食危機(jī)
糧食危機(jī)可能導(dǎo)致國家政權(quán)變更，從而影響全球文明進(jìn)程。人口增長(zhǎng)、全球變暖導(dǎo)致作物減產(chǎn)和耕地面積減少，共同蘊(yùn)藏著巨大的危機(jī)，會(huì)給今后的生活帶來深刻的影響。2008年世界糧食庫存量?jī)H夠維持62天，幾乎接近歷史最低庫存記錄。糧食需求的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過糧食產(chǎn)量，從而導(dǎo)致世界糧食價(jià)格猛漲。對(duì)于巴基斯坦等人均收入較低的國家來說，糧食危機(jī)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)六七十年代，全球依靠先進(jìn)的農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)開展了“綠色革命”。1950~1990年，每英畝1英畝≈40.47平方米。糧食產(chǎn)量以平均每年2%的速度增長(zhǎng)，但1990年以后糧食增產(chǎn)速度逐步放緩了，每年僅為1%左右。雖然轉(zhuǎn)基因作物可能使某些作物產(chǎn)量增加，但似乎無法實(shí)現(xiàn)“綠色革命”期間糧食增產(chǎn)2~3倍的想法。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，只有控制全球人口增長(zhǎng)、提高農(nóng)民的教育水平、改善糧食的儲(chǔ)存和分配方式、控制作物蟲害和真菌侵入所造成的損失，才能根本解決糧食危機(jī)。
11.即將破滅的糧食泡沫
在過去的幾十年中，不可持續(xù)地利用水資源和土地資源確實(shí)提高了糧食產(chǎn)量，但這種糧食泡沫即將破滅，全世界將陷入前所未有的危機(jī)中。據(jù)世界銀行估計(jì)，目前在印度約1.75億人必須依靠過度抽取地下水才能吃上糧食，他們抽取地下水的速度遠(yuǎn)超過了降雨對(duì)蓄水層的補(bǔ)充速度。因此，各地的地下水位正在以驚人的速度下降。沙特阿拉伯也是通過抽取地下水滿足小麥生產(chǎn)。然而，這些地下水資源很快會(huì)耗竭，未來2~3年里小麥可能面臨停產(chǎn)。
世界人口的快速增長(zhǎng)（全球每周大約出生150萬個(gè)新生兒）和未來天氣的不可預(yù)測(cè)性加劇了人類對(duì)世界糧食危機(jī)的擔(dān)憂。2010年，莫斯科遭受了熱浪襲擊，造成俄羅斯糧食作物減產(chǎn)40%。如果同樣的情況發(fā)生在印度、中國或美國，可能會(huì)對(duì)全球糧食生產(chǎn)造成災(zāi)難性影響。大多數(shù)國家糧食價(jià)格一直以驚人的速度上漲，數(shù)十億窮人的生活變得苦不堪言。同時(shí)，印度在跨界水道上修建水壩的問題極富爭(zhēng)議，因?yàn)檫@意味著下游巴基斯坦境內(nèi)的水量將大幅減少，很可能最終引發(fā)兩個(gè)國家的核戰(zhàn)爭(zhēng)。
應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)必須要加強(qiáng)教育、控制人口增長(zhǎng)、采用現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)、通過減少碳排放恢復(fù)自然的平衡、增加森林面積、恢復(fù)土壤肥力、在各級(jí)部門采取有效的節(jié)水措施。總之，采取行動(dòng)改變現(xiàn)狀已迫在眉睫。
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