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发布时间:2019-10-06

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  在古生物学家眼里,零零散散埋在黄土里的骨骼化石,可不仅仅是一堆死物,它们就像散落的拼图,拼拼凑凑起来,也许就是一只会飞的恐龙,或是巨大的鲸鱼,也可能只是一片原始人的头骨,或是生命起源时的一只小虫。可生物学家并没有火眼金睛,他们怎么知道哪里有化石呢?是不是有什么仪器可以探测到地下的化石?他们又怎么知道这些生物叫什么名字呢?

  古生物学是一门古老而传统的基础科学,它研究地球上曾经出现过的生物的化石,以此来了解地质历史时期生物的起源、进化、绝灭、复苏及其与当时环境的关系。它一般要经历野外考察、化石发掘、标本修理、科学研究、形态复原和博物馆展出等几个阶段。

  野外考察前,首先要选择地区和地层,如研究翼龙和恐龙,就要在中生代的地层中寻找化石线索,中生代包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪,而翼龙和恐龙这类爬行动物只生存在中生代,因而它们的化石不可能在更晚的新生代和更早的古生代的沉积中被发现。

  在野外期间,不但要寻找核实并确定地质文献中所记录的化石地点,而且要走访当地老乡,调查考证是否在这一地区发现过化石,何时发现的。在此基础上,寻找可能出现的化石,因此,野外化石线索的寻找和发掘地点的确定,并不是依靠什么先进的仪器设备。

  确定最佳的发掘地点,主要根据暴露地表的化石的多少,以及埋藏化石的岩层来分析判断这一岩层的化石是原地埋藏的完整或较完整的个体,还是经过搬运的、异地埋藏的分散骨骼,是集群死亡导致的富集埋藏,还是正常死亡形成的少量埋藏。例如辽西热河生物群与山东莱阳恐龙动物群就有所不同,前者赋存在湖泊沉积页岩中,是灰黑色页岩,这意味着它们是在深湖静水还原环境下形成的,这种环境的页岩中赋存的化石一般都是完整的个体,而且从剖面上大量出现的火山灰夹层来判断,这里的火山活动非常频繁,这些生物的死亡应该和火山喷发导致的灾难性事件有关,也就是说它们是非正常集群死亡的,只要发现化石露头的层位和地点,就意味着埋藏有比较丰富的完整的各类化石,因此,我们只要找到哪怕只有一块骨骼的露头,都可以毫不犹豫地把这个地点确定为可发掘的最佳地点。而后者埋藏在以冲积河流形成的砂泥岩中,是杂乱堆积的紫红色含砾砂泥岩,属于氧化环境下泥石流形成的沉积类型,这类沉积中的化石绝大部分是分散保存的,全市定点医疗机构国际疾病分,所以最佳化石地点就要选择在同一层位化石露头最多的那个点,露头越多代表化石越富集。

  在野外发现化石固然很重要,但要把所发现的化石完好无缺的采集下来就显得更为重要。依据化石赋存地层的岩性,埋藏环境等,可以采取不同的采集方法,如套箱法,湘雅医院骨科教授李人杰做客娄底综合广播www.,石膏包和“夹心饼干法”等。

  像山东莱阳恐龙动物群那样的河流冲积埋藏环境中分散的大型恐龙骨骼等化石的采集,大部分采用石膏包的方法。这种方法是在化石和围岩的四周向下开槽,超过化石时向里收缩,让其成为蘑菇状,把石膏倒在上面,以麻袋片覆盖,紧压后再浇上稠一点的石膏,抹平压实,外加木板或木棍,等石膏发热变硬,砸进钢钎将其从岩层中分离并翻转,统一编号登录。

  对于类似辽西湖湘页岩中埋藏的完整化石骨架,就要采用“夹心饼干法”。由于赋存辽西热河生物群化石的页岩本身就有很多裂隙,都含有火山灰成分,岩层在地下水长期浸泡下非常酥软,采集下来后火山灰就会快速脱水导致岩层变形和粉末状破碎,因此,采集这类标本一直是个难题。但用“夹心饼干法”一天可以采集十多件标本,而且丝毫不损伤化石。这一方法要确定发现化石个体的范围,在化石及围岩四周用刀割出缝隙并开凿出小槽,沿槽在标本四周垫上软纸,用透明胶带紧紧缠绕固定,分离化石层下的相对酥松的层面,把标本顺着层面平移到已经准备好的木板上,然后垫上软纸,把另外一块木板压上,用胶带缠绕,只留下蒸发水汽的细小缝隙,最后慢慢脱水阴干。

  化石修理是古生物学研究中最关键的环节之一。化石修理就是要把化石骨骼尽可能地暴露,同时不使化石受损。如在修理“夹心饼干法”采集的化石时,要正面打开彻底阴干了的标本,从野外发现骨骼的上层面开始沿着已经暴露的骨骼依次修理,其中有的标本中还保存了恐龙或鸟类的羽毛,翼龙的翼膜等软组织结构,因此要在显微镜下仔细修理,甚至还可以在修理前用X光扫描,来确认骨骼的展布情况来指导修理。

  对石膏包采集下来的化石,因为在发掘时为了确定化石大小和开槽采集的需要,上层面的化石骨骼已经大部分暴露,只有从下层面修理才会加快修理进度。在修理过程中,要用锯条把石膏包四周的坚硬石膏锯掉,让围岩暴露出来,然后依次向下清理,直到骨骼四周的围岩全部清理掉。在清理的过程中,随时要用胶对在岩层中自然断裂的骨骼加固处理。

  古生物学最基本的研究方法还是对化石形态学的详细记述,虽然很多是定性的描述,但却是其他一切研究的基础。在传统的形态学描述和分类学研究的基础上,分析这一生物类型的系统演化位置,讨论其起源与演化等。随着新技术新方法的不断出现,很多新技术逐渐运用到古生物学领域,如高精度CT扫描和三维重建技术可以在不损伤化石的前提下,清楚地了解化石生物的一些内部形态结构,如复杂的脑颅系统等。电镜和显微切片技术的应用,可以观察化石骨骼的显微结构,了解生物的年龄和个体发育。

  如果化石研究证明是从来没有被发现过的新物种,那么古生物学家就要对这一化石进行命名。古生物命名也采用双名法,如阿凡达伊卡兰翼龙,拉丁文名称中前面是属名,后面是种名,属种名一律用斜体。翻译成中文时,种名“阿凡达”在前而属名“伊卡兰翼龙”在后,属名可以单独使用,我们可以叫“伊卡兰翼龙”,但种名不能单独使用,必须要和属名在一起才可以。古生物命名的词源有几种主要来源,其中包括:化石产地名,如天山哈密翼龙;人名,即纪念一些历史人物、有重要贡献的科学家或化石的发现者等,如圣贤孔子鸟;化石特征,如棘鼻青岛龙,种名来自于恐龙头顶上长长的“棘鼻”。这些命名中,属名是唯一的,种名可以多次重复命名。

  在对化石形态学研究的基础上,我们知道了这种生物的个体大小、头骨和牙齿形态、身体各骨骼的大小比例,甚至保存的羽毛等软组织的形态,以及它们生活的环境等信息,艺术家会采用“将今论古”的原则,依据现生生物的一些特征和类似的环境背景,绘制出化石生物的形态复原图和生态复原图。

  十三世纪中叶,诺丁罕城堡(Nottingham Castle)因为年久失修,英王亨利三世任命韦伐瑟(Robert le Vavasser)为城堡整修工程的总工程师。整修工程进行数年之後,韦伐瑟意外身亡,亨利三世因此遣派波休尔(Pershore)修道院院长和华顿(William de Walton)公爵前往了解这件工程的进度状况。他们衔命前往调查数次,发现这个城堡整修的工程设计非常拙劣,而且进度严重落後。虽然城堡外观已经有所改善,但城堡内的通风工程的需求,却被完全忽略了。整修工程因此持续进行著,但是直到西元一二五七年夏天,皇后依琳娜(Eleanor)前来诺丁罕城堡渡假时,仍然因为城堡内燃烧煤炭的废气恶臭,难以忍受,导致身体不适,而不得不另搬迁到特伯利城堡(Tutbury Castle)调养身体。

  这是英国史上,有关空气污染的最早期文献记录之一。空气污染是一种危害人体健康或生活的环境污染,其他环境污染包括水污染、土壤污染、热污染和噪音污染。这些污染,都是起因於自然界中,某一些物种或能量,在某一时间和某一地区,存在的浓度超过某一界限值,导致对人类、其他生物或其他人类生存有关的物质,造成伤害。依此而言,空气污染在宇宙形成的过程中,应该是一种相对的概念。宇宙早期的原始生物细胞,必须生存在一个缺氧的气体环境中,若将它放置於现今无污染的空气环境里,这些原始细胞可能便无法生成或持续生存而演化。

  危害人类正常生活的空气污染,在十三世纪时,便已逐渐产生。在十三世纪之前,人们大都使用木材,做为冬天御寒的燃料。一般商家,像糕饼店、制砖房及金属精炼厂,所消耗的燃料虽多,但比起居民对燃料的总需求,仍是少了许多。事实上,当时的工业,厂房常座落於森林中,以便就地取材,因此所产生的空气污染,对大多数人的生活而言,香港第一开奖网。影响有限。但是,到了石灰工业兴起後,情况便有些不同。石灰(CaO)乃是在窑炉中,藉著高温加热石灰石(CaCO3),使石灰石裂解,导致二氧化碳脱离而生成。

  传统上,石灰窑炉用橡木的柴枝做为燃料。但是到了十三世纪初期,多数石灰窑逐渐改用煤炭为燃料,而且将窑厂建在水道或海岸旁,方便煤炭的运输。但是水道便利的地区,一般大都汇聚居民。幸好当时并没有产生明显的社会问题。

  一直到十七世纪,空气污染才演变成为严重的社会问题。这时候,由於城市的扩张及农地的开垦,造成林区逐渐外移,远离城市。在运输成本逐渐提升下,各种工业也逐渐改用煤炭为燃料,使得都市空气污染的情形,愈来愈严重。当时,城市内常常迷漫灰色烟雾,伦敦城市甚至在1952年,发生约4000人在五天之内,由於市内空气极度污浊而丧生的事件(见表一)。

  到了十七世纪中叶,英国的一些文学家及科学家,像伊佛朗(John Evelyn)和盖伯利(John Gadbury),开始写文章,呼吁政府重视伦敦城内,空气污染的社会公害问题。他们采用培根(Francis Bacon)的实验科学的精神,对空气污染做长期观察,并仔细记录研究,结果发现伦敦居民死亡率的高低,与城市烟雾迷漫的时期相当有关,而且城市烟雾所造成的能见度愈差时,老年人的死亡率特别高。伊佛朗身为英国皇家学会的会员,因此写了一本有关空气污染的书,书名是Fumifugium,严厉批评工业资本家的冷酷和短视,并且对城市空气污染的相关议题,包括都市计划、建筑物的维护和造林技术等,提出许多建言。

  燃烧煤炭所排放的废气,容易在气候寒冷而潮湿的早晨,产生浓厚的灰色烟雾,笼罩整个城市。这个现象,在伦敦、芝加哥、匹兹堡及中国大陆和东欧的一些工业都市中,特别显著。废气中,除了灰烟及固体微粒外,二氧化硫(SO2)是最重要的空气污染物。空气中的二氧化硫,有三分之二来自於以石油或煤炭为燃料的火力发电厂。一般石油和煤炭中,都含有少量的硫(0.5%到5%);煤炭中的硫,多数以硫化物(如黄铁矿FeS2)或硫醇类(-SH)存在。当这些燃料燃烧时,其中的硫便与空气中的氧起化学反应,产生二氧化硫。以硫含量为5%的煤炭为例,一个壹千百万瓦特的火力发电厂,每天将产生高达六百吨的二氧化硫。其他二氧化硫的污染源,还包括硫矿的金属精鍊厂、硫酸工厂以及石油炼制厂。

  由於二氧化硫本身存在於燃烧石油或煤炭的工业废气中,而且被直接排放到空气里,因此二氧化硫被称为原级污染物。另外,有一种空气污染物,是由原级污染物在空气中进行化学反应而生成,称之为二级污染物。三氧化硫(SO3)便是工业空气污染的二级污染物的一个例子,它是二氧化硫在阳光照射下,与空气中的氧,进行化学反应而生成。

  事实上,三氧化硫在空气中的生命期相当短,非常容易和水分子反应,产生硫酸分子。另一方面,硫酸也会与空气中的氨反应,产生硫酸铵 (NH4)2SO4的固体微粒。因此,硫酸和硫酸铵,也是工业污染的二级污染物。

  一些非工业型的都市,在二十世纪初期,也开始陆续出现烟雾现象。不同的是,新的都市烟雾,多半是略呈黄褐色,而不像中世纪以来的工业都市烟雾,呈现的是灰色。美国洛杉矶市(Los Angeles)的烟雾问题,便是这个新型烟雾典型的例子。到了1940年代,洛杉矶市区的烟雾问题已经相当严重。因此,该市在1947年,通过法令,禁止所有户外的燃烧行为,并且规定市内每一个焚化炉,都必须装设静电沉积器,以减少焚化炉废气中的固体微粒,排放到大气中。

  随後几年,空气中的灰烟和微粒,果然大量减少;但奇怪的是,洛杉矶市的居民,依然饱受黄褐烟雾之苦。由於这种烟雾对眼睛具有刺激性,造成不少居民终日流泪不止。当时,许多科学家和政府官员猜测,这烟雾可能又是二氧化硫的杰作。

  到了1950年代初期,有一次,一位洛杉矶市加州理工学院的化学家,名叫海格史密特(Arie J. Haagen-Smit),在户外进行有关凤梨香味化学成分的研究时,才发现真相。当时,他在凤梨园中,收集一些凤梨香味的样品做研究,偶然间,他嗅到空气中有臭氧的刺鼻味道。海格史密特注意到当天的烟雾相当浓,因此就顺便取了一些空气样品,带回实验室分析。结果发现其中含有各种碳氢化合物、醛类化合物,以及其他的有机化合物。再经过一年的仔细分析和研究,海格史密特终於确定这种新烟雾的主要成分,是来自於汽车所排放的废气。这种类型的烟雾,称之为光烟雾。

  都市中的光烟雾,在温暖、乾燥而且阳光充足的日子,特别严重。它的原级污染物,主要是一氧化氮(NO)。一氧化氮乃是空气中的氮气和氧气,在引擎的高温下,相互反应而生成。

  事实上,这个一氧化氮的生成过程,与闪电时产生一氧化氮的过程相同。其他光烟雾的原级污染物,包括汽油挥发所产生的碳氢化合物和一氧化碳(CO)。一般而言,每燃烧1公升的汽油,会产生大约230公克的一氧化碳的污染。

  一氧化氮是一种无色的气体,但是当它从汽车废气排入空气後,会缓慢地与空气中的氧气反应,产生黄褐色的二氧化氮。随後,在阳光中的紫外线照射下,二氧化氮会进行光化学反应而裂解,产生一氧化氮和原子态的氧。由於原子态的氧的化学反应力相当强,非常容易与空气中的氧分子起作用,而生成臭氧(O3):

  其中M可以是氮气分子、氧气分子或是固体微粒。它的作用,乃是吸收在臭氧分子的生成过程中,所释放出来的热量。臭氧是一种刺鼻性非常强的分子,如果空气中每一亿个气体分子,含有一个臭氧分子,我们的鼻子就可以辨识出它的存在。

  光烟雾的这种生成过程,造成光烟雾中不同的污染物,在每个工作天出现最高浓度的时段,彼此不同。就像下图所显示的,在早上七点的上班时段,空气中的一氧化氮的浓度,将达到最大值。随後,一氧化氮因为逐渐与氧气作用而减少,取而代之的是,二氧化氮的浓度逐渐增加,一直到早上九点左右,达到最大浓度。如果是晴朗的日子,阳光中的紫外线,会继而催化二氧化氮的裂解反应,造成在中午时分,空气中的臭氧浓度达到最大值。

  二氧化氮如果不进行上述的光化学反应,也可以与空气中的水分子起作用,而生成硝酸(HNO3)和亚硝酸(HNO2):

  这个反应同时也会帮助空气中的水汽凝聚。但是由於硝酸及亚硝酸的酸性极强,如果吸入含有这种液体微滴的空气,将对人体造成相当程度的伤害。

  再者,汽油挥发或燃烧所排放出的碳氢化合物,可以和臭氧或原子态的氧起反应,产生醛类化合物。例如:

  其中HC是碳氢化合物,R代表烷基,RCHO是醛类化合物,RCOR是酮类化合物。另外,在氮氧化合物及臭氧的存在下,碳氢化合物也可以进行各种反应,而产生过氧醯硝酸盐(peroxyacyl nitrates PANs):

  这些二氧化氮、臭氧、硝酸、亚硝酸、醛类化合物、酮类化合物、过氧醯硝酸盐,和其他各种随之而生成的有机化合物,都是光烟雾的二级污染物。

  气体样品分析,是空气污染控制的必要过程。近来年,由於人们对空气中微量污染物的危害的省觉,以及各种空气污染管制条例的制定,使得有关空气污染分析的基本知识,受到相当的重视。在分析化学家的眼中,围绕在我们周围的空气,并非是单一位相的东西,而是一个含有气相、液相和固相的混合物。空气污染分析可以粗略地分为取样分析(air sampling & analysis)和监控分析(air monitoring)二种。取样分析侧重於使用合适的取样技术,在可能被污染的空气中,取得具有代表性的样品,以便随後使用合适的化学分析技术,测量此样品内所含有的可能污染物的特性(定性分析)及其浓度大小(定量分析)。监控分析则是以特定的分析方法或仪器,在废气排放的第一时间内,迅速测得可能已被污染的空气中,实验者有兴趣的污染物质的种类、特性和浓度。一般而言,监控分析的灵敏度较差,不容易测得浓度较低的污染物。取样分析,则是因为可以在分析或测量样品前,预先浓缩所取得的样品,因此可以侦测到浓度极低的污染物。虽然如此,监控分析仍然有时效性的优点,因为它可以在第一时间内,提出警讯,让控管人员立即做修正,以避免受害范围的扩大。

  收集样品本身,是一门学问,因为所收集而得的样品,必须能够充分反映实验者有兴趣的空间范围内,可能已被污染的空气的特性;也就是说,取样时,必须注意所收集而得的样品的代表性。对空气污染分析而言,举凡温度、压力、体积、溼度、时间、取样频率、主要成份的体积百分比、平均分子量等,都是考虑取样代表性时,应该注意的实验参数。

  侦测气体的特性和测量污染物浓度的方法很多,一般而言,可以粗略分为非光谱分析法和光谱分析法。例如:空气样品可以藉由气相层析的技术,先将样品中不同的气体成分分离开来。分离後的各种成分气体,可以用质谱仪来量测,藉以推知各成分气体的化学分子组成,以及各成分气体的浓度为何。另外,在电磁波的照射下,不同气体分子,会吸收不同波长的光线,依此所产生的光吸收光谱,也可以反映样品中,所含有的气体成分。

  另外,工厂或汽车的废气中,一般都含有一些固体微粒。由於微粒的表面可以吸附各种不同的化学污染物,因此当这些固体微粒,经由呼吸器官进入人体,将可能对身体健康造成相当程度的伤害。这种伤害,对於患有气喘或气肿的人,特别严重。量测固体微粒的存在的方法很多,一般家庭所使用的火灾警报器便是一例。它的工作原理,乃是利用光线在固体微粒的存在下,会被散射,而使得火灾警报器内的光侦测器上,光的照射强度因而减少。由光照射强度的减少值,可以推知空气中所含的固体微粒的数量,是否已经达到一个危险值。

  有许多的策略和方法,可以用来改善空气品质。英国伊利莎白一世为了让伦敦街道看起来清洁宜人,好吸引富商大贾和贵族士绅,从乡间别墅前来观光消费,因此以皇家敕令,特别禁止伦敦居民,在国会开会期间燃烧煤炭,便是一例。应用在现今,则可以是减少使用石油及煤炭为燃料,鼓励使用无污染的取代能源或再生能源,包括阳光、风力、潮汐、海洋高低水层温差、生物废料....,以及提升能源效率,并改善产业结构。在固体微粒的控制上,可以在工厂或汽车废气的排放通道上,使用合适的装置,像滤袋组合箱、静电沉积器或湿性冲刷槽等,以减少废气中的固体微粒,排放到大气中。

  其实,环保问题的核心,就像其他许多的社会问题一样,已经不在於知识与方法,而在於意志与决心。我们为学,又何尝不是如此!又何尝不是为此!


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