智能手机做科研、200多万市民推动欧洲脱碳、寒武纪化石是动物还是植物？| 一周论文新鲜读
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03.11
本周值得读
来自《自然》旗下期刊的最新发表，我们为您精选呈现。
1. 200多万市民推动欧洲可再生能源转型
2. 全球食物系统排放至2100年可使变暖增加近1°C
3. 评估DART任务的撞击结果
4. 英国极端降雨预计至2070年代将更频繁
5. 寒武纪化石是动物还是植物？
6. 用智能手机自制荧光显微镜
能源 | 200多万市民推动欧洲可再生能源转型
Statistical evidence for the contribution of citizen-led initiatives and projects to the energy transition in Europe
Scientific Reports
《科学报告》发表的一项分析显示，欧洲30个国家的200多万市民参与了为可再生能源转型而发起的数千个项目和行动。研究发现，这些行动的投资在62亿至113亿欧元之间，凸显出集体行动对于欧洲脱碳的重要性。
欧洲的能源系统正经历着向可再生能源和脱碳目标的巨大转变。不过，由市民主导的行动对这方面的贡献基本未知，如能源合作社等。
西挪威应用科技大学的Valeria Schwanitz和同事量化了30个欧洲国家2000-2021年期间由市民主导的节能行动对低碳能源转型的贡献。他们分析了各项行动的数量、参与人数、具体节能项目和安装的可再生能源设施，以及投入的总资金。
作者估计在这段时间里，有记录的市民主导的行动为10540项，这类行动包括在意大利博鲁塔的一个可再生能源社区，还有瑞典的一个生态村。这些行动下共开展了22830个具体项目，比如为当地建筑安装风电机组和太阳能板，以及在社区里倡导改变行为习惯并推广气候行动。作者估计共有2010600人参与了这些活动，包括德国的391500人和丹麦的306650人。
此外，作者还计算出有62-113亿欧元投入了市民主导的节能活动，相当于每人最高投入了5700欧元。安装好的可再生能源设施的装机容量为7.2-9.9吉瓦，作者估算按参与计划的人头算，这些设施每年每人能产生8500-11700千瓦时的电量。这基本能覆盖一个欧洲普通家庭的用电需求。
作者总结道，仍需收集更多数据和制定报告标准，来全面统计欧洲市民行动对能源转型的贡献。
欧洲聚合体。来自 30 个欧洲国家的公民对能源转型的贡献。大部分数据收集于2000年到2021年间。来源：Schwanitz et al.
DOI: 10.1038/s41598-023-28504-4
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气候变化 | 全球食物系统排放至2100年可使变暖增加近1°C
Future warming from global food consumption
Nature Climate Change
《自然-气候变化》发表的一项模型研究认为，全球食物系统的排放至2100年将使地球气候变暖增加近1°C。这些发现还表明，改进生产和消费实践，可避免这一预计变暖的55%。
全球食物生产是温室气体排放的一大来源，尤其是甲烷、一氧化二氮和二氧化碳。过去对这些相互作用的建模工作未能解释持续和演变的排放水平，并且需要一个任意的时间范围来权衡不同气体的重要性（通常是100年），这使短期或长期存在的温室气体的气候影响出现偏差。
美国哥伦比亚大学的Catherine Ivanovich和同事使用当前全球食物生产和消费模式，预测了在5个人口场景下整个21世纪的未来变暖影响。他们开发了一个详细的当前温室气体排放目录，包括了基于广泛文献综述的94种不同食物条目。他们发现，食物系统自身在本世纪末可能贡献近1°C的气候变暖。在食物系统相关的变暖中，近60%由甲烷所致，二氧化碳和一氧化二氮各占约20%。作者还发现，改进相关影响最大的食品（反刍动物和非反刍动物肉类、乳制品和水稻）的生产实践，至2100年可避免近1/4的预计变暖。
Ivanovich和同事认为，在全球采用医学上推荐的饮食（在一些地区要减少饮食中的蛋白质，在另一些地区则要增加），结合能源去碳化和协作以减少食物浪费，到本世纪末能够再避免1/4度的变暖。
在5个人口场景下预测的的未来食品消费产生的温室气体排放对全球平均地表气温的影响。
DOI: 10.1038/s41558-023-01605-8
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天文学 | 评估DART任务的撞击结果
Nature Communications
《自然》近期发表的五篇论文报道了美国航天局（NASA）对一颗近地小行星的卫星开展的“双小行星重定向测试”（DART）的观测。其中一些观测结果来自全球的市民科学望远镜。搞清楚DART航天器的撞击如何改变了被撞击卫星的轨道，或能揭示如何利用这种方法打造一个防御系统，防止天体与地球的潜在撞击。
2022年9月26日，DART任务将一个航天器撞向了近地小行星（65803）孪大星（Didymos）的卫星——孪小星（Dimorphos）。此次撞击的目的是为了改变孪小星的轨道，测试小行星偏转这种潜在方法的可行性。《自然》发表的五篇论文估算了孪小星的动量变化，并描述了动量如何从航天器转移到孪小星。
美国北亚利桑那大学的Cristina Thomas和同事确定了DART撞击后，孪小星绕孪大星的轨道周期变化。两种独立测量该变化的方法显示，轨道周期缩短了约33分钟。
Orbital Period Change of Dimorphos Due to the DART Kinetic Impact（DOI: 10.1038/s41586-023-05805-2）
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美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的Ronald Terik Daly和同事重建了DART航天器对孪小星的影响，或有助于规划未来任务，并有望提高对结果预测的确定性。他们还描述了撞击点的位置和性质，指出撞击点位于两块岩石之间，航天器与孪小星撞击时还擦到了其中一块岩石。
Successful Kinetic Impact into an Asteroid for Planetary Defense（DOI: 10.1038/s41586-023-05810-5）
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美国行星科学研究所的李荐扬和同事报道了哈勃太空望远镜对羽状喷出物（由撞击产生的碎片）的观测结果，这些羽状喷出物的速度和演化或能解释撞击导致的动量变化。
Ejecta from the DART-produced active asteroid Dimorphos
DOI: 10.1038/s41586-023-05811-4
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美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的Andrew Cheng和同事指出，孪小星的轨道速度在撞击后减慢了。他们认为，从航天器转移到孪小星的动量在撞击产生的喷出物蒸汽的反冲作用下得到了增强。
Momentum Transfer from the DART Mission Kinetic Impact on Asteroid Dimorphos（DOI: 10.1038/s41586-023-05878-z）
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美国SETI研究所的Ariel Graykowski和同事报道了全球市民科学望远镜网络（包括捕捉到撞击瞬间的留尼汪岛上的三台和肯尼亚内罗毕的一台望远镜）在撞击前、中、后对孪小星的观测数据。他们估算了喷出尘埃的质量和能量，以及其随时间的演化，这或能帮助我们理解撞击任务的最终结果。
Light Curves and Colors of the Ejecta from Dimorphos after the DART Impact（DOI: 10.1038/s41586-023-05852-9）
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这些图像拍摄于DART撞击小行星后的第一个月。每一帧都为整夜观测的平均结果。照片中央为孪大星（Didymos）小行星系统，横条纹为各恒星。来源：University of Canterbury Ōtehīwai Mt John Observatory/UCNZ
气候变化 | 英国极端降雨预计至2070年代将更频繁
Variability conceals emerging trend in 100yr projections of UK local hourly rainfall extremes
Nature Communications
根据《自然-通讯》发表的一项新气候模型，在高排放场景下，至2070年代，英国的极端局部降雨事件的频繁程度最高可达当前水平的4倍。这些发现有助于支持土地管理、基础设施设计和防洪投资方面的政策制定。
近期肆虐欧洲的洪水，使人们更加需要了解在全球变暖的未来几十年里局部降雨将发生怎样的改变。2021年7月欧洲中部的降雨导致了超过200余人死亡，以及对基础设施的巨大破坏，估计仅在德国就造成了45-55亿欧元损失。一般预计极端降水将会随着全球变暖而加剧，因为更暖的空气能够携带更多水汽。但是降水是一个相当局部的事件，受到许多因素的影响，并被气候多变性所制约。因此，全球变暖会在将来如何影响局部降雨仍不明确。
英国气象局哈德利中心和布里斯托大学的Elizabeth Kendon和同事使用新的气候模型模拟来研究英国的局部小时极端强降雨（超过20mm/h）。他们发现，在高排放场景下（预计升温在2100年达到4. 3 °C），极端降雨事件预计至2070年代频繁程度将达到现在的4倍，而此前分辨率较低的模型预计的此期间的增幅较小，为2-3倍。但是这一增加受气候多变性的影响，可能会导致随机发生一系列集中的破纪录事件，然后接下去甚至几年可能都不再出现。作者认为，这一倾向集中极端降雨事件的趋势对当地试图适应的社群提出了挑战，因而考虑规划和管理十分重要。
模型预测局部小时极端强降雨的表现。来源：Kendon et al.
DOI: 10.1038/s41467-023-36499-9
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古生物学 | 寒武纪化石的新身份
Protomelission is an early dasyclad alga and not a Cambrian bryozoan
Nature
《自然》发表的一篇论文指出，对5亿年前寒武纪时期化石的重新鉴定显示这些化石为藻类，而非动物。研究结果挑战了我们对动物演化的认知以及藻类在寒武纪生态系统中的作用。
化石记录揭示了寒武纪时期动物的演化，但一种水生苔藓状无脊椎动物——苔藓动物（Bryozoa）——却一直在该时期的地层中缺失。《自然》2021年发表的一篇论文将名为Protomelission的寒武纪化石鉴定为一种苔藓动物，但现在，英国杜伦大学的Martin Smith和同事挑战了这一观点。他们描述了来自中国南部小石坝生物群（Xiaoshiba Lagerstätte）的保存完好的Protomelission状化石，并指出这些化石是一类底栖、光合藻类，属于绒枝藻目。研究结果表明，目前尚未发现明确的寒武纪时期的苔藓动物化石。
作者还比较了Protomelission状化石与地理分布广泛的小型脊髓形状化石——寒武钉（cambroclaves），并认为某些寒武钉可能也是绒枝藻。 这些发现共同表明，底栖的生物矿化藻类在寒武纪早期生态系统中的贡献比之前认为的更大。
澳大利亚Wirrealpa找到的Protomelission gatehousei矿物化化石1，图片重制自2021年《自然》论文Zhang et al.
DOI: 10.1038/s41586-023-05775-5
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技术 | 开发低成本智能手机荧光显微镜
A low-cost smartphone fluorescence microscope for research, life science education, and STEM outreach
Scientific Reports
《科学报告》发表的一项概念验证研究，展示了一个可以将智能手机或平板电脑转化成荧光显微镜的装置，成本不到50美元。作者说，他们命名为“荧光镜”（Glowscope）的这一装置可用于在学校、科学推广场合和一些科研实验室里，在低放大率下对细胞、组织和生物进行成像。
荧光显微镜被用于研究荧光染色标记或表达荧光蛋白（例如绿色荧光蛋白标记）的样本。但这些显微镜一般至少价值几千美元，因此其使用常限于经费充足的科研实验室。
Glowscope由美国威诺纳州立大学的Jacob Hines和同事开发，由有机玻璃和胶合板框架、夹式摄像机镜头、一个LED灯以及一个舞台光过滤器组成。其框架被用于在样本上方放置智能手机或者平板电脑，镜头夹在手机或平板摄像头上进行放大。样本被LED灯照亮，一个光过滤器放在镜头上过滤不需要的波长，使样本放出的荧光可视。
作者展示了Glowscope的能力，用其成像了活斑马鱼胚胎（长度为2-3毫米），这些样本在脊髓、心脏或后脑表达了荧光蛋白。他们发现，夹式的镜头提供了大约5倍放大效果，能够成像绿色和红色荧光组织，分辨率可达10微米——足以看到单个色素细胞。作者用Glowscope检测了胚胎的心率，并在用免费软件强化了视频记录清晰度后，检测了个别心室的活动。
因为Glowscope的材料成本大约为30-50美元，作者提出它们可以让学校学生用于在表达荧光蛋白的小生物体中学习解剖学、行为、生理学、发育和遗传学等，这些生物可从实验室获取。他们补充，没有多台荧光显微镜的实验室也可以用几个Glowscope和智能手机同时获取视频数据。
在本论文补充信息中，可获得用于组装一台Glowscope的部件和说明的完整描述。
用Glowscope查看药物诱发的心率不齐。视频来自作者
DOI: 10.1038/s41598-023-29182-y
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