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天文(20)一一木匠发明测经度/赞诗
kd652 2020-4-28 07:20
在北半球测纬度是很方便的,只要测北极星在该地的高度角就可以了。但是测经度就不是那么方便了,一位木匠(你没看错)用毕生精力研制精确的航海钟成功后,测经度的问题才最终解决了。这段历史颇为有趣,不妨仔细看看。 至少在公元前3世纪,人类就知道用经纬度来描述地球。大约在公元150年时,希腊地理与天文学家托勒密在他绘制的人类第一本地图集中,为27张地图标出了经纬线。纬线为地球上平行的由赤道向两极逐渐缩小的同轴圆圈;经线为经过两极的大小相同的圆圈;托勒密以此建立了地球最初的方位系统。 令人遗憾的是相当长的时间里,人类只会运用纬度导航;甚至,连哥伦布跨越大西洋发现美洲,也是沿纬度航行。经度测算之难,在麦哲伦航海日志中也能见到。据船队抄写员皮加费塔记载,“麦哲伦船长花了很长时间研究经度问题,但领航员们很满足他们获得的纬度信息,都不愿提起经度这码事”。古代航海通常是靠测量航速和其他办法来估算船的相对经度。 1707年的英国舰队大海难,再度引发了商人与海员的请愿,吁请政府尽快破解经度难题。事实上,为经度所困惑的又何止英国。早在1666年,法国王室就在巴黎建立了旨在破解海上经度难题的天文台。10年后,英国才在泰晤士河南岸格林尼治村的一座小山上建立了皇家天文台,命天文学家弗拉姆斯蒂德(也是第一任皇家天文官)“以最大的耐心,修正天体运行表格,从而完善航海技术”。就在各国天文学家夜以继日地绘制星表之时,海上仍不时传来因无法精确导航而造成海难的坏消息——丧钟为经度而鸣。 经度难题的迫切性,使得西班牙、意大利、荷兰、英国等欧洲航海大国,不得不在修建天文台的同时,又以“重赏之下必有勇夫”的思路,开出高额赏金,以求取得突破性进展。1714年,英国国会通过了《经度法案》。以法律的名义宣布:任何人只要能找出在海上测量经度的方法,误差在1度以内的奖1万英镑;误差在2/3度以内的奖1.5万英镑;误差在半度以内的奖2万英镑(2万英镑,相当于一位船长200年的收入)。 经度的攻坚大戏,由此进入高潮。 小木匠,用时间确定空间 “重赏之下”的那位“勇夫”,出生在英国约克郡(与伟大的库克船长是同乡)的一个世代做木匠的普通人家。他是家中的长子,父亲自然把精湛的木工技艺全传授给他。但这个木匠的孩子却没有把它用到制造家具和房屋上,而是以细木工的手艺,造出一台完全由木头制成的摆钟。当时他才19岁,没人能料到历史将记住他的名字:约翰·哈里森。 说到摆钟,有必要在此插入一段钟表简史。哈里森虽然是钟表制造史上的一尊神,但他并不是发明钟表的人。1350年意大利的丹蒂,造出了第一台结构简单的机械打点塔钟,日误差半小时左右。1510年德国的亨莱思,创造了用擒纵机构的小型机械钟;1582年意大利的伽利略发明了重力摆;1657年荷兰的惠更斯把重力摆引入机械钟,创立了摆钟;随后又将摆轮游丝组成的调速器应用在可携带的钟表上;1715年,英国的格雷厄姆又发明了静止式擒纵机构,为发展精密机械钟表打下了基础……没有什么史料说明木匠哈里森为什么要放弃木匠改当表匠,历史只记载了他用钟表改变的航海史。 1730年,在经度局成立的第15个年头,也是牛顿去世的第3个年头。从木匠成长为优秀表匠的哈里森来到格林尼治,向经度委员会委员、皇家天文台第二任天文官哈雷(用他的名字命名的彗星似乎比它更出名)递交了一份解决海上经度测量难题的方案。 哈里森一生都要感谢哈雷。虽然,哈雷认为经度问题是个天文问题,但这位爱喝酒的天文学家是一个心胸开阔的好人。哈雷不仅没否定哈里森,还为他引荐了英国的钟表大师乔治·格雷厄姆。而这位品德高尚的同行不仅支持了哈里森的设想,还从自己的口袋里拿出250英镑,作为哈里森方案的启动资金。 这是一个用时间证明空间的方案:即将经度换算成时间。360度的地球,每24小时转动一周,每小时转动的1/24圈,即经度的15度。所以,航船与出发地之间,每相差一小时,就表示它的经度向东或向西移动了15度。再将经度换算成距离,赤道线上地球周长最大,这里15度的跨度约等于1000英里。而1度约合4分钟,其跨度约等于60海里(1海里约等于1.1英里,1.8公里),68英里(111公里)。因此,只要知道出发地和所在地的时间,就能推算出所在地的经度。 既然,经度问题是时间问题,拿两块表到海上,问题不就轻松解决了吗?此前两个世纪,也曾有人提起过类似的方案。但直到18世纪,钟表在陆上仍不能准确报时,制造用于海上的时间机器,更是无人挑战。哈里森是第一位声称能造出航海钟,把出发地的时间不快不慢地带到海上任何地方的人(当地时间,依正午太阳最高点对时)。并将依此测出船在海上任何一地的经度。 这是一个令人振奋的方案,也是一个充满挑战的方案。看一看经度委员会的委员构成,就知道当时应对经度课题的科学体系了。委员中有大名鼎鼎的牛顿、哈雷等天文大师,此外,还有著名数学家和航海家,这些人中没有一位懂得钟表技术。这样的委员会自然认为:只有天文学才能最终解决经度问题。 月距法,陷在旧框框里的天文大师 我曾看过电影《经度》,像所有的文艺作品一样,带有着明显的倾向性:马斯卡林和经度委员会的专家都是以自大自私的丑角面目出现的。其实,研究经度史就会知道,这些人并非利用职权无“理”取闹。当年,连伽利略和牛顿这样的科学巨人都相信天文学是解决经度问题的唯一途径。英国第5任天文官马斯卡林所代表的也是几代天文学家都认的死“理”。 早期的天文学家都依据天文事件来测定经度。比如,预测了西班牙马德里午夜12点月全蚀,而向大西洋西行的船队在当地时间晚上11点看到了月全蚀。那么,就知道该地的经度在马德里以西15度。这种利用天文事件确定经度的方法,确实为18世纪的地面经度测量与地图绘制提供了准确的数据。但日蚀、月蚀和其他星蚀都不会每天出现,人们最终选择了最好观测的月亮,参考月亮与太阳的距离,月亮与某颗星星的距离及交汇时间,再参考发生同一事件的地点的时间,求出时间差,就可以测出船所在的经度了。 时钟法与月距法,都有理由向2万英镑奖金冲刺。 马斯卡林等人“靠天吃饭”的月距法,有着天然的弱点。一要必须要天气晴好,才有月可观;二要有事先绘好的精确的星历表。假设这些条件都具备了,要测算一次海上经度,至少也要4个多小时。 当然,哈里森的航海钟,也有它的成本弱点,制造价高达500英镑。这个价钱恰是当年英王建格林尼治天文台的费用。谁能买这样的航海钟呢?相比之下,一架高质量的六分仪,外加一本不很精确的“月距表”,加起来不到20英镑。 哈里森要降低航海钟的造价,马斯卡林要缩短月距的测算时间。 1760年,哈里森向经度委员会交上几近完美的航海钟H4。1766年马斯卡林用人海战术,算出了1767年全年月距数据(每个月的星表就有12页之多)并提前一年出版了《1767年航海年鉴》,把计算经度的时间从4个小时缩短到30分钟。 时钟法与月距法双方,谁更该获得那笔奖金? 航海钟,永不迷航的舵手 现在,说回哈里森和航海钟。得到钟表大师乔治·格雷厄姆那笔无息贷款后,哈里森花了5年时间终于造出了第一台航海专用钟H1号(后世以哈氏字头H来命名他的作品,并按1、2、3、4号排序)。现在H1-4号航海钟都完好地存放在格林尼治的航海博物馆里,供人们回望那段“经度的时钟史”: 1米见方、重达34公斤的H1,至今仍在运转。那四个夺目的表盘分别标示着时、分、秒和日。它的伟大之处在于运用“蚱蜢腿”装置,使钟摆的摆动频率不受海浪颠簸的影响,从而成为真正航海钟。 哈里森是个匠人,更是个“犟人”。1736年往返里斯本的海上试验,证明了Hl测量的经度比当时所有的方法都要准确,24小时内不差几秒钟。只有哈里森对H1提出了批评。他对经度委员会说,等造出了升级版的H2再来领奖金。5年后H2终于完工,哈里森认为还有可改进的地方,又一头扎入H3的研制。当H3完成时,他已60岁了。在等待H3测试之时,由于嫌它体积还是太大,他又次投入到新的研发之中。1760年,当哈里森向经度委员会交出了他满意的H4时,距H1的诞生已过了30年。 时针、分针、秒针皆在一个表面上的H4,实际上就是一块不受磨擦、摇动、湿度和温度干扰的上一次发条就可走30小时的大怀表。1762年经度委员会让哈里森的儿子带着H4跨过大西洋到牙买加,经过8l天航行,H4总共慢了5秒(误差约等于3公里左右)。误差率远远小于经度委员会制定的半度之内(即24小时,误差不超过3秒,约等于50公里)的最严限度。 此时,月距法也进入了冲刺阶段。有着“裁判员”和“运动员”双重身份的经度委员会委员马斯卡林(3年后他担任了第5任皇家天文官)拒绝承认H4的准确性。要求再做H4的海上测试,同时要求请人复制出H4(经度法案规定,其发明必须是可复制推广的)。1772年,钟表匠肯德尔复制的H4(为了尊重肯德尔的功绩,后人称他为K1)被带上了库克的远洋船,驶往南极。在零度以下的寒冷天气中,复制的航海钟发挥了完美的功能。库克称赞它们是“不失误的向导”。一年以后,在英王乔治三世的亲自过问下,已经80岁的哈里森,终于得到了最高奖的余款8750英镑(扣除了以前支给他的部分奖金)。3年后一天,也就是1776年3月24日,像航海钟一样奇妙的哈里森,在83岁生日这一天,驾鹤西去。 此时,航海钟的成本降到了70英镑左右,远洋船测经度驶入了航海钟的新时代。 本博主献赞诗一首: 木匠高手哈里森 不以出身定终身 一生只做一件事 工匠精神感人神 让我们把佳作看得更清楚一些:
个人分类: 天文|3430 次阅读|0 个评论
时间与经纬度的测量
热度 1 smilemooncat 2018-6-7 10:30
清朝康熙、雍正、乾隆时期,政府开始派人在各地实测,绘制全国和各地地图。在中国学者和西方传教士的共同努力下,制作出堪称世界高水平的地图。西方传教士带来了三角测量法,即在地面上选择一些点,构成一系列连续三角形,在一些已知点观察所在三角形的顶角。在 精确测定始边长后,以此为基准,来推算三角形的其他边长,进而推算其他点的经纬坐标。 但是,如果要完成经纬坐标的推算,首先至少得知道一些点的经纬坐标,历史事实是当时一些传教士已经测定了凉州、热河和广州等的经纬坐标。不禁让人好奇这些经纬坐标是如何测定的呢? 另一个类似问题是,以前没有高科技通信定位手段,航海家在辽阔海面上是如何知道方向、经度和纬度的呢?虽然有中国人的四大发明之一指南针可以派上用场,北极星也能给北半球海上的人提供方向,但显然只有这些还不够。 一个地方的经度与纬度值的确定,都需要两个量: 基准值(零点),所在地的测量值与基准值之间的差异。 纬度的测量 对于纬度,基准面是赤道,它的纬度被定为0度。如果想知道地球上某点的纬度,就假想将该点与地球中心相连,连线与赤道圈的夹角就是该点的纬度。在北半球, 某地的纬度可通过看北极星的视线方向与水平方向所成的夹角简单估算。除了北极星,一些有经验的人还能借助太阳的高度来测出纬度。传说,船长们为了判断方位而经常要用单眼正视太阳,久而久之,一只眼睛被烧伤了,不得不戴上了眼罩,敢情那些电影中经常出现的“独眼龙” 船长形象不是战争带来的伤害。 经度的测量 而相比于纬度,经度的确定就更复杂。主要因为零点确定之后,所在地的测量值与零点间的差异无法再用看天体直接确定。地球每24小时自转一圈(360度),每小时相当于自转15度。经度相差15度,时间就相差了1小时。每个地方都有自己的一套时间标准,即当地平太阳时。如果知道两个地方当地平太阳时之间的差别,就能知道两地的经度差。 问题就变成了如何知道两地的时间差。按照今天的思维,这个问题太简单了。只要两地能彼此快速沟通,例如打个电话,互通下彼此的时间就行了。回顾一下通信手段的发展历史,电报是19世纪30年代才发展起来的。那更早期呢? 带着一个地方的当地时间走 带着一个地方的当地时间走。这一方法于1530年被荷兰数学家弗里西斯提出。他是这样设想的:可以制作一台钟表,始终保持某地的当地平太阳时,然后带着它到另一个地点,利用太阳高度测量另一个地点的时间,进行对比,就可以知道两地之间的经度差。这就要求钟表的误差很小,当时生产的钟表误差有几分钟,不能委以重任,只能期望有更准确的时钟出现。 借助天文观测 \0 还有一种思路,就是两地都用同种方式来标定其当地时间,然后再放在一起比对。这种方式不要求比对的及时性,所以可以接受通过普通方式“慢递”收集的数据,只有一个要求——数据最后能比对。怎么才能保证两地收集的数据是可比对的呢?答案是使用同种方式来标定时间,也就是说,严格要求“同种方式”在各地是稳定和一致的。当时,稳定精确的原子时尚未问世,大家公认,在各地以稳定周期出现的是天体的运动。这在更古老的时代已经被发现和公认了。因此,测量经度用来标定时间的重任就落在天体运动的观察确定上。 15世纪,天文学家提出“月距法”来测量经度。相对于星星,月球在天空中的位置一直在发生变化。如果两地都观测月球在天空中的位置,并记录下月球在不同位置时本地的时间,然后将两地的记录进行对比,就能知道对应月球处于相同位置时,两地的本地时间差,经度差也就清楚了。 除了利用月球在天空中的不同位置,伽利略曾提出了利用木星和它的卫星进行定时,测量经度差的想法与月距法相似。木星卫星法在陆地上没问题,却很难在波涛滚滚的海面上进行。海面上的经度确定,最终还是依赖月距法和“带着一个地方的当地时间走”这两种方式。 注:本文首发于《科学画报》。
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了解我们的地球
luopl 2018-5-13 18:01
地球不是正圆,而是一个近似椭球的形状。赤道较粗,两极较扁。而且两极并不对称,北极凸出,南极凹进。可以想象出来,我们神奇的地球家园还蛮有个性。 其实我更想问大家的一个问题是:地球有多大?地球的半径?以及每度(经度、纬度)所对应地球表面的距离是多少?这么大的球体,它的这些数据是怎样测出来的? 问题好像有点多,带我慢慢解答一下。 问:地球有多大? 答:地球相比我们人类个体当然庞大无比,当时在宇宙空间中,它也仅仅是普通的一员。 问:地球的半径? 答:平均约6371.393km (3959英里)。 问:每度(经度、纬度)对应地球表面的距离? 答:1经度对应111km,1纬度对应111km*cos(纬度)。可以根据地球半径,按照圆弧计算。 问:地球半径怎么测量的? 答:自古以来推算地球半径的人有很多,也有多种方法。这里指介绍一种: 卡文迪许 测量出重力常量后,可根据 万有引力定律 ,通过天文学观测其他行星的周期,利用万,引力等于向心力,推测出地球的质量,并且可以通过球的 体积公式 近似得出赤道半径。
个人分类: 科普知识|298 次阅读|0 个评论
大自然如何在地球上“雕琢”出数百万个物种?
热度 27 Wildbull 2014-8-1 11:47
物种是生命生存与繁衍的最基本单元,从一个最重要的侧面(历史性地、现实性地)镌刻或描绘着地球上生命系统的动态性的多姿与多彩。物种是群落和生态系统的结构单元,也是遗传与进化的基本单元。以物种为单位的生物学、生态学知识也是认识生态系统功能、管理、保护与修复自然生态系统不可或缺的基础...... 不少人认为进化(或者说物种分化)是随机的。但是,事实上进化既是偶然也是必然的产物。必然性建立在这样一种事实基础之上,即物种是在漫长的地质年代,生命对气候环境的适应以及生物间的相互作用等适应进化而形成的。大量的事实已经证明,物种在各种不同地理区域具有不同的分布特征与多样度,即存在所谓物种的地理格局。需要指出的是,物种的地理格局并不是一成不变的,它受到一系列环境因素特别是气候变动(如冰期)的影响,因此,在同一个区域生活的物种有可能是原产的也有可能是迁移而来的。当然,在地史尺度上,构造运动对生物多样性地理格局的影响可能更为深远,正如考克斯和穆尔( 2007 )指出的那样:“生物多样性地理格局是我们行星上进化和板块构造这两台伟大机器相互作用的结果 …… 陆块破碎和运动导致有关的生物类群被远隔,而碰撞把起源十分不同的、不曾想到的类群带到了一起”。 长期以来,物种的分布格局是生物学、生态学、进化生物学、生物地理学、保护生物学等诸多生命科学领域的科学家所关注的重要问题之一。现在人们相信,世界上数以百万记的形形色色的物种都起源自单一的祖先物种。这里不深入讨论物种是如何进化而来的细节,而重点介绍生物多样性的地理格局及其基本成因,以便从区域地理尺度上理解自然界中物种的宏观生态学设计原理,但省略了与种系相关的系统分类学细节。 一、物种—生命最基本的生存单元 1. 物种的概念—依然难以统一定义 人类对物种的认识也经历了曲折的历程。早在二千多年前,古希腊伟大的哲学家亚里士多德提出生物可严格区分为不同的“物种”,但认为物种是永恒不变的。十八世纪,瑞典伟大的植物学家林奈( Carolus Linnaeus )首次以生殖器官来进行生物分类,提出了一些物种为完美的,而另一些则是仿造的观点,林奈时代的物种概念的特征是不变(“上帝”创造)与客观存在, 1735 年林奈发表“植物种志( SpeciesPlantarum )”,首次提出了以拉丁文来为生物命名的双名法(第一个名字是属的名字,第二个是种的名字,属名为名词,种名为形容词),此种命名法也一直延用至今。 十九世纪初,法国著名的博物学家拉马克( Jean-Baptiste Lamarck )在其著作“ Philosophie zoologique (译:动物学哲学)”( deLamarck 1809 )中否定了创造论,认为随着时间的推移,物种将逐渐发生变化而形成新物种,即提出了不同物种之间可以有连续不断的系諎的观点,虽然他未能正确说明物种的演变机制。达尔文( Darwin 1859 )通过变异与自然选择系统地阐述了物种可变的机制,但是他认为物种概念是人为的单元,因此没有考虑物种的定义。达尔文的进化论揭示了物种起源的历史连续性,却忽视了物种的相对稳定。 1942 年,恩斯特 · 迈尔提出了生物学物种概念:“能够彼此交配的自然种群组成的一个类群,其在生殖方面与其他这样的类群之间彼此隔离”,这就是说,物种得以区分不是纯粹因为它们看起来不一样,而是因为它们之间存在无法相互交配的壁垒,这样一个物种就是一个繁殖群体,一个基因库(科因 2009 )。 现代的生物学家普遍认为,物种( Species )既是生物分类的基本单元,也是生物生存—繁衍—变异—适应—进化的基本单元。但是,由于生命形式的极端多样性,即便是今天,判定物种的标准也不尽一致,有学者使用形态学种,也有使用生殖隔离种。对高等动植物来说,生殖隔离是判断物种的有效标准,但是对于一些缺乏有性生殖的生物(如属于原核生物的细菌等),只能依靠形态、生化及遗传物质等的差异来判定。即便如此,物种仍然是所有生命科学领域最不能忽视的概念。 2. 现存的物种—已描述 170 多万种 在介绍物种分布地理格局之前,有必要看看地球上到底有多少物种?这问题看似简单,其实却难以回答。据 Groombridge 和 Jenkins ( 2002 )估计,已描述的种类约为 170 万种,估计地球上物种的种数多达 1400 万种( 表 1 )!在已经描述的物种中,有颚动物的昆虫和多足类最多( 96.3 万种),植物次之( 27 万种),脊椎动物并不多( 5.25 万种),最少的类群为古生菌,只有 175 种。看来,最原始(简单)和最高等(复杂)的生物类群其种类数相对较少。 虽然细菌和古菌最为古老,但其种类数却最少,因为很难保存在化石中,也很难像高等动植物那样通过化石进行历史演化的分析。由于现存的细菌可展现惊人的变异速度(与地质年代相比),因此很难想象细菌种类数不多是由于其分化速度慢的缘故。那么,一种可能就是细菌以高速的变异适应环境,在简单的基因组上进行着遗传结构的快速更新。 表 1 现在已知的生物主要类群的种类,包括尚未被发现的种类的估算 域 真核界 已描述的种类数 估计的总数 古生菌 175 细菌 10,000 真核生物 动物界 Animalia 1,320,000 脊椎动物门(总计) Craniata (vertebrates), total 52,500 55,000 哺乳动物 Mammals 4,600 鸟类 Birds 9,750 爬行动物 Reptiles 8,002 两栖动物 Amphibians 4,950 鱼类 Fishes 25,000 有鄂动物(昆虫和多足类) Mandibulata (insects and myriapods) 963,000 8,000,000 螯肢动物(蜘蛛等) Chelicerata (arachnids, etc.) 75,000 750,000 软体动物 Mollusca 70,000 200,000 甲壳动物 Crustacea 40,000 150,000 线虫 Nematoda 25,000 400,000 真菌 Fungi 72,000 1,5000,000 植物界 Plantae 270,000 320,000 原生生物 Protoctista 80,000 600,000 总计 1,750,000 14,000,000 (引自 Groombridge and Jenkins 2002 ) 3. 物种的分化—受制于生存条件的随机演化 物种是怎样形成的?达尔文认为所有物种都是演化的产物,而变异与自然选择是这一过程的主要推动力。新物种的形成过程也称为物种分化,主要包括异域分化( allopatric speciation )和同域分化( sympatric speciation ),而边缘分化( peripatric )和临域分化( parapatric speciation )似乎为过渡类型。 异域分化指同一物种由于地理隔离,分别演化为不同物种的过程。这就是恩斯特 · 迈尔的观点。种群隔离可通过地质活动或气候变化(如大陆漂移、山脉或峡谷的形成、冰川扩展或萎缩、陆桥的形成或消失、沙漠的扩大或缩小等)来实现,也可通过种群的扩散来实现,譬如动物的迁徙或意外的迁移都可能分割种群,如果两个种群之间停止了基因交流,就可能导致新物种的形成。当然,隔离一般是地理上的隔离,但不一定都需要地理壁垒。其实,达尔文在其“物种起源”一书中就已经注意到地理因素在物种分化中的重要作用。异域分化的例子数不胜数,譬如,大熊猫是属于食肉目的一种熊,该目中大多数常见的熊都是杂食性动物,但熊猫几乎只吃竹子,它生活在中国西部高海拔山区的茂密竹林中,那里没有捕食者的侵扰,它们每天花 10-12 小时嚼食竹子(古尔德 2008 )。 同域分化指同一物种在相同的环境,由于行为习性的改变或基因突变等原因而演化成不同物种的过程。这其实是达尔文观点的现代描述,达尔文认为,只要有生存竞争,在许多地区都可能产生新物种。在位于东非大裂谷的马拉维湖( Lake Malawi )中,丽鱼( cichlidfishes )的物种分化就是同域分化的很好例证,在过去的 70 万年期间,从单一的丽鱼祖先分化出超过 400 个物种( Danley Kocher 2001 )。 为什么要不断形成新物种?达尔文认为物种是为了填补某种生态位的空缺才出现在大自然中,而有学者持完全不同的看法,如科因( 2009 )认为,不是因为自然界需要不同的物种,我们才拥有了不同的物种,物种只是演化的意外,“不同类群”对生物多样性而言很重要,但它们并不是因为增加了生物多样性才被演化出来,也不是因为提供了平衡的生态系统才被演化出来,它们仅仅是在空间上彼此隔离的种群向着不同方向演化所产生的基因壁垒造成的不可避免的必然结果而已。但科因的这种看法显然无法解释像在马拉维湖中丽鱼的快速分化(同域分化)现象。 依我看来,不必将这两种观念对立起来。物种得以分化,从生态学角度来看必须有空缺的生态位可填,但是,物种为何在一些地方分化快而在另一些地方分化慢,并不完全是一种随机的结果,也无法完全用隔离程度来解释,相反可能在很大程度上取决于物种的生存条件(包含生态位)。这就是本章要探讨的核心问题。 二、物种多样性地理格局—陆生植物 1. 纬度效应—纬度越低,物种越丰富 早在十九世纪初,欧洲的博物学家( Humboldt and Bonpland 1807 )就关注到物种多样性沿纬度梯度的变化趋势。近代的研究表明,树种多样性沿纬度梯度的格局十分明显,通常是从高纬度向赤道呈指数增长,而且在北半球向高纬度地区的分布范围更广一些( 图 1 、 图 2 )。这种强烈的纬度效应举例说明,如同样面积的一片树林,在俄罗斯东南部( 45 o N )只有 40 种树,而在马来西亚半岛( 1 o N )却有 1400 种树,将所有植物合并在一起也有这种趋势( Adams 1988 , 2009 )。一般认为,纬度梯度上的温度差异应该是影响树种多样性地理格局的主要因素。 图 1 全球树种多样性(样方大小— 0.1 ha )的纬度梯度(仿 Enquist Niklas 2001 ) 图 2 东亚的野生树种(引自 Adams 2009 ) 但是,在一些情况下,物种多样性沿经度(东—西)方向也呈现明显的梯度,这在低纬度的热带、亚热带地区尤其明显,即虽然同样是温暖的气候,但是由于降雨量的巨大变化,湿润度变化很大。由于水分也是影响植物生长的重要因素,相似温度条件下的水分梯度也就导致了植被格局因而物种多样性格局的显著变化( 图 3 )。譬如,从美国东部湿润的气候 → 中部干燥的大平原区域 → 南部沙漠 ,树种的多样性明显下降( Currie Paquin 1987, Adams 2009 ) 图 3 北美的树物种丰度图(引自 Adams 2009 ) 2. 温度效应—温度越高,物种越丰富 温度往往是植物分布的关键要素,因此,也影响到植物物种多样性的地理格局。 图 4 是显花植物科的树木与最低温度之间的关系,呈现出很好的直线正相关关系,即最低温度越低,科的数目越少,而最低温度越高,科的树木越多,虽然南北半球之间存在一定的差异(可能与大陆隔离的历史有关)。 图 4 南北半球显花植物科的数目与最低温度之间的关系( Begon et al. 2006 引自 Woodward 1987 ) 3. 海拔效应—在高海拔地区,物种数急剧下降 Grytnes Vetaas ( 2002 )将尼泊尔喜马拉雅山脉 6000m 的海拔高度以 100-m 间隔分为 60 个带,比较了显花植物的种类数随海拔高度的变动。在尼泊尔南部高原一直到海拔 1000m 左右为热带气候,在 1000-2000m 之间为亚热带或暖温带气候, 2000-3000m 之间为寒温带气候, 4000-4500m 为亚高山带的上限,也是树木线;在高山带,分布有一些灌木,但草地占优势,往更高的地方,植被更加不连续( Dobremez 1976 , Grytnes Vetaas 2002 )。在海拔高度 1500m 以内,物种数随海拔高度的增加而快速增加,在 1500-2500m 之间,种类数很少变化,超过这一高度,物种数稳步下降( 图 5 )。值得注意的是,在 0-100m 之间,仅有 62 个物种被记录,这可能是由于在尼泊尔这些低纬度区域的面积很小的缘故。 图 5 尼迫尔喜马拉雅山脉显花植物的种类数随海拔高度的变动 (仿 Grytnes Vetaas 2002 ) 4. 降雨量效应—降雨量越大,物种越丰富 O’Brien ( 1993 )研究了非洲南部木本植物( N=1372 种)多样性的分布格局,物种多样性呈现出从西向东逐渐增加的趋势,在干旱半干旱地区最低,在湿润地区最高,与降雨量呈现出明显的正相关关系( 图 6 )。 图 6 非洲南部木本植物多样性与降雨量之间的关系,网格面积为 20,000 km 2 (仿 O’Brien 1993 ) Currie Paquin ( 1987 )研究了北美树种的分布,将美国和加拿大区分为 336 个样块,共统计了 620 个土居树种(高于 3m 的植物)。通过将树种类数与环境因子进行相关分析发现,在各种环境因子中,与土壤水分蒸发蒸腾损失总量( evapotranspiration ,即从土壤蒸发或从植物蒸腾的总水分量)的相关性最好( 图 7 )。虽然他们用逻辑斯蒂曲线近似,但实际也缺乏趋向饱和的渐近线区域,对 图 7 其实也可以用直线描述,甚至也能用指数函数来描述。 需要指出的是,不难发现,在半沙漠和沙漠地区,蒸发量很高,但由于降雨量少,其实植物特别是树是很难生长的,数种多样性不可能高,因此,在探讨与树种多样性时,可能用湿润度更加合理。 图 7 将树种多样性作为 土壤水分蒸发蒸腾 损失年总量的函数( n=366 ),实线为拟合的逻辑斯蒂模型(引自 Currie Paquin 1987 ) 5. 生产力效应—生产力越高,物种数越多 在温带森林区,树种多样性随净初级生产力(主要依赖于温度)的增加而增加( 图 8 ),但是也存在一定的区域差异:与北美相比,亚洲地区较温暖的气候条件下的物种格外地丰富,譬如,同样的温带地区,最温暖潮湿的南欧(如巴尔干)和北美(如乔治亚南部、加利福利亚南部、弗罗里达北部)与亚洲同样的位置(如日本南部和台湾)相比,树的种类要少得多,这可能与亚洲的树种在冰期更好地存活下来了有一定关系( Adams 2009 )。 图 8 初级生产力和树物种多样性的关系。 ▲ :数据来自东亚, □ 美国东北部(引自 Adam 2009 ) 三、物种多样性地理格局—陆生动物 1. 纬度效应—从低纬到高纬,物种数逐渐降低 ( 1 )恒温动物—鸟类和哺乳动物 通过对美洲北部和中部地区的繁殖鸟类种数的研究发现,鸟类种数从高纬度向低纬度方向呈现明显的指数增长关系( 图 9 ),即在高纬度地区只有 20-30 种鸟,而在赤道附近,鸟类种数超过 1000 种! 图 9 美洲北部和中部地区的繁殖鸟类物种丰富度靠近赤道最高(引自 Huston 1993 ) 通过对跨越新大陆的鸟类多样性沿纬度梯度的分布格局的分析发现,在南北半球均是随纬度的增加鸟类物种数下降,且在同样的纬度,南半球的鸟类种类数略高于北半球( 图 10 )。 图 10 跨越新大陆的鸟类多样性的纬度梯度,网格大小约为 611,000 km 2 (仿 Gaston Blackburn 2000 ) 新大陆的哺乳动物也呈现出与鸟类类似的纬度梯度分布,即哺乳动物物种多样性随纬度的上升而下降,南北半球也有一定的差异,最高的物种多样性出现在南半球 0-15° 之间( 图 11 )。 图 11 跨越新大陆的哺乳类多样性的纬度梯度,纬度间隔为 2.5° (仿 Kaufman Willig 1998 , Gaston Spice 2004 ) (2)变温动物 无论在南半球还是北半球,从高纬度往低纬度方向,三类变温脊椎动物—两栖类、 蜥蜴 (属爬行动物)和 蛇 (属爬行动物)的属多样性均呈类似于指数的增长模式( 图 12 ),虽然它们的绝对属数存在明显的差异,即蛇 蜥蜴 两栖类。 图 12 三个变温动物类群多样性与纬度之间的关系图。( A ) 两栖类的属数,( B )蜥蜴的属数,( C )蛇 的属数(引自 MEER , http://www.meer.org/ebook/chap3.htm ) 2. 温度效应—温度越低,物种越贫瘠 ( 1 )鸟类 Lennon 等( 2000 )研究了英国鸟类与夏季月平均温度之间的关系,利用了由英国鸟类学基金组织的 2 次独立的调查数据,一次是在 1981-83 年期间进行的冬季调查,另一次是 1988-91 年期间组织的夏季调查,总共有 2362 个样方(每个 10 x10 km ),涵盖了英国大部分区域以及广泛的生境、地貌和气候类型。他们根据鸟类的迁徙状态(留鸟或候鸟)和季节(夏季或冬季分布)定义了 4 种类型,夏季的留鸟( SR )、夏季的候鸟( SV )、冬季的留鸟( WR )和冬季的候鸟( WV )。除了夏季的候鸟外,鸟类物种多样性与夏季温度之间呈现出强烈的正相关关系,即留鸟与冬季候鸟与夏季温度之间存在明显的相关关系( 图 13 )。也就是说夏季温度总体上来看明显影响到鸟类的物种多样性。 图 13 英国鸟类种类多样性(样方网格大小 10 km x 10 km )与月平均夏季温度之间的关系(引自 Lennon et al. 2000 ) ( 2 )哺乳动物 通过对跨越南北美洲的 1255 个同样面积的样方中哺乳动物物种数 ( 共包括 1755 个物种 ) 与环境因子之间关系的研究发现 , 单位样方的物种数与年最低温度之间存在较好的正相关关系 ( 近似指数增长 )( 图 14 ), 年最低温度是哺乳动物单位样方物种数的最好的预测变量。 图 14 北美洲和南美洲单位样方大陆哺乳动物多样性与年最低温度之间的关系,数据来自 1755 种哺乳动物(引自 Mayand McLean 2007 ) 3. 海拔效应—在高海拔地区,物种数急剧下降 Patterson 等( 1998 )研究了秘鲁南部的安地斯山鸟类和蝙蝠(蝙蝠是唯一能飞翔的哺乳动物)物种沿海拔梯度的分布格局,样品取自马努国家公园和生物圈保护区,包括了 901 种鸟和 129 种蝙蝠,很明显,鸟类和蝙蝠的物种多样性随海拔高度的上升而稳步下降,且二类生物的物种数随海拔升高而下降的趋势十分类似( 图 15 )。虽然他们也调查了小鼠,但只有 28 种,其物种数与海拔高度之间关系的结论应该十分慎重。 图 15 秘鲁马努国家公园和生物圈保护区中的鸟类和蝙蝠的物种数和海拔高度之间的关系(引自 Patterson et al. 1998 ) 总体上来说,陆生动物的物种数随海拔高度的升高而降低,但是也有一些例外,譬如,科罗拉多州的蚂蚁种类数随海拔高度呈现驼峰型的变化,即最初物种数随海拔高度的增加而上升,在接近 2000m 处达到最高,之后又逐渐下降,当然,在高海拔地区也比低海拔地区的物种多样性低得多( 图 16 )。 图 16 科罗拉多州的蚂蚁种类数随海拔高度的变化(仿 Sanders 2002 ) 4. 湿度效应—中等水分蒸发蒸腾量的地区,物种最为丰富 Hawkins 等( 2003 )分析了潜在土壤水分蒸发蒸腾量( PET )与古北区和新北区陆生 鸟类和蝴蝶的物种多样性 之间的关系( 图 17 ),发现在低 PET 区域,鸟类和蝴蝶的物种多样性均随 PET 的增加而增加,而当 PET 超过一定的阈值,物种多样性开始下降(古北区)或不再增长(新北区)。 图 17 潜在土壤水分蒸发蒸腾量 ( PET )与古北区和新北区陆生鸟类和蝴蝶的物种多样性之间的关系。垂线表示从正到负(古北区)或到零(新北区)的转折点(引自 Hawkins et al. 2003 ) 四、物种多样性地理格局—水生动物 1. 纬度效应—在高纬度地区,物种数急剧下降 Roy 等( 1998 )收集了在东太平洋和西大西洋(从热带到北极海洋)浅于 200m 水域生活的 3916 种海洋前鳃亚纲腹足动物物种数据,发现东太平洋和西大西洋的多样性及多样性梯度( 图 18 )都非常相似,尽管二个海域间存在许多重要的物理及历史的差异。值得注意的是,物种最丰富的区域并不在赤道附近,而大约在纬度 10-25 度之间。 图 18 东太平洋和西大西洋海洋前鳃亚纲腹足动物纬度多样性梯度,数据为单位纬度的物种数(引自 Roy et al. 1998 ) Oberdorff 等( 1995 )收集了全球范围(非洲、美洲、亚洲、大洋洲等)的 292 条河流的鱼类资料,跨越从赤道到极地的纬度梯度,发现最高的物种多样性位于赤道附近的低纬度地区,随纬度上升鱼类种类数明显下降的趋势,虽然有相当的变化幅度( 图 19 )。 图 19 世界河流淡水鱼类沿纬度的多样性梯度(仿 Oberdorff et al.1995 ) 2. 温度效应—随着水温的升高,物种多样性逐渐增加 Roy 等( 1998 )分析了东太平洋和西大西洋浅水水域生活的 3916 种海洋腹足动物物种与年平均海面温度之间的关系,发现二者之间存在密切的相关关系,即当海面温度超过 20 o C 后,物种数大幅增加,而且二个海域的趋势均非常相似( 图 20 )。 图 20 年平均海面温度和西大西洋和东太平洋海洋腹足动物的物种多样性(以 1 o 纬度为间隔)(引自 Royet al. 1998 ) 3. 水深效应—进入深海区,物种数急剧下降 陆地上海拔高度影响陆生动物的物种多样性格局,在海洋生态系统中,深度对鱼类的物种分布格局也产生显著影响。在一些情况下海洋生物的物种多样性随水深的增加而下降,在另一些情况下却是先上升后下降。 Macpherson 和 Duarte ( 1994 )收集了大西洋东部 1746 种鱼类资料,分析了深度和纬度与底栖鱼类物种多样性的关系,发现底栖鱼类的物种数随纬度的增加而下降(大约纬度每上升 5 o ,鱼类种类数减少 1% ),但是在大多数纬度,物种数在大约 150-300 m 深度达到最大( 图 21 )。 图 21 大西洋东部底栖鱼类物种多样性与纬度和深度之间的三维关系(仿 Macpherson Duarte 1994 ) Svavarsson 等( 1993 )研究了挪威、格林兰、冰岛和北极海的海洋等足类,共有 106 种,主要分布在浅水海域,随着深度的增加种类数急剧减少( 图 22 上)。 Morenta 等( 1998 )从 Baleanc 岛南部(位于地中海西部的阿尔及利亚湾)水深 200-1800m 区域采集了 82 种鱼类,发现种类数随水深的增加而明显减少( 图 22 下)。 图 22 北部海域等足类物种多样性以及 Baleanc 岛大陆斜坡鱼类种类数随水深的变化(仿 Svavarsson et al. 1993, Morenta et al. 1998 ) 4. 历史的地理格局—依然是纬度越低,物种越丰富 物种多样性沿纬度的分布格局并不是末次冰期以来独有的现象, 图 23 是大约 7000 万年前海洋有壳虫类化石物种沿纬度梯度的分布格局,也是在低纬度地区物种数最为丰富,而向高纬度地区方向,物种数锐减。 图 23 约 7000 万年前化石海洋有壳虫类沿纬度梯度的分布( Rosenzweig 1992 修改自 Stehli et al. 1969 ) 五、物种多样性—一般格局与成因 1. 纬度、海拔高度和湿润度—塑造了物种多样性的基本格局 在影响物种多样性地理格局的各种因素中,毫无疑问以纬度的效应最为显著,也最受关注;海拔高度和湿润度也受到广泛关注。沿着这些环境因子梯度,物种多样地理格局呈现出一些基本格局: 1 )纬度是影响动物(水生或陆生)和植物物种多样性格局的重要因素:物种多样性随纬度的上升而下降,也即低纬度的热带地区的物种多样性远高于温带地区,而温带地区又远高于极地。当然,涉及特定类群时可能会有一些例外,譬如有的类群在中纬度地区最大,有些类群则可能主要局限于极端寒冷的气候。因此,一些类群的起源分化、生理生态适应性等可决定其特殊的物种分布地理格局。 2 )海拔高度通过垂直温度变化与纬度的等效性,对物种多样性也产生显著的影响,即物种多样性一般随海拔的上升而下降。 3 )湿润度也非常显著地影响植物的物种多样性,特别是在热带—亚热带地区,干旱地区的物种多样性远低于湿润地区,如干草原的物种多样性远低于热带雨林。 4 ) 纬度或海拔高度—湿度联合效应塑造了极端不同的特征性植被类型—动植物物种极为丰富的热带雨林,动植物物种极为贫瘠的冻原和沙漠。 2. 物种多样性格局—生态、进化和历史的产物 对大多数(陆生或水生)动植物类群,低纬度地区的物种多样性比高纬度地区要高得多,如果包含的类群越广泛,这种趋势越明显。为何热带地区比温带地区生物多样性要高? Gaston 和 Spice ( 2004 )列举了三种可能的机制,认为这三种机制可以联合作用,虽然也会受到一些其它因素的影响: 1 )面积效应( Areaeffects ): Rosenzweig ( 1992 )认为热带区域的面积比温带大(而且赤道附近的热带是紧密相连的),因此导致较高的分化速率和较低的灭绝速率。 2 )能量可利用性( Energyavailability ):低纬度地区有更多的能量供给,因此具有更丰富的资源,可以支撑更多的物种。 3 )有效进化时间( effectiveevolutionary time ):大范围的环境扰动(如冰期、气候干旱等)对热带的影响较小,因此提供了更多的有效进化时间(绝对进化时间 + 进化速率),此外,地质历史时期热带地区的灭绝速率也可能相对较低。 需要指出的是,热带地区的陆域面积虽大于温带地区,但仅靠这种面积上有限的差异( 图 24 )是无法全部解释热带地区和温带地区物种数的巨大差异的,还需要加上较低的灭绝速率和较高的物种分化速率。其实 热带地区分化速率较快应该是可以理解的,在高温(当然还有适宜的水分供给)条件下,生物的生长繁殖速率较快,遗传变异和物种分化的速率也应该更快。此外,热带地区复杂的物种间相互作用也可能是物种分化速率较高的原因之一。 图 24 陆地相对面积和纬度的关系(仿 Rosenzweig 1992 ) Mittelbach 等( 2007 )基于上述三种机制,提出了相应的假设模型( 图 25 ),第一种假说认为,热带和温带在物种分化速率上并无差异,但由于生态因素(如生态位)的差异,热带对物种的存载力高于温带;第二种假说认为,热带的物种多样化速率(分化速率—灭绝速率)比温带高,因此物种积累速度较快;第三种假说认为,热带比温带具有更多的时间进行物种多样化,譬如,图中箭头表示高温气候的结束和温带的形成。 图 25 解释物种多样性纬度梯度的三种假说:( a )生态假设,聚焦物种共存和物种多样性的维持机制,( b )进化假说,聚焦物种分化速率,( c )历史假说,地球历史中热带环境的持续时间和范围(仿 Mittelbach et al. 2007 ) 结语 物种是生命生存、繁衍与进化的基本单元,地球上已描述的物种超过了 170 万。如此繁多的物种是怎样被创造出来的?无论是拉马克用进废退和获得性遗传,还是达尔文的随机变异、生存竞争和自然选择,或是基于基因突变的突变论,都只是关注物种创造的微观过程(毫无疑问这是重要的微观基础)。但是,从宏观的视角来看,物种更是地域性生态环境历史过程的产物,因此才形成了物种多样性的地理格局。 简言之, 物种就是雨、热的产物,地球上雨、热的分布格局就决定了物种多样性的宏观格局,即最为湿热的地区(如热带雨林)生产力最高,物种分化最快,因此支撑的物种最为丰富多样。物种多样性的地理格局沐浴关键环境要素(纬度、海拔高度和湿润度)的不断塑造,从本质上看是生态、进化和历史过程的产物 。 这样, 全球气候模式通过宏观的生态过程(当然必须在微观的成种机制操控下)既决定了植被的地理分布与演替模式,也主宰了物种多样性的地理格局 。这一方面昭示了物种演化在宏观上的方向性,但并不否认微观成种的随机性,另一方面也告诉我们不同地质年代由于气候模式的巨变会出现完全不同的生物区系,这往往可能会给古生物学家留下地域性化石记录不连续性的表象,并被其用来当作跳跃进化的“可靠”证据。 主要来源: 谢平. 2013. 从生态学透视生命系统的设计、运作与演化—生态、遗传和进化通过生殖的融合. 北京:科学出版社 (英文: Xie P. 2013. ScalingEcology to Understand Natural Design of Life Systems and Their Operations andEvolutions – Integration of Ecology, Genetics and Evolution through Reproduction. Beijing: Science Press) 引述该博文的相关内容时,请引用该专著。 电子版下载: http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/ 相关博文: 为何内蒙古披裹无垠草原,而亚马逊雨林娇娆? http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1475614do=blogid=815185 解读生命的设计—为何它微如尘埃亦巨至大象? http://blog.sciencenet.cn/blog-1475614-808322.html 达尔文进化论之扬弃,生命起源理论之革新! http://blog.sciencenet.cn/blog-1475614-805836.html
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生态学文献讨论33: β Diversity跟物种聚集机制无关!
热度 1 mengchanghe 2013-2-7 17:20
刚回来,感慨颇多,人生总是这样子,很多很偶然的机会会那么改变你的人生,而你即便早知道结局,你是否还会坚持一开始的选择呢?大多估计还是会吧…… 不说了,说说文章吧: Kraft et al. 2011.pdf Disentangling the Drivers of β Diversity Along Latitudinal and Elevational Gradients 假如看完了你意犹未尽或心存疑问的话请看Comments: http://www.sciencemag.org/content/335/6076/1573.2.full 假如你觉得有道理希望看看作者怎么Response的话: http://www.sciencemag.org/content/335/6076/1573.4.full 假如你太懒了都懒得看或者希望看到其他的高见的话,请继续看下面的…… β Diversity其实就是两个sites之间物种不相似度,0的时候表明物种组成完全一样,1的时候表达为完全不样。研究表明,β Diversity是与海拔和纬度有关联的,成显著的负相关。然而,不同地区的库不一样,一旦修正伽马diversity的话(为什么要修正?),则会呈现不同的结果:全球尺度下的β Diversity与海拔和纬度都无关了…… 这个结果重要性不言而喻:以往的研究都是表明环境因子是与β Diversity是密切相关的啊,颠覆了传统观点啊,20年的工作(?)难道都是不对的? 当然本文存在很多显著地不足: 1. 实验设计是基于10*10m的小样方,然后0.1ha的样方做样点,选取2.5cm的woody species为对象,这样的数据样本量足够吗?在热带地区的话,取样面积够吗? 2. 取样设计也是有一定问题,应该是之字形随即取样,这个需要进一步推敲。 3. 全球尺度的东西将海拔和经纬度都放得太在一起了,不严谨,事实上comments的文章指出在South America做的结果是呈现显著负相关的,需要进一步推敲。 4. 实在是没搞明白是怎么corret这个伽马diversity的 所以本文最后的接拒比=4:3
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[转载]早期动物进化与气候剧变相关
crossludo 2012-9-28 15:46
直接证据验证了以往推测 早期动物进化与气候剧变相关 包括中、美两国科学家在内的国际研究小组9月26日表示,他们发现了将极端的气候变化、空气含氧成分增加与早期动物进化连接起来的新证据。中国地质大学的科学家参与了该项研究。 长期以来,人们推测大气中氧气成分的突然增加是早期动物进化的诱发因素。不过,动物进化和环境之间的因果关系一直只是激烈争辩的话题,相关的研究因为缺乏直接证据而受到阻碍。 在9月27日出版的《自然》杂志上,美国内华达大学科学家领导的国际研究小组首次提供了早期动物多样化趋势与地球系统过程变化两者间直接相关联的证据。他们认为, 化石记录显示,大约在6.35亿年前,动物和水藻明显增加。对从中国南部发掘的富含生物岩石进行分析,科学家发现,同时期在严酷的冰川之后,海洋含氧量突然出现峰值。 美国加州大学生物地质化学教授蒂莫西·莱昂斯表示,长期以来,人们推测地球历史上在经历最剧烈的气候变化后,地球的含氧量发生变化,新完成的研究首次为该推断提供了真实的证据。研究小组在分析采自中国南部陡山沱地层泥岩中代表早期含氧量的微量元素和硫同位素后,发现微量元素的浓度达到高峰,说明当时在全球范围内,海水中具有更高的含氧量。 曾在加州大学攻读研究生、目前在加州理工的诺亚·普兰纳夫斯基说,他们获得了陡山沱地层泥岩中钼和钒的含量,结果显示全球海洋含氧丰富。而含氧丰富的海洋是早期动物多样化的环境保障。 中国南部泥岩中高微量元素含量与现在海洋沉积物中相当,这表明大约在6.35亿年前,海洋大气系统中的氧成分出现了巨增。根据研究人员的分析,氧含量增加很可能是由于被埋藏的有机碳在增加,这其中的原因是寒冷冰川过后出现更多养分的结果。 莱昂斯和普兰纳夫斯基曾在过去的研究中争辩说,同大量冰川相关的养分过量可能导致大量碳被埋和氧化。来自光合生物的有机碳被埋于海洋沉积物可导致大量的氧被释放到海洋大气系统中。莱昂斯表示,中国南部泥岩中获得的新的微量元素证据看上去证实了这些假设。 【圈点】 每种动物都有它的最低氧浓度要求,这是物种选择特定纬度地区生活的原因。如果毫无准备地将氧浓度下降一半,一般都会受不了;同理,氧含量剧增也会成为进化的“催化剂”。而今这项证据,似乎更好地说明了为何早期复杂多细胞动物生命出现的前后,正逢大气氧含量从百分之几的水平迅速增长到百分之二十几。人们分辨生物细胞与氧气的关联,去了解动物并最终了解人类是怎样进化的,以及哺乳动物是否正是在氧浓度的波动中,逐步掌握了对地球的统治权。
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寿星养成之南辕北辙
热度 14 fs007 2012-6-20 13:08
寿星养成之南辕北辙
寻正 春秋战国时代人们喜欢编故事,其中包括南辕北辙。一个牛人想到楚国观光,他乘了车往北而去,让人惊奇,问他,楚国在南,你为何往北走?此公说,我的宝马跑得快,路费带得足,司机是特种部队转业的。千百年来,咱们都笑这位大叔反其道而行之,忽略了他本身的逻辑,车快费足还有特级保安陪同,从北向南兜一圈并非什么不得了的事情,如果出北京城向南给堵了车,说不定南辕北辙一下子还快些。 在讲解长寿秘诀时我讲了 人物(Who) 、 时间(When) ,还在需要进一步介绍地点(Where)。具体而言,培养寿星是要南下广州,或者干脆偷渡到香港生产?(这里咱们只假设你到香港生产是为了子女长寿,而不是香港居民权)还是北上至北京,或者干脆偷渡到北韩分娩? 长寿的愿望是如此强烈,中国人北迁南移都是有的。明成祖迁都,弃南京而择北京,很多人相信,正是“天子守国门”而让明王朝长寿。明王朝的确把国门守得死死的,可惜让国门内的流寇把江山给震翻了,不能不说是南辕北辙啊。 查一查居民期望寿命,北京是81岁,南京还不到77岁,广州是79岁,深圳也不到77岁。北方优势明显,所以全国人民都想移居北京定居,好歹想多活四年不是? 广州深圳的经济发展水平不亚于北京,而平均寿命差别如此大,难道居于纬度高的北方相比南方真有寿命优势?在实验室中,研究者很早就发现,如果环境降温,果蝇寿命增加,这一现象并不局限于果蝇,在其它许多动物能观察到。有人依此假设,纬度越高,温度越低,新陈代谢越低,因此,寿命越长。既有理论,又有实证,今后怀上小孩就往北京跑,如果要学叔梁纥,写自传,也要写成《野合在北京》。 在理论上上述解释有一大难处,那就是观察到的低温增寿的现象只发生在变温动物(Poikilotherm),为什么呢?变温动物才需要随环境温度降低而降低代谢水平。人很不幸,是恒温动物(Homeotherm),我们需要保持恒定的体温,也就是说,如果天气冷,我们就是打摆子也要产生足够的体热以维持体温,我们的新陈代谢率反而要增加,以抵消从环境中散失的热量。 一不小心,还真是南辕北辙了。 南辕北辙最惨的是朱家王朝,为什么呢?好好的在长寿的南方呆不下去,偏要到地处偏远的北京去,劳民伤财,最终让不满的百姓给推翻了。建都于南京的朱和尚活了71岁,迁都的朱棣沾南京的好处,活了65岁,然后那些一辈子生活在北京城里的子孙皇帝就惨了,最长的嘉靖帝活了60岁,最短的天启帝活了23岁,按现在的说法,那是大学都未毕业。完全在北京呆的帝王平均不到40岁! 有人肯定激动起来了,尤其是老北京就不平,清王朝定都北京,皇帝寿命就不短。从顺治到宣统,共10任皇帝,寿命最长的是乾隆,88岁,看起来长,实际上,他们平均寿命也无非是51岁,距离朱和尚以及朱棣这个在南京呆了不短时间的家伙差远了。清王朝的同治帝干脆打破了明王朝短寿的记录,只活了18岁,论及现在,大学还没入学呢。 你那南京立都的皇帝就选择了两个,样本也太小了吧?难以服人。因此,咱们只好再往前走,选择同一王朝,在北方南方都有建都的,那就是宋朝。北宋定都河南开封,而南宋则偏安江南浙江杭州,跟南京地理位置差不多。北宋当皇帝也有窝囊时刻,但那是不能跟国土缩小一半、外患从来不断的南宋相比的。 北宋从宋太祖算起,9任皇帝,最长寿命56岁,平均不到46岁。而逃至南方称王的宋高宗选都得当,居然活了80岁,从宋高宗到宋恭宗,共7任皇帝,平均寿命超过57岁(最后两任娃娃皇帝因兵灾战乱早夭不算)。也就是说,南宋的受气包皇帝平均比北宋的幽闲君主多活了11岁。大清帝国晚节不保,但多数君主活得比北宋的皇帝要舒坦,而且其间还有500年的发展差距,结果跟一直受气的南宋君主相比,平均寿命还差上一截(6年)。 表一、北、南宋皇帝寿命比较 科学,请给我们科学,我得继续接受老北京的挑战。从科学上说,用代谢率解释寿命的南北差距不算首选。从科学上说,人类从非洲发源,走出非洲,有神论者也起码持人类起源于可能地处地中海附近的依甸园,人类的最适环境是靠近热带的亚热带气候。我们向北向南,在极端气候条件下身体的不适应性增强,耗损增加,就造成了寿命的纬度差异,也就是南北差异。 寿命的另一个南北差异的解释是时空错乱学说,人起源于四季分明的亚热带气候,有节奏分明的日周期。越往纬度高的地方走,日照时间距离最适日周期差异越大,造成了人的日周期混乱与生物适应性降低,最终减低了寿命。持此理论的俄国科学院搏锐申科夫博士在2011年发表了可能是关于纬度与寿命关系的唯一论文。 1 搏锐申科夫博士发现,在俄国的欧洲地区,男女寿命都跟纬度相关,纬度最高的68.8跟最低的42.8相差26度,计算得到的寿命效应是0.22岁(女)及0.38岁(男),也就是说,寿命的理论差距在女性最大为6岁,男性最大为10岁。搏锐申科夫的研究涉及中国的数据,他未能在中国人身上发现纬度效应。不过,他的研究同时还证实了纬度增加癌症的发生率与死亡率,为其结论增加了佐证。 在中国人中,搏锐申科夫发现了巨大的经济发展效应,远比俄国数据大而且显著。中国人中未发现纬度差异可能跟此有关,如果中国人经济发展水平持平之后,说不定就易于测出寿命的纬度效应。以发展相对均衡的英国为例,其寿命就有明显的南北差异。所以搏锐申科夫的发现也是有实际佐证的。 搏锐申科夫的论文还发现在纬度之外,经度也对日周期有影响,其作用还相对比较稳定,在俄中两国男女两性上都有统计显著性。这经度差异是怎么计算的呢?我们都用北京时间,俄国当然是莫斯科时间,我们实际所在地的日周期时间跟北京有差异,这就是经度差异,距离北京在东西方向上越远,这差异也越大。按照搏锐申科夫的计算,在中国男性是0.17岁每度,女性是0.18岁每度,而中国时区离北京最远的达到32度,也就是说,北京人占了全国人民的便宜,因为把北京时间设为全国标准时间,让其它地区跟北京周期而非自然周期走,北京人寿命比最偏远地区的人长5.5岁。北京在中国比较靠东边的地方,中国应当向南向西迁都,或者象美国一样,让各地用自己的自然周期(时区)时间。 按搏锐申科夫的理论,无论是纬度还是经度,都是通过扰乱人的日周期而起作用的。这样说来,对于各位网瘾不断的读者就危险了,熬夜上网可能比经纬差异对日周期的扰乱还厉害,短寿十年八年还真是高度可能。科学不能忘了实证,对最后的猜测我援引小道消息,据说中关村的平均寿命是53岁,大虾们忙死累死的可能性小,而日周期扰乱导致疾病癌症而早夭几乎板上钉钉。 写到这里,本人悲观地发现自己的日周期又乱了一回,得马上洗洗睡了,以便多活几年。 注: 1 Borisenkov M.F. Latitude of Residence and Position in Time Zone are Predictors of Cancer Incidence, Cancer Mortality, and Life Expectancy at Birth Chronobiology International 2011: 28(2)155-162
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已知经纬度计算两点间地理距离
热度 5 zjlcas 2010-9-21 14:52
更新日期 20190506 1 问题 已知巴黎的地理坐标为东经2°20'14'',北纬48°50'11'',华盛顿的地理坐标为西经 77°03'56'',北纬 38°55'17'',求两城间的距离(单位千米)。 2 分析: 已知经纬度,求两点间的地理距离,不能直接用经纬度求平面距离,而是要计算球面距离(Great Circle Distance)。 如果对精度要求不高,可以用低精度公式,计算过程相对简单。如果对经度要求较高, 则要用高精度公式。高精度公式一般用于天文计算、大地测量等。在距离较远的城市之间, 两种方法所得结果可相差几十千米。 当然,现在全部通过计算机程序计算,都是直接使用高精度方法了。本文参考比利时天文学家Jean Meeus (1991)的《天文算法》81-86页的公式,给出相应的R代码。 2.1 将经纬度的度、分、秒转换为十进制 定义函数deg2dec完成这一转换: deg2dec-function(h,m,s){ if(h0){ m=-m s=-s } res=h+m/60+s/3600 return(res) } ##巴黎 L1=deg2dec(-2,20,14) phi1=deg2dec(48,50,11) ##华盛顿 L2=deg2dec(77,03,56) phi2=deg2dec(38,55,17) 2.2 低精度公式 由于地球的扁率较小,可近似看作球体,利用球面三角公式即可求出距离,R代码如下: geodist-function(L1,phi1,L2,phi2){ Ri=6371 d=(Ri*acos(sin(phi1*(pi/180))* sin(phi2*(pi/180))+ cos(phi1*(pi/180))* cos(phi2*(pi/180))* cos((L1-L2)*(pi/180)))) res-round(d,3) return(res) } geodist(L1,phi1,L2,phi2) ## 6165.597 因此,如果假设地球是球体,华盛顿和巴黎之间的距离是6165.597km 2.3 高精度公式 假设地球是椭球,a是长轴,f是扁率,公式如下: hageodist-function(L1,phi1,L2,phi2){ a=6378.14 f=1/298.257 F=(phi1+phi2)/2 G=(phi1-phi2)/2 ramda-(L1-L2)/2 S=(sin(G*pi/180)^2)*(cos(ramda*pi/180)^2)+ (cos(F*pi/180)^2)*(sin(ramda*pi/180)^2) C=(cos(G*pi/180)^2)*(cos(ramda*pi/180)^2)+ (sin(F*pi/180)^2)*(sin(ramda*pi/180)^2) omega=atan(sqrt(S/C)) R=sqrt(S*C)/omega D=2*omega*a H1=(3*R-1)/(2*C) H2=(3*R+1)/(2*S) res=D*(1+f*H1*(sin(F*pi/180)^2)* (cos(G*pi/180)^2)- f*H2*(cos(F*pi/180)^2)* (sin(G*pi/180)^2)) return(round(res,3)) } hageodist(L1,phi1,L2,phi2) ## 6181.628 因此,华盛顿和巴黎之间的距离是6181.628km。高精度和低精度公式的结果相差16km。 2.4 注意事项 Meeus这本书中,东经为负,西经为正,公式采用国际天文学联合会IAU1976规定的相关参数,其坐标系未指定。 注意,Meeus的算法中,经度与常用的WGS84坐标系正好相反。在WGS84坐标系中,东经为正,西经为负。现在通常所说的经纬度是用GPS获得的WGS84经纬度,所以最保险的方法是以下R脚本计算: 3 推荐的R程序包和脚本 3.1 sp包 library(sp) longitude-as.numeric(c(L1,L2)) latitude-as.numeric(c(phi1,phi2)) cities-c(Paris,Washington) location-cbind(longitude=-longitude,latitude) row.names(location)-cities location-data.frame(location) coordinates(location)-~longitude+latitude proj4string(location)-CRS(+proj=longlat+datum=WGS84)#明确使用WGS84坐标系 spDists(location) ## ## 0.0006181.626 ## 6181.6260.000 3.2 geosphere包 xy-rbind(paris=c(-L1,phi1),washington=c(-L2,phi2)) library(geosphere) distm(xy) ## ## 06181632 ## 61816320 4 在地图上绘制Great Circle Distance library(maps) library(geosphere) map('world',col=grey,fill=FALSE,bg=white,lwd=0.05,interior=FALSE) points(x=-L1,y=phi1,pch=19) points(x=-L2,y=phi2,pch=19) text(x=-L1,y=phi1+5,labels=Paris,col=blue) text(x=-L2,y=phi2+5,labels=Washington,col=blue) connection-gcIntermediate(c(-L1,phi1),c(-L2,phi2), n=100,addStartEnd=TRUE,breakAtDateLine=FALSE) lines(connection,col=red,lwd=2) 5 参考 https://www.r-graph-gallery.com/how-to-draw-connecting-routes-on-map-with-r-and-great-circles/ https://www.jessesadler.com/post/great-circles-sp-sf/
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地球文明的纬度分布规律
huchangbo 2008-12-16 11:21
我在文明的文字决定论一文中简要的分析了东西方文明的发展受文字的影响及其原 因,本文则从另外一个视角,站在历史的长河中,整体的去分析一下地球文明在地理上分布 的特点及其原因。 为了分析这种规律,我们只考察在殖民时代以前至人类文明诞生的那段时间地球上运 行的主要文明。显然,地球在此期间的一定时间内同时存在着这样三处显著的文明:处在低 纬度的非洲,其基本上处在奴隶社会;处在中纬度的亚洲(中国、印度为代表),其基本处在 封建社会;处在较高纬度的欧亚,则率先进入了资本主义。如果单从社会的形态的高低级别来看 ,显然,资本主义社会要比封建社会先进,封建社会又比奴隶社会先进。这样自然可以得出 :地球上的文明程度是随着地球的维度变高而变高。当然,我所谓的规律,并不那么严格, 但如此归纳分析的确说明了这种趋势,如果这种趋势是一种必然,那么,决定这种必然的直 接原因又会是什么呢? 带着解答这个疑问,我们试着从纬度的高低对人的生理上的影响进行分析,这种影响主 要在于肤色和身高。显然,受太阳辐射强烈程度的影响,地球上人种肤色的深浅有随着维度 变高,肤色逐渐变浅的规律的。如低纬区的非洲人最黑,中纬区的亚洲人处于不黑不白的黄 色,高纬度的欧洲人及俄罗斯人都是白皮肤的。再看身高方面的影响,低纬区的非洲人比较 矮小,中纬区的亚洲人中等身高,高纬度的欧洲人及俄罗斯人大都比较高大。对于这一点, 即使在我国也有着北方人比南方人高大这样的差异。为什么维度又能影响身高呢?这显然也 是自然之道的使然,身材矮小的非洲人,由于比表面比较大,更有利于散热而更容易适宜那 里的气候条件。当然,有些人会拿美国黑人乔丹,澳大利亚的人等和我论说,我则要向他强 调的是我所讨论的是殖民时代以前的那段历史,甚至我在讨论这些规律的时候,美洲和大洋 洲都不在我的讨论之列,因为殖民时代之后,交通开始便利起来,人种的交混太频繁,没有 那种纯的因子在里面,所以不能用以归纳总结,所以,黑人乔丹的高大并不能代表非洲黑人 的身高特点,因为据说乔丹是混血儿。 事实上,除了地球上人种的肤色、身高与地球纬度有一定的关系,其年龄与纬度也有 一定的关系。据说,非洲人的平均寿命即使是在现在也没超过40岁的,而且非洲人在十几岁 的时候就发育成熟而传宗接代,继而终老其身。这不禁让人想起中国的水稻,当江西的水稻 金黄可割之时,湖北的水稻还正在稻花灌浆。看来,人和动物在一定的程度上也像植物一样 ,最近阳光的地带会早熟。 那么,为什么人类的文明会有着随着纬度变高而变高的规律呢?也许从以上所揭示的 事实中,我们可以提出这样两种解释:生物电流差异说和生化代谢差异说。为了奠 定理论的基础,使得一种逻辑成为另一种逻辑的基础,我们先约定这样的信仰:文明乃是一 个一个种族内所有人智慧的集合,而这集合中的每个人亦必然有一定的聪明度。换句话 说,如果一个群体内的每个人的个体本身就有聪明的基因,那么,由这种人组成的文明亦必 然不同凡响。对文明先进不先进的判断,最终细微的落实到考察承载这个文明的单个人的 硬件性能-聪明度,或者对整体文明进行微分,结构出文明的微元,其整体的文 明则自然是它们的逆向运算文明的积分。 下面我们就可以堂而皇之的分解我所谓的关于文明维度分布的哦两种理论解释了。先 说生物电流增强说,我们知道,在导体中,电子的导电性在低温时比在高温的时候要好 ,而且温度更低时,就成为超导体了。而我们体内都充满了生物电,而人体神经系统传递刺 激信号方面是离不开生物电的,因此,温度的降低反而增强了大脑及神经系统的生物电导 ,或者说减小了生物电阻,这又在一另一方面增大了大脑运算时的输出功率。当 然,人体内的生物电实际上更类似于离子液的导电,这种导电模式是违背欧姆规律的,用导 体的温度电阻规律似有不妥,但是钠、钾离子是在细胞反渗透膜的机制上进行的定向流通, 其宏观的整体上的看也未必不能划进导体导电的机制中去。倘若客观上真的有低温下电子的 导通阻力更低,大脑更聪明,那么人处在高纬高寒地区的人则会进化的更聪明,更能创造出 先进的文明。比如,先不说卫星导弹的出现,就现在的俄罗斯甚至还有人研究反重力、多时 空等,这不是一颗聪明的脑袋是不可能有人去对这些感兴趣并去研究它的。倘若自然界真的 有低温下使人更聪明的客观必然,那么关于自古英雄多磨难,纨绔子弟少伟男的谚语也 有一定的道理,这是因为寒门学子常常生活在饥寒交迫的环境中,我想这除了寒苦条件对他 的激励外,其寒苦的条件本身也有着使其大脑更加增效的作用。 其次我所要说的就是生化代谢差异说,顾名思义,就是把一个人从出生到死亡的 生理乃至由生理决定的心智变化视为一次比较长程的具有短周期又复合有大周期的生物化学 反应,显然,代谢周期较长的人的一生,其知识的积累将更丰富。我们知道,一个人从小学 到老,历经数载才能使知识发挥出真正的作用,知识的学习绝对是一个厚积薄发的积累过程 。这样,对于朝闻道,夕死可也的非洲人来说,当一个人刚有点人生阅历和知识便到达 人生的终点,使得个体的文明很难进行累计和再积分,或者说传承和发展,既然反应非 洲文明的微元的性能尚且如此,显然,其积分出的整体文明也难以先进起来。那么为什 么非洲人的生化代谢要快些呢,这其实很好理解,因为近赤道的非洲,温度比较高,分 子和离子的扩散速度比较大,人体内进行的各种生物化学反应都比较快,完成一次生命的进 程的周期自然就比较短。 综上分析,我们发现人类的文明分布在地球上有着随维度变高而变高的必然规律的。 但我要补充的是,这种规律只有在一定的尺度的时间和地域上才能显现,而且这种规律的显 著性会由于现今及未来的发达的通讯技术及人族的迁移及频繁流动而在大大削弱。
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