科學發現

【閱讀一】

決定細菌大小的公式

一個新方程的出爐意味著什么？在物理界，“阿基米德浮力定律”推動了潛艇的面世，“牛頓第二定律”是人類得以翱翔太空的理論基石。那么，合成生物學領域的方程呢？2020年5月，中國科學家提出了決定細菌大小的全新公式。

眾所周知，細菌是生物的主要類群之一，它會對人類的活動產生很大影響，從發酵酸奶的乳酸菌，到生產胰島素的大腸桿菌，細菌充斥于人類的生活和科學研究的方方面面。細菌的個體總體非常小，但細菌和其他生物一樣，也是有大有小的。生物學家一直想知道，究竟是什么決定了細胞的大小。

20世紀50年代，美國科學家發現細菌細胞長得越快，細胞就會越大，還突破性地用一個數學公式描述了細菌細胞生長速度和細胞大小之間的定量關系，這個公式被稱為SMK生長法則。1968年，另一位科學家認為細胞的大小決定了細胞內DNA何時開始新一輪復制，當細胞進入復制階段時，細胞大小和復制起點數的比值是恒定不變的，這被稱為恒定起始質量假說。這兩個生長法則環環相扣，就像一塊科研道路上的指路牌，統治了學術界半個世紀。

幾年前，中國科學院深圳先進技術研究院、深圳合成生物學創新研究院研究員劉陳立帶領科研團隊發現，原有的兩大法則并不準確，被奉為經典的“指路牌”可能會將相關領域的研究引向偏離的方向。

然而，要挑戰權威，就需要用數據說話。劉陳立發現，過去也有一些研究團隊曾對這兩個法則的準確性提出過質疑，但都缺乏系統且全面的實驗數據，沒有說服力。他覺得要想修正主流細胞生長法則，就必須確保實驗數據完整的覆蓋度，以及高度的可重復性。于是，他帶領團隊開始對兩大法則進行系統性的重復實驗。科研團隊改變以往選取1種或少數幾種培養基的做法，選擇了超過30種的培養基開展實驗。他們采用早晚輪班制，對細胞的生長狀態進行了實時監控，以確保每次取樣都是在細胞穩定的狀態下進行的。在低生長速率條件下，完成一次實驗需要一周時間，為了確保數據可靠，實驗還需要重復，有時甚至重復超過9次。

經過3年多的潛心研究，劉陳立科研團隊最終發現，原有的兩大法則并不準確。雖然生長速度越快，細胞越大，但兩者之間的關系并不符合SMK生長法則的預期。按照法則描述，無論細胞生長快慢，一旦達到起始質量，就應該開始新一輪的DNA復制。然而，劉陳立科研團隊卻在實驗中觀察到，細菌細胞沒有遵循假說，在不同的培養條件下，起始質量有高有低。

那么，____________________________________________________________________________________

劉陳立根據大量科研實驗數據背后的量化關系，最終推演出一個全新且適用于不同生長速率條件的“個體生長分裂方程”。這個新方程統一了不同生長速率條件下的細菌細胞周期調控機制，使得細菌個體大小、生長速率等自然現象具有了一定的可預測性。比如，一旦得知細菌生長速率和DNA復制周期，科學家便可以根據公式，準確預測出細菌的大小。

至此，中國科學家用一個全新公式揭秘了細菌細胞大小的決定因素，解答了細菌細胞大小和DNA復制周期，以及生長速度之間的關系，它可以在生物世界實現理性設計、改造形式或者創造形式，以滿足人類的不同需求。

（作者梁水源，選自《知識窗》2020年第8期）

讀有所思

1.選文第一段有什么作用？

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2.第四段畫線句子中的“可能”二字能否刪去？請說明你的理由。

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3.請在文中的橫線上填寫一句恰當的話領起下文內容。

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4.與SMK生長法則和恒定起始質量假說兩大法則相比，劉陳立團隊的“個體生長分裂方程”有哪些進步性？

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【閱讀二】

海洋有個聚寶盆，名叫海藻林

最近，美國國家地理學會研究團隊到位于南美洲最南端的阿根廷火地群島海域考察，發現該片水底海藻林生態系統相隔半世紀幾乎沒有變化，這一發現引起了世界海洋生物學家的廣泛關注。

（1）何謂海藻林？海藻林就是由海帶目等多種大型褐藻類構成的海底森林。世界上大部分海藻林生長在有季節性變化的海域，它們主要分布于北美洲西海岸、南美洲沿海、南極洲島嶼海岸、南非海岸、澳大利亞海岸、新西蘭海岸等地。

世界上最大的海藻林面積可達8000多平方千米，這片“森林”位于北美太平洋海域。在涌升流豐富營養鹽的滋潤下，海藻林中的巨藻可長到60米以上，葉片基部的氣囊使海藻能向海面上延伸，形成巨大的海底森林景觀。

海藻林像陸地上的森林一樣，可分為幾層：上層被稱為冠層，指海藻林最頂端的部分，最大的海藻物種可以從冠層向下延伸至30米甚至更深的海底;第二層是中間層，在巨大的海藻葉片中游來游去的有巖魚、沙丁魚和其他魚類;第三層是最底層，附著在海床和巖石的海藻假根處生活著海蟹、章魚、海膽及鮑魚等。海藻林有“海洋瑰寶”之稱，它不但能凈化海水，有利于維護生態穩定性，還能為魚類提供氧氣、食物和生存空間，被認為是地球上最豐富多彩、最具活力的生態系統之一，為數以百計的生物們（包括軟體動物、甲殼動物、棘皮動物、魚類及海洋哺乳動物等）提供了安全的庇護所，同時也為人類提供了產量豐富的漁場。

在海藻林生態系統中，海洋生物間彼此制衡，相互依賴，互相利用，形成了一個完整的生態食物鏈。比如海藻通過光合作用釋放出大量的氧氣，供給貝類，而貝類排放的二氧化碳會被藻類吸收，它的排泄物會被海參、海蝸牛等生物食用;海水中過剩的氮磷等有機物被藻類吸收，繁茂的藻類又為鮑魚、龍蝦等生物的生長提供了豐富的餌料。由于海藻林處于避開湍急洋流的天然緩沖地帶，擁有豐富的生物種類，所以這里還是海豹、海獅、海獺等哺乳動物，以及各種海鳥經常覓食的場所。除了為廣大海洋生物營造安居的樂土，海藻在生長發育中還能將無機鹽轉化為有機物，起到凈化海水的作用。

多年來，由于氣候變化及人類捕撈活動，致使海藻林受到破壞。據澳大利亞聯邦科學與工業研究組織稱，澳大利亞塔斯馬尼亞東海岸曾經是巨藻的天堂，那里依附著13億年前就誕生的龐大深海巨藻群，（2）但是隨著氣候的變化，冬季最低水溫在20年里上升了20%，導致巨藻林覆蓋面積萎縮了95%以上。除了氣候變暖之外，還有大量的殺蟲劑、除草劑及其他化肥流入海洋，造成了海洋污染，導致巨藻林迅速消失。

然而，正當澳大利亞塔斯馬尼亞東海岸等地區的海藻林遭到嚴重破壞時，1973年，有一支科研團隊到阿根廷火地群島海域的海藻林進行考察，發現這片凈土沒有受到污染和侵擾。半個世紀過后，此地的海藻林一直保存完好，猶如海洋中的時間囊。這片海藻林為什么能保持完好無損呢？

原來，阿根廷政府十分重視對海洋環境的保護，特別是對海藻林和海洋生物的保護。2013年前，該國受到保護的海洋只有納姆庫拉-博爾伍德海灘Ⅰ號保護區，海洋受到保護的面積還不到其領海面積的3%。2018年12月，該國參議院通過一項法案，設立了納姆庫拉-博爾伍德海灘二號保護區和亞加內斯保護區這兩個新保護區，保護區的面積增長到了占其領海面積的9.5%，從而使受保護的海洋面積增加了兩倍。正因為有了如此強有力的海洋保育措施，阿根廷火地群島海域的海藻林才會保持得這么完好無損。

海藻林是海洋的聚寶盆，要讓它不受污染、侵擾和破壞，絕非易事，但要把它保護好也并非難事。阿根廷是海洋環境、海洋生物保育的模范，只要我們能夠像他們那樣，那么，充滿生機與活力的海洋環境和海洋生物必定會呈現在世人面前。

（作者黃增強，選自《文萃報·周二版》2020年第40期。有改動）

讀有所思

1.文中兩處畫橫線的句子分別運用了什么說明方法？有何作用？

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2.本文是從哪些方面對海藻林進行說明的？

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3.概括破壞海藻林的因素。

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4.海藻林是海洋的聚寶盆，作者說“要把它保護好也并非難事”，請你結合實際提出一條保護海藻林的合理建議。

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