幾何形態(tài)學(xué)：關(guān)于形態(tài)定量比較的科學(xué)計算工具

白明，楊星科，李靜，等

摘要：形態(tài)比較是人類認(rèn)識世界的重要方法。該方法起源非常早，目前仍然在潛移默化地影響著人類日常生活以及科學(xué)研究的各個方面。長期以來，定性比較方法因其簡單易用而應(yīng)用得非常廣泛。然而定性的形態(tài)比較具有很多局限性，遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前需求。因此，形態(tài)定量比較方法勢在必行?？茖W(xué)計算是20世紀(jì)重要科學(xué)技術(shù)進步之一，幾何形態(tài)學(xué)是一門基于圖論的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支，能夠定量地分析和比較形態(tài)差異。該學(xué)科自上世紀(jì)八十年代起源至今，得到了迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也從最早的生物學(xué)領(lǐng)域拓展到眾多需要形態(tài)定量比較的領(lǐng)域。然而大多數(shù)國內(nèi)學(xué)者，尤其是非生物學(xué)領(lǐng)域的專家對幾何形態(tài)學(xué)的主要原理、流程、應(yīng)用范圍還沒有系統(tǒng)的認(rèn)識。生物的形態(tài)（form）主要由大?。╯ize）、形狀（shape）、方位（orientation）和物理性能（physical property）4個元素構(gòu)成，而幾何形態(tài)學(xué)能夠去除掉大小、方位和物理性能等因素的影響，獲得純粹的形態(tài)差異結(jié)果。對于非生物學(xué)領(lǐng)域而言，也是同樣道理，只要是形態(tài)比較的問題，均可通過一定方式利用該方法分析形態(tài)差異。幾何形態(tài)學(xué)最核心的理論是先根據(jù)一定的原則選取標(biāo)點或曲線（輪廓線），并利用這些標(biāo)點或曲線代表形態(tài)結(jié)構(gòu)的信息（此時剔除掉物理性能因素的干擾）；之后通過疊印步驟對原始標(biāo)點進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化（此時剔除掉大小和方位因素），使所有樣本投射到相同的形態(tài)空間中，從而具有可比性；最后就是對這些數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析，如方差分析、判別分析、核平滑分析等常規(guī)分析，而在形態(tài)變異的可視化上也引入了扭曲能（bending energy）、傅里葉諧波（Fourier harmonic）、數(shù)字高程模型（digital elevation model）、靜態(tài)應(yīng)力（static stress）等理論，實現(xiàn)了與數(shù)學(xué)、物理、地理、力學(xué)等學(xué)科的交叉與融合。本文先對幾何形態(tài)學(xué)的簡史、原理及在生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的流程進行了簡述，接著對其在非生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的幾個典型案例進行解析，之后對還未應(yīng)用幾何形態(tài)學(xué)但具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域進行概述，并且提出如何將相關(guān)問題圖形化并確保代表性、可比性以及標(biāo)準(zhǔn)化處理，是幾何形態(tài)學(xué)在非生物領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵所在。最后，對幾何形態(tài)學(xué)的未來與前景進行了展望，特別指出其在生物學(xué)領(lǐng)域?qū)⑾蛞?guī)?；驼匣瘍蓚€方向發(fā)展，而應(yīng)用于其他學(xué)科領(lǐng)域時，具有一定的普適性和先進性。最終希望為我國科研工作者在形態(tài)定量比較需求方面提供一些借鑒。與此同時，幾何形態(tài)學(xué)還處于不斷的發(fā)展過程中，尤其通過學(xué)科交叉，幾何形態(tài)學(xué)也會得到內(nèi)涵和外延的豐富與發(fā)展。

來源出版物：科學(xué)通報, 2014, 59(10): 887-894

入選年份：2016

中國地表水環(huán)境中藥物和個人護理品的研究進展

王丹，隋倩，趙文濤，等

摘要：目的：隨著環(huán)境痕量物質(zhì)分析檢測技術(shù)的提高和人們環(huán)境意識的增強，新興環(huán)境微量有機污染物藥物和個人護理品（PPCPs）引起了學(xué)術(shù)界和公眾的廣泛關(guān)注。盡管PPCPs在地表水環(huán)境中濃度僅為ng/L～μg/L量級，但仍對水生生物等具有生態(tài)風(fēng)險。與西方國家起步早、報道多相比，中國地表水環(huán)境中PPCPs的研究起步較晚，報道有限，有待進一步深入。鑒于此，本文對中國地表水環(huán)境中PPCPs現(xiàn)有研究進行了綜合分析，分別從存在特征、地理分布、主要來源和遷移轉(zhuǎn)化4方面對現(xiàn)有研究進展加以總結(jié)，討論了現(xiàn)有研究存在的問題，并對今后的研究進行了展望。方法：對截止至2012年初發(fā)表的有關(guān)中國地表水環(huán)境中藥物和個人護理品的研究論文進行總結(jié)和歸納。結(jié)果：（1）已有158種PPCPs在我國河流及湖泊等天然水環(huán)境中被調(diào)查研究，其中報道次數(shù)最多的前10種PPCPs均為抗生素。抗生素類PPCPs在已有報道中檢出頻率較高，而相比而言，非抗生素類PPCPs檢出頻率較低。（2）已有對我國地表水中PPCPs的研究在地理分布上非常不均，總體上呈現(xiàn)出東部地區(qū)多于西部地區(qū)，南方地區(qū)多于北方地區(qū)的情況。在我國七大水系中，僅珠江流域PPCPs的存在狀況研究較為充分，而以松花江和淮河流域為代表的其他水系中PPCPs的研究報道較為缺乏。（3）同一種PPCP在不同河流中的濃度存在較大差異，可能與PPCPs在不同地區(qū)的使用量存在差異有關(guān)。（4）水環(huán)境中PPCPs的來源包括生活污水、醫(yī)企或工業(yè)廢水的排放；農(nóng)業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的直接排放或土壤滲濾；含PPCPs固體廢棄物在垃圾填埋場的滲濾液等，而對我國來說，PPCPs的主要排放源是什么尚存在一定的爭議。（5）進入地表水環(huán)境后，PPCPs會在水環(huán)境中的水、懸浮物、沉積物和生物等介質(zhì)中發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化、分配和降解。而目前相關(guān)研究主要集中于 PPCPs在水與懸浮物和沉積物的分配方面。結(jié)論與展望：（1）中國地表水環(huán)境中PPCPs的調(diào)查研究目前主要針對抗生素類PPCPs展開，它們的總體濃度水平與檢出頻率均較高，應(yīng)繼續(xù)加以關(guān)注。而對其它類別PPCPs的研究較為缺乏，今后應(yīng)建立更多類別或優(yōu)化目前的PPCPs檢測分析技術(shù)，以便加強其它類別PPCPs的相關(guān)調(diào)查研究。（2）從地域上看，僅針對珠江流域開展了較為廣泛的研究，而其他區(qū)域地表水環(huán)境中PPCPs的研究還不多，應(yīng)根據(jù)各地區(qū)用藥習(xí)慣和疾病發(fā)生等實際情況，預(yù)測可能的主要PPCPs，同時開展重點流域和湖泊的監(jiān)測，以獲得更多具有區(qū)域代表性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（3）現(xiàn)有天然水環(huán)境中PPCPs的遷移轉(zhuǎn)化等環(huán)境行為方面的研究還十分缺乏，一方面需通過對實際水環(huán)境開展不同條件的監(jiān)測，分析自然水環(huán)境中PPCPs的遷移轉(zhuǎn)化行為；另一方面，可以在實驗室條件下開展模擬實驗，弄清水環(huán)境中PPCPs的變化與歸趨，為進一步的生態(tài)風(fēng)險分析與評價提供參考和依據(jù)。

來源出版物：科學(xué)通報, 2014, 59(9): 743-751

入選年份：2016