What?太空里也需要“防腐”?!

作者:宋影伟(中国科学院金属研究所)、韩恩厚(中国科学院金属研究所/中国科学院沈阳分院)

编者按:

每年的4月24日,是世界腐蚀日(Corrosion Awareness Day),生活中,我们总听到某某金属材料生锈,这就是最常见的腐蚀现象。其实,腐蚀无处不在,对于材料来说,它就像“癌症”一样顽固而且危害巨大。那么,除了生锈,还有哪些腐蚀现象?关于腐蚀,材料学家们又如何攻克它?我们先从太空中的腐蚀说起。

 

浩瀚的宇宙中存在着无数的奥秘,它无时无刻不在吸引着人类去探索、发现。为了揭开其神秘面纱,世界各国相继借助于各种航天器访问太空,并建立了可供多名宇航员长期工作和生活的空间站。广袤无垠的宇宙是不是最理想的世外桃源呢?很遗憾,太空的真实环境非常不友好!

复杂的太空环境不但对航天器的光机电系统带来了严峻的考验,而且对航天器的“外衣”也提出了严酷的要求。有人可能认为,太空既然是高真空环境、没有水存在,航天器应该不会像地球上那样发生腐蚀吧。然而,事实并非如此。

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浩瀚的太空及太空中飞行的航天器

不容忽视的太空腐蚀

让我们先来看两个例子。

和平号空间站是前苏联建筑的一个轨道空间站(苏联解体后归了俄罗斯),它是人类首个可长期居住的空间研究中心,在长达15年的在轨时间里,和平号共发生近2000处故障,70%的外体遭到腐蚀,俄罗斯政府无力承担巨额的维修费用,在2001年3月20日不得不将其坠毁。

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美国的哥伦比亚号航天飞机,2003年在执行完任务返回地面途中不幸失事,机组成员全部失踪

还有美国著名的哥伦比亚号航天飞机的例子,美国哥伦比亚号和空间运输系统-107机组人员于2003年2月1日折返途中丢失,尽管哥伦比亚号事故调查部(CAIB)排除了是航天器腐蚀造成事故的可能,但却提出了要求采取长期的腐蚀检测措施的议案。可见,航天领域的腐蚀不容忽视。

人类探索太空的脚步越来越快,越来越多涉足太阳系的其他星球,在这些星球航天器是否也会发生腐蚀呢?据介绍,科学家在火星大气上部被称为中间层的区域探测到了原子氧,另外,还发现金星表面温度高达400多度,其云层由有毒的腐蚀性较强的硫化物组成等等。由此可见,太阳系其他星球的环境对航天器也是不友好的,这些因素都会加速航天器材料的腐蚀。

那么,太空中究竟有哪些环境因素会对航天器造成腐蚀呢?

太空环境中的腐蚀因素

太空不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射,还有各种天体也在向外辐射电磁波,甚至许多天体还向外辐射高能粒子,形成宇宙射线。众所周知,宇航员出仓行走都要穿着厚厚的宇航服,主要就是为了避免强辐射太空环境带来的对人体的危害,其实,强辐射环境对航天器的伤害亦十分严重。

其中,短波太阳辐射会导致氧分子分解,产生高活性原子氧,原子氧具有极强的氧化性,可与空间飞行器的表面材料反应,尤其是当原子氧遇到聚合物材料,发生的反应更剧烈。原子氧所形成的高热能离子流足以使航天器材料中的许多化学键破裂,导致材料发生性能变化,例如使卫星、空间站等在轨航天器的保护层逐渐氧化变薄失效。即使是金属材料,在原子氧的作用下也会发生明显的腐蚀氧化。NASA(美国国家航空航天局)等科研机构所开展的飞行实验、长期暴露实验和有限期选择性暴露实验都进一步证实了这一点,我国的实验室也有相关实验数据支撑。

太阳紫外线辐射是导致材料失效的另一重要因素。紫外线虽然仅占太阳光的5%左右,但是能量却很大。在太空中,由于缺少大气层对紫外线的阻挡,航天器会完全暴露在极强的紫外线辐射之下。高分子聚合物制品吸收紫外线后,能引发聚合物自我氧化、降解,破坏聚合物的化学键,使其断裂、交联,进而导致高分子聚合物制品颜色等外观发生改变和物理力学性能发生恶变、使用寿命缩短。

此外,太空中极端的温度环境也会加速航天器材料的失效。航天器在太空中飞行,处于真空的环境下,由于没有空气传热和散热,故其受阳光直接照射的一面可产生高达100℃以上的高温,而太阳照射不到的另一面,温度则可低于-200℃。极端温度和大幅度冷热交变会影响材料中的应力,尤其在高温环境中进一步加速导致材料失效的化学反应进程,降低材料的安全服役寿命。

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太空垃圾包围下的地球

另外,大量存在的太空垃圾也严重影响材料的安全使用性能。太空垃圾又称空间碎片,是围绕地球轨道的无用人造物体,小到人造卫星碎片、漆片、粉尘,大到整个飞船残骸都属于太空垃圾。全世界各国共执行了超过4000次的发射任务,产生了大量的太空垃圾。太空垃圾以宇宙速度运行,极小的太空垃圾数量较多,一旦撞击到航空器表面,能严重改变材料的表面性能;稍大的太空垃圾会损坏航天器表面材料,形成撞击坑,这些撞击会使航天器表面材料汽化为等离子体云团,加速材料的失效进程。

太空防腐:为航天器穿上保护衣

通过上面的介绍,我们可以看到,如果航天器在如此复杂的太空环境中长期运行,腐蚀就是无法避免的。

为了确保航天器的安全运行,世界各国材料方面的科学家对减少航天器材料腐蚀这一课题进行了积极的研究和探索。

研究表明:控制航天器在太空中发生腐蚀的主要方法包括:选择和发展耐热、耐极低温、耐热震、抗疲劳、抗腐蚀的高性能材料;采用涂层和涂料技术。对于航天器外部腐蚀控制,最重要的技术是防护涂层,如电镀、化学镀、真空离子镀、阳极氧化、化学气相沉积、涂料等。通过表面处理技术形成新的表面,可有效提高结构的耐高温、隔热、抗腐蚀、抗氧化等性能。

我国的众多航天型号神舟、天宫、嫦娥等等也都需要解决腐蚀防护问题,包括地面存放时不发生腐蚀,太空使用环境中要能抵抗太空原子氧腐蚀,同时要满足电磁屏蔽、冷热循环等综合性能要求。为了实现减重,航天器使用大量轻合金,镁合金是减重常用材料,但其腐蚀问题成为关键技术难题。

中国科学院金属研究所这方面做了很多工作,科研团队自主研发的镁合金化学镀技术在满足了若干航天器的使用要求,下图是在嫦娥三号上使用的采用化学镀技术处理后的镁质航天器部件。

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嫦娥三号探测器及化学镀后的嫦娥三号用镁质航天器部件

此外,针对不同使用条件下部件对耐腐蚀性的不同要求,金属所科研人员研究的镁合金自封孔型微弧氧化技术耐蚀性比传统技术提高4~5倍,可同时满足地面储存耐腐蚀、使用时高低温、强辐射等综合性能要求,已在长征系列运载火箭的镁质贯组支架上使用。这些航天器的成功发射也证明了以上防护涂层技术的安全可靠性和先进性。

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微弧氧化防护后的长征火箭用镁质贯组支架

太空中针对航天器的破坏无时无刻不在,这是没有硝烟的战场。让我们行动起来,利用自己的聪明才智,在人类探索宇宙的过程中留下一串深深的足迹……

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太空快递谁来送?世界货运飞船大盘点

作者:李会超(中国科学院国家空间科学中心)

飞出地球、走向太空是长久以来人类共同的梦想,而空间站的出现让航天员在太空中有了一个可以长期停留的家。

但是,空间站这个“太空大房子”的正常运转,需要方方面面的补给,比如:宇航员要想在其中长期生活和工作,需要水、食品、氧气等生活必需品的不断供给,需要用到各种实验设备;空间站本身的正常工作,需要定期获得各类设备备件,补充燃料和气体;空间站中产生的各类废物,不能直接抛弃在太空中,需要运出空间站销毁……

而为太空大房子吐故纳新的,就是我们今天要讲的主角——货运飞船。

那么,人类历史上,已经发射或即将发射哪些货运飞船,去往太空“送快递”呢?

“快递小哥”一:“进步”号

人类空间站技术的先驱是苏联的“礼炮”(Salyut)系列空间站。

在礼炮空间站设计初期,苏联设计师们就意识到了为太空中长期执行任务的宇航员提供补给的重要性。

上世界70年代中期研制礼炮-6号空间站时,补给问题愈发显现,设计师们决定以载人的联盟飞船为基础,设计出一种只运载货物、不搭载宇航员的货运飞船,并将其命名为“进步”号。

进步号

进步号飞船

进步号采用了与联盟号相同的三舱式结构,而不同的是,联盟号中供宇航员使用的轨道舱和返回舱被改为存储不同货物的舱段。

最前部的、处在联盟号飞船轨道舱位置的货物舱,用来存储各类货物。当进步号与空间站对接后,空间站的宇航员会穿过对接舱口进入货物舱,将送来的“快递包裹”们搬出。之后,再将空间站需要抛弃的废物转移到货物舱中。在飞船返回大气层的过程中,这些废物将随飞船一同烧毁。

位于飞船中部、联盟号返回舱位置的,是进步号的补加舱,这里贮存着给空间站补充的燃料、氧化剂和水,而进步号的货物舱和补加舱一次总共可以运输约2.3~2.5吨货物。当进步号与空间站对接后,以补加舱里存贮的液体通过对接环上的液体连接器转移到空间站自身的推进系统中。

对接进步号

与国际空间站对接的进步号飞船

1978年1月20日,第一艘进步号飞船发射升空,与礼炮-6号空间站成功对接,此后至今的近40年间,进步号经过了多次改进,产生了进步M、进步M1、进步M2等改进型号。

目前,进步号飞船是国际空间站补给工作的主力军。

值得一提的是,由于空间站工作的轨道上仍然有稀薄的大气,空间站会在大气阻力的作用下逐渐降低轨道高度。如果放任这个过程继续,空间站就会坠落到地面上(这种悲剧在历史上真的发生过,参见《美国天空实验室坠落内幕》) 。

进步号的推进舱除了给飞船自身的飞行提供动力外,还可以在对接后利用自身推力提高空间站的轨道高度,补偿因为大气阻力而造成的轨道下降。

进步号由“卖家”俄罗斯航天局从哈萨克斯坦拜科努尔航天基地“发货”后,乘坐联盟火箭来到太空之中,一般在两天左右的时间之后才能到达“买家”国际空间站手中。

2012年8月,在卖家优化了物流服务、采用了新的交会对接方案后,买家只需6个小时就可以收货了。

不过,地面上阴晴雨雪等不便送货的天气会使快递包裹的配送延误,如果空间站碰到需要躲避太空垃圾的情况,或者进步飞船本身出现问题,太空物流的时效也会受到影响,这时候,进步号就仍会退回到两天的时效水平。

发射进步号

发射进步-M飞船的联盟-U火箭正在起竖

“快递小哥”二:龙飞船

受益于航天飞机强大的运载能力,美国在国际空间站运行初期并没有开发专用的货运飞船。

在航天飞机退役后,美国的宇航员不得不购买俄罗斯联盟号飞船八千万美元一张的船票去往空间站,而货物运输的任务,则由商业轨道运输项目支持下开发出的两种货运飞船来执行。

龙飞船

龙飞船

龙(Dragon)飞船来自于埃隆·马斯克领导的Space X公司,它既能无人飞行搭载货物,又可以在未来增加载人飞行的功能。

龙飞船由两个舱段组成,位于飞船前方的锥形加压舱用来运输一般的补给品。

位于飞船尾部的非加压舱,用来运输安装在空间站外部、不需要运进空间站加压环境内的货物。

例如,在龙飞船第二次前往国际空间站执行任务时,为国际空间站的辐射散热系统送去了一些新备件,这些备件由宇航员在太空行走时直接安装在空间站的相关部分上。

飞着的龙飞船

被国际空间站机械臂捕获的龙飞船

和进步号相比,龙飞船有一项独门绝技,就是能通过加压舱运载比较多的货物返回地球。

长期进行各类空间科学实验是空间站的重要功能,实验中获得的样品一般要运回地面的实验室中进行分析。

而前面提到的进步号飞船,其早期型号只能将空间站的垃圾在大气层中销毁,不能让有用的货物回到地面。

后期型号虽然通过附加“彩虹号”返回舱获得了150kg的下行运载能力,但相比空间站的需求来说仍然非常不足。这时候,龙飞船的可贵之处就充分体现出来了。

龙飞船压舱

返回地面后被回收的龙飞船加压舱

龙飞船的加压舱,可以一次携带3吨左右的货物返回地面,是目前货运飞船中下行运载能力最强的。

秉承Space X一贯的可重用设计理念,返回地球的加压舱也能够被多次重复利用。

未来,龙飞船的载人型号出现后,宇航员们生活的舱段将由加压舱改造而成,一次飞行可以搭载7名宇航员,而从空间站搬走垃圾销毁的任务,则由非加压舱来完成。

国际空间站其他送货的“快递小哥”

除了这两种飞船之外,参与国际空间站计划的国家还设计了其他几种货运飞船。

它们之中,有美国的“天鹅座”飞船、欧空局的ATV飞船和日本的HTV飞船,日本还计划以HTV飞船为基础发展本国的载人航天计划。

天鹅座

天鹅座飞船

atv飞船

ATV飞船

htv飞船

HTV飞船

来自中国的“快递小哥”:天舟一号

随着天宫二号空间实验室的成功入轨,被国际空间站计划拒之门外的中国将在2020年开始独立建设自己的空间站。

作为空间站运行的必要助手,我国的第一艘货运飞船——天舟一号,计划于近日发射。

它是一艘全密封的货运飞船,由货物舱和推进舱两个舱段组成,拥有与天宫二号空间实验室交会对接、推进剂在轨补加、开展空间科学实验和技术试验等功能。

根据报道,它的上行货物运载能力有6.5吨,还能为空间站补加2吨燃料,运输能力居于国际前列。

去年下半年,天宫二号的发射成功以及所搭载的一系列科学实(试)验的有序开展、与神舟十一号的顺利交会对接,标志着我国全面进入空间实验室和空间站任务实施阶段。

而为了未来实现宇航员在空间实验室的长期驻留和各项空间科学实(试)验的实施,货物补给就显得尤为重要。

本次天舟一号上天的重要任务,就是与天宫二号进行三次交会对接,并在期间完成推进剂的在轨补加。

首先,在天舟一号发射进入轨道之后,它将与天宫二号进行首次对接,对接之后,天舟一号和天宫二号的组合体将进行两个月的在轨飞行。

这两个月期间,在完成状态检查后,天舟一号就会进行推进剂的补加试验,与此同时,还会测试货运飞船对组合体的控制能力。

紧接着,在这一阶段任务完成之后,天舟一号会撤离天宫二号,绕飞到另一侧与天宫二号进行第二次对接,然后二次分离,两个飞行器独立飞行三个月。

这三个月里,天舟一号主要完成搭载的空间科学实(试)验,本次天舟一号共搭载了包括非牛顿引力实验验证、主动隔振关键技术验证、两相系统实验平台关键技术验证以及多项微重力对细胞增殖和分化影响等十余项科学实(试)验。

最后,在这三个月的末期,天舟一号还要与天宫二号进行第三次也是本次天舟任务的最后一次的对接,验证自主快速交会对接技术,这个要求两个航天器在6个小时左右完成对接。

这是一个比较新的试验项目,突破以后,包括载人飞船和货运飞船都可以使用这个技术进行快速对接。

这一系列任务顺利完成后,我国的载人空间站计划就又大大向前迈进了一步,不知道将来空间站上的中国航天员收到天舟一号送来的太空快递时,是否会体验到咱们剁手党收快递时的愉快心情呢。

天舟厂房

厂房内的天舟一号

科普中国

本文由科普中国融合创作出品,中国科学院国家空间科学中心李会超、科学大院共同制作,中国科学院计算机网络信息中心监制,“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌

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天舟一号揭秘|到太空培育胚胎干细胞,与地面有何不同?

我国首艘货运飞船天舟一号将于4月20日至24日择机发射,并将与天宫二号对接。

除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加,天舟一号还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。

中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位,代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广,具体承担工程研制的组织管理,系统设计、集成、测试,可靠性保障,在轨技术支持,有效载荷运控管理,数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。

在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持!

天舟 中国载人航天工程

已经进入良好运转状态的天宫二号,是我国打造的第一个空间实验室,而天舟一号虽然是货运飞船,但仍然搭载了不少科学实验。

其中一项,就是中国科学院动物研究所段恩奎团队负责的“微重力环境下胚胎干细胞培养实验”

干细胞生物学是21世纪瞩目的研究领域之一,是组织工程和再生医学研究的上游学科。

干细胞的重要功能是维持和控制细胞的再生能力,它具有自我更新复制能力和多分化潜能,它可分化为多种组织细胞类型。

空间微重力效应是否影响干细胞增殖和分化?能否利用空间微重力独特的条件开展干细胞大规模扩增和组织工程构建?这些都是目前空间生物学研究的前沿和热点问题。

微重力环境下胚胎干细胞培养实验

本次天舟一号搭载的微重力环境下胚胎细胞培养实验是利用货运飞船搭载Oct4-GFP小鼠胚胎干细胞、Oct4-GFP小鼠拟胚体、Brachyury-GFP小鼠拟胚体,通过普通光和荧光显微成像技术观察干细胞在太空中增殖和分化过程,并通过细胞绿色荧光信号强度变化以及明场下ES、EB细胞的形态变化特征,判断小鼠胚胎干细胞在太空微重力下多潜能基因的维持(自我更新)和细胞的分化情况

同时,地面将开展平行实验,通过天地比对实验,初步了解空间微重力环境影响干细胞增殖、分化的情况和作用机理。

微重力

那么,空间干细胞实验在国际上是个什么样的情况呢?

近几年美国宇航局(NASA)一直将空间干细胞培养作为重点研究课题。

2015年NASA研究人员就首次报道了在STS-131飞行任务中进行的空间干细胞生长和组织再生方面的成果。

NASA的研究结果表明,太空微重力环境影响了小鼠拟胚体(EB)在太空的分化能力,抑制了谱系分化基因的表达,但有意思的是,这些未分化的EB在地面条件下培养能够进一步分化。

最近,美国斯坦福大学细胞生物学家Arum Sharma在世界干细胞峰会上汇报了一项在国际空间站(ISS)上开展的干细胞向心肌分化的实验。

干细胞

微生物学家、宇航员Kate Rubins在国际空间站测试干细胞。图片来源:NASA

研究人员将干细胞送上ISS停留了1个月,平行的对照实验则留在地球上培养。

初步的结果显示,分化的心肌细胞在太空飞行时呈现出略微不规律的节律,但返回地面后恢复了正常的跳动节律。

此外,加州大学洛马林达大学移植免疫学家Mary Kearns Jonker利用一个定位器装置进行微重力模拟实验,通过将心脏祖细胞加载到该装置通过不断旋转来使细胞减少重力。

该研究小组已经发现,新生儿的心脏祖细胞似乎在这些微重力条件下能更好增殖且表现出分化迹象——回到更原始的非专门化状态,而成年人的心脏祖细胞并没有出现这些现象。事实上,研究小组发现,微重力可以激活某些遗传途径,从而在受损组织再生时开始运作。

地基实验——模拟微重力效应

微重力环境下胚胎干细胞培养实验的前期,中科院动物所的科学家们进行了1G和模拟微重力效应下小鼠胚胎干细胞增殖、分化特性研究。

他们发现,在模拟微重力效应条件(RCCS)下,小鼠胚胎干细胞分化能力增强,并且更容易向内胚层和中胚层分化,并且已发现引起这种变化的关键基因和分子信号通路。

但模拟微重力效应并不是真实的微重力条件,只有太空才能提供真实的微重力环境,所以科学家们打算利用天舟一号货运飞船的空间实验机会,探讨太空微重力环境下小鼠胚胎干细胞的增殖、分化特征。同时与1G和模拟微重力效应条件下的同步实验结果比对,全面了解微重力对胚胎干细胞增殖、分化的影响,探讨(微)重力在胚胎干细胞增殖、分化过程中的作用及其机制。

首用新技术 预期未来成果

本次实验我国科学家采用的是国际上热门的细胞研究材料——胚胎干细胞开展太空实验培养研究,并且首次采用目前地面上先进的活细胞荧光示踪技术。

什么是活细胞荧光示踪技术呢?简单来说就是将特定基因启动子标记荧光蛋白通过连续地太空实时荧光显微,观察目的基因荧光的表达情况,来确定目的基因的表达状态。

最后,结合明场细胞的形态和克隆大小进一步判断细胞的生长状态,从而初步判断太空环境对干细胞增殖、分化以及对特定基因表达影响的作用。

通过实验的实施,能够让科学家初步了解太空微重力对胚胎干细胞增殖、分化影响的作用情况。这将为更好地实现胚胎干细胞的体外大量扩增,更好地利用多能干细胞分化潜能提供一种新思路,为多能干细胞在组织工程和再生医学中的应用探索一种新途径,为未来利用多能干细胞服务于人类健康提供帮助。

同时,根据预期,科学家将获得太空中小鼠胚胎干细胞增殖及自我更新的实时摄影图片,并根据在太空中开展的小鼠拟胚体体外分化实验,实时获得在轨培养拟胚体分化情况。

团队协作研究国际前沿内容

这次的实验研究为今后进一步开展太空细胞生物学实验提供了新的技术方法和思路。

实验所用到的技术和方法体现目前干细胞生物学较先进的水平,研究内容在国际空间生命科学领域也具有前沿性。

而该实验团队成员均为具有十年以上的空间生命科学研究经历,并先后利用了我国实践八号、实践十号返回式科学实验卫星成功开展了空间生命科学实验。

值得一提的是,近期中国科学院动物所段恩奎研究员带领的团队利用我国实践十号微重力科学卫星开展了太空环境下哺乳动物早期胚胎发育研究。

研究不仅获得了太空中小鼠早期胚胎发育的实时显微摄影图片,还首次观察到哺乳动物2-细胞胚胎在太空微重力条件下能够分裂并且发育到囊胚阶段。

该研究已经取得了阶段性的成果,在世界范围内,首次完成太空环境下哺乳动物植入前胚胎发育的研究。

该研究在轨的部分成果也得到了国内外主流媒体的广泛报道。

科普中国

本文由科普中国融合创作出品,中国科学院空间应用工程与技术中心、中国科学院动物研究所段恩奎团队、中国科普博览共同制作,中国科学院计算机网络信息中心监制,“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌

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(中国科学院空间应用工程与技术中心供稿,转载请联系cas@cnic.cn)二维码

动脉粥样硬化,究竟有多可怕?

作者:陆剑虹(中国科学院上海生命科学研究院)尹慧勇(中国科学院上海生命科学研究院)

动脉粥样硬化

随着生活水平的提高,“富贵病”逐渐走入我们的视线。

人们常说的“富贵病”是指以糖脂代谢紊乱为基础的代谢疾病,今天我们要关注的是其中一种——动脉粥样硬化

我们常说的动脉粥样硬化,其实是属于动脉硬化的一种,这种心血管系统中常见的“富贵病”通常以中、老年患者居多,但由于生活水平的提高,如今在一些青、壮年中也会出现。

动脉粥样硬化究竟是什么
其实,动脉粥样硬化是一种由脂质、胆固醇、钙和其他物质组成的斑块在血管内形成而引起的慢性炎症疾病。动脉粥样硬化逐渐图

动脉粥样硬化逐渐形成的过程

动脉粥样硬化的发展是一个很漫长的过程,可以主要分为以下几个阶段:1)早期内膜增生和脂纹形成;2)纤维化斑块;3)不稳定斑块;4)斑块破裂产生血栓,从而阻塞血管,影响供血。

由于前期的动脉粥样硬化一般不表现出临床症状,容易被忽视,但当产生的凝块严重阻塞或者完全阻塞血管时,就会诱发严重的心血管疾病,包括冠状动脉疾病,颈动脉疾病以及外周血管疾病。
动脉粥样硬化了会怎样?
我们知道,动脉遍布人体各处,所以人体不同部位的动脉都会有发病的可能。当然,这其中也有重点部位,即更容易发生严重的动脉粥样硬化的地方,比如:主动脉、冠状动脉、颈动脉、脑动脉、肾动脉等。那么,动脉粥样硬化了会带来哪些可能危害?

可能一:动脉瘤
由于粥样斑块破坏了正常的血管壁,导致血管壁承受压力改变,被压迫的一边血管壁变薄,血管同时也因为拥堵鼓起一个包,好像随时都会炸开一样,很有可能形成动脉瘤。左:正常腹主动脉;右:膨胀瘤状腹主动脉(图片来源:羊城晚报)

左:正常腹主动脉;右:膨胀瘤状腹主动脉(图片来源:羊城晚报)

动脉瘤是由于动脉管壁薄弱而发生的一种永久性肿胀疾病,在任何部位都有可能形成。

不过,发生动脉瘤最常见并且最麻烦的部位,则是在脑动脉,主动脉,以及把心脏泵出的血液带往身体其他部分去的大动脉。

箭头所指心室动脉瘤,位于非常薄的室壁上

箭头所指心室动脉瘤,位于非常薄的室壁上(图片来源:病理学园地)

可能二:冠状动脉疾病
冠状动脉疾病,已经成为目前死亡率最高的疾病之一。因为冠状动脉是为我们的心肌供血的,一旦出现狭窄或者堵塞就会导致心肌缺血,短暂的心肌缺血可能引起心绞痛,而严重的供血中断就会导致心肌梗死,诱发死亡。

粥瘤的黄褐色斑块使得冠状动脉明显狭窄,并且血栓完全阻塞了管腔(图片来源:病理学园地)

冠状动脉粥样硬化主要是在冠状动脉上形成斑块,常伴发冠状动脉痉挛,痉挛可使原有的管腔狭窄程度加剧,甚至导致供血的中断,引起心肌缺血及相应的心脏病变,并可成为心源性猝死的原因。

可能三:主动脉夹层
动脉粥样硬化导致血压被堵塞,被堵塞血液因为流动就会把动脉壁内层撕破,主动脉内膜破裂,血液在压力作用下冲进主动脉壁向外扩展,这样就形成了主动脉夹层。粥瘤的黄褐色斑块使得冠状动脉明显狭窄,并且血栓完全阻塞了管腔

原有的主动脉腔称为真腔,而主动脉中层裂开所形成的腔为假腔,真假腔之间有一个或数个破口相通(图片来源:美敦力健康关爱中心慢性知识库)

主动脉夹层是一种十分凶险的心血管疾病,由于进程非常快,多数患者在3天内就会因血管破裂而死亡,也因此,它成为患者体内的不定时炸弹。

当然,不只是动脉粥样硬化会引起主动脉夹层,高血压、妊娠、遗传因素(马凡综合症)、主动脉壁中层病变、主动脉粥样硬化、主动脉炎性疾病、外伤等,都是主动脉夹层的危险因素。

其他可能
除了以上疾病,动脉粥样硬化还有可能引发颈动脉疾病,由于影响了对大脑的供血,导致中风。而其引发的外周血管疾病则更容易被忽视,主要影响下肢,引起行走的不适或疼痛。

动脉粥样硬化的预防与治疗
诱发动脉粥样硬化的风险因素主要包括高血压、异常的胆固醇水平、吸烟、糖尿病、肥胖等。研究表明,我们可以通过采用健康的生活方式来控制相关的风险因素,预防或者延缓动脉粥样硬化以及相关的疾病,主要包括戒烟,合理的运动以及均衡饮食。

此外,动脉粥样硬化可以进行药物治疗、手术治疗,而手术治疗适用于急性或者严重血管病变,主要包括经皮冠状动脉介入治疗(PCI),冠状动脉搭桥(CABG)以及颈动脉内膜切除术。

近年来,科研人员在动脉粥样硬化形成机制方面取得了突破性的进展,这些研究成果对预防和治疗动脉粥样硬化具有重要的医学价值。

研究也证明,血流动力学在动脉粥样硬化发生发展过程中有着重要作用,并为动脉粥样硬化的治疗提供了新的靶标。

近期也有研究发现:随着年龄的增长,白细胞的突变可能导致心血管疾病,这首次揭示了年龄因素与心血管疾病的相关性。

此外,中国科学院上海生命科学研究院最近的一项研究还发现:低密度脂蛋白(LDL)表面的磷脂氧化产物中存在一类有抗炎和抗氧化作用的新型代谢物,这似乎与传统认为LDL的氧化促进动脉粥样硬化的观点有些冲突,但也可能是机体的代偿性反应。

参考文献:

1.Otsuka, F., Yasuda, S., Noguchi, T., and Ishibashi-Ueda, H. (2016) Pathology of coronary atherosclerosis and thrombosis. Cardiovascular diagnosis and therapy 6, 396-408

2.McGill, H. C., McMahan, A., and Gidding, S. S. (2008) Preventing heart disease in the 21st century implications of the pathobiological determinants of atherosclerosis in youth (PDAY) study. Circulation 117, 1216-1227

3.Wang, L., Luo, J. Y., Li, B. C., Tian, X. Y., Chen, L. J., Huang, Y. H., Liu, J., Deng, D., Lau, C. W., Wan, S., Ai, D., Mak, K. L. K., Tong, K. K., Kwan, K. M., Wang, N. P., Chiu, J. J., Zhu, Y., and Huang, Y. (2016) Integrin-YAP/TAZ-JNK cascade mediates atheroprotective effect of unidirectional shear flow. Nature 540, 579-582

4.Fuster, J. J., MacLauchlan, S., Zuriaga, M. A., Polackal, M. N., Ostriker, A. C., Chakraborty, R., Wu, C. L., Sano, S., Muralidharan, S., Rius, C., Vuong, J., Jacob, S., Muralidhar, V., Robertson, A. A., Cooper, M. A., Andres, V., Hirschi, K. K., Martin, K. A., and Walsh, K. (2017) Clonal hematopoiesis associated with TET2 deficiency accelerates atherosclerosis development in mice. Science 355, 842-847

5.Lu, J., Guo, S., Xue, X., Chen, Q., Ge, J., Zhuo, Y., Zhong, H., Chen, B., Zhao, M., Han, W., Suzuki, T., Zhu, M., Xia, L., Schneider, C., Blackwell, T. S., Porter, N. A., Zheng, L., Tsimikas, S., and Yin, H. (2017) Identification of a Novel Series of Anti-inflammatory and Anti-oxidative Phospholipid Oxidation Products Containing Cyclopentenone Moiety in vitro and in vivo: Implication in Atherosclerosis. Journal of Biological Chemistry  (in press).

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“栽桐引凤”,究竟栽的是什么桐?

作者:赵利杰(中国科学院自然科学史研究所)

现今招贤纳士常会用到“栽桐引凤”一词,“凤”自然是指的凤凰,用来比喻优秀的人才,而“桐”显然是一种植物,且是“凤凰”这种神鸟非常喜欢的一种植物。我们知道,现实中以“桐”为名的树种不少,那么,这里的桐究竟指的是哪一种呢?

让我们从“栽桐引凤”这个词的源头说起。

凤凰

凤(图片来源:昵图网)

故事说的是十六国时期,曾短暂一统北方并立志混一天下的前秦君主苻坚,有一天他突发奇想,命人在阿房城栽种桐竹数十万株,以招徕凤凰。

苻坚这么做,是由于凤凰在古代是天命的象征,《山海经》云:“有鸟焉。其状如鸡,五采而文,名曰:凤皇。首文曰德,翼文曰义,背文曰礼,膺文曰仁,腹文曰信。是鸟也,饮食自然,自歌自舞,见则天下安宁。”《国语·周语》曰:“周之兴也,鸑鹫鸣于岐山。”鸑[yuè]鹫就是凤凰的一种。如果真能引来凤凰,这无疑表明自己已经获得了天命,从而得到了统治天下的合法性。

凤凰自然是没有招到的,但苻坚于公元370年灭掉了曾雄极一时的前燕,先后将清河公主及其弟慕容冲纳入后宫。长安的百姓看到他们的君主如此荒淫无道,不禁讥讽道“一雌复一雄,双飞入紫宫。”

慕容冲小名正是凤凰,这就是“栽桐引凤”的由来。

“栽桐引凤”真是空穴来风?

苻坚虽然并没有招来真正的凤凰,但他用桐竹引凤凰这个想法却也并不是空穴来风。

早在西周时期,社会上就流传着梧桐引凤的传说。《诗经·大雅·卷阿》中“凤凰鸣矣,于彼高岗。梧桐生矣,于彼朝阳”描写的就是如此的景象:高岗上的梧桐树沐浴在清晨的光辉中,其上金色的凤凰正引吭而鸣。

而到了战国时期,庄子使得这个传说更加丰满。《庄子·秋水篇》有言:“夫鵷[yuān]雏,发于南海而飞于北海;非梧桐不止,非练实不食,非醴泉不饮。”这就是我们熟悉的“凤凰非梧桐不栖”的原型。

说了这么多,那么,这“梧桐”究竟是何物,它为什么能吸引高傲的凤凰为之驻足呢?

引凤的“桐树”是何物?

研究表明,古书中的“梧桐”既不是原产于我国的玄参目泡桐属的泡桐(Paulownia.),更不是所谓的法国梧桐(悬铃木科悬铃木属植物),而是今天锦葵目梧桐属的梧桐,学名为Firmiana platanifolia (L. f.) Marsili

为什么这么说呢?

我们先说说泡桐。在北方,泡桐一般被称为“桐树”,有些地方甚至称其为“梧桐”,所以也就无怪乎很多人将泡桐误以为是凤凰栖息的“梧桐”了。就连我国古代著名的林木学家陈翥[zhù],也因为没有看到过梧桐树,而误将泡桐当成梧桐。

在陈翥看来,或许是“桐,独受阴阳之淳气”“开春、冬两花,而异于群木”的缘故,受到凤凰的青睐。

泡桐

泡桐

然而,事实上,由于泡桐的树皮呈灰色、灰褐色或灰黑色,幼时平滑,老时纵裂,乍一看来,不仅不美观,反而有点小丑,虽然用途广泛,但却很难得到高傲的百鸟之王的喜爱。

与之相反,梧桐树树干挺直光洁,姿态优美,一直深受我国人民的喜爱,或许正是由于人们对梧桐的喜爱,进而认为凤凰也会很喜爱它。

梧桐

梧桐(图片来源:昵图网)

梧桐树是我国最早的人工栽培的树种之一。

梁·任防《述异记》记载:“梧桐园在吴宫,本吴王夫差旧园也,一名琴川”,这表明早在春秋时期,梧桐已经被作为园林植物加以栽培了。

汉代之后,梧桐树不仅被广泛植于皇家宫苑(上林苑),而且开始走入普通人的日常生活中。“孤桐北窗外,高枝百尺余;叶生既婀娜,落叶更扶疏”“有南国之陋寝,植嘉桐乎前庭”“秦妃卷帘北窗晓,窗前植桐青凤小”等句,描写的正是在庭院中植桐的景象。

至于“法国梧桐”,这更是一个充满“故事”的树种。

首先,法国梧桐是悬铃木属的植物。悬铃木这一属的植物包括一球悬铃木、二球悬铃木和三球悬铃木,而我们俗称为“法国梧桐”的,准确来说应该是其中的二球悬铃木。

其次,法国梧桐不是我国原生物种。目前学界普遍认为,它是由原产于欧洲等地的三球悬铃木和原产于美洲的一球悬铃木杂交而来,并且是随着近代殖民者引入我国的。

最后,法国梧桐更准确的名字应该是“英国梧桐”。

三球悬铃木

悬铃木(图片来源:昵图网)

悬铃木属植物引入我国的时间各不相同,依据引种地的不同,一球悬铃木、二球悬铃木和三球悬铃木也分别被称为美国梧桐(或美洲梧桐)、英国梧桐和法国梧桐。

其中真正的法国梧桐——三球悬铃木,据记载是在公元401年,由西域高僧鸠摩罗什移植而来的,当时被称为祛汗树或鸠摩罗什树,在我国只有少量分布,并没有被广泛认识。

而二球悬铃木最早在英国开始栽种,它自诞生以来便深受人们的喜爱,被作为行道树广泛种植。后来,随着殖民者的殖民扩张被带入我国,并且最早种植于上海的法租界,又酷似梧桐,就有了“法国梧桐”的称号,久而久之,它的原名反倒鲜为人知了。

所以,法国梧桐不仅不是梧桐属的乔木,而且也并非法国原产,只是由于悬铃木的叶子酷似梧桐,因而被误以为是梧桐而已。

梧桐的古时“妙用”

在古代,梧桐有着十分广泛其实的用途。

首先,梧桐具有极高的观赏价值。

从古至今,梧桐一直深受人们的青睐。前文已经说过,梧桐早在先秦时期已经被人们作为园林景观作物加以种植,汉代之后开始逐渐步入寻常百姓之家。

明代王象晋赞美道:“梧桐……皮青如翠,叶缺如花,妍雅华净,赏心悦目”。陈继儒最懂梧桐树的好处,他在《小窗幽记》中写道“梧桐……夏秋可以开通凉爽。然碧梧之趣:春冬落叶,以舒负暄融和之乐;夏秋交荫,以蔽炎烁蒸烈之威”。

近现代以来,梧桐树作为行道树的一种加以推广,目前在全国各地都有分布。并且,近年来人们逐渐认识到法国梧桐“叶背柔毛和种子绒毛飞散,易污染环境,危害人体健康”的缺点,梧桐作为一种替代树种,想必会迎来一次新的发展机遇。

其次,梧桐还是制作古琴的良材。

据《后汉书·蔡邕传》记载,我国四大名琴之一的“焦尾琴”就是用梧桐木制成。汉代之后,用梧桐木制作古琴已经成为人们的一种普遍认识,《风俗通义》:“梧桐生于峄阳山岩石之上,采东南孙枝以为琴,声清雅”,就表明了这一点。

当代植物学的研究也证明梧桐木材轻软,适合做乐器。

古琴

古琴

除此之外,梧桐还有许多其他的功用,如梧桐的花、子、根、叶等均可入药,树皮可造纸,种子可榨油等等。

时至今日,梧桐早就不再是一种单纯的植物,它被人们赋予了丰富的历史文化意蕴,寄托了对美好生活的向往,梧桐文化已经成为了中华文化不可分割的一部分。

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给黑洞拍照:黑洞暗影究竟什么样?

作者:左文文(中国科学院上海天文台)

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2016年2月,科学家首次探测到引力波,来自双黑洞合并(模拟图)

提到黑洞和引力波,相信很多人已经不陌生了,在去年年底《自然》杂志发布的2017年全球热点科学领域的预测中,“进一步探测黑洞和引力波”便是热点之一。

这并不奇怪,毕竟黑洞到底是什么,一直备受关注。

尽管科学家们已经对黑洞有所了解,知道黑洞并不黑,研究它们在不同电磁波窗口、引力波窗口下的样子,甚至对黑洞进行了巡天观测,对黑洞样本进行统计分析,且试图理解黑洞是如何诞生、如何成长的。但是,这其中依旧有很多未解之谜,例如,黑洞的视界面周围看起来是什么样子;是否与广义相对论的预测相符合;黑洞的喷流是如何产生的,等等。

今年4月,科学家们针对黑洞开展了一项了不起的工作——对黑洞视界区域的直接观测

黑洞的视界是什么?这项工作还有什么目标?这项工作是如何开展的?我们期待着能看到什么呢?带着这些问题,我们一起一探究竟。

黑洞是什么?

我们之所以能看见物体,是因为有光子进入我们的眼睛,那么黑洞(Black Hole)呢?

我们知道,黑洞说的就是某个时空区域,由于引力非常强,以至于速度最快的光子都没有办法逃离。连光子都没有办法逃离,也就是没办法被我们看见,所以被称为黑洞。

或者你可以想像一条瀑布,水从上至下,一旦物体接近瀑布的高处边缘,想要逃离边缘就很难,命运只可能是顺着水流从高处落下。

早在1783年4月,John Michell就发表过文章,他的简要计算表明,如果一个天体密度和太阳差不多,而直径是太阳的500倍,它所对应的逃逸的速度就会比光速还要大,也就是说光也没办法逃离它,无法被人观测到,当时称这类天体为暗星(dark star)。

1915年,爱因斯坦发表他的广义相对论,阐明物质质量决定时空如何弯曲,而时空弯曲决定了物质将如何运动。

几个月之后,卡尔·史瓦西给出了第一个精确解+史瓦西解,他描述了不带电的物质球对称塌缩的过程。而之后的其他科学家们也纷纷提出了具有更复杂性质的黑洞解。

和虫洞一样,黑洞也是被爱因斯坦所提出的方程的一种解的形式所预言存在的。而和虫洞不同的是,黑洞是目前已经被天文学家间接和直接证明存在的一类天体。

黑洞有什么特点?

任何质量的物体,都对应有一个临界半径,物体如果被压缩成球体,其半径小于这个临界半径后就会发生重力坍缩。

这也就意味着,其实你也可以被压成黑洞,前提是有办法把你压缩到很小很小,小到几乎看不见。

如果让地球变成一个黑洞,就要把地球缩小到10亿倍,压到18毫米,相当于1分钱的直径那么大。

如果让太阳变成一个黑洞,要把太阳缩小到10万倍,压到6千米那么大,密度高达每立方厘米200亿吨。

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黑洞-视界,图片来源:索恩《The Science of Interstellar》

一旦形成黑洞,就会在周围形成一个界面,这个界面被称作视界面(event horizon),它就像一堵无形的墙将内部被高度扭曲的时空和外界时空隔离开,该界面以内的物质都无法逃离,即使光也不例外,之后其本身将继续收缩成为密度无限大的奇点。

光是让我们能够了解信息的使者,如果连光都无法逃离该视界面,那就相当于没有使者告诉我们黑洞视界里面发生什么事情。

如何判断黑洞存在与否?

其实,天文学家们可以通过黑洞对周围物质的引力影响来间接地判断它的存在,就像我们虽然看不见风,但是可以通过树叶的摆动判断风的存在。

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电影《星际穿越》中的黑洞

对于黑洞,这里的“树叶摆动”可以是周围物质或气体的运动、发出的辐射以及其它由强引力带来的影响等。

但天文学家们还从未直接地看到过黑洞。

如果说黑洞的重要性质之一是视界半径,能否直接看到视界半径的存在呢?这其实正是天文学家们如今正在做的事情。

今年4月,给黑洞拍个照

给黑洞拍照?究竟是拍什么呢?其实就是拍摄黑洞的“暗影”。那么,什么是“暗影”,就是指视界面以内看不见的区域吗?它是纯黑暗的吗?

并非如此,“暗影”不纯暗!今年4月5日至14日开展的拍照黑洞,就是希望能够拍摄到黑洞的“暗影”。

2000年,Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序,模拟出银河系中心黑洞Sgr A*看起来的样子。

根据他们的模拟结果,如果黑洞后面有一个类似于吸积盘的平面光源(planar-emitting source),平面光源发出的光子,会受到黑洞的强引力场的影响。天空平面(与视线方向垂直的面)会被一个名为黑洞“视边界”(apparent boundary)的圆环一分为二。

一边是在视边界圆环以内的光子,只要在视界面以外,就能逃离黑洞,但受到很强的引力作用,亮度低;一边是在视边界圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度足够高。

这样的结果是,从视觉上,我们就会看到在视边界内侧的亮度明显更弱,相比之下,看起来就像一个圆形的阴影,外面包围着一个明亮的光环。故此得名黑洞的“暗影”(black hole shadow)。

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广义相对论预言,将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。由于旋转效应,黑洞左侧更亮。图片版权:D. Psaltis and A. Broderick

那么,这个“视边界”或者说“暗影”有多大呢?与什么因素有关呢?

如果不自转黑洞的视界半径与史瓦西半径大小相同,将其记为r,那么它的视边界就是2.6r;具有相同黑洞质量但自转值最大的黑洞呢,视边界半径就约是2.3r。

这说明黑洞视边界的尺寸与r有关,而与黑洞的自转关系不大,而r又主要与黑洞质量有关,因此可以说,黑洞质量是决定 “视边界”尺寸的主要因素。

那又为什么要给黑洞拍照呢?

主要有三个目标。

第一,验证广义相对论。

广义相对论预言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形状。如果观测结果与预言相符,那就验证了广义相对论;如果有所不一样,则说明有一些新的方面需要改进。

第二,理解黑洞是如何吃东西的。

黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,这里的信息尤为关键,综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息,就能更好地重构黑洞吃东西的物理过程。

第三,理解喷流的产生和方向。

某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动方向被喷出去。

以前收集的信息多是更大尺度上的,却没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么,现在对黑洞暗影的拍摄,就能助科学家一臂之力。

拍的是哪些黑洞的暗影呢?

这次的拍摄目标,是银河系中心的黑洞Sgr A*和星系M87的中心黑洞。

之所以选择Sgr A*,因为它是地球上看过去最大的黑洞。而另一个M87里的黑洞,尽管距离我们更远——五千三百万光年之外,但黑洞质量是60亿倍太阳质量,这使其成为第二大黑洞。

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银河系中心黑洞想象示意图

Sgr A*的质量是430多万倍太阳质量,对应的r是1300多万千米,“视边界”的半径约3300多万千米,综合它到地球的距离26000光年,“视边界”看起来的角尺寸约为0.00005角秒。

要知道,从地球上看满月的尺寸约为30角分,0.00005角秒就相当于从地球上看橘子大小的物体(注:0.00005角秒约是30角分的3亿分之一,月球直径约3500多千米,其3亿分之一约为11厘米)。

假设M87中心的黑洞也是个不自转的黑洞,那么从地球上看过去,M87的“暗影”角尺寸会略小些。

暗影这么小,要怎么看?

当然是用望远镜看啦!

天文学家们利用的是基于亚毫米波段的电磁波,由于分辨率与所基于的电磁波波长有关,波长越短,分辨率越高,但技术难度也更高,目前观测基于的是波长为1.3毫米的电磁波,未来,天文学家们期望能基于0.8毫米的电磁波来拍摄黑洞暗影。

过去的十年多时间里,麻省理工学院的天文学家们联合了其他机构的同行,让全球8个天文台计划同时对银河系中心的黑洞Sgr A*展开亚毫米波段观测,这些望远镜统称为“视界面望远镜”(Event Horizon Telescope)。

视界面望远镜包括:北美、南美、欧洲和南极的射电望远镜。

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望远镜在全球分布示意图,红点代表望远镜所在地

分辨率与干涉臂长相关,臂长越长,分辨率越高。这些望远镜构成了一个干涉阵列,所以视界面望远镜的特点之一就是分辨率(分辨能力)高

这些射电望远镜Sgr A*的暗影尺寸是5r(r指史瓦西半径),如果视界面望远镜仅利用位于夏威夷、加州和亚利桑那州的射电望远镜,达到的分辨率是6r,即能将相距6r的两个物体区分开。如果加上ALMA,分辨率达到3r,如果再加上南极的射电望远镜,分辨率将达到1.5r,绝对能分辨目标源的黑洞“暗影”。

这样一比较,视界面望远镜阵列的分辨率比哈勃望远镜的分辨率还要高出1000倍多呢。

视界面望远镜的另一个特点是灵敏度高为了得到更高的灵敏度,在观测过程中,天文学家们采用了大望远镜和快速采集数据。

那么,这些望远镜如何合作呢?

天文学家们采用射电干涉技术,多台设备同时看和记录,然后数据汇总到一起分析,每天晚上产生的数据达到2PB(1PB=1048576GB,相当于50%的全美学术研究图书馆藏书咨询内容)。所以说,数据处理和理论分析是对天文学家提出的挑战。

黑洞本身很简单,但是从数据中挖掘出来的细节很大程度上取决于黑洞周围复杂的环境,因此我们需要能建模重构出这些复杂的环境。

数据量之多,处理难度之大,造成黑洞暗影的照片被处理出来还需要近一年的时间,预期最快2018年上半年能看到处理结果。

尽管难度大,面临挑战多,但天文学家作出计划,迈开合作观测这一步。

让我们等着黑洞暗影照片的出炉,更期待的是从照片讲出的故事,是验证了广义相对论,还是发现广义相对论有可改进之处?是否为黑洞吃东西、喷流等带来新的前进契机?让我们拭目以待!

致谢:在此感谢上海天文台韩文标老师和国家天文台苟利军老师对作者理解黑洞暗影所提供的帮助。

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擅打“气味战”的彝家野味——野拔子

作者:上官法智(中国科学院昆明植物研究所)

到过云南的朋友,不知是否体验过一种名叫“草墩屋”的饭店,受彝族文化影响,饭店的地上铺满厚厚的松针,踩上去软绵绵绿油油一片,十分舒服。一群人坐在草墩子上围着不高的大圆木桌,吃着炸薄荷排骨(皱叶薄荷Mentha crispata)、茼蒿臭豆腐汤、凉拌沙松尖(云南油杉嫩尖)等菜式,充满民俗文化和风味特色。

而其中,恐怕还有一道“美味”不得不提及,那就是免费提供的野拔子凉茶,它的味道着实令人印象深刻。初入口时虽觉得颇有几分怪异,但细品几口后便很快会喜欢上这种味道,一种复杂的药香伴有一丝丝略带清凉的口感,在昆明多干燥的环境下喝着,特别舒服。

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“野拔子”是个啥

在云南,用来泡茶的野拔子(Elsholtzia rugulosa又叫野坝子、野巴子、香芝麻蒿、香苏草、野香苏、小铁苏、野巴篙等。

这野拔子不仅用于泡凉茶,也是云南一些地区重要的一种彝药,常用于治疗伤风感冒、腹胀腹痛、消化不良、臃肿积滞,外用止血、敷烂疮等疾病。近些年来,植物化学和药理学研究也在其身上找到了不少具有药用开发价值的活性成分,可以说,它是具有较大医疗开发价值的植物。

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野拔子

不过对我来说,似乎它用于美食烹饪的香草特质更有吸引力,野拔子在这方面最为特别的用法是煮鸡,初次听说这道菜时我也曾纳闷过一阵,野拔子这种有时又被人称作臭香薷、味道略有怪异的植物,它那种浓郁的药香味道和鸡汤的鲜香融合后是一种什么感觉呢,实在没法想象。

但是,在滇中地区代表彝族的文化中,野坝子鸡是不折不扣的特色名菜之一,“野坝子鸡”在滇中不仅被许多餐馆用作店名,更是不少彝族菜餐馆的主打菜品。

“野拔子”——烹饪大山的味道

正宗的野坝子鸡需要用柴火土锅烹制,将干辣椒、火腿、生姜等香料加油煸香后加入切好的土鸡块一起爆炒,至鸡肉七八成熟时加水大火煮开,同时将事先准备好的炒制略焦的野拔子加入一同烹煮,鸡软熟就可以起锅。

不同于大多数地区常见的清炖鸡,野坝子鸡由于特殊的烹制过程并且又加入野拔子的关系,味道里似乎充满了野性,从鸡肉到汤都十分浓郁厚重,味道层次复杂而丰富,除了是一道十分值得品尝的美味,或许你还能尝出那么一点彝家的大山情怀。

某种程度上来说,从野拔子茶、野坝子鸡,到野拔子的草药运用,都有强烈的彝族文化色彩在里面,植物的自然特性与民族民俗文化相互映衬,很有意思。

如果仔细研究,会发现野拔子的生长区域很大程度上是与滇中高原地区(包括四川和贵州境内少部分地区)彝族所生活的区域重叠的,野拔子在滇中地区生长生境多在海拔1700 米 -2400米左右较为干燥凉爽并且阳光充足的山坡草地,这些区域通常也是许多彝族同胞聚居和放牧的区域。

野拔子群落

野拔子群落

这种人与植物生态位的重叠使得人们有着悠久的时间对生长在这里的植物进行足够深入的认识,并让植物逐渐融入自己的民族生活和文化当中,如野拔子等植物在很多时候就成为了民族文化展现的极佳载体和代表了。

由于工作关系,我长时间行走于田野之间,与野拔子的碰面也越来越多,到后来,每次在山上相遇,我竟有种见到熟悉的“老友”般的感觉。自然,对“老友”不会那么客气,走上去摘上几片叶子,揉搓一下闻闻那熟悉的香味,或者干脆丢几片在嘴里咀嚼一下,那种略苦的辛香味总能够让爬山途中感到疲惫的人精神一震。

如果旅途中在山上搭营煮饭,采上一大把野拔子,在饭后为大家煮上一大锅极不错的凉茶,既能消除食物的油腻感,又能清火降燥,药食两用,十分快哉。不过我想这种“老友般”的感觉肯定是单方面的,我们喜欢它,它却未必喜欢我们,只是拿我们人类这种过于强势的生物暂时没办法罢了。

野拔子的“生存战略”

对于植物的生存来说,不受影响和破坏的不断生长繁育才是最好的战略,这是自然界亘古不变的游戏规则。

野拔子当然有着属于它的生存战略,不会随便让其它生物揉捏。

走进大山并不是在哪里都能看到野拔子的,它主要集中分布于滇中高原的高山草坡上,湿热的河谷,茂密的林下;极寒的山顶很少有它的踪迹,反而是那些牛羊喜爱觅食的中高山撂荒草坡台地最容易找到它,而且常常形成优势的植物群落,是一类次生性较强的拓荒植物

当然,能够被称为拓荒植物,它必定有两把刷子。

战略一:“气味战”

除了生长迅速、抗寒、抗旱等能力超强之外,野拔子的芳香气味也是它生存致胜的一大法宝。

唇形科是一个典型的以虫媒传粉为主的植物类群,其二唇型的花特征就是一类为适应昆虫传粉访问的花被特征,当然唇形科香薷属的野拔子也完美继承了这一特征。

为了完成自身大量繁殖后代的家族历史重任,植物需要通过多种方式来吸引昆虫为其传份,其中通过花释放香味来吸引昆虫为其传粉是主要方式之一。

野拔子吸引昆虫传粉的花序

野拔子吸引昆虫传粉的花序

当然,香味吸引来的不仅会有充满爱意的传粉昆虫,也可能招引来一些以自己为食的植食性天敌,这时候就是体现野拔子繁殖策略大智慧的时候了。

近期,中国科学院昆明植物研究所的专家就借助野拔子发现了植物在气味运用上的多重战略技巧,正如朋友来了有美酒,敌人来了有猎枪,满满的个性,就像当年彝族名宿奢香夫人。

研究人员发现野拔子能够聪明的制定两套气味系统,一套吸引朋友,一套趋避敌人。

野拔子植株如果没有受到天敌的啃食和侵扰,那么它通过花所释放的香味则是对有效传粉者充满吸引力的香味,传粉昆虫来了愉悦的吮食花蜜,野拔子开心地送走孕育下一代的花粉。

当造访的对象为一些天敌,如一些甲虫类,那么野拔子则表示不开心了,因为花被构造关系,一些昆虫不仅不会有效的带走花粉,还会大量啃食花被或者叶片等组织,造成植株的受损或者资源的浪费,这时候,野拔子就会聪明地转换为另一套气味系统,释放出具有对天敌有趋避效果的强烈刺激气味(香薷酮),让天敌远远离开。

当然,从进化角度来说,对于一种修炼了千万上亿年的植物,所具备的繁育生态学战略远不止于此。

战略二:“花季战”

选择在秋冬季郁闭度不高的草坡开花可能也是其谋略之一

这时候其它开花的植物种类相比春夏季节少很多,如中华蜜蜂等传粉昆虫会将更多的关注投向野拔子,让野拔子获得更高的传粉昆虫造访率。

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正开花的野拔子

另一方面,选择在开阔度很高的草坡开花,无疑会比在视野不好的林下或者山谷等环境获得更高的昆虫可见度。

此外,野拔子常常成居群的聚众开花,这在传粉生物学上也被看做是一种提高对传粉昆虫吸引力的有效策略,就像一个男人带着999朵玫瑰花追求姑娘总比一朵玫瑰的效果好一样。

当然,这一系列的聪明策略,对于一些传粉昆虫如中华蜜蜂,还有生活在那里的人们来说也都是极好的,中华蜜蜂在食物匮乏的季节获得宝贵的食源,而人们也获得了又一美味的彝族地方特产——野坝子蜜。

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春日的午后,与朋友泡两杯野拔子茶,何乐而不为呢?

(内容来源于《人与自然》杂志,略有删节和修改,中科院昆明植物所供稿,转载请注明出处并保留下方二维码)二维码

人体细胞的惊人秘密

作者:吴建永(美国乔治城大学神经科学系)

演艺明星的年龄是商业机密,而人体细胞的年龄却是科学里的机密。

但是你知道吗?你身体里的细胞并不都是和你一起出生的。

血液里的中性白细胞可能是昨天才出生的;舌头的味蕾细胞大约是十天以前出生的;肝细胞的出生在一年前;而肚皮下的脂肪细胞但却已经和你一起生活了多年,也难怪大家经常抱怨减肥太难。

人体图

多年以来,科学家认为身体中皮肤,血液,粘膜上的细胞是不断更新的,而大脑皮层的神经细胞却不更新,从你生下来后就一直跟着你。

这就像一所大学中,学生们 (皮肤细胞) 一茬一茬永远年轻,而教授(神经细胞)却在一年年变老。

怎样才能测出细胞的年龄?

为了探究细胞的年龄,科学家像侦探明星年龄的狗仔队一样,追踪各种细胞,从它们生下来一直追踪到死。

“追踪”,用的最简单的方法就是把细胞染上颜色,观察有颜色的细胞能活多少天。

你可以做个小实验:用紫药水或染头发的染料在手臂皮肤上涂一点。由于皮肤表层是死的皮肤细胞堆积成的,一染上就退不了色了,过几天观察,就会发现颜色会越来越淡,最后完全消失。

这是因为皮肤表面的细胞不断地脱落,由表皮下面的新细胞不断补充,染上颜色的老细胞脱落了,越来越少,皮肤颜色就越来越淡。

用这个方法可以测量一下皮肤的年龄,染色的细胞脱落一半大约需要十几天。

从这个意义上讲,明星的年龄和你的颜值主要取决于脸上皮肤细胞的年龄,也就是十几天左右。

于是,一些保养品就会又腐蚀掉表层的死细胞的作用,使得下面的新细胞加速生长,补充表皮,从而让你显得年轻些。

去角质

利用以上类似的标记方法,我们还可以测量年龄更长的细胞年龄。

我们知道,细胞内的遗传密码DNA是在细胞出生时候合成的,如果让细胞用用标记物合成DNA,然后测量某细胞内标记过的DNA存在了多久,我们就能够得到这个细胞的真实年龄。

虽然这个方法成功地测量了许多细胞的年龄,却在测量脑细胞年龄上碰了钉子。

那就是,我们即使有无害的办法标记胎儿的大脑细胞,又怎么能等个七八十年,到被观察者去世了再来观测当年标记的DNA呢?

即使有研究者愿意做这个难题,但实际困难却太大了,因为研究者一般都熬不过比他们年轻几十年的被观察者,会先去世了。

因此,大脑细胞长寿的说法长期以来只能说说而已,虽有有间接证据但从来没有被实验直接证实。

原子弹能测量细胞年龄?

测量脑细胞年龄的方法让科学家困扰了许久,没想到的是,却被一位聪明的瑞典女科学克丽丝·思宝丁(Kirsty L Spalding) 轻易地解决了。

她的办法就是利用几十年前冷战时代爆炸的原子弹。

原子弹

大气中爆炸的原子弹,核反应释放的大量热中子把空气中的氮-14变成碳-14

正是因为原子弹的爆炸带来了碳-14,成就了标记细胞内DNA的理想办法。

我们的生活中到处需要碳,米饭,馒头都是碳水化合物,肉里面的脂肪和蛋白质也是碳氢氧氮的化合物。

细胞的遗传物质DNA,是生命最重要的战略物质,因此必须使用最普通的材料,由细胞能完全自力更生地合成,这些最普通的材料当然就是碳,氮,氢,氧了。

地球表面的碳主要是碳-12,碳-13和极少量的碳-14。

所谓碳-12,13,14 是指其原子核内质子数量的不同:碳-12含6个中子,13是7个,14是8个。碳-14是 来自太空的宇宙射线创造的:在距离地球表面9000-15000米的大气外层,宇宙射线的能量会把一个中子打入一个氮原子核,后者继续蜕变成碳-14。

由于宇宙射线的水平是基本稳定的,自然界中的碳14/12比例也是千百万年来大致不变,大约是万亿分之一,即每一万亿个碳-12原子中就会碰到一个碳-14原子。

实际上,生物在利用碳的时候是完全分不清的碳12还是碳14 的。

但是到了1945年,人类爆炸了第一颗原子弹,原子弹产生的大量中子在大气中产生了大量碳14。

这样每一颗原子弹爆炸后,全球的碳-14/12比例都会上升一下,从1950到1963年美国和苏联在大气中爆炸了几百颗原子弹,形成了一个碳-14/12比例的高峰(图一)。

在1963年美英苏协议共同停止了在大气中的核实验。这样大气中的碳14/12在1963年达到最高峰,之后比例又开始逐年下降。

这样,从1950年代到2000年,每年大气中的碳14/12都不一样,从1953到1963年比例不断快速升高,而之后又慢慢下降,形成了一个“炸弹高峰”(the bomb pulse)。

碳1412

“炸弹高峰”,由于大气中核试验制造出大量反射性碳,空气中的碳14/12比例的逐年变化,在1963年美苏达成禁止大气层核试验的共识后又逐年下降。

我们吃的粮食是由当年大气中的二氧化碳制造的,同样每年人体内的新出生细胞是由当年的粮食来合成DNA的。

这样,由于年年空气中的碳14/12比例不同,当年新出生的细胞DNA中的碳14/12也随之波动;哪年细胞中的碳14/12比例与当年空气中的碳14/12比例完全相同。

举例来说,如果你想测量一位50岁遗体捐献者神经细胞的年龄,只要先测其中DNA的碳14/12比例,然后到炸弹高峰表里去查一查。

如果发现其与50年前(1967年)大气中的碳14/12相同,说明这些细胞是50年前出生的,与人的年龄一致。

相反,如果测量该捐献者皮肤细胞里的DNA,就会发现其与捐献者死亡当年(2017)空气中的碳14/12比例一致,这就说明皮肤组织在不断地更新,而大脑皮层神经细胞却是与生俱来的。

 

细胞死了,然后呢?

克丽丝·宝丁测量脑细胞的方法太聪明了,前面提到的先标记婴儿,再等他去世后测量这样的困难就完全被解决了。

又一次说明,科学上看来一个似乎不可能回答,可以被一个想法轻而易举地给出了满意的答案:人生百岁,大脑皮层中很多种神经细胞也是百岁。

大脑皮层神经细胞死一个少一个,这不是件很悲观的事吗?

但其后的研究发现,脑中有些非常重要的细胞是不断再生的。

用同样的碳14/12 方法,克丽丝宝丁小组发现人脑中一个重要结构“海马回”中竟然有很活跃的神经细胞再生。

我们知道海马回对记忆非常重要,没有海马的人记忆只能维持不到15秒钟,而克丽丝宝丁小组发现人的海马每年以1.75%的速度更新,这样一生中竟有大约三分之一的神经细胞可以更新。

脑中虽然神经细胞长寿,但脑中的胶质细胞是不断再生的,平均寿命在1-2年左右。

这些胶质细胞维持着脑组织中的生态,供给养料,清除垃圾,修补损伤,当有感染或损伤的时候胶质细胞就会活动,做好防御和修补的工作。

所以,照这样来看,减肥那么难很大程度是因为脂肪细胞很长寿,成年人脂肪细胞的数量是胖瘦的主要因素。

克丽丝宝丁小组发现,不管你现在是减肥还是增肥,体内脂肪细胞的数量基本不变。因为体内脂肪细胞的数量是童年和少年时代决定的,而在成年以后每年只有约10%的变化。

这样,当你努力减肥的时候每个脂肪细胞都瘦一点,而一顿猛吃则让每个脂肪细胞都胖点。

减肥

按这个说法,童年时代吃成小胖墩等于给一辈子埋了一颗健康的定时炸弹,因为心血管病,糖尿病和癌症都与肥胖有很强的相关性,所以成年时代怎么努力减肥都不如童年时代远离可乐和果汁之类的软饮料。

研究人体细胞的年龄,除了满足科学家的好奇心,也为医疗健保和药品开发带来很多意想不到的收益。

人类社会和平地发展,就不开避免地进入老龄社会,长寿细胞是否有寿命的极限,人体快速更新的短寿细胞的产生能力是否有自己极限,都是未决问题。

可惜所谓“炸弹高峰”到了21世纪已经快变平了,用克丽丝宝丁方法测量“90后”,“00后”体细胞的年龄已经不够灵敏。科学家必须靠发现新的方法来继续这个领域的研究。

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郭永怀先生在力学所的尘封往事

作者:张志会(中国科学院自然科学史研究所)

昨天是我国传统节日清明节,同时也是中外知名的应用力学家、中国科学院学部委员郭永怀先生诞辰108周年。提起郭永怀这个名字,可能相当一部分青年人并不熟悉。他离我们最近的身份是年初刚刚去世的、我国德高望重的应用语言学家李佩先生的丈夫(郭永怀李佩伉丽情笃,根据李佩先生本人及家属意愿,二人骨灰将于今日合葬于中科院力学所院内郭永怀先生雕像下)。

郭永怀于1968年在一场飞机空难中英年早逝,不过他仍然堪称我国科技事业发展史上的一位科学大师级人物。在1999年我国授予“两弹一星“元勋称号的23位科学家中,郭永怀是唯一一位在原子弹、导弹和人造卫星研制三个领域做出突出贡献的科学家

国内工作的十二年(1956—1968年)间,郭永怀任中科院力学所学术秘书和副所长、第二机械工业部第九研究院副院长;并作为筹建组副组长,组建中国空气动力研究与发展中心;此外,他还曾担任中国航空学会副理事长。一般人很容易忆起郭永怀在国防部门的角色,却对他在中科院力学所期间的工作不甚了了,本文希望以此勾起人们模糊的记忆。

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郭永怀院士(1909年4月4日—1968年12月5日)

身在他乡,心系祖国

继钱学森之后,郭永怀于1945年在加州理工学院冯·卡门教授门下得到博士学位。他突破了航空领域声障这一世界难题,由此加入美国航空学会;他在应用数学领域发展了奇异摄动理论,后被钱学森命名为PLK方法。一年后,他经冯·卡门推荐,到康奈尔大学航空研究院任教。

1956年初,在中科院数学所动力学研究室的基础上,中科院力学所正式成立,从清华园搬到中关村,所长钱学森急切地召唤他的挚友郭永怀回国效力。彼时,郭永怀早已晋升康奈尔大学教授,成为国际上颇具声望的力学和应用数学家。虽然在国外享受着优越的工作和生活条件,郭永怀却一直密切关注着祖国的变化,等候时机回国。

1956年10月份,他和李佩与女儿回到祖国,受到国家领导人的热烈欢迎。

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郭永怀一家回国前在美国寓所前合影

回国工作,领导力学所

中科院力学所是郭永怀回国后的第一个工作单位,也是他去世前倾注很大心力的地方,他的档案和组织关系一直保留在那里。

回国之后,郭永怀将国外汽车、洋房卖掉的全部所得48460元捐赠了出来,那时,2000元就能在北京买下一座四合院。

31957年建成的中科院力学所大楼

开始时,郭永怀在力学所的身份是学术秘书,很快改任副所长,和钱学森一起筹划和领导力学所的全面工作。

他参加了“十二年科学技术发展规划” 中钱学森主持的力学学科规划的制定,任副组长。他们二人定期或不定期地听取研究室乃至研究组组长关于工作进展的汇报,并进行有效指导。他和钱学森一起,倡导和关心高超声速流体力学、电磁流体力学和爆炸力学等研究,提出了很多重要的学术思想,并拓展力学服务领域。

4郭永怀在中科院力学所办公室工作

工作中,这两位多年的挚友总能默契地配合,力学所工作走上了新局面。他们将国家建设中具有重大应用背景的科学问题作为力学所的研究方向。

科学家郭永怀

1957年召开的第一届全国流体力学学术讨论会上,郭永怀做了“现代空气动力学问题“的报告,明确提出今后一个时期流体力学的重点研究方向是高超声速空气动力学。

考虑到国土整治的工作需求,郭永怀主张力学所开展方便便宜的炸药爆破工程的研究。同年,在中国科技大学成立爆破专业。

51960年代初郭永怀在现场查看爆炸成形试件

他还承担三峡大坝抗核武器攻击的研究并进而为工程兵策划建立防护工程研究基地,他是我国防护工程研究的奠基人之一。

凭借他在跨声速流与应用数学方面杰出的科研成果,1957年,他当选为中国科学院学部委员(后改称院士)。

虽然在国外时,郭永怀主要从事理论和解析工作,但他也非常重视新技术和实验工作,回国之前还专门考察过我国科学发展所需的新技术和新领域,包括激波管技术和等离子体动力学,回国后指导了力学所有关实验技术的研究。

在他的指导下,1958年由俞鸿儒(1991年当选为中科院学部委员)带领一个小组研制了我国第一台激波管,由他的研究生康寿万带领一个小组研究出我国第一台等离子体射流发生器。正是由于这些脚踏实地的工作,力学所的研究力量和科研风气在郭永怀到来后显著加强。

人生重要转折

1958年,是我国科技事业的一个重大分水岭,也是郭永怀人生的一个重要转折点。为了执行中科院“任务带学科”的方针,力学所取消了学科建制,改为按任务建所,钱学森与郭永怀共同提出了颇有名气的“上天、入地、下海“的口号,这三个方向均指向保密性的国防尖端研究,非国防机密的工农业生产问题被列为第四方面。

如果说1956-1958年间他尚有稳定的科研环境专心从事力学研究的的话,那么此后他则与力学所一同,身陷各种国防和国民经济相关的重大工程技术任务中。

也许他的内心也经历了思想上的挣扎,不过在特殊的政治环境下,他在对大家的热情表示支持的同时,也以简练通俗的语言点明了这些大任务中需要注意研究的科学问题。

在1958年发动的大跃进运动中,力学所设立了怀柔分部,派林鸿荪负责氢氧火箭发动机的研制。

这时钱学森在怀柔基地的任务安排上,与一些领导存在分歧。钱学森认为上天非常花钱,我们国家穷,只能由航天部门一家搞,科学院不要搞。科学院应注重从事与重大任务相关的前瞻性的应用基础研究工作。而另外一些领导则提倡科学院要搞出实物来,跟中央合拍。

在力学所“看家”的郭永怀,在这方面与钱学森的看法是一致的。他们共同传承了德国哥廷根学派主张的科学应和工程技术紧密结合的思想,即工程科学的思想,都认为科学院和力学所应坚持工程科学研究,而不是从科学到技术一竿子插到底。少言寡语的他不动声色地尽力保护着力学所的科学研究秩序,受到科学家们的支持与尊重。

1956年年底,中央把钱学森调至国防部第五研究院担任院长,精力集中于导弹研制任务,已经无暇顾及力学所的具体工作。他虽然仍每周回力学所,也只是听听进展,提提意见就走了。后来,他把户籍和组织关系完全转到航天部门,虽然名义上依旧是所长,却很少再来力学所。所以,郭永怀在长时期内是力学所实际的当家人,直接维持着力学所的科研工作和日常运转。

按照钱学森的说法,“郭永怀同志归国后,分离奔走,是中国科学院力学研究所的主要学术领导人。他做的要比我多得多。”

郭永怀非常反对当时党内急功近利的指导思想对研究的干预。在”大跃进”的第二年(1959年)春,郭永怀做了一场关于力学所年度计划的精彩动员报告。针对1958年的浮夸风,专门谈到了研究工作与工程技术工作如何衔接的问题。

他提出,力学研究都是具有高度综合性的任务,研究所在一定范围内要执行设计院的任务,但不能包括设计院。如果这样做,研究机构势必十分庞大,既不必要也不可能。

他认为,在解决一项生产任务时,科学院不能一竿子插到底,应该贯彻所与所之间的协作和研究所与设计院并肩作战的方针。

在全国兴起的“技术革新”运动中,要求研究人员必须下楼出院,与工农结合,在工程现场去做研究。他心里急得不行,就发话把下工地才是搞无产阶级研究的人员都叫回来,强调好好读书打好理论基础才能做好研究。

在那些动荡的岁月里,他工作起来一心一意,一丝不苟,全然不顾个人得失。人们每天都看到他安步当车,挺着颀长的身体,带着公文包,头顶鸭舌帽,在中关村特楼13楼与力学所之间步行往返,路上碰到认识的人便和蔼可亲地打个招呼。1960年他到二机部九院兼职后,才偶有小车接送去九院。

1960年,中央为了纠正“大跃进”的错误,提出“调整、巩固、充实、提高”的方针,力学所又恢复了学科建制。1961年初,力学所成立了专门从事基础性学科研究的物理力学研究室和电磁流体力学研究室,分别由钱学森和郭永怀指导。1961—1964年“四清运动”前,力学所的科研发展经历了一个短暂的稳定期。

早在1964年,郭永怀就注意到了带灰尘粒子的高超声速流动现象,早于国外同行提出云粒子侵蚀问题。

战略工程师郭永怀

20世纪六七十年代,中科院及力学所承担了不少国防科研任务。在任务执行中,郭永怀一有机会就强调,要搞工程科学,而不能搞技术;我们要懂得工程师的语言,但是我们要做工程科学。

1965年,科学院紧急布置“541任务“,研制超低空地对空导弹发射装置,组织化学所、自动化所和大连化物所等一批科技人员参与,郭永怀被任命为总设计师。尽管不少人对任务本身的性质和安排有不同意见,郭永怀出于对国家任务的责任心,鼓励大家以科学认真的态度做好工作,任务进展颇快。后来此事虽夭折,但他的贡献功不可没。

6郭永怀领导研制的541超低空地对空导弹发射装置

1965年4月至6月,郭永怀亲自草拟了给科学院的反导弹研究报告,以及632任务(后改为640-5工程)10年规划,开展围绕导弹在飞行中所产生的物理现象的理论研究。

1966年7月力学所大批科研人员从农村”四清“回所以后,郭永怀想方设法使科研工作正常运转起来,组成任务组。

针对有些人急于求成的情况,他告诫人们一定要头脑清醒,实事求是,这样不会吃大亏。他更是不遗余力地倡导理论与实验相结合,认为解决“弹头再入气动物理”这样复杂的问题,有效途径之一是在地面实验条件下,用经过模拟实验结果证实了的理论计算去预测”天上“的事情。

主张发展航天,领导人造卫星主体设计

1957年11月,苏联人造卫星发射后,他就参加了中科院星际航行座谈会,极力提倡我国发展航天事业,就运载工具、推进剂、气动力和气动热等许多关键技术问题提出了重要见解。

第四次座谈会上,他对宇宙飞船回地面临的气动力、气动热、烧蚀防护和回地轨道等提出了细致的分析,甚至提出了返地时利用举力面的设想。

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1960年5月16日 钱学森和郭永怀在中科院力学所召开座谈会,讨论苏联宇宙飞船上天

1965年,我国正式将人造地球卫星提上议事日程,他亲自负责人造卫星本体设计的领导工作。

教育家郭永怀

即使工作再忙,在完成科研任务外,郭永怀还是用去不少时间培养研究生。

培养研究生,为国树才

在学生眼中,他知识渊博又平易近人,言语不多却极富哲理。他曾经为北京大学力学专业流体班授课,担任了1956—1959中科院与清华大学合办的工程力学研究班主任,在中国科技大学创办化学物理系,担任主任,并多次为该校近代力学系学生讲课。

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1958年11月20日郭永怀给力学研究班学员讲课

他亲自选定普朗特的名著《流体力学概论》作为力学班基础课《流体力学》的教材。虽然许多专业词汇还尚不能用中文准确表达,但他却坚持用中文上课。

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1960年1月13日,郭永怀(左二)与钱学森(左一)等科学家一起研究教学工作

他讲课时板书少,喜欢用形象或类比的方法把流动现象的物理概念讲清楚,再用简洁的数学公式表达出来,直接省略掉数学推导和派生的结果,让学生去自学。很多学生非常不适应他这种教学方法,叫苦不迭,多有埋怨。可直到多年后他们自己做教师时,才体会到郭先生的讲课境界需有极其精湛的学问。

101958年郭永怀指导学生

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郭永怀(右一)在解答研究生提出的问题(左一是李家春,左二是戴世强,左三为陈允明,系1960年代在力学所指导的三名研究生。)

他为新中国培养出一大批优秀的力学人才,这些人后来多成为我国力学事业的中流砥柱,并涌现出多位院士。

承担管理工作,整顿科研秩序

在繁忙的科研工作之余,他还承担了力学所繁杂的组织管理工作,整顿科研秩序。

他亲自抓所图书馆每月的外文期刊增订,避免重复浪费。在他的直接管理下,图书馆很快成为全院最好的图书馆之一。

1957年召开全国第一届力学大会后,了为了促进国内力学学科的发展,郭永怀创办《力学学报》,并任第二任主编。他在审稿时严格把关,对于一些人站不住脚的“新发现”不置可否,为杂志发展提供了高起点,很快这一学报成为全国最好的学术期刊之一。

促进国际交流,拓展研究视野

他还积极发挥自己国际交流的优势,拓展力学所的研究视野。

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1959年11月郭永怀赴罗马尼亚参加国际力学会议

1959年11月,他参加罗马尼亚布加勒斯特国际力学会议。

1960年,他参加了全苏联第一届理论与应用力学会议。郭永怀为团长,成员有清华大学副校长张维和力学所柳春图。他们与苏联知名专家就国际上学科发展方向,苏联已取得的理论和应用研究成果进行深入探讨。

众所周知,郭永怀在国防部门的领导岗位上也做出了重要贡献。

经钱学森介绍,1960年郭永怀到负责核武器研制的第二机械工业部第九研究所工作。他介入核弹研制,担任第九研究院副院长,主管总体设计、结构强度和环境实验,为我国第一颗原子弹爆炸做出了重要贡献。

1968年,他还作为主抓业务的副组长,领导组建了中国空气动力研究与发展中心。后来该中心正是按照他的规划,不断发展壮大,建成了亚洲最大的风洞群。

1968年12月5日,郭永怀在由青海核试验基地返回北京的途中遭遇空难,不幸逝世。12月25日,中华人民共和国内务部授予郭永怀烈士称号。1999年,他被以烈士身份追授“两弹一星”功勋奖章。

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1964年第一颗原子弹试验后场区集体照(前排左起王汝芝、张蕴钰、程开甲、郭永怀、彭桓武、王淦昌、朱光亚、张爱萍、刘西尧、李觉、吴际霖、陈能宽、邓稼先)

纵观郭永怀先生回国后的十二年,他服从国家的需要,担当了科学家、教育家和战略工程师三重角色,为我国力学事业、国防科技事业和航空航天事业贡献了毕生精力。

李佩深知郭永怀对力学所的感情,2007年,这位生活简朴的老人将全部积蓄取出,分别向中科院力学所和中国科技大学的“郭永怀奖学金”捐赠三十万元;2013年,郭永怀先生104岁诞辰之际,她将自己最珍贵的藏品——郭永怀生前使用的留英纪念章、精美计算尺、浪琴怀表,以及1968年郭永怀牺牲时的遗物——被火焰熏黑的眼镜片和手表悉数捐给力学所。同年,郭永怀逝世45周年之际,她又将30万继续捐给力学所。

先生的不幸早逝是我们科技界的一大损失,他对祖国和人民的热爱,历史不会忘记;他甘于奉献的精神和深厚的家国情怀,将永远传承。

斯人已去,风范永存。

感谢中科院力学所谈庆明老师帮忙审改;文中图片主要引自《家国情怀 大师风范—“两弹一星“元勋郭永怀》一书,在此致谢

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这是一份赏樱指南,请查收!

作者:姚小燕(中国科学院水生生物所)

樱花

诗人云:“山樱抱石荫松枝,比并余花发最迟。赖有春风嫌寂寞,吹香渡水报人知”。

兼具梅之幽香,桃之艳丽,热情悲壮的樱花,成为这个季节大家最深的期待。

即使天气还未完全退去寒意,很多人却早已按捺不住要邂逅樱花的冲动,从大理的满城樱飞,到武汉大学的樱花季,与樱花邂逅似乎成为这个春天的一项趣事。

而最热衷于赏樱的必然要数日本,在日本,关于赏樱,有个特别的词“花见”,英文称之“Hanami”。每当“花见”时期,约上亲朋好友,一起出门,赏樱聚会两不误。

但是,你知道吗?樱花并不是一种花,而是许多种和品种的统称。

Sakura

野生的樱花起源于几百万年前的喜马拉雅,我们现在观赏的樱花,主要是用日本的核心种培育出来的,在日本的观赏樱花里,其实有五大原种亲本,它们分别是:寒绯樱、山樱、霞樱、大岛樱、江户彼岸。

这些基本上是我们常见观赏樱花的祖先。

“先祖”樱花

寒绯樱

寒绯樱

寒绯樱(图片来源:ll三月三)

寒绯樱也叫钟花樱桃

日本称之为寒绯樱,顾名思义,开在寒冷的早春的红色樱花,准确来说,应该是花色为紫红色。

寒绯樱最大的特点就是它的钟形花冠,花序就像一个个串着的长铃铛,与其说是樱花,倒不如说是更像樱花。

当然,寒绯樱确实可能算是中国内地一年里最早开放的樱花,花期一般在2月中旬,也就是在早春时分气候尚未回暖的时节便开花。

寒绯樱钟形花冠

寒绯樱钟形花冠

大岛樱

大岛樱,日本樱花的灵魂,是非常重要的原种。

我们常说,观赏樱花源自日本,主要原因是大岛樱是观赏樱花的主要亲本。

日本晚樱基本都是它的后代,早樱和中樱中它也无法缺席,最有名的早樱,染井吉大岛樱野,就是大岛樱和江户彼岸的杂交种。

它也是原生种樱花中花朵最大的、花量最密集的,花期4月初,花叶同开,花白色,单瓣,呈伞房状开放,直枝平展,花叶同放。

最重要的是,它的花朵带有香味,并且它的叶子加工后可以食用,还是日本国人传统的风味食品。。

大岛樱

大岛樱

山樱

山樱花,又叫福岛樱或青肤樱

这是中国引种最多的一种樱花,以其品种花色多样,花期较长而获得日本乃至世界各地的喜爱。

它虽然和大岛樱非常像,但不同的一点是,它没有香味

它的花比大岛樱小一些,花梗也没有大岛樱长,花瓣有单瓣、重瓣、半重瓣,花色有大红、粉红、白色及淡绿,花、叶齐放,生长茂盛;4月初开花,花期较长,可持续15-20天以上。

白居易也有诗云:“亦知官舍非吾宅,且掘山樱满院栽,上佐近来多五考,少应四度见花开”。

江户彼岸樱

说到江户彼岸樱,这种樱树很健壮,树龄较长,很多都是高达15-20米的大树。

江户彼岸樱独特的花筒、还有带毛的花梗,是它最大的特点,最早的重瓣樱花和垂枝樱花,也就是八重彼岸和八重垂枝,就是由江户彼岸樱发展而来。

江户彼岸樱 图片来源:中国园林网

江户彼岸樱

霞樱

霞樱,花与叶同时生出,花色幽香艳丽,为早春重要的观花树种,我们常见的山坡、庭院、路边、建筑物前都可以种植霞樱。

霞樱盛开时节花繁艳丽,满树烂漫,如云似霞,极为壮观,故得此名。人们大片的种植,使其呈现出”花海”景观。

霞樱的花色多为白、粉,花每支有三五朵,伞房状或总状花序,萼片水平开展,花瓣先端有缺刻,花白色或淡粉红色,花期3月-5月。

对于吃货来说,霞樱樱花可以做寿司,叶也可加工制做为腌菜,不失为美味。

霞樱

霞樱

赏樱也分“早中晚”

在樱花界中不仅仅有这五种“先祖”樱花,细分起来还有许多品种,根据花期的不同,不同品种的樱花也略有区别。

一季的樱花要是按时间分起来,有早樱、中樱、晚樱和冬樱的说法,当然,这不是标准的植物分类名。

根据开花时间早晚,分为开花时间在2月底-3月中旬的早樱;开花时间在3月中旬-4月初的中樱;开花时间晚于4月初的晚樱;而冬樱,一年往往可以开两次花,一次在春季,与中樱同期,一次在10月初到11月上旬。

梅花谢后樱花绽,浅浅匀红。

梅花谢后,就是早樱的天下。

如今常见的早樱主要有:椿寒樱、大寒樱、河津樱、修善寺寒樱、大渔樱,它们都是单瓣花。

早樱的代表河津樱,其实是杂交种,花蕾红色,花粉红色,花瓣5枚,近圆形,目前推测河津樱的其中一个亲本是大岛樱,另一个确定的亲本是寒绯樱。

河津樱

河津樱

而另一种椿寒樱,和其他早樱相比,有着比较突出的一个特征——花蕊长。

这个特点遗传自它的一个重要亲本:樱桃。椿寒樱是樱桃和寒绯樱的杂交种。

椿寒樱

椿寒樱

三月雨声细,樱花疑杏花。

三月正巧是中樱绽放的季节,中樱的代表种是染井吉野樱,又名东京樱花、日本樱花、江户樱花。一般被认为是由大岛樱和江户彼岸樱杂交的结果。

染井吉野樱2

染井吉野樱

染井吉野樱目前是栽培最为广泛的樱花之一,我们对樱花的印象大多来于此。

花期在3月中下旬的染井吉野樱,单瓣花,淡粉红色,4~5朵花形成总状花序,花色由淡红色逐渐转白,开花量特大。萼片及花梗上有毛,树形高大,可达10~15米。花先叶开放,是非常优秀的樱花品种。

由于染井吉野樱在日本全国广泛分布,每年三月日本气象厅所发表的樱前线预报,也是采用它作为基准的。

染井吉野樱3

染井吉野樱

樱桃落尽春将困,秋千架下归时。

清明假期过后,大部分樱花品种都会开始凋零,到4月中旬,日本晚樱将会接过樱花季“接力棒”,成为压轴戏。

关山樱,俗称“红缨”,是日本晚樱的代表种。同时也是八重樱的一个代表性品种,在中国广泛栽种。

关山樱花叶同开,春叶紫褐色,花蕾红色,花粉红色,花瓣33—35 枚。浓妆艳抹,满满是热情的奔放感。

关山樱

关山樱

人说“十日樱花作意开,绕花岂惜日千回”,这也足矣说明樱花的花期十分短暂。

其实,整棵樱树从开花到全谢大约只有16天,这也形成了樱花边开边落的凄美之景。

在日本,也有一名谚“樱花七日”,即一朵樱花从开放到凋零大约为7天。

这也引得人们每年在樱花季纷纷前往日本观赏,只因为这粉红的一簇实在是“开花占得春光早,雪缀云装万萼轻”,来时浪漫而盛大,归时惊世而不俗。

动2

樱花漫天的季节,你心上的人儿说不定在等你回来哦~❤

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