2009年11月25日星期三

科学松鼠会

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[小红猪]生命自己的生命——合成生物学指引我们向何方?(上)

Wed, 25 Nov 2009 20:51:39 +0800

译者:绵羊c  原文见

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当Jay Keasling在大约10年前第一次听到"青蒿素"这个词的时候,他完全不知道这是什么玩意儿。 "毫无头绪。" Keasling,这位来自伯克利加州大学的生化工程学教授如此回忆道。尽管青蒿素已经成为了世界上最重要的治疗疟疾的药物,Keasling并不是传染病方面的专家。但他非常凑巧的参与了一门新学科的创造过程:合成生物学——结合了工程学,化学,计算机以及分子生物学——一门致力于集合必要的生物工具来重新设计这个大千世界的新兴学科。

科学家们熟练操控基因的时间已经长达几十年了;在各种各样的微生物中插入,剔除又或者改变基因,已经是万千实验室中的常规操作了。Keasling和他那些来自全世界并且数量急速增加的同事们却有着一些更加激进的念头。他们尝试着利用基因的序列信息和人工合成DNA,去改装细胞的新陈代谢路径从而使得细胞具有全新的功能,例如生产化学物质和药品。他们的最终目标是尝试从无到有地构建基因——以及新的生命形式。Keasling和其他人所做的是整合那些用以铸造新系统的生物因子——来自麻省理工学院并且参与创立这个领域的资深科学研究者Tom Knight将它命名为"生物砖石"。每一块生物砖石都由标准化的DNA片段组成,可以被用于创造或修改细胞。

"如果你的硬盘挂了,你可以去最近的一家电脑用品商店,买一个新的然后换上,"Keasling说,"因为它是一个按照标准而制作的机器部件。整个电子行业都以即插即用为宗旨。拿到一个晶体管,把它插进对应位置,大功告成。在一部手机或者笔记本电脑中可以用的零部件,在另一台中照样可以用。这个原理也同样适用于几乎所有的东西:当你去Home Depot(家得宝)买东西的时候,你不用考虑你买的那把螺栓的螺纹尺寸,因为它们全是按照统一标准制作的。为什么我们不以同样的方式应用生物学呢?"Keasling和这个领域中其他人的工作地点,分属于旧金山海湾地区和麻省剑桥市,地跨北美两端(或者说"Keasling和这个领域中其他人的工作地点,分属于美国东西海岸的旧金山海湾地区和麻省剑桥市")这些人视细胞为硬件,基因编码为软件,努力令这个新系统运行起来。合成生物学家相信,只要有足够的知识信息,他们可以写出控制基因组件的程序——使他们不仅可以改变自然,甚至可以引导人类演化的过程。

从来没有任何科学成就许下这样不可思议的承诺,也没有哪个科学成就曾背负着如此巨大的风险,或者有着如此清晰的被蓄意滥用的可能性。新技术所带来的好处——从转基因食品到药物学奇迹——经常会被夸大其词。但如果合成生物学成功了,他们将把特化的分子转化为可以自给自足的微型工厂,制造出便宜的药物,干净的能源,还可以造出新型生物,帮我们吸走大气中多余二氧化碳。

2000年,Keasling致力于寻找一种可以展现合成生物学工具作用的化学物质。他把目光投向了一类叫做类异戊二烯的有机分子,这类物质与和多种植物的香味、口味甚至颜色都息息相关,例如桉树,姜,肉桂,还有向日葵的黄色和番茄的红色。"有一天一个研究生过来跟我说,'看看这篇论文,是有关青蒿酸(青蒿素前体)合酶的,'"Keasling告诉我说,那时我们正在他位于Emeryville的办公室,与旧金山隔了海湾大桥遥遥相望。他刚刚被任命为能源部新设立的联合生物能源研究所CEO,这个研究所是三个国家实验室和三个大学联合研究的一部分,以Lawrence Berkeley国家实验室为首。这个联合组织的首要目标就是设计并且生产一种排放很少或者不排放温室气体的新型人造能源,这也是Obama总统最常提到的需要优先解决的问题。

Keasling不知道应该怎样回答他的学生。"'青蒿酸,'我说,'那是什么?'他告诉我那是青蒿素的前体,而青蒿素是一种有效的抗疟疾药。我从来没有研究过疟疾。但是我做了简要的调查,很快意识到这个前体同我们计划研究的东西同属一类。我想,青蒿酸也是一个不错的研究对象。让我们行动吧。"

疟疾每年大约会感染5亿世界上最贫困的人,并且致使其中多达100万人丧生,丧生者多数是5岁以下的儿童。几个世纪以来,标准的治疗方法是使用奎宁,或者是其衍生物氯喹。由于氯喹每剂量只需10美分,便宜又简单易合成,它拯救了数以百万的生命。但是到了90年代早期,最致命的传播疟疾的寄生虫——Plasmodium falciparum(镰状疟原虫)——对这种药产生了抗药性。更糟糕的是,候补的治疗药,乙酰嘧啶磺胺多辛,或简称SP,也大规模地失效了。青蒿素与其他药物的联合使用,就成为了唯一一种始终有效的治疗方法。(对于某一种药物的依赖会增加疟原虫产生抗药性的几率。)在西方被称为黄花蒿或者甜艾的这种草药,含有青蒿酸,在很多地方大面积的生长,但是供应量却在各地差异很大,当然,差异很大的还有价格。

对青蒿素的严重依赖,尽管是逼不得已,却带来了严重的后果:联合治疗法的成本高达氯喹的十到二十倍,并且尽管国际慈善组织给予越来越多的支持和帮助,这笔钱对于大多数非洲国家来说依然是天文数字。青蒿素的获得过程并不简单。黄花蒿一旦收获,叶与茎都必须要尽快处理,不然在紫外线的照射下有效成分会很快被破坏。产量低,成本高。

尽管几千名亚洲和非洲的农民已经开始种植这种植物,世界卫生组织(WHO)预测未来几年内的年需求量——每年多达5亿个疗程——将远远超过供应量。如果这些供应被切断,后果将是无法预料的。"没有青蒿素,我们的治疗水平将倒退至少几年,甚至几十年,"Kent Campbell,疾病控制与防治中心疟疾部的前负责人以及非赢利性医疗机构PATH疟疾控制项目的现任负责人如是说。"你可以随便设想出一些理论上的世界性公共医疗灾难。但这一次不是理论上的了,而是真实的。没有了青蒿素,数以百万计的人将死去。"

Keasling意识到如果合理利用合成生物学的工具,就可以完全不受自然条件控制,提供一个充足的新的青蒿素来源。如果每一个细胞都变成了它自己的小工厂,生产出制作药物所需的化学物质,那么就不再需要繁复且成本很高的生产过程了。为什么不试着由基因片段出发,构造一个细胞去生产青蒿酸呢?Keasling和他的团队需要拆开一些不同的生物,然后将几十种基因的一小部分分别拿出来,拼凑成为特定目标量身订做的DNA包裹。之后他们需要构建一个新的新陈代谢通路,使得细胞可以利用化学通路完成自己的任务——一个在自然界中不存在的任务。"我们认为人类历史已经发展到了一个阶段——一个我们不必再被动的接受自然所给与的东西,"他这样对我说。

2003年,这个团队公布了他们的第一次成功经验,他们在《自然——生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上发表论文,描述科学家们如何通过将三种不同生物的基因插入大肠杆菌(世界上最常见的细菌之一)中,从而创造了新的路径。这个研究帮助Keasling从Bill and Melinda Gates基金会拿到了一笔高达四千两百六十万美金的研究资金。Keasling感兴趣的并非简单证明这门科学确实行得通;他希望将这门科学大规模应用以抗击疟疾。"生产几毫克青蒿素好比是变一个干净利落的科学戏法,"他说。"但是如果我们所能做的只是在Berkeley的实验室里做一个精彩的实验,那么对于非洲的人们没有任何用处。我们需要把它变成工业规模的生产过程。"要把科学变成产品,Keasling协助建立了一个新公司,Amyris生物技术公司,进一步完善最初改造出的微生物,并且找到更具有效率的生产方法。10年之内,Amyris已经将每个细胞可以生产的青蒿酸的量提高了100万倍,使得每一剂量的药品成本从10美元下降到了不到1美元。

Amyris随后和旧金山的一家非营利性药品生产商美国人类健康研究所(Institue for OneWorld Health)合并,2008年他们跟一家巴黎的药品公司Sanofi-Aventis签署了一份协议来生产这种药,并且希望可以于2012年以前上市。科学界对此满怀敬意——他们的青蒿素被视为合成生物学第一个真正意义上的产品,证明了我们不需要仰自然之鼻息才能化解迫在眉睫的世界危机。但是也有一些人担心合成青蒿素将带给数千个已经开始种植甜艾的农民带来什么影响。"如果California实验室里的培养桶替代了农场,那些辛苦劳作在亚洲和东非的农民要怎么办?"Jim Thomas,ETC小组(加拿大的一个科技监督团体)的一位研究者发出了这样的疑问。Thomas指出,对这种从如此根本的层面改变自然的行为,一直以来很少人有谈论其所带来的伦理和文化冲击。"科学家们在制造从未存在过的DNA序列,"Thomas说,"所以它们不存在比照物。因此没有一个达成共识的安全体制,没有政策约束。"

Keasling也相信国家需要考虑这项技术的潜在影响,但他很疑惑,为何有人反对这种即将成为世界上最稳定最便宜的青蒿素来源的技术。"如果我们假设,现在面临危机的不是青蒿素而是抗癌药物,"他说,"并且整个西方世界都只能依靠中国和非洲的农民,我们甚至不确定他们是否将继续种植这些作物。同时很多的美国孩子都因此死去。看看这样的世界,看你敢不敢告诉我我们不应该发展这项技术。绝不是那些离疟疾如此之近的非洲人民在说'停止这项技术吧!'"

青蒿素还只是第一步,Keasling希望可以有更大规模的项目。"我们应该能够在微生物中合成任何一种我们想要的植物成分,"他说,"我们应当掌握所有的代谢途径。如果你需要这种药物:好的,我们提取这个部分,这一段。把它们放进微生物中,两个星期以后就可以得到你想要的产物。"

Amyris公司在发展新能源的时候就是这样做的。"青蒿素是一种烃类,我们构建了一个微生物的平台用以生产它,"Keasling说。"我们可以去掉一些基因然后放入一个不同的基因,青蒿素就变成了生物燃料。"Amyris在John Melo(一位曾就职于英国石油公司的资深执行官)的带领下,已经制造出了三种可以把糖类转化为燃料的微生物。"我们还有很多东西需要去学习,还有很多问题亟待解决,"Keasling说。"我非常明白这让许多人焦虑担忧,也明白其中的原因。任何一种如此强大的新生事物,都意味着麻烦。但我不认为泥足于过去就可以给我们未来想要的答案。"

在最初的40亿年间,地球上的生命是完全按照自然的好恶成形的。在选择与几率事件的推动下,最高效的基因被保留下来,演化的过程使得他们得以繁衍欣欣向荣。漫长却绚丽的达尔文演化过程在不断的尝试与错误、挣扎与生存中缓缓前进,持续了千万年之久。然后在大约一万年以前,我们的祖先开始聚集为村庄,种植农作物,蓄养动物。石斧与织布机逐渐出现,并且帮助人们种出更好的庄稼,带来更丰富的食物来源,从而可以养活更多人。羊猪等家畜的繁殖逐渐让位于金属的冶炼和机器的制造。纵观整个过程,新生事物总是以其特有的力量横空出世,伴随着其他事物的黯淡失势。

到21世纪初,我们用分子生物学改造生命最小组成部分的能力已经如此之强,即便是对这种能力运用得最娴熟的人,也不敢声称自己完全了解这种力量。人类对于自然的掌控力已经在几个世纪前被预言——Bacon(培根)坚持相信这种控制力,而Black(布雷克,我想此处作者应是指William Blake,1757-1827,英国著名诗人,画家和雕塑家——译注)则表现出深深的畏惧。可是从孟德尔(Gregor Mendel,遗传学先驱)揭示出豌豆植株的遗传特征——包括植物的形状、大小还有种子的颜色等等——,以及它们一代一代的传承方式,从此使得这些特征可以被预测,被重复,被写入遗传定律,到现在仅有100年出头。

从那时开始,生物学的核心工作就变成了破译密码,并且学习解读密码——从而了解DNA到底是如何创造和延续生命的。生理学家Jacque Loeb把生命的人工合成看做是生物学的目标。1912年,近代生物化学的奠基者之一Loeb,在文章中写到没有任何证据表示"人工制作活体物质在科学范围内不具备可能性,"并且声称,"我们要么成功完成生命物质的人工合成,要么必须找到行不通的原因。"

1946年,诺贝尔奖获得者遗传学家Hermann J. Muller曾经做出过此类尝试。他通过展示活体细胞的基因和染色体可以在X光的照射下发生变异,第一次证明了遗传原来可以被自然选择以外的其他因素所影响。但是他不确定人们是不是可以有责任感地利用这个信息。"如果我们掌握了这种知识和力量,毫无疑问最终我们一定会使用它,"Muller说。"人类是动物中最为狂妄自大的——他们看到高山就会努力建造出像高山一样的金字塔,如果他们看到演化这样一个伟大的进程,并且认为自己完全够格加入这种大自然的游戏,他们就会带着轻蔑不遗余力去尝试。"

生物演化理论解释说地球上的每一个物种都同其他物种有着某种联系;更重要的是,我们每个人的身体里都遗有历史的记录。1953年,詹姆斯· 沃森(James Watson)和弗朗西斯· 克里克(Francis Crick)通过揭示DNA的自身结构,使得解读这种历史记录成为了可能。这种语言只有4个化学字母——腺嘌呤,胞嘧啶,鸟嘌呤和胸腺嘧啶——以庞大的核苷酸链为形式。当它们被结合在一起,其序列就可以决定人类为何各有各样,并且与其他的生物也迥异不同。

到20世纪70年代,DNA重组技术已经使得科学家可以把长长的不便于使用的核酸分子切成易于使用的基因片段并且把他们粘贴进其他细胞当中。突然之间,研究者们居然可以将两种在自然中绝不可能相交的生物的基因连接在一起。尽管这种技术前景广阔,但它们又使得科学家们可以将病毒以及造成癌症的微生物,从一个生物中转移到另一个生物中。这会造出没人可以预料到的新疾病,并且相应的没有任何天然的防御措施,治疗方法或者治愈的把握。1975年,世界各地的科学家们聚集到了位于北加利福尼亚州Asilomar会议中心,商讨这项新技术所可能带来的危机与挑战。他们的目光主要集中在实验安全和环境安全,并得出结论这个新领域需要一些规章制度。(并没有任何真正关于蓄意滥用的讨论——因为在那个时候,还没有看到有讨论它的需要。)

当回忆起30年前的事情,当时的会议组织者之一,诺贝尔奖获得者Paul Berg写道,"这次独一无二的会议,开创了一个史无前例的时代,对科学而言如此,对科学政策的公开讨论亦如此。它的成功令在当时充满争议的DNA重组技术得以蓬勃发展。现在DNA重组技术在生物研究中占有重要地位。它既是问题的源泉,又是开启答案的钥匙。"

DNA解码工作曾经单调而冗长。一个科学家用整整一年,可能成果只有10或12个碱基对长度的片段。(我们的DNA由30亿对这样的碱基对组成。)到上个世纪80年代末,自动测序机大大简化了这个过程,而今天的仪器可以在几秒内就处理完信息。另一种新的工具——聚合酶链式反应(PCR)——最终将数字世界与生物世界真正结合在了一起。科学家可以使用PCR选择一个DNA分子并复制很多次,使之更容易操控和测序。这使得细胞对于科学家来说,变成了装载着以最简明方式排列的数字信息的复杂包裹。

研究者们用这些技术,让塔斯马尼亚虎——这种世界上最大的有袋食肉类动物,同时也是已经在70年前灭绝的动物——的DNA复活了。2008年在墨尔本,来自墨尔本大学和位于美国休斯敦德克萨斯大学M.D.癌症中心的科学家们从一个保存于维多利亚博物馆的组织中提取出了DNA。他们将老虎体内负责编码胶原蛋白的基因片段提取出来并放入老鼠胚胎中。这些DNA启动了对应的基因,老鼠胚胎开始产出胶原蛋白。这标志着第一次成功让已灭绝生物的组织(病毒除外)在另一种生物体内正常运作。

这绝对不是最后一次。一个来自宾夕法尼亚大学的小组一直致力于研究两只长毛猛犸的毛发样本——两只猛犸一头六万岁,一头八万岁——他们给出了一种尝试性的方案,来修改猛犸的DNA然后放入大象的卵子中。这样猛犸就可以被象妈妈生出来了。"毫无疑问看到一头活的,会呼吸的长毛猛犸多么令人雀跃——一个长满粗毛,长牙卷曲,令我们想到又大又圆的毛绒玩具,而不是吓人的霸王龙,"Times在得知这个发现后不久如是评论。"我们只是不确定猛犸是否也像我们一样开心。"

不过最终极的目标是创造出一个仅由化学物质和DNA蓝图构成的合成生物。在90年代中期,在基因研究所(the Institute ofr Genomic Research)工作的Craig Venter,和他的同事Clyde Hutchison以及Hamilton Smith开始思考他们能否将生命还原至它们最基本的组成部分,然后用这些基因重新造出这样的一个生物。他们开始修改一种叫做生殖道微浆菌(Mycoplasma genitalium)的小细菌的基因组,其中包含482个基因(人类有大约两万三千个基因)和58万个碱基对,它们都排列在一个环形的染色体上——这是已知实验室培养出的最小的染色体。之后Venter和他的同事将染色体上的基因一个一个去掉,试图找到可以维持其生命活性的最小基因组合。

Venter把这个实验叫做最小化基因组工程。到2008年初,他的小组已经制作出了数以千计的化学合成DNA片段,并把它们组装成了一个新版本的生物体。然后他们完全摆脱mycoplasma genitalium的基因组,仅用化学物质制造出了产物。"我们在这里所使用的方法,都不仅仅局限于合成DNA,"Venter在他那篇后来发表在Science上的工作报告里如此记录。"以自己想要的顺序组装出任意组合的人工或天然DNA,应该是可以实现的。"这也许是科学发展史上最轻描淡写的表述之一。接下来,Venter尝试把人造染色体作为一个"启动装置"植入另一个细胞的细胞壁中,因此而产生了一种可以自行复制DNA的新的生命形式——第一个真正意义上的人造生物体。(积极分子们已经将这个新生命体命名为Synthia。)Venter希望Synthia以及类似的产品可以在将来成为运载不同基因包裹的容器。比如说,一个包裹也许可以生产出一种特定的药品,而另一个包裹里的基因是为消耗大气中的二氧化碳而设计的。

2007年理论物理学家Freeman Dyson在参观了在费城花卉展及圣地亚哥爬行动物展之后,在纽约时报书评(The New York Review of Books)上发表了一篇文章,写道"每一朵兰花或玫瑰,每一只蜥蜴或蛇,都是一位甘愿奉献自我而又熟稔培育技巧的培育者的心血。成千上万的人,不论业余的或者专业的,把他们的人生贡献给了这个行业。"当然,这也是我们在千百万年来一直做的事情,尽管方式可以不尽相同。"现在想象一下,如果基因工程的工具也到了这些培育者的手上,会发生什么。"

Dyson向我们描述了这样的场景:新生物种被创造出来,多种多样欣欣向荣……设计基因组将成为一种个人行为,一种新的艺术形式,就如同绘画与雕刻。只有极少数的创作能够成为伟大的作品,但是很多的作品都给他们的创造者带来快乐,也使我们的动植物更加多样。"看来完全为人类所驾驭的生物技术将这个景象带到我们身边,只是时间问题。

生物技术游戏可以供"低至幼儿园年龄的小朋友们玩耍,他们要用真正的蛋和种子,"制造出全新的物种——比如云雀。"这些游戏可能一团乱甚至具有一定的危险性,"Dyson写道。"需要设定条例与规则来保证我们的孩子不会伤害到自己或者别人。这些生物科技的危险可是实实在在而严重的。"

地球上的生命是沿着弧线发展的——这个过程始于大爆炸,演化至一个聪明的毛头小子也可以从冷水鱼中提取基因,引入草莓中,以防止草莓被冻坏。你不必变成一个勒德分子(即反对新技术的人)——或者查尔斯王子,他的著名论调是这个世界将会在贪得无厌和失去控制的科技发展中变得一片灰暗——都会想象到,如果合成生物学取得了成功,那么可能我们创造的世界就会替代达尔文的演化构建出的这个世界。

"很多科技都会在某种情况下被认为是对上帝的冒犯,但也许其中没有任何一个可以像合成生物学这样引发如此直接的控诉,"Nature的编辑——一群仍旧支持这项技术的人们——于2007年这样写道。"因为开天辟地第一次,上帝也有了竞争者。"

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【专题:酒说】从啤酒泡泡到陶瓷蛋糕

Wed, 25 Nov 2009 16:24:11 +0800

popo松鼠会小庄推荐给我一篇论文:《Champagne Experiences Various Rhythmical Bubbling Regimes in a Flute》。作者做了一个有趣的研究:他专门研究了喝香槟或者啤酒的时候经常能观察到的来自瓶底的气泡,气泡似乎很有韵律,有时候能均匀地不断从一点吐出来,有时候又变了节奏三两成群地出来。这帮科学家要了解的是:什么控制了气泡的呼吸频率和节奏?

而在我看来,这篇文章首先证实了这样一件事情:科学都是小资的,不小资就没法对着酒杯数泡泡。科学家们甚至把香槟酒杯搬到实验室里面,用高速相机对气泡进行写真,结果发现气泡原来是从杯底一些纤维素管中吐出来的!纤维素管是从空气中的毛织物或者抹布带来,玻璃容易带正电,当然也就容易静电吸引一些空气中的纤维灰尘。

纤维管吐泡泡的物理过程很有意思,一般香槟酒或者啤酒中都过饱和了二氧化碳来增加口感,当酒水倒入酒杯后,荡入杯底的纤维管成为了气泡的成核中心:过饱和的二氧化碳通过液固气界面释放进纤维管中,一旦管内气泡鼓出,酒水又会重新填充纤维管,进行下一轮的二氧化碳释放和堆积。在不断地吸收-释放-膨胀-排出过程中,我们看到了如珍珠链一般美丽的气泡不断升腾……

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当然对于我这种外行,看到的仅仅是一种过程,这几位科学家却发现纤维管居然存在着几种有规律的吐纳节奏,并且尝试用科学手段来解释。可能最有趣的结果是这几位老兄每天都会醉醺醺地离开实验室,多么值得羡慕的实验室啊!

这让我想起两年前在筑波时写过的一篇文章《筑波SEMINAR之十五:单壁碳纳米管喜欢喝绿茶》,里面讲述了一帮日本科学家用绿茶去喂碳纳米管,结果发现绿茶中含有苯环结构的杂多酚还真促进了碳纳米管的水溶性。

YY问我:陶瓷中是否喜欢泡泡,陶瓷如果填充满了泡泡岂不是成了蛋糕?

我要说,一部分人对这些残留在陶瓷中的"气泡"恨之入骨,也有陶瓷学者欣喜若狂。

在去年《Science》的一期中就专门请学者进行正反方陈述:一方说"Toward Pore-Free Ceramics";另一方大呼着"In Praise of Pores"。

实际上,双方并没有冲突之处,只不过各自的研究矢量不太一样。陶瓷要获得高强度和高可靠性,就必须减小内部的气孔率,这对于陶瓷粉体的控制和烧结工艺的设计都一直是严峻的考验。气孔的存在不仅成为材料疲劳断裂的触发点,而且也恶化了光学透明性和成为了介电击穿的罪魁祸首,所以陶瓷研究一直都是把获得均匀致密的微观结构作为主要使命。

但是另一方面,我们又可以提高陶瓷体的体积气孔率甚至达到90%,充分发挥陶瓷材料的耐高温耐腐蚀已经传热导电等能力,使得单位质量的功能性得到最大程度地提高。严格地说,后者研究已经超越了传统对陶瓷的理解,这里我们甚至把陶瓷体作为微观相的组成单元,而不是单一"整体"的概念。

在某些特殊应用中我们可以明显看到这种材料设计的好处,比如说,作为高温分离材料多孔陶瓷可以滤过低熔点的金属而阻挡高熔点的无机物,作为生物材料多孔陶瓷可以同时满足一定的强度和其中的生物相容性,作为催化载体多孔陶瓷能充分发挥高温稳定性以及高比表面特性,作为隔热材料多孔陶瓷还可以在太空中经受高真空和大剂量辐射的考验等等。

(致密陶瓷排除气孔的过程)

(致密陶瓷排除气孔的过程)

陶瓷蛋糕制备方法倒是非常简单,大致说来有三种方案可以选择。

第一种方案和做蛋糕真有些相似,因为原料中不仅有陶瓷前驱体还有低沸点的溶剂或者膨化剂(如聚氨基甲酸甲酯等),这样在低温下溶剂不断蒸发和膨化剂体积膨胀的作用下,陶瓷前驱体在泡沫界面上脱水固化直至在高温下煅烧成型。这种方法当然是适合山寨界使用的,简单易行并且产量可观,但是当我们需要精确控制孔径分布大小和密度的时候,山寨版显然会束手无策。

第二种方案基本上走进新时代,利用了尺寸可控的聚甲基丙烯酸甲酯微球作为牺牲品,将陶瓷前驱体填充在微球之间,并在高温下除去微球。当然,我们何尝不可以把这些微球当作凝固后的泡泡?

第三种方法需要更多的专业知识,利用两相在不同温度下的热物理性质差别,巧妙地去除某一相而留下另一相。我觉得这种方案很像最近研究过的丝瓜纤维,更容易获得具有多层次的孔分布结构。

实际上,科学家并不仅仅满足于制备高空隙率的"陶瓷蛋糕",为了满足某些特定的需要,我们可以对蛋糕中的内壁进行修饰,使得常规情况下的结构材料获得了更广阔的功能使用空间。写到这里,我不仅想提出一个概念:单位体积(面积)或者质量下的功能性和结构性。无容置疑,生物界的诸多设计都是在追求这方面的最大化,我们仔细研究一下骨骼、贝壳、羽毛、空竹等等,无一不体现了单位材料下的高效性。从这个方面来说,多孔陶瓷还有极大的空间值得探索。

(固态气泡的产生和气孔尺寸的梯度分布控制)

(固态气泡的产生和气孔尺寸的梯度分布控制)

(开孔与闭孔的

(开孔与闭孔的"陶瓷蛋糕")

参考文献

1, J. Agric. Food Chem. 2006, 54, 6989

2, J. Euro. Ceram. Soc. 2008, 28, 1389

3, Science 2008, 322, 383

4, Science 2008, 322, 381

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水中月,月中水

Wed, 25 Nov 2009 10:57:13 +0800

(本文已刊载于《中国国家天文》杂志2009年第11期)

  什么地方有海却没有水?月球。从静海到风暴洋,从阿丽阿黛溪再到虹湾,月球上到处都是和水有关的地名。但上个世纪60-70年代"阿波罗"计划采集回来的岩石却是异常的干燥。这颗在太阳系极早期由火星大小的天体和地球撞击而形成的卫星比地球上最干燥的沙漠还要有过之而无不及。因此,除了地名之外月球表面和水似乎再无瓜葛。

  这一直接后果就是在月球上建立长期甚至永久基地的计划将变成"水中月"。因为对于未来的月球基地来说,就地取材远比使用来自地球引力场深处的物资来得廉价。水是一种非常高效、易于使用和储存的氢、氧载体,它可以用来生产火箭的推进剂、维持人类的日常需要、为地球和月球之间的运输系统提供燃料。

  但也许先前那个谜语的答案并不是十分准确。2009年的秋天一切都在悄悄地发生着改变,"月中水"正在从"水中月"中慢慢涌现……

"垂直极限"暗藏"水"机

  与地球近23.5°的自转轴倾角不同,月球的只有大约1.5°。这一自转轴几乎和黄道面垂直的构形使得月球两极的一些地区可能永远处于阳光的照射之下,而其他一些地方则会处于无尽的黑暗之中。根据日本"月亮女神"对月球两极的观测,月球上的永久光照区并不存在。南、北两极最高的日照率也仅为86%和89%,但是确实存在永久阴影区。在那些永远照不到阳光的地方,温度会保持在大约50开(-223℃),被形象地称为"低温陷阱"。其结果是,由陨星撞击带到月球上的挥发性物质,例如氢,就会在低温陷阱中积累并被永久保存。

  事实上,近半个世纪之前天文学家们就开始争论,月球上可能有冰。但直到20世纪90年代初才有了些许眉目,而它缘起的地点则出人意料地是比月球环境更为严酷的水星。当时天文学家使用雷达来探测水星的地貌,在这个过程中接收到了来自水星两极环形山中永久阴影区的回波。这一回波从电磁学上来看似乎是被一个厚冰层反射回来的。

  受这一"利好"消息的影响,1994年科学家在最后关头为"克莱芒蒂娜"月球轨道飞行器安装了一个雷达。当它经过月球南极上空的时候,反射回来的信号也"预示"有冰存在的痕迹。但很多人对此留有疑义,随后地面雷达的观测并没有证实这一结果。这也许是由于月球上的水冰颗粒太小造成的,而月球两极能否存积大量的冰仍备受怀疑。

  为了寻找这些水冰颗粒,1998年"月球勘探者"探测器专门携带了中子谱仪来测量宇宙线轰击月球表面所产生的中子的能量。如果这些中子在飞向探测器的过程中与月球土壤上层的氢原子发生碰撞的话,它们的速度就会大为降低。通过测量快中子和慢中子的比列,"月球勘探者"令人信服地证明月亮的两极地区富含氢——而这些氢则极有可能来自混合在月球土壤中的冰。后续的研究也试图搞清楚这些氢和永久阴影区之间的关联。但是有氢并不一定就意味着有水,因为这些氢也可能来自太阳风。

  十年前,有科学家在研究"伽利略"木星探测器的数据时发现,在红外波段下月球南极附近存在一些亮点。对小行星而言,这些信号意味着有页硅酸盐的存在。而页硅酸盐的形成需要两大要素:热和水。这是否也说明月球南极的环形山中暗藏有水呢?当时人们对此的反对声不绝于耳。

新一轮探月热潮中的新发现

  十年后,月球迎来了新一轮的探测热潮。欧洲空间局的SMART-1、中国的"嫦娥"、日本的"月亮女神"、印度的"月船"1号、美国宇航局(NASA)的"月球勘测轨道飞行器"(LRO)和"月球环形山观测和传感卫星"(LCROSS)都已经或者正在对月球进行探测。这些装备有先进的第二代传感器的探测器为我们带来了对月球地形、组成以及环境的最新认识。

  得益于距离月球表面仅50千米的轨道,2009年9月17日LRO公布了它自6月发射以来的首批高分辨率科学结果。LRO上的月球辐射实验(Diviner)发现月球极地环形山永久阴影区的温度仅有33开(-240℃)。这一温度不仅可以储存水冰或者氢达数十亿年,还使得这些永久阴影区成为了太阳系中最寒冷的地方。


[图片说明]:月球辐射实验(Diviner)探测到的月球南极白天(左图)和夜晚(右图)温度。图中紫色地区温度最低(大约40开),红白色温度最高(400开)。版权:NASA/UCLA。

  此外,LRO上和"月球勘探者"中子谱仪类似、但分辨率更高的月球探测中子探测器(LEND)发现,月球上的氢并不仅仅局限在永久阴影区中。虽然由于高温它们无法驻留于月球表面,但氢却可以以由彗星撞击带来的水、甲烷或者氨的形式存在于月球的地表之下。同时,LRO上即使只对表面水冰敏感的莱曼-α探测器(LAMP)也在南极附近的环形山中探测到了水的信号,且灵敏度也比预期的要高。


[图片说明]:月球探测中子探测器(LEND)在月球南极周围探测到的中子流量。左图空间分辨率90千米,右图空间分辨率30千米。红色代表中子流量变化最大。版权:NASA/Institute for Space Research (Moscow)。

  一周之后,NASA的科学家宣布搭载在印度"月船"1号上的月球矿物探测器(M3)在月球的极区发现了水分子。NASA的卡西尼探测器和"太阳系外行星观测与深度撞击扩展研究"探测器(EPOXI)证实了这一发现。在月球轨道上M3精良的分光仪会在红外波段测量月球表面的反射光,由此可以揭示出月球表面的化学成分。在分析有关的数据时,科学家发现光线在某些波长下的吸收和由水分子以及氢氧根所造成的吸收模式相同。


[图片说明]:搭载在印度"月船"1号上的月球矿物探测器(M3)探测的一个位于月球背面的环形山。左图显示的是其在红外波段下的图像,右侧显示的是其周围富水矿物(蓝色)的分布。版权:ISRO/NASA/JPL-Caltech/USGS/Brown Univ.。

  虽然这些水仅仅存在于月球表面最上层的1-2毫米之中,但它的分布却十分广泛,且纬度越高,水分子的信号越强。同时这些信号的强弱还会随时间周期性地变化。白天太阳风中的氢离子会和月球土壤中的氧相互作用形成氢氧根和水分子。到中午时分,由于高温水分子开始流失。到了晚上,温度下降之后水分子又会再度聚集。

  即便如此,月球两极环形山永久阴影区中是否存在水冰依然还没有取得决定性的证据。不过LRCOSS会给我们一个说法。

一波三折的撞月寻水

  美国东部夏令时间2009年6月18日17时32分,LCROSS和LRO一起使用同一枚"宇宙神"5型火箭发射升空,开始了它们"殊途同归"的月球之旅。为了探明月球南极的冰,LCROSS会"自杀性"地撞向月球。

  LCROSS是一个D级的NASA任务,这就意味着其具有最高的失败风险。只此一次以及载人的任务都被定为A级,它们会花费大量的时间和金钱来确保任务的成功。额外的测试、特制的工具和仪器都会使得成本上涨。LCROSS的成本大约为7900万美元,这在宇航领域算是非常便宜的了。工程师改造了一些已有的航天器部件,仅用了两年时间就把它们拼凑到了一起组成了一个月球"轰炸"系统。有一些风险是值得去冒的,LCROSS就在其列。

  LCROSS由两部分组成。其中占据绝大部分的其实是"宇宙神"5型火箭的二级火箭"半人马座",另一部分则是"牧羊人"探测器。后者是LCROSS的"大脑"、"眼睛"和机动推进器。2009年6月23日,在月球的引力助推下仍然联接在一起的LCROSS进入一条围绕地球的极轨道。

  一切看上去都正在按部就班得进行,但今年夏天对于LCROSS来说着实不易。在8月的几周中,LCROSS上的导航控制软件出了问题,造成它消耗了过多的燃料。在进入应急模式之后两周,9月初LCROSS重新正常运转。但接下去,LCROSS则经历了临阵换"场"。

  2009年9月11日NASA公布了LCROSS将要撞击月亮用以寻找水的地点为卡比奥A环形山。之所以选择卡比奥A环形山的原因是撞击时它的光照条件非常有利于从地球进行观测。另外,其底部平坦、坡度较小以及没有大的岩石也是重要的原因。但9月28日LCROSS的官方网站又宣布,NASA的科学家已经根据最新以及过去的观测数据将撞击的地点改为了卡比奥环形山。卡比奥环形山距离卡比奥A环形山不远,其底部也终年不见阳光。


[图片说明]:"牧羊人"上的中红外热照相机捕捉到的"半人马座"撞击闪光。版权:NASA。

  科学家对LRO和十多年前"月球勘探者"的数据分析显示,在月球南极卡比奥环形山的氢丰度最高且置信度也最大。此外,LRO和"月亮女神"的地形数据显示,沿着卡比奥环形山的边缘有一个小型的山谷。这将有利于阳光照射到撞击产生的喷出物。

  美国东部夏令时间2009年10月8日21点50分左右,"半人马座"和"牧羊人"在距离月球表面约87,000千米的地方分离。以超过每秒2.4千米速度运动的"半人马座"在美国东部夏令时间2009年10月9日7点31分后不久击中了卡比奥环形山。"牧羊人"对此进行了大约4分钟的观测,随后它在7点36分也撞上了月球表面。

  虽然翘首以待月球礼花的人们并没有看到激动人心的闪光,但LCROSS官方宣布观测到了撞击以及由此产生的陨击坑,同时搜集了可以说明是否有冰存在的大量数据。在"半人马座"撞击之后90秒LRO即在距其80千米远的地方飞过,LRO上的Diviner在随后绕月飞行的8圈轨道中对撞击地点进行了红外观测。


[图片说明]:在4个通道上,LRO上的月球辐射实验在LCROSS撞击前2小时(上排)和撞击后90秒(下排)拍摄的撞击地点(下排照片中的白点)照片。版权:NASA/GSFC/UCLA。

LCROSS证实月球永久阴影区中有水

  2009年11月13日NASA公布了LCROSS的初步结果,证实在月球环形山永久阴影区中存在水。

  这次撞击在卡比奥环形山中形成了一个超过20米的撞击坑。"牧羊人"上的近红外、可见光和紫外分光计对撞击抛射物进行了探测。当原子和分子被激发的时候,它们就会释放出能被分光计探测到的特定波长的辐射。红外分光计探测到了水和其他物质的信号,而紫外分光计则探测到了氢氧根。此外,探测共发现了95升水。这一数字仅仅是环形山中总储水量的下限,进一步的分析表明其中还有更多的水冰。

  除了水之外,LCROSS还撞出了其他令人感兴趣的物质。这是因为月球环形山就像一个低温陷阱,可以保存几十亿年来掉入其中的不同物质。对LCROSS数据的完全认识还需要花更多的时间。

退亦忧,进亦忧?

  月球上存在水,这些水并不仅位于两极环形山的阴影中,而且到处都是。意料之外的发现总是让人感兴趣的,但这对于空间探测来说也许并不是一个"好"消息。

  就载人探测而言,在月球上开采水的可能性经常被重返月球的计划提及。尽管有存在大量冰的可能性,但是开采的效率始终被怀疑会非常低下以致于无法实用。根据前面的发现,地质学家估计每一吨月球土壤含水大约900克。这就意味着尽管付出了巨大的劳动,但也只能得到少量的水,即便有了机器人的帮助也是如此。

  另外,这些发现会被如何用于政治博弈?小布什在任期间,其提出的"星座"计划允诺20年内建成一个功能齐全的月球基地。"星座"计划(至少在理论上)的最终目标是火星。但实际上,月球很快就成了其主要的目标。就此NASA一直受到了质询,而去月球开采水总是其中重要的理由之一。无论这一做法的可行性如何,水的发现无疑鼓舞了这一计划的推动者。Space.com上的一篇文章写道"水使得月亮突然成为了一个别具吸引力的地方"。英国《新科学家》杂志也采用了相同的论调:如果能有效地开采,月球上新发现的水将帮助维持月球宇航员的活动,甚至推进去往火星的计划。

  虽然月球计划可能会有助于为更漫长、更困难的火星计划做好准备,但是它也有可能很容易地演变成对时间和资源的浪费。坦率地说,在火星上发现生命的可能性始终让它比死寂的月亮更具有吸引力。而且,如果水真的是人们想要的,那么火星上会有更多。

  在LCROSS的撞击尘埃落定之后,月球又恢复了往日的平静。"水中月"看上去仍然遥不可及,而"月中水"似乎也还离我们十分遥远。月球,去还是不去?是摆在所有决策者面前的一道选择题。

 
 
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