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从人眼到「天眼」,光如何塑造人类文明?

2023-03-09新闻

15亿年前,一缕阳光照进古老的海洋,单细胞生物进化出了眼点,开启了生命史上的第一次追光之旅。

裸藻(眼虫)的眼点

从此以后,光引领着生命,开启了一次又一次的进化革命。

8亿年前,水母等刺胞动物进化出了神经系统,第一次把细胞通过特殊的方式串联了起来[1]。

水螅的网状神经系统,无突触,信号传导无定向

随着感官的进化,神经系统变得越来越有秩序,扁形虫出现了梯式神经系统[2]。

在光的不断雕刻下,它们的眼点进化为汇聚色素的凹陷,有了眼睛的最早雏形。

这样的眼点等感觉器官所需要的神经支持也更多、更集中,让扁形动物第一次进化出了「脑」。

决定扁形虫眼点色素凹陷的PAX6基因[3],也决定着地球上其它所有动物眼睛的形成。

PAX6基因表达蛋白

后来的节肢动物、头足动物、脊索动物都循着PAX6基因提供的原始模板,打造出了三个完全独立的视觉进化路线。

生命追着光进化出眼睛的同时,其它的主要感官中枢,也在头部发展。集中的神经系统变得越来越复杂,不断迭代。

5亿年,世界上第一条鱼(昆明鱼等),追着光进化出了真正的眼睛。

它们发展出端脑、间脑、中脑、小脑、延脑五个部分,构建了现今所有脊椎动物脑的基本雏形。哪怕人类胚胎发育过程,原始的脑泡也会先发育成三个,然后发育成5个,最后再发展成完整的脑。

4亿年前,肉鳍鱼追着光登上了陆地。2亿年前,原始哺乳动物在恐龙的统治下,躲进了阴影里,把视觉退化成了黑白色。5000万年前,阿喀琉斯基猴再次爬上树梢,开启了三色视觉。

阿喀琉斯基猴复原图

300万年前,人类诞生。1万年前人类创建文明,开始用知识升级「眼睛」,追着光,一次次打开了崭新的科学世界。

  • 6000年前,中华先民便通过观星,总结出了河图洛书。5000年前,美索不达米亚地区绘出了最早的星座图。2000年前,托勒密用地心说演绎世界,张衡用浑天说描述宇宙。
  • 转瞬到了近代,1609年,伽利略制作出了第一台天文望远镜。

    1664年,牛顿发明折射式望远镜,利用全新的观测数据,演绎出【自然原理】,奠基了整个科学时代……

    反射望远镜没有光色散造成的色差,后成为主流

    18世纪后半叶,大型天文望远镜把人类视野衍生到了银河系。19世纪,我们知道了银河系的形状和大小。

    20世纪初,哈勃发现星系红移现象,为宇宙膨胀提供了证据。他发现的造父变星,因稳定光周期,被称为「宇宙量天尺」[5]。

    造父变星、哈勃、胡克望远镜

    从此以后,我们迈向了观测宇宙学时代。

    1990年,随着哈勃望远镜的升空,我们对世界的了解已接近可见光的极限。极其狭窄的可见光波段,已远远不能满足人类对宇宙的探索需求。

    1932年,美国探测到了来自银河系中心的射电辐射。各个国家纷纷建设射电望远镜,用全新的手段观察宇宙。

    60年代射电天文学的四大发现,让人类对宇宙有了前所未有的认知。

  • 宇宙微波背景辐射
  • 脉冲星
  • 类星体
  • 星际有机分子
  • 新中国建国不久,百废待兴,但已经一开始着手天文事业的建设。不过,科技落后的我们,所有设备都必须从国外购买。

    1974年,美国建设出当时世界上最大单口径射电望远镜Arecibo(阿雷西博)。

    Arecibo初建直径达到305米,后扩建为350米。然而一直到20世纪80年代,中国才有自主生产的射电望远镜,口径也仅仅只有25米。

    随着射电天文学的蓬勃发展,以前的天文观察精度已经无法满足人类的需求。各个国家开始纷纷修建 甚长基线阵列 (VLBA)[6],进行更大尺度更清晰的宇宙结构观测。

    所谓甚长基线阵列,就是修建多个射电望远镜,联合成一个巨型望远镜。

    甚长基线干涉测量技术原理,创建者马丁·赖尔于1974年获得诺贝尔物理学奖

    射电望远镜阵列对于大领土国家来说,具有天然的优势。例如,美国的VLBA,横跨8000千米,精度达到哈勃的500倍,相当于人眼的60万倍。

    世界范围内著名的甚长基线阵列,除了美国的VLBA,还有欧洲和日本的VLBI网。而当时的中国,仅仅只有密云28座9米口径的1公里射电望远镜阵列。

    1984年,南仁东[7][8][9]通过对国际VLBA观测数据进行研究,让中国在没有VLBI的前提下,掌握了VLBI数据分析能力。

    1993年,为了探索星系的演化、行星的形成、引力波对宇宙的拉伸,澳大利亚、加拿大、中国、印度、意大利、新西兰、南非、瑞典、荷兰、英国等10个国家计划建设全球级的射电望远镜阵列(SKA)。

    SKA阵列建设地点的竞争十分激烈,但当时的中国并没有多少话语权。为了争取到更多技术,南仁东提出贵州方案,想让SKA阵列建到中国来,这样不仅中国能掌握先进的技术,还能促进国家各方面的发展。

    用遥感技术捕捉3000多个洼地,不断遴选,甚至用脚丈量,南仁东最终确定了贵州喀斯特洼地。

    然而,没想到的是,SKA阵列开启了漫长的谈判。

    南仁东不愿耽搁中国技术的发展,提出在贵州修建世界上最大单孔射电望远镜的FAST(500米口径球面射电望远镜)方案。

    在当时,FAST一度被认为是超越人类建造能力的空想,但谁也没有想到,进入21世纪后,随着各方面的沉淀,中国射电望远镜事业竟然迎来了前所未有的大发展。

    短短10年间,密云、昆明、上海40~60口径的中大型射电望远镜纷纷落成,构建出中国本土长达3000公里的超长基线干涉仪(VLBI),终于发挥出了国土优势。

    中国技术跻身世界前列,在SKA阵列中,与其它国家有了同等的话语权。

    2011年3月25日,FAST正式动工兴建。

    2016年9月25日,随着中国天眼的落成,标志着中国再次完成了一次技术飞跃,实现弯道超车,领了先世界20年。

    在SKA阵列中,中国也正式成了项目的领跑者。

    500米口径,30个足球场大小的天眼,超过Arecibo灵敏度2.5倍、综合性能10倍

    自FAST运行以来,对脉冲星、快速射电暴、致密星系群的观察数据,屡屡登上【自然】等世界顶级期刊。它大幅拓展了人类视野,让我们能够看到不可见光的世界,带领我们探索着宇宙的起源和演化。

    就像瞳孔是人类的心灵之窗一样,天眼的灵魂也在它的「瞳孔」之中。

    但和人类单纯用瞳孔捕捉光不同,天眼的瞳孔不仅要支撑庞大的重量(2000多吨),还要实现望远镜接收机的高精度指向跟踪。因此,FAST馈源支撑系统不仅要灵敏,还要足够的轻,足够的结实。

    美国的Arecibo馈源系统就因重达近千吨,屡出问题。

    2020年因为电缆世故,发生坍塌事件,最终导致Arecibo严重破坏,已经没有了修复的可能。

    所以,要让FAST足够结实稳定,能够抵抗各种自然灾害,馈源支撑系统十分的重要。

    FAST馈源支撑系统主要包括支撑塔、索驱动、馈源舱、舱停靠等平台。

    其不仅采用了光机电一体化技术,还创新性地使用轻型索支撑馈源平台,整个系统仅仅只有30吨,为Arecibo的1/30。

    FAST馈源支撑系统涉及到的专业技术,包括天文、无线电、机械、电气、通信、测量、控制等十几个领域,在柔性控制精度、调速范围、复杂工艺、安装难度上有着前所未有的挑战。

    FAST馈源支撑系统的成功,也是中国综合领域强大实力的证明。

    中国天眼FAST馈源机械组组长姚蕊女士,是中国科学院国家天文台研究员,也是中国天眼FAST(建设期)馈源舱系统的负责人。

    正是她和团队怀着求真务实的精神,孜孜不倦地付出,才有今天的中国天眼之「瞳」。

    中国天眼建设伊始时,她只有两年工作经验。在中国天眼之父南仁东老师的带领下,开启了天眼建设之路,当姚蕊成为FAST核心部件——馈源舱系统负责人时,只有28岁。

    经过近18年的研究,她和团队为FAST提炼出了关键科学问题,重点解决了以下三个难题:

  • 大跨度索并联机构力特性及尺寸优化;
  • 大型混联机器人精度设计与补偿;
  • 多观测任务下的运动规划算法等多项关键理论和技术创新
  • 姚蕊女士及其团队的技术贡献,为FAST馈源支撑系统的顺利建设与高性能运行提供了重要条件。

    最终FAST获得了巨大成功,为新中国科技发展史写下了浓墨重彩的篇章。

    无论姚蕊女士及中国天眼团队,还是人类的科学科技进步,遵循的都是人类的追光本能。

    光不仅仅塑造了我们的眼睛和头脑,它背后的真理,更是引领着人类的科学进步。

    人类每一次的科技革命,都少不了求真务实的精神。

    然而,自从移动互联网时代以来,我们被虚浮的快节奏所捆绑,被消费时代洪流所裹挟。求真务实,已然成为这个时代最稀缺的珍贵品质。

    这一次,中国日报×HBN×新世相,联合重磅共创人物故事片,一起致敬中国科研崛起背后的真实力量。

    姚蕊女士从事FAST建设、维护工作18年,与团队一次次攻克无数科研难题,向世界证明了中国天眼FAST的巨大价值。不仅是对内心真实的坚守,更怀有对国家科研实力崛起的强大信念。

    作为新锐国货品牌,HBN深耕基础科学探索和抗老成分研发,他们致敬和姚蕊一样在中国天眼背后千千万万的科研工作者,以让更多人看见中国科研崛起的力量,鼓励每一个勇于追求内心真实的人,大胆探索,勇往直前。

    如同中国天眼科研工作者一样,一直怀揣着求真务实的精神。像姚蕊女士及其团队,从0到1把中国天眼建设成世界领先的国之重器一样。HBN怀揣着这种精神也敢为人先,做别人所不敢做,大胆开拓国内A醇抗老护肤空白领域。

    上世纪80年代,国外就有研究证明,A醇和其衍生物视黄酸(A酸),都具有能促进皮肤细胞更新,加速表皮新陈代谢,从而发挥毛孔细化、痘印色素减淡、改善光老化等多种[10]作用。

    然而在实际使用中,天然A醇不仅很难发挥理论上的效果,还对皮肤具有刺激性。这是因为天然A醇容易失活,而且它和其衍生物A酸都具有酸性,会刺激皮肤,可能导致皮肤过敏、不耐受。

    2019年以前,国内A醇护肤品研究一片空白,因此造成国内A醇抗老无人问津的局面。

    而HBN早在创立之初,就专注锁定了A醇抗老配方的研发,以「拥有看得见效果」为创新理念,为每一个用户打造极致功效抗老护肤品,更是率先在国内发布A醇抗老系列,大胆拓荒国内A醇抗老护肤空白!

    采用独家技术解决A醇易刺激、易失活两大天生难题:

    一是采用科研级Complex-ATRA™复合维A醇成分,高活A醇+缓释A酯双通路作用,增加淡纹力的同时大大降低了肌肤不耐受的可能;

    二是采用独特的ACTCOCOON™「蚕蛹」黄金微粒包裹技术,将A醇包裹在微囊中保持其高活性。从而让HBN率先在国内市场上突破了A醇的刺激不耐受问题。

    经过严苛的优化,最终HBN家95%以上的抗老产品均通过极端严苛的瑞士SGS 权威第三方人体功效检测,让HBN获得了百万用户青睐,从国际大牌的手中,争出了国内A醇品牌的一席之地。

    为了让抗老功效名副其实,HBN还联合全球权威严苛检测机构SGS公开招募百人功效验证;为了让大众树立科学的抗老观念,他们还与Discovery共创国内首支抗老主题纪录片,帮助越来越多的人,做到科学抗老。

    正是因为靠着忠于热爱,敢于追梦的开拓精神,HBN才能成为国内A醇抗老的开拓者和引领者,实现国货品牌的崛起与品牌自信。

    光,从古至今都是真理和未来的代名词,追光藏在我们的身体里,也藏在我们对科学探索的精神里。它不仅给予了科学人的力量,也给予了那些不忘初心、求真务实的企业,源源不断地发展动力。

    参考文献:

    [1] Katsuki T, Greenspan R J. Jellyfish nervous systems[J]. Current Biology, 2013, 23(14): R592-R594.

    [2] Reuter M, Gustafsson M K S. The flatworm nervous system: pattern and phylogeny[J]. The Nervous Systems of Invertebrates: An Evolutionary and Comparative Approach: With a Coda written by TH Bullock, 1995: 25-59.

    [3] Gehring W J, Ikeo K. Pax 6: mastering eye morphogenesis and eye evolution[J]. Trends in genetics, 1999, 15(9): 371-377.

    [4] Marquardt T, Ashery-Padan R, Andrejewski N, et al. Pax6 is required for the multipotent state of retinal progenitor cells[J]. Cell, 2001, 105(1): 43-55.

    [5] Hubble E P. The observational approach to cosmology[M]. Oxford: Clarendon Press, 1937.

    [6] Beasley A J, Gordon D, Peck A B, et al. The VLBA calibrator survey—VCS1[J]. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2002, 141(1): 13.

    [7] 南仁东. FAST——500米口径球面射电望远镜[J]. 中国国家天文, 2009(11):8.

    [8] 詹媛. 毕生心血筑"天眼"——追记FAST首席科学家,总工程师南仁东[J]. 人民周刊, 2017(23):2.

    [9] 陈芳, 王丽, 董瑞丰,等. 中国"天眼之父"南仁东[J]. 党员干部之友, 2018(1):30-32

    [10] Kong R, Cui Y, Fisher G J, et al. A comparative study of the effects of retinol and retinoic acid on histological, molecular, and clinical properties of human skin[J]. Journal of cosmetic dermatology, 2016, 15(1): 49-57.