#黑洞是如何形成的# 黑洞偏振照片发布！中科院上海天文台深度参与研究「中国科普博览」
北京时间2021年3月24日晚10点，曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜（EHT）合作组织，又为揭秘M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角：它在偏振光下的影像（图1）。
图1.（上）偏振光下M87超大质量黑洞的图像，图中线条标记了偏振的方向，它与黑洞阴影周围的磁场有关。（图片版权：EHT合作组织）
偏振片只允许特定方向的偏振光通过。下面这个动画显示了黑洞偏振图像在通过一个偏振平面不断旋转的偏振片后的变化。（视频版权：EHT合作组织）
大家还记得2019年EHT发布的首张黑洞照片吗？
图2. 2019年EHT发布的首张黑洞照片（图片版权：EHT合作组织。）
对比下这两张照片，是不是这次的新照片看起来清晰度更高一些？难道是EHT升级了望远镜阵列，像手机升级摄像头一样，提高了像素？并非如此。我们看到的新照片，其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测，但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的，所以我们称之为“黑洞在偏振光下的影像”。
这是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。该结果对理解距离我们5500万光年的M87星系如何产生能量巨大的喷流十分关键。
那么，什么是偏振呢？让我们从头说起。
什么是电磁波的偏振？
偏振（也称极化）是横波的一种属性，指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光是一种电磁波，由耦合振荡的电场和磁场组成，而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。在自由空间里，电磁波是以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向（图3，上）。按照常规，电磁波的“极化”方向指的是电场的振荡方向。
图3. （上）电磁波传播示意图。（下）非偏振的入射光经过线偏振片后成为线偏振光，再次经过四分之一波片之后变成（从接收端看）左旋圆偏振光。
如果电磁波的电场只在一个方向上振荡，则称为“线偏振”。若随着电磁波的传播，电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转，并且电场矢量的矢端随着时间勾绘出（椭）圆型，则称此电磁波为“（椭）圆偏振”；对于这两种情形，又可按照电场矢量旋转的方向分为“右旋（椭）圆偏振”和“左旋（椭）圆偏振”。
一般生活中的光，比如太阳光、白炽灯光等，振动在各个方向是均匀分布的，称为非偏振光。偏振光的产生可以通过多种方式实现，常见的方法是让非偏振光通过一个偏振片，只让沿着某特定方向偏振的光波通过。而线偏振光经过四分之一波片后可变为椭圆偏振光，并在特定角度下（当线偏振光的振荡方向与波片光轴方向成±45°时）变为圆偏振光（如图3,下图所示）。
为什么EHT能拍摄到黑洞边缘的偏振？
在射电天文领域，我们接收到的大部分天体信号是偏振光，例如黑洞产生的喷流，其射电波段的辐射对应的主要是相对论性电子（速度接近光速）在磁场中沿弧形轨道运动时所发出的光，专业名词称作同步加速辐射。
由于偏振辐射是个包含大小和方向的矢量，通常在小尺度致密区域探测到的偏振辐射比较明显，接近真实的情况，但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话，观测到的偏振特征就会由于叠加效应而被削弱。
此外，由于不同致密区域的法拉第旋转等效应，即指在磁化介质中偏振的方向会发生旋转，会削弱偏振特征，也会造成在黑洞边缘区域难以探测到明显的偏振。值得注意的是，法拉第旋转效应所造成的偏振方向旋转的幅度跟波长的平方成正比，即波长越短，旋转幅度越不明显，其偏振的特征越不容易被削弱。
此次EHT能够拍摄到黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像，主要归功于两点：一是EHT的高分辨本领，让科学家们能够分解开这些致密区域；二是观测波段在短毫米波段，从而大大削弱了法拉第旋转效应的影响。
怎样拍摄黑洞偏振图像？
此次获取的M87黑洞偏振图像与首张黑洞照片来自于同一次成像观测（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019）。EHT在为黑洞进行拍照观测时就充分考虑到了偏振成像（江悟等，2019），因此，在接收和记录电磁波信号时，已将能恢复电磁波偏振信息的两路正交偏振信号采集并记录了下来。
为了获取2019年4月10日宣布的首张黑洞照片（总强度图），需处理各个台站间相同偏振方向的互相关数据。而为了获得此次发布的偏振图像，则更加复杂，还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理，其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数，指各个台站实际接收偏振信号时，原本期待接收两路“干净”的偏振信号，但实际上接收的其中一路偏振信号，难免会“掺杂”有另一路偏振的信号。
图4.本文作者及合作者于2019年7月15日至19日在位于德国波恩的马普射电天文研究所进行的EHT偏振校准工作会议期间合影。这次会议主要是针对M87偏振观测数据的校准及成像。（照片来源： E. Traianou/马普射电天文研究所。）
为了能及时对M87黑洞进行偏振成像，在首张黑洞照片发布后的第3个月，EHT合作组便在位于德国波恩的马普射电天文研究所举行了为期一周的主题为偏振校准及成像的工作会议（图4，上）。
如今回想起来，当时会议过程也是一波三折。由于一开始用预选的校准源来对M87的偏振数据进行校准测试，并没有得到预想的结果，大家都开始担心起来。直到会期中间，替换了另外的校准源，且直接用M87的观测数据本身做偏振校准，结果不同的小组利用不同方法都可以得到比较一致的初步结果（图4，下）。大家这才发现，由于预选的校准源偏振结构复杂，并不适合用作校准源。这时大家才放下心来。后来，又经过长期的工作和反复讨论，才最终敲定黑洞偏振图像的结果（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021a）。
偏振图像可以告诉我们什么？
EHT在事件视界尺度上对M87超大质量黑洞周围的偏振辐射进行的成像，可以用来探测黑洞附近磁场和等离子体的性质，从而理解黑洞如何“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021b）。
观测发现黑洞图像的线偏振度较低,表明偏振结构在比EHT的分辨本领更小的尺度上被扰乱，这或许是由黑洞周围辐射区域内局部的法拉第旋转所造成。同时，图1中的线条（偏振的方向）所展示的图案意味着该辐射区域存在有序的磁场结构。
通过与广义相对论磁流体动力学理论模拟生成的大量黑洞偏振图像的定量比较，研究团队发现，只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况并产生足够强的相对论性喷流。这些成功的模型可进一步推断M87中黑洞的物质吸积率的大小（即黑洞吞噬物质的快慢），即每千年吞噬0.3到2倍太阳质量的物质。这些结论大大加深了我们对黑洞周围物理环境的理解。
下一步和未来
从观测上直接接近黑洞的边缘，从而在几个史瓦西半径的尺度上不断探索黑洞周围的时空特性和物理过程，这代表着人类认识宇宙手段的一大突破。
然而，目前的EHT阵列中，望远镜数目仍然较少，基线覆盖还比较稀疏,尤其是，由于银心黑洞受到星际散射的影响以及相比目前成像所需时间（数个小时）要快得多的结构变化，成像并非易事。
鉴于此，EHT合作在M87黑洞首次成像后，提出了下一代EHT计划（即next generation EHT, ngEHT），计划在近10年内完成。ngEHT计划通过在地球上布设更多的亚毫米波望远镜、增加观测灵敏度及频率覆盖等来提升黑洞成像的质量并提供更多观测信息，尤其是要提升成像速度以进一步制作黑洞“动画” (Blackburn et al. 2019)。
同时，国际上也在探讨、预研空间亚毫米波阵列（Haworth et al. 2019），以此进一步提升黑洞成像的质量及效率。
由于地球的自转，东亚地区的台站将会是拍摄黑洞动画所需的成像接力中不可或缺的部分。目前，日韩等都已在积极致力于这一国际努力。例如，韩国目前正在平昌建设新的亚毫米波望远镜，有望在未来几年内加入EHT阵列。实际上，由于中国幅员辽阔并且存在优良的亚毫米波望远镜台址（如西部地区），若是在这些地区布设亚毫米波望远镜的话将会提供黑洞成像/摄像所需的独特基线覆盖。
如果说我们目前已经积极参与到黑洞成像这一国际合作项目的话（路如森等，2019），在黑洞成像/摄像开展得如火如荼的今天，笔者不禁思考：我国何时才能拥有一台真正属于自己的亚毫米波（VLBI）望远镜甚至一个阵列？
希望这一天离我们不太遥远。
#微博公开课# #微博新知博主#
北京时间2021年3月24日晚10点，曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜（EHT）合作组织，又为揭秘M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角：它在偏振光下的影像（图1）。
图1.（上）偏振光下M87超大质量黑洞的图像，图中线条标记了偏振的方向，它与黑洞阴影周围的磁场有关。（图片版权：EHT合作组织）
偏振片只允许特定方向的偏振光通过。下面这个动画显示了黑洞偏振图像在通过一个偏振平面不断旋转的偏振片后的变化。（视频版权：EHT合作组织）
大家还记得2019年EHT发布的首张黑洞照片吗？
图2. 2019年EHT发布的首张黑洞照片（图片版权：EHT合作组织。）
对比下这两张照片，是不是这次的新照片看起来清晰度更高一些？难道是EHT升级了望远镜阵列，像手机升级摄像头一样，提高了像素？并非如此。我们看到的新照片，其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测，但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的，所以我们称之为“黑洞在偏振光下的影像”。
这是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。该结果对理解距离我们5500万光年的M87星系如何产生能量巨大的喷流十分关键。
那么，什么是偏振呢？让我们从头说起。
什么是电磁波的偏振？
偏振（也称极化）是横波的一种属性，指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光是一种电磁波，由耦合振荡的电场和磁场组成，而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。在自由空间里，电磁波是以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向（图3，上）。按照常规，电磁波的“极化”方向指的是电场的振荡方向。
图3. （上）电磁波传播示意图。（下）非偏振的入射光经过线偏振片后成为线偏振光，再次经过四分之一波片之后变成（从接收端看）左旋圆偏振光。
如果电磁波的电场只在一个方向上振荡，则称为“线偏振”。若随着电磁波的传播，电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转，并且电场矢量的矢端随着时间勾绘出（椭）圆型，则称此电磁波为“（椭）圆偏振”；对于这两种情形，又可按照电场矢量旋转的方向分为“右旋（椭）圆偏振”和“左旋（椭）圆偏振”。
一般生活中的光，比如太阳光、白炽灯光等，振动在各个方向是均匀分布的，称为非偏振光。偏振光的产生可以通过多种方式实现，常见的方法是让非偏振光通过一个偏振片，只让沿着某特定方向偏振的光波通过。而线偏振光经过四分之一波片后可变为椭圆偏振光，并在特定角度下（当线偏振光的振荡方向与波片光轴方向成±45°时）变为圆偏振光（如图3,下图所示）。
为什么EHT能拍摄到黑洞边缘的偏振？
在射电天文领域，我们接收到的大部分天体信号是偏振光，例如黑洞产生的喷流，其射电波段的辐射对应的主要是相对论性电子（速度接近光速）在磁场中沿弧形轨道运动时所发出的光，专业名词称作同步加速辐射。
由于偏振辐射是个包含大小和方向的矢量，通常在小尺度致密区域探测到的偏振辐射比较明显，接近真实的情况，但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话，观测到的偏振特征就会由于叠加效应而被削弱。
此外，由于不同致密区域的法拉第旋转等效应，即指在磁化介质中偏振的方向会发生旋转，会削弱偏振特征，也会造成在黑洞边缘区域难以探测到明显的偏振。值得注意的是，法拉第旋转效应所造成的偏振方向旋转的幅度跟波长的平方成正比，即波长越短，旋转幅度越不明显，其偏振的特征越不容易被削弱。
此次EHT能够拍摄到黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像，主要归功于两点：一是EHT的高分辨本领，让科学家们能够分解开这些致密区域；二是观测波段在短毫米波段，从而大大削弱了法拉第旋转效应的影响。
怎样拍摄黑洞偏振图像？
此次获取的M87黑洞偏振图像与首张黑洞照片来自于同一次成像观测（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019）。EHT在为黑洞进行拍照观测时就充分考虑到了偏振成像（江悟等，2019），因此，在接收和记录电磁波信号时，已将能恢复电磁波偏振信息的两路正交偏振信号采集并记录了下来。
为了获取2019年4月10日宣布的首张黑洞照片（总强度图），需处理各个台站间相同偏振方向的互相关数据。而为了获得此次发布的偏振图像，则更加复杂，还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理，其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数，指各个台站实际接收偏振信号时，原本期待接收两路“干净”的偏振信号，但实际上接收的其中一路偏振信号，难免会“掺杂”有另一路偏振的信号。
图4.本文作者及合作者于2019年7月15日至19日在位于德国波恩的马普射电天文研究所进行的EHT偏振校准工作会议期间合影。这次会议主要是针对M87偏振观测数据的校准及成像。（照片来源： E. Traianou/马普射电天文研究所。）
为了能及时对M87黑洞进行偏振成像，在首张黑洞照片发布后的第3个月，EHT合作组便在位于德国波恩的马普射电天文研究所举行了为期一周的主题为偏振校准及成像的工作会议（图4，上）。
如今回想起来，当时会议过程也是一波三折。由于一开始用预选的校准源来对M87的偏振数据进行校准测试，并没有得到预想的结果，大家都开始担心起来。直到会期中间，替换了另外的校准源，且直接用M87的观测数据本身做偏振校准，结果不同的小组利用不同方法都可以得到比较一致的初步结果（图4，下）。大家这才发现，由于预选的校准源偏振结构复杂，并不适合用作校准源。这时大家才放下心来。后来，又经过长期的工作和反复讨论，才最终敲定黑洞偏振图像的结果（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021a）。
偏振图像可以告诉我们什么？
EHT在事件视界尺度上对M87超大质量黑洞周围的偏振辐射进行的成像，可以用来探测黑洞附近磁场和等离子体的性质，从而理解黑洞如何“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流（Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021b）。
观测发现黑洞图像的线偏振度较低,表明偏振结构在比EHT的分辨本领更小的尺度上被扰乱，这或许是由黑洞周围辐射区域内局部的法拉第旋转所造成。同时，图1中的线条（偏振的方向）所展示的图案意味着该辐射区域存在有序的磁场结构。
通过与广义相对论磁流体动力学理论模拟生成的大量黑洞偏振图像的定量比较，研究团队发现，只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况并产生足够强的相对论性喷流。这些成功的模型可进一步推断M87中黑洞的物质吸积率的大小（即黑洞吞噬物质的快慢），即每千年吞噬0.3到2倍太阳质量的物质。这些结论大大加深了我们对黑洞周围物理环境的理解。
下一步和未来
从观测上直接接近黑洞的边缘，从而在几个史瓦西半径的尺度上不断探索黑洞周围的时空特性和物理过程，这代表着人类认识宇宙手段的一大突破。
然而，目前的EHT阵列中，望远镜数目仍然较少，基线覆盖还比较稀疏,尤其是，由于银心黑洞受到星际散射的影响以及相比目前成像所需时间（数个小时）要快得多的结构变化，成像并非易事。
鉴于此，EHT合作在M87黑洞首次成像后，提出了下一代EHT计划（即next generation EHT, ngEHT），计划在近10年内完成。ngEHT计划通过在地球上布设更多的亚毫米波望远镜、增加观测灵敏度及频率覆盖等来提升黑洞成像的质量并提供更多观测信息，尤其是要提升成像速度以进一步制作黑洞“动画” (Blackburn et al. 2019)。
同时，国际上也在探讨、预研空间亚毫米波阵列（Haworth et al. 2019），以此进一步提升黑洞成像的质量及效率。
由于地球的自转，东亚地区的台站将会是拍摄黑洞动画所需的成像接力中不可或缺的部分。目前，日韩等都已在积极致力于这一国际努力。例如，韩国目前正在平昌建设新的亚毫米波望远镜，有望在未来几年内加入EHT阵列。实际上，由于中国幅员辽阔并且存在优良的亚毫米波望远镜台址（如西部地区），若是在这些地区布设亚毫米波望远镜的话将会提供黑洞成像/摄像所需的独特基线覆盖。
如果说我们目前已经积极参与到黑洞成像这一国际合作项目的话（路如森等，2019），在黑洞成像/摄像开展得如火如荼的今天，笔者不禁思考：我国何时才能拥有一台真正属于自己的亚毫米波（VLBI）望远镜甚至一个阵列？
希望这一天离我们不太遥远。
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【新里程！中国联通与紫金山实验室联合完成CUNOS测评】
来源：中国联通研究院
中国联通立足垂直行业业务定制及自身网络业务创新需求，积极探索开放网络技术新方向。在5G大基建的时代背景下，深耕网络设备白盒化能力开放、核心技术领域的自主可控，自主研发了CUNOS白盒路由器操作系统，并获得了中国通信学会2021年未来网络领先创新成果奖。
2021年9月，中国联通研究院在紫金山实验室开放网络测试环境中完成CUNOS操作系统的联合测评，测试结果表明CUNOS操作系统稳定可用，已具备5G网络承载基础业务、服务保障、时间同步、安全保障能力。测评中，CUNOS分别搭载在两款不同硬件平台和商业芯片上，均完成了集成测试验证，涉及关键功能点和性能指标符合预期。目前，基于白盒设备平台，联通研究院与希峰光电(SiFotonics)合作推动100G Lambda多源协议（MSA）单波100G延长距离光模块标准，并共同完成了单波100G ER1方案的测试，100GE业务正常，且可支持40km光纤传输。
CUNOS作为中国联通新一代承载网络技术创新的实验床，系统底层采用开源方案，保证高可移植性；内部采用高内聚低耦合的模块化设计，兼顾了系统的可扩展性和高可靠性。此外，CUNOS创新性地通过ONLP接口拓展来调用白盒框式硬件平台，并结合在5G承载场景的交换芯片抽象层接口扩展，实现了调用异厂商交换芯片的能力。中国联通研究院联合国产交换芯片厂商盛科网络，共同布局白盒硬件底层生态，推动5G承载网络芯片能力调用的标准化，确保白盒路由器核心元器件的自主可控。
此外，中国联通积极探索端到端的白盒产品创新解决方案。目前已经在无线接入网、承载网、核心网、云数据中心等领域打造了一批白盒化产品，充分发挥自研白盒设备高度灵活的优势，有效的助力网络云化转型，为用户提供可灵活定制的网络服务。
CUNOS通过实验室环境测试标志着中国联通开放网络体系布局已经迈向新阶段。中国联通以白盒设备网络操作系统为基础，深耕网络新技术和业务新领域，细作芯片解耦及接口抽象关键技术，致力于赋能集团科技创新，为中国联通高质量发展贡献力量；中国联通笃行于新时代、新变革、新机遇下的核心技术自主研发，将以更加开放的理念加快网络创新示范应用。
来源：中国联通研究院
中国联通立足垂直行业业务定制及自身网络业务创新需求，积极探索开放网络技术新方向。在5G大基建的时代背景下，深耕网络设备白盒化能力开放、核心技术领域的自主可控，自主研发了CUNOS白盒路由器操作系统，并获得了中国通信学会2021年未来网络领先创新成果奖。
2021年9月，中国联通研究院在紫金山实验室开放网络测试环境中完成CUNOS操作系统的联合测评，测试结果表明CUNOS操作系统稳定可用，已具备5G网络承载基础业务、服务保障、时间同步、安全保障能力。测评中，CUNOS分别搭载在两款不同硬件平台和商业芯片上，均完成了集成测试验证，涉及关键功能点和性能指标符合预期。目前，基于白盒设备平台，联通研究院与希峰光电(SiFotonics)合作推动100G Lambda多源协议（MSA）单波100G延长距离光模块标准，并共同完成了单波100G ER1方案的测试，100GE业务正常，且可支持40km光纤传输。
CUNOS作为中国联通新一代承载网络技术创新的实验床，系统底层采用开源方案，保证高可移植性；内部采用高内聚低耦合的模块化设计，兼顾了系统的可扩展性和高可靠性。此外，CUNOS创新性地通过ONLP接口拓展来调用白盒框式硬件平台，并结合在5G承载场景的交换芯片抽象层接口扩展，实现了调用异厂商交换芯片的能力。中国联通研究院联合国产交换芯片厂商盛科网络，共同布局白盒硬件底层生态，推动5G承载网络芯片能力调用的标准化，确保白盒路由器核心元器件的自主可控。
此外，中国联通积极探索端到端的白盒产品创新解决方案。目前已经在无线接入网、承载网、核心网、云数据中心等领域打造了一批白盒化产品，充分发挥自研白盒设备高度灵活的优势，有效的助力网络云化转型，为用户提供可灵活定制的网络服务。
CUNOS通过实验室环境测试标志着中国联通开放网络体系布局已经迈向新阶段。中国联通以白盒设备网络操作系统为基础，深耕网络新技术和业务新领域，细作芯片解耦及接口抽象关键技术，致力于赋能集团科技创新，为中国联通高质量发展贡献力量；中国联通笃行于新时代、新变革、新机遇下的核心技术自主研发，将以更加开放的理念加快网络创新示范应用。
【人工合成淀粉：迷宫寻途2000天】2015年初，还在国外访问交流的蔡韬接到了马延和的电话：“未来所里计划做人工合成淀粉的项目，凭空制造。”
“凭空制造？这可能吗？”他有点惊讶。
6年后，他们把不可能变成了现实。中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称中科院天津工业生物所）通过复杂代谢途径的从头设计与精准调控，在国际上首次实现电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉。9月24日，这一研究成果于《科学》在线发表。
图：实验人员在做淀粉遇碘显色试验。 倪思洁摄
△ 从0到1 从无到有
淀粉作为一类重要的高分子碳水化合物，为人类生存提供了所需的热量。1万多年来，农业种植都是生产淀粉的唯一途径。
可植物光合作用的能量效率低、生长周期长，为了应对粮食安全问题，科学家探索出了杂交育种、模块育种、分子育种等办法，还建立了人工光合系统。
“但这些都没有脱离植物本身的固碳模式。就像是跑得再快，本质上还要依靠双脚。能不能跳出这个模式，造一辆汽车呢？”中科院天津工业生物所所长、人工合成淀粉项目首席科学家马延和说。
与此同时，我国的二氧化碳减排压力巨大，而以二氧化碳为原料合成所需物质是摆在所有科学家面前的一道难题。
“利用二氧化碳合成淀粉”，一听说这个项目，即便是领域内的知名专家也纷纷摇头，“植物的光合作用已存在十几亿年，至今还未完全弄清楚系统机制，你们能从头合成”？
大家的质疑不无道理，这是从没有人做过的事，翻遍所有文献库，也找不到任何关于合成路径、研究方法的线索。
2018年7月24日下午，中科院天津工业生物所副研究员、人工合成淀粉项目经理蔡韬在实验室楼上的会议室里，准备参加中科院重点项目阶段评审会。自立项以来，他和同事已试验了两年多，尝试了无数次，但都以失败告终，眼看着为期3年的项目就要完结，他们的压力积攒到了最大值。
3点多钟，蔡韬接到了实验室技术员乔婧发来的一张照片。照片中并排的3个试剂管，中间的碘溶液呈淡淡的蓝紫色，与左右两边的无色和深蓝色状态对比明显。
“两边的是对照组，中间的是最新一次的试验结果，与碘溶液反应变蓝。”乔婧说。
蔡韬立即打电话确认，得到肯定的回复后，仍不放心，一路小跑至实验室，直到亲眼见到试剂管，他才抑制不住地喊道，“太好了！太好了！我汇报时终于可以说‘制造路径全线打通’。”
技术员孙红兵记得，那天大家都很开心，蔡老师一改往日的严肃，脸上挂满了笑容。
“相当于长征路上的遵义会议。”“那真是我见过最美的颜色。”蔡韬对《中国科学报》记者说。
至此，人工合成淀粉正式迈出了“从0到1”的一步，人类对于生命科学的认知边界又拓宽了一点。
△ 迷宫寻途 从有到优
成功的喜悦抹平了此前所有的遗憾，以至于他们在讲述研究历程时，会下意识地将前期困难一笔带过。
可最初接到这一项目时，就连他们自己都不相信能做出来。自然反应中，淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应和细胞器间运输，在工业生产中，必须将其简化，又必须保证所有反应的充分和精准。
因此，如何将农业中复杂的合成途径简化为工业生产所需的简单合成途径，是人工合成淀粉面临的最大挑战。
经过计算机算法挖掘和筛选，研究人员在起点二氧化碳和终点淀粉之间，最终锁定了30条可能的路径，每一条包含9~12步重要反应。
每一条可能的路径都是一座“迷宫”。他们就处在每座首尾相连、层层嵌套的迷宫入口。每一座迷宫中又有数个“关卡”，也就是生化反应，想要过关，必须寻找到相应的“钥匙”，即能催化反应的特定的酶。
等到好不容易通关时，往往还是见不到淀粉。毕竟可能的路径有30条，只有走对了唯一的一条，才算成功。
“这些被看作‘钥匙’的酶可能存在于自然界中，也可能并不存在，需要重新设计。最难的是，不同于‘一把钥匙开一把锁’，同一个酶能催化多个反应，但又会带来‘副作用’。”蔡韬说。
6年中，有近一半的时间，他们都卡在这些不同的路径里，有时找不到高效催化反应的酶；有时酶会优先和前面的底物反应，而后面的底物无酶可用；有时只能走通某一部分。
为了通过迷宫中的层层关卡，蔡韬等人与十几个课题组合作。“一个团队力量有限，希望能找到细分领域里最专业的人来合作。”他说。
那时的孙红兵、乔婧都变得异常敏感，她们怀疑自己做的每一个步骤。“可能是溶液加错、剂量没看准，是自己犯了低级错误”。可每一次重复后，她们不得不面对的事实是，操作没有错误，这条路行不通。
“与课题组同时进行多个课题不同，我们是项目制管理，6年中只有这一个项目，所以无论遇到什么都不会放弃。”蔡韬说，“最坏的结果就是失败，科研中的失败再正常不过，大不了从头再来。”
一次，蔡韬外出交流，会上有位科学家提出“利用二氧化碳电/氢还原合成甲醇”。“听到这个思路的一瞬间，我打了个激灵，脑子像通了电一样。我们是不是能以此为鉴，先将二氧化碳转化成甲醇，再将甲醇合成淀粉？”他说。
后来，便有了那张碘溶液呈淡蓝色的照片。
9月15日，《中国科学报》记者在中科院天津工业生物所看到，蔡韬手持一个15毫升的离心管，里面装有大半管的白色粉末，他介绍，“这是利用二氧化碳合成的第一管淀粉，与植物提取淀粉一模一样。”
如果说2018年他们完成了“从无到有”，那么从2018年至今，他们实现了“从有到优”。
△ 走出迷宫 探寻未知
在人工合成淀粉的试验中，蔡韬要找“最简单的路径”，在生活中，他也是如此。从家里到研究所，通常他会选择转弯最少、红绿灯最少的那一条路，慢慢地走。“这条路最直，行人也少，便于专心思考问题。”他说。
在孙红兵看来，蔡老师太想做成了，他满脑子都是项目，只要讨论试验，他的双眼便会立刻亮起来，声调也变得丰富。
“最让我感动的是，为了让我们专心试验，他会铺好所有的路，大到试验设计、与其他合作者沟通试验技术，小到买三角瓶、试剂管，6年来的每一天，他一刻都不愿耽搁。”孙红兵告诉《中国科学报》。
也正是如此，他们才能在相对短的时间内，完成对关键酶的定向改造，耦合从二氧化碳到甲醇的化学过程与从甲醇到淀粉的生物过程中反应条件的兼容，最终将合成效率提高130倍。与植物自然生成相比，其碳转化率提高了20~40倍。
实验室的小会议室，见证着他们的每一次讨论与争执，也见证着71页论文文稿的55次修改。
“蔡老师对文稿熟悉到什么程度呢？前几天我们需要查两个单词，单词所在的页数和位置，他脱口而出。”孙红兵说。
有一次，蔡韬改累了躺在床上休息，收到中科院天津工业生物所研究员江会锋发来的一个链接，标题中，他隐约瞥见了二氧化碳、淀粉的字眼，当即从床上弹起来，困意全无，心怦怦地跳，“不会有人已经做出来了吧”，他紧盯着手机加载条，直到看完摘要才长舒一口气，“原来是不同的研究，虚惊一场”。
科学研究令人着迷和残酷之处均在于此，当研究者身陷迷宫，在各个关卡奋力拼搏时，往往不知道领域内有多少位“竞争者”，更无从得知彼此的进度。他们只能逼迫自己快一点，再快一点，因为开拓者的桂冠只属于最先到达的人。
2021年8月，《科学》审稿通过，且不需补做任何试验。审稿专家认为，该工作“是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。
时隔6年，蔡韬等终于走出了迷宫的弯弯绕绕，来到了更广阔的天地，他是世界上第一个走到这里的人。他很自豪，更重要的是，他想继续往前走，去追求更大、更多的未知。https://t.cn/A6Mfhbc7
“凭空制造？这可能吗？”他有点惊讶。
6年后，他们把不可能变成了现实。中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称中科院天津工业生物所）通过复杂代谢途径的从头设计与精准调控，在国际上首次实现电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉。9月24日，这一研究成果于《科学》在线发表。
图：实验人员在做淀粉遇碘显色试验。 倪思洁摄
△ 从0到1 从无到有
淀粉作为一类重要的高分子碳水化合物，为人类生存提供了所需的热量。1万多年来，农业种植都是生产淀粉的唯一途径。
可植物光合作用的能量效率低、生长周期长，为了应对粮食安全问题，科学家探索出了杂交育种、模块育种、分子育种等办法，还建立了人工光合系统。
“但这些都没有脱离植物本身的固碳模式。就像是跑得再快，本质上还要依靠双脚。能不能跳出这个模式，造一辆汽车呢？”中科院天津工业生物所所长、人工合成淀粉项目首席科学家马延和说。
与此同时，我国的二氧化碳减排压力巨大，而以二氧化碳为原料合成所需物质是摆在所有科学家面前的一道难题。
“利用二氧化碳合成淀粉”，一听说这个项目，即便是领域内的知名专家也纷纷摇头，“植物的光合作用已存在十几亿年，至今还未完全弄清楚系统机制，你们能从头合成”？
大家的质疑不无道理，这是从没有人做过的事，翻遍所有文献库，也找不到任何关于合成路径、研究方法的线索。
2018年7月24日下午，中科院天津工业生物所副研究员、人工合成淀粉项目经理蔡韬在实验室楼上的会议室里，准备参加中科院重点项目阶段评审会。自立项以来，他和同事已试验了两年多，尝试了无数次，但都以失败告终，眼看着为期3年的项目就要完结，他们的压力积攒到了最大值。
3点多钟，蔡韬接到了实验室技术员乔婧发来的一张照片。照片中并排的3个试剂管，中间的碘溶液呈淡淡的蓝紫色，与左右两边的无色和深蓝色状态对比明显。
“两边的是对照组，中间的是最新一次的试验结果，与碘溶液反应变蓝。”乔婧说。
蔡韬立即打电话确认，得到肯定的回复后，仍不放心，一路小跑至实验室，直到亲眼见到试剂管，他才抑制不住地喊道，“太好了！太好了！我汇报时终于可以说‘制造路径全线打通’。”
技术员孙红兵记得，那天大家都很开心，蔡老师一改往日的严肃，脸上挂满了笑容。
“相当于长征路上的遵义会议。”“那真是我见过最美的颜色。”蔡韬对《中国科学报》记者说。
至此，人工合成淀粉正式迈出了“从0到1”的一步，人类对于生命科学的认知边界又拓宽了一点。
△ 迷宫寻途 从有到优
成功的喜悦抹平了此前所有的遗憾，以至于他们在讲述研究历程时，会下意识地将前期困难一笔带过。
可最初接到这一项目时，就连他们自己都不相信能做出来。自然反应中，淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应和细胞器间运输，在工业生产中，必须将其简化，又必须保证所有反应的充分和精准。
因此，如何将农业中复杂的合成途径简化为工业生产所需的简单合成途径，是人工合成淀粉面临的最大挑战。
经过计算机算法挖掘和筛选，研究人员在起点二氧化碳和终点淀粉之间，最终锁定了30条可能的路径，每一条包含9~12步重要反应。
每一条可能的路径都是一座“迷宫”。他们就处在每座首尾相连、层层嵌套的迷宫入口。每一座迷宫中又有数个“关卡”，也就是生化反应，想要过关，必须寻找到相应的“钥匙”，即能催化反应的特定的酶。
等到好不容易通关时，往往还是见不到淀粉。毕竟可能的路径有30条，只有走对了唯一的一条，才算成功。
“这些被看作‘钥匙’的酶可能存在于自然界中，也可能并不存在，需要重新设计。最难的是，不同于‘一把钥匙开一把锁’，同一个酶能催化多个反应，但又会带来‘副作用’。”蔡韬说。
6年中，有近一半的时间，他们都卡在这些不同的路径里，有时找不到高效催化反应的酶；有时酶会优先和前面的底物反应，而后面的底物无酶可用；有时只能走通某一部分。
为了通过迷宫中的层层关卡，蔡韬等人与十几个课题组合作。“一个团队力量有限，希望能找到细分领域里最专业的人来合作。”他说。
那时的孙红兵、乔婧都变得异常敏感，她们怀疑自己做的每一个步骤。“可能是溶液加错、剂量没看准，是自己犯了低级错误”。可每一次重复后，她们不得不面对的事实是，操作没有错误，这条路行不通。
“与课题组同时进行多个课题不同，我们是项目制管理，6年中只有这一个项目，所以无论遇到什么都不会放弃。”蔡韬说，“最坏的结果就是失败，科研中的失败再正常不过，大不了从头再来。”
一次，蔡韬外出交流，会上有位科学家提出“利用二氧化碳电/氢还原合成甲醇”。“听到这个思路的一瞬间，我打了个激灵，脑子像通了电一样。我们是不是能以此为鉴，先将二氧化碳转化成甲醇，再将甲醇合成淀粉？”他说。
后来，便有了那张碘溶液呈淡蓝色的照片。
9月15日，《中国科学报》记者在中科院天津工业生物所看到，蔡韬手持一个15毫升的离心管，里面装有大半管的白色粉末，他介绍，“这是利用二氧化碳合成的第一管淀粉，与植物提取淀粉一模一样。”
如果说2018年他们完成了“从无到有”，那么从2018年至今，他们实现了“从有到优”。
△ 走出迷宫 探寻未知
在人工合成淀粉的试验中，蔡韬要找“最简单的路径”，在生活中，他也是如此。从家里到研究所，通常他会选择转弯最少、红绿灯最少的那一条路，慢慢地走。“这条路最直，行人也少，便于专心思考问题。”他说。
在孙红兵看来，蔡老师太想做成了，他满脑子都是项目，只要讨论试验，他的双眼便会立刻亮起来，声调也变得丰富。
“最让我感动的是，为了让我们专心试验，他会铺好所有的路，大到试验设计、与其他合作者沟通试验技术，小到买三角瓶、试剂管，6年来的每一天，他一刻都不愿耽搁。”孙红兵告诉《中国科学报》。
也正是如此，他们才能在相对短的时间内，完成对关键酶的定向改造，耦合从二氧化碳到甲醇的化学过程与从甲醇到淀粉的生物过程中反应条件的兼容，最终将合成效率提高130倍。与植物自然生成相比，其碳转化率提高了20~40倍。
实验室的小会议室，见证着他们的每一次讨论与争执，也见证着71页论文文稿的55次修改。
“蔡老师对文稿熟悉到什么程度呢？前几天我们需要查两个单词，单词所在的页数和位置，他脱口而出。”孙红兵说。
有一次，蔡韬改累了躺在床上休息，收到中科院天津工业生物所研究员江会锋发来的一个链接，标题中，他隐约瞥见了二氧化碳、淀粉的字眼，当即从床上弹起来，困意全无，心怦怦地跳，“不会有人已经做出来了吧”，他紧盯着手机加载条，直到看完摘要才长舒一口气，“原来是不同的研究，虚惊一场”。
科学研究令人着迷和残酷之处均在于此，当研究者身陷迷宫，在各个关卡奋力拼搏时，往往不知道领域内有多少位“竞争者”，更无从得知彼此的进度。他们只能逼迫自己快一点，再快一点，因为开拓者的桂冠只属于最先到达的人。
2021年8月，《科学》审稿通过，且不需补做任何试验。审稿专家认为，该工作“是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响”。
时隔6年，蔡韬等终于走出了迷宫的弯弯绕绕，来到了更广阔的天地，他是世界上第一个走到这里的人。他很自豪，更重要的是，他想继续往前走，去追求更大、更多的未知。https://t.cn/A6Mfhbc7
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