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自大约公元前一万年的第一次农业GE MING以来，我们的食物系统一直不断变化，很多人类群落从狩猎和采集转向农耕定居生活。从那时起，形式多样的加工技术便始终与食物生产相伴相生。让我们看看迄今为止我们的胃把我们引向何处，以及食品的未来将会如何。加工食品的过去和现在闪闪发光的铝储罐、身着防护服的工作人员、连绵数公里的管道，以及从巨大烟囱中袅袅升起的蒸汽——这就是许多人对于采用技术进行“食品加工”的印象。但现实是，从人类发明第一张耕地用的犁，发现制作奶酪的方法，或者利用火和酵母烤制出第一个面包开始，我们就一直在依靠加工技术解决吃饭问题。如果没有加工技术、作为肥料和用于害虫防治的化学品以及新技术进展，食品生产将永远无法满足人口大规模增长的需求。食品与技术密不可分，只不过今天我们面对的复杂性和创造性达到了一个全新的水平。危机与机遇我们的食物系统如今正处于动荡之中，要想减少其对地球造成的负担，建立抵御不可修复气候变化的能力，以及解决不良饮食造成的健康问题，就需要迅速做出改变。目前为止，初级食品生产主要依赖于我们肉眼可见的植物和动物，但在将注意力转向未来的食品和食品生产技术时，我们需要透过显微镜才能看清。进行变革的迫切性和必要性显而易见，而我们也已经拥有用来应对挑战的工具和技术。科学和技术正在以难以置信的速度突飞猛进——就在几千年前我们才刚刚开始喝牛奶；而如今，我们已经有能力在一夜之间对牛（实际上包括地球上的其他生物体）的整个基因组进行测序和可视化。就食品科学而言，下一个大事件恰恰与微小有关，并且极其微小。无论在地球还是最终移民到其他星球，微生物很可能是解决未来人类粮食问题的关键。科幻小说已然成为科学事实人们往往会觉得在实验室培养皿或罐子中培育的食物或食物成分不够天然并带有科幻色彩，这种未知事物让我们心生恐惧。然而，我可以打赌，很多正在阅读这篇文章的人都曾满心欢喜品尝过用Quorn素肉制成的汉堡或其他食品。这种在无菌发酵罐中培养的霉菌蛋白诞生于50多年前，当时的英国实业家J. Arthur Rank担心蛋白质终有一日被消耗殆尽，因此组织科学家解决这一问题。微生物无需长出头脚，所以它们在制造蛋白质或别的什么成分方面，效率极其惊人。它们既可以直接培育和食用，也可以用于生产特定的食物成分。如今，许多创新企业正在利用微生物将动物从食品生产链中完全剔除，所生产的产品涉及从乳品乳清蛋白和蛋清到作为动物脂肪替代品的植物源性肉类等方方面面。一些企业所利用的微生物甚至仅以空气中二氧化碳为食。那么既然将食物系统提升到全新水平的解决方案已经存在，为什么我们并没有看到它在全球范围得到大规模采用呢？真正的变革尚需时日这个过程还需要时间，但至少在欧洲和北美的超市货架上已经可以看到大量的创新食品，并且数字每天都在增加。您当地的超市或许就已经有使用微生物生产的乳品蛋白冰淇淋上架销售，甚至全球范围的汉堡连锁店现在也已提供与肉制汉堡不相上下的100%素食产品。但有多个因素造成变革的进展缓慢。首先，全球食品行业的规模庞大且错综复杂，现有生产方法和工艺已经投入了大量的补贴和公共资金。其次，人类饮食习惯的改变很难一蹴而就。我们几年之前就停止吃肉，或至少要减少肉制品食用量，但大多数人依然如故。但这并不代表食品行业不能做出迅速改变。举例来说，20世纪60年代之前并不存在的肉鸡产业短短40年内就已经征服整个世界。如今，如果把全世界的禽鸟都算在一起，鸡在其中的占比高达70%。太空，最终边界？在我有生之年，比如未来40年左右，可以肯定人类将在月球建造供永久居住的研究站点。为了避免运输问题，人们所吃的食物也同样需要在当地生产。在没有土地、水和氧气的情况下，太空定居点的居民需要一个完全可控且极其高效的高韧性全封闭闭环食品生产系统才能够维持生存。在我看来，微生物在这个系统中将占据举足轻重的地位。生产人类所需全部营养的微生物系统在地球上也将无比重要，例如，可以作为应对人道主义危机（如干旱或战争）的后备系统。更重要的是，发展小型自给式食品生产系统将让我们减少对耕地的依赖，让我们能够将大量土地归还自然，在一定程度上恢复生物多样性。这也就意味着微生物成为加入数千年以来始终以植物和动物为主导的食物生产链的第三个生物界。这就需要一套全新的测量和监测技术协助掌握生产罐内的情况，以及了解如何优化微生物生产条件。由于我们所监测和测量的物质肉眼无法看到，因此食品行业的未来将100%由数据驱动。显然，要想成功应对所面临的严峻挑战，我们需要从根本上改变食品的生产和消费方式。但这样做并不意味着舍弃珍馐美味，亦非挥别心心念念的饮食传统。这只是需要我们突破食品科学囿固，寻找更新更好的方法生产我们喜爱的食物，当然也可能推出更好、更美味的创新食物让我们一见倾心。

工欲善其事，必先利其器。中国科学院院士杨学明说，“事实上，科学仪器的研究已经成为各国必争之地，但我们对它的重视还远远不够。”　　杨学明院士日前来到墨子沙龙，在活动现场，杨学明院士带来了自己求学和科研探索的故事。　　在他追求科学的道路上，研发科学仪器，最初只是个人的研究兴趣，在面对重要的科学问题时，发展自己独特的实验研究仪器和方法往往可以帮助这些科学问题得到解决，“在科学问题的驱动下，我们将重要科学问题与新仪器创制相结合，二者相辅相成，技术革命和科学进步往往共同发生”。　　杨学明院士在揭示化学反应中的量子共振现象和几何相位效应的方面取得了一系列成果，这样极具难点和挑战的研究方向，离不开他研发的新一代高分辨率和高灵敏度量子态分辨的交叉分子束科学仪器。　　激光技术的发展推动了现代科学和工业革命，但早在从事博士后研究的时候，杨学明就意识到，当时的同步辐射光源并未完全满足化学动力学研究的需求，“我们需要高亮度的极紫外自由电子激光光源”。过去的二十多年，自由电子激光的发展为极紫外波段光源带来了希望，而杨学明自从2001年回国之后，一直致力于该方向装置的推进和建设。在距离大连市中兴100公里的“长兴岛”上，大连相干光源就是杨学明院士和上海应用物理研究所等单位的专家、院士们共同推动建设的。如今，大连相干光源每天都吸引国内外化学、物理、材料、能源等各个不同领域的科学家来此申请机时、开展研究。在大连相干光源建设得如火如荼之时，杨学明院士作为南方科技大学理学院院长，又开始了新一轮的挑战——基于超导加速器技术的高重复频率自由电子激光装置的调研、攻关和建设推进。过去的十年，超导加速器的发展取得了很大的突破，杨学明意识到，对于发展高亮度的极紫外和X射线自由电子激光光源，这是重大机遇。在深圳落地的中能X射线自由电子激光项目 ，将助力推动量子材料、先进半导体技术、生物科技、能源科学等前沿科学研究。　　科学仪器好比科学家的“眼睛”，科学仪器和实验技术的进步，推进了人们对整个世界的理解，也推进了整个科学革命。

“这个太复杂了，你的技术路线风险太高。”几位美国宇航局（NASA）的遥感载荷专家反应出奇一致。2015年，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员陈卫标在国际学术会议上遇到几位NASA的同行。因为都是卫星载荷领域的顶尖专家，陈卫标提及他正在筹备立项的“二氧化碳高精度监测激光雷达”项目，想请几位同行提提意见。“因为都是同行朋友，人家表达得比较委婉。”陈卫标自嘲说，“说风险太高，其实意思已经很明确——你做不出来。”去年4月，搭载全球首颗大气二氧化碳和高光谱气溶胶探测激光雷达的卫星（“大气一号”）发射成功，我国率先实现全球温室气体和气溶胶高精度激光遥感。陈卫标也凭借在星载激光雷达及其关键激光器在国家重大工程中的突出贡献，获得第三届全国创新争先奖。交出“答卷”前段时间，“大气一号”交来一份“优秀答卷”，人类首次获得全球两极地区及全球夜晚的二氧化碳柱线浓度，初步比对精度优于1ppm。实际上，“大气一号”发射前，距地球700公里的轨道上已有一颗美国的气溶胶探测卫星在工作。美国那颗卫星代表着国际激光雷达遥感载荷的最高水平，但中国计划用难度更大的高光谱技术探测更精准的气溶胶，并且要在一颗卫星上实现“污（气溶胶）碳（二氧化碳）同测”。因此，该方案被国外同行质疑也在情理之中。提起这颗“污碳同测”的发射背景，陈卫标解释说，以前全球碳排放的“盘点”基本上是国外在做，随着全球气候变化和我国“双碳”目标的确立，“减排降污”的经济发展途径，迫切要求我们掌握全球高精度碳分布的基本数据。近十几年我国经济发展迅速，一方面经济生产会带来一些排放问题；另一方面，我国的绿化率也大幅度增加，各种新能源新技术的成效怎样，都要求我们了解碳循环、碳平衡问题，这就需要有足够高精度的二氧化碳浓度检测能力。因此，我国计划发射“大气一号”，这颗全球首颗主动激光雷达二氧化碳探测卫星的主动激光雷达载荷，采用路径差分吸收和后向散射高光谱探测体制，可以获取全球大气二氧化碳柱状浓度、云和气溶胶的垂直分布信息，进行污染监测和二氧化碳柱浓度监测。艰辛答题国际上普遍认为，要区分碳源和碳汇，需要达到0.3%的质量精度，即小于1ppm的测量精度。以前的测量手段靠被动光谱测量，利用大气反射的阳光进行测量。“被动光谱测量存在一定局限性，被云挡住或没有阳光的地方就无法测量。”陈卫标说，“后来我们提出主动测量的办法，在卫星上发出激光，通过地表反射的激光进行定量测量。但这是个新技术方案，它能不能精确到1ppm，需要用数据说话，那就必须进行定标。”这就要求在发射卫星前，先在实验室模拟出大气环境，来证明我们载荷的测量精度能达到要求。为此，陈卫标团队建立一个二氧化碳吸收池——一个长约40米，直径300毫米的管状实验装置。然后用压力和温度的变化量来模拟整层大气层吸收，通过改变压力和浓度，逐步区分1ppm来验证设备的响应变化率。因为国际上从未做过，所以从实验方案设计到建吸收池，再到申请专利，然后用到激光雷达载荷上都必须自己摸索。美国气溶胶测量卫星CALIPSO在700公里的卫星轨道上，中国就想同样发射到700公里轨道，这样一是能和原来的数据进行比对。二是气候和环境观测需要连续的数据，而CALIPSO延寿运行到今年为止。如果中国的卫星能补上去，全球大气观测数据就可以延续下来。但要把激光雷达“搬”到700公里的轨道上测量全球大气，还有无数麻烦在前面等着。700公里轨道太高，要保证激光从卫星上“打”到大气中，再返回卫星，必须有足够的能量。但二氧化碳探测使用一种“差分吸收法”测量，该方法测量的前提是激光频率要稳定，一旦频率“飘移”，就无法判断是大气浓度变了还是激光频率变了。“传统激光技术存在一个矛盾——能量大的时候，频率稳定度就保证不了。”陈卫标说。巧合的是，陈卫标团队长期进行空间激光技术的研究，他们基于此前的技术积累，发明一套激光稳频技术和一套逐级能量放大技术，完美解决了这个两难问题。在国际上第一次在一台激光雷达中，实现多波段频率稳定和高能量同时输出，以实现多要素的高精度探测。“少‘打’一颗卫星上天，对国家来说也可以节省很多成本。”陈卫标解释说，“设计方案的时候我们分析过，测量二氧化碳的短波红外激光是通过近红外激光产生的，而剩余的近红外激光可以再转化到可见光，所以让一套激光系统发挥两种功能也不是完全不可能。”此外，激光雷达的接收需要一米口径的望远镜，在一个接收望远镜巧妙分出若干个通道，其中3个专门测雾霾，两个专门测二氧化碳，这就完美解决了“污碳同测”问题。准备“领跑”从饱受质疑到脚踏实地“做出点事情”，陈卫标感受颇深。他认为，当前中国科技领域“跟跑时代”马上就要过去，到需要自强自立的时候了。这就需要我们深入思考，做出创新性工作。“我常对团队的年轻人说，我们处于一个重大科技变革期，全社会对科技的期望非常高。”陈卫标说，“这需要我们认真思考，到底什么样的科技才能真正支撑国家发展。”陈卫标认为，在科研选题方面，我们面临“热”和“冷”的选择。“冷”是指一些“补短板”的研究，即使不是科技前沿和热点，只要是国家的“痛点”问题，就值得定下心来，脚踏实地做好攻关；在“热”的方面，我们应该自信自强，将前沿热点的“极限”做出来，能真正引领学科、技术的发展，为科技转化和产业变革奠定基础。“下周我们要参加一个国际学术会议，会见到这些NASA的国际朋友，我们会做专题报告，告诉他们已经拿到全球激光雷达测量数据了。”采访最后，陈卫标语气略显自豪地表示。