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秦礼萍:她有一把丈量太阳系时间的尺子 | 探索者

秦礼萍,中国科学技术大学教授,2021年科学探索奖天文和地学领域获奖者。

获奖理由:肯定她在太阳系和行星早期演化等宇宙化学领域的贡献,支持她在地月系统物质来源及地球早期生命演化方向进行探索。

 

导  读

秦礼萍是地学领域少数做到顶尖的女性科学家。她曾获得2014年欧洲地球化学学会豪特曼斯奖(Houtermans Award),成为获得该奖的第一位中国科学家。去年又获得国内支持青年科学家的科学探索奖。

无论是读博时研究太阳系演化的秘密,还是独立后探索 “生命从哪里来的”,秦礼萍的科研历程可以概括为两点:专注于感兴趣的问题;研究要有方向和目标,任何一个实验、一个指标都有其目的。

 

撰文 | 王一苇

责编 | 陈晓雪
 

图1 研究太阳系和地球的起源,最终是为了探索生命的来源 | 图源:pixabay.com

 

2005年的一个夜晚,27岁的秦礼萍独自待在芝加哥大学地球物理系的实验室。四周静悄悄,只有质谱仪偶尔发出的蜂鸣声。她已经熬了几个大夜。这几天的夜晚,每隔两个小时,她都要起身监测一次质谱仪,测量样品。机器一开动,进入稳定状态就不能停,要趁着状态好,把所有样品都做完。
 

秦礼萍快速扫过一行行机器得出的数据,瘦削的脸上再次浮起疑惑。几个月了,样品的同位素比值仍然达不到稳定值,她搞不明白哪里出了问题。

 

实验要顺利完成,她首先得确保取得的样品中同位素比值精度控制在0.01‰之内。然而,这个年代的质谱仪测量并不那么精确,数据经常 “飘”。影响同位素比值测试结果的因素多种多样,秦礼萍排除了一个又一个因素,却还是找不到答案。

 

她去问博士生导师。但导师什么都没说,扔下一句 “I don’t know more than you(我知道的不比你多)”,让她回去继续做实验。

 

秦礼萍感到前所未有的焦虑。这是她来美读博的第四年,可距离研究出成果好像还隔着十万八千里。

 

她面前,曾经有过一条更好走的路。她有三年时间跟着另外一位导师研究地球上的岩石,探索如何通过夏威夷火山熔岩的铁锰元素比值解析地球地幔的构造,论文完成的很顺利。第三年,导师要去另一所学校,走的时候建议她,凭着现有成果,已经可以毕业。四年就毕业,这对于博士而言几乎是梦寐以求的。但是,思虑再三,她决定拒绝这个诱人的提议,加入系里另一位教授 Nicholas Douphas 的团队,从头开始。

图2 中国科学技术大学教授秦礼萍,是地学领域少数做到顶尖的女性科学家。图为2022年3月3日,秦礼萍在合肥的办公室。 | 拍摄:王一苇
 

这个决定看似由导师离开的偶然事件触发,但并非一时兴起。

 

阅读前沿论文的习惯和多年在领域内的浸淫,让她敏锐地感到,自己目前从事的传统元素研究发展前景有限。当时,一些非传统同位素的研究刚刚兴起,发表在《自然》《科学》等顶级学术刊物的亮眼研究,常常来自这个领域。

 

“没有一个领域能抵抗的了同位素研究,”秦礼萍觉得,那才是未来。“但怎么分离提纯,怎么做高精度的同位素比值,这些我都没学到。(我)觉得我自己没有 prepare(准备好),还有好多东西没学。”

 

短周期同位素又叫灭绝核素。“灭绝” 的意思,就是这些同位素形式的元素在今天的世界中已经不存在了。例如碘129,铝26和铁60,由于半衰期短,它们在漫长的太阳系历史中早已衰变成为其他元素。不过,尽管它们消失了,我们还是可以通过它的衰变产物了解它的踪迹。携带灭绝核素衰变产物的陨石,就像是太阳系中的琥珀,凝结了这个星系最初的模样。

 

太阳系自诞生至今已经过去了45亿年漫长的时间。在它生命的最初,一堆气体尘埃云聚合形成行星,这个过程只用了短短的千万年,此后,行星经历了漫长的演化,与其最初的形态差距甚远,而只有火星、木星之间的小行星带和海王星外侧的柯伊伯带上的小行星们,仍然保留了原初形态:它们来自原始的太阳星云。如果想知道太阳系最开始的那一瞬间发生了什么,研究这些小行星是最好的选择。

 

每年,上万颗陨石降落到地球,其中大约10颗能进入人类的收藏。[1] 除了火星、月球陨石等,它们基本上都来自小行星带。[2] 秦礼萍这样的宇宙化学研究者通过博物馆或者私人收藏家获得这些陨石样品,试图探究小行星的起源。

 

小行星年龄的秘密就藏在这些陨石里。陨石根据其组成材料一般分为石陨石、铁陨石和石铁陨石等。地球上最常见的铁陨石一般来自小行星的内核,说明在最开始形成的时候这个小行星曾经因大量的热量熔融,铁和硅酸盐等物质分离,分别形成核与幔。

图3 秦礼萍展示办公室里的陨石样本 拍摄:王一苇
 

铁陨石中,有一种 “计时器” 元素钨(182W)。它是灭绝核素铪(182Hf)的衰变产物。铪的半衰期只有890万年左右,几十亿年的时间,足够让它在太阳系里消失无踪。但182W非常亲铁,在小行星熔融分层时,182W就被 “封印” 进了小行星核,其在核内的丰度标示着小行星的形成时间。

 

不过,经过上亿年宇宙射线的辐射,铁陨石内182W的丰度会受到一定影响。如何校正这种影响,获得相对准确的陨石年龄,并由此探知原初小行星形成的时间,一直是个难题。

 

在新导师给的五个博士论文课题里,秦礼萍一眼挑中了铁陨石中的钨同位素研究。

 

“我当时读了一些paper,觉得这个方向非常新,做科研,你肯定要去做最前沿的。”

 

2005年,地球上只有不多的几个实验室有条件做陨石中钨同位素的研究,芝加哥大学是其中一个。作为宇宙化学研究的热地,学校配备的超洁净实验室是实验的必备条件,而常常举办的seminar更是给了秦礼萍了解前沿进展的好机会。

 

当然,这绝不是个十拿九稳的项目,一不小心,也许连毕业都会成问题。

 

“当时非常焦虑,六年毕业的话已经过去三年了;第四年,前半年的时候主要是阅读文献,到真正开始建方法又有半年,那时候就一看我都快毕业了,得赶快,就非常着急,不停地找原因,找不到原因就吃不好睡不好。”

 

她取陨石样品研成粉末,配置溶液,经装满树脂的离子交换柱过滤,提纯所需的元素,测量、比较其同位素组成的差异,以计算陨石的年龄。一天天,反反复复。

 

秦礼萍住的离学校很近,做实验的那段时间,她常常工作到2、3点钟,开个车十几分钟回家睡个三两小时,5点多就又赶回实验室继续工作。那是一段不知疲倦的时光,她似乎有用不完的精力,全身心地投入到研究中。实验开始的时候要花一个多星期清洗容器,王水那股冒着黄雾的刺鼻味道,她现在都还记得。

 

数据分析久久没有头绪,事情的难度超出了她的想象。但对于秦礼萍而言,这是她必须解决的挑战。她笃定,自己能找到答案。

 

“我的经验就是没有什么问题是解决不了的,没有什么magic,实验性的科学,测不准肯定是有原因的,这原因肯定是能找得到的,你只要不停地去分析,肯定能找到。”

 

记不得分析过多少份样品后,魔法消失了。

 

“我发现规律了,跟别的因素都没关系,就跟标样和样品的浓度匹配有关系。”

 

没有什么特别的灵光一现的时刻,她只记得,当时已经到了数据放在面前,光看一眼就知道问题的程度。只要有一点点的异常,她都能敏锐地探测到。“我都忘了我当时是怎么发现的,把数据一一比较,发现它浓度匹配差的时候,同位素比值差别就大。”

 

秦礼萍的研究提出了一种准确测量铁陨石中钨同位素含量的方法,并由此推断,组成这些铁陨石的原材料,即太阳系中的初代小行星,其诞生时间约为太阳系诞生后几百万年之内,比此前科学家们推测得要早很多。

 

此前,人们认为曾经熔融而核幔分离的小行星,诞生时间比未熔融过的小行星晚。而秦礼萍的研究证明,这些小行星实际上形成得更早,而正是由于其处于太阳系形成早期,灭绝核素丰度高,衰变的时候产生了大量热量,才有了熔融的过程。

 

论文分别于2007年和2008年发表在分析化学的顶刊 “Analytical Chemistry ”和固体地球科学的顶刊“Earth and Planetary Science Letters”上,引起业内轰动。2014年《自然》杂志对秦礼萍的专访,将这项研究称为她科研生涯的 “转折点”。[3] 她的工作,给跨度巨大的时间量尺添上了精细的刻度,以丈量太阳系的遥远过去。

 

这项研究,给了秦礼萍继续探索的勇气和底气,但她此后的研究道路并非一帆风顺。

 

2008年,秦礼萍从众多申请者中脱颖而出,进入天体化学领域顶尖的卡耐基研究院做博士后。一开始,她选择了钡同位素体系作为研究课题,研究了一阵,却走进了死胡同。

 

先放放吧,她想,转头先去试试别的。她转而研究锰(53Mn)-铬(53Cr)这一短周期同位素定年体系。

图4 2018年,秦礼萍在休斯敦参加会议期间参观Rice大学,与学生合影 | 本图由受访者提供
 

铬有50、52、53和54四种同位素,其中53铬是灭绝核素53锰的放射性衰变产物。铬在太阳系中丰度较高,所以这个体系适用于大部分天体样品的定年。但与铪-钨体系类似,陨石中铬的同位素比值经宇宙射线照射后往往会改变,需要校准。同时,铬的性质不太容易把握,提取过程中经常会形成其他化合物,提取不出来。掌握其性质,需要经过大量的实验。

 

秦礼萍原想着先试试,到时候可以回头做钡。可没想到这一试,就越做越深,她最终确立了学界关于锰铬同位素定年体系的研究标准。“铬的性质,我现在基本上摸透了。”

 

“我觉得科学就要认准一个方向。” 秦礼萍说。“精度更高,你就能看到前人没看到的一些变化;或者是你的方法更准确,推翻了前人的一些结果。所以想做的项目,尤其是别人没尝试过做的,不管哪个领域,只要坚持总是会有新发现。”

 

不管是研究铪-钨还是锰-铬,秦礼萍的目标都是探究太阳系的演化历史。在她看来,做研究,需要以目标为导向,而非为了发展技术而研究技术。

 

“还是要先有科学问题,才去找适合的工具。” 她说。

 

也因此,在劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)读第二个博士后、选择研究方向时,她不顾博士生导师 “你这相当于是自杀” 的反对,选择了研究表生过程,即发生在地球表面的地质过程。

 

在不同演化阶段, 地球表生地质作用表现出不同的特征和状况, 能显示地球大气圈、水圈化学变化对其的控制作用。因此,研究这个过程有助于了解地球大气圈、水圈的形成,并以此探索地球乃至太阳系早期的演化历史。

 

尽管这与秦礼萍曾经研究的地球深部地质过程迥异,相当于从头开始,但她认为再难也值得做。

 

秦礼萍说,和很多人一样,她刚入行的时候,也不知道自己想做什么,能做什么。但重要的是找到兴趣,明确科学目标,深挖下去。“你的兴趣是怎么来的,肯定是通过自己的科研经历,读一些文献,知道说有这么一个科学问题。通过更深入的调研,才知道这是不是一个(真正的)科学问题,有的科学问题可能已经有很多人做过。有一些问题困扰学界很多年,可以朝着这个问题去进一步。”

 

在地学领域这个男女性别比例极不均衡的学科,秦礼萍是少数做到顶尖的女性。

 

“小时候真的是没有体会到一点来自父母的压力,从来不觉得你是个女孩子,应该怎么样。”

 

秦礼萍说,自己有一个弟弟,但父母从小没有要求她去照顾弟弟,反而因为她成绩好,把更多的期望放在她身上。

 

“我爸爸一直就觉得我将来应该成为一个科学家,他觉得女孩子也能干跟男孩子一样的事情。” 

 

小时候的秦礼萍很有主意,也愿意表达自己。

 

“只要老师一提问,我就手举得好高的那种,或者直接就把答案说出来的那种人。” 因为常常答得太快,没留给别人思考的时间,老师甚至要求她别报答案。

 

从进入中国科学技术大学读本科,到赴美求学,她明显察觉到身边做科研的女生在渐渐减少。

 

到了自己带学生的时候,秦礼萍发现,男生无论了解多少,总是敢发表自己的意见,而相比起来,女生很多时候怯于发言。

 

“有时候她听到这个事情觉得不对,也不太好意思去说,或者也不太自信,说我是不是一定对,(错了)就太丢人。可是男生他就算是不太确定,也敢说这个事情怎么回事…… 所以需要鼓励女生(建立)自信心,我说你们不要觉得那些男生非常厉害,他们只是更善于表现自己。”她说。

 

她认为,很多做科研的女生之所以会 “纠结”,有很多担忧,可能是因为从小接受的教育和期望与男生不同。在科研的十字路口,一些劝阻她们继续走这条荆棘之路的声音常常来自身边的至亲。

 

秦礼萍也遇到过类似的情况。在美国找教职期间,她也经历了一段焦虑时期。这时候,妈妈打电话来,劝说她要么回国当个老师,要么在美国待着做全职主妇,让老公负责挣钱;又或者先把孩子生了,再去找个相对清闲的工作。

 

“我就觉得,那种建议不能被接受啊,我辛辛苦苦做科研,这条路走的也比较难,不是为了在家里生孩子。” 对于妈妈的劝说,秦礼萍 “不太纠结”,“我妈的话我听听就好。”

 

2012年,母校中国科学技术大学向秦礼萍伸出橄榄枝。在劳伦斯伯克利国家实验室结束博士后工作,她回到合肥,继续科研。

 

独立研究10年,秦礼萍也有过受挫的时刻。低潮的时候,她会想起博士后导师跟她说的话。

 

“那时候美国环境比较差,申请工作没有什么回音,压力也比较大,有的时候会有一些不太好的情绪,多多少少会在他面前可能会流露一下,他就跟我说,礼萍你想一想,人家花着纳税人的钱让你做你喜欢做的事情,这种好事还很多吗?”

 

“想想我就明白了。如果我真的不喜欢这个行当,我去干别的也行,没必要去做科研,这条路这么辛苦,其实这辛苦是你自己找的。”

 

与博士后阶段相比,秦礼萍想要探索的问题更多样了。

 

去年,秦礼萍申请到了 “嫦娥五号” 的月壤样品,通过金属同位素研究其演化过程;而最近,她和合作者一起把一个微型的行星形成模型送上了中国的空间站,计划在空间站的微引力环境下探索初代行星形成的过程。这将是空间站中第一次进行这样的实验。

 

“一些可以发很多文章、但她觉得意义不够大的课题,她不会给我们做,除非是某个学生着急毕业。” 秦礼萍的博士生、研究环境地球化学的方子遥说。

 

他说,导师要求他们,一是要专注于感兴趣的研究内容,二是要有目的性:要明白做任何一个实验、测任何一个指标的目的是什么,是否能真正“照看到自己的研究方向”。

 

这些不同的研究汇聚在一起,指向她眼下最感兴趣的一个宏大的科学目标:生命从哪里来?

 

研究太阳系和地球的起源,最终是为了探索生命的来源。秦礼萍希望,通过对陨石和地层的同位素研究,找到一些更早的生命存在的迹象。

 

“哪怕现在研究到这个程度,地球从哪里来的,你知道吗?月球从哪里来的,你知道吗?现在都没有一个人敢确切地说,组成地球的原始建筑材料——那些原初小行星们是哪一类型的。” 她说。

 

秦礼萍说,很多预测是建立在模型的基础上,中间还有大量的工作需要做。这将会是一个不断推翻现有结论和假设的过程,要时刻保持开放的心态。

 

“最终的目标当然是知道这些,可是现在我们只能是在这个目标下,做一点,一步一步地加深认识。”

 

前面,仍然是数不清的未知和不确定。

 

好在,她清楚自己的方向。

 

参考资料:

[1]https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/48/7/683/584575/The-spatial-flux-of-Earth-s-meteorite-falls-found[2]https://www.amnh.org/exhibitions/permanent/meteorites/meteorites/what-is-a-meteorite#:~:text=Where%20Do%20Meteorites%20Come%20From,years%E2%80%93before%20colliding%20with%20Earth.[3]https://asu.pure.elsevier.com/en/publications/analytical-developments-for-high-precision-measurements-of-w-isot 

 



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