动图欣赏:魔法透镜

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可能是最简单易行的隐身术!通过中间的区域看,背景图案丝毫没有扭曲,但手指却消失不见了。

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其实这是一个光学小把戏。在一篇论文中,罗切斯特大学的研究者专门对它进行了探讨。

下面就来说一下它是怎么做的。图中其实一共用到了4个透镜。这套设备的要点是,利用透镜的折射让光线“绕过”第一个透镜之后的一些区域传播。当手指位于这些区域时,透过透镜就不会看到它们了。

这里要有两种不同焦距的透镜:焦距f1的透镜两个,焦距f2的透镜两个。图中的透镜f1=200mm,f2=75mm。

接下来,要按照下图把四个透镜排成一条直线:

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其中距离t1等于两个焦距的和f1+f2,而中间的t2等于2*f2(f1+f2)/(f1-f2)。

设置好这套装置之后,光线经过透镜时会是下面这个样子:

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在第一个透镜和第四个透镜之间,光线聚集在靠近中轴线的地方,上图中橙色的区域是光线绕过的地方,这里就是能够让物体“隐形”的区域了。而中间光线通过的区域还是不能遮挡的。在上图中, 也是正好让手指缝让出了光线通过的位置。不过,研究者也用更复杂的技术对它进行了改良。

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这一系列装置由Joseph S. Choi 和 John C. Howell完成,如果想要了解更多技术细节,可以搜索“Paraxial ray optics cloaking”。

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“蛇爬过”的小红果果,没有毒也不是果

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作为一名植物学工作者,每天回答最多的问题就是夺命三连问:这个植物能吃吗?好吃吗?怎么吃?当然了,不同植物的出场频率差别很大,因为不同物种的长相和吸引力可以说是天差地别。今天,我们就来认识一个经常被人问起的明星物种,它就是蛇莓(Duchesnea indica)。蛇莓可以说是最像草莓的果子,红彤彤的“果实”在草丛中异常醒目,在绿色背景的陪衬下,新鲜和美味的感觉呼之欲出。垂涎欲滴也是人之常情啦。

蛇莓的“果实”看上去十分诱人。图片:4028mdk09 / Wikimedia Commons

蛇莓的“果实”看上去十分诱人。图片:4028mdk09 / Wikimedia Commons

但是,爸妈就是不让我们吃。不让吃的理由是,“蛇莓表面都有蛇爬过,沾上了蛇的口水,所以蛇莓都是有毒的,千万不能吃。”虽然老话说,不听老人言,吃亏在眼前,但在野外,我们还是忍不住会摘下那些成熟的蛇莓果子,慢慢咀嚼。吃了蛇莓,人也没有啥异样的反应。莫非是吃得太少,毒性没有发作吗?

长着一张草莓的脸

蛇莓是蔷薇科蛇莓属的植物,这个属有5~6种植物,分布在中国的只有两种,分别是蛇莓和皱果蛇莓(D. chrysantha)。这两个物种很容易区分,最典型的区别在“果子”的颜色,前者的“果子”是鲜红色的,而后者的“果子”是粉红色的。这个“果子”其实不是蛇莓的果实,而是它的花托。而“花托”上的芝麻粒儿一样的小硬颗粒,才是真正的果实。

皱果蛇莓的花托是粉红色的。图片:Sphl / Wikimedia Commons

皱果蛇莓的花托是粉红色的。图片:Sphl / Wikimedia Commons

蛇莓是草莓的远房亲戚,很多时候被称作野草莓。作为相亲相爱的姊妹属,蛇莓属和草莓属(Fragaria)有着共同的特征,那就是发达的肉质花托,和花托上面许多小小的果实。果实成熟后,红色的肉质花托就显得更诱人了。它们用富含营养的肉质花托,吸引动物来取食,从而借助动物的消化系统,传播种子。

在之前的物种日历中,已经有很多文章介绍过“真果实”和“假果实”。菠萝看上去麻麻赖赖的大“果实”,其实是许多小小的果实,生长在花序轴上。我们吃的腰果是腰果树的种子,在生前有一个超大的果托长在它上面,这个果托酸甜多汁,也可以当水果吃。这些结构都是为了引诱动物,传播种子而产生的。在自然界,开花植物传播种子的方式,经历了漫长的演化过程,任何可以被利用的资源,都会被放在合适的地方。

那么,蛇莓和草莓又有什么区别呢?最典型的区别在花朵上,蛇莓的花是黄色的,而草莓的花则是白色。只不过,蛇莓和草莓结出果子的时候,我们已经很少能看见花朵了。另外一个区别是萼片,就是红色花托下面的绿色小片片,靠里面的一圈叫萼片,外面的一圈叫副萼片。草莓和蛇莓都有5个萼片,5个副萼片,蛇莓的副萼片要比萼片大,而草莓的副萼片比萼片小一点。

蛇莓的花托,外侧一圈扑克牌“草花”形的是副萼片,内侧一圈尖尖的是萼片。图片:Shyamal L. / Wikimedia Commons

蛇莓的花托,外侧一圈扑克牌“草花”形的是副萼片,内侧一圈尖尖的是萼片。图片:Shyamal L. / Wikimedia Commons

我们经常吃的草莓(Fragaria × ananassa),是两种野生草莓属植物弗州草莓(F. virginiana)和智利草莓(F. chiloensis)杂交的后代,它的果实是黄白色的,蛇莓的果实是红色的,很好区分。但有些野生的草莓属植物,果实和蛇莓一样是红色,但蛇莓和它们还是有些区别的。通常来说,蛇莓花托上的小果实突出在花托表面,而草莓属植物的果实则微陷或者深陷在花托之中。这就足以让我们在绝大多数情况下,分辨出蛇莓和草莓属植物了。

干燥的蛇莓花托,上面有一粒粒细小的果实。图片:Roger Culos / Wikimedia Commons

干燥的蛇莓花托,上面有一粒粒细小的果实。图片:Roger Culos / Wikimedia Commons

另外一类在野外常见的小野果,是悬钩子属(Rubus)的成员。这个属出产很多美味的果实,有些种类,比如红树莓(R. idaeus),人们把它们当成水果种植。

野生的红树莓果实。图片:mako / Wikimedia Commons

野生的红树莓果实。图片:mako / Wikimedia Commons

悬钩子属也是蔷薇科的成员,有许多种类的果实鲜红可爱,跟蛇莓属植物有几分相似。但要区分它们也不难,悬钩子属的果实,是由许多小核果组成的聚合果。在《从百草园到三味书屋》里,鲁迅形容为“像小珊瑚珠攒成的小球”的覆盆子,就是悬钩子属的植物,可能是蓬蘽[lěi](R. hirsutus)的果实。

蛇吃素?别开玩笑了

好了,认出蛇莓和草莓之后,关键的问题就来了,蛇莓这东西到底能不能吃?

对人类而言,蛇莓的“果实”并没有明显的香气,也没有明显的甜味。所以呢,即便是作为尝鲜的野果子,蛇莓也显得不够称职,只能给小朋友过家家的时候当道具。然而在野外碰上这种长相诱人的果子,还是让人有尝试的冲动,毕竟免费的果子对人的吸引力是巨大的。不花钱的东西,到嘴里的感觉就不一样了。

蛇莓的花是黄色的。图片:Jrosenberry1 / Wikimedia Commons

蛇莓的花是黄色的。图片:Jrosenberry1 / Wikimedia Commons

但是捆绑在蛇莓身上的“魔咒”是真还是假呢?蛇莓究竟有没有毒,一直都有争议。有人说,可以随便吃,完全不用担心;也有人认为吃蛇莓要小心,吃多了可能会拉肚子。湖南吉首大学做过一项对蛇莓毒性的研究,给小鼠灌喂了大量的蛇莓干燥粉(相当于50公斤重的人,一天吃下一公斤蛇莓),没有出现异常反应,所以蛇莓可以说是无毒的。至于那个蛇流口水的传说,稍加分析,就会觉得漏洞百出:首先蛇毒要通过破损的伤口进入体内,才对人有毒性;再者毒蛇并不是全身有毒,蛇的唾液并没有毒,毒液储存在毒腺之中,只有防御和攻击的时候才会释放;另外,蛇不会随便把口水涂在果子上,因为它们不吃素啊。

森林草莓的花、花托和果实。它的花托和果实,都与蛇莓十分相似,但味道比蛇莓好。图片:xulescu_g / Flickr

森林草莓的花、花托和果实。它的花托和果实,都与蛇莓十分相似,但味道比蛇莓好。图片:xulescu_g / Flickr

但是,为什么还有人言之凿凿地说蛇莓有毒呢?可能与蛇莓的生存环境有关系。蛇莓特别喜欢生长在半阴半湿的田埂边上,不仅农家肥可能沾到这里,来来往往的牲畜粪便也随时可能落到蛇莓的果子上。这些米田共里,很可能就存在着致病的微生物,所以,吃了蛇莓确实有可能闹肚子,但是闹肚子的原因并不是蛇的口水(所以,免费的小红果果,你还想吃吗?)。

不好吃,但可以再就业

虽然蛇莓的果子不够可口,没有被驯化成水果的潜力,但是拥有强大生命力的蛇莓,却有可能成为优秀的草坪和绿地植物。特别是那些急需覆盖的裸露沙土地,种植蛇莓是个不错的选择。

是不是很诱人呢?图片:cogdogblog / Wikimedia Commons

是不是很诱人呢?图片:cogdogblog / Wikimedia Commons

蛇莓对生长环境不挑拣,各种沙土,黄土,腐殖土等等都可以成为蛇莓良好的生长基质。不过它不耐晒,所以通常需要半阴的环境才能茁壮成长。这恰好为园林工作者提供了一个绿化植物的特殊选择。在一些光照不足,草坪不适宜生长的地方,可以让蛇莓安家落户,倒也是物尽其用了。

月亮有多远?可能还不如雨燕一生飞过的距离

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2015年5月,北京,颐和园,八方亭。中国观鸟会的成员欣喜地发现,雨燕回来了。这些雨燕属于普通雨燕的北京亚种(Apus apus pekinensis),在1870年由英国人罗伯特·斯温侯(Robert Swinhoe)命名。每年4月到7月,它们会来到北京繁殖后代。

普通雨燕。图片:Martin Hale / FLPA / mindenpictures

普通雨燕。图片:Martin Hale / FLPA / mindenpictures

这是一生的征途

这一批归来的雨燕里,有十三只佩带着光敏地理定位仪。观鸟会成员希望通过这个小小的仪器,了解雨燕迁徙的旅程。光敏地理定位仪会记录环境里的光照强弱,借此告诉我们某一天的白昼长短,以及日出日落的时间。通过这些信息,我们可以推演出经纬度,了解雨燕去过什么地方,从而勾画出大致的雨燕迁徙路线图。

雨燕南迁过冬的路线是这样的:每年7月中下旬,它们从北京出发,向西北方向飞去,越过内蒙古、新疆,飞越天山北部,抵达中亚地区;然后转向西南,经过阿拉伯半岛,飞越红海,飞抵非洲。雨燕在非洲一路南下,大约在11月,抵达它们的目的地——南非、博茨瓦纳和纳米比亚。它们最喜欢的地方,是跨越三国国境的喀拉哈里国家公园(Kgalagadi Transfrontier Park)。此时非洲南部正值雨季,雨燕可以找到充足的食物。
次年2月,雨燕飞回北京,路径大致与去路相同。整段旅程长达3.8万公里。

野生北京雨燕的寿命可达13岁,其一生的飞行距离,可以超过地球和月亮之间的距离。

北京、剑桥两地的普通雨燕,分别往返于越冬地和繁殖地的路线。图片:Lyndon Kearsley

北京、剑桥两地的普通雨燕,分别往返于越冬地和繁殖地的路线。图片:Lyndon Kearsley

“无脚”的飞行家

林奈曾为普通雨燕命名Hirundo apus——和家燕(H. rustica)同属——种本名源自希腊文,意为“无脚”。雨燕的腿确实非常短。雨燕和家燕也确实相像:流线型的小身躯,短小的头,宽大的嘴,极狭长的翅膀,尖尾巴。这种相似是趋同进化的结果。现在,人们把家燕归为雀形目,雨燕则归入雨燕目,和蜂鸟同为一家。

普通雨燕和家燕对比。图片:Paweł Kuźniar & Thermos & Walter Siegmund / wikimedia;Kim Taylor / NPL / mindenpictures

普通雨燕和家燕对比。图片:Paweł Kuźniar & Thermos & Walter Siegmund / wikimedia;Kim Taylor / NPL / mindenpictures

和雨燕一样,被林奈冠以“无脚”之名的鸟,还有大极乐鸟(Paradisaea apoda)。古代欧洲人相信极乐鸟没有腿,是不沾尘世的神鸟,永远在天上高飞。这个故事的源头可能是,捕获极乐鸟的猎人为了方便保存,把鸟腿砍掉了,欧洲人得到的都是无腿的极乐鸟皮。实际上极乐鸟虽然羽毛绚丽,但飞行本领不算高超,它的脚也跟“凡鸟”没有什么两样,可以在树上、地上栖息。

无论是外貌还是飞行能力,雨燕都比极乐鸟更当得起“无脚鸟”的称号。雨燕迁徙时的飞行速度,约为10米/秒,快速飞行的速度可达31.1米/秒(超过110千米/时)。雨燕的身躯小,翅膀大,这意味着它们翅膀单位面积负载的重量很小,而且它们能利用上升气流节省体力。所以,雨燕的飞行如呼吸般轻松自如。雨燕可以边飞行边捕食、边飞行边清理自己,在空中掠过水面饮水,甚至还能在空中交配。

普通雨燕的速度那么快,很少有捕食者能捉住它,但寒冷、下雨的天气会让雨燕体弱。这时,雨燕就会成为速度很快的猛禽,比如燕隼(Falco subbuteo)的捕食对象。图为燕隼。图片:David Tipling / NPL / mindenpictures

普通雨燕的速度那么快,很少有捕食者能捉住它,但寒冷、下雨的天气会让雨燕体弱。这时,雨燕就会成为速度很快的猛禽,比如燕隼(Falco subbuteo)的捕食对象。图为燕隼。图片:David Tipling / NPL / mindenpictures

除去繁殖期(繁殖的雨燕在巢中过夜),每年长达十个月的时间里,普通雨燕着陆的时间很少超过两小时,超过99%的时间都在空中度过。这可以说是永恒的漂泊,也可以说是极致的自由。

雨燕的生活

普通雨燕在空中捕食,其猎物几乎都是飞虫。根据不同的天气,它们会选择不同地点和技巧进行捕食。在晴朗的天气里,普通雨燕经常在开阔的空地上,在离地6~30米的低空飞行捕食;下雨时,幼虫在水中生活的昆虫,会大批出现在水面上,于是雨燕就在水面低飞猎食。

掠过水面捕食的雨燕。图片:Ran Schols / Biuten-beeld / mindenpictures

掠过水面捕食的雨燕。图片:Ran Schols / Biuten-beeld / mindenpictures

在自然环境里,雨燕主要在悬崖的洞穴里筑巢,高大建筑上的房檐、墙洞也是它们喜欢的筑巢地点。住在洞穴里可以抵御一些捕食者的袭击,但缺点是合适的洞穴不多,容易与其他鸟类发生竞争。在欧洲,紫翅椋鸟(Sturnus vulgaris)会闯进普通雨燕筑巢的洞穴,把巢穴据为己有;有时雨燕和椋鸟还会大打出手,双双坠落在地上。对雨燕而言,落地是很危险的,因为它的腿太短,很难从地上跳跃起飞,很容易成为捕食者的盘中餐。

普通雨燕有稳定的配偶关系,但在繁殖期以外的时间里,“夫妻”没有什么亲密的联系——把配偶联系在一起的,是“住房”,而不是“夫妻情分”。普通雨燕的定位能力极强,每年都会飞回同一个洞穴进行繁殖,这样,雨燕夫妻每年都会在同一个地点重聚。

暗中观察。图片:Mathias Schaef / BIA / mindenpictures

暗中观察。图片:Mathias Schaef / BIA / mindenpictures

普通雨燕筑巢的材料,和它们的食物一样,是在空中获得的。它们一边飞,一边捕捉风中飞舞的草、叶子、羊毛等东西,和唾液粘在一起,用来筑巢。巢造好以后,雌鸟会产下2~4个蛋,孵化18天。在孵蛋的日子里,雄鸟会给雌鸟喂食。雏鸟从出生到能出巢飞行,大约需要35天。父母在巢址附近觅食,把捉到的小昆虫用唾液粘在一起,做成一两克重的“丸子”,喂给雏鸟。研究者曾在一只普通雨燕的嘴里,发现了300多只小昆虫,有蝇类、蚊子、蚜虫等。雏鸟胃口最大的时候,父母一天要花19个小时来给它们打食,每只雏鸟可以吃掉30~40个“丸子”。

巢中的两只普通雨燕幼鸟。图片:Derek Middleton / FLPA / mindenpictures

巢中的两只普通雨燕幼鸟。图片:Derek Middleton / FLPA / mindenpictures

以天为床,边飞边睡

很久以前人们就注意到,在傍晚时,“家里有孩子”的成年普通雨燕会飞回巢里,而未繁殖的年轻雨燕一直上升到高空,飞到人们看不见的地方。有人猜测它们是在天上睡觉。

雨燕在空中睡觉的一个证据,得自一战时期的一位法国飞行员。他在离地大约3000米的孚日山脉(Vosges)上空,发现一群普通雨燕在白云之上飞行。奇怪的是,飞机就在这些鸟头顶上掠过,它们却毫无反应,好像睡着了似的——后来证明,它们确实是睡着了。雨燕是如何做到在空中睡觉的呢?

有的人看似睁着眼睛,但实际上跟睡着了没什么两样。图片:Phil Savoie / NPL / mindenpictures

有的人看似睁着眼睛,但实际上跟睡着了没什么两样。图片:Phil Savoie / NPL / mindenpictures

陆生哺乳动物和鸟类的深度睡眠有两种模式,慢波睡眠(Slow Wave Sleep,SWS)和快速动眼睡眠(Rapid Eye Movement,REM)。鸟类可以让一侧的大脑半球进入SWS,另一侧醒着,和清醒大脑半球相关联的眼睛(右脑联左眼,左脑联右眼)睁开。鸟的肢体动作可以由脑干控制,所以去掉大脑的鸟,照样能拍翅。对于鸟类来说,一边飞行一边用单侧大脑进行SWS,并不困难。大脑入睡的时候,翅膀照样可以拍动,睁开的那一只眼睛可以看路;甚至双侧大脑一起入睡也不是没有可能,鸟类完成一次SWS只要几分钟,所以它们可以短暂地闭上眼睛,然后再睁开眼看路。

在快速动眼睡眠(REM)中,哺乳动物的肌肉会高度放松,但鸟类在REM时,肌肉仍然保持一定的紧张度。而且,鸟的REM比SWS还要短,只需十秒钟。如果鸟类在REM中,肌肉绷紧的程度足够举起翅膀,那么它就可以一边滑翔,一边完成一次REM。

也有实验证实了这些观点。马克斯·普朗克鸟类学研究所(Max Planck Institute for Ornithology)的罗登堡(Niels C. Rattenborg)等人,在小军舰鸟(Fregata minor)的头上装了记录脑电波的仪器,发现它们能在空中睡觉,而且两种模式的睡眠都可以。

《阿飞正传》里有一段著名的故事,说有一种永飞不落的鸟,睡在风里。这个故事有点像杜撰的“心灵鸡汤”,但雨燕和这个故事里的鸟,有几分相似。

楼廊庙宇间的风景

1965年,中国科学院院士郑光美沿着紫禁城的护城河进行观察,看到了近400只普通雨燕。北京古建筑的房梁、椽子等支柱间的缝隙,为这些小鸟提供了极好的居所。宏阔庄严的寺庙、楼宇之上,成群的雨燕聚集,时而俯冲,时而盘旋,是北京独特的风景。

北京雨燕的命运,与北京的楼廊庙宇紧紧联系在一起。二十世纪五六十年代,相当数量的古建筑被拆除,许多雨燕失去了安身之所。八十年代,北京市开始注重建筑保护,为了防止鸟粪污染,许多建筑的屋檐下都挂了防雀网,阻止鸟类在房屋里做窝。缺少合适的筑巢地,让雨燕的数量锐减。

幸运的是,北京人正在努力让这一独特风景存续下去。例如,正阳门的管理人员不仅不设防雀网,允许普通雨燕入住,还在准备安置摄像头,对住在正阳门的雨燕进行研究,从而更好地保护它们。与此同时,雨燕也在适应新环境,它们开始在一些现代建筑,比如天宁寺的立交桥上筑巢。

2002年,调查者在65个观测点,共监测到3182只普通雨燕。2007年,一群志愿者在北京四环路以内统计到的数量,不到2000只。2017年,北京市野生动物保护中心针对普通雨燕的数量,进行了三次调查,最多的一次,发现有超过4000只。是的,北京的普通雨燕种群正在缓慢恢复。

法国历史学家儒勒·米什莱(Jules Michelet)说过,人类是最“迟缓”的动物,因为人向往如鸟飞行,身体却只能禁锢在大地上。“迟缓”不是走得慢,而是苦于不能奋飞。然而,“迟缓”的人类,却用另外的方式走向了天空。不用提人类为航空、航天做出的种种尝试,我们欢迎雨燕在楼宇间入住,难道不是用另一种形式,实现了飞行的梦想吗?

牵牛花的颜色跟柑橘的酸度能扯上关系?科学家们就能

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柑橘是最大众化的水果之一。在植物学上,柑橘、橙子、柚子、柠檬,也都是算是一个大家族。古往今来,世界各地,人们通过选育和杂交获得难以准确计数的品种,以至于这个家族中的遗传关系极为复杂混乱。

该图片由Seksak Kerdkanno在Pixabay上发布

该图片由Seksak Kerdkanno在Pixabay上发布

酸和甜是柑橘风味中最关键的两个指标。甜来源于糖的积累,而酸则取决于细胞液泡中的酸度。甜与酸的适当比例,会让柑橘有和谐丰富的滋味。当然,这个“适当比例”是因人而异的,比如我,就觉得热销的脐橙、砂糖桔之类都没有柑橘应有的滋味,而我喜欢的酸酸甜甜的柑橘市场吸引力不强,果农们种植得也越来越少了吧。

植物细胞的细胞膜内是细胞质,其中飘着一个个的液泡。一般而言,细胞质是中性或者弱酸性的。柑橘中的酸味,就来源于液泡中的酸。酸度取决于氢离子浓度,科学上用pH值来衡量。pH7是中性,数值越小,酸度越强。很酸的柑橘类水果,比如柠檬,pH值能够低到2以下。

也就是说,在液泡膜的两端,pH值存在着巨大的差别。而液泡膜是可通透的,正常情况下液泡中的氢离子就会扩散出来,从而降低液泡内的酸度,同时增加细胞质的酸度。而要阻止这个“自然扩散”的过程,就需要付出能量。在细胞中,就是通过一种叫做“ATP酶”的作用,分解ATP释放出能量,把氢离子运送到液泡之中。这个把氢离子从低浓度区送到高浓度区的过程,很像我们用泵把水从低处打到高处。因为氢离子就是质子,所以这样的ATP酶也就被称为“质子泵”。

在通常的植物液泡中,质子与泵的比值在2-4之间,能够把液泡内的pH值保持到3.5。而在酸的柠檬中,液泡的pH值可以到2,相应的“质子/ATP酶”比值需要低到1。这显然不是通常的液泡ATP酶能够胜任的。长久以来,科学家们并不清楚这么低的pH是怎么实现的,更不清楚如果不像柑橘那么酸,应该如何去改变。农学家们的努力,就是通过不同的杂交操作,挑出“恰好符合要求”的杂交后代。只要杂交尝试足够多,也就可以得到想要的优质品种。

然后牵牛花出场了。

矮牵牛是很常见的园艺作物,花的颜色丰富多彩,甚至有时候在一天之中还会发生变化。花瓣中的色素主要是花青素等黄酮类物质。不同的基因、不同的环境条件,决定着色素的种类和多少。而即便是同样的色素,显示什么颜色也还要受到酸碱度的影响。比如在酸性条件下,会呈现红色;到了中性,就转为紫色;到了碱性,就显示为蓝色。牵牛花这种对液泡pH进行大范围调控的能力自然对科学家们很有吸引力。通过基因研究,科学家们发现矮牵牛花中存在着7个调控pH的ATP酶基因位点。其中的一个发生突变,就能使矮牵牛的花瓣呈现蓝色。

在生物学上有一个概念叫做“同源基因”,就是指不同物种中碱基序列很相似的基因。一般而言,同源性高的基因,往往具有类似的功能。在矮牵牛那七个跟pH调控有关的基因中,有两个——PH1和PH5,在柑橘家族中存在着高度同源的序列。于是科学家们猜测:它们,是不是就是控制柑橘酸度的“黑手”?

最近荷兰科学家在《自然通讯》(Nature Communications)上发表的一项研究从基因层面上提供了证据。他们分别检测了多种柠檬、柑橘和柚子的PH1和PH5的同源基因表达情况,发现:所有酸度的高的品种,这两个基因的表达量都明显高于同类的那些“不那么酸”的品种。此外,他们还找出了一些其他的基因,控制着PH1和PH5的表达。也就是说,柑橘类水果中“基因完好”的那些,PH1和PH5正常表达,得到的果实酸度就会很高。而它们的表达会受到其他基因的调控,如果调控它们的基因正好发生了突变使得它们的表达量显著降低,也就无法合成足够多的“液泡质子泵”。当液泡质子泵的量不够多,就不能使液泡内的质子(也就是氢离子)保持足够高的浓度,相应地水果也就不那么酸了。

不知道对于水果来说,这种突变是好还是坏。但对于人类,这种突变显然是受欢迎的——这也是千百年来人类育种的目标。因为培育出了各种“不天然”但是深受人类喜爱的品种,也就使得这个物种得到了广泛的繁衍传播。
当科学家们在基因层面上搞清了柑橘类水果“酸”与“不酸”原因,也就拥有了更加直接高效的途径去操控它们。或许在不久的将来,科学家们就能够通过“基因编辑”自如地去调整柑橘的酸度了。

今日好奇:盐对鸭蛋做了什么,变出咸蛋黄这样香到流油的存在?

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无论稀粥、米饭,还是月饼、粽子或者青团,各色餐点搭配上红亮流油的咸蛋黄总是不会出错。盐究竟对鸭蛋做了什么,变出了咸蛋黄这样香到流油的神仙存在?

图片来自Wikipedia

图片来自Wikipedia

油一直都在,只是存在方式不同

首先,咸蛋黄的油肯定不是在腌制过程中凭空出现的。蛋黄本身就含有丰富的脂质,鸭蛋黄中的脂质含量大约有30–33%[1]。那为什么鲜蛋黄不会流油?

关键在于油脂的存在方式。

在蛋黄中,油脂不是游离在表面,而是以小油滴的形式均匀分散在水溶液当中——也就是说,它形成了一个乳剂系统。帮助油脂稳定分散的是蛋黄中的蛋白质与磷脂,它们起到了乳化剂的作用。油脂、磷脂和蛋白质等成分共同组成了脂蛋白的结构:疏水的油脂藏在里面,表面露出的则主要是蛋白质和磷脂相对亲水的一面。

蛋黄中的脂蛋白结构示意图 | researchgate

蛋黄中的脂蛋白结构示意图 | researchgate

同样都含有很多油脂,但乳剂与分离的油脂外观和质感都很不相同。尤其是新鲜生蛋黄这样油脂藏在里面的水包油型乳剂,它的油腻感明显比分离的油脂要低很多。

加盐再加热,造就流油的蛋黄

新鲜的蛋黄可以看成油脂均匀分散的乳剂,而餐桌上的咸蛋黄则有很多油脂从中分离了出来,这说明原本的乳剂结构遭到了破坏,也就是“破乳”。造成乳剂结构破坏的首要因素自然是腌制过程中进入鸭蛋的盐。盐腌一方面会造成蛋黄中水分的减少,另一方面也会改变蛋白质的溶解性。随着腌制时间延长,生蛋黄会逐渐凝固,并开始出现分离的油脂。

咸鸭蛋腌制过程中的变化,上排为生蛋,下排为加热后 | K. M. Lai et al

咸鸭蛋腌制过程中的变化,上排为生蛋,下排为加热后 | K. M. Lai et al

不过,腌制过后的加热步骤对打造一颗流油的蛋黄也非常重要。加热可以使脂蛋白结构进一步破坏,将更多油脂释放出来。有实验显示,在用25%的盐水腌制35天之后,生咸鸭蛋的蛋黄油脂渗出率大约有20%,而将它煮熟可以使油脂渗出率增加到40%左右[1]。顺便说,只是把鲜蛋煮熟其实也可以使蛋黄的油脂渗出率增加一些,但程度远没有煮熟咸蛋黄那么明显,也达不到肉眼可见的流油效果。

为什么是鸭蛋?为什么腌制咸蛋用的总是鸭蛋,而咸鸡蛋则少得多?这是因为鸭蛋黄腌制后有更好的质地和出油效果。鸡蛋黄与鸭蛋黄的成分稍有差异,同时两种蛋蛋壳的结构与孔隙大小也有不同,因此盐腌效果也存在差异[2]。

烹调乳化小能手

鸡蛋不太常用来腌制咸蛋,不过鸡蛋黄是一种烹调中经常会用到的“天然乳化剂”,人们会把额外的油脂加进生蛋黄里搅拌,促使它们分散成小油滴。很多烘焙食谱都会把融化的黄油用蛋黄进行乳化,方便油脂与其他原料均匀混合。不过这方面最经典的例子还是蛋黄酱(又叫美乃滋)。按照传统做法,这种酱料完全就是靠蛋黄将植物油乳化并调味的产物。

传统的美乃滋酱,是靠手工将蛋黄和油搅打在一起的。蛋黄酱的脂肪含量很高,可达70%以上,但因为它依然是一个“水包油”的乳剂系统,小油滴都均匀地包在水相里面,所以既不会看到浮油,吃起来也不会像纯植物油那样腻。前几年曾经有过一个把蛋黄酱用微波炉加热结果“变出一碗油”的新闻,这也是一个破乳的过程。微波炉加热破坏了乳剂结构,让油脂分离了出来。

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不招人待见的咸蛋清

人们痴迷于咸蛋黄的口感,不仅直接拿来吃,还把它做成蛋黄月饼、蛋黄粽子、蛋黄酥、蛋黄焗南瓜,但咸鸭蛋的蛋清部分却总是没人愿意吃。这一方面肯定是因为蛋清缺少油脂香味和丰富的质感,而另一方面也是因为——咸蛋清实在是太咸了。

实验数据显示,在经过35天的腌制之后,咸鸭蛋蛋黄部分的含盐量约为2.25%-3.29%,与此同时,蛋清部分的含盐量则会飙升到8.23%-11.61%[1]。蛋黄远没有蛋清那么咸,这应该有两方面原因:首先,盐扩散到蛋黄部分会慢一些;其次,蛋黄含水量低、脂质含量高,而盐很难溶解在油脂中。

咸蛋黄远比咸蛋清有市场,但传统的腌制方法又是用整个鸭蛋进行的,这难免会带来多余蛋清如何处理的问题。为了避免浪费,现在也有了一些将鸭蛋黄分离单独进行腌制的技术。

在你心目中,哪种吃法能把咸蛋黄的美味发挥到极致呢?

参考文献

[1] https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0182912

[2] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/j.1365-2621.1998.tb15668.x

(编辑:Luna)

有些苦,不是谁都能尝到

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有些苦味,不是谁都能尝到。

在1931年的时候,化学家阿瑟·福克斯(Arthur Fox)意外地发现了这一点。那时候,他在用名叫苯硫脲(PTC)的化合物做实验,结果不小心让这些纤细的粉末飘到了空气中。旁边的同事抱怨从这些吸入的粉末里感觉到了苦味,但福克斯自己却浑然不觉(按理说,站得更近的他应该接触了更多剂量)。他于是在亲友中进行了一番测试,结果发现这种苦味确实不是谁都能尝到。

在此之后,越来越多的研究发现,人们在这种苦味的感受上存在着相当大的差异。一些人是对它非常迟钝的“味盲”,相对较多的人感受能力中等,而还有一少部分人会对这种苦味非常敏感。

人们用苯硫脲和一种类似的苦味物质丙基硫脲嘧啶(PROP)进行了各种各样的味觉实验(现在的研究都是用后者了,因为它更安全)。结果发现,这种苦味感知差异的现象很普遍,而且和基因差异有明确的联系。总的来说,大约有70%的人容易尝出这类物质的苦味,剩下30%左右是这种苦味的“味盲”。不过这其实是个非常粗糙的数字啦,在不同的人群当中,这个比例存在很多差异。这些味觉差异和苦味味觉感受器TAS2R38的基因差异有关。当然味觉敏感与否也受后天因素的影响,比如说吸烟。

上面提到的这两种物质本身都和人们的生活关系不大,不过还有另外一类物质(和它的降解产物)拥有和它们类似的苦味化学结构。这类物质是硫代葡萄糖苷(Glucosinolates),它存在于西兰花、卷心菜、抱子甘蓝等蔬菜当中,这一回就和人们的生活关系比较密切了。人们在这些蔬菜上也表现出类似的味觉感受差异。有一些研究发现,在PTC和PROP的苦味测试中表现敏感的人,也更容易感受到蔬菜的苦味,这也影响着人们对食物的选择。

蔬菜中的硫代葡萄糖苷类物质

蔬菜中的硫代葡萄糖苷类物质

在自然环境中,苦味敏感是有保护作用的,能帮助我们避开一些有毒的物质。而在每天都只吃培育蔬菜、轻易不会再被毒到的今天,对苦味的高度敏感对健康倒也真不见得是件好事:这样的人可能会吃菜更少,或者更需要糖来掩盖食物的苦味。

你会觉得这些蔬菜有苦味吗?我似乎是没啥感觉,我觉得抱子甘蓝尤其好吃_(:з」∠)_这里就是十分好吃的抱子甘蓝。

该图片由Ulrike Leone在Pixabay上发布

该图片由Ulrike Leone在Pixabay上发布

PS:感觉早年间很多发现都是从实验室手滑/事故开始的……

参考:http://www.compoundchem.com/2014/12/04/brusselssprouts/

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“脑电波联个机吧,玩局俄罗斯方块怎么样?”

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通过脑电波来打俄罗斯方块已经够科幻了对吧?今天来给大家介绍一个更科幻的新研究:有两个人通过脑电波告诉你应该怎么打。

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华盛顿大学的研究者试图制造“脑联网”( BrainNet)。参与联网的三个人呆在不同房间里,看不到也听不到彼此,都戴着能记录自己脑电图的帽子。其中两人是发送者,一人是接收者。发送者只能提建议,接收者才能玩游戏。发送者脑电帽捕捉到的信号被翻译成“yes”(要旋转方块)或“no”(不旋转方块),通过互联网传送出去。对于信号的接收者来说,他身后有可以刺激视觉信号脑区的线圈。这样,在接收到“yes”时,接收者就会看到明亮的闪光或物体;如果接收到“no”,就什么感觉也没有。

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发送者可以看到俄罗斯方块下面的堆积部分和掉下来的新方块,接收者只能看到掉下来的新方块。因此,接收者要不要旋转方块,就依赖于发送者的建议了。发送者发第一次建议。接收者做出第一次决定。发送者检查接收者的决定,第二次做出建议。接收者根据第二次收到的建议,做出第二次也是最终的决定——然后接收者和发送者都能收到游戏结果反馈,“是否成功清除了一行方块”。

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结果发现,接收者确实可以根据发送者的建议来取得游戏高分,成功率为16次里的13次。当其中一个发送者明显不靠谱时,接收者也会慢慢改变对其建议的态度,转向依赖更为可靠的建议者。

感觉……“大脑联网诸事可决”的时代即将来临。

参考文献

Jiang, L., Stocco, A., Losey, D. M., Abernethy, J. A., Prat, C. S., & Rao, R. P. N. (2019). BrainNet: A Multi-Person Brain-to-Brain Interface for Direct Collaboration Between Brains. Scientific Reports, 9(1). doi.org/10.1038/s41598-019-41895-7

喜讯:“秀恩爱,死得快”有了新证据

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秀恩爱,真的死得快

“物竞天择,适者生存”,只有适应环境,善于生存的动物才能存活。这便是达尔文提出的自然选择的主旨。说白了,动物想要拼尽全力提高自己的生存率,谁不想活下去呢?

但偏偏就有“作死”的。学名Schizocosa ocreata的狼蛛,身披自然选择演化出的、棕色有条纹的外衣,能和周围的落叶轻松混为一体,若是趴在地上一动不动,鸟儿根本不会发现它。

一起来找茬之请找出上图中的蜘蛛 | UNIVERSITY OF CINCINNATI

一起来找茬之请找出上图中的蜘蛛 | UNIVERSITY OF CINCINNATI

直到有一天,爱情降临了。性成熟的雄狼蛛,前肢上长着黑色的刺毛。为了求爱,他们在雌狼蛛面前大肆舞蹈,挥舞飘逸的“手毛”。这让蜘蛛专家乔治·尤兹(George Uetz)感到担心,怕蜘蛛在博取美人一笑的同时,可能也会吸引饥饿鸟类的注意。为了证明蜘蛛尬舞的危险性,尤兹请另一位生物学家特里西亚·尤比(Tricia Rubi)训练了一群人工饲养的冠蓝鸦(Cyanocitta cristata)来协助他。尤比让冠蓝鸦看地面上落叶和蜘蛛的影像,教它们如果发现了蜘蛛,就用嘴啄一个按钮。冠蓝鸦能毫不费力地找到“尬舞”的雄蜘蛛,却很难发现趴在地上一动不动的雄蜘蛛。可见,对鸟类而言,跳舞的蜘蛛几乎是送到面前的外卖。

冠蓝鸦 | Wikipedia

冠蓝鸦 | Wikipedia

那……为什么还要秀?

公狼蛛为什么要舍弃自然选择带来的生存优势,用生命去跳舞?其实,不只狼蛛的求爱舞,许多动物的特征也都不但对生存没有一点用处,还可能成为生存的累赘,比如孔雀的羽屏,蟋蟀的鸣唱等等。

为此,达尔文提出性选择理论,作为自然选择理论的补充。他说,那些美丽的特征,虽然无补于生存,却可以吸引配偶。狼蛛跳舞,是因为母狼蛛喜爱他的舞姿。“舞王”能吸引母蜘蛛,繁殖许多小蜘蛛。随着时间推移,代代相传,那些更善于吸引异性的动物会留下更多的后代,他的儿子还会继承他的舞步,这样一来,于是雄性动物的装扮和表演变得越来越华丽、繁琐。

孔雀华丽的羽屏也是性选择的结果 | pxhere

孔雀华丽的羽屏也是性选择的结果 | pxhere

还有更夸张的。性选择的战术其实十分繁杂,除了靠颜值和才华,有些动物甚至使出奇招,直接“自残”甚至“献身”,可以说是与“生存”背道而驰。比如有些狼蛛,用来传输精子的器官,是长在嘴边的一对胡须状的东西,叫须肢。许多种类的雄蜘蛛,在交配之后,都会折断自己的须肢,充当“塞子”,堵住雌性的外生殖器;姬蛛科的Tidarren argo,甚至会在交配之后被雌性吃掉。但他的须肢会代他完成传递子孙大业,还能堵上通道,阻止下一只蜘蛛授精。这可谓是牺牲自己,也要交配。

姬蛛科的Tidarren argo | arachno.piwigo.com

姬蛛科的Tidarren argo | arachno.piwigo.com

性选择究竟为何存在

让我们讲回前面的狼蛛——如果公狼蛛跳舞是为了讨母狼蛛的喜欢,那么母狼蛛为什么会喜欢跳舞呢?这种品味看上去华而不实,甚至让公狼蛛直接被吃丧命,显然违背了自然选择提高生存率的宗旨。对此,达尔文一直没有提出一个像样的答案。他自己也对此感到苦恼。他甚至说过:“看到孔雀的尾巴,我就觉得反胃!”

孔雀:我也不容易啊,只想求个伴儿 | giphy

面对“性选择”的谜题,新一代的进化论者知难而上,提出了自己的答案。演化遗传学家费希尔(Ronald Aylmer Fisher)就是其中的一位代表。在达尔文提出性选择40多年之后,他为这个摇摇欲坠的理论,提供了新的支柱。

费希尔说,如果一群孔雀(或别的什么动物)里,偏爱美丽羽毛的雌孔雀占到多数,即使这个“多数”只是比不爱华丽羽毛的孔雀略多,这种偏好也会逐渐膨胀,发展成一种狂热的流行风尚。那些不喜欢华丽羽毛的雌孔雀,会选择朴素的伴侣,生下朴素的儿子。而相貌平凡的小孔雀长大之后,因为多数雌孔雀喜欢华丽的羽毛,所以他们只能受到少数雌孔雀的青睐,生育较少的后代。总之,喜欢朴素的雌孔雀,也许会有正常数量的儿子,但不会有很多孙子。

所以,雄孔雀的华丽羽毛(或者雄狼蛛的舞蹈),会跟着雌孔雀喜爱“花里胡哨”羽毛的本能,一同进化。不喜欢漂亮羽毛的雌孔雀“理智”的选择,反而会减少她们的后代。自然界里那些最华而不实,铺张浪费的特征,就如同流行的服饰或明星一样,人人追捧,唯恐落后,落后于“时尚”者,会受到时尚的惩罚。

还有一些人,关注于“绣花枕头”内藏的实际价值。他们认为,孔雀羽毛和狼蛛跳舞,并不是像我们想的那么无用,而是雄性优秀基因的表现。进化生物学家汉密尔顿(William D. Hamilton)和朱克(Marlene Zuk)认为,光鲜亮丽的外貌,恰好可以说明雄性动物身体健康,没有寄生虫。

动物行为学家扎哈维(Amotz Zahavi)更加大胆,他说,雌性动物之所以喜爱作死的舞蹈和华而不实的羽毛,正是因为它们是累赘,就像漫画里的负重练功服一样——背负着这些累赘,还能活下来的雄性动物,自身一定是非常强壮,非常优秀的。

性选择与自然选择相悖吗?

不论是哪种原因,采用何种方式,性选择的目标都是打败对手,提高自己的交配成功率,也就是把“留下后代”放在第一位。而这常常与自然选择优先考虑“自己的生命”是相悖的。但无论是自然选择还是性选择,都是为了提高生物在演化上的成功程度。达尔文身处的维多利亚时期,是一个对性方面话题相当保守的时代。如果他活到今天,看到性选择理论的发展,肯定会大跌眼镜。

性选择的背后并没有一个有节操有智慧的设计者,我们今天能看到动物做出种种“不要命的”、“下流的”行为,只是因为在进化史上,这样做的动物,留下了更多的后代而已。

参考文献

  1. [美]爱德华·O·威尔逊(Edward O. Wilson). 社会生物学——新的综合[M]. 毛盛贤、孙港波、刘晓君等译. 北京:北京理工大学出版社,2008.
  2. [美]海伦娜·克罗宁(Helena Cronin). 蚂蚁与孔雀——耀眼羽毛背后的性选择之争[M]. 杨玉龄译.上海:上海科学技术出版社,2001.
  3. Tricia L. Rubi, David L. Clark, Jonathan S. Keller, George W. Uetz. Courtship behavior and coloration influence conspicuousness of wolf spiders (Schizocosa ocreata (Hentz)) to avian predators. Behavioural Processes, 2019; 162: 215
  4. Knoflach B, van Harten A. Tidarren argo sp. nov.(Araneae: Theridiidae) and its exceptional copulatory behaviour: emasculation, male palpal organ as a mating plug and sexual cannibalism. Journal of Zoology. 2001 Aug;254(4):449-59.

(编辑:八云)

你家逼你上补习班考公务员,不是不看好你,是不看好未来

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经济学研究的是人们如何做出选择。社会学研究的是人们其实并无多少选择余地。

——经济学家James Duesenberry

最近在读一本书,“Love, Money & Parenting”,爱、金钱、和孩子。两个作者分别是耶鲁大学的经济学教授法布里奇奥·齐利博蒂(Fabrizio Zilibotti)和美国西北大学的经济学教授马赛厄斯·德普克 (Matthias Doepke)。这本书不是在讨论“怎样才是最好的育儿法”,而是提出,大部分父母其实已经下意识地选择了对孩子最好的育儿法,而且这种选择会受到经济力量的影响。

比如说,为什么现在很多人感觉育儿压力越来越大,为什么从前的孩子可以自由玩耍,现在的孩子却不得不面对无穷无尽的补习班呢?为什么国内流行“鸡娃”(即给娃打鸡血),虎妈,狼爸?为什么美国也出现了在娃身后不断盘旋为之铺路的直升机父母?因为“父母之爱子,则为之计深远”,父母的目标很简单:让孩子未来过得幸福快乐,希望孩子拥有更多的选择。假如社会不会给弱者选择,假如弱者根本就不可能幸福快乐,那么孩子就必须成为强者。没有第二条路。这是唯一的道路。

从本质上来说,父母选择怎样的育儿方式,不取决于父母小时候的经历,而取决于父母对孩子现在与未来的预测。

从经济学角度来说,一个社会越是①贫富差距大,胜者通吃败者穷死,②教育回报大,而优质高等教育资源非常稀缺,父母就越可能“主动推娃”。而一个社会越是①贫富差距小,再分配后弱势群体福利多,②教育回报不大,优质高等教育资源比较多,父母就越可能推崇“自由快乐教育”。

下面总结一下书里解答的三个问题——你是,或者未来可能是,什么样的父母?是什么让我们成为了这样的父母?还有更好的选择吗?

Love, Money, and Parenting,普林斯顿大学出版社,2019年2月,ISBN:9780691171517

Love, Money, and Parenting,普林斯顿大学出版社,2019年2月,ISBN:9780691171517

你是,或者未来可能是,什么样的父母?

先来做个小测试,即使你还没有孩子也可以测测看——

Q:单选题,你觉得最应该培养孩子的什么特质?

A,独立性 independence

B,想象力 imagination

C,懂事听话 obedience

D,勤奋努力 hard work

假如你选择了“独立性”或者“想象力”,那么你最可能是“尽量不干涉孩子的选择”的宽容型家长。假如你选择了“懂事听话”,那么你最可能是“孩子想啥不重要,重要的是按我说的做”的专制型家长。假如你选择了“勤奋努力”,那么你最可能是“孩子需要引导和影响,要说服他们做正确的事”的权威型家长。

家长其实可以分为四类,根据“对孩子的严格程度,是否严格确保孩子做到应该做的、正确的事”,“对孩子的支持和回应程度,是否积极地支持和回应孩子的需求”两个来分。

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最糟糕的父母是“不参与型”(uninvolved),就是不严格(因为压根不管教),也不支持不回应孩子的需求,放孩子自行成长(自生自灭)。

严格要求孩子,但不太支持和回应孩子需求的,是专制型(authoritarian)父母。这类父母最重视的是规范孩子外在的言行,孩子必须严格遵循父母的指示行事,绝不允许忤逆。解释是多余的,服从是必须的。

宽容,不太要求孩子,对孩子的需求会积极支持和回应的,是宽容型(permissive)父母。这类父母对孩子抱有极大的乐观主义精神,相信只要给孩子提供足够资源,静待孩子成长,孩子自然会走上正确的道路。

对孩子有很高要求,同时对孩子的需求也会积极支持和回应的,是权威型(authoritative)父母。这类父母重视影响孩子的内心价值观,认为要给孩子高标准,严要求,同时也会努力告诉孩子为什么要这么要求,以便让孩子内心接受这些要求,乃至内化成自律标准。权威型父母以引导为主,但在非常重要的事情上也会偶尔采用强制手段。

via unsplash

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权威型父母,往往是虎妈鸡娃的主力。而假如权威型父母在育儿上投入得足够多,就可以晋升为“精细育儿”( intensive parenting)——书里给“精细育儿”定的典型标准是,父母每周和孩子至少讨论一次孩子在学校的状况。

估计大多数中国家长都惊呆了,什么?这就算精细育儿了?难道不是每天至少问一次孩子今天学了啥?学得怎么样?老师表扬你还是批评你了?你有没有拿到一百分?为什么没有拿到一百分?嗯?这就是欧美为什么觉得我大中国全是虎妈的原因……

经济学家还发现了一件很有趣的事。重视“勤奋努力”的家长(其中大多是权威型)所占的比例,和显示贫富分化的基尼系数是成正比的。一个地方的贫富分化越严重,那个地方的家长就越是以“拼命工作”为首要美德。90%的中国和俄罗斯受访家长赞许“勤奋努力”。只有15%的俄罗斯家长和23%的中国家长最重视“想象力”。而像瑞典、挪威、芬兰这些北欧国家,贫富分化不那么严重,人们也就不那么重视努力工作——这并不是说北欧人都是不肯工作的懒人,而是他们倾向于把“想象力”这些“奢侈品”,放在比“勤奋努力”更重要的位置上。也正因如此,北欧盛产宽容型父母,宽容程度到在国内看来绝对是“教出熊孩子的熊父母”的程度。

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书里举了瑞典为例子。瑞典人不赞成体罚, 不赞成口头责骂,不赞同给孩子压力,孩子十三岁前不会被打分,甚至不赞同约束孩子——孩子的天性本来就是这样嘛。学龄前的孩子怎么可能安静地坐在桌边呢?那不是虐待儿童吗?

作者齐利博蒂曾经和瑞典朋友一起去家庭野餐,结果瑞典朋友的四岁孩子开始闹脾气,不想野餐,想去做别的事情。然后父亲的反应是什么呢?“不好意思,我儿子压力太大了”。于是野餐结束。齐利博蒂目瞪口呆地心想,“这时候难道不是应该告诉孩子,‘乖,我们正吃饭呢,忍一忍’吗?”

还有一回,齐利博蒂去另一户瑞典人家里拜访,主人家的六岁孩子冲客人喊,“闭嘴!我在看电视呢!”瑞典父母们笑了一下,然后温和地建议说,咱们成年人要不就换个房间聊天吧,免得打扰到孩子看电视。

全世界的孩子每周花多少时间做作业?上海学生每周13.8小时。美国学生每周6小时。英国学生每周5小时。北欧学生每周3小时——而且还有些家长抱怨工作量太大,建议完全免除家庭作业。

难道北欧人基因里天然就写着佛系,中国人基因里天然就写着推娃?

并不是。

是什么让我们成为了这样的父母?

张华考上了北京大学,李萍进了中等技术学校,我在百货公司当售货员,我们都有光明的前途。

——新华字典1998修订本

影响父母决策的最深远力量,就在经济因素里。当然文化和价值观也会影响父母,但经济因素也能影响文化和价值观。

举个例子,专制型父母曾经占据主流,为什么现在越来越少父母选择专制?因为专制父母在过去的世界是行得通的。人们的生活曾经围绕着家庭进行,一个人一辈子都很少背井离乡,孩子们往往子承父业,或者和父母一起耕种家里的田地,一起在家里织布喂猪。孩子时时刻刻在家长的眼皮下,令行禁止是可能的,专制育儿也是可行的。

但现在的情形完全不同。孩子要在远离家长的地方,学着家长不懂的课程,最后在远离家长的地方,做着家长没做过的工作。家长不能再时时刻刻陪伴在侧,学业和事业都要靠孩子的自觉与自律。于是“我说你做”的专制育儿行不通了,因为孩子需要自己独立做出很多决定。

所以,家长必须说服孩子,必须能影响孩子的内在价值观,才可能让孩子“自我驱动”,取得成功——这是权威式育儿。

或者,家长只能提供足够的支持,等着孩子自发形成良好的价值观,然后“自我驱动”,取得成功——这是宽容式育儿。

那到底选权威还是宽容呢?

对父母决策影响最大的两个因素,第一个就是长大后的贫富差距是大还是小。第二个因素,就是教育回报率是高还是低,以及优质教育资源是稀缺还是普遍。

作者发现,“经济不平等”比“经济发展的总体水平”影响更大。人人都穷的地方,可能穷则思变,但也可能大家都穷得安贫乐道。而“朱门酒肉臭,路有冻死骨”,却一定会激起“吃得苦中苦,方为人上人”的强烈愿望。在贫富差距小,且优质教育资源比较广泛分布的地方,宽容型父母就会占据主流。

作者德普克来自德国。他小时候的德国有如下特点,①上啥大学对未来影响不大。大学全免费,水平差不多,只要一个人能通过高中考试,那么上哪里都行,简单地说,十八岁前做的大多数事情对未来没有长久影响,只要最后60分通过就好,②不上大学,对未来影响也不大。那些德国孩子往往上职业学校或者学徒项目,最后在家里附近的汽车厂当工人,赚到的薪水也挺好,和教师甚至医生赚得差不太多。而且工人的社会地位也不错,并不会低人一等,失业率也低。总之,读书不好,不影响过上体面生活。

在这样的环境里,德国父母自然乐于给孩子无忧无虑的童年。孩子们常常自己在外面玩到太阳落山,想去朋友家就去朋友家。家长既不给孩子检查作业,也不给孩子安排课外班,一切顺其自然。

许多现在的北欧国家也是如此,贫富差距小,学校之间差距也小。于是北欧父母佛系宽容,让孩子们快乐,培养他们的创造力、想象力和独立意识,等待孩子自己去发现自己喜欢什么,擅长什么。在学校表现出色不是头等大事,在学校暂时落后也不是世界末日。因为有足够兜底的社会保障体系,同时,人生中会得到很多的“第二次机会”,一开始失败了没关系,下一次可以做得更好。

那,如果在贫富差距大,教育回报率高,优质教育资源稀缺的地方呢?

这时候,努力推娃的权威型精细育儿,就可以显出优势了。

优势一,精细育儿会提升孩子的学业成绩。

比如说,国际学生评估项目(PISA)数据显示,精细育儿教出来的孩子大多是成绩最好的。研究者检验了11个地区的数据,其中9个地方,精细育儿明显提升了孩子成绩(香港、澳门、韩国、智利、匈牙利、意大利、墨西哥、葡萄牙、克罗地亚)。以韩国为例,非精细育儿的孩子的数学平均分为540,而精细育儿的孩子数学平均分为563分,相差23分。阅读和科学成绩也有类似的差异,阅读差24分,科学差22分。只有比利时和德国是例外,在这两个国家,精细育儿的加分效果几乎为零。

是因为精细育儿的父母往往学历高基因好吗?不是。拥有两个高学历的父母,只会让孩子的数学成绩平均提高7分。而父母采用精细育儿,则能让孩子的数学成绩提高20分以上。因此,与父母的教育水平相比,精细育儿能更显著地提升孩子的成绩。

于是,教育资源竞争激烈的地方,精细育儿就会成为主流。比如说,法国和日本的经济不平等程度并不高,但由于存在着远超出平均水准的少数“顶尖大学”,从这些大学毕业意味着极高的人生起点。结果是,为了竞争这些稀缺的名额,法国和日本的家长们大多数倾向于精细育儿。美国也同样如此,每年美国家长们为了把孩子送进常春藤名校真是绞尽脑汁,同时,美国的经济不平等还高于法国和日本,这就让美国的家长焦虑程度甚至更高。日本和美国都有家长从幼儿园就开始推娃——努力上一流幼儿园,才能上一流小学,才能上一流中学,才能上一流大学。这是一个早早开始的漫长而残酷的竞赛。

中国的情况不必说了,大家都懂的。

优势二,权威型育儿会促使孩子的阶层向上流动,让子女最终处于比父母更高的社会经济阶层。

英国的研究结果是,在宽容、专制、权威三种育儿方式里,宽容型育儿是最难让孩子阶层向上提升的。相比宽容型育儿,专制型育儿把向上流动的可能性增加了7% ,权威型育儿把向上流动的可能性增加了13%。也就是说,“阶层向上流动”对孩子未来的幸福越重要,家长们就会越努力地推娃。

其实父母并不享受推娃,即使在中国,网上也流传着各种“辅导作业心肌梗塞”的黑色笑话。推娃需要父母付出高昂代价,经济上要支付昂贵的补习费用,还要付出大量时间精力去陪伴引导,孩子的反抗也会恶化亲子感情,过大的压力对孩子的心理健康也不好……然而在某些地方,考虑到孩子的未来,推娃的投入又是完全值得的。孩子成为一个平庸的艺术家,在哪个社会里都算不上太好的事。但在一个没有安全网的社会里,这种未来就显得尤其糟糕,随之而来的贫穷、社会排斥和健康问题,都可能是致命的。

还有更好的选择吗?

有个看法是,虽然推娃让娃也痛苦,家长也痛苦,但是对某个国家或地区来说,推娃加强了整体竞争力。因此,推娃是一种“必要之恶”。

并非如此。推娃也许对于家庭来说是“局部最优策略”。但对于整个社会而言,却不是“整体最优策略”。

精细育儿需要付出的代价太高了。贫民可能完全支付不起,从而导致有些孩子从出生起就注定失去了机会。中产也可能支付得极为吃力。由于富人也在搞精细育儿,于是许多育儿服务的价格就会向着富人愿意支付的价格不断上移。就像房价最终取决于“少数富人愿意支付的价格”,而不是“大多数想买房的人能支付的价格”。育儿服务的价格趋势也是如此。

对社会的第一个后果,就是许多人的生育意愿大为下降——家庭支付不起多个孩子精细育儿的代价。有个研究比对了中国在独生子女时代,那些碰巧生下双胞胎的家庭后续,发现双胞胎比独生子女接受高等教育的可能性要低40% ,上高中的可能性也明显要低。这个时代已经不是靠体力挣钱,而是靠教育和头脑挣钱,所以很多家长会认为,精养少数娃的经济回报>粗养多个娃的经济回报。

但精细育儿实在太累。就像电影院里原本大家都坐着看电影,忽然有人站了起来……最后所有人都站着看电影,电影不会因此变好看,看电影的人都疲惫不堪,有些人索性不再带下一代入场……最后,电影院的总收入不增反减了。

对社会的第二个后果,就是产生了很多无意义的内耗,也就是经济学家所认为的“外部性”(externalities)。在商业世界中,外部性的一个常见例子是污染与公地问题。如果一个工厂的污染对其邻居的健康和福祉产生了负面影响,或者如果许多渔船在同一海域拼命捕鱼而导致鱼类种群枯竭,那么自由放任并不是最好的解决办法。当某些人为规定的名额提前透支了下一代的机会和潜力时,外部性也就产生了。

原本某个技能孩子只要掌握到6分就好,然而由于教育和阶层流动只留下了一道窄门,于是为了挤过窄门,孩子们不得不纷纷把技能练到9分。所有人都竭尽全力,为的不过是留在原地。为了增加这意义不大的三分技能,孩子们额外付出了想象力的代价,创造力的代价,抑郁焦虑的代价,缺少锻炼容易近视的代价……而最后,这场零和游戏里,依然只会有少数赢家。

不仅如此,由于机器人的飞速发展,几十年后,许多现在最有声望的职业可能会走下坡路。放射学、外科手术、律师、飞行员、金融从业者……都可能面临危机。只有少数顶级从业者能继续成功。而对程序员、数学家、工程师的需求将继续增长。主修“正确的专业”将变得越来越重要。而一些拼命努力进入“正确的学校”,却选修了“错误的专业”的孩子和家长可能会失望地发现,多年的不懈努力没有得到回报,孩子的职业前途不如预期的那么光明 。

有别的路可行吗?

北欧有个不走寻常路的奇葩——芬兰。芬兰的孩子,似乎“不需要很麻烦很累就可以考高分”。

芬兰的贫富差距较小,优质教育资源也比较平均分布。芬兰的教育系统,是低竞争和低压力的。芬兰小孩在幼儿园只是通过游戏来学习,正式上学后无论是公立学校还是私立学校,无论是在农村还是在城镇, 从小学到大学,学校的教育质量差异都不大。芬兰学校不搞排名,孩子们不会收到数字评分,家长们也不知道孩子学得如何。教师的确会定期进行考核评估,但只有老师会得到关于某个学生的”非常好”或者”需要练习”的反馈。评估的目的是更好地因材施教,不是为了给学生排名或督促他们更努力地学习。

芬兰孩子也需要参加两次重要考试,类似于中考和高考。但因为高中教学质量相差不太大,所以中考压力并不大。至于芬兰的高考,则不但要考察学术问题,还要考察学生理解和处理现实问题的能力,比如讨论失业、节食、政治、体育道德、甚至流行乐等问题。学得差的孩子不会被留级,而是会得到更多关照。而且由于学校专注于支持差生,所以辍学率也很低。

这样教出来的芬兰孩子,成绩居然很不错。

在2015年的国际学生评估项目(PISA)里,芬兰孩子排在第五位——低于新加坡、日本、台北这些精细育儿高发区,但赢过了澳门、香港、中国的北京-上海-江苏-广东(B-S-J-G)、韩国这些同样精细育儿为主流、大人小孩都非常拼的地方。同时,芬兰人成年后的工作能力也不错,尽管工作时间比美国和中国的工人要短,但芬兰在创新能力方面位居世界前列。

芬兰人做对了什么?又快乐又高分的教育是怎么能存在的?

答案是,芬兰极其重视教师的水准。所有芬兰教师都必须至少拥有硕士学位。教师在芬兰的社会地位极高,很受尊敬。结果是,芬兰硕博们最喜欢的职业之一就是教师,每年申请的人大排长龙,这又反过来让芬兰可以挑出最优秀的人才当教师,从而又进一步提升了芬兰教师的声誉和社会地位。芬兰教师的工资只是平均水准,但由于工作环境好,内在满足感高,教师依然是很受欢迎的职业,人才也很少流失。这些一流人才能想出各种办法,让聪明的孩子有机会自由发展,让慢热的孩子有机会继续追赶。

总而言之,提升教师水准,是一条可行的办法。

还有四条很重要的办法,一是降低贫富差距,增加社会流动性。二是改变教育系统,让高质量的教育资源,能惠及更广大的群体。三是广设便宜而可靠的托儿服务和公立幼儿园。高质量的公立托儿服务让贫穷父母(特别是单身母亲)有机会去打工改善家庭经济,同时也让不同社会经济背景的儿童有机会接触彼此共度时光。这也是北欧长期采用的做法。

四是对弱势家庭的孩子进行早期帮助。在美国,许多研究发现对底层幼儿与家长的早期干预取得了很好的效果,这些孩子后来的学历和收入都更高,更健康,亲密关系更幸福,犯罪率更低,失业率更低,更不可能依赖福利。比如佩里学前教育项目(Perry Preschool Project)就让参与的孩子暴力犯罪率减少了65% ,被拘留率减少了40% ,失业率降低了20% ……孩子们的未来改善了,而社会也从中获益:得到了良好的人力资源,且节省了法律系统和警务监狱系统的开支。

但这些办法,都是政策制定者才能做到的事。

过度养育并不是好事,而且也正在让整个社会都付出代价。然而,要改变这一切,靠强制号召家长“快乐养育”是没有用的。唯有整个社会的现状和未来发生根本性的变化,才有可能让家长改变养育方式,因为那时,家长对孩子未来的预期改变了。

至于家长们,咱们就……看开一点吧。

每一个时代都有自己独特的育儿策略。这个时代的精细育儿,至少好过之前的专制育儿。也许等现在的孩子长到为人父母时,社会能变得更适合“快乐宽容育儿”。至于此刻此地,大势所趋,该上的补习班还是上吧。拍拍自己和孩子的肩膀,都不容易。

不用颜料,如何画出比芝麻还小的《蒙娜丽莎》?

本文来自微信公众号“我是科学家iScientist”,未经许可不得进行商业转载

审稿:秦德韬(京都大学细胞-物质统合科学研究所Sivaniah研究室特定研究员);蒋涵东(京都大学Sivaniah研究室分子工学研究生)

想象一下,假如给你一张1毫米宽的画布,没有笔,也没有颜料,你能否在上面绘制出一幅清晰的画作呢?你或许会觉得这个任务太难,甚至完全不可能实现。但最近,日本京都大学细胞-物质统合科学研究所(iCeMS) Easan Sivaniah教授带领的研究团队,就创造出这样的“奇迹”,他们绘制了迄今为止世界上最小的名画——“神奈川冲浪里”,宽度仅有1个毫米。

更令人不可思议的是,这张画没有使用任何颜料或墨水。

“神奈川冲浪里”(又名“巨浪”)是一幅彩色浮世绘版画作品,它是日本艺术界的泰坦葛饰北斋(1760-1849)的代表作,原画尺寸是25.7cm×37.0cm。图片来源:iCeMS

“神奈川冲浪里”(又名“巨浪”)是一幅彩色浮世绘版画作品,它是日本艺术界的泰坦葛饰北斋(1760-1849)的代表作,原画尺寸是25.7cm×37.0cm。图片来源:iCeMS

这项研究颠覆了传统打印理念,研究成果已于本月(2019年6月)发表在顶级期刊《自然》(Nature)杂志上[1],其中有两位研究成员(秦德韬与蒋涵东)来自中国。

不用颜料,能呈现色彩吗?

人类自古就有追求艺术的天性。早在三万八千年前,印度尼西亚人就用赭石在“Lubang Jeriji Saléh”洞穴的墙壁上绘制出公牛的图形,留下人类已知最早的具象绘画。从那时起,人类就在不断尝试各种绘画创作。自上古石器时代的“手绘”,到后来的水墨画、油画,再到今天的各种街头艺术,几乎都离不开对墨水颜料的依赖。就算是数字绘画,想要将它们打印出来,同样离不开墨盒。

目前已知最早的具象手绘:Lubang Jeriji Saléh洞壁上的公牛。图片来源:Nature|Luc-Henri Fage

目前已知最早的具象手绘:Lubang Jeriji Saléh洞壁上的公牛。图片来源:Nature|Luc-Henri Fage

然而,在大自然中,却存在着不用颜料就可以呈现缤纷的色彩的现象,比如蝴蝶的翅膀,昆虫的甲壳,以及那些有虹彩效应的鸟羽。地球上许多的生物的颜色,实际上并不是化学色素,而是通过其表面结构和光线之间的相互作用,产生令人目眩神迷的斑斓色彩。这种非颜料型的色彩现象被称为“结构色”。

金龟子的结构色及其微观结构。图片来源:Wikimedia Commons、参考文献[2]

金龟子的结构色及其微观结构。图片来源:Wikimedia Commons、参考文献[2]

那么问题来了,我们能不能利用结构色的原理来绘图呢?答案是肯定的。这次iCeMS团队创造的新型打印技术,就蕴含着结构色的原理。

如何“人造”结构色?

这样的结构色是如何“制造”出来的呢?

原来,在聚苯乙烯等高分子材料中存在着一种特殊现象——当这些高分子受到水平方向上的拉力时,会产生细长的纤维,即“原纤维”,原纤维的形成会产生强烈的视觉效果。打个比方,拿起一把透明塑料尺反复掰,尺子受力的部分就逐渐变成半透明的白色。

iCeMS的研究人员发现,通过控制微观下原纤维的形成过程,并按一定的规律来排列,排列后的原纤维就会反射不同光线产生鲜亮的色彩。

“无墨打印”原理示意。图片来源:参考文献[1]

“无墨打印”原理示意。图片来源:参考文献[1]

打印过程需要先制备光敏聚合物薄膜,然后在薄膜中引入光学“驻波”,这种驻波的作用是给材料分层施加能量。于是薄膜上就有了获得能量的“交联层”和没有能量的“非交联层”交替排列,使交联层间产生应力。将薄膜放入相应溶剂,非交联层会生成细小纤维释放应力,形成能够干涉光线的层状结构。以《蒙拉丽莎》为例,“打印纸”是硅片,“墨水”是聚苯乙烯。“打印”过程需要先将光敏高分子溶液涂在硅片上形成薄膜,然后把薄膜放在micro-led仪器中进行交联(micro-led是一种光学仪器,仪器上有成千上万个小的led灯,每个led灯可以独立开关)。

iCeMS的研究人员正在超净间中操作micro-led。图片来源:iCeMS

iCeMS的研究人员正在超净间中操作micro-led。图片来源:iCeMS

在交联前,研究人员会将蒙娜丽莎的图片在电脑中转成CAD的图片格式,由micro-led读取CAD格式,并控制各个小灯的亮和暗(比如,蒙娜丽莎的面部有颜色,那么位于蒙娜丽莎面部上方的那些小led灯是,从而这部分的薄膜被交联了;而她的头发是黑的,那么位于头发上方的的小led灯是关闭的,这部分的薄膜就没被交联)。

“蒙娜丽莎”图片转为CAD格式示意图。图片来源:参考文献[1]

“蒙娜丽莎”图片转为CAD格式示意图。图片来源:参考文献[1]

将交联好的薄膜在溶剂中浸泡一段时间,交联部分的薄膜在溶剂中应力释放,形成层状结构,未交联部分没有层状结构,这样一来,图案就能显现了。这一发现被命名为“组织性微纤维化”(Organized Microfibrillation, OM),它的色彩范围能够覆盖由蓝到红整个可见光光谱。从此,一种革命性的新型“调色板”产生了。有了OM无墨打印,印刷再也不必受限于墨水和颜料。

使用不同的分子量的聚苯乙烯和不同交联照射光波长,能得到各种各样的颜色。图片来源:参考文献[1]

使用不同的分子量的聚苯乙烯和不同交联照射光波长,能得到各种各样的颜色。图片来源:参考文献[1]

无墨打印,不仅是省墨那么简单

与传统打印相比,这种无墨打印技术实现了很多新的突破。比如它打印出的图案分辨率可高达每英寸14000点数,也就是说每英寸(2.54厘米)的长度上放置14000个墨点。而目前喷墨打印机所能达到的理论极限是4800点数,但如果真的在普通的纸张上用这个规格来打印,纸张对墨水等吸收过饱和,墨水就会糊成一团。

运用OM无墨技术打印出亚毫米级别的高清艺术图案。你看到蒙娜丽莎的微笑了吗?图片来源:iCeMS

运用OM无墨技术打印出亚毫米级别的高清艺术图案。你看到蒙娜丽莎的微笑了吗?图片来源:iCeMS

与此同时,这种打印技术的应用范围也很广。京都大学的研究人员已经证明,这项无墨打印技术适用于多种常用的聚合物(如聚苯乙烯和聚碳酸酯),能在各种饮料瓶、食品药品塑料包装;同时也适用于在透明的玻璃材质上进行打印。人们可以使用这项技术来制造类似水印的安全标签,以显示产品是否被打开过包装或遭到过破坏,抑或是用来制造塑质钞票上的防伪图案。

显微镜下OM打印呈现出的多层微孔结构。图片来源:参考文献[1]

显微镜下OM打印呈现出的多层微孔结构。图片来源:参考文献[1]

另外,从显微镜观察可以发现,这项技术印制出的高分子是一种多层微孔结构。这种结构能够让液体或气体流入,并在其内部实现连通,同时这种网状结构又具有透气性和可穿戴性特色。人们或许可以依此制造出一种柔性的“流体线路板”,将其安置在人皮肤表面或者隐形眼镜内。皮肤或眼睛的分泌物流入线路板微孔后会造成多层结构物理性质的改变,对这些物理性质进行分析就可以收集到人体相关的生物医学信息,然后通过信号传输及时上传给云数据空间或医护人员。

论文的第一作者伊藤真阳表示,未来可以在多项基础科学领域延伸这一突破性研究。“我们已经展示可以在亚微米尺度上通过控制应力从而控制高分子的结构”“而我们知道,金属和陶瓷承受应力时也能产生裂纹。如果未来能用类似方法在这些材料也实现对裂纹形成的操控,将会同样令人激动振奋。”

参考文献

  1. Structural color through organized microfibrillation in glassy polymer films. Masateru M. Ito, Andrew H. Gibbons, Detao Qin, Daisuke Yamamoto, Handong Jiang, Daisuke Yamaguchi, Koichiro Tanaka & Easan Sivaniah. Nature. 570, 363–367 (2019) (玻璃性高分子组织性微纤维化产生结构色彩)
  2. Arwin, H., Berlind, T., Johs, B., & Järrendahl, K. (2013). Cuticle structure of the scarab beetle Cetonia aurata analyzed by regression analysis of Mueller-matrix ellipsometric data. Optics express, 21(19), 22645-22656.