作者:吴跃伟 来源:澎湃新闻 发布时间:2023/9/11 10:29:55
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三个故事“求解”全球科技创新与合作之道

 

9月10日上午,2023浦江创新论坛(第十六届)在上海浦东新区东郊宾馆举行开幕式和全体大会。

在交流中,“科技创新与合作”不断被人们提起。而“开放的创新生态:创新与全球链接”恰是本次论坛的主题。

“全球合作惠及创新(Global Collaboration benefits innovations)。”国际出版商、科学信息公司爱思唯尔首席执行官白可珊(Kumsal Bayazit)在10日上午的全体大会报告中表示。

中国科学院分子细胞科学卓越中心研究员陈玲玲表示,加强基础研究,融入全球创新网络,为相关应用突破提供源头创新。

国际热核聚变实验堆计划(ITER)总干事彼得罗·巴拉巴斯基,复旦大学校长、中国科学院院士金力,李政道学者、上海交通大学李政道研究所副教授徐东莲等人分别通过讲述其领导或发起的大科学计划的故事,在浦江创新论坛上“求解”创新与全球链接之道。

平常人们体检,最多几十项检查,但在金力等人发起的国际人类表型组计划中,志愿者要在两天一夜中检测2.4万项表型。目前,已有20个国家的科学家加入到这一国际大科学计划的研究中。

在“全球科技创新合作”的特别对话中,金力呼吁,要建立全球科技创新网络,促进科技资源的共享和交流;要加强全球科技制度,制定公平合理的国际规则和标准。

中国参与的人类最大的国际科学合作项目:模拟一个太阳

国际热核聚变实验堆计划(ITER)总干事彼得罗·巴拉巴斯基(Pietro Barabaschi)表示,参与到ITER合作的国家的人口占到了全球人口的一半,“以及整体的工业能力的80%”。

欧盟、中国、美国、日本、韩国、印度和俄罗斯等七方共同资助ITER项目,其中欧盟出资约45%,其他6方各承担约9%,最终目标是在2050年前后实现核聚变能商业应用。

大概在100年前,科学家们就已经知道,核聚变是太阳和所有恒星提供能量的一种过程。但如何在地球上模拟太阳的情况——核聚变?

1985年,ITER项目的想法被提出来:为了共同的和平目标,希望能够在接下来,通过几十年的共同努力,开发核聚变作为一种能源。最开始是美国和苏联,然后日本和欧洲也加入了进来,随后中国、韩国和印度也相继加入。

据新华社报道,ITER是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。它旨在模拟太阳发光发热的核聚变过程,探索核聚变技术商业化可行性。欧盟、中国、美国、日本、韩国、印度和俄罗斯等七方共同资助这一项目,其中欧盟出资约45%,其他6方各承担约9%,最终目标是在2050年前后实现核聚变能商业应用。

彼得罗·巴拉巴斯基表示,核聚变需要令人难以置信的科学和工程上的创新。人们选择了一种叫做磁约束核聚变的方法,有一个非常大的像甜甜圈一样的容器,被称作托卡马克。“我们把一些气体放进去,然后使用电流把这些气体转化为一个电离的等离子体,将等离子体加热到1.5亿摄氏度。这比太阳的核心温度要高10倍。”热核聚变实验堆需要很多首创的组件,从加热系统到诊断系统,以及很多专用的材料都需要创新。

彼得罗·巴拉巴斯基表示,中国是热核聚变实验堆项目的一个重要的合作伙伴。除了磁铁,中国也贡献了很多的其他的电器元件和系统结构的部件,比如气体的注入系统、诊断系统等。这需要中国的大学、公司等研发机构进行重要的创新。

此外,热核聚变实验堆的任何组件对精度都有很高的要求,因此,安装质量也至关重要。彼得罗·巴拉巴斯基说,中国核电工程有限公司主导了数以千计的安装工作,使得实验堆能够最终被完全组装,“这是中国作出的一个巨大的贡献。”

上海创新策源和发起:每人体检2.4万项的国际分布式大科学计划

“对疾病的本质更深入地了解,有助于诊断和治疗。”金力表示,上海作为创新策源地的人类表型组计划最终的目的是,通过大量的表型分析,来对疾病进行分析;构建未来生物医学研究的导航图,让未来的研究者不需要在黑暗中摸索。

此前,人们希望通过对基因组的测序和研究,将表型和基因关联起来。但随后遭遇瓶颈。金力表示,人类历史上生命科学领域的第一个大科学计划是人类基因组计划,规模相当庞大,花了整整10年时间,有几十个国家的科学家参与,最终在2001年正式宣布完成,把人类所有的基因都测序了,随后相关进入了黄金期,“但连接表型和基因的关系上,现在进入了一个瓶颈”。因为基因和表型之间的关系不是一一对应关系。基因在一端,表型在另一端,它们怎么关联起来?当中有太多的东西需要“穿越”。遗传的机制本身就相当复杂,表型本身也很复杂。

基因组研究被称为走后门策略,而表型组分析被金力称为走前门策略。“顺便把基因也带进去,全面出击,前门后门一起走。”他说。

基因和表型之间的关系不是一一对应关系。它们怎么关联起来?当中有太多的东西需要“穿越”。

他们通过大样本量的分析,将宏观表型和微观表型关联起来,然后判断它们之间存在什么关系。

金力表示,平常人们做体检,是做几十个项目、几百个项目,在人类表型组的研究中,志愿者花两天一夜的时间完成2.4万个表型的测量,整个招募过程中,“我们按照要求完成了1000个人、每个人24000项表型的测量”。

在研究成果方面,金力表示,如果2.4万个表型两两之间有关系的话,那么大概有5~6亿个可能的关联,实际在研究发现了超过100万个强关联,就有了新的发现,获得了表型组导航图1.0。比如,几十年没解决的指纹背后的基因问题。研究人员发现了决定人类指纹的基因,“而且让我们很吃惊的,这个基因实际上不是跟皮肤有关系,而是跟上肢的发育有关系,这颠覆了我们此前的认识。”

“我们找到了一组5个代谢物,可以提前5年预测阿尔兹海默病,做早期诊断;通过对DNA的CpG位点上的甲基化特征进行分析,可以提前4年对5种常见的消化道肿瘤进行早诊;根据前面发现的150万个强关联的话,我们提出了一系列新的我们应该回答的问题。”金力说。

国际人类表型组计划的想法最早于2015年提出。金力说,“2016年,召开了首届国际人类表型组大会,提出了核心任务和路线。2018年,正式启动,成立了一个国际合作组。”“最早是上海市级重大专项支持,我们奠定了一个基础,中长期目标让它成为一个国际的大科学计划。”“目前国际人类表型组研究协作组的成员,一共是20个国家。”

金力表示,“大科学计划就像我们要建设人类命运共同体,我们要有一个科学的共同体,这是人类生存和发展的需要。”

静听寰宇的大科学装置

“只有中微子可以穿越整个地球,其他粒子都办不到。”9月10日上午,在浦江创新论坛首次设立的青年特别讲席报告中,李政道学者、上海交通大学李政道研究所副教授徐东莲说,“中微子是非常神秘的宇宙幽灵信使,它们也是研究极端宇宙的利器,是连接宇宙中极大与极小的完美桥梁。我们通过建设高性能的中微子望远镜,去捕捉这些来自宇宙深处的神奇信使,就可以实现见微知著,静听寰宇!”

中微子是组成自然界的一种基本粒子,它非常神奇,不带电荷,质量极其微小,只参与弱相互作用和引力作用。它一共有三种,能在飞行过程中从一种变成另外一种。

徐东莲介绍,中微子是研究极端宇宙是一个独特的探针,还是间接寻找暗物质的手段。徐东莲表示,暗物质粒子可能湮灭或衰变成中微子,所以中微子望远镜能够用来追踪暗物质的踪迹。

“宇宙中产生中微子的源头有非常多,都跟极端的物理过程相关,比如说宇宙大爆炸时的遗迹中微子,它现在充斥着每一寸的宇宙空间。太阳核聚变产生海量的中微子,其实我们整个地球以及地球上的生命体是‘浸泡’在太阳产生的中微子的海洋里面,每一秒钟有百亿个太阳中微子穿越我们指甲盖。在最高能量端——来自宇宙深处的黑洞,它们也被预言会产生超高能的中微子。但黑洞的中微子到达地球的通量非常非常低。大约要等待100倍的宇宙年龄,才能等到一个黑洞的中微子穿越我们的身体。”

徐东莲说,中微子望远镜的大科学装置的研制到建成,是一个漫长的过程,一般都以10年为量级,建成之后可产生海量的科学数据,都需要联合国际的科学家一起建立合作组来处理。

她参与过南极“冰立方”(IceCube)的国际合作实验,2018年回国加盟李政道研究所,发起南海中微子望远镜计划——“海铃计划”,并且带领团队2021年到南海选址。

徐东莲曾参与过的国际大科学合作组。

目前世界上最大的中微子望远镜冰立方(IceCube)的探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。

据新华网消息,“冰立方”位于南极的地下冰层中,主体是体积1立方千米的纯净冰块和数千个光学传感器。每时每刻都有大量中微子穿过地球,其中极少数会与冰块中的原子核碰撞,产生特殊的闪烁,光学传感器可以捕捉这些闪烁。

据澎湃新闻此前报道,“海铃”在3000米深的南海海底,监测水体超过100万个北京“水立方”,其工程目标是建成一个连续工作20-30年、全天候、全时段运行的海底中微子望远镜阵列。

 
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