2020科学图景展望（附照片）

2020科学图景展望（附照片）    何积惠  吕吉尔  编译
    科学和技术的发展一直是推动时代前进的动力源，在刚刚跨入二十一世纪的第二个十年时，权威科学杂志《自然》邀请一批活跃在科学前沿的学者，就今后十年若干科学技术领域的发展趋势以及面临的重大问题等作出预测和评点，为人们大致勾勒了未来十年科学的走向——
   
Astronomy天文学
    亚当·布罗斯
    美国国家科学研究委员会物理和天文学理事会  副主席
    天文学研究眼下正处于黄金时期。未来十年的关键问题，是要确定弥漫于宇宙中的暗物质的性质。
    如果在直接检测到相关的弱作用粒子后的40年内仍不能证实暗物质范例，将是一件十分令人难堪的事。有人将暗能量性质单挑出来，作为天文学界面临的最基本难题。也有人希望了解气体和尘埃是如何微妙地嬗变为稠密天体和行星的，银河系中又栖息着多少类似地球——和适于居住——的行星。所有这些问题的答案到2020年可望给出，但天文学界必须决定先从哪里入手。
    美国已开始为期10年的天文学调查，预定在2010年年底前完成。天文学家已提交了无数公众白皮书，详细列出了各项使命和设施的科学工程状况，其总计成本可能超过700亿美元。这比未来十年创新项目可能需要的经费多4到5倍。
    天文学研究眼下正处于黄金时期。取得惊人突破的潜能依然很大，但实现其中哪怕一小部分目标仍需要投入可观的财力和技能。站在全方位理解宇宙的起始点上，人类难道会退缩不前吗？未来一二十年的决策极可能决定结果如何。
   
Chemistry化学
    保罗·阿纳斯塔斯
    耶鲁大学  绿色化学和绿色工程中心
    化学的未来应呈现截然不同于过去的面貌。绿色化学将合成、物理和生物化学家同毒理学家、环保和生命科学家的专业知识融为一体，以提供可持续的化学设计。
    化学物品的制作及其工艺流程应减少或取消对有害物质的运用，削弱或杜绝此类物质的产生，这本来就是一个系统处理的工程。“绿色化学十二原则”涵盖了分子生命周期的所有层面，从获取原料和开采材料，经由合成和制造工艺，直到商业化整个周期的结束和产品的最终处理，无所不包。这些原则是基于对人为物质与自然界之间相互作用的最新基本发现。
    不足的研究经费，因而还有尚不胜任的努力，应专注于可持续的化学创新。作为第一步，化学需要采取明确界定的研究戒律：分子科学的研究人员必须在保持创意的同时，决不危害人类和地球。我们需要把与化学有关的一切变成绿色的。
   
Demographics人口学
    乔舒亚·R·戈德斯坦
    马克斯·普朗克人口学研究所  执行理事
    正如20世纪以人口增长为特征一样，21世纪将以人口老化为特征。未来十年，人类将花大量时间来应对如何组织和关爱与日俱增的老龄人口的问题，着力解决由谁来生产老年人所必需的消费品的问题。
    应对老龄化趋势，我们需要从四个方面来开展人口学研究。偏低的出生率也许可通过调和工作与家庭之间冲突的措施，让人们拥有各自希望要的孩子来予以提高。促进移民和经济整合，是另一个应优先考虑的重点。有助于人们更长久地保持朝气的健康研究，已是老龄化社会里一个应优先考虑的重点。的确，到目前为止，健康的生命周期一直在快速或者按快于预期寿命本身的速度趋于延长。但是，当第一批生育高峰期出生的人准备吹灭65岁生日蜡烛的时候，我们现在必须应对重新规划生命转折点这一更重大的课题，以便让人们始终保持活力和生产能力。成功应对老龄化趋势的社会，将是那些善于利用人们寿命更长的优势的社会。
   
Drug discovery新药研发
    加利·P·皮萨诺
    哈佛大学商学院  企业管理教授
    未来的十年，制药业将会加速动荡。药物研发、竞争、政府决策和市场方面的深刻变革，将继续对现有的商业模式和策略提出挑战。
    这个产业将细分为两类商业行为：一类追求长期致力于创造新药物，另一类则聚焦于变幻莫测的市场。后者在短时期内可能会有较出色的表现，但最后注定是要失败的。对于制药业而言，开发效果显著的疗法，是唯一可持续的价值源头。考虑到许多严重疾病缺乏疗法，许多现成药物又疗效平平，机遇是巨大的。尝试发现新药物是有风险的，但放弃努力的风险更大。
    我们将会看到一个由全球少数大的医药公司所形成的生态系统，它们拥有深厚的科学资源和众多更加专业化的公司。药物创新的全球化进程将会继续下去。如果人们看到一个具有强大创新能力的中国跨国制药大公司脱颖而出，不会有人感到惊讶的。
   
Ecology生态学
    罗伯特·D·霍尔特
    佛罗里达大学生物系
    未来十年，生态学将被看成生物学的核心部分，同时愈益成为地球科学一个必不可少的维度。
    生态学家在未来十年所面临的最大实际挑战是：所希望研究的诸多事物还没有等人们真正弄清来龙去脉就消失不见了。假冒生态系统愈益在地球上占有主导地位——盘踞在人造风景中的，是引进物种和有耐性的土生动植物的随意组合。这些都是合乎逻辑的研究目标，但如果丧失了甚至尚未被我们详尽记录和理解的自然生态系统，那就得在实际操控、审美价值和道德观念上付出沉重的代价。
    一个至关重要的任务，将是预测和缓解这种生物多样性的丧失趋势以及生态系统的功能退化。作为其中的一个步骤，那就要评估食物链等生态网络的复原力，特别是它们抵御干扰和物种丧失的能力。这需要由多种学科来提供洞察力。稳定的同位素分析和遗传条码理应提供一幅更加清晰的图像，藉以探明生态共同体中谁在蚕食谁。
    从个体到种群，再到空间互联的生态系统，变化是在多重层面上发生的。据我预测，到2020年，生态学理论将愈益关注有机体隐晦微妙的生物细节和进化动力学的弦外之音。微生物生态学将成为主流。同时，查考物种和生态共同体如何适应地球史，也将是必不可少的一环。未来十年，生态学将被看成生物学的核心部分，同时也愈益成为地球科学一个必不可少的维度。
   
Energy能源开发
    丹尼尔·M·坎曼
    加利福尼亚大学  可再生合适能源实验室  主任
    2020年，世界将会走上一条通向综合能源系统的道路，太阳能、风能、核能、地热能和水电能将提供80%以上的电力需求。
    到2020年，人类需要坚定地走上一条低碳社会的道路，形成一个高效清洁能源技术占主导地位的社会。对碳排放必须采取严厉措施，明码标价，如严格管理的限额与贸易方案或碳排放税，这一点非常重要。
    同时，还需要通过创造性的融资使家庭和企业无须预先付费就能够获得能源效率和可再生能源服务。
    政府对研究进行资助这一点至关重要。有几项可再生技术已经为爆炸式的增长做好了准备。
    通过鼓励像纯太阳能建筑和电动车辆之类的革新措施，能源效益目标是能够帮助减少能源需求的。
    对太阳能的深入研究——尤其是如何有效地储存和输送太阳能——有可能同时解决富裕社区和贫困社区的需求。如能得到广泛部署，那么这些解决办法和智能电网的发展就意味着，到2020年，世界将会走上一条通向综合能源系统的道路，太阳能、风能、核能、地热能和水电能将提供80%以上电力需求。
   
Lasers激光
    托马斯M.贝尔  斯坦福大学  光子学研究中心  尼古拉斯P.比奇洛
    罗彻斯特大学  物理和天文学系
    到2020年，激光可望在生物、电脑、能源和粒子加速等诸多领域发挥至今无法预测的巨大潜能及其影响力。
    50年前构想和发明激光的那些人，可能一直无法预料它在过去半个世纪里所发挥的作用：从通信到环境检测，从制造业到医学，从娱乐到科学研究，随处可见它的踪影。
    到2020年，激光也许会发出光斑尺寸序列为1纳米——大小相当于一个细微的分子——的光束。维度少于一个波长的物体，通常不可能用激光或显微镜加以分辨，除非光子是通过一个小于物体的孔径而发射的。融入孔径相当于单一分子的激光源的显微镜，却能快速而直接地对DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）等生物分子进行测序。这些微型光束还可按大于目前100倍的密度提供硬盘存储，使个人电脑达到1015字节的存储容量。
    基于激光的超精密时钟，将按与宇宙膨胀相同的基本常数来测定漂移，从而对我们阐述宇宙起源和进化的理论提出挑战。
    新一代激光将导致新态物质的生成，把物质压缩和加热到仅见之于质量恒星中心的温度，其压力可望使氢原子经挤压而形成比铅大50倍的密度。由此造成的核聚变反应有朝一日可用来提供几乎无穷尽的无碳能源。海洋里存在着大量的核聚变燃料，足以满足全世界目前的能源需求，其历时之漫长将超过宇宙的年龄。
    到2020年，激光将产生超短爆发的光子——其脉冲宽度短于光穿越一个原子所需要的时间。这些阿秒（10-18秒）脉冲可对化学反应进行频闪摄影——对运动中电子的瞬间摄影。当这些激光被放大到超高烈度时，可用作使电子和质子加速至接近光速的引擎。这意味着我们可望创建台式加速器，藉以形成其动能堪与当今最大的粒子加速器比肩的粒子，而其体积和成本均将大幅度缩减。
    要实现这些非凡的目标，会遇到哪些挑战呢？必须开发经得起超高烈度的激光材料、光源和光学仪器，同时还要研究新颖的纳米制造技术。
    这一切会在未来十年内发生吗？我们相信是可能的。如同1960年的发明者一样，我们或许依然低估了激光的全部潜能及其影响力。
   
Mental health心理健康
    丹尼尔·R·温柏格  美国国家心理健康研究所  高级研究员
    精神病症的产生可能有多种原因，而且其关联性要比目前的疾病模型所认同的关联性高得多。
    过去十年对心理疾病基因背景的研究提出，心理失常不是由某个特定原因引起的独立现象，而是由多种风险因素相互作用的结果。精神病症的产生可能有多种原因，而且其关联性要比目前的疾病模型所认同的关联性高得多。到2020年，这一长期以来被缓慢接受的观点将转变为医生理解和治疗精神疾病的方法。
    目前看来，要找到心理疾病的特定基因还只是一个奢望。在今后十年中，比较现实的将是寻找给细胞和大脑基本功能编码的基因。这些功能调节着人体对环境的反应，它们以特定的方式共同出现在风险性增加的个体身上。会增加患病风险的基因有数百个，这样的缺陷可能影响大脑的发育及其功能，与具体的精神病诊断无关。精神疾病不存在单一的直接路径，而是多条发展路径高度交织的一个网络。
    这一方法将引导我们在正确领会生物学背景的基础上进行诊断和治疗，而不是基于对症状的解读。精神病学研究有望实现西格蒙·弗洛伊德的生物心理学之梦。
   
Metabolomics代谢组学
    杰里米·K·尼科尔森
    伦敦帝国学院  外科和癌症系主任
    确定人体代谢过程如何与肠道微生物发生互动，是未来岁月中一个应优先考虑的重点，因为许多病症同肠道健康欠佳和微生物失衡有关。
    分析代谢过程所留下的化学指纹，已开始在个性化医学，特别是癌症治疗中发挥举足轻重的作用。这源自于下述共识：人类是一个代谢超个体，携带着许多共生有机体的基因组，它们都可能影响某一个体的生理学指标。除了日常饮食和环境压力因素外，人类代谢还深受本身基因与肠道微生物活动之间相互作用的影响。这种代谢互动的产物，会直接影响对疾病的易感性。
    确定人体代谢过程如何与肠道微生物发生互动，是未来岁月中一个应优先考虑的重点，因为许多病症，包括溃疡结肠炎、局限性回肠炎、肥胖症、糖尿病及自体免疫障碍，均同肠道健康欠佳和微生物失衡有关。
    到2020年，个性化保健可望包括由医生检测病人肠道微生物的活动，如果可能的话，则通过治疗对它们进行调整。运用数学模型来阐释通过核磁共振和质谱分析所获得的代谢数据，将有助于我们在全球范围内弄清人类疾病变化着的模式，并形成药物或营养干预的新目标。
   
Microbiome微生物组
    戴维·A·雷尔曼
    美国加州帕洛阿尔托老兵事务卫生保健系统  传染病主管
    人们对微生物了解得越清楚，就越可能获得健康保证。
    在今后十年里，人体将成为最重要的生态研究对象之一。人有赖于微生物群落，微生物给人体带来的好处包括：从食物中汲取能量，教育自身免疫系统，从而免遭病原体的侵害等等。然而，我们对于微生物到底是由什么组成的，它又是如何工作的等知之甚少。
    人身上有众多微生物栖息地，迄今的研究和定义都是在人体的大致解剖特征基础上进行和得出的，例如皮肤、嘴巴、肠道和阴道等。就整个人体而言，只鉴别出一小部分有关栖息地及其边界——而重要的生物学现象却往往发生在这些边界处。发掘稀有菌种并以多种空间尺度来评定其多样性将是分子微生物学在今后十年中需要研究的内容。
    而且，最重要的是，人体如何控制微生物群落构成？如果找到了这些问题的答案，那么人体微生物群落——例如存在于牙齿表面和肠道黏膜上者——就有可能从整体上造福健康。
    人体微生物群落的稳定性和健壮性也是一个同样紧迫的问题。这些群落是如何有效地抵制外力（例如抗生素）干扰的？在受到干扰后是如何回复到原先状态的？健康的状态有多少种？群落的恢复力能决定或预测人体健康吗？是什么机制支撑其恢复力？
    要回答这些问题，就需要理解微生物群落的功能特点。现有一些绘制人体微生物组图谱的国家级项目和国际间项目，这是一个良好的开端。
   
Personalized medicine个性化医疗
    戴维·B·戈尔茨坦
    美国杜克大学  学者
    随着更多的基因组被测序，许多高影响风险因素将陆续鉴别出来。
    两个惊人的发现将定义今后十年的疾病研究：常见的遗传变异在决定人们患多种常见疾病方面的作用似乎有限；普通人群中罕见的基因变体可能对易感体质有极大的影响。
    例如，引起基因组成块消失的罕见突变可能将患如精神分裂症、癫痫症或孤独症的风险提高20倍。一些研究人员把这些主要风险因素称为畸变。我的猜测是，随着更多的基因组被测序，许多别的高影响风险因素将陆续鉴别出来。社会已经在很大程度上接受突变会不可避免地导致严重健康状况这一观念。
    有些进步将是不可思议的，例如研制根据遗传差异定制的治疗药物，这些药物对其他组织无害。有些进步将是转换型的，例如决定性遗传风险因素的鉴别，为经常得不到有效治疗的疾患——如精神分裂症、癫痫症和癌症——提供药物作用新靶点。在今后十年里，成千上万人的基因组将被测序。许多人将被得到自己所面临风险的提示。认真考虑如何运用这种预测能力，使之在合乎伦理的情况下工作，这方面的安排应该现在就开始。
   
Search网络搜索
    彼得·诺维格
    谷歌  研究部主任
    2020年，大多数搜索查询将可以口头进行，而且得到的搜索结果将是综合性的。
    因特网搜索的年龄不过十岁而已。到2020年，它将远远超越目前的规模，其内容将包罗文本、话语、静止画面和视频图像、与同事、朋友、信息源及其自动化代理服务器交流的历史记录、以及来自全球定位系统网点和各地医疗设施传感器的读数等等，应有尽有。
    2020年，大多数搜索查询将可以口头进行，无需打字输入，少数实验性查询将直接通过跟踪大脑信号来实现。自己的生活在多大程度上与搜索引擎共享，以什么方式与之共享，这些事情都将由用户自己决定。
    今后得到的搜索结果将是综合性的，而不只是一个数据清单。而目前如果你要查询“比较核聚变的各种方法”，主要的搜索引擎都会提供相同的结果，即有关核聚变发电的百科全书式文章排列在前，其他类似文章跟在其后。十年之后，统一问题的搜索结果将提供主要方法的概述、对比各种方法的不同之处、自动地将不同文种文件翻译成你所需要的语言，然后根据功效将搜索结果分门别类，即把搜索结果置于适当的表格或图表中，一目了然。
    搜索引擎面临的一个巨大挑战是其质量保证措施只能以用户欢迎程度为唯一标准。搜索引擎必须确保相关性（即确保与用户的查询相关联）和高质量（即正确无误、实用可理解，不受查询的影响）。如果做到了这一点，那么当一个网站宣称登月是一场骗局，而其论证结构也条理清楚，仍将会被认定为质量不合格，因为骗局论证的前提与现实是不一致的。
   
Soil土壤
    大卫·R·蒙哥马利
    《污物：对文明的侵蚀》作者  华盛顿大学
    全球性土壤退化是本世纪最为隐伏和最被低估的挑战之一。该发动一场更加绿色的革命了。
    随着2020年愈益临近，世人必须应对全球性土壤退化的问题，这是本世纪最为隐伏和最被低估的挑战之一。人类已使所有可耕地中三分之一以上的表土趋于退化或受到侵蚀。我们继续在按每年约0.5%的比率丧失农田，却还要指望在本世纪晚些时候为超过90亿的人口提供食物。
    在20世纪期间，哈伯－博施法（允许大量生产氮基化肥）和绿色革命，有效地使农业摆脱了土壤管理的羁绊。促成增产的因素是滥施化肥，还有各种缩短和破坏土壤生命的机制，由此降低了原始土壤的肥力。在后石油的世界上，随着用矿物燃料生产廉价化肥时代的终结，高产农业既不是可持续的，也不具备复原力。要确保未来的食品安全和环境保护，就必须根据具体地形和农场的土壤来周密制定农耕法，而不是继续依赖侵蚀惯例和袋装化肥。
    为了实现这些目标，应积极资助相关研究，提倡采纳可培育有益的土壤生命和维系土壤生态系统的农耕法及技术。在未来数十年里，低耕和有机法等途径可望恢复原始土壤的肥力并储存足够的土壤有机物质，以便将全球性矿物燃料的排放量抵消5-15%。同时，还可以通过添加生物炭，即有机垃圾经加热后形成的木炭来进一步提高抵消效应和土壤肥力。
    稀薄的矿物层、鲜活的微生物、覆盖全球表层的腐生物和动物残骸，乃是尘世间一切生命之母，也是每个国家最具战略意义的资源。然而，我们却把它们当作污物看待。在涉及土壤、食品和人类生存的课题时，处之泰然不是一个应有的选项。该发动一场更加绿色的革命了。
   
Synthetic biology合成生物学
    乔治·丘奇
    哈佛大学医学院  遗传学教授
    合成生物学将培育出抗病虫害的庄稼或能在三个小时时间里使自己的生物量翻一番的光合生物。
    在过去的十年中，由于计算机能力呈几何级数提升，读写DNA的费用已经骤降了100万倍，甚至超越了摩尔定律。今后十年的挑战将是把分子工程与计算结合在一起来构筑复杂的系统，生物学家将获得能排列原子以优化催化作用的工具，或者排列生物种群以制作化学品。
    看得见的一项应用就是更加有效地制药和给药。然而，这些都将被更智慧的应用所取代，例如口服疫苗。能感知附近肿瘤的“可编程”的个人干细胞，将钻入癌细胞内部释放毒素。另一个应用是生产化学制品、燃料和食品，例如，培育出抗病虫害的庄稼或能在三个小时时间里使自己的生物量翻一番的光合生物。
    合成生物学的影响已经超越其自身领域，到2020年，这一影响将明显扩大。众多高新技术将成为可能，例如，电子芯片将被原子精度的容错生物电路所取代。“三维生物打印机”将使几乎所有制成品的价格大幅度下降。
    但对合成生物学革命带来的种种意外后果——无论是生态的、经济的和社会的——作出预测并加以防范，也将是一个大挑战。