三個(gè)故事“求解”全球科技創(chuàng)新與合作之道

9月10日上午，2023浦江創(chuàng)新論壇（第十六屆）在上海浦東新區(qū)東郊賓館舉行開幕式和全體大會(huì)。

在交流中，“科技創(chuàng)新與合作”不斷被人們提起。而“開放的創(chuàng)新生態(tài)：創(chuàng)新與全球鏈接”恰是本次論壇的主題。

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）總干事彼得羅·巴拉巴斯基，復(fù)旦大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士金力，李政道學(xué)者、上海交通大學(xué)李政道研究所副教授徐東蓮等人分別通過講述其領(lǐng)導(dǎo)或發(fā)起的大科學(xué)計(jì)劃的故事，在浦江創(chuàng)新論壇上“求解”創(chuàng)新與全球鏈接之道。

平常人們體檢，最多幾十項(xiàng)檢查，但在金力等人發(fā)起的國際人類表型組計(jì)劃中，志愿者要在兩天一夜中檢測2.4萬項(xiàng)表型。目前，已有20個(gè)國家的科學(xué)家加入到這一國際大科學(xué)計(jì)劃的研究中。

在“全球科技創(chuàng)新合作”的特別對話中，金力呼吁，要建立全球科技創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)科技資源的共享和交流；要加強(qiáng)全球科技制度，制定公平合理的國際規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。

中國參與的人類最大的國際科學(xué)合作項(xiàng)目：模擬一個(gè)太陽

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）總干事彼得羅·巴拉巴斯基（Pietro Barabaschi）表示，參與ITER合作的國家人口占到了全球人口的一半，“以及整體工業(yè)能力的80%”。

大概在100年前，科學(xué)家們就已經(jīng)知道，核聚變是太陽和所有恒星提供能量的一種過程。但如何在地球上模擬太陽的情況——核聚變？

1985年，ITER項(xiàng)目的想法被提出來：為了共同的和平目標(biāo)，希望能夠在接下來，通過幾十年的共同努力，開發(fā)核聚變作為一種能源。最開始是美國和蘇聯(lián)，然后日本和歐洲也加入進(jìn)來，隨后中國、韓國和印度也相繼加入。

據(jù)新華社報(bào)道，ITER是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一。它旨在模擬太陽發(fā)光發(fā)熱的核聚變過程，探索核聚變技術(shù)商業(yè)化可行性。歐盟、中國、美國、日本、韓國、印度和俄羅斯等七方共同資助這一項(xiàng)目，其中歐盟出資約45%，其他六方各承擔(dān)約9%，最終目標(biāo)是在2050年前后實(shí)現(xiàn)核聚變能商業(yè)應(yīng)用。

彼得羅·巴拉巴斯基表示，核聚變需要令人難以置信的科學(xué)和工程上的創(chuàng)新。人們選擇了一種叫作磁約束核聚變的方法，有一個(gè)非常大的像甜甜圈一樣的容器，被稱作托卡馬克。“我們把一些氣體放進(jìn)去，然后使用電流把這些氣體轉(zhuǎn)化為一個(gè)電離的等離子體，將等離子體加熱到1.5億攝氏度。這比太陽的核心溫度要高10倍。”熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆需要很多首創(chuàng)的組件，從加熱系統(tǒng)到診斷系統(tǒng)，以及很多專用的材料都需要?jiǎng)?chuàng)新。

彼得羅·巴拉巴斯基表示，中國是熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目一個(gè)重要的合作伙伴。除了磁鐵，中國也貢獻(xiàn)了很多的其他電器元件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件，比如氣體的注入系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等。這需要中國的大學(xué)、公司等研發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行重要?jiǎng)?chuàng)新。

此外，熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的任何組件對精度都有很高的要求，因此，安裝質(zhì)量也至關(guān)重要。彼得羅·巴拉巴斯基說，中國核電工程有限公司主導(dǎo)了數(shù)以千計(jì)的安裝工作，使得實(shí)驗(yàn)堆能夠最終被完全組裝，“這是中國作出的一個(gè)巨大的貢獻(xiàn)”。

上海創(chuàng)新策源和發(fā)起：每人體檢2.4萬項(xiàng)的國際分布式大科學(xué)計(jì)劃

“對疾病的本質(zhì)更深入地了解，有助于診斷和治療。”金力表示，上海作為創(chuàng)新策源地的人類表型組計(jì)劃最終的目的是，通過大量的表型分析，來對疾病進(jìn)行分析；構(gòu)建未來生物醫(yī)學(xué)研究的導(dǎo)航圖，讓未來的研究者不需要在黑暗中摸索。

此前，人們希望通過對基因組的測序和研究，將表型和基因關(guān)聯(lián)起來，但隨后遭遇瓶頸。金力表示，人類歷史上生命科學(xué)領(lǐng)域的第一個(gè)大科學(xué)計(jì)劃是人類基因組計(jì)劃，規(guī)模相當(dāng)龐大，花了整整10年時(shí)間，有幾十個(gè)國家的科學(xué)家參與，最終在2001年正式宣布完成。“但連接表型和基因的關(guān)系上，現(xiàn)在進(jìn)入了一個(gè)瓶頸”。因?yàn)榛蚝捅硇椭g的關(guān)系不是一一對應(yīng)關(guān)系。基因在一端，表型在另一端，它們怎么關(guān)聯(lián)起來？當(dāng)中有太多的東西需要“穿越”。遺傳的機(jī)制本身就相當(dāng)復(fù)雜，表型本身也很復(fù)雜。

基因組研究被稱為走后門策略，而表型組分析被金力稱為走前門策略。“順便把基因也帶進(jìn)去，全面出擊，前門后門一起走。”他說。

他們通過大樣本量的分析，將宏觀表型和微觀表型關(guān)聯(lián)起來，然后判斷它們之間存在什么關(guān)系。

金力表示，平常人們做體檢，是做幾十個(gè)項(xiàng)目、幾百個(gè)項(xiàng)目，在人類表型組的研究中，志愿者花兩天一夜的時(shí)間完成2.4萬個(gè)表型的測量，整個(gè)招募過程中，“我們按照要求完成了1000個(gè)人、每個(gè)人2.4萬項(xiàng)表型的測量”。

在研究成果方面，金力表示，如果2.4萬個(gè)表型兩兩之間有關(guān)系的話，那么大概有5億～6億個(gè)可能的關(guān)聯(lián)，實(shí)際在研究中發(fā)現(xiàn)了超過100萬個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)，就有了新的發(fā)現(xiàn)，獲得了表型組導(dǎo)航圖1.0。比如，幾十年沒解決的指紋背后的基因問題。研究人員發(fā)現(xiàn)了決定人類指紋的基因，“而且讓我們很吃驚，這個(gè)基因?qū)嶋H上不是跟皮膚有關(guān)系，而是跟上肢的發(fā)育有關(guān)系，這顛覆了我們此前的認(rèn)識(shí)。”

“我們找到了一組5個(gè)代謝物，可以提前5年預(yù)測阿爾茨海默病，做早期診斷；通過對DNA的CpG位點(diǎn)上的甲基化特征進(jìn)行分析，可以提前4年對5種常見的消化道腫瘤進(jìn)行早診；根據(jù)前面發(fā)現(xiàn)的150萬個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)，我們提出了一系列新的我們應(yīng)該回答的問題。”金力說。

國際人類表型組計(jì)劃的想法最早于2015年提出。金力說：“2016年，召開了首屆國際人類表型組大會(huì)，提出了核心任務(wù)和路線。2018年，正式啟動(dòng)，成立了一個(gè)國際合作組。”“最早是上海市級(jí)重大專項(xiàng)支持，我們奠定了一個(gè)基礎(chǔ)，中長期目標(biāo)讓它成為一個(gè)國際的大科學(xué)計(jì)劃。”“目前國際人類表型組研究協(xié)作組的成員，一共是20個(gè)國家。”

金力表示：“大科學(xué)計(jì)劃就像我們要建設(shè)人類命運(yùn)共同體，我們要有一個(gè)科學(xué)的共同體，這是人類生存和發(fā)展的需要。”

靜聽寰宇的大科學(xué)裝置

“只有中微子可以穿越整個(gè)地球，其他粒子都辦不到。”9月10日上午，在浦江創(chuàng)新論壇首次設(shè)立的青年特別講席報(bào)告中，李政道學(xué)者、上海交通大學(xué)李政道研究所副教授徐東蓮說，“中微子是非常神秘的宇宙幽靈信使，它們也是研究極端宇宙的利器，是連接宇宙中極大與極小的完美橋梁。我們通過建設(shè)高性能的中微子望遠(yuǎn)鏡，去捕捉這些來自宇宙深處的神奇信使，就可以實(shí)現(xiàn)見微知著，靜聽寰宇！”

大科學(xué)計(jì)劃就像我們要建設(shè)人類命運(yùn)共同體，我們要有一個(gè)科學(xué)的共同體，這是人類生存和發(fā)展的需要。

中微子是組成自然界的一種基本粒子，它非常神奇，不帶電荷，質(zhì)量極其微小，只參與弱相互作用和引力作用。它一共有三種，能在飛行過程中從一種變成另外一種。

徐東蓮介紹，中微子是研究極端宇宙一個(gè)獨(dú)特的探針，還是間接尋找暗物質(zhì)的手段。徐東蓮表示，暗物質(zhì)粒子可能湮滅或衰變成中微子，所以中微子望遠(yuǎn)鏡能夠用來追蹤暗物質(zhì)的蹤跡。

“宇宙中產(chǎn)生中微子的源頭有非常多，都跟極端的物理過程相關(guān)，比如說宇宙大爆炸時(shí)的遺跡中微子，它現(xiàn)在充斥著每一寸的宇宙空間。太陽核聚變產(chǎn)生海量的中微子，其實(shí)我們整個(gè)地球以及地球上的生命體是‘浸泡在太陽產(chǎn)生的中微子的海洋里面，每一秒鐘有百億個(gè)太陽中微子穿越我們指甲蓋。在最高能量端——來自宇宙深處的黑洞，它們也被預(yù)言會(huì)產(chǎn)生超高能的中微子。但黑洞的中微子到達(dá)地球的通量非常非常低。大約要等待100倍的宇宙年齡，才能等到一個(gè)黑洞的中微子穿越我們的身體。”

徐東蓮說，中微子望遠(yuǎn)鏡的大科學(xué)裝置的研制到建成，是一個(gè)漫長的過程，一般都以10年為量級(jí)，建成之后可產(chǎn)生海量的科學(xué)數(shù)據(jù)，都需要聯(lián)合國際科學(xué)家一起建立合作組來處理。

她參與過南極“冰立方”（IceCube）的國際合作實(shí)驗(yàn)，2018年回國加盟李政道研究所，發(fā)起南海中微子望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃——“海鈴計(jì)劃”，并且?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)2021年到南海選址。

目前世界上最大的中微子望遠(yuǎn)鏡冰立方（IceCube）的探測器陣列建在2500米深的南極冰層中。

據(jù)新華網(wǎng)消息，“冰立方”位于南極的地下冰層中，主體是體積1立方千米的純凈冰塊和數(shù)千個(gè)光學(xué)傳感器。每時(shí)每刻都有大量中微子穿過地球，其中極少數(shù)會(huì)與冰塊中的原子核碰撞，產(chǎn)生特殊的閃爍，光學(xué)傳感器可以捕捉這些閃爍。

據(jù)澎湃新聞此前報(bào)道，“海鈴”在3000米深的南海海底，監(jiān)測水體超過100萬個(gè)北京“水立方”，其工程目標(biāo)是建成一個(gè)連續(xù)工作20～30年、全天候、全時(shí)段運(yùn)行的海底中微子望遠(yuǎn)鏡陣列。

◎ 來源|澎湃新聞