中国顶级科学家都在干什么?看完这部纪录片你就知道了……

  • 时间:
  • 浏览:2
  • 来源:黑龙江工程学院教务处_至诚教务网_河北科技大学理工学院urp南林
阅读模式 17:48

广告

使用的手机好像越来越聪明了。

阿尔茨海默症竟然与肠道菌群有关。

“薛定谔的猫”原来不只是个段子。

……

我们也许意识不到,自己正身处一场伟大的历史变革之中。 而所有的变革,很有可能来自一些不起眼的场景 。

▲ 在中科院等离子体物理研究所正在进行一个由7个国家和地区共同参与的国际计划。可控核聚变项目,模仿太阳发热的原理,希望在地球上实现聚变发电,为人类提供源源不断的清洁能源。图/《科学的力量》

清洁能源、生命科学、新材料、信息领域、人工智能…… 这诸多改变我们生活、甚至可能会影响人类命运的变革,正由中国科学家所兴起 。

11月2日,央视纪录频道开播的纪录片《科学的力量》,采访记录了 30多位中国各研究领域最顶级科学家 的生活。全片不只有振奋人心的科研结果,更重要的是,其中的失败、曲折、煎熬以及泪水……

01

22年,从海藻到阿尔茨海默症新药

11月2日,“ 全球首款阿尔茨海默症创新药获批 ”悄然登上新闻热搜。

几个月前, 耿美玉 (中科院上海药物研究所研究员)第一次穿上净化服,走进车间。她苦心研究22年的成果,即将在这里变成一粒粒胶囊。一切都蓄势以待,只待药监局批号一下来,这里将开足马力生产;因为在车间外,成千上万个家庭等待着这种新药。

▲ 中科院上海药物研究所研究员耿美玉,带领团队从海藻提取物中,找到了一种有效成分,实验证明对阿尔茨海默症有效,取名“971”。图/《科学的力量》

阿尔茨海默症,它还有一个略微贬义的名字,“老年痴呆症”。这是一种跟随 衰老 发生的 神经系统退行性疾病 ,病人将逐渐丧失记忆和认知,以及尊严。

热播剧《都挺好》里的苏大强,撒切尔夫人、里根,《百年孤独》作者加西亚·马尔克斯,都曾与阿尔茨海默症斗争过。仅仅在中国,就有超过 1000万 名患者,这背后就是1000万个家庭的重担,而这个数字随着老龄化的加速还在不断上升。

因为发病机理和成因并不甚清楚,很多国际制药企业都在研制相关药物,但结果都令人失望。

丁健 (中科院上海药物研究所研究员,中国工程院院士)在《科学的力量》纪录片里感叹:“17年了,(做阿尔茨海默症药物的)项目一共公告的就有320个,已经花了6000亿美金,全都失败了。有两个大的(国际制药)公司,现在都宣布暂时退出这个领域,就是说不知道下一步该怎么做。”

22年前,从日本留学回来的耿美玉,开始钻研阿尔茨海默症。她是幸运的,两年时间,耿美玉带领的科研小组就从 海藻提取物 中,找到了一种成分,实验证明对阿尔茨海默症有效。

为了纪念这个“1997年开创的第一个独立的实验室,在科学道路上踏出了第一步”,耿美玉将它命名为“971”。

虽然“971”在动物实验中表现良好,但耿美玉无法解释,为什么有效,到底是什么机制在背后发挥作用,临床效果到底如何。发现有效成分只是第一步,而要做新药研发,这些问题都必须得到回答。 后来,这个答案,用了20年来回答 。 “我经常会被专家质疑。当时我也问自己,我也不知道,真的不清楚。我真的有点走投无路,因为假如说你不是去做药,你只是做探索性的研究的话,你光看着药物有效就行了。但是你要是做药的话,它体内的过程你一定要搞清楚。”耿美玉说。

难题一个个攻克,但关于药物发生作用的机制,却始终不得其门。耿美玉开始怀疑,阿尔茨海默症另有病因。关于阿尔茨海默症,国际主流学术界都认为这是一种 大脑疾病 ,所以研究也大都围绕着脑部变化展开。

研究发现,人类大脑中有一种 Aβ蛋白 ;而病人大脑中的这种蛋白,会 发生β淀粉样蛋白沉积,从而影响了认知功能 。所以此前的主流药物研发,也都是针对着β淀粉样蛋白沉积展开的。

但经过十多年的实验和探索,耿美玉发现,“971”肯定不仅仅是通过这一种机制发挥作用的,一定还有着更大的秘密。

▲ Aβ蛋白(示意图)。图/《科学的力量》

后来,科学期刊上有零星报道, 肠道菌群 可能和阿尔茨海默症有关,但没有引起人们过多关注。而耿美玉却没有放过这些细节,她就在想, 肠道 自身是非常强大的,是 人体免疫非常重要的一个器官 ,会不会是“971”也是通过肠道菌群来发挥作用的?

“这个idea(想法)一出现,我就很兴奋地跟团队讲,我们敢不敢大胆地推测,Aβ蛋白(或许)不是(唯一的)发生机制呢?”随后的实验数据,证实了耿美玉的猜想,GV-971通过调节肠道菌群失衡、重塑机体免疫稳态,进而降低脑内神经炎症,从而阻止阿尔茨海默症症程进展。这是一个让国内外同行都感到惊讶的结果。

▲ 耿美玉和学生们在实验室。图/《科学的力量》

“我们现在发现,肠道菌群失衡了之后,导致了机体的炎症,然后就跑到大脑中去,导致大脑的炎症。所以我们这个药,它不是头痛医头、脚痛医脚,它能够改变肠道菌群的失衡,进而大脑炎症就减少了,然后这个药就发挥效果了。”

1997年的临床前研究,到2007年的1期临床,从2010年的2期临床到2014年的3期临床,整整1199位病患的临床实验,再到2018年的申报上市。关于“GV-971”的22年研究,最终变为了53万页、整整179箱的研究资料,上报到国家药监局。

2019年11月2日,“GV-971”(甘露寡糖二酸)获国家药品监督管理局批准上市。这是中国原创,也是国际首个靶向脑-肠轴的阿尔茨海默症治疗新药。

02

生命回到原点

一台电脑、几盆花、一杯茶、一排书柜、从早到晚的音乐。

每天, 覃重军 (中科院分子植物卓越中心研究员)大部分的活动空间就在这方寸之间:读书、冥想、记笔记。他甚至极少去就在隔壁的实验室。

当然,陪伴他的,还有爱因斯坦、巴斯德、牛顿和达尔文。牛顿和爱因斯坦把复杂的世界浓缩成了一个个优美而简单的公式,生物学家覃重军,也想去发现复杂的生命现象背后的规律。

▲ 覃重军的日常。图/《科学的力量》

“生物或者是任何自然现象,它为了适应环境,它不得不变得很复杂,但是你那是发现不了规律,会为那些现象所迷惑。你要想发现规律,一定是从简单的东西出发,这也是所有自然科学的一个基本信念。”

和其他学科相比,生命科学似乎更容易迷失在复杂现象的迷宫中。 直到1953年,DNA双螺旋结构的发现,人们才终于进入到了生命的细节里,不断有新的认识被发现,刷新着我们对生命的认知,甚至挑战了固有的常识。

上海的覃重军就是其中之一,2017年,他的一项重大发现被认为是 生命科学中的一座里程碑 。而这个发现的起源,只是一次通常的饭后散步。

“我印象还是蛮深的,我大概那天早上在这里走了二、三十分钟。后面突然想,我假设建这个简约体系,因为我知道酿酒酵母16条(染色体)嘛,我是不是可以把它变成一个线,然后变成一个环?我就把这件事儿给记下来了。”

▲ 生物学家覃重军选择有16条染色体的酿酒酵母,设想把它们合并成1条染色体,并且不失去原有的全部功能。图/《科学的力量》

经过漫长的进化,生命从简单变得复杂。细胞内承载遗传信息的染色体从一条到多条,越来越多,人类细胞有 23 对染色体 。 这是 自然选择 的结果。而覃重军却想逆流而上,用 人工的方法诱导生命回到进化的原点 。

他选择了有16条染色体的酿酒酵母,设想能把它们合并成1条染色体,并且不失去原有的全部功能。

后来,覃重军也觉得这个想法太大胆了。“大到什么程度呢,连你自己听到这个想法,你自己都要吓得半死。所以呢,我要特别感谢爱因斯坦、牛顿的,我想他们这么严谨的(人),却用事实反复告诫我们,没有大胆的猜想,就没有伟大的发现。”

▲ 正在做实验的邵洋洋。图/《科学的力量》

灵机一动的时间是20多分钟,求证的时间却长达6个多月 。2014年底,覃重军叫来了自己的博士生邵洋洋,合并染色体的试验开始了。两个人的团队,变成了三个人、四个人。酿酒酵母的染色体也渐渐变成了14条、13条、12条……最终合成了1条。

“反正我还是很感动,或者情绪还是蛮复杂的吧,这样一个我觉得是蛮宏大的东西,我们就几个人就这样把它给做出来了”, 邵洋洋 (中科院分子植物卓越中心博士)在《科学的力量》里说。

▲ 长满酿酒酵母的培养皿。图/《科学的力量》

这便是 世界首例“单条染色体真核细胞” 。

这个发现到底有什么具体作用?现在还很难说清楚。但恰恰是这些难以解释,才正是它的精妙之处。

把两个染色体融合成一条,不是简简单单地把两个染色体DNA粘合到一起就结束了;这是一个非常复杂的工程,需要综合考虑到 端粒切除 、避免 同源重组 等等。所以,这个工作首先实现的,是一个 技术上的进步 。

人类有许多因为 染色体数量变异 造成的疾病,21-三体综合征、克氏综合征等。光从应用角度而言,这些染色体的 定向重排技术 ,就极具 医疗前景 。

更重要的是,它打破了“细胞必须要有多个染色体”等 我们对生物学的既有认知 ,生命组成的可能性,又陡然变多了。 这意味着,人类距离揭示生命的真相又进了一大步。

其实在科学史上,失败是常态,成功反倒有点像偶然和意外 。爱迪生为了改进电灯泡,测试了几千种材料;居里夫人花了4年时间,从几十吨废渣中,才提炼出了0.1克镭;屠呦呦为了提取青蒿素,试验了191次才获得成功。

远不止这些,几乎每一项让我们受惠的科学技术的出现,都经历了不止一代科学家的努力。 他们在不计其数的错误中,一点点地接近真相。真相未必只有一个,科学是一场接力赛,看不到终点。

▲ 冥想中的覃重军。图/《科学的力量》

在“单条染色体真核细胞”的研究结果发表之后,除了偶尔接待媒体记者,覃重军的生活和工作没有什么改变。

他依然在上下班的这段路上继续进行着冥想,“人家假设把诺(贝尔)奖获得当成一个重大目标,我好像还不把诺(贝尔)奖当回事儿。这种经历和初心,也可以说是很奇葩的吧(笑)。”

03

无用之用

每周五晚上,和 袁亚湘 (中科院数学院研究员,中国科学院院士)一起打桥牌的,都是一群科学家。对他们来说,桥牌不只是一种娱乐,更是脑力的比拼。

事实上,桥牌里的很多技法,都与数学中的“运筹学”是分不开的,而这正是从事优化研究方向的数学家袁亚湘所关注的。

▲ 尽管身兼数职、工作非常繁忙,但袁亚湘每周二下午都会回到数学院来参加讨论会。学生轮流讲,然后课题组交流。袁亚湘说,做学术研究,最重要就是交流和思想碰撞。图/《科学的力量》

“大家可能知道当年推广华罗庚的优选法,实际上我的研究大方向就是这个——运筹学。就有点像双方在下棋嘛,就是你什么布兵打仗,如何落子下棋都是一样的。”

自从18岁进入数学系学习,袁亚湘就再没离开过数学的世界。在他看来,这是一个 无比优雅和美丽的世界: “它那个美,美得我觉得要能达到窒息的程度。数学家最后发明了一些数学定理、数学关系,无论是几何的还是代数的,就让你觉得一拍大腿,哎呀!居然有这个东西,太奇怪了,太美妙了!”

▲ 图/《科学的力量》

“但经常有的人编段子说,搞数学的人,就像杀恐龙似的,恐龙都没有你还在杀恐龙,意思就是你们做的事情没用。实际上有的东西,不能简单地按你做这个事情马上能用(去判断)。 大部分这些基础科学做出的结果,将来迟早有一天都是会用上的。 但是往往做的时候,并不是为了将来要用(才去做的) 。但没有了这些做表面上看来无用的事情,将来真要想用上的话,你会发现就没东西可以(承载)了。”

实际上,我们今天就生活在计算的网络中,它无处不在:从剧院舞台的灯光,到街边花园的喷水池,从手机上的软件,到物流包裹的传递,背后都是一系列 最基本的数学公式和逻辑 。数学推动着复杂的机械或电子,跳着我们看不懂的舞步。

▲ 图/《科学的力量》

在现代学科的分类中,数学不属于自然科学,却是所有自然科学的基础,甚至有人把数学称作“科学之母”。

“数学的地位有点像哲学在文科的地位,它是个基础。别的领域科学家,比如说物理学家,化学家,他们就会告诉你,如果没有数学,他们就没法去研究了”,袁亚湘在《科学的力量》里说道。

但回顾历史你会发现,科学常常会是技术的推手,如果某个领域的科学原理有突破性的发展后,就会逐渐转化到技术上,导致技术的快速发展,当然这个时间可能很长,也可能很短。

比如电磁理论和现代通信技术,万有引力理论和航天技术。自19世纪以来,电磁理论发展后,现在我们生活中所运用的通信和电子产品等,大都是基于电磁理论的成果。

5年前要说人工智能,可能你还会想,人工智能到底是啥?有啥?

▲ AlphaGo vs 柯洁。图/《科学的力量》

现在要跟别人说起人工智能,估计好多人就会立马想到,噢是不是跟柯洁下棋的那个AlphaGo。或是各种已经悄然进入家用领域的扫地机器人和陪伴型机器人。

AlphaGo之所以能战胜人类围棋高手,是采用了深度学习的方法。 这种方法模拟人类大脑的学习机制,把复杂的信息简化后,再分层处理。

▲ AlphaGo的学习机制(示意图)。图/《科学的力量》

我们看见一张美食图片时,大脑中负责视觉的脑区先识别色彩和形状,而负责记忆的脑区则让你联想起曾经的味道。更重要的是,其他脑区还能分辨出这是一张图片,而不是实物。

科学家观测到的人脑,有着超过1000亿个神经元,它们互相连接,组成无数细密的网络。 如同一架精密的超级计算机,我们的大脑具有极其强大的算法和自主学习的能力。

▲ 神经元(示意图)。图/《科学的力量》

“这个(芯片)的本质起源,就是来源于我们对人脑关于信息处理的一些观察,当然我们其实是从人脑里面抽象了很多,才得到现在模型。”

正是从脑科学的研究中得到启发,用数字模拟大脑的神经元和突触,让它们发生广泛的关联。2016年, 杜子东 (中科院计算所副研究员)的团队率先推出了 面向人工智能的专用处理器 。

▲ 人工智能芯片。图/《科学的力量》

这款人工智能芯片,在性能功耗比上,全面超越了传统芯片 。传统芯片数百甚至上千条指令才能做到的事,人工智能芯片只需一条指令,就能完成;在图像、语音等智能处理方面的处理速度 从100秒缩短为1秒 ,而能耗只有传统芯片的 三百分之一 。

现在,这种人工智能芯片,已经在应用在了华为手机上。所以你会发现,手机似乎越来越聪明了,它能辨识出美食、天空或者夜景,然后自动给你提供最合适的光圈和滤镜。

▲ 华为手机拍照场景。图/《科学的力量》

越来越细的专业分工,和天书一样的术语,可能让你对科学家和他们从事的工作望而生畏。但现实恰好相反, 实际上,科学已经深深镌刻在生活的每个细节中,影响着每一个人的生命故事……

04

薛定谔的猫

“有一只猫,在我们的每天生活里面,这只猫只能处于死或者活的状态。但到了微观世界,这只猫可以处于死和活两个状态的相干叠加。”

潘建伟 (中国科学技术大学常务副校长,中国科学院院士)所说的比喻,便是量子力学里著名的“ 薛定谔的猫 ”。而在量子世界中,确实有很多这样 违反常识的原理 。因此,量子力学也被认为是最难懂的科学领域之一。

▲ 量子实验室,右为潘建伟。图/《科学的力量》

在年轻时接触到量子力学后,潘建伟就被深深吸引,他的梦想是在中国建立一个国际一流的量子实验室。

现在,这个实验室里正在研究当今世界最前沿最热门的—— 量子计算机 。 简单来说,它是一种基于量子叠加原理的计算机器。就像拥有“ 分身术 ”一样,量子计算机可以用多个“分身”同时完成任务,因此计算速度相比传统计算机将是巨大的飞跃。

“如果(用万亿次经典计算机)来求解一个大数分解,需要花 15万年 才能把这个问题求解完。但是如果你能够有一个(同样运算速率的)量子手机(计算机),它只需要 1秒钟 。”

▲ 图/《科学的力量》

但也正是这种技术上的巨大挑战,谁也不知道该走哪条路才能尽快达成目标。为此,潘建伟组建了两个团队,通过光和超导两种不同的途径研制量子计算机。

2019年, 朱晓波 (中国科学技术大学教授)带领的团队打破当时的世界纪录,成功制备出了超导量子计算芯片。整个系统位于一个 极低温极低噪声的测控环境 里,而芯片大概只有 指甲盖 大小。

▲ 超导量子计算芯片。图/《科学的力量》

“它的操控的一个能量尺度,就像一只蝴蝶扇动一下翅膀的(能量)的十亿亿分之一,这样的能量尺度。但 它如果有一个千分之一的扰动,就会让这整个量子的信息完全丧失掉 。”朱晓波在《科学的力量》纪录片里,说起了对目前研究状况的担忧。

另一条路似乎走得更快一些。在2017年, 陆朝阳 (中国科学技术大学教授)等人就做出了世界首台光量子计算原型机。

▲ 世界首台光量子原型机。图/《科学的力量》

“这个系统,可能跟大家想象中计算机的样子是完全不一样的,你可能觉得它要么像个台式机,要么是个笔记本,对吧?但这大概整个3平方米的空间,里面都是这个(光量子计算机)系统。”

73年前,第一台通用计算机诞生时,占据了一个160多平方米的大房间。到了今天,常见的个人计算机已经轻轻松松可以放进你的背包里。

那么我们还要等待多久,才能见到通用的量子计算机?没有人能给出确切的答案。

▲ 量子计算原理(示意图)。图/《科学的力量》

由于量子力学的艰涩和反常识,使得潘建伟经常要面对公众的质疑和不解。但他用科学给出了自己的回复:

“我们的宇宙是从某个基点爆炸,炸出了原子、分子、万物,然后经过一百多亿年的进化,才进化出来这个地球,人类的存在。然后 我们还能反过来研究自然界,来畅想这个宇宙,我觉得这就是一件非常值得珍惜的事情 。

这么多原子能够构成我这个潘建伟,构成了你能够一起来讨论科学的力量,本身就是一个非常小非常小的概率事件。 能好好对待我们这个世界,我觉得这可能就是科学所带来的一个终极的力量吧 。”

责编 曹园园

猜你喜欢