全方位发展　多学科融合

——2011年世界科技展望

中国科学技术信息研究所

　　当人类跨入21世纪第二个10年时，会有些什么期待？在未来10年中，又有哪些前沿科学和新兴技术将引领时代潮流？当我们认真研究前沿科学和新兴技术所面临的机遇和挑战后，发现这些领域已进入黄金收获期。

　　21世纪第一个10年，世界科学技术在生命科学、生物技术、纳米技术、信息技术、基础科学和宇宙探索等领域取得了空前进步，提出了一系列改变科学面貌的卓见。在21世纪第二个10年起始之年，预测现代科学技术的未来发展时，不能不提到一个词：融合。它突出地反映了当今科学技术发展的一个总趋势。在未来的10年中，如果没有不同知识领域和技术之间的交叉融合，任何单一的领域或技术都不可能独领风骚。

　　生命科学与生物技术

　　基因组测序速度更快

　　全球科学家花了15年时间和30亿美元才完成了第一个人类基因组的序列测定。2007年，詹姆斯·沃森的全球首个个人基因组图谱耗资200万美元，历时2个月。而2009年的“完全基因组”公司对个人基因组的测序成本不到5000美元。随着成本的下降，科学家能以更快的速度测序人类基因组。国际癌症基因组协会将于今年4月开始，对多种癌症约2.5万个基因组进行测序。2011年人们将看到该项研究的一些初步成果。

　　合成生物学技术优化

　　10年前，听说过“合成生物学”的人寥寥无几。如今，科学家能够“白手起家”合成一个新生物的基因组，而且几乎可以用它来创造一种活体细菌。由于阅读和合成脱氧核糖核酸（DNA）序列的成本已大幅下降，现在可以像计算机程序员编制数字代码那样对DNA进行重组。科学家相信，生命系统也可以像其他系统一样人为地设计。

　　随着人们对生命发育、运作程序的逐步探索，生命运作的每个细节都将被揭示，整合分子工程学和计算机生物学技术，生物学家将获得一种新技术——优化合成生物的技术，对其最直接的应用是，在药物和给药途径的设计上人类将变得越来越有创新性。例如，口服疫苗、工程菌株。这些合成的生物药品能更接近肿瘤组织，选择性地杀死癌细胞。此外，合成生物学在食品和生物燃料等方面也有广泛应用，例如，生产可以抵抗病虫害或制造生物燃料的作物品种。

　　今后，合成生物学将进入多细胞研究层面。在2011年将有更多探索多细胞集合行为的研究出现，并基于此使细菌获得更多有用的功能，如用于生成治疗药物。

　　干细胞研究孕育新突破

　　2010年细胞重编程研究领域捷报频传，新的重编程技术促使诱导多能干细胞（iPS细胞）转化效率不断提高，同时还实现了多种类型细胞之间的转化。2011年，患者来源的iPS细胞将逐渐成为相关疾病研究中的新细胞模型——尤其对于那些目前尚无好的动物模型，以及对其细胞内部了解甚少的疾病，例如精神病。此外，iPS细胞还将被广泛应用到潜在药物筛选领域，并用于研究和推动个体化药物治疗。

　　另一方面，iPS细胞技术已更新了好几代，从病毒载体携带的转录因子到蛋白诱导，再到小分子化学物质诱导，技术的更新极大地改善了iPS细胞技术，降低了致癌风险。2011年的iPS细胞技术将变得更安全、更高效。

　　大脑记忆物理组织被发现　

　　已发现的证据表明，记忆通过大脑中神经元的联系而形成。近年来，科学家发现，在这些神经元分支里存在一种被称为PKMzeta的分子，正是这种分子使记忆保存下来，若是阻断了PKMzeta分子，记忆就会消失。这一发现开辟了神经科学领域内一个令人兴奋的前景。PKMzeta分子在大脑里应该是以一种独特的分布方式来形成新的记忆，科学家们可将与动物记忆学习内容有关的所有神经元及其分支绘制出来，这样，人们将第一次看到某个特定的记忆。

　　信息技术

　　云计算让媒体服务更便捷

　　云计算把计算资源和应用升级为可计费的服务。

　　随着所有媒体都转向云计算服务，越来越多的公众希望能够随时随地在任何一台设备上观看视频或收听音乐。这些设备既可为电视机，也可以是苹果iPad平板电脑、Android系统平板电脑甚至智能手机。如果谷歌、苹果能同各大唱片公司达成合作协议，无疑将引发网络音乐服务的新一轮变革。换言之，通过云计算服务，用户不再需要下载电影或音乐，而只需登录自己的服务账号，就能在任何一台设备上观看电视或收听音乐。

　　IPv6地址转换迫在眉睫

　　在IPv4地址仅剩的少许地址用完之后，现在的互联网很快将没有空间了。下一代互联网IPv6将会提供340万万万亿个可能的IP地址，而目前的IPv4只能提供微不足道的43亿个地址。预计很多大型科技公司将在2011年转换到IPv6，因此今年将会有很多关于IPv6的新闻。

　　传感器将无处不在

　　随着物联网的逐步普及，传感器将无处不在。国际商用机器公司预测，在未来5年内，传感器可能会出现在手机中，出现在汽车里。人自身将逐渐变成一个“行走着的传感器”，为人类最终战胜气候变暖，保护濒危物种或追踪入侵物种提供有价值的数据。

　　人网互动增强

　　过去的10年，通过互联网获取的信息出现了爆炸性增长。数据存储、传输和处理方面的进步已经把互联网从“网虫”的天堂转化为21世纪社会的支柱。在未来10年中，利用互联网获取信息将转变为如何利用这些信息。人们在类似沃尔夫勒姆公司推出的搜索引擎Wolfram Alpha上已见到端倪，它们会“计算”问题的答案，根据关键字直接返回答案。

　  能源技术  能量采集“无功耗”

　　能量采集技术是指对以前弃之不用的微小能量进行收集和有效利用的技术。高效率、低功耗集成电路的涌现，使能量采集进入实用阶段。能量采集的最大优点是其高度的便利性，采用该技术的设备将无需连接线，无需更换电池和维护。换言之，不是“低功耗”，而是可以实现“无功耗”。

　　伴随物联网兴起，传感器将无处不在，“无功耗”的能量采集技术将备受青睐。英国IDTechEx公司预测，“能量采集相关设备市场将从2010年的6.05亿美元扩大到2020年的44亿美元”，“市场规模将以73.6％的年率增长，从2009年的795万美元猛增到2014年的12.54亿美元”。

　　智能电网逐渐普及

　　智能电网通过相互关联的“智能”网络，把电力的生产者与用户联系在一起。智能电网允许小规模风力发电场和家庭太阳能电池板等分布式能源来扩充甚至取代集中式电站，同时，通过线路把过剩的电力转移到急需的地方。它允许个人既是消费者，也可以成为供应者，即需要时从网上获取电力，还可以把自己家庭发出的多余电力送到网上，极大提高发电和供电的速度、效率和灵活性。在未来10年中，常规电网将会受到能源需求增加和温室气体排放限制的双重冲击，人们希望看到智能电网逐渐普及。

　　太阳能动力成本下降

　　在未来若干年，会有多项太阳能技术得到发展。首先是可印刷太阳能电池的问世，它可能会导致太阳能发电的成本直线下降。该技术在概念上相当简单：使用比较传统的印刷工艺和特种油墨，把太阳能电池印刷到廉价、易于弯曲的基板上，其成本也许只有传统硅基电池的一个零头，这为太阳能的广泛利用打开了一扇大门。第二个可以预见的技术是太阳能辅助反应堆。它通过把集中的太阳辐射与某种催化剂组合起来，切实可行地让阳光转化成其他形式的高效能源。例如，添加适当的催化剂，利用阳光把水分解成氢和氧，然后在两者重组过程中回收所需要的能量，并使能量的损失微乎其微。

　　空间技术  火星探测迎来新高潮

　　经过两年沉寂后，人类火星探测活动将在2011年迎来新高潮。

　　最早进行火星探测的俄罗斯，2011年计划发射“福布斯—土壤”火星探测器，主要用于从火卫一上采集土壤样本并带回地球。对样本研究能获得太阳系星体形成初期的信息，以及行星起源和演变的信息。该探测计划是国际合作项目，中、德、法、荷、意等国参与了有效载荷的研制。我国“萤火一号”火星探测器将搭载在“福布斯—土壤”上，在进入火星轨道时被释放，其科研目标是：探测火星的空间磁场、电离层和粒子分布及其变化规律；探测火星大气离子的逃逸率；探测火星地形、地貌和沙尘暴；探测火星赤道区重力场。

　　2011年，美国计划发射大型火星车“火星科学实验室”，以寻找生命的基本单元、研究火星表面的化学、矿物和同位素成分，研究火星大气层演变历史和表面的辐射环境。

　　海洋技术  全面了解海洋生物多样性

　　由全球2700名科学家组成的海洋生物普查国际网络对海洋生物拉网式的普查已于2010年结束，新发现约6000种物种。2011年科学家将就有关数据资料，估计海洋中有多少海洋生物和其他有机生物体，分析海洋生物分布不均的原因。科学家们不仅要去发现更多物种，而且要思考在海洋里还可能有多少未知物种。

　　目前，人们已逐步建立起一个重要的观念：多样性的海洋生物是非常脆弱的。人类已知的许多大型海洋物种，如鲸鱼、鲨鱼和大金枪鱼等在很大程度上都会受到人类活动的影响。同时，除少部分物种外，海洋里许多生物的分布范围都很小。从陆生物种的例子来看，分布范围较小的物种更容易灭绝。

　　印度洋MJO是研究焦点

　　在广阔海洋世界里，印度洋一直是一个神秘的地方。印度洋大洋环流及其温度变化可以引起大气层的重大变化，对整个地球产生影响。这种被称为“马登—朱利安振荡（MJO）”的波动力量极其强大，其风力甚至可以引起地球自转加快或放慢。2011年，科学家们将对MJO的运动机制进行研究，以预测其长远影响。