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第十三章 科学前沿问题
第一节 生命过程的定量研究和系统整合
生命的奥妙也吸引着数学、物理学、化学等学科向生命科学不断渗透。生命科学研究已经成为21世纪全球关注的活跃领域之一，与我国经济发展和社会进步密切相关。
基因语言及调控，这需要研究 遗传信息及其衍生的细胞分化和神经活动三方面的信息基础，包括信息的：本质，载体，传递，修饰和调控 等科学问题。
一般认为，功能基因组研究的核心问题有：基因组的多样性，基因组的表达及其时空调节，模式生物基因组研究 等。
已知人类基因组DNA序列中最常见的变异形式是 SPN。
在人类基础组的研究中，模式生物体的研究占有极其重要的地位，模式生物体的基础结构相对简单，但是它们的核心细胞过程和生化通路在很大程度上是保守的。
识别基因功能最有效的方法可能是观察基因表达被阻断后在细胞和整体所产生的表型变化。在这方面，基因剔除模式成为特别有用的工具。
在微生物功能基因研究方面：首次识别了维持钩端螺旋体的生命活动的4700多个基因。鉴定到与致病相关的基因有50个。
国际生物医学主要杂志60%以上的研究成功来源于模式生物研究。
表观遗传学，自从基因一词在20世纪初进入科学家的词汇表以来，它不仅是生物学家最为常用的词汇之一，也成为当今普通大众最为熟悉的科学术语之一。
从遗传学的角度来看，同卵双生的孪生子具有完全相同的基因组。
这类变异被称为“表观遗传修饰”，并被认为是导致遗传物质一致的孪生子出现个体差异的主要原因。“表观遗传修饰”也是细胞癌变的一个重要的原因。
“表观遗传修饰”除了DNA甲基化这种主要的方式外，还有一种常见的方式是修饰染色质结构。细胞内的DNA并非裸露，而是与组蛋白一起包装成致密结构的染色质。
“表观遗传学，又被称为实验遗传学，化学遗传学，特异性遗传学，后遗传学，表遗传学和基因外调节系统，她是什么科学中一个普遍而又十分重要的新的研究领域。
这种在基因组的水平上研究表观遗传修饰的领域被称为“表观基因组学”。1999年欧洲的生物学家成立了一个“人类表观基因组联合研究体”(HEC),开始了表观基因组的研究。
核糖核酸除了在基因组表达中作为信使，还有很多其他的功能。
仅占人类基因组1.1%的编码区的相关研究已经缔造了数十名诺贝尔奖获得者。
在高等生物和人基因组中非编码序列已占到基因组序列的绝大部分。
在特定的条件下，特定基因表达的启动或停止，增强或抑制，是细胞完成基本生命活动以及对外界刺激作出应答的分子基础。
阐明基因选择表达所依赖的调控信息及其相互作用的分子机制，是揭示生命现象本质的核心问题，是结构基因组之后功能基因组研究的重要内容。
阐明真核基因组表达的调控网络，已经成为功能基因组学领域内国际竞争的焦点。
真核基因的表达受细胞核内、外多层次的调节，呈多级调控：包括遗传调控和表观遗传调控。
生物信息学，为生物学、物理、数学、计算机等专业的高素质人才 提供了更广阔的发展天地。生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索、和分析的科学。
生物信息技术在发展促使药物的研制和开发进程大大缩短，可使药物开发的成本下降33%，并使进程足足加快2年，同时也使得整个世界的生物信息市场飞速拓展——预计到2006年，整个市场的价值可望达到17亿美元。
从不同的来源和数据库中获取、追踪、解释及分配有关的数据。
极端环境中生、繁殖，这类生物被称为极端环境生物。
1997年被科学家冠以一个奇特的名称——古细菌（现更名为古生菌或古菌）。古菌不仅已成为理论生物学家争论的一个焦点，还因其具有实际应用价值而引起生物学家，化学家的重视，而且又因其生活环境奇特而引起生命起源学者和研究地外生命的天文学家的极大兴趣。
第二节 凝聚态物质与新效应
一、 凝聚态前沿问题 主要包括以下几个方面 （1)计算与理论凝聚态物理①非周期结构包括准周期结构、无序体系的元激发一局域化问题及异常物理性质②有机分子材料和生物大分子材料的电子结构及振动谱③磁性材料一的电子结构④声学晶体。 (2)材料物理①金属材料的结构、缺陷、相变与性能②准晶的结构、缺陷、相变与性能③功能材料包括形状记忆材料、智能材料和生物医学材料等④薄膜与多层膜、颗粒磁性膜⑤界面精细结构与界面物理⑥铁电聚合物。 (3)纳米结构与物理①纳米材料的制备②纳米结构的表征③纳米结构中的若干物理问题。 (4)软物质物理①软物质的结构与性质②聚合物物理③固一液转变与其他相变④液体表面与固一液界面⑤生命科一学中有关的物理问题。 （5）强关联电子系统①庞磁阻②电荷密度波③高温超导。 (6)衍射物理①会聚束电子衍射②定量透射电子显微学③材料精细结构与缺陷准周期结构衍射物理
二、 接近绝对零度-273. 16℃，在这样的极低温下所有的原子似乎都变成了同一个原子。这就是物质第五态—玻色一爱因斯坦凝聚态以下简称“玻爱凝聚态”。
然而实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾，一方面需要达到极低的温度另一方面还需要原子体系处于气态。
由于激光冷却技术的发展人们可以制造出与绝对零度仅仅相差于亿分之一度的低温。
终于在玻色一爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铆原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后这个领域经历着爆发性的发展目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。
玻爱凝聚态有很多奇特的性质这些原子组成的集体步调非常一致因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚。
哈佛大学的两个研究小组用玻色一爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零将光储存了起来。
超导现象和超流现象 都是低温物理中的一种现象。
第三节物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律
宏观、宇观 ，通常把质量范围在1015克尺度范围在10厘米以上的物质客体及其现象的总和称为宏观世界一般容易观察的物质层次。无机界包括地球上所有的物体、包围在地球表面的空气层有对流层、平流层、电离层和扩散层还有太阳系内的恒星、行星、卫星、彗星等。有机界包括人在内的动物、植物种群、生物群落、生态系统、生物圈还有人类社会等
宏观世界包括星系、星系团、总星系，距地球100亿光年的宇宙太空。20世纪60年代以来人类对宇宙观测研究获得的一系列重要发现如脉冲星、类星体、微波背景辐射、星际分子等都属宇观世界。宇观概念就是在总结现代天文学发展基础上提出的新概念由我国著名天文学家戴文赛于1962年首次提出，他在《宇观的物质过程》一书中指出“大质量加大尺度既是宇观过程的特征又是它的条件”。
天体物理、高能物理和核物理都是典型的大利一学，需要世界范围的大合作。
在宇宙构成中暗能量占了75%暗物质占23%常规物质和能量只占2%。70年代天文物理学家为解释星系的运动提出一类看不见的粒子存在于星系周围这类粒子随后被称为“暗物质”
科学家们估计宇宙中暗物质有常规物质的10倍之多。
1998年以来为解释宇宙加速膨胀运动一些科学家又提出“暗能量”概念认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀
20世纪有两种“宇宙模型”比较有影响。一是稳态理论一是大爆炸理论。20年代后期爱德温·哈勃Edwin Hubble发现了红移现象说明宇宙正在膨胀。60年代中期阿尔诺·彭齐亚斯( Arno Penzias和罗伯特·威尔逊Robert Wilson)发现了“宇宙微波背景辐射”。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持。
至少是在120一150亿年以前宇宙及空间本身由这个点爆炸形成
基本粒子天体演化和生命起源是当代自然科学的三大课题。
由天体演化形成的黑洞称为常规黑洞。 1972年美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞“无毛定理”。
可将黑洞分为四类：1，不旋转不带电黑洞，称施瓦黑洞。2.不旋转带电黑洞，称R-N黑洞。3.旋转不带电黑洞，撑克尔黑洞。4.一般黑洞，称克尔---纽曼黑洞。
一般来说黑洞平均密度是非常大的但黑洞质量越大密度越小。太阳质量的黑洞密度为100亿吨立方厘米
我国科学家经过长期观察研究发现长江中上游和黄河流域在太阳活动峰年前后常常发生洪涝和大水而在太阳活动的谷年附近则常常发生干旱.
太阳活动与自然灾害之间的关系还只是统计相关关系而不是因果关系.
纯粹数学主要包括代数与数论,几何与拓扑,分析学三大部分,核心数学指纯粹数学的核心。
在20世纪的上半叶爱因斯坦的相对论和量子力学诞生与之相应的黎曼几何、李群、和泛函分析当然属于那时的“核心数学”范围
地球环境亦称人类的生存环境是由大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈组成的地球系统.
‘气候系统”是由人气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈组成的.
人类与表层系统其他自然组成相互作用影响大气、海洋、陆表和水以及生态系统促使环境和生物圈变化最终影响人类自己。
地球系统科学以过程研究为重点研究其间的相互作用其基本思路是对全球变化进行描述、理解、模拟和预测研究途径包括4个步骤观测数据的采集、观测资料的分析和解释、概念和数值模式建立、模式验证并用于预测预报。
上天、入地、下海洋是人类的三大梦想。
大陆科学钻探是获得地球大陆内部信息的唯一直接途径.
“中国大陆科学钻探工程”是亚洲的第一个科学钻孔。
2004年底大陆科学钻探工程已经实现钻进5000米目标截止到2005年1月13日,中国大陆科学钻探工程科钻一井的钻井深度达到5 102. 18米。
成藏理论其中包括油气成藏主控因素、油气成藏机理和油气藏富集规律等基本内容,油气藏形成与盆地构造、沉积建造和温压场等主控因素之间的相互关系,阐明油气藏在实际的盆地、坳陷、区带三个层次上的分布规律。“六五”至“九五”期间,我国科技界联合参与国家科技攻关,在煤成烃综合判识标志、煤成气成藏机制、煤成气大中型气田主控因素等多个方面获得突破.
新的特定结构功能分子 可分为一下几类：光敏分子、电学功能分子、催化功能分子、选择分离功能分子、医用分子、其他功能分子
光 敏分子。经光照吸收光能后在结构上发生化学变化或物理变化的分子又称光敏树脂。它广泛用于印刷版、光刻胶光敏油墨、光敏油漆等方面。
脑的研究正进人关键时期，孕育着一场新的革命。近年美、欧、日正在实施大规模的脑科一学研究计划继1989年美国发起“脑的十年”计划之后欧洲也制定了类似的计划。日本也正在制订“脑科学时代”计划从“认识脑”、“保护脑”和“创造脑”三方面大力推进脑的研究。
我国脑科学研究应把了解脑、保护脑和开发脑作为今后主要的研究内容从而认识脑的原理和智能的起源防治脑的疾病开发智能和研制新型计算机
脑研究对认识和防治人类神经和精神疾患至关重要。脑疾病机制中一些重要及需要研究的问题如神经管畸形形成的机制以及遗传或环境及受体作用机制中枢神经系统发育调控基因的调控机制一些儿童疾病如不明原因的孤独症、注意分散多动症智力低下等的发病机理中枢神经系统易损性的基础脑功能疾病动物模型的建立及脑疾病的基因治疗等。
语言功能是人脑特有的信息处理功能是人区别于其他动物的重要标志。
第十四章面向国家重大战略需求的基础研究
蛋白质组研究也是开发新型药物促进生物医药产业腾飞的重要途径。
免疫、神经和内分泌系统是动物和人体内三大调节系统
这种功能上的相互联系是通过三大系统共同存在的细胞因介、神经递质和内分泌激素及受体实现的。免疫系统的细胞（淋巴细胞、巨噬细胞等）
我国目前部分传染病发病率仍居高不下如病毒性肝炎、流行性出血热、细菌性痢疾等
现已发展到细胞、亚细胞和分子水平
口服硫酸镁M g2和SO42-不易被肠壁吸收，在肠内造成高渗，阻止水分自肠道吸收而起导泻作用。 口服活性炭，具有吸附胃肠内有害物质的作用，用于食物中毒。
蛋白质是最重要的类药物受体。
开展环境与人类健康的基础研究是环境科一学与医学共同面对的课题在环境问题中化学物质污染占70%左右
人类生存与发展归根结底依赖于自然界各种各样的生物。
生物多样性的生态功能价值也是巨大的它在自然界中维系能量的流动、净化环境、改良土壤、涵养水源及调节小气候等多方面发挥着重要的作用。
根据《中国国家生物安全框架》的有关内容中国的生物安全政策主要由以下几个部分组成①生物安全管理的总体目标②生物安全管理的总体原则③转基因活生物体及其产品的国内市场开发政策
大气的99%由78%的氮气和21%的氧气组成。它们对气候调节基本没有直接的作用。在剩下的1 %的大气中有一小部分的气体包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、水蒸气、卤烃等被称为温室气体。
如果没有温室气体地球会比现在低30度。但是人类的活动产生了过多的温室气体导致全球气候变暖。
气候变化及其对我国的影响从中外专家的一些研究结果来看总体上我国的变暖趋势冬季将强于夏季在北方和西部的温暖地区以及沿海地区降雨量将会增加长江、黄河等流域的洪水暴发频率会更高东南沿海地区台风和暴雨也将更为频繁春季和初夏许多地区干旱加剧干热风频繁土壤蒸发量上升。
需要研究回答的问题包括全球变化对区域水循环规律过去对气圈一水圈一生物圈的相互联系及作用是如何认识现在又是如何认识水资源的演变其规律是什么？
98洪水后国家提出治理长江32字方针“封山育林、退耕还林、移民建镇、以工代贩、退田还湖、平烷行洪、加固干堤、疏浚河道”
青藏高原的多年冻土大多属高温冻土、极易受工程的影响产生融化下沉。因为青藏高原是全球气候变化的“启动器”和“放大器”其升温早于和高于全球平均值。
气溶胶是液体或固体微粒悬浮于气体分散介质中形成的一种溶胶
大气中的气溶胶会对人类健康产生威胁造成呼吸道和肺部疾病如哮喘等
系统科学这一“科学技术部门”可分为三个层次基础理论层次包括系统学“技术科学”层次包括“工程控制论”与运筹学工程应用层次包括各种系统工程。
现有的多尺度方法大致可分为三类①描述型②关联型 ③分析型
化学和化学工程的中心问题是结构、性能和制备的关系性能和制备都是宏观的。化学的结构是微观的化学工程的结构则是多层次多尺度的。
微化工系统通常包括了微热系统、微反应系统、微分析系统。
煤炭是我国目前主要的能源资源在我国的一次能源构成中煤约占75%。
从长远来看发展核电是改善中国能源结构、逐步减少环境污染不可或缺的途径。
国家安全问题涉及很多方面例如资源安全、环境安全、领空、领海和领土安全等
纳米科技是80年代末逐步发展起来的前沿交叉学科领域。主要集中在尺寸从0.1-l00nm之间的物质的组成、性质和特殊功能。
纳米科技在信息、材料、能源、环境、化学、生物、医学、微电子、微制造和国防等方面具有广泛的应用前景已成为全世界关注的重要科技前沿显示出巨大的潜在应用前景。
随着纳米科技的快速发展各国对纳米安全性问题的重视不断加强目前面临的难题是①纳米物质对人体的危害有多大可以通过何种途径进人人体②纳米颗粒污染在大气污染中占多大比重是如何产生的以何种形式存在③如何检测如何治理等
纳米材料的生物活性和安全性提出了主要探讨的四个基本问题①团聚②跨膜③越过血脑屏障④生物的相容性
新一代工业生物技术 主要内容包括功能菌株大规模筛选技术生物催化剂定向改造技术规模化工业生产的生物催化技术系统清洁转化介质创制技术及工业化成套转化技术
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