許 涵 (本刊特約記者)

中國速度舉世矚目

許 涵 (本刊特約記者)

近年來,中國科技的迅速發(fā)展不僅大大縮小了與歐美傳統(tǒng)科技強(qiáng)國的差距,同時進(jìn)入了與國際科技全面接軌的時期。中國科學(xué)家在許多學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域不甘于人后,率先突破,取得了舉世矚目的研究成果。當(dāng)代科學(xué)的綜合發(fā)展趨勢,為中國人聰明才智的發(fā)揮和中國科技的新突破,帶來了千載難逢的新機(jī)遇!

“天河一號”

2010年11月17日,國際超級計算機(jī)TOP500組織正式發(fā)布了第36屆世界超級計算機(jī)500強(qiáng)排行榜,“天河一號”以絕對的優(yōu)勢排名世界第一,成為世界上運(yùn)算速度最快的超級計算機(jī)。

“天河一號”位于天津濱海新區(qū)的國家超級計算天津中心,看上去像140個黑色冰箱的機(jī)柜,在700 m2的機(jī)房內(nèi)整整齊齊排成13排。幾萬顆高性能處理器就像一顆顆心臟高效、有序地跳動著?！疤旌右惶枴钡谋举|(zhì)是一臺超級計算機(jī),既可以支持能力型計算,又可以支持容量型計算,是由中國國防科技大學(xué)與天津濱海新區(qū)共同研發(fā)?！疤旌右惶枴蓖黄屏?項關(guān)鍵技術(shù),采用了全新的技術(shù)路線,不僅運(yùn)算速度有了大幅提升,而且部分采用了國防科技大學(xué)自主研發(fā)的“飛騰—1000”中央處理器,實現(xiàn)了關(guān)鍵部件國產(chǎn)化。

“天河一號”實現(xiàn)了我國自主研制超級計算機(jī)從百萬億次到千萬億次的跨越,在全球前10臺最快的超級計算機(jī)中,“天河一號”是唯一非美國制造的。為此,科研人員在高性能計算領(lǐng)域整整奮斗了32年。1983年11月,中國首臺名為“銀河”的億次巨型計算機(jī)在國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制成功,中國從此成為繼美、日之后,能獨(dú)立設(shè)計和制造巨型計算機(jī)的國家。此后,“銀河—Ⅱ”、“銀河—Ⅲ”等一系列巨型機(jī)的相繼研制成功,一步步將中國高性能計算機(jī)研制技術(shù)推向了國際前沿。

“天河一號”的峰值性能達(dá)到每秒4700萬億次、持續(xù)性能每秒2566萬億次,比排名第二的美國“美洲虎”超級計算機(jī)每秒鐘快了將近1000萬億次。也就是說,天河一號”運(yùn)算1小時,相當(dāng)于全國13億人同時計算340年以上;“天河一號”運(yùn)算1天,相當(dāng)于1臺雙核的高檔桌面電腦運(yùn)算620年以上。此外,“天河一號”的存儲容量也大得驚人,能夠容納1千萬億個漢字,相當(dāng)于一個存儲10億冊100萬字書籍的巨大圖書館。

那么,超級計算機(jī)與我們的日常生活又有什么聯(lián)系呢?人們習(xí)以為常的種種生活方式,都有超級計算機(jī)的參與。在網(wǎng)絡(luò)日益普及的今天,面對數(shù)千萬、數(shù)億用戶的訪問請求,服務(wù)器必須有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐和處理能力,而這正是超級計算機(jī)發(fā)揮作用的舞臺。以天氣預(yù)報為例,要預(yù)報未來7到10天的天氣是一個計算量非常非常大的程序問題,如果計算機(jī)能力不夠強(qiáng),計算過程至少需要7天,這樣的預(yù)報就沒有任何時效性。由“天河一號”計算機(jī)來計算,則只需1個小時。在醫(yī)藥研制方面,超級計算機(jī)更具有不可替代的作用。傳統(tǒng)上講,研制一種新藥,從化合物篩選到臨床試驗,一般需要10到15年的時間。如果有超級計算機(jī)運(yùn)用,科學(xué)家可以在較短的時間內(nèi)從幾十萬甚至幾百萬種化合物中篩選出有效的藥物化合物,不僅節(jié)省了資金,而且大大縮短了藥物研發(fā)的周期。在交通領(lǐng)域,“天河一號”可用于改進(jìn)交通工具的空氣流體動力學(xué)、燃料消耗、結(jié)構(gòu)設(shè)計、防撞性、乘坐者舒適度和減少噪音等。此外,“天河一號”還可用于石油勘探、高端裝備制造、動漫設(shè)計、新能源、新材料、工程設(shè)計與仿真分析、氣象預(yù)報、遙感數(shù)據(jù)處理、金融風(fēng)險分析等方面。

“超級計算機(jī)”被譽(yù)為計算機(jī)中的珠穆朗瑪峰,代表了一個國家計算機(jī)設(shè)計、制造和應(yīng)用的最高水平?！疤旌右惶枴钡倪\(yùn)算速度達(dá)到世界領(lǐng)先水平,其意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計算機(jī)本身,這意味著超級計算機(jī)被美日壟斷的局面已被打破,這是中國科技迅猛發(fā)展的重要標(biāo)志。

月球含有豐富的元素

月球是宇宙中距地球最近的天體,然而區(qū)區(qū)38萬km的咫尺之遙造就了無數(shù)的奧秘和好奇。雖然月球探索的結(jié)果往往都是提出的問題比給出的答案多,但人類從未因此而駐足。2010年10月22日的Science發(fā)表了關(guān)于月球土壤的研究成果。該成果顯示,月球土壤中不僅包含水,還包含很多化合物和元素,例如水銀、鈣、鎂、一氧化碳和二氧化碳、氨、鈉,以及少量銀的跡象。

2009年10月,美國國家航空航天局(NASA)埃姆斯中心發(fā)射了半人馬座火箭撞擊接近月球南極處的凱布斯隕石坑,隨后由月球坑洞觀測與傳感衛(wèi)星(LCROSS)拍下照片,并對撞擊掀起的塵埃成分進(jìn)行分析,尋找水冰的跡象或其他成分。研究人員對由火箭撞擊而掀起的塵埃云團(tuán)進(jìn)行了分析,并在其中一篇論文中指出,月球的風(fēng)化土被不僅含有水分,還有羥基、一氧化碳、二氧化碳、氨、鈉原子等其他物質(zhì),最讓人吃驚的是竟然還有銀。這些揮發(fā)性物質(zhì)輕微地附著在風(fēng)化土層的顆粒上。研究人員認(rèn)為,在彗星、小行星和流星體數(shù)十億年不斷撞擊月球的過程中,各種元素、混合物分類聚集成許多揮發(fā)性物質(zhì),這些物質(zhì)沉積在整個月球的土被中,在撞擊或陽光加熱后會獲得能量釋放出來,或在整個月球表面運(yùn)動,直至到達(dá)極地“陷”入冰冷的坑洞陰影之下。在凱布斯坑土壤中發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性物質(zhì),這暗示了一場元素一邊積累、一邊損失到月球稀薄大氣中的拉力賽,而且積累的力量占了上風(fēng)。根據(jù)NASA阿波羅任務(wù)宇航員送來的資料,科學(xué)家還在月球的近面(朝向地球的一面)發(fā)現(xiàn)了微量的銀和金。凱布斯坑發(fā)現(xiàn)銀,這表示整個月球表面的銀元素遷移到了極地,但銀僅以小粒子的形式存在,無法被人類開采。

探測之所以會選擇撞擊凱布斯隕石坑,是因為它一直處于陰影處,溫度低達(dá)-238℃,這一區(qū)域也從來沒有被研究過。火箭撞擊在隕石坑內(nèi)產(chǎn)生了一個直徑約21 m到30 m,深約1.8 m的洞,激起的月球塵埃形成羽毛狀云柱,在凱布斯地面之上達(dá)800 m高。這樣的高度可被陽光照射,因此塵埃柱的屬性可用一種分光儀在4 min內(nèi)檢測出來。激起的塵埃數(shù)量接近2 t,含水大約5.6%,大約10億加侖,這些水足以填滿1500個奧運(yùn)會用的標(biāo)準(zhǔn)泳池。長久以來,在月球上找水一直是人類的夢想,這一發(fā)現(xiàn)顯示月球上的水遠(yuǎn)比想象的多。水的存在并不能使月球上曾有過生命的可能性增加,因為實驗的地點是太陽系中最冷的地方。但是卻增加了在月球上建立有人駐守基地的可能性。

美宇航局發(fā)現(xiàn)年輕黑洞

美國宇航局(NASA)于北京時間2010年11月16日宣稱,科學(xué)家通過錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡在距地球5000萬光年處發(fā)現(xiàn)一個誕生僅31年的黑洞,這是人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的最年輕的黑洞。它的發(fā)現(xiàn)讓人們看到了黑洞誕生以及早期演化的整個過程,為研究早期黑洞提供了絕佳的資料。這個黑洞距離地球非常近,因此從1979年恒星開始爆發(fā)到現(xiàn)在的4年時間均有詳盡的觀測資料,這對于驗證恒星演化和黑洞形成理論,并進(jìn)而推斷星系、宇宙中黑洞的分布以及有關(guān)的天體物理研究無疑將有重要幫助。

這個黑洞是距離地球約5000萬光年的 M 100星系中的超新星SN 1979C的余燼。超新星SN 1979C是1979年由一位業(yè)余天文學(xué)家首次觀測發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家認(rèn)為SN 1979C是由一顆質(zhì)量為太陽20多倍的恒星坍塌后形成的。根據(jù)錢德拉 X射線望遠(yuǎn)鏡、美國雨燕衛(wèi)星、歐洲宇航局牛頓 X射線天文望遠(yuǎn)鏡(XMM-Newton)以及德國倫琴衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)顯示一個明亮的X射線源,這個 X射線源在1995年到2007年這段觀測期內(nèi)一直非常穩(wěn)定,這表明這個天體是一個黑洞,它正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質(zhì)。這是唯一一個人類全程見證它形成的黑洞,也是目前為止超新星爆炸能夠形成黑洞的唯一的直接證據(jù)。

2005年的一項理論研究報告顯示,超新星SN 1979C的明亮光線的能量來源于一個黑洞的噴射流,該黑洞噴射流不能穿透恒星的氫氣包裹層形成伽馬射線暴。通過對這種情況的觀測,以及對X射線光譜和能量的分析,科學(xué)家認(rèn)為實際上SN 1979C在爆發(fā)時已有一個黑洞,其正不斷吸收這顆超新星以及伴星落下的物質(zhì)?？茖W(xué)家推斷這個年輕黑洞的成長是超新星SN 1979C或者一個雙星系統(tǒng)提供“營養(yǎng)成分”。它的發(fā)現(xiàn)不僅可以讓科學(xué)家們了解大質(zhì)量的恒星在生命晚期是如何爆發(fā)并且形成黑洞或中子星的,還有助于研究銀河系中黑洞的數(shù)量。

美國“人造小太陽”首次點火

位于美國加州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學(xué)家宣布,被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)于 2010年 11月2日進(jìn)行了綜合點火實驗——192束激光射向一個包含了氘氣和氚氣的玻璃管,最終釋放出的能量高達(dá)130萬兆焦耳,其中心最高輻射溫度達(dá)316萬℃,相當(dāng)于恒星或大行星核心的溫度,太陽中心的溫度為1500萬℃。盡管由于其自維持聚變反應(yīng)堆沒有點燃,NIF這一實驗還不算真正意義上的點火實驗,但科學(xué)家對NIF的未來充滿信心。

NIF是全球最大的激光核聚變裝置,也將是首個產(chǎn)能大于耗能的激光核聚變裝置。該項目從1997年開始建造,2009年5月29日竣工,整個計劃耗資22億英鎊。研究人員不惜代價不僅為了研究如何“駕馭太陽的能量”,這個計劃還承載著人類的清潔能源之夢。

NIF會將192條激光束集中于一個花生米大小裝有重氫(氘和氚)燃料的目標(biāo)上,把燃料加熱到1億℃,并施加足夠的壓力使重氫核發(fā)生聚變反應(yīng),釋放的能量將是輸入能量的15倍還多,將可以模擬出同恒星內(nèi)部或核爆炸一樣強(qiáng)烈的溫度與壓力。核聚變實驗是模擬太陽內(nèi)部的核反應(yīng),與核裂變不同,核聚變反應(yīng)的副產(chǎn)品只有氦氣和中子,而沒有放射性物質(zhì)。另外,其燃料來源也非常豐富,氘可以從海水中提取,氚可以從土壤中常見的金屬鋰中提取。

20世紀(jì)70年代,科學(xué)家開始利用強(qiáng)大的激光束進(jìn)行試驗,壓縮和加熱氫的同位素,使其達(dá)到熔點,這一技術(shù)被稱作慣性約束核聚變。激光發(fā)射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續(xù)產(chǎn)生,包含氘和氚氣體的目標(biāo)物受到外部的刺激后,將發(fā)生爆炸形成沖擊波,進(jìn)一步加快目標(biāo)物核心的燃燒,這種燃燒的持續(xù)性也更長。一旦這種核聚變成現(xiàn)實,國家點火裝置內(nèi)靶室的溫度會超過5000萬℃,內(nèi)部壓力將超過地球大氣壓的1千億倍。

“人造太陽”技術(shù)可行性高、應(yīng)用前景廣闊,實際上,除了美國的“人造太陽”計劃,中國、俄羅斯等世界大國目前都在研究類似“人造太陽”的核聚變技術(shù)。NIF的官員估計,使用核聚變反應(yīng)堆的發(fā)電站將在2020年開始運(yùn)行,到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。

超級細(xì)菌

2010年10月20日,日本新潟大學(xué)發(fā)布公報稱,該校的研究人員在世界上首次拍攝到攜帶“新德里金屬蛋白酶-1”(NDM-1)基因的“超級細(xì)菌”照片。研究人員表示,這種“超級細(xì)菌”長約2μm,與普通大腸桿菌相比,鞭毛更多,移動更快,更加靈活。此外,“超級細(xì)菌”表面被一層膜覆蓋,能抵御白血球的攻擊,生存力極強(qiáng),并更具感染力。這種細(xì)菌的另一個顯著特征是能夠改變形狀。

之后,加拿大和丹麥的一組研究人員揭開了細(xì)菌免疫系統(tǒng)的秘密,這一發(fā)現(xiàn)有可能解決某些細(xì)菌對抗生素產(chǎn)生抗藥性的難題。該研究發(fā)表于2010年11月4日出版的 Nature上。

研究人員發(fā)現(xiàn),選擇特定的外源DNA片段并將其嵌入到細(xì)菌基因組的特定區(qū)域,這些片段便可作為一種免疫因子,抵抗DNA裂解入侵,這種技術(shù)被稱為CRISPR/Cas技術(shù)。研究人員利用質(zhì)粒證明了這一機(jī)制。實驗中,研究人員將載有抗生素抗性基因的質(zhì)粒注入嗜熱鏈球菌中,其中一些細(xì)菌將含有抗性基因的DNA片段整合到了細(xì)菌基因組中。隨后的實驗發(fā)現(xiàn),這些細(xì)菌擁有了不再接受質(zhì)粒嵌入的特性。這表明,這些細(xì)菌獲得了對抗性基因的免疫能力。這種現(xiàn)象也可以解釋,為什么一些細(xì)菌能夠發(fā)展出耐藥性,而其他的細(xì)菌不具有耐藥性。

生物進(jìn)化

“雪球地球”或引發(fā)動物進(jìn)化

2010年11月5日出版的 Nature網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表了美國生物地球化學(xué)家的研究報告,稱他們在“雪球地球”冰川作用——在這一事件中,冰川包裹了,或者幾乎包裹了整個地球——和5億多年前激發(fā)生命的氧氣的出現(xiàn)之間找到了一種可能的關(guān)聯(lián)。

對于像人類這種密集呼吸的動物而言,地球的大部分歷史時期都是不適宜生存的,只有在5億多年前,氧氣遍布于空氣并溶解于海洋中,才向那些比海綿更活躍的動物的進(jìn)化敞開了大門。如今,研究人員或許已經(jīng)找到了有關(guān)這次動物發(fā)展的一個令人驚訝的觸點：威脅要消滅所有地球生命的環(huán)繞全球的冰川期。他們測量了在古海洋中形成的富含鐵的礦物中的磷含量,并以此作為海水中磷含量的標(biāo)準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn),在過去的30億年中,磷的豐度變化不大,其中只有一個例外,即從約7.5億年前持續(xù)到約6.35億年前的一次比通常水平升高了數(shù)倍的激增。

磷水平在當(dāng)時的一次激增很好地契合了動物進(jìn)化的新興局面。研究人員曾經(jīng)注意到,兩次雪球地球事件大致恰逢化石記錄中最早期動物的出現(xiàn),這意味著冰川作用觸發(fā)了進(jìn)化飛躍,其可能的觸發(fā)原因為：雪球冰原磨碎大陸巖石,并當(dāng)冰川退卻時釋放出磷。這些磷會被沖刷進(jìn)入海洋,在那里為藻類的興盛提供養(yǎng)料,進(jìn)而促使有機(jī)物質(zhì)和氧氣的形成有了一個大幅的增長。進(jìn)入海底淤泥中的更多的有機(jī)物質(zhì)將為日后留下更多的氧氣,并最終提高大氣和海洋中的氧氣含量。

進(jìn)化關(guān)鍵點出現(xiàn)在約12億年前

英國科學(xué)家在2010年11月11日出版的 Nature上撰文指出,他們在蘇格蘭的巖石中發(fā)現(xiàn)了一種可能生活在約12億年前的細(xì)菌化石,這表明,地球上的氧氣濃度增加到人類進(jìn)化所需的程度這一重大事件發(fā)生在12億年前,比科學(xué)家以前認(rèn)為的要早4億年。該研究結(jié)果有望讓科學(xué)家重新理解地球大氣以及依靠其為生的生命演化的時間表。

科學(xué)家一直認(rèn)為,地球大氣中氧氣的濃度在大約8億年前發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變。氧氣濃度的增加標(biāo)志著統(tǒng)治地球的生物由那時已經(jīng)出現(xiàn)在地球上的簡單有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的多細(xì)胞有機(jī)物,而正是這些復(fù)雜的多細(xì)胞生物最終進(jìn)化為地球上現(xiàn)有的生命。但是,英國阿伯丁大學(xué)的研究人員對在蘇格蘭高地西北部洛欣弗地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一塊古老巖石進(jìn)行的化學(xué)成分分析表明,在大約12億年前,一種重要的細(xì)菌已經(jīng)出現(xiàn)在這些巖石內(nèi),并且已在進(jìn)行較復(fù)雜的氧化反應(yīng),這說明當(dāng)時環(huán)境中的氧氣含量已經(jīng)處于一個較高水平。研究人員表示,通常使用硫獲取能量的這種細(xì)菌在大約12億年前就開始在一個更加復(fù)雜高效的化學(xué)反應(yīng)中使用氧氣,以便獲取能量維持生存。這種化學(xué)反應(yīng)告訴我們,那時大氣中氧氣的濃度位于進(jìn)化史上的關(guān)鍵點。

細(xì)胞黑客

最近,美國生物學(xué)家研究出一種基因線路,可以按照需要編制程序,指示細(xì)胞對想要的信號作出響應(yīng)。這項技術(shù)有著廣泛用途,比如誘導(dǎo)干細(xì)胞分化成體內(nèi)的不同組織,或在營養(yǎng)不良時激活植物的防御機(jī)制等。相關(guān)研究發(fā)表在2010年11月26日出版的Science上。

研究人員表示,該技術(shù)的主要難點在于如何控制細(xì)胞行為,以及如何開發(fā)細(xì)胞路徑,從廣泛意義上講,就是對細(xì)胞的行為和決策進(jìn)行控制,讓其對任何感興趣的蛋白質(zhì)作出反應(yīng)。為此,研究小組制造了一段DNA作為基因線路,將其插入細(xì)胞轉(zhuǎn)錄為RNA后,它會去探尋細(xì)胞內(nèi)部是否存在某種特殊的目標(biāo)蛋白質(zhì),一旦找到,線路就會給這種蛋白質(zhì)編碼。例如,其中一種線路包含了一種酶的基因,這種酶能讓細(xì)胞對抗病毒藥物更昔洛韋更加敏感。研究人員在基因序列中插入一個停止信號,以防止細(xì)胞通過信使 RNA生成工作蛋白質(zhì);到下一個停止信號時,它們會編碼一小段RNA作為一個適配子,識別一種叫做 beta-聯(lián)蛋白的信號蛋白質(zhì)(在某些腫瘤中beta-聯(lián)蛋白會被過表達(dá));找到目標(biāo)后適配子就會與其結(jié)合,由此會讓細(xì)胞與信使DNA以某種方式鉸接,從而清除停止信號以產(chǎn)生酶。為了檢驗設(shè)計線路的效果,研究人員激活了人體細(xì)胞產(chǎn)生額外的beta-聯(lián)蛋白,讓它們變得像癌細(xì)胞,然后用更昔洛韋來治療,結(jié)果顯示,含有編制線路的細(xì)胞都被藥物殺死了。

研究人員表示,一條線路里有多個適配子感受器,能對不同類型的蛋白質(zhì)起不同的反應(yīng)。從理論上說這種線路能包含任何基因,也可以設(shè)計適配子來識別任何蛋白質(zhì)。通過扭轉(zhuǎn)這種線路里的“線”,能讓細(xì)胞不僅對存在的蛋白質(zhì)發(fā)生響應(yīng),還能對缺失的蛋白質(zhì)發(fā)生響應(yīng)。

(2010年12月5日收到)

(責(zé)任編輯：方守獅)

Amazing Scientific and Technological Achievements

XU Han

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.06.011