英国《自然》杂志就今后十年发展趋势这一话题咨询了一批世界领先的科学家和决策者，请他们列举各自所在学科领域面临的重大问题、主要原因以及迫切需要采取的应对措施。所涉及的领域包括：网络搜索、微生物组、个性化医疗、低碳社会、心理健康、人族古生物学、合成生物学、大学职责、全球治理、天文学、药物发现、人口统计学、化学、美国国立卫生研究院、土壤、激光、生态学、代谢组学等。为使读者及时了解科学技术可能给我们带来的新变化，本刊特将这组文章全文译出，以飨读者。

 

　　――编者

 

　　就我们所知，因特网搜索的年龄不过十岁而已。到2020年，它将远远超越目前的规模，其内容包罗万象：文本、话语、静止画面和视频图象，包括与同事、朋友、信息源及其自动化代理服务器交流的历史记录，以及来自全球定位系统网点和各地医疗设施传感器的读数等等，应有尽有。

 

　　届时，大多数搜索查询将口头进行，无需打字输入，少数实验性查询将直接通过跟踪大脑信号来实现。自己的生活在多大程度上与搜索引擎共享，以什么方式与之共享，这些事情都将由用户自己来作决定。

 

　　我们得到的搜索结果将是综合性的，而不只是一个数据清单。比如在目前，如果我查询“比较核聚变的各种方法”，那么主要的搜索引擎都提供相同的结果，即有关核聚变发电的百科全书式文章排列在前，其他类似文章跟在其后。十年之后，搜索结果将提供主要方法的概述，对比各种方法的不同之处，自动地将外文文件翻译成我所需要的语言，然后根据功效将搜索结果分门别类，即把搜索结果置于适当的表格或图表中，一目了然。如果我接着查询“核聚变理论的背景数学”，那么我就会得到一个简要的针对必要复杂分析的即时课程，对特定的聚变用途进行描述，且适合我的数学理解水平。如果我不解之处，那么该课程就会作出调整以适合我的需要。搜索引擎也可能将我连线给某一位辅导教师或与我情况差不多的另一位学生。与搜索引擎的互动将是一个无缝的连续对话，与生活中正在进行的其他活动整合在一起的对话。

 

　　搜索引擎面临的一个巨大挑战是其质量保证措施只能以用户欢迎程度为唯一基础。搜索引擎必须确保相关性（即确保与用户的查询相关联）和高质量（即正确无误、实用可理解，不受查询的影响）。目前的相关性措施已做得相当好。质量保证措施则需要在表达概念和关联性方面，在与世界现实相符合方面有更好的范例/模型，包括作者的可信度。如果做到了这一点，那么当一个网站宣称登月是一场骗局，而其论证结构却又好像条理清楚，将会被认定为质量低于正规的天文网站，因为骗局论证的前提与现实是不一致的。理解和改进这些范例/模型是今后十年的一个重大挑战。

 

　　――谷歌研究部主任彼得·诺维格（Peter Norvig）

 

　　在今后十年里，人体将成为最重要的生态研究对象之一。人有赖于微生物群落，这些微生物在人身上拓展领地，并从中获得令人惊叹的众多好处。这些好处包括：从食物中汲取能量，教育自身免疫系统，从而免遭病原体的侵害。然而，尽管近来人们对微生物的关注度有所增加，但人们对于“自己的延伸部分”到底是由什么组成的，它又是如何工作的等知之甚少。

 

　　人身上有众多微生物栖息地，迄今的研究和定义都是在人体的大致解剖特征基础上进行和得出的，例如皮肤、嘴巴、肠道和阴道等。就整个人体而言，只鉴别出一小部分有关栖息地及其边界――而重要的生物学现象往往发生在这些边界处。发掘稀有菌种并以多种空间尺度来评定其多样性将是分子微生物学在今后十年中需要研究的内容。

 

　　虽然人体微生物区系的组织结构不是任意的，但我们在有关支配其组合的规则知之甚少。早期显露、扩散和物种相互作用的贡献是什么？在群落层面上是否存在选择？如果存在，则存在的方式如何？而且，最重要的是，人体如何控制群落构成？如果找到了这些问题的答案，那么人体微生物群落――例如存在于牙齿表面和肠道黏膜上者――就有可能从整体上使之有利于健康。

 

　　人体微生物群落的稳定性和健壮性也是一个同样紧迫的问题。这些群落是如何有效地抵制外力――例如抗生素――干扰的？在受到干扰后又是如何恢复到原先状态的？健康的状态有多少种？群落的恢复力能决定或预测人体健康吗？是什么机制支撑其恢复力？何以加以测量或使之增强？

 

　　要回答这些问题，就需要理解微生物区系的功能特点。这意味着要将DNA测序与直接测量RNA、蛋白质产物、功能测定及有关环境变量结合起来考虑。现有一些绘制人体微生物组图谱的国家级项目和国际间项目，这是一个良好的开端。该领域需要有严格受控的临床研究，非破坏性的、侵害性最小的取样方法，综合症状的处理和分析策略，多维度的数据，以及微生物学家、生态学家、临床医生、生物学家和技术专家之间的新颖合作关系。

 

　　――加州帕洛阿尔托老兵事务卫生保健系统传染病主管戴维·A·雷尔曼（David A. Relman）

 

　　已经过去的十年，强大的基因分型工具已经能让遗传学家研究人类整个基因组的共同变化，以鉴定许多疾病背后的危险因素。两个惊人的发现将定义今后十年的疾病研究：一是，常见的遗传变异在决定人们易患多种常见疾病方面的作用似乎有限；另一个发现是，普通人群中罕见的基因变体可能对易患病体质有极大的影响。

 

　　例如，引起基因组组块消失的罕见突变可能把罹患如精神分裂症、癫痫症或孤独症的风险提高20倍。一些研究人员把这些主要风险因素称为畸变。我的猜测是，随着更多的基因组被测序，许多别的高影响风险因素将陆续被鉴别出来。

 

　　如果这样，那么我就有一个自信但令人不快的预测，即个性化的基因组学在2020年对疾病主要风险因素的鉴别取决于对胚胎筛选及其他筛选项目的大幅增长。社会已经在很大程度上接受突变会不可避免地导致严重疾患这一观念。那些想要筛除携带20倍罹患严重神经精神疾病风险胚胎的人会被看作是乐于助人吗？

 

　　有些进步将是不可思议的，例如研制根据遗传差异定制的治疗药物，这些药物对其他组织无害。有些进步则是转换型的，例如决定性遗传风险因素的鉴别，为经常得不到有效治疗的疾患――如精神分裂症、癫痫症和癌症――提供药物作用新靶点。在今后十年里，成千上万人的基因组将被测序，许多人将被得到自己所面临风险的提示。认真考虑如何在合乎伦理的前提下运用这种预测能力的工作应该现在就开始。

 

　　――杜克大学学者戴维·B·戈尔茨坦（David B. Goldstein）

 

　　到2020年，人类需要坚定地走上低碳社会的道路，形成一个高效清洁能源技术占主导的社会。对碳排放必须采取严厉措施，明码标价，如严格管理的限额与贸易方案或碳排放税，这一点非常重要。还需要通过创造性的融资使家庭和企业无须预先付费就能够获得能源效率和可再生能源服务。物业评估的清洁能源融资机制就是一个例子，我的实验室正在帮助设计和推广这一机制。

 

　　政府对研究进行资助这一点至关重要。有几项可再生技术已经为爆炸式的增长做好了准备。通过鼓励像零能耗建筑和电动车辆之类的革新措施，能源效益目标是能够帮助减少能源需求的。对太阳能的深入研究――尤其是如何有效地储存和输送太阳能――有可能一视同仁地解决富裕社区和贫困社区两者的需求。如能得到广泛部署，那么这些解决办法和智能电网的发展就意味着到2020年，世界将会走上一条通向综合能源系统的道路，太阳能、风能、核能、地热能和水电能将提供80%以上电力需求。

 

　　――加利福尼亚大学可再生合适能源实验室主任丹尼尔·M·坎曼（Daniel M. Kammen）

 

　　过去十年对心理疾病基因背景的研究已经让人们认识到，心理失常不是由某个特定原因引起的独立现象，而是由多种风险因素相互作用的结果。精神病症的产生可能有多种原因，而且其关联性要比目前的疾病模型所认同的关联性高得多。到2020年，这一长期以来被缓慢接受的见解将转变为医生理解和治疗精神疾病的方法。

 

　　在目前看来，要找到心理疾病的特定基因还只是一个空想。在今后十年中，比较现实的努力将是寻找给细胞和大脑基本功能编码的基因。这些功能调节着我们对环境的反应，它们以特定的方式共同出现在风险性增加的个体身上。会增加患病风险的基因有数百个，这样的缺陷可能影响大脑的发育及其功能，与具体的精神病诊断无关。精神疾病不存在单一的直接路径，而是多条发展路径高度交织的一个网络。

 

　　这一方法将引导我们在正确领会生物学背景的基础上进行诊断和治疗，而不是基于对症状的解读。精神病学研究有望实现西格蒙·弗洛伊德（Sigmund Freud）的生物心理学之梦，但这需要老思想的新应用。

 

　　――美国国家心理健康研究所高级研究员丹尼尔·R·温柏格（Daniel R. Weinberger）

 

　　在人族古生物学研究方面，最近的努力大多集中在非洲和欧洲。但在2004年发现了印度尼西亚小人族弗洛瑞斯人（Homo floresiensis），这是一个警示，说明我们对人类进化史基本轮廓的了解已知道不少的假设是多么的天真可笑。如果弗洛瑞斯人确实是200万年前离开非洲的早期人类的幸存后裔，那么我们就不得不摈弃长期以来坚信的理念，即直立人（Homo erectus）是最早的非洲移民。我们也必须摈弃许多有关这一迁徙的先决条件的种种假设，例如相对较大的大脑容量、较大的身材和类人的四肢比例。重要的是，我们必须正视被我们相对忽视的欧洲和非洲以外的人类进化。

 

　　今后十年的一个巨大挑战是着手填补我们对亚洲人类进化方面的大片知识空白。我们需要强有力的、有创造性的国际合作，需要有资金、制度和政府的支持，以便实施必要的研究和解读。该领域需要得到亚洲的大力支持，类似于美国纽约的图尔卡纳湖盆地研究所、德国莱比锡的马克斯-普朗克进化人类学研究所和德国海德堡自然科学与人文科学院的“文化在人类早期扩展中的作用”计划所赋予东非研究的那种支持。寻找化石是一项高风险投资，探险考察不总是会带来预期的结果。然而，最近的过去在非洲和欧洲发现的新人族物种数量意味着，在亚洲的类似努力不一定是没有回报的。

 

　　可以指望，到2020年，我们将遇到人类进化的更多大难题――如古人类如何和为何在大约600万年的一个时期里进化并分散到世界各地。可以从这些领域里期望获得进展，例如遗传学、同位素分析和古气候研究，以及来自化石的发现。但是，要是我们不努力实现更完善的地理化石记录工作，那么我们就无法回答有关人类进化的关键问题。

 

　　――温纳-格任人类学研究基金会主席莱斯利·C·艾洛（Leslie C. Aiello）

 

　　在过去的十年中，由于计算机能力呈几何级数提升，读写DNA的费用已经骤降了100万倍，其速率甚至超越了摩尔定律。今后十年的挑战将是把分子工程与计算结合在一起来构筑复杂的系统。生物配件工程标准的发展――例如DNA片段如何扣合在一起――将让计算机辅助设计从原子尺度到人口规模的各级抽象层面上成为可能。生物学家将获得能让他们排列原子以优化催化作用的工具，或者排列生物种群以配合制作化学品。

 

　　看得见的一项应用就是更加有效地制药和给药。然而，这些都将被更智慧的应用所取代，例如口服疫苗，“可编程的”个人干细胞，能感知附近的肿瘤、协同攻击并钻入癌细胞内部释放毒素的细菌，它们利用从自然演变和实验室演变获得的传感器、逻辑和执行器做到这一点。另一个应用是生产化学制品、燃料和食品，例如，培育抗病虫害的庄稼或能在3个小时时间里使生物量翻一番的光合生物。随着成本的下降，这样的技术可让发展中国家避免肥料浪费，避免化石燃料密集型和多病害的农业生产，获得更清洁、更高效的系统，就如他们正在避免昂贵的陆上通讯线而转向移动电话网络那样。

 

　　合成生物学的影响已经超越其自身领域，到2020年，这一影响将明显扩大。众多高新技术将成为可能，例如利用某些细菌依靠磁铁矿纳米粒子测定地球弱磁场方位的功能设计纳米存储器。由于电子芯片已近传统的制造极限，它们将被原子精度的容错生物电路所取代。三维“生物打印机”将使几乎所有制成品的价格大幅度下降。对合成生物学革命带来的种种意外后果――无论是生态的、经济的和社会的――作出预测并加以防范，这将是一个大挑战。

 

　　――美国哈佛医学院遗传学教授乔治·丘奇（George Church）

 

　　世界面临着日益增长的复杂挑战，例如维护我们的生态系统，同时维持90——100亿的人口的生计，减少贫困，增加和平和安全，提高人类健康水平，无论在发达国家和发展中国家，都必须这样做。大学必须在寻求这些问题的解决办法和教育下一代领导人应付这些问题方面起到应有的作用。

 

　　也许，在今后十年里，对研究型大学的最大威胁是面对政府的资金挑战。比如在美国，预算赤字已经导致许多州削减提供给公立大学的拨款，而在联邦一级，很可能不会增长，甚至可能削减对研究计划的拨款。

 

　　要对付这些资金和智力上的挑战，大学需要自愿地改变看待研究和教学任务的方式。当今全球问题的规模和复杂性要求加强多学科协作。传统上，大学都围绕学科和科系构建，这种僵化现象对于创新和教育学生获得更加协作的工作环境的需要而言，都可能是一个障碍。

 

　　因此，大学和供资机构都需要鼓励跨学科协作，比如说通过泛学科的学术中心，而不是局限于狭窄的领域。这一挑战要求在不抛弃传统学科及它们在确保卓越角色的情况下做到这一点。

 

　　随着资金压力的增加，社会公共机构将被迫作出艰难的决定――即优先考虑那些拥有充足现有力量或学生兴趣的领域，并与在其他领域具有更大能力的同行机构协作。

 

　　大学担负着双重任务：拓展知识疆域和教育学生。通过这一双重角色，我们有了为塑造未来作出贡献的潜力。今后十年的挑战将不辜负这种潜力。

 

　　――美国斯坦福大学校长约翰·L·亨尼西（John L. Hennessey）

 

　　到2020年，世界将需要一个高效的全球治理系统来管理可持续发展。这要求在四个领域作出系统的改进。

 

　　第一，政治必须顾及技术专长。在国际谈判中，例如哥本哈根气候谈判过程中，谈判者花费大量时间争论协议的合法性，却很少花时间讨论技术上的选择。存在一种无技术战略的宣布目标，随后就失去目标的趋势。联合国应该建立专家小组来跟踪哥本哈根会议，以支持减缓气候变化和适应气候变化的实际工作。在今后几年时间里，应该营造新的世界环境来监督主要条约并为其提供技术支持。

 

　　第二，公众和私人在新技术方面的投资应该作为综合体系的一部分加以管理。环境方面的几乎所有挑战，从温室气体排放到地下水资源的枯竭，都要求技术改造。实现这一改造需要公共企业和私营企业共同努力。公共部门将负责诸如监管、调控以及公共安全和公众意识等问题；私营部门将在赢利性投资方面，尤其是在研究和开发方面起带头作用。两者都需要协调各自的行动并寻求有效的伙伴关系。

 

　　第三，公司游说必须加以限制，它是对可持续发展的最大危害之一。在美国，公司通过游说、选举经费和误导性宣传活动带来的影响已经成为有效管理经济和环境的一个巨大障碍。例如，华尔街的大量游说导致金融管制放松，结果引起最近的危机；来自能源产业的压力已经推迟了对气候变化采取行动。一些国家已经通过公众提供选举资金和其他手段成功地限制这种影响。美国应该加以仿效。

 

　　第四，如果关于气候、土地使用和生物多样性的国际协议要取得成功，就必须改进对贫困国家的全球性融资。向贫困国家提供援助的交付记录令人堪忧。富裕国家常常作出从不兑现的援助承诺。下面两个建议可能改善现状：对跨境金融交易征收小额税费；全球征收碳排放税。两者应该与较为传统的援助形式一起执行以保证更可靠的发展资金来源。

 

　　――美国哥伦比亚大学地球研究所所长杰夫瑞·萨克斯（Jefrey Sachs）