游清治

（新疆有色金屬工業(yè)集團(tuán)公司 烏魯木齊 830000）

20世紀(jì)是科學(xué)的世紀(jì)，21世紀(jì)是高科技的世紀(jì)?？茖W(xué)技術(shù)和人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的重要手段，成為我們?cè)谧匀唤绾蜕鐣?huì)領(lǐng)域爭取自由的有力武裝。

現(xiàn)代國際間的競爭是綜合國力的競爭，關(guān)鍵是科學(xué)技術(shù)的競爭。要善于抓住機(jī)遇，加快發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)十八大確定的建設(shè)中國特色社會(huì)主義的宏偉目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)中華民族百年復(fù)興的偉大強(qiáng)國夢，科學(xué)技術(shù)是有力的保證和重要的依靠力量。因此，自覺學(xué)好科學(xué)技術(shù)，大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，應(yīng)成為我們的一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。高能物理研究所、東南大學(xué)……等8單位，臺(tái)灣的中央大學(xué)、中央研究院、中山科學(xué)研究院等4個(gè)單位，中國共14個(gè)單位參加了這項(xiàng)試驗(yàn)。

中國科學(xué)家和技術(shù)人員，發(fā)揮了非常重要的作用。

⑵中國在AMS項(xiàng)目中的最大貢獻(xiàn)，是制造了阿爾法磁譜儀的設(shè)備—巨大永磁鐵。早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家就希望能將大型磁譜儀送入太空，但一直無法造出無漏磁、無二極磁矩的大型磁體，并且要符合美國宇航局嚴(yán)格的安全要求，這是AMS項(xiàng)目的最大挑戰(zhàn)之一。一次偶然的機(jī)會(huì)，丁肇中在美國的一份文獻(xiàn)中看到了中國科學(xué)院電工研究所的論文，發(fā)現(xiàn)中國能制造這種特殊的磁鐵，他把這一方案帶回美國，取得一致肯定后，與中國簽署了合作協(xié)議。中科院電工所的設(shè)計(jì)非常巧妙，稱為“魔環(huán)設(shè)計(jì)”與其他國家的方案相比，這個(gè)方案具有重量輕、無漏磁、無二磁矩及磁場均勻等優(yōu)點(diǎn)。

1995年至1997年中科院高能物理研究所，根據(jù)“魔環(huán)”構(gòu)想，將其設(shè)計(jì)出來，中國運(yùn)載火箭研究院，負(fù)責(zé)主要結(jié)構(gòu)的制造，并作了多次模擬空間站環(huán)境試驗(yàn)，完全達(dá)到了美國宇航局的嚴(yán)格安全要求。此外，磁譜儀整體散熱系統(tǒng)，軌跡控制器熱控系統(tǒng)、地面模擬系統(tǒng)、電磁量能器結(jié)構(gòu)和地面總裝支撐設(shè)備的設(shè)計(jì)研制也分別由中國山東大學(xué)、中山大學(xué)、大東大學(xué)和中科院高能物理研究所獨(dú)立或參與完成。中國科學(xué)家還參與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和物理研究。

⑶AMS實(shí)驗(yàn)概況。AMS在國際空間站運(yùn)行至今，已觀測超過300億個(gè)宇宙射線，最高能量達(dá)數(shù)萬億電子伏特，每年記錄約160億個(gè)宇宙射線信號(hào)，并傳送到地面，由AMS項(xiàng)目組分析。至2012年12月10日，分析了250億個(gè)初級(jí)宇宙射線，確認(rèn)了其中的680萬個(gè)電子及正電子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果已比較接近暗物質(zhì)了。

1.1.3 在地球深層搜尋暗物質(zhì)-中國志在這一領(lǐng)域躋身世界前列

1.1.3.1 概述

1 認(rèn)識(shí)世界-基礎(chǔ)理論研究前沿

1.1 探索暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)

1.1.1 概述

早在20世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz·Zwick）通過觀測星系時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系的運(yùn)行速度異常地高，通過計(jì)算，估算出星系團(tuán)的總質(zhì)量，是可見物質(zhì)質(zhì)量的100倍，即在該星系團(tuán)中99%以上的質(zhì)量是看不見的，只能通過引力感覺到它的存在。他將其稱為“暗物質(zhì)”。后來越來越多的觀測都間接證實(shí)了暗物質(zhì)的存在。

1.1.2 近年來研究暗物質(zhì)存在的進(jìn)展

1.1.2.1 阿爾法磁譜儀探尋暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)

2013年4月3日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，美藉華裔科學(xué)家丁肇中教授在歐洲核子中心（CERN）公布了阿爾法磁譜儀（AMS）在國際空間站上的首批實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從2011年5月至2012年12月，在宇宙射線流中，觀察正電子超出40萬，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合在宇宙中的暗物質(zhì)粒子在碰撞湮滅時(shí)產(chǎn)生正電子的理論。在人類認(rèn)識(shí)暗物質(zhì)的道路上邁出了重要的一步，但還不能排除其它可能，還將進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

⑴ 實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)概況和中國的貢獻(xiàn)。AMS團(tuán)隊(duì)來自16個(gè)國家和地區(qū)的56個(gè)單位，500多科學(xué)家參加。其中我國北京航空航天大學(xué)、山東大學(xué)、中科院

為避免宇宙射線的干擾，科學(xué)家在地下1000多米深處，設(shè)置液態(tài)氙陷井，以捕捉暗物質(zhì)粒子，這種粒子與氙相碰時(shí)會(huì)發(fā)光。

地下氙實(shí)驗(yàn)室都利用巖石地層來屏蔽宇宙射線，并采用大型液態(tài)氙儲(chǔ)罐。

1.1.3.2 世界上現(xiàn)有4處地下氙實(shí)驗(yàn)裝置

（1）美國南科他州霍姆斯特科礦；（2）意大利格朗薩索山；（3）中國錦屏山；（4）日本神岡天文臺(tái)。

1.1.3.3 中國的地下氙實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（PandaX）

實(shí)驗(yàn)裝置安裝在四川省錦屏山的大理巖山脈下，深2500m，是世界上最深的。裝一個(gè)25kg的氙儲(chǔ)罐，并計(jì)劃2016年將氙擴(kuò)大到1t。表明中國的實(shí)驗(yàn)比其他國家實(shí)驗(yàn)做得更好。中國志在做出世界一流的暗物質(zhì)的研究。

經(jīng)兩年建設(shè)，2011年開始使用，因液態(tài)氙要從國外進(jìn)口，因交貨延遲，影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有待今后報(bào)導(dǎo)。

1.2 神秘的暗能量-宇宙的主宰

1.2.1 讓學(xué)者又惱又迷的宇宙最大謎題，它神秘莫測，但決定宇宙的未來

美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃（1889～1953）在1929年的論文中指出，遙遠(yuǎn)的星系以非常高的速度遠(yuǎn)離我們退行，而且退行的速度與地球到星系的距離大致成正比。一個(gè)合理的解釋是宇宙在膨脹。

⑴完全超出人們的想象的觀測結(jié)果是：宇宙的膨脹是“加速”的，這是天文學(xué)認(rèn)真觀測的事實(shí)，就是“暗能量”。

⑵兩個(gè)研究小組的結(jié)果一致地表明“宇宙在加速膨脹”。

⑶超新星之外的其他觀測也揭示了暗能量的存在。

各種觀測事實(shí)，都是間接的，都還不能成為暗能量存在的決定性證據(jù)，但是把所有這些證據(jù)綜合起來，引入暗能量是最為“簡單”的辦法。

1.2.2 暗能量的性質(zhì)

1.2.2.1 斥力

宇宙加速膨脹是受到了斥力的影響。就是暗能量具有反抗引力性質(zhì)，也就是具有與相互吸引相對(duì)立的反向排斥（斥力）的性質(zhì)。

1.2.2.2 密度不變

無論宇宙怎么膨脹，奇妙的暗能量的密度也不會(huì)被攤薄。

隨著宇宙的膨脹，通常物質(zhì)或暗物質(zhì)會(huì)相應(yīng)變稀薄。但暗能量的密度不會(huì)改變，所謂暗能量是空間（真空）本身所攜有的能量，所以無論膨脹到多大，依然保持有同樣的暗能量密度。隨著宇宙膨脹，暗能量所占比例也不斷增加。

1.2.2.3 空間本身攜帶的能量是有力的候選者

所謂真空，一般是指其中什么也不存在的一部分空間。話雖如此，即使把所有的物質(zhì)和暗物質(zhì)都去除掉這空間也不會(huì)完全變成“空”的。

按量子論的觀點(diǎn)，能量不是一個(gè)定值。這意味著，即使把所有物質(zhì)去掉后，空間中存在的能量也不是一個(gè)為零的定值。

1.2.3 暗能量掌握著宇宙的命運(yùn)

暗能量是我們了解宇宙的關(guān)鍵因素，也是決定宇宙未來的重要因素。

假如暗能量的密度會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化的話，宇宙未來的形態(tài)也會(huì)因而發(fā)生巨大的變化。

⑴如果暗能量的密度變小時(shí)，宇宙可以從膨脹轉(zhuǎn)入收縮，宇宙的最終命運(yùn)，可能壓縮到一個(gè)點(diǎn)（大擠壓）。

⑵密度增加的情況下，宇宙會(huì)被撕裂，使宇宙中的物質(zhì)，都以基本粒子的形態(tài)散落在空間。

現(xiàn)在觀測并沒有發(fā)現(xiàn)暗能量密度變化的證據(jù)。

2 改選世界-重大應(yīng)用科技成果

2.1 我國科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)

新華社4月10日電，清華大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所，以薛其坤院士為首的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在國際上首次從實(shí)驗(yàn)中觀測到“量子反?；魻栃?yīng)”。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被著名物理學(xué)家楊振寧教授譽(yù)為“諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)”科研成果。相關(guān)論文已于2013年3月4日在美國《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。

2.1.1 研究的難度和我國的創(chuàng)新

從1988年開始，各國不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，但在實(shí)驗(yàn)中沒有取得任何進(jìn)展。

2006年美國斯坦福大學(xué)，現(xiàn)清華大學(xué)教授張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二級(jí)拓樸絕緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并在2008年提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的可能性。2010年中科院物理所萬忠、戴希研究員等，與張首晟合作，預(yù)言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓?fù)浣^緣體薄膜是實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)的最佳體系。

薛其坤院士的團(tuán)隊(duì)，在2009年至2012年10月，經(jīng)過4年的研究生長測量了1000多個(gè)樣品，利用分子束外延法，生長出高質(zhì)量，Cr摻雜（Bi、Sb）2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫度輸送測量裝置上成功觀測到了量子反?；魻栃?yīng)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)難度極大，達(dá)到三方面嚴(yán)格的要求。課題組比喻為：這好比要求一個(gè)運(yùn)動(dòng)員同時(shí)具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。課題組克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸送測量等多道難關(guān)，一步步實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)，長程鐵磁序以及能帶拓拓結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，為量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)現(xiàn)畫了上了圓滿的句號(hào)。

2.1.2 成果的重大意義

在成果發(fā)布會(huì)上，諾貝爾物理獎(jiǎng)得主，清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長楊振寧教授，高度評(píng)價(jià)了這項(xiàng)重大成果，稱為諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)成果。

量子霍爾效應(yīng)的研究已三次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

2.1.3 國外的評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)成果出來后，張首晟接到國外科學(xué)家的郵件，寫道：拓?fù)浣^緣體和量子反常霍爾效應(yīng)是科學(xué)王冠上的明珠。

《科學(xué)》雜志的一位審稿人說：這項(xiàng)工作，毫無疑問地證實(shí)了與普通量子霍爾效應(yīng)不同來源的單通道邊緣態(tài)的存在，我認(rèn)為這是凝聚在物理學(xué)一項(xiàng)非常重要的成就。

另一位審稿人說：這篇論文結(jié)束了多年來對(duì)無朗道能級(jí)的量子霍爾效應(yīng)的探索，這是里程碑式的文章。

2.1.4 成果的應(yīng)用前景

我們使用計(jì)算機(jī)時(shí)會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱，能量損耗，速度變慢等問題，這是因?yàn)槌B(tài)下，芯片中的電子運(yùn)動(dòng)，沒有特定的軌道，相互碰撞而發(fā)生能量損耗，量子霍爾效應(yīng)可以對(duì)電子運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，讓它們?cè)诟髯缘呐艿郎锨斑M(jìn)。量子霍爾效應(yīng)能解決電子碰撞發(fā)熱的問題，因而在未來的量子計(jì)算機(jī)、量子信息存貯方面具有巨大的應(yīng)用潛力。然而目前產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)的電子器件的體積比較大，成本較高，不能安裝到個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)中。而量子反?；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，可由材料的自發(fā)磁化來獲得磁場。課題組找到的磁性拓?fù)浣^緣體薄膜，有可能帶動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子器件的發(fā)展，將來計(jì)算機(jī)的體積，大大縮小，即使千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)也有望做成現(xiàn)在的平板電腦那么大。

2.2 誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞（ips細(xì)胞）和再生醫(yī)學(xué)

2.2.1 概述

2006年8月，日本京都大學(xué)教授山中伸彌（簡稱山中）博士等人發(fā)布的“ips細(xì)胞”研究成果，震動(dòng)了整個(gè)世界。這意味著人類可以用簡單的方法培育出與俗稱全能細(xì)胞的“ES”細(xì)胞（胚胎干細(xì)胞）擁有相似能力，又擁有幾乎可以轉(zhuǎn)變成所有細(xì)胞的能力。

2.2.2 ips細(xì)胞的研究，兩條腿走路，兼顧“基礎(chǔ)”與應(yīng)用

2007年11月，人體的ips細(xì)胞產(chǎn)生了。對(duì)ips細(xì)胞的研究，已經(jīng)成為了日本和美國的國家項(xiàng)目。2009年，日本文部科學(xué)省制定了“ips細(xì)胞研究規(guī)劃”，而美國投入的予算資金大約是日本的10倍（每年超過25億美元），發(fā)表的論文數(shù)量也在不斷增加。

2.2.2.1 基礎(chǔ)研究-研究ips細(xì)胞的性質(zhì)

主要關(guān)注“對(duì)什么樣的細(xì)胞”“用什么樣的方法”產(chǎn)生的細(xì)胞接近ES細(xì)胞的程度等問題。最初ips細(xì)胞是通過向皮膚細(xì)胞注入4種基因而產(chǎn)生的，現(xiàn)在人們已經(jīng)有了多種選擇。研究人員發(fā)現(xiàn)不同細(xì)胞培育出來的ips細(xì)胞所擁用的能力也有差異，在考慮應(yīng)用時(shí)，必須使ips細(xì)胞的品質(zhì)均一化，并確認(rèn)其安全性。

目前已發(fā)現(xiàn)的干細(xì)胞超過了25種，包括神經(jīng)干細(xì)胞（包括可以分化為腦和脊髓的各種神經(jīng)細(xì)胞），造血干細(xì)胞（可以分化為血液中各種血細(xì)胞及免疫細(xì)胞等）。

2.2.2.2 ips細(xì)胞的大課題：“癌化”的風(fēng)險(xiǎn)

最初誘導(dǎo)ips細(xì)胞是用無毒化的病毒，向皮膚或纖維細(xì)胞核內(nèi)的DNA中注入4種短小的DNA片段，這樣就會(huì)產(chǎn)生以注入的DNA為設(shè)計(jì)圖的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合，影響其他基因的活動(dòng)，促進(jìn)細(xì)胞的初始化。繼續(xù)培育2～5個(gè)月，就可得到ips細(xì)胞。論文發(fā)表后，人們發(fā)現(xiàn)這種方法有癌化的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)在他們正在尋求更多的改良方法。

日本慶應(yīng)義塾大學(xué)醫(yī)學(xué)部福田惠一博士等人開發(fā)的全新方法沒有癌化的風(fēng)險(xiǎn)。

福田博士培育ips細(xì)胞，用的不是皮膚細(xì)胞而是血液中的T細(xì)胞，簡單抽血就可以得到。只用0.1毫升就可以了?，F(xiàn)在培育ips細(xì)胞已經(jīng)有多種多樣的方法。

2.2.2.3 在特定情況下，直接轉(zhuǎn)換也可用于治療

2011年6月鈴木博士的團(tuán)隊(duì)向白鼠的皮膚細(xì)胞中注入兩種基因，將其成功地轉(zhuǎn)換為肝細(xì)胞。

ips細(xì)胞不僅開辟了通向新醫(yī)學(xué)的大道，也振動(dòng)了細(xì)胞直接轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)科學(xué)研究。

2.2.3 ips的應(yīng)用研究——走向應(yīng)用化的ips細(xì)胞

ips細(xì)胞被稱為“終極干細(xì)胞”，正向臨床試驗(yàn)穩(wěn)步前進(jìn)。醫(yī)療以外的應(yīng)用也不斷推進(jìn)?？梢杂萌魏稳说募?xì)胞培育，擁有似乎無限增殖與轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏畏N類細(xì)胞的能力。Ips細(xì)胞正促進(jìn)醫(yī)學(xué)發(fā)生著巨大的變化，人們所夢想的再生醫(yī)療，也終于有了可以實(shí)現(xiàn)的希望。此外它還可以用來研究某些病因或開發(fā)藥物。

我們看一下ips細(xì)胞研究的領(lǐng)軍人物

（1）山中伸彌博士，ips細(xì)胞之父，在日本京都大學(xué)ips細(xì)胞研究所（CiRA）任所長。主要研究的是疾病研究與制藥應(yīng)用。

（2）高橋政代博士，致力于老年黃斑變性研究，用ips細(xì)胞再造視網(wǎng)膜，計(jì)劃在2013年做臨床試驗(yàn)。

（3）岡野榮之博士，致力于通過ips細(xì)胞治療脊髓損傷以及利用ips細(xì)胞培育人的生殖細(xì)胞。

2.2.3.1 應(yīng)用之一—修補(bǔ)組織及內(nèi)臟器官

即將迎來首次臨床試驗(yàn)的視網(wǎng)膜再生醫(yī)療，這是日本理化研究所發(fā)育/再生科學(xué)綜合研究中心的高橋政代博士小組目前正在進(jìn)行的研究，為了在今年（2013年）開始首次臨床試驗(yàn)，對(duì)老年性黃斑變性治療，進(jìn)行了兩年的研究和準(zhǔn)備工作。這次試驗(yàn)計(jì)劃使用6名重癥患者，用患者的細(xì)胞培育出ips細(xì)胞，再用ips細(xì)胞再生視網(wǎng)膜，并移植到患者眼內(nèi)，予計(jì)至少可從失明恢復(fù)到0.1左右的視力，取決于病情的發(fā)展情況。

2.2.3.2 對(duì)脊髓損傷的治療研究正穩(wěn)步進(jìn)行

為了在2016～2017年間進(jìn)行臨床試驗(yàn)，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)醫(yī)學(xué)部的岡野榮之博士的研究組一直持續(xù)在作相關(guān)研究。2011年他們小組使用由人類ips細(xì)胞培育出來的神經(jīng)干細(xì)胞，成功地治療了老鼠的脊髓損傷，對(duì)猴子的試驗(yàn)性治療也獲得了成功。

2.2.4 應(yīng)用之二—探索疑難病的病因

如探索“阿爾茨海默?。ɡ夏臧V呆）”的病因及“長壽者的延長”。

重視予防的“主動(dòng)醫(yī)療”是未來的趨勢。

2.2.5 應(yīng)用之三—開發(fā)新藥

包括用ips細(xì)胞制作新藥，和改善當(dāng)前新藥開發(fā)狀況。

2.2.6 應(yīng)用之四

可以新做內(nèi)臟器官。

2.2.7 應(yīng)用之五保護(hù)瀕危物種。

3 我國ips細(xì)胞研究進(jìn)展和有關(guān)主張

3.1 我國ips細(xì)胞與免疫學(xué)研究概況

早在2007年至2010年，我國青年科學(xué)家趙同標(biāo)在美國加州大學(xué)圣地亞哥分校徐洋實(shí)驗(yàn)室做博士后時(shí)，就領(lǐng)隊(duì)致力于ips細(xì)胞的非整合重編程技術(shù)的探索。他的團(tuán)隊(duì)是世界上最早建立非整合重編程技術(shù)的研究小組之一，并借助這項(xiàng)技術(shù)率先開展了ips細(xì)胞免疫學(xué)相關(guān)研究，取得了一系列重大科研成果。他們的成果發(fā)表在《自然》雜志上，引起了國際同行專家的廣泛關(guān)注，國外許多實(shí)驗(yàn)室紛紛投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究中。

2012年6月趙同標(biāo)入選中組部第三批“千人（頂尖）人才引進(jìn)計(jì)劃”。回國后，趙同標(biāo)帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室科研人員及研究生（他兼任中國科技大博導(dǎo)）圍繞ips細(xì)胞的重編程、自我更新和發(fā)育分化等重要科學(xué)問題，致力于ips細(xì)胞的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用研究。2012年趙同標(biāo)榮獲我國“青年科學(xué)家之星”獎(jiǎng)。他現(xiàn)在中國科學(xué)院動(dòng)物研究所計(jì)劃生育生殖生物學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室干細(xì)胞與免疫學(xué)研究組任組長。

3.2 組裝生命—合成生物學(xué)

3.2.1 概述

合成生物學(xué)是生命科學(xué)之一，最早出現(xiàn)于1911年，真正發(fā)展為一門科學(xué)是2000年。

隨著分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、生物信息學(xué)的發(fā)展，人類對(duì)生命的理解更加深入，對(duì)細(xì)胞和分子的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)的了解開始變得越來越清晰，在細(xì)胞和分子水平的生物操作，越來越得心應(yīng)手。

就像我們組裝收音機(jī)，甚致電視機(jī)和電腦那樣，合成生物學(xué)研究的是用生命元件來組裝新的生命。

3.2.2 操作方式有兩種

3.2.2.1 自上而下法

對(duì)現(xiàn)有基因進(jìn)行更改、去掉、替換或添加新的基因序列，是在生命系統(tǒng)上的操作。

3.2.2.2 自下而上法

對(duì)無生命原料的組分進(jìn)行操作，來重建生命系統(tǒng)。

3.2.3 組裝生命的目的

希望能設(shè)計(jì)出自然界不存在的，有予期功能的生命系統(tǒng)。這是生命科學(xué)與工程學(xué)的交叉。工程師們將設(shè)備零件換成遺傳材料，按合成的理念，根據(jù)技術(shù)前景，重新進(jìn)行組裝?；蚬こ淌恰白xDNA”，如克隆或測序，而合成生物學(xué)是“寫DNA”。

3.2.4 成功的范例

3.2.4.1 生產(chǎn)青蒿素

青蒿素是我國首先發(fā)現(xiàn)的抗瘧疾良藥，它挽救了全世界百萬人的生命，在世界醫(yī)學(xué)界占有重要地位。其發(fā)現(xiàn)者是中國中醫(yī)研究院（現(xiàn)中國中醫(yī)科學(xué)院）的屠呦呦，因此獲得了2011年度拉斯克臨床醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。青蒿素一般是通過植物來提取，但產(chǎn)量很低，成本也高。

美國加州大學(xué)伯克利分校的科斯林教授，采用合成生物學(xué)的方法成功地制造出青蒿素。這一工作完美的展現(xiàn)了合成生物學(xué)的魅力，通過人類的操作，成功地解決了來自大碭桿菌、酵母、青蒿多種基因及其代謝途徑的組裝與精密調(diào)控工作；同時(shí)，優(yōu)化發(fā)酵工藝，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)量?？扑沽謱?duì)前景非常樂觀。他認(rèn)為，用大約10萬升的發(fā)酵槽來生產(chǎn)酵母，產(chǎn)生青蒿素，一直運(yùn)作下去，就可以為全世界生產(chǎn)出足夠的青蒿素。

3.2.4.2 綠毒桿菌的牛刀小試

新加坡南洋理工學(xué)院的科學(xué)家制造了新型的自爆細(xì)菌。綠膿桿菌是一種常見的致病菌。能夠借助“群體感應(yīng)”來識(shí)別同類菌體。它們通過一些特殊的化學(xué)信號(hào)進(jìn)行交流，彼此感知周圍的變化，以及是否有同類大量聚集?？茖W(xué)家瞄準(zhǔn)了這一特性，對(duì)大腸桿菌進(jìn)行基因改造。第一步將感知綠膿桿菌信號(hào)的基因?qū)氪竽c桿菌中，第二步給大腸桿菌配備“武器”讓它能生成綠膿桿菌素（這原本是綠膿桿菌產(chǎn)生的毒素）用于抑制同類細(xì)菌的大量生長。第三步，當(dāng)經(jīng)過改造的大腸桿菌“潛伏”到大批綠膿桿菌群體之后，科學(xué)家事先安置在大腸桿菌中的“自殺基因”就將啟動(dòng)，將大量綠膿桿菌素釋放出來，殺死周圍的綠膿桿菌。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：這種自爆細(xì)菌能殺滅99%的綠膿桿菌。今天科學(xué)家對(duì)一些頑固的耐藥菌幾乎無計(jì)可施時(shí)，類似的研究似乎能帶來新的啟示。

3.2.4.3 改變能源困境

合成生物的又一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域在能源領(lǐng)域?！蹲匀弧冯s志報(bào)導(dǎo)，美國能源部聯(lián)合生物能源研究所（JBEJ）使用合成生物學(xué)方法，改造了大腸桿菌和一個(gè)釀酒酵母的菌株，使之可以生產(chǎn)沒藥烯，沒藥烯作為燃料，有很多優(yōu)點(diǎn)，它不僅具有與D2生物柴油幾乎相同的屬性，它的凍結(jié)點(diǎn)和濁點(diǎn)更低，以往沒藥烯的生產(chǎn)原料主要來源于植物，被認(rèn)為具有替代汽油、柴油和航空煤油的潛力。現(xiàn)在修改細(xì)菌，使其直接大規(guī)模制造高級(jí)生物燃料，已經(jīng)成為更方便、且性價(jià)比最高的方法。

3.2.5 希望與爭議并存

我國于2011年在“973”計(jì)劃中啟動(dòng)了合成生物學(xué)項(xiàng)目，中國科學(xué)院院士張春霆研究員評(píng)價(jià)合成生物學(xué)時(shí)說：合成生物學(xué)的各種成就，可能在不遠(yuǎn)的未來，解決很多目前人類難以解決的問題，比如在生命、醫(yī)藥、環(huán)保、能源等很多領(lǐng)域，合成生物學(xué)都有用武之地。比起當(dāng)前的轉(zhuǎn)基因、基因工程等技術(shù)，合成生物學(xué)的研究更前衛(wèi)，代表了下一代生物技術(shù)。

當(dāng)然，在人類改造生命的過程中，也存在很多不確定的因素，甚至是風(fēng)險(xiǎn)。主要集中在倫理和生化安全等問題上。一部分學(xué)者擔(dān)心，這些本來不屬于自然界的生命和相關(guān)技術(shù)，萬一從實(shí)驗(yàn)室泄露出來，就有可能釋放出大量有害基因，到那時(shí)，人類或許會(huì)很難應(yīng)付。

但從長遠(yuǎn)看，“人造生命”是必然的發(fā)展趨勢，我們不應(yīng)該也不能阻止科學(xué)的發(fā)展，但應(yīng)該對(duì)科學(xué)研究予以規(guī)范，讓科技真正給人類帶來進(jìn)步和發(fā)展。