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    周國民:“融合科學”國內外實踐及對農業科技發展的啟示

    【字體:

      “融合科學”是一種數據驅動的科學研究新范式,旨在通過多學科交叉融合手段來研究生命、信息、能源、環境等領域的重大科學問題,解決人類可持續發展所面臨的重大經濟社會問題。當前,全球新一輪科技革命和產業變革蓄勢待發,信息技術、生物技術、新材料技術等廣泛滲透到農業的各個領域,正引領農業技術變革升級、發展方式加快轉型和產業格局深度調整,學科融合發展成為緊迫的需求,迫切需要跟蹤國內外“融合科學”的發展動態,促進“融合科學”范式在農業科學研究中的應用。

      一、“融合科學”的緣起和特征

      上世紀40年代興起的各類學科交叉研究和使命導向研究,在21 世紀初期逐漸演變成一種基于多學科融合來解決重大問題的科研新范式——“融合科學”(Convergence Science,又譯為“會聚科學”),它是學科交叉研究的延續,是以一種更深入、更主動的方式將多個學科的知識和技術整合到一起,以解決最緊迫的科學和社會挑戰。

      與現有的科學研究范式相比,作為一種新的科研范式的“融合科學”有如下一些特征。

      特征一:問題導向。“融合科學”是以解決重大問題為導向和最終目標的一種科研新范式,通常用于解決一個特定挑戰或機遇的需要,或迫切的社會需求,或深層次的科學問題,或緊迫的工程研究問題。例如,隨著大數據時代的到來,現有存貯技術和計算技術都遇到挑戰,即內存墻的馮·諾伊曼瓶頸和摩爾定律的工程瓶頸,科技界就將目光投向了信息技術和生物技術的融合研究,探索用DNA來存儲信息,發展生物啟發計算技術。2013年美國半導體研究聯盟啟動了“半導體合成生物技術”融合研究項目,2018年更是首次發布了“半導體合成生物學路線圖”。上個世紀以來一直作為獨立學科發展的生物技術和信息技術出現了深度融合發展。

      特征二:鏈式融合。與傳統科研范式重在知識發現或技術發明相比,“融合科學”在重大經濟社會問題導向下,通過整合多個學科領域的知識、技能和工具,形成一個全面、綜合的問題解決框架,構建一個多方權益主體共同參與的、覆蓋從知識發現到知識應用的完整創新鏈條,發現新知識,研發新技術,創制新產品,實現科學研究從問題中來、到問題中去的閉環過程。

      特征三:語言融通。促進交叉融合研究項目需要打破學科的語言壁壘、增強彼此了解和聯結后才能形成。與現有的多學科研究、跨學科研究、交叉學科研究范式相比,“融合科學”不再是僅僅考慮不同學科的知識、技能和工具相互影響、相互作用,或者簡單地把不同學科的研究人員聚集在一起,從不同側面來研究同一個問題。例如,在交叉學科研究范式中,農業信息技術就是把信息技術的知識、技能和工具用在農業的研究中。“融合科學”更強調圍繞重大問題,不同學科的研究人員共同設定研究目標、設計研究實驗、分析實驗數據,在整個研究過程中,不同的知識、理論、方法、數據頻繁地相互交織和影響,形成不同學科人員之間能共同理解的研究框架、共有的科學語言、共用的科學數據、共識的分析方法。

      特征四:數據驅動。“融合科學”項目需要在一個共同的科學數據平臺上開展,不同學科可以在一個共同的數據池中開展挖掘分析研究,科學數據成為不同學科融合聯結的節點,同時匯聚的科學數據大量應用也促進各學科向數據密集型研究范式轉變。上世紀80年代,歐美等發達國家建立的NCBI數據庫、EBI數據庫和DDBJ數據庫,不但推動了基因科學數據的開放共享,更是促進了信息科學和生命科學的融合研究。數據在生物科學研究中廣泛應用,使得生命科學從“實驗驅動”向“數據驅動”轉型發展,促進生物技術往信息化、工程化、系統化方向發展,并朝著可定量、可計算、可調控和可預測的方向躍升。

      二、“融合科學”的國內外實踐

      歐美發達國家十分重視融合研究。2010年,麻省理工學院專門成立了以“融合科學”新范式為主導的科赫研究所,旨在通過科研組織和管理方面的新機制與“融合科學”新范式相配合,尤其是“融合科學”所要求的數據開放和共享,針對癌癥相關的重大問題開展多學科融合攻關,已成為美國乃至全球實踐“融合科學”新范式的高地。2011年,美國麻省理工學院發布“融合科學”白皮書,首次提出生命科學、物理學和工程學的“融合”代表著生命科學研究第三次重大變革。2016年,美國國家科學基金會提出的未來十大項目計劃中,發展融合研究是其中計劃之一,作為機制和支撐創新類計劃,其主要目標是在現有的學科交叉領域,提出解決緊迫的科學和工程學研究問題的融合方法。歐盟的“地平線2020”計劃中也專門設有支持融合研究的項目。

      我國對學科交叉融合研究非常關注。2006年實施的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》強調促進學科交叉發展,其后設立的蛋白質研究、量子調控研究、納米研究、發育與生殖研究等4個重大研究計劃都在不同程度涉及學科交叉融合研究。國家自然科學基金委員會自成立伊始,就設立了重大項目來支持學科交叉研究,2001年開始實施的重大研究計劃,更是將支持學科交叉融合發展作為目標之一。

      中國科學院在實施知識創新工程過程中,就圍繞生命科學、腦智科學、信息科學、物質科學等進行多學科交叉,并創立一些新的交叉學科研究中心,從科學觀念、戰略思想、體制和機制、組織管理、學科結構等多個方面來全面適應“融合科學”的發展趨勢。

      2017年成立的中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所就積極開展“融合科學”實踐,在學科融合發展方面取得了重要進展。研究所通過打造開放交叉合作平臺,匯聚國內外合成生物學領域青年骨干及海內外領軍科學家,打造了一支年輕有活力、多學科融合的前沿創新團隊,建成了全自動化實驗室、云端實驗室等理念前瞻的科研基礎設施,采用合成生物學的工程化設計理念,開展人造生命元件、基因線路、生物器件、多細胞體系等合成再造研究,實現了生物技術、信息技術、工程技術的融合創新。

      浙江大學2018年啟動實施創新2030計劃項目,集中優勢學科力量,在腦科學與人工智能、量子計算與感知、生態文明與環境科技創新、農業設計育種等領域進行了布局,實施智慧海洋計劃、精準醫學計劃、超重力計劃、天工計劃等科學計劃,積極探索學科交叉融合新模式。目前已取得了一批標志性成果,學科前沿創新和融合造峰成效初顯。

      三、“融合科學”對我國農業科技發展的啟示

      當今科研已經進入“融合科學”和數據密集型科學發現的新時代。農業科學本質上是一門應用科學,問題導向式的多學科交叉融合研究對促進農業科技發展具有重要意義,國內外“融合科學”的實踐經驗值得我們借鑒。

      (一)深刻認識“融合科學”新范式帶來的科研管理變革

      從科技發展態勢看,新一輪科技革命正在興起,科研范式正在發生深刻變革,學科交叉融合大勢所趨。因此需要認真分析科研范式變革的動因、形式和影響,在注重科學問題研究本身之外,也要關注科研范式變革對科學研究的影響,堅持科技創新和制度創新的“雙輪驅動”。在科研管理中,需要不斷優化學科布局和完善學科交叉融合機制,圍繞新型融合研究平臺創立、融合科學計劃謀劃、融合項目設置、科學數據共享等方面來推動“融合科學”發展。

      (二)積極探索“融合科學”范式在農業科研中應用實踐

      我國正在走產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的農業現代化道路,農產品消費模式正由溫飽型逐步轉變為安全、營養、健康型。因此需要通過生物技術、信息技術、新材料技術的交叉融合發展,建構以高效農業、智慧農業、綠色農業等為特色的農業技術新體系,促成“融合科學”范式的形成,推動理念融合、技術集成和工程協同,提升農業科技創新效能。例如,以我國主要糧油作物為對象,融合開展基因組學、系統生物學、生物信息學研究,揭示重要農業性狀形成的分子機制,促進種業源頭創新。針對我國農業重大生物災害,融合開展微生物組與植物、動物的相互作用研究,揭示內在相互作用機理,以及其帶來了生物學與生態學的效應,為綠色農業發展提供有效的策略。圍繞主要農作物生產管理,融合開展高精度、精準、可現場部署的生物傳感器研究,構建天空地一體化傳感網絡,著力農業生產管理數據的存傳管用,實現智慧農業。

      (三)構筑支撐“融合科學”的農業科學數據開放平臺

      科學數據開放共享是實現“融合科學”新范式的重要支撐。2019年6月科技部發文依托中國農業科學院農業信息研究所等單位成立國家農業科學數據中心,推動農業領域科學數據的匯交與開放。2017年,農業農村部部署實施農業科技基礎性長期性工作,搭建起以國家農業科學觀測站為基礎的農業科學長期觀測網絡,開啟農業科學數據的系統化采集和挖掘分析應用。這些平臺的建立極大地促進了農業領域科學數據的開放共享,但與支撐“融合科學”發展的需求相比,還需要進一步完善。下一步,農業科學數據開放平臺需圍繞具體的“融合科學”計劃項目,農業科學數據平臺建設與共享應用并重,系統觀測大數據與科研項目小數據并重,筑平臺,匯數據,促開放,強應用,全面支撐“融合科學”發展。

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