中国顶级科学家都在干什么？看完这部纪录片你就知道了…

-风物君语-

“未来已经到来，只是尚未被察觉”

▲ 文章转载自中国国家地理BOOK，ID：CNGBOOK360

使用的手机好像越来越聪明了。 阿尔茨海默症原来与肠道菌群有关。 “薛定谔的猫”原来不只是个段子。 ……

我们也许意识不到，自己正身处一场伟大的历史变革之中。而所有的变革，很有可能来自一些不起眼的场景。

▲在中科院等离子体物理研究所正在进行一个由7个国家和地区共同参与的国际计划。可控核聚变项目，模仿太阳发热的原理，希望在地球上实现聚变发电，为人类提供源源不断的清洁能源。图/《科学的力量》

清洁能源、生命科学、新材料、信息领域、人工智能……这诸多改变我们生活、甚至可能会影响人类命运的变革，正由中国科学家所兴起。

11月2日，央视纪录频道开播的纪录片《科学的力量》，采访记录了30多位中国各研究领域最顶级科学家的生活。 全片不只有振奋人心的科研结果，更重要的是，其中的失败、曲折、煎熬以及泪水……

22年，从海藻到阿尔茨海默症新药

11月2日，“全球首款阿尔茨海默症创新药获批”悄然登上新闻热搜。

几个月前，耿美玉（中科院上海药物研究所研究员）第一次穿上净化服，走进车间。她苦心研究22年的成果，即将在这里变成一粒粒胶囊。一切都蓄势以待，只待药监局批号一下来，这里将开足马力生产；因为在车间外，成千上万个家庭等待着这种新药。

▲中科院上海药物研究所研究员耿美玉，带领团队从海藻提取物中，找到了一种有效成分，实验证明对阿尔茨海默症有效，取名“971”。图/《科学的力量》 阿尔茨海默症，它还有一个略微贬义的名字，“老年痴呆症”。 这是一种跟随衰老发生的神经系统退行性疾病，病人将逐渐丧失记忆和认知，以及尊严。
热播剧《都挺好》里的苏大强，撒切尔夫人、里根，《百年孤独》作者加西亚·马尔克斯，都曾与阿尔茨海默症斗争过。 仅仅在中国，就有超过1000万名患者，这背后就是1000万个家庭的重担，而这个数字随着老龄化的加速还在不断上升。

▲ 广州市老人院内，一位患阿尔茨海默症的老者坐在椅子上对着窗户。图/视觉中国

因为发病机理和成因并不甚清楚，很多国际制药企业都在研制相关药物，但结果都令人失望。 丁健 （中 科院上海药物研究所研究员，中国工程院院士） 在《科学的力量》纪录片里感叹：“17年了，（做阿尔茨海默症药物的）项目一共公告的就有320个，已经花了6000亿美金，全都失败了。有两个大的（国际制药）公司，现在都宣布暂时退出这个领域，就是说不知道下一步该怎么做。” 22年前，从日本留学回来的耿美玉，开始钻研阿尔茨海默症。 她是幸运的，两年时间，耿美玉带领的科研小组就从海藻提取物中，找到了一种成分，实验证明对阿尔茨海默症有效。

▲ 北京，护士正向阿尔茨海默症患者指认时钟所显示的时间。图/视觉中国

为了纪念这个“1997年开创的第一个独立的实验室，在科学道路上踏出了第一步”，耿美玉将它命名为“971”。 虽然“971”在动物实验中表现良好，但耿美玉无法解释，为什么有效，到底是什么机制在背后发挥作用，临床效果到底如何。 发现有效成分只是第一步，而要做新药研发，这些问题都必须得到回答。 后来，这个答案，用了20年来回答。 “我经常会被专家质疑。 当时我也问自己，我也不知道，真的不清楚。 我真的有点走投无路，因为假如说你不是去做药，你只是做探索性的研究的话，你光看着药物有效就行了。 但是你要是做药的话，它体内的过程你一定要搞清楚。 ”耿美玉说。 难题一个个攻克，但关于药物发生作用的机制，却始终不得其门。 耿美玉开始怀疑，阿尔茨海默症另有病因。 关于阿尔茨海默症，国际主流学术界都认为这是一种大脑疾病，所以研究也大都围绕着脑部变化展开。

▲ 北京，每间窗户都插有粉色的“仿制桃花”，以舒缓阿尔茨海默症病人的情绪。图/视觉中国

研究发现，人类大脑中有一种Aβ蛋白； 而病人大脑中的这种蛋白，会发生β淀粉样蛋白沉积，从而影响了认知功能。 所以此前的主流药物研发，也都是针对着β淀粉样蛋白沉积展开的。 但经过十多年的实验和探索，耿美玉发现，“971”肯定不仅仅是通过这一种机制发挥作用的，一定还有着更大的秘密。

▲ Aβ蛋白（示意图）。图/《科学的力量》

后来，科学期刊上有零星报道，肠道菌群可能和阿尔茨海默症有关，但没有引起人们过多关注。 而耿美玉却没有放过这些细节，她就在想，肠道自身是非常强大的，是人体免疫非常重要的一个器官，会不会是“971”也是通过肠道菌群来发挥作用的？

“这个idea（想法）一出现，我就很兴奋地跟团队讲，我们敢不敢大胆地推测，Aβ蛋白（或许）不是（唯一的）发生机制呢？ ”随后的实验数据，证实了耿美玉的猜想，GV-971通过调节肠道菌群失衡、重塑机体免疫稳态，进而降低脑内神经炎症，从而阻止阿尔茨海默症症程进展。 这是一个让国内外同行都感到惊讶的结果。

▲ 耿美玉和学生们在实验室。图/《科学的力量》

“我们现在发现，肠道菌群失衡了之后，导致了机体的炎症，然后就跑到大脑中去，导致大脑的炎症。 所以我们这个药，它不是头痛医头、脚痛医脚，它能够改变肠道菌群的失衡，进而大脑炎症就减少了，然后这个药就发挥效果了。 ”

1997年的临床前研究，到2007年的1期临床，从2010年的2期临床到2014年的3期临床，整整1199位病患的临床实验，再到2018年的申报上市。 关于“GV-971”的22年研究，最终变为了53万页、整整179箱的研究资料，上报到国家药监局。

▲ 广州市老人院内，80岁的孙伯坐在轮椅上喃喃自语，护工们及家人都听不懂他在说些什么。图/视觉中国

2019年11月2日，“GV-971”（甘露寡糖二酸）获国家药品监督管理局批准上市。 这是中国原创，也是国际首个靶向脑-肠轴的阿尔茨海默症治疗新药。

基因工程师的平淡生活

一台电脑、几盆花、一杯茶、一排书柜、从早到晚的音乐。 每天，覃重军 （中科院分子植物卓越中心研究员） 大部分的活动空间就在这方寸之间：读书、冥想、记笔记。他甚至极少去就在隔壁的实验室。 当然，陪伴他的，还有爱因斯坦、巴斯德、牛顿和达尔文。 牛顿和爱因斯坦把复杂的世界浓缩成了一个个优美而简单的公式，生物学家覃重军，也想去发现复杂的生命现象背后的规律。

▲ 覃重军的日常。图/《科学的力量》

“生物或者是任何自然现象，它为了适应环境，它不得不变得很复杂，但是你那是发现不了规律，会为那些现象所迷惑。 你要想发现规律，一定是从简单的东西出发，这也是所有自然科学的一个基本信念。 ”
和其他学科相比，生命科学似乎更容易迷失在复杂现象的迷宫中。 直到1953年，DNA双螺旋结构的发现，人们才终于进入到了生命的细节里，不断有新的认识被发现，刷新着我们对生命的认知，甚至挑战了固有的常识。

▲ 染色体和DNA示意图。图/视觉中国

上海的覃重军就是其中之一，2017年，他的一项重大发现被认为是生命科学中的一座里程碑。 而这个发现的起源，只是一次通常的饭后散步。 “我印象还是蛮深的，我大概那天早上在这里走了二、三十分钟。 后面突然想，我假设建这个简约体系，因为我知道酿酒酵母16条（染色体）嘛，我是不是可以把它变成一个线，然后变成一个环？ 我就把这件事儿给记下来了。 ”

▲生物学家覃重军选择有16条染色体的酿酒酵母，设想把它们合并成1条染色体，并且不失去原有的全部功能。图/《科学的力量》

经过漫长的进化，生命从简单变得复杂。 细胞内承载遗传信息的染色体从一条到多条，越来越多，人类细胞有23对染色体。 这是自然选择的结果。 而覃重军却想逆流而上，用人工的方法诱导生命回到进化的原点。 他选择了有16条染色体的酿酒酵母，设想能把它们合并成1条染色体，并且不失去原有的全部功能。 后来，覃重军也觉得这个想法太大胆了。 “大到什么程度呢，连你自己听到这个想法，你自己都要吓得半死。 所以呢，我要特别感谢爱因斯坦、牛顿的，我想他们这么严谨的（人），却用事实反复告诫我们，没有大胆的猜想，就没有伟大的发现。 ”

▲ 正在做实验的邵洋洋。图/《科学的力量》

灵机一动的时间是20多分钟，求证的时间却长达6个多月。 2014年底，覃重军叫来了自己的博士生邵洋洋，合并染色体的试验开始了。 两个人的团队，变成了三个人、四个人。 酿酒酵母的染色体也渐渐变成了14条、13条、12条……最终合成了1条。 “反正我还是很感动，或者情绪还是蛮复杂的吧，这样一个我觉得是蛮宏大的东西，我们就几个人就这样把它给做出来了”，邵洋洋 （中科院分子植物卓越中心博士） 在《科学的力量》里说。

▲长满酿酒酵母的培养皿。图/《科学的力量》

这便是世界首例“单条染色体真核细胞”。 这个发现到底有什么具体作用？ 现在还很难说清楚。 但恰恰是这些难以解释，才正是它的精妙之处。 把两个染色体融合成一条，不是简简单单地把两个染色体DNA粘合到一起就结束了； 这是一个非常复杂的工程，需要综合考虑到端粒切除、避免同源重组等等。 所以，这个工作首先实现的，是一个技术上的进步。 人类有许多因为染色体数量变异造成的疾病，21-三体综合征、克氏综合征等。 光从应用角度而言，这些染色体的定向重排技术，就极具医疗前景。

▲ 真核细胞示意图。图/视觉中国

更重要的是，它打破了“细胞必须要有多个染色体”等我们对生物学的既有认知，生命组成的可能性，又陡然变多了。 这意味着，人类距离揭示生命的真相又进了一大步。 其实在科学史上，失败是常态，成功反倒有点像偶然和意外。 爱迪生为了改进电灯泡，测试了几千种材料； 居里夫人花了4年时间，从几十吨废渣中，才提炼出了0.1克镭； 屠呦呦为了提取青蒿素，试验了191次才获得成功。 远不止这些，几乎每一项让我们受惠的科学技术的出现，都经历了不止一代科学家的努力。 他们在不计其数的错误中，一点点地接近真相。 真相未必只有一个，科学是一场接力赛，看不到终点。

▲ 冥想中的覃重军。图/《科学的力量》

在“单条染色体真核细胞”的研究结果发表之后，除了偶尔接待媒体记者，覃重军的生活和工作没有什么改变。
他依然在上下班的这段路上继续进行着冥想，“人家假设把诺（贝尔）奖获得当成一个重大目标，我好像还不把诺（贝尔）奖当回事儿。 这种经历和初心，也可以说是很奇葩的吧（笑）。 ”

无用之用

每周五晚上，和袁亚湘 （中科院数学院研究员，中国科学院院士） 一起打桥牌的，都是一群科学家。对他们来说，桥牌不只是一种娱乐，更是脑力的比拼。 事实上，桥牌里的很多技法，都与数学中的“运筹学”是分不开的，而这正是从事优化研究方向的数学家袁亚湘所关注的。

▲ 尽管身兼数职、工作非常繁忙，但袁亚湘每周二下午都会回到数学院来参加讨论会。学生轮流讲，然后课题组交流。袁亚湘说，做学术研究，最重要就是交流和思想碰撞。图/《科学的力量》

“大家可能知道当年推广华罗庚的优选法，实际上我的研究大方向就是这个——运筹学。 就有点像双方在下棋嘛，就是你什么布兵打仗，如何落子下棋都是一样的。 ” 自从18岁进入数学系学习，袁亚湘就再没离开过数学的世界。 在他看来，这是一个无比优雅和美丽的世界： “它那个美，美得我觉得要能达到窒息的程度。 数学家最后发明了一些数学定理、数学关系，无论是几何的还是代数的，就让你觉得一拍大腿，哎呀！ 居然有这个东西，太奇怪了，太美妙了！ ”

▲ 图/《科学的力量》

“但经常有的人编段子说，搞数学的人，就像杀恐龙似的，恐龙都没有你还在杀恐龙，意思就是你们做的事情没用。 实际上有的东西，不能简单地按你做这个事情马上能用（去判断）。 大部分这些基础科学做出的结果，将来迟早有一天都是会用上的。但是往往做的时候，并不是为了将来要用（才去做的）。 但没有了这些做表面上看来无用的事情，将来真要想用上的话，你会发现就没东西可以（承载）了。 ” 实际上，我们今天就生活在计算的网络中，它无处不在： 从剧院舞台的灯光，到街边花园的喷水池，从手机上的软件，到物流包裹的传递，背后都是一系列最基本的数学公式和逻辑。 数学推动着复杂的机械或电子，跳着我们看不懂的舞步。

▲ 图/《科学的力量》

在现代学科的分类中，数学不属于自然科学，却是所有自然科学的基础，甚至有人把数学称作“科学之母”。 “数学的地位有点像哲学在文科的地位，它是个基础。 别的领域科学家，比如说物理学家，化学家，他们就会告诉你，如果没有数学，他们就没法去研究了”，袁亚湘在《科学的力量》里说道。

▲ 数学公式之美。图/视觉中国

但回顾历史你会发现，科学常常会是技术的推手，如果某个领域的科学原理有突破性的发展后，就会逐渐转化到技术上，导致技术的快速发展，当然这个时间可能很长，也可能很短。 比如电磁理论和现代通信技术，万有引力理论和航天技术。 自19世纪以来，电磁理论发展后，现在我们生活中所运用的通信和电子产品等，大都是基于电磁理论的成果。 5年前要说人工智能，可能你还会想，人工智能到底是啥？ 有啥？

▲ AlphaGo vs 柯洁。图/《科学的力量》

现在要跟别人说起人工智能，估计好多人就会立马想到，噢是不是跟柯洁下棋的那个AlphaGo。 或是各种已经悄然进入家用领域的扫地机器人和陪伴型机器人。 AlphaGo之所以能战胜人类围棋高手，是采用了深度学习的方法。这种方法模拟人类大脑的学习机制，把复杂的信息简化后，再分层处理。

▲ AlphaGo的学习机制（示意图）。图/《科学的力量》

我们看见一张美食图片时，大脑中负责视觉的脑区先识别色彩和形状，而负责记忆的脑区则让你联想起曾经的味道。 更重要的是，其他脑区还能分辨出这是一张图片，而不是实物。 科学家观测到的人脑，有着超过1000亿个神经元，它们互相连接，组成无数细密的网络。如同一架精密的超级计算机，我们的大脑具有极其强大的算法和自主学习的能力。

▲ 神经元（示意图）。图/《科学的力量》

“这个（芯片）的本质起源，就是来源于我们对人脑关于信息处理的一些观察，当然我们其实是从人脑里面抽象了很多，才得到现在模型。 ”
正是从脑科学的研究中得到启发，用数字模拟大脑的神经元和突触，让它们发生广泛的关联。2016年，杜子东 （中科院计算所副研究员） 的团队率先推出了面向人工智能的专用处理器。

▲人工智能芯片。图/《科学的力量》

这款人工智能芯片，在性能功耗比上，全面超越了传统芯片。 传统芯片数百甚至上千条指令才能做到的事，人工智能芯片只需一条指令，就能完成； 在图像、语音等智能处理方面的处理速度从100秒缩短为1秒，而能耗只有传统芯片的三百分之一。

现在，这种人工智能芯片，已经在应用在了华为手机上。 所以你会发现，手机似乎越来越聪明了，它能辨识出美食、天空或者夜景，然后自动给你提供最合适的光圈和滤镜。

▲ 华为手机拍照场景。图/《科学的力量》

越来越细的专业分工，和天书一样的术语，可能让你对科学家和他们从事的工作望而生畏。 但现实恰好相反，实际上，科学已经深深镌刻在生活的每个细节中，影响着每一个人的生命故事……

薛定谔的猫

“有一只猫，在我们的每天生活里面，这只猫只能处于死或者活的状态。 但到了微观世界，这只猫可以处于死和活两个状态的相干叠加。 ” 潘建伟 （中国科学技术大学常务副校长，中国科学院院士） 所说的比喻，便是量子力学里著名的“薛定谔的猫”。而在量子世界中，确实有很多这样违反常识的原理。因此，量子力学也被认为是最难懂的科学领域之一。

▲ 量子实验室，右为潘建伟。图/《科学的力量》

在年轻时接触到量子力学后，潘建伟就被深深吸引，他的梦想是在中国建立一个国际一流的量子实验室。 现在，这个实验室里正在研究当今世界最前沿最热门的——量子计算机。 简单来说，它是一种基于量子叠加原理的计算机器。 就像拥有“分身术”一样，量子计算机可以用多个“分身”同时完成任务，因此计算速度相比传统计算机将是巨大的飞跃。 “如果（用万亿次经典计算机）来求解一个大数分解，需要花15万年才能把这个问题求解完。 但是如果你能够有一个（同样运算速率的）量子手机（计算机），它只需要1秒钟。 ”

▲ 图/《科学的力量》

但也正是这种技术上的巨大挑战，谁也不知道该走哪条路才能尽快达成目标。 为此，潘建伟组建了两个团队，通过光和超导两种不同的途径研制量子计算机。 2019年，朱晓波 （中国科学技术大学教授） 带领的团队打破当时的世界纪录，成功制备出了超导量子计算芯片。整个系统位于一个极低温极低噪声的测控环境里，而芯片大概只有指甲盖大小。

▲ 超导量子计算芯片。图/《科学的力量》

“它的操控的一个能量尺度，就像一只蝴蝶扇动一下翅膀的（能量）的十亿亿分之一，这样的能量尺度。 但它如果有一个千分之一的扰动，就会让这整个量子的信息完全丧失掉。 ”朱晓波在《科学的力量》纪录片里，说起了对目前研究状况的担忧。 另一条路似乎走得更快一些。在2017年，陆朝阳 （中国科学技术大学教授） 等人就做出了世界首台光量子计算原型机。

▲ 世界首台光量子原型机。图/《科学的力量》

“这个系统，可能跟大家想象中计算机的样子是完全不一样的，你可能觉得它要么像个台式机，要么是个笔记本，对吧？ 但这大概整个3平方米的空间，里面都是这个（光量子计算机）系统。 ”

73年前，第一台通用计算机诞生时，占据了一个160多平方米的大房间。 到了今天，常见的个人计算机已经轻轻松松可以放进你的背包里。 那么我们还要等待多久，才能见到通用的量子计算机？ 没有人能给出确切的答案。

▲ 量子计算原理（示意图）。图/《科学的力量》

由于量子力学的艰涩和反常识，使得潘建伟经常要面对公众的质疑和不解。 但他用科学给出了自己的回复： “我们的宇宙是从某个基点爆炸，炸出了原子、分子、万物，然后经过一百多亿年的进化，才进化出来这个地球，人类的存在。 然后我们还能反过来研究自然界，来畅想这个宇宙，我觉得这就是一件非常值得珍惜的事情。 这么多原子能够构成我这个潘建伟，构成了你能够一起来讨论科学的力量，本身就是一个非常小非常小的概率事件。 能好好对待我们这个世界，我觉得这可能就是科学所带来的一个终极的力量吧。”

......

更多科学家及科研团队鲜为人知的故事

请关注CCTV9《科学的力量》

由中央广播电视总台央视纪录频道

和中国科学院科学传播局联合摄制

中国国家地理影视中心承制的

八集纪录片《科学的力量》

11月1日起晚八点 CCTV9纪录频道 每天两集，连播四天

- END -

文丨苏小七 编辑|苹果 封图 | 《科学的力量》

参考资料

纪录片《科学的力量》

本文来自中国国家地理BOOK

未经授权，禁止转载

欢迎转发到朋友圈

— 点击下方图片，跟着风物君开阔视野 —