中国科协发布2020重大科学问题

来源：四川科协

8月15日，在第二十二届中国科协年会闭幕式上，中国科协重磅发布了2020“重大科学问题，受到科技界的广泛关注。

问题1：冠状病毒跨种传播的生态学机制是什么？

进入21世纪以来，我国先后出现了多起新发传染病事件，其中2002年的SARS和目前正在肆虐的新冠肺炎尤为严重。病原学表明，SARS和COVID-19是起源于蝙蝠、穿山甲、果子狸等野生动物的冠状病毒。新冠病毒在全球蔓延后，对病毒本身的研究迅速开展，却忽略了病毒跨种传播生态学机制的研究。

野生动物常常与多种人兽共患病相关联，病毒学家曾多次警示冠状病毒跨物种传播是大概率事件。蝙蝠等野生动物携带冠状病毒的本底情况以及野生动物如何突破生态和生理屏障发生跨种传播和感染，在科学层面都尚不清晰。该问题提出了蝙蝠等野生动物生态学研究在新型冠状病毒溯源中的必要性以及阐释了明确携带冠状病毒的高风险野生动物种类的活动生境、行为范式、种群动态及与人类活动的关系，对于揭示冠状病毒跨物种的传播机制和预防未来冠状病毒导致的流行病具有重要意义。

问题2：引力波将如何揭示宇宙奥秘？

引力波是广义相对论预言的一种时空涟漪，是时空本身的一种波动现象，这种波动在传播中很少受到物质分布的影响，所以保留着引力波源的原初信息。引力波天文学是一门新兴的交叉学科，其研究涵盖了天文学、物理学、数据计算、工程科学等多个领域。自2015年首次直接探测到引力波以来，引力波已迅速成为国际上基础物理与天体物理前沿研究的热点，预计十余年内宇宙起源问题将有取得重大突破的历史机遇。

引力波的探测能够打开我们的视野，研究电磁学手段所难以企及的宇宙的“黑暗面”。引力波打开了观测宇宙的一扇新窗户，其波形中包含了关于时空与物质的丰富信息，通过观测引力波源在宇宙中的产生与分布，可以研究宇宙本身的形成和演化过程，探索包括宇宙膨胀、暗物质、引力、核物质物态方程、原初黑洞等物理现象与规律，有望解答广义相对论与粒子物理的标准模型所遗留下来的深层次科学问题，从而加深对自然界的理解。

问题3：地球物质是如何演化与循环的？

地球物质主要分为岩石和矿物。从时间尺度上来看，地球物质都是演化的。按照矿物的发展历史，可以大致将地球的演化划分成三个主要阶段：首先是地球从太阳系原始星云盘内形成、增生和分异，这个过程中形成的矿物种数仅有约250种；然后是壳幔相互作用阶段，岩浆作用、变质作用等开始发挥作用，矿物种数发展到了1500种；最后是生物作用阶段，大氧化事件以及生物活动使这一阶段矿物种数直接跃至4400种。

现今地球矿物呈现出惊人的多样性，是其与地球各圈层在数十亿年内协同演化的结果。地球历史时期岩浆岩和变质岩的演化与循环的认识由于缺乏大数据的综合分析而导致其认识模糊不清。日益发展的大数据技术和人工智能技术使得统一整合地球历史时期的地球物质成为了可能，为探讨地球物质演化与循环提供了方法保证。利用大数据平台和地球深时大数据系统的综合分析，可以在矿物演化历程与行星地质演化的基本历程和特殊事件之间建立联系，从矿物演化的角度来厘清行星地球及其多圈层演化规律和耦合关系，并解答行星地球如何演化、地球各圈层是否存在共演化关系的基本科学问题。

问题4：第五代核能系统会是什么样子？

2000年，美国能源部倡议发起的第四代核能系统国际论坛把核能的发展分为四代。第一代是验证工程可行性的原型试验堆。第二代是证明了商业可行性的标准化、系列化、批量化的商业核电站。第三代是经济性和安全性进一步提升的演化型商业核电站设计。第四代是在可持续性、经济性、安全性和可靠性、防核扩散和物理保护等方面显著提升的下一代核能系统。目前对于第五代核能系统的研究仍处于探索交流阶段，暂无成熟的概念界定和目标定义，其实现路径更是少有谈及。

如能推动第五代核能系统概念的落地和最终实现，其意义可概括为“四个革新、一个引领”：革新核能开发观念，使产品推动转向需求拉动；革新核能开发模式，从单堆演化转向网络优化；革新核能应用观念，核能将承担平衡调节任务，并支撑能源系统的深度脱碳；引领世界核能创新，助推中国成为世界核能创新高地。第五代核能系统将改变核能作为基荷能源应用的刻板印象，使核能向灵活和多能转变。一是支持核能系统承担平衡调节任务，以支撑其它可再生能源的最大化应用。二是发挥多能担当，助力电网、工业、运输等领域的深度脱碳。通过上述两点助力能源革命深化，助力“清洁低碳、安全高效”的能源体系建设。

问题5：特种能场辅助制造的科学原理是什么？

随着航空航天、交通运输等领域对轻量化和安全性的持续需求，更多的高强材料，包括超高强度钢、轻合金、复合材料和金属间化合物等，应用于复杂构件。随着材料强度的提高，制造难度显著提高，成形缺陷则更难控制。现有的研究表明，特种能场辅助成形技术在提高此类材料的成形效率和质量方面具有显著优势，在改善高强难变形材料制造难题方面具有巨大潜力。

特种能场辅助制造技术已成为各国研究人员研究的热点方向，不断向工业化应用积极推广。特种能场如何改变成形构件材料组织性能，如何优化特种能场辅助制造的精度与构件性能，都是推广特种能场辅助制造技术的关键科学问题。未来面临的关键难点与挑战主要包括两个方面：一是特种能场作用效应的量化与作用机理，二是特种能场作用下的力学模型。合理利用特种能场与材料相互作用的多种效应，突破高强难成形材料的制造难题，为我国航空航天、交通运输等领域关键核心部件的制造提供新工艺，将极大地促进先进制造技术的发展和应用。

问题6：数字交通基础设施如何推动自动驾驶与车路协同发展？

未来自动驾驶车辆大范围社会化运行局面必然会出现，对交通运输系统而言将是一场变革，道路交通运输系统面临演进换代的挑战。迎接并推动自动驾驶发展，目前国内外面临以下突出问题：一是道路基础设施侧，智能供给能力不足。二是单车感知的精度很难提升。对于支撑自动驾驶社会化运行的新型道路基础设施的研究，我国尚处于起步阶段，国外也无现成的先进技术和经验可借鉴，需要适时将自动驾驶研究的支持重点向基础设施侧智能供给研究及综合集成落地应用研究转移。

在交通强国建设、新基建、新一代人工智能规划、京津冀协同发展、粤港澳大湾区发展规划等重大国家发展战略实施背景下，交通基础设施肩负着支撑进一步提升交通安全能力、提高运输效率、推动交通运输高质量发展的交通强国建设重大任务。基础设施是数十年甚至是百年工程，技术发展的不可预测性会对基础设施规划、设计、建设以及资金带来巨大的挑战。基础设施方案一旦大规模部署将直接影响甚至定义未来几十年自动驾驶汽车的发展。因此，自动驾驶和基础设施之间沟通与协同至关重要。以提升道路基础设施侧智能供给能力，推动自动驾驶社会化运行应用落地，符合国家经济社会发展的重大需求，符合强国建设纲要，符合国家中长期科技发展规划纲要、“十四五”国家科技创新规划等国家重大科技战略部署。

问题7：调节人体免疫功能的中医药机制是什么？

虽然免疫学的基础研究取得了令人瞩目的成就，医学也在突飞猛进地发展，但在许多疑难重症的防治方面仍显得不足。系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、强直性脊柱炎等自身免疫性疾病仍然困扰着患者。这些重大、疑难疾病的发生、发展和转归均与免疫密切相关。中医药能够多层次、多靶点、多途径作用于机体，调节机体免疫功能，在疾病预防和治疗中有重要的应用价值。

中药免疫学研究发现，中药既可以增强机体细胞免疫及体液免疫功能，促进淋巴细胞、单核巨噬细胞以及造血干细胞的生理功能；还具有免疫抑制功能，能减少炎性因子的释放，抑制或消除抗体的产生，抑制T细胞的增殖等。大多数中药具有免疫双向调节功能，使过高或过低的免疫反应恢复正常。这种双向调节作用，体现了中医“整体观”与“阴阳平衡”理论。因此，通过中医药对机体免疫功能调节作用研究，不仅可以使中医药在重大免疫性疾病防治上发挥作用，还可以推动创新性中药新药的发现和研制。

问题8：植物无融合生殖的生物学基础是什么？

无融合生殖是一种通过种子进行无性繁殖的生殖方式，可以使杂交品种产生克隆种子，保持杂交后代性状不发生分离，从而永久固定杂种优势。鉴于无融合生殖研究在理论研究和育种实践上的重要战略意义，上世纪80年代我国将其列入“863”高科技计划，由袁隆平等知名专家牵头进行联合攻关。然而，由于无融合生殖发生机制的复杂性，尽管经过了多国科学家近一个世纪的努力，其形成机制依然不清楚，也未能将其成功应用于作物育种中。

由于无融合生殖对于农业生产的重要性，培育无融合生殖作物被誉为农业研究领域的“圣杯”。通过无融合生殖固定杂种优势是未来农业产业的重要发展方向，是保障国家粮食安全的重要手段。研究无融合生殖的生物学基础，并将其引入到主要作物中可以简化杂交种子的生产过程，提高育种效率，大幅降低杂交种的制种风险和成本，同时可以使许多原先难以大规模制种的杂交作物商业化生产成为可能，从而大幅度拓宽杂种优势的利用范围，保障世界粮食安全。

问题9：如何优化变化环境下我国水资源承载力，实现健康的区域水平衡状态?

水资源是基础性自然资源、战略性经济资源和生态环境的控制性要素。水资源在国家“五位一体”建设格局中具有战略性支撑地位。当前，我国生态文明建设进入加速期和关键期，对水资源集约利用和严格保护提出了更高要求。推进经济社会高质量发展需要充分考虑我国水资源特性和承载条件，因水制宜、量水而行。

基于我国自然地理和经济社会特征，研究变化条件下水资源承载力与水平衡优化这一科学问题，有利于深化认识我国区域水循环要素及其演化规律，完善水资源承载力评价方法，阐明水平衡状态对于水资源承载力的指标意义，明确诸多水问题及生态环境问题的发生机制，为总结与水资源承载力相适应的经济社会发展和生态保护模式，有效保护和修复生态环境提供重要的理论和技术支撑。该研究一是可为正确研判我国水安全保障形势，落实节水优先方针，强化水资源强监管、提升水利发展质效提供直接依据；二是有利于科学规划国土空间开发保护格局，统筹山水林田湖草生命共同体，合理确定国土空间开发与保护目标并科学布局生产、生活和生态空间。

问题10：如何建立虚拟孪生理论和技术基础并开展示范应用？

虚拟孪生是在数字孪生的基础上，利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法，也称为虚拟孪生技术。它以数字孪生为基础，但更侧重于智能实体或生命体的建模和仿真。党的十九大报告明确提出“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”，其核心是促进新一代信息技术和人工智能技术与制造业深度融合，推动实体经济转型升级，大力发展智能制造。因此，如何实现制造物理世界与信息世界的交互与共融，是当前国内外实践智能制造理念和目标所共同面临的核心瓶颈之一。

来源：科协改革进行时