第5版(科技)
专栏：
迎面走来的新朋友
本报记者 贾西平
半导体芯片的表弟
提起芯片，人们自然想到半导体芯片。家里的计算机、洗衣机、电视机和电冰箱中都离不开它。半导体芯片看上去像一块大大泡泡糖，只不过是被坚硬的塑料封装起来的，里边是一块硅片，硅片上排列着人眼几乎无法分辨的千千万万个元器件。仅仅几年前，人们还把移动电话机叫“大砖头”，因为它太笨重，转眼间手机已小得像一个打火机了。这个变化就是其中的半导体芯片越做越小而功能越来越强的缘故。60年代小规模集成电路刚刚进入工业化生产时，一块芯片上只能集成一二十个元器件，而今天，一块指甲大小的芯片却能集成上亿个元器件。不要小看这个变化，正是它给人类带来了新技术革命。
言归正传，介绍生物芯片。生物芯片与半导体芯片虽然结构与用途大相径庭，但外观很相似，都是一个小方块，上面密密麻麻排列着人眼无法分辨的物质，并且都会对人类社会活动产生重大影响，所以我们估且将人类的这一位新朋友称作半导体芯片的表弟吧。
生物技术发展的产物
1990年，美国科学家发起绘制人类基因组图谱的工程，参与的科学家除美国外，还来自欧洲、亚洲许多国家，我国科学家去年正式加入这一工程，承担了一定的工作量。这项工程预计耗资30亿美元，最终将在2003年绘制出人体10万（也有人说14万）个基因图谱，揭开30亿个碱基对的密码，弄清全部基因的位置、结构和功能。这项工作数据处理量非常大，要动用世界上最先进的计算机来进行基因的排序、收集和分析。科学家们发现，如果对10万个基因、30亿个碱基对逐一进行分析研究，不仅工作量太大，而且有许多重复劳动，于是就设想将基因的片断放在芯片上，一个芯片上可以集成成千上万个基因片段，这样科学家们就能对基因成批地进行处理，研究效率将会大大提高。
中国工程院院士侯云德教授介绍说，生物芯片是将成千上万个大量的生命活动相关的大分子样品，包括DNA和蛋白质，借鉴于半导体技术，集成在一块数平方厘米的载体片上，进行化学反应，并将检测数据进行分析处理的一种崭新技术。其最突出的特点是通过一次反应，可以得到数千至数万个不同信息。随着人类等生物基因组工程的完成，基因诊断技术将发挥愈来愈重要的作用，生物芯片的应用将导致疾病诊断发生质的飞跃，即由个别疾病的诊断发展成为全面和整个疾病谱的诊断。
诱人的应用前景
尽管目前生物芯片还只是一个初生的婴儿，但在发达国家已开始进入商业化，并展现出诱人的前景。
据《科学时报》报道，清华大学生物芯片研究与开发中心主任程京博士对生物芯片的应用作了这样的描绘：用生物芯片制作的具有不同用途和全功能缩微芯片实验室可使分析过程全自动化，分析速度可成千上万倍地提高，而且体积小、重量轻、便于携带。我们今后可以通过自己拥有的个人化验室，在地球上任何地方，随时对自己的身体健康状况进行监测，并通过环球通信系统将结果传回到居住地的家庭医生处，通过其分析，开出医嘱，再立即传回给我们。可以设想，届时通过医学互联网，不但可以作远程诊断，还可以作远程手术和其他治疗。缩微芯片实验室的出现将会给分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、农作物育种和改良、司法鉴定、食品卫生监督等领域带来一场革命。
上海细胞生物学研究所研究员胡赓熙说，生物芯片在医学诊断、农业、环保以至军事上具有巨大的应用潜力。生物芯片可能会像计算机那样从各个方面影响人类的生活方式。我们计划发展一种可同时进行多种肿瘤（包括肝癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、前列腺癌等高发肿瘤）早期诊断的生物芯片，在患者还没有明显身体不适时进行普查。这可以极大地提高肿瘤病人的生存率，并产生巨大的市场。
侯云德教授介绍说，目前已进入实用阶段的DNA生物芯片主要是DNA和蛋白质微阵列芯片。常用的有两种格式，一是采用影印石版术在原位合成寡核苷酸微阵列芯片，在1．6平方厘米的玻片上阵列65000—400000个DNA寡核苷酸，代表9000个基因；另一种是cDNA微阵列芯片，在3．6平方厘米玻片上有10000个点，代表10000个基因。在美国，生物芯片技术已经商业化，Affymetrix公司拥有40000个人类基因，而Incyte公司拥有30000个人类基因。1999年Affymetrix的产品目录上，基因芯片表达分析的产品有21种；医用基因芯片的产品有10种；基因芯片设备产品有17种；基因芯片软件有22种；用于基因分型的基因芯片产品2种；还有操作基因芯片的服务、支撑和培训系统。Incyte公司的基因表达微阵列芯片产品有12种。这说明了生物芯片的产业化进程十分迅速。
科学家们预测，以生物芯片为核心的各相关产业将在全球崛起，世界工业发达国家已开始大投入、争先恐后地、有计划地对此领域中的知识产权进行跑马圈地式的保护。在今后5年之内，应用生物芯片的市场销售将达到200亿美元左右。
有关我国生物芯片的研制情况，中国生物工程开发中心研究员徐新来说，我国生物芯片研究起步于1997年，比国外晚了几年，但近年来发展较快。清华大学、军事医学科学院、东南大学、上海细胞所、上海冶金所等科研单位已开始了这方面的研究，并陆续产生了一批高水平成果。记者从有关方面获悉，科技部正在与国家计委就组建我国生物芯片研究开发中心进行磋商，目前已有初步方案。可以预计，不久的将来，生物芯片这位人类的新朋友将造福于我国人民。
采用DNA芯片分析人不同组织中编码基因表达的差异情况。
DNA芯片，左为寡核甙酸微阵列，右为cDNA微阵列。（附图片）
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专栏：科技杂谈
科学发现的几点体会
丁肇中
1964年，在哈佛和康奈尔大学进行的一个实验表明，电子的半径在10－13至10－14厘米左右，这个实验结果与理论预言不符。1948年所作出的理论预言认为，电子是没有半径的。
我当时刚刚获得博士学位，认为应该重复一下这个实验。可是在美国，所有的人都认为这是第一流的专家所做的实验，不必来重复这个实验。所以，直到1965年，我到了现在德国的同步加速器实验室，才有机会来重复这个实验。
1966年，我们用不同的方法做了一个实验，发现电子的半径确实小得无法测量。我们的实验结果和理论的预言是完全符合的。完全的符合就表示电子没有半径。
所以，我向年轻的科学家要讲的第一个体会，就是不要盲从专家的结论。
20世纪70年代，人们已经知道所有的基本粒子是由3种夸克来组成的。我的问题是，为什么只有3种夸克？为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器。这个实验比较困难，同时所有的人都认为只有3种夸克，因为3种夸克可以解释所有的现象，所以这个实验在费米国家实验室和西欧核子中心被拒绝了，所有的加速器都不愿意做这个实验，认为是不可能的。
终于在1972到1974年之间，我们在布鲁克海文国家实验室用一个比较低能的加速器来做这个实验。当我们完成这个实验时，我们发现了一种新的夸克。这就表示，以前说只有3种夸克的观念是错的，有第四种夸克。有了第四种，那可能就有第五种、第六种，把以往的观念改变了。
所以，我的第二个体会是：对于自己应该有信心，做你自己认为是正确的事情。
我们现在已经知道，所有的粒子都有反粒子。反物质的存在是1927年由英国科学家狄拉克提出来的。他注意到，在相对论和量子力学中，质量都是成平方的。质量成平方，就可以表示成（质量）×（质量），也可以表示为（－质量）×（－质量）。所以狄拉克就问：负质量有什么意义？从这儿就推测到反物质理论。
这表明两个事情：第一，拿诺贝尔奖是非常容易的；第二，一个天才和一个神经不正常的人的距离是很小的。
现在，我们在做一个在国际太空站上找反物质宇宙线和暗物质的实验，发现了很多想象不到的现象。第一个不能想象的结果是发现在赤道上面，正电子数目比负电子数目多4倍。第二个比较难以解释的，就是在赤道上空有离地面400公里、长4200公里、厚10公里、能量达40亿电子伏特级的质子环，进去和出来的质子是一样多。
我有一个“理论”，绝对正确，可以告诉大家。在加速器实验的发展史上，过去50年里面，尽管我们为了获得经费，要写一个申请报告书，设定一个目标，说服政府的人投钱做加速器实验，可是往往实际的发现跟原来的目标根本没有关系。
我已经花费了很多时间，解释我最新的实验怎么重要，可以找暗物质、找反物质。但是，根据以前的经验，要是有发现的话，跟我刚才所说的目标可能一点关系也没有。原因是，这是一个到太空中的质谱仪，是在探测一个全新的领域。
所以我的第四个体会就是：要实现你的目标的话，最重要的是要有好奇心，对自己所做的事情有兴趣，不能因为别人反对你就停止。而且，你对意外的现象要有充分的准备。
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专栏：
生命不息 耕耘不止
——记第三军医大学西南医院肖光夏教授
廖定国
肖光夏至今珍藏着一张老照片，那是一张很多人的集体合影，摄于1963年的全军医学科学委员会全体会议期间。在画面的前排，并排坐着刘少奇、周恩来、朱德、邓小平、陈毅、李先念等老一辈无产阶级革命家。他那时还很年轻，刚三十出头，生平第一次受到那么多党和国家领导人的接见。他说，正是这张照片带来的荣誉感，激励着他在数十年的科研道路上努力探索，取得了一项又一项成就。
肖光夏很幸运，从进入烧伤研究所的第一天，就与著名烧伤专家黎鳌教授共事，并且同一间办公室一张办公桌对面一坐就是几十年。他们俩一起亲手把一个最初只有6张病床的烧伤病房一点一点建设发展起来，成为今天名扬海内外的权威烧伤研究治疗机构。那时正是大跃进时代，大炼钢铁，烧伤病人多，只有6张病床的小小烧伤病房，最多时一下来了18个病人。他们那时还没有烧伤救治的经验，看见病人被烧得那么厉害，却不知该怎么救治，只有在心里暗暗叫苦。一些在今天看来很简单，已有规律可循的病例，在当时却让他们伤透了脑筋。看着病人一天天在痛苦地煎熬，看到不少病人最后因无法救治而死去，医护人员也禁不住热泪长流，心似刀绞。这一幕幕情景刺痛着年轻的肖光夏。他下决心要闯出一条路来，研究掌握烧伤救治的规律和方法，为更多的病人解除痛苦。
从那时到现在，几十年过去了，肖光夏带着坚定的信念，怀着强烈的责任感和进取心，靠缜密的思维，细致的观察和试验，探索着烧伤救治的有效途径。他从亲身参与的各例死亡和治愈的病例中进行对比分析，对当时国内影响较大的几种救治措施提出商榷意见，如对危重烧伤病人早期是进行就近抢救还是长途护送；严重烧伤早期是否适合“彻底清创”，抗生素包围所引致的问题；大面积深度烧伤切除与覆盖的关系等等。这些观点被同行专家誉为使烧伤救治走向了理性阶段。即使在“十年动乱”期间，肖光夏也在潜心钻研、总结治疗大面积三度烧伤的经验。1975年，一家美国知名医学杂志在摘登肖光夏关于烧伤救治的论文时，专门在按语中写道：“有志于烧伤的美国医生应认真读读中国医生的经验。”这是国外认识中国烧伤救治水平较早的报道。
40多年来，肖光夏潜心于临床研究，总结出了一整套烧伤救治方案，丰富了烧伤救治理论，使治愈率达到世界领先水平。他在国内率先开展了烧伤肠源性感染的发病机理研究，提出了防治措施，为我国的烧伤救治研究跻身世界先进行列作出了贡献。他曾获国家及军队科技进步一、二、三等奖，并为国家培养了18名博士和18名硕士，被评为“全军优秀教员”；曾荣立二等功2次，三等功2次。迄今为止，肖光夏已发表论文200多篇，主编专著2部，参编9部。由于他为我国烧伤事业作出了突出贡献，在国际国内的声望与日俱增。1994年以来，他担任中华烧伤外科学会主任委员，1997年，他又担任国际烧伤学会中国国家代表，1999年，担任《中华烧伤杂志》主编。
在肖光夏教授看来，科学研究如同登山，而这座山的峰顶却是随着科学的发展不断增高的。作为一位科学家，只有生命不息，耕耘不止，才有希望攀登上科学的光辉顶点。因此，如今已古稀之年的肖光夏仍毫不懈怠。目前，他与他的学生们正致力于研制拮抗内毒素制剂。而这一思路则来自于多年前他赴美国研究时曾意识到除细菌外，内毒素可能是抗感染的另一个焦点。如今他们已埋头研究数年，并引起了科技部的重视和有关专家的高度评价。肖光夏希望通过自己的努力，为烧伤救治奉献出一种全新的药物，为烧伤医学事业的发展作出新的贡献。
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专栏：
科技开通“乌金道”
——记河北磁县申家庄煤矿党委书记兼矿长王俊杰
邹中华
河北磁县申家庄煤矿党委书记兼矿长、高级工程师王俊杰带领科技人员依靠科技进步，在煤矿开采资源即将枯竭之际，开了水下采煤的先河。
在河北南部，有一座可以让全中国每人拥有一立方米水的大型水库———太行山东麓的岳城水库。这座容量12．5亿立方米的水库，坝长7公里，坝高60米。离水库不远的申家庄煤矿70年代初建井，80年代投产，短短几年，地下原有储量130万吨的煤田已挖去大半，再有几年，煤矿资源便告全部枯竭。
1987年7月，在申家庄矿煤炭资源枯竭的危难之时，王俊杰被任命为矿长。面对令人沮丧的残棋，王俊杰以山里人的坚强性格，带领全矿工人勇闯禁区，找到了打开辉煌之门的金钥匙。
当时，河北省煤炭局划分920万吨储量的地区给申家庄矿。但920万吨储量中有690万吨压在岳城水库水位线之下，而水下采煤是煤矿工业的一大禁区。如果硬采失败，不仅会给煤矿以灭顶之灾，还将严重威胁国家水利设施和库区人民生命的安全。
怎么办？王俊杰认为风险与机遇并存。大型水库下采煤在国内没有可供参考的资料，技术含量高、幅度宽、范围广、难度大。不论地质构造、岩层岩性、含水渗透系数以及求得“三带”高度，都需要掌握科学数据。他们根据峰峰矿务局一些矿在小河沟下开采的资料作参考，以及自己在大雨季节以积过水的采煤层上方打钻来搜集资料。初步掌握两带高度后，试行开采。在1324、1323工作面上方开掘巷道、布置钻孔、打钻注水、观察搜集顶底分层冒落带、导水裂隙带的两带变化，以确定两带高度，由厚煤层分层开采到轻型综采放顶煤一次采全高。试采工作面进行“两带”观察，涌水量观察，地表下沉及裂缝观察。证明地表裂缝没有与导水裂隙带相通，充分证实了岳城水库下采煤的可行性。在试采中采取安全措施，实行分层，减少第一层的采高，分层间歇开采，加强顶极管理，安装三台250D型水泵，使总排水量达2000立方米／小时。
王俊杰带头深入井下，做工程，搞钻探，观测水文地质变化，详细观察地表裂缝和水量水质变化对开采的细微影响，带领技术人员把第一手资料搞得一清二楚，组织撰写了2万多字的水下试采报告。
自然规律历来青睐那些用科学武装起来的人们。经河北省立项，上级主管部门批准，王俊杰带领大家一举试采成功，不仅解放了申家庄煤矿水下690万吨煤炭，而且延长矿井寿命30年，同时还为毗邻的观台矿区水下1000万吨的储量开采提供了经验，直接为岳城水库下预测的地质储量20900万吨煤田勘探提供了科学依据。自水下开采以来，申家庄矿累计安全采煤288万吨，创造经济效益近3亿元。为此，国家煤炭工业技术咨询委员会、中国地方煤炭公司和河北省煤炭厅联合组织专家教授到申家庄矿进行实地技术鉴定，对该项技术成果大加褒奖，一致认为岳城水库下采煤技术达到国内先进水平。此项技术成果荣获省煤炭厅科技进步一等奖，又获原国家能源工业部科技进步二等奖。
加强技术创新，向科技要发展。王俊杰牢记“科学技术是第一生产力”的格言，在开辟水下采区战场的同时，改造井下岩巷，推广光爆锚喷支护新技术，设备采用最新产品，对矿井上车场进行技术改造，提升运输能力，投资400万元建起一座年入洗能力21万吨的洗煤厂，投资8000多万元将历年废弃的煤矸石等副产品回收利用，建起了一座发电厂，并入华北电网。
一个地方煤矿，不要国家一分钱，依靠科技进步，使全矿没有一个下岗工人，并连续6年为国家上缴千万元以上的利税。几年来，王俊杰先后荣获原国家能源部授予的“全国煤炭工业劳动模范”称号等45项奖励，被群众誉为“煤海拓荒牛”。
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《中华人民共和国海洋环境保护法》4月1日实施以来，担负繁重的海上防污任务的中国海事局充分发挥现代化船舶交通管理系统的作用，确保往来船只的安全。图为深圳海事局官员在雷达测控室监视海上船舶交通秩序。
赵建伟摄
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加速建立林业科技创新体系
王伟英
我国是一个少林的国家。新中国成立以来，经过50年的不懈努力，林业建设取得了举世瞩目的成就。但时至今日，我国国土森林覆盖率只有13．92％，且为数不少的林地森林生产力不高，功能低下，尚不能发挥森林的作用。同时由于森林总量不足、生产力低，木材产量不能满足国家经济建设的需要，每年尚需进口近40亿美元的木材及木制品。
根据我国当代林业特点，建立国家林业科技创新体系是实施可持续发展战略、挖掘林业发展潜力、实现林业跨越式发展的必然选择。林业科技创新体系是国家创新体系的重要组成部分，它以保护和培育森林资源、改善生态环境、维护国土安全、推进我国经济社会可持续发展为核心，其目标是实现林业跨越式、超常规发展。因此，构建国家林业科技创新体系除满足创新共同的要求外，必须体现林业建设的特点。
林业科技创新具有明显的“大科学”性质。如现在正在实施的“天保”工程和即将实施的黄河、长江中上游水土保持工程都是具有“大科学”性质的重大社会公益科研工作。因此，在构建国家林业科技创新体系时，必须明确它的社会公益性，按“大科学”的要求安排。
森林与其生存的环境密切相关，我国森林集中分布区与草原、荒漠的分界线基本与年降水量400毫米吻合，林区位于年降水量400毫米以上的东南部，大体分布在东北、西南、南方八省。各区域的森林群落各异，在林业科技创新中必须考虑其区域特点，遵循林业经营的客观规律。因此，国家林业科技创新体系特别是创新基地的布局，要按气候带及环境保护要求进行，不能再搞违反森林分布规律、“人定胜天”的“创新”，否则只能是劳民伤财，得不偿失。
我国林业当前处于既要承担环境保护的责任建成完备的生态体系，又要发展产业建成发达的产业体系的双重压力之下，而林业又是具有农业和工业双重特征的行业，任务和性质决定了林业经济的复杂结构。目前我国林业体制和经营机制存在的严重缺欠，已成为林业发展的最大障碍，制度创新迫在眉睫。
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晶格动力学理论面临新突破
●晶格动力学是固体物理的两大组成部分之一。中国科学家在这一领域的发展中曾经占据重要地位。黄昆院士引入的概念和“黄昆方程”，完美地解释了离子晶体中红外光的色散关系，成为固体物理教科书的标准内容之一。
南京大学的科学家们目前在晶格动力学方面的研究，有望保持我国在该领域内的领先地位。他们将目光投向人工微结构材料，提出了离子型声子晶体的新概念，发展了相应的理论和实验。他们在这方面的最新研究结果发表在1999年6月11日出版的《Science》杂志上，令国内外物理界为之一振。（新）
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辩证思想指导材料科学
●葛庭燧领导的中科院固体物理所内耗研究室，奠定了非线性弹性理论的实验基础，从而在国际上率先提出了一门新兴的学科领域———非线性滞弹性理论体系。
这个听起来十分专业的理论体系的最大贡献，在于它将以往相互割裂的线性力学和非线性力学系统，从机理上统一了起来，并找到了典型的例证。（学）
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明察秋毫的纳米秤应运而生
●在1999年3月以前，世界上还没有人想出称量单个病毒的方法。美国乔治亚理工学院王中林教授和同行们发明的纳米秤，为此提供了一条独特的途径。
一个人背着30公斤的东西爬10层楼要花10分钟，背50公斤要花13分钟。测量他上楼的速度，就可以估计出他背上东西的重量。纳米秤的原理与此类似，只不过它的精度要高得多。它使用单根碳纳米管为材料，测出它在交变电压作用下的不同共振频率，就可以算出附着在它“身上”的微粒的质量。附着在碳纳米管上的微粒质量为2．2×10－16克，这比此前世界上最精确的秤的精度还要高出1000至1万倍。王中林教授是我国首批国家自然科学基金资助的海外优秀青年科学家之一。（科）