为了探究人类在21世纪将要面临的种种重大机遇和挑战,中国科学院院士、资源遥感学家、南方海洋实验室理事徐冠华等人历经一年时间完成《人类21世纪备忘录》,并在“第三届中国高科技产业化高峰会议”上做了详细阐述与分析。
徐冠华院士
地球是人类唯一的家园。46亿年前地球形成,成为宇宙中目前唯一已知有生命存在的星球。地球不仅是人类共同的家园,也是几百万种生物亿万年来先后生活过的家园。
1992年2月14日,是西方传统节日情人节。这一天从无人的外太阳系空间,探测器“旅行者一号”回头望向地球,并拍摄了一张64亿公里外的照片。在这张照片里,地球只是一个0.23像素的小点。而人类所有的历史都聚集在这颗小小的点上,与宇宙相比,地球和人类都如同尘埃一样微不足道。
迄今为止,人类走出非洲已经超过5~10万年,先后经历了语言革命与科学革命。公元16~17世纪,科学革命的出现建立了人和自然之间的联系,加快了人类对自然本质的认识,使得人类能以更快的速度发展。
回顾历史,人类总结出一系列影响人类进程的因素。其中,至少有三个恒定因素即能源、食物和健康,这些也是影响人类能否继续发展最为关键的确定性因素。
能源发展是动力,植物是生命的根本,健康是延续人类的保障,如果不解决这三个问题,人类何来永续发展?可以说,在21世纪人类已经看到了从根本上解决这些问题的曙光。
对此,徐冠华院士从五个方面进行讲述:一,人类能够拥有不竭的能源吗?二,呼唤第二次绿色革命;三,精准医疗开启生命健康新纪元;四,21世纪的担忧,人类会从地球消失吗?五,期盼人类走向美好的未来。
必须找到不竭的能源
人类能拥有不竭的能源吗?在过去的五万年间,人类学会了利用机械和工具,而其中最具革命性的是学会利用能源。从钻木取火,到使用化石能源,再到清洁能源,人类通过对能源的使用将自己从繁重的劳动中解放出来。但是,能够利用的能源具有稀缺性,因此千百年来人类对于能源的争夺始终没有停止过。如今世界能源竞争已经非常激烈,未来必将更加尖锐。
借助科技的力量,研发出可靠、安全、廉价的永续能源是解决问题的关键所在。能源的利用过程,其实就是在选择和加工中不断地加氢减碳。零碳燃料是科学家研究全球气候变化的重点和热点,核能技术的突破为此提供了根本的解决方案。
核能包括裂变能和聚变能,实现核聚变反应堆并不难,难的是如何实现受控热核聚变反应。要将核聚变反应堆用作能源来使用,需要在产生并加热等离子体在高达亿万摄氏度的同时,仍可对等离子体实现有效约束。
受控热核聚变包括磁约束和激光约束,磁约束是当下研究热点,而核聚变的原材料是地球上氘和海水中的氚,氚和氘可以说是取之不尽的,核聚变反应产物氦气则属于惰性气体,安全性也有保障。
过去几十年间,各国科学家提出了各种和平利用核聚变能的方案,其中国际热核聚变实验堆——也就是著名的ITER计划是规模仅仅次于国际空间站,目前最重大的大型国际合作计划。
该计划是人类实现受控核聚变能源研发,走向实用的关键一步。2016年ITER计划总投资181亿欧元,计划总时间为35年,预计将在2050年前后完成聚变能圆型电站的建设和运行,并开始商业化应用。
我国的聚变工程实验堆CFETR也在抓紧实施过程中,按计划也是2050年在实验堆成功的基础上建成聚变商业示范堆。
如果ITER商业化能够成功,将可为全人类提供近乎免费、用之不竭的理想清洁能源,人类将彻底摆脱能源的束缚,人类发展的格局将发生革命性的改变。
绿色革命势在必行
人类的进化史就是一部与饥饿作斗争的历史。直到今天,超过90% 的食物热量来源依然为人类祖先在3500年前所驯化的小麦、玉米、水稻等植物。
但是,人类想要继续一味依赖先祖的遗产已难以为继。全球人口数量正急剧膨胀,大约以每年增加8300万人的速度飞速增长,世界粮食安全面临着严峻的挑战,全球气候变化的影响也日益加剧。现有的种粮方式已经接近产量极限,农作物品种多样性严重丧失。
粮食问题是中国几千年来最重要的问题,饥饿的农民为土地和粮食的斗争贯穿了中华民族的历史。更不能忘却的是,我国最近发生的一次饥荒距今只有60年。历史不能重演,经过艰苦卓绝的努力,我国已经逐步改变了粮食产量落后、供应不稳等问题。从2015年开始,全国粮食年产量稳定为6.5亿吨左右,加上进口的1.2亿吨大豆和玉米,全国人民的温饱问题已基本得到解决。但这是否说明我国的粮食安全问题已经完全解决了?我认为并没有。
因为我国仍然需要大量进口粮食,年均进口的1.2亿吨大豆和玉米若以亩产量计算,约等同于6亿亩耕地的产出,再加上糖、棉花、水果等, 总计换算还需要增加约7亿亩耕地。如以18亿亩耕地红线来计算,我国耕地的对外依存度为38%。
但我国几乎不可能再开辟新的耕地,目前的耕地面积只占国土面积14%,人均耕地仅有0.1公顷,只是世界平均人均水平的30%,而现有的可耕种土地能够维持18亿亩的面积已经是极限。
为了确保粮食产量,我国已经付出了沉重的环境代价,全球31%的化肥被用在中国的耕地上,农药使用量是世界平均水平的2.5倍。我国淡水资源只占全球的6%,但是农业灌溉消耗了全国60%的可利用水资源。
有人认为,中国进口的1.2亿吨大豆、玉米等主要用于饲料粮,与口粮无关。这种说法并不全面,事实上,进口的大量肉、奶、蛋降低了对人们日常对主粮的需求。如今国外“脱钩论”甚嚣尘上,可一旦我国粮食包括饲料粮无力自给时,粮食就有可能被作为武器——缺乏粮食和种子,远比缺乏芯片的后果更严重。
实现粮食安全唯一的解决办法只有通过现代科学技术向“科技要粮”。发展至今超过60年的杂交育种技术,已经成为目前对粮食生产贡献最大的育种技术。
转基因技术始于20世纪70年代。转基因是指生物本身没有的某些基因,通过外来的某种基因转入到这种生物之中。转基因有两类,一是自然过程转基因,二是人工干预过程转基因。
天然转基因是30亿年来生命进程最普遍的现象,约8%的人类基因就来自于病毒基因。人工干预转基因则是近50年发展起来的新兴生物技术。在不增加耕地的前提下,如果将大豆和玉米全部用转基因品种种植,即便不进口也可以保持自给自足。
精准医疗惠及全民
作为20世纪生命科学领域最伟大的发现之一,DNA双螺旋立体结构的发现具有重要意义。进入21世纪后,随着分子生物学的加快发展,信息科学技术、大数据分析方法也被用于医疗领域,临床医学、信息科学技术、分子生物学等共同开启了现代医学的变革,人类进入了精准医疗的新时代。
今后基因组相关测序将不仅仅惠及有钱人、重要的人,而是可以惠及每一个人,测序价格将在不久趋近于0,可以测序出全球70多亿人口的碱基对数目。科学家提出要建立人类的地理信息系统,人类的地理信息系统由各个方面数据多层构成,涵盖人类从备孕、胎儿到死亡的各个阶段。
肿瘤和慢性病的干预将前移,多数疾病将被控制在早期,如肿瘤、生殖疾病以及阿尔茨海默氏症、糖尿病、高血压等慢性疾病,前期干预和精确预防将提前解除隐患,为控制传染病的扩散发挥关键作用,不仅能够鉴别传染病发生的可能,而且能够追踪病毒的传播链,有效地阻击疫情的扩散。
当前,精准医疗已经成为国际追逐的一个热点,和发达国家相比我们仍然还有一定的差距,未来仍需做更多的努力。
走向更美好的未来
21世纪最大的担忧就是——人类会从地球消失吗?核灾难和小行星的撞击依然是潜在危险。要推动人类的永续发展,必须避免核战争爆发所带来的遭难。如果人类不做好管控,一旦核战争爆发,所有地球生物包括人类都很难幸免。
地球在几十亿年的历史中也遭遇过无数小行星的到访和破坏。为了避免小行星再次冲撞地球,全球科学家们提出了很多应对小行星的办法,如引力脱节、飞船撞击、核弹轰炸、激光打击等。
历史的车轮滚滚向前,展望未来5万年,人类又将走向哪里?“地球是人类的摇篮,但是人类不可能永远生活在摇篮之中”。走向宇宙深处, 是现在以及未来人类的新梦想和新使命。
人类现有的知识只是宇宙的冰山一角,现有的科学技术水平无法支撑人类走向宇宙的更深处,但是探索宇宙的步伐将继续前行。各种研究如引力波、黑洞、人体意识、智能研究等,都是人类走向宇宙深处的助力。
我们有理由相信,宇宙中还存在着其他文明。无论如何我们今天的准备,终将决定我们未来的所成。星际文明是人类的未来,我们的征程是星辰大海,只要人类不自我毁灭,必将走向宇宙深处与远方。