中国速度举世瞩目

许 涵 (本刊特约记者)

中国速度举世瞩目

许 涵 (本刊特约记者)

近年来,中国科技的迅速发展不仅大大缩小了与欧美传统科技强国的差距,同时进入了与国际科技全面接轨的时期。中国科学家在许多学科与技术领域不甘于人后,率先突破,取得了举世瞩目的研究成果。当代科学的综合发展趋势,为中国人聪明才智的发挥和中国科技的新突破,带来了千载难逢的新机遇!

“天河一号”

2010年11月17日,国际超级计算机TOP500组织正式发布了第36届世界超级计算机500强排行榜,“天河一号”以绝对的优势排名世界第一,成为世界上运算速度最快的超级计算机。

“天河一号”位于天津滨海新区的国家超级计算天津中心,看上去像140个黑色冰箱的机柜,在700 m2的机房内整整齐齐排成13排。几万颗高性能处理器就像一颗颗心脏高效、有序地跳动着。“天河一号”的本质是一台超级计算机,既可以支持能力型计算,又可以支持容量型计算,是由中国国防科技大学与天津滨海新区共同研发。“天河一号”突破了7项关键技术,采用了全新的技术路线,不仅运算速度有了大幅提升,而且部分采用了国防科技大学自主研发的“飞腾—1000”中央处理器,实现了关键部件国产化。

“天河一号”实现了我国自主研制超级计算机从百万亿次到千万亿次的跨越,在全球前10台最快的超级计算机中,“天河一号”是唯一非美国制造的。为此,科研人员在高性能计算领域整整奋斗了32年。1983年11月,中国首台名为“银河”的亿次巨型计算机在国防科学技术大学研制成功,中国从此成为继美、日之后,能独立设计和制造巨型计算机的国家。此后,“银河—Ⅱ”、“银河—Ⅲ”等一系列巨型机的相继研制成功,一步步将中国高性能计算机研制技术推向了国际前沿。

“天河一号”的峰值性能达到每秒4700万亿次、持续性能每秒2566万亿次,比排名第二的美国“美洲虎”超级计算机每秒钟快了将近1000万亿次。也就是说,天河一号”运算1小时,相当于全国13亿人同时计算340年以上;“天河一号”运算1天,相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年以上。此外,“天河一号”的存储容量也大得惊人,能够容纳1千万亿个汉字,相当于一个存储10亿册100万字书籍的巨大图书馆。

那么,超级计算机与我们的日常生活又有什么联系呢?人们习以为常的种种生活方式,都有超级计算机的参与。在网络日益普及的今天,面对数千万、数亿用户的访问请求,服务器必须有强大的数据吞吐和处理能力,而这正是超级计算机发挥作用的舞台。以天气预报为例,要预报未来7到10天的天气是一个计算量非常非常大的程序问题,如果计算机能力不够强,计算过程至少需要7天,这样的预报就没有任何时效性。由“天河一号”计算机来计算,则只需1个小时。在医药研制方面,超级计算机更具有不可替代的作用。传统上讲,研制一种新药,从化合物筛选到临床试验,一般需要10到15年的时间。如果有超级计算机运用,科学家可以在较短的时间内从几十万甚至几百万种化合物中筛选出有效的药物化合物,不仅节省了资金,而且大大缩短了药物研发的周期。在交通领域,“天河一号”可用于改进交通工具的空气流体动力学、燃料消耗、结构设计、防撞性、乘坐者舒适度和减少噪音等。此外,“天河一号”还可用于石油勘探、高端装备制造、动漫设计、新能源、新材料、工程设计与仿真分析、气象预报、遥感数据处理、金融风险分析等方面。

“超级计算机”被誉为计算机中的珠穆朗玛峰,代表了一个国家计算机设计、制造和应用的最高水平。“天河一号”的运算速度达到世界领先水平,其意义远远超过计算机本身,这意味着超级计算机被美日垄断的局面已被打破,这是中国科技迅猛发展的重要标志。

月球含有丰富的元素

月球是宇宙中距地球最近的天体,然而区区38万km的咫尺之遥造就了无数的奥秘和好奇。虽然月球探索的结果往往都是提出的问题比给出的答案多,但人类从未因此而驻足。2010年10月22日的Science发表了关于月球土壤的研究成果。该成果显示,月球土壤中不仅包含水,还包含很多化合物和元素,例如水银、钙、镁、一氧化碳和二氧化碳、氨、钠,以及少量银的迹象。

2009年10月,美国国家航空航天局(NASA)埃姆斯中心发射了半人马座火箭撞击接近月球南极处的凯布斯陨石坑,随后由月球坑洞观测与传感卫星(LCROSS)拍下照片,并对撞击掀起的尘埃成分进行分析,寻找水冰的迹象或其他成分。研究人员对由火箭撞击而掀起的尘埃云团进行了分析,并在其中一篇论文中指出,月球的风化土被不仅含有水分,还有羟基、一氧化碳、二氧化碳、氨、钠原子等其他物质,最让人吃惊的是竟然还有银。这些挥发性物质轻微地附着在风化土层的颗粒上。研究人员认为,在彗星、小行星和流星体数十亿年不断撞击月球的过程中,各种元素、混合物分类聚集成许多挥发性物质,这些物质沉积在整个月球的土被中,在撞击或阳光加热后会获得能量释放出来,或在整个月球表面运动,直至到达极地“陷”入冰冷的坑洞阴影之下。在凯布斯坑土壤中发现挥发性物质,这暗示了一场元素一边积累、一边损失到月球稀薄大气中的拉力赛,而且积累的力量占了上风。根据NASA阿波罗任务宇航员送来的资料,科学家还在月球的近面(朝向地球的一面)发现了微量的银和金。凯布斯坑发现银,这表示整个月球表面的银元素迁移到了极地,但银仅以小粒子的形式存在,无法被人类开采。

探测之所以会选择撞击凯布斯陨石坑,是因为它一直处于阴影处,温度低达-238℃,这一区域也从来没有被研究过。火箭撞击在陨石坑内产生了一个直径约21 m到30 m,深约1.8 m的洞,激起的月球尘埃形成羽毛状云柱,在凯布斯地面之上达800 m高。这样的高度可被阳光照射,因此尘埃柱的属性可用一种分光仪在4 min内检测出来。激起的尘埃数量接近2 t,含水大约5.6%,大约10亿加仑,这些水足以填满1500个奥运会用的标准泳池。长久以来,在月球上找水一直是人类的梦想,这一发现显示月球上的水远比想象的多。水的存在并不能使月球上曾有过生命的可能性增加,因为实验的地点是太阳系中最冷的地方。但是却增加了在月球上建立有人驻守基地的可能性。

美宇航局发现年轻黑洞

美国宇航局(NASA)于北京时间2010年11月16日宣称,科学家通过钱德拉X射线望远镜在距地球5000万光年处发现一个诞生仅31年的黑洞,这是人类迄今为止发现的最年轻的黑洞。它的发现让人们看到了黑洞诞生以及早期演化的整个过程,为研究早期黑洞提供了绝佳的资料。这个黑洞距离地球非常近,因此从1979年恒星开始爆发到现在的4年时间均有详尽的观测资料,这对于验证恒星演化和黑洞形成理论,并进而推断星系、宇宙中黑洞的分布以及有关的天体物理研究无疑将有重要帮助。

这个黑洞是距离地球约5000万光年的 M 100星系中的超新星SN 1979C的余烬。超新星SN 1979C是1979年由一位业余天文学家首次观测发现。科学家认为SN 1979C是由一颗质量为太阳20多倍的恒星坍塌后形成的。根据钱德拉 X射线望远镜、美国雨燕卫星、欧洲宇航局牛顿 X射线天文望远镜(XMM-Newton)以及德国伦琴卫星获得的数据显示一个明亮的X射线源,这个 X射线源在1995年到2007年这段观测期内一直非常稳定,这表明这个天体是一个黑洞,它正在吞噬这颗超新星和伴星落下的物质。这是唯一一个人类全程见证它形成的黑洞,也是目前为止超新星爆炸能够形成黑洞的唯一的直接证据。

2005年的一项理论研究报告显示,超新星SN 1979C的明亮光线的能量来源于一个黑洞的喷射流,该黑洞喷射流不能穿透恒星的氢气包裹层形成伽马射线暴。通过对这种情况的观测,以及对X射线光谱和能量的分析,科学家认为实际上SN 1979C在爆发时已有一个黑洞,其正不断吸收这颗超新星以及伴星落下的物质。科学家推断这个年轻黑洞的成长是超新星SN 1979C或者一个双星系统提供“营养成分”。它的发现不仅可以让科学家们了解大质量的恒星在生命晚期是如何爆发并且形成黑洞或中子星的,还有助于研究银河系中黑洞的数量。

美国“人造小太阳”首次点火

位于美国加州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家宣布,被称为“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)于 2010年 11月2日进行了综合点火实验——192束激光射向一个包含了氘气和氚气的玻璃管,最终释放出的能量高达130万兆焦耳,其中心最高辐射温度达316万℃,相当于恒星或大行星核心的温度,太阳中心的温度为1500万℃。尽管由于其自维持聚变反应堆没有点燃,NIF这一实验还不算真正意义上的点火实验,但科学家对NIF的未来充满信心。

NIF是全球最大的激光核聚变装置,也将是首个产能大于耗能的激光核聚变装置。该项目从1997年开始建造,2009年5月29日竣工,整个计划耗资22亿英镑。研究人员不惜代价不仅为了研究如何“驾驭太阳的能量”,这个计划还承载着人类的清洁能源之梦。

NIF会将192条激光束集中于一个花生米大小装有重氢(氘和氚)燃料的目标上,把燃料加热到1亿℃,并施加足够的压力使重氢核发生聚变反应,释放的能量将是输入能量的15倍还多,将可以模拟出同恒星内部或核爆炸一样强烈的温度与压力。核聚变实验是模拟太阳内部的核反应,与核裂变不同,核聚变反应的副产品只有氦气和中子,而没有放射性物质。另外,其燃料来源也非常丰富,氘可以从海水中提取,氚可以从土壤中常见的金属锂中提取。

20世纪70年代,科学家开始利用强大的激光束进行试验,压缩和加热氢的同位素,使其达到熔点,这一技术被称作惯性约束核聚变。激光发射器的作用就是促使这种核聚变快速和持续产生,包含氘和氚气体的目标物受到外部的刺激后,将发生爆炸形成冲击波,进一步加快目标物核心的燃烧,这种燃烧的持续性也更长。一旦这种核聚变成现实,国家点火装置内靶室的温度会超过5000万℃,内部压力将超过地球大气压的1千亿倍。

“人造太阳”技术可行性高、应用前景广阔,实际上,除了美国的“人造太阳”计划,中国、俄罗斯等世界大国目前都在研究类似“人造太阳”的核聚变技术。NIF的官员估计,使用核聚变反应堆的发电站将在2020年开始运行,到2050年将有25%的美国民用能源由核聚变提供。

超级细菌

2010年10月20日,日本新潟大学发布公报称,该校的研究人员在世界上首次拍摄到携带“新德里金属蛋白酶-1”(NDM-1)基因的“超级细菌”照片。研究人员表示,这种“超级细菌”长约2μm,与普通大肠杆菌相比,鞭毛更多,移动更快,更加灵活。此外,“超级细菌”表面被一层膜覆盖,能抵御白血球的攻击,生存力极强,并更具感染力。这种细菌的另一个显著特征是能够改变形状。

之后,加拿大和丹麦的一组研究人员揭开了细菌免疫系统的秘密,这一发现有可能解决某些细菌对抗生素产生抗药性的难题。该研究发表于2010年11月4日出版的 Nature上。

研究人员发现,选择特定的外源DNA片段并将其嵌入到细菌基因组的特定区域,这些片段便可作为一种免疫因子,抵抗DNA裂解入侵,这种技术被称为CRISPR/Cas技术。研究人员利用质粒证明了这一机制。实验中,研究人员将载有抗生素抗性基因的质粒注入嗜热链球菌中,其中一些细菌将含有抗性基因的DNA片段整合到了细菌基因组中。随后的实验发现,这些细菌拥有了不再接受质粒嵌入的特性。这表明,这些细菌获得了对抗性基因的免疫能力。这种现象也可以解释,为什么一些细菌能够发展出耐药性,而其他的细菌不具有耐药性。

生物进化

“雪球地球”或引发动物进化

2010年11月5日出版的 Nature网络版发表了美国生物地球化学家的研究报告,称他们在“雪球地球”冰川作用——在这一事件中,冰川包裹了,或者几乎包裹了整个地球——和5亿多年前激发生命的氧气的出现之间找到了一种可能的关联。

对于像人类这种密集呼吸的动物而言,地球的大部分历史时期都是不适宜生存的,只有在5亿多年前,氧气遍布于空气并溶解于海洋中,才向那些比海绵更活跃的动物的进化敞开了大门。如今,研究人员或许已经找到了有关这次动物发展的一个令人惊讶的触点：威胁要消灭所有地球生命的环绕全球的冰川期。他们测量了在古海洋中形成的富含铁的矿物中的磷含量,并以此作为海水中磷含量的标准。研究发现,在过去的30亿年中,磷的丰度变化不大,其中只有一个例外,即从约7.5亿年前持续到约6.35亿年前的一次比通常水平升高了数倍的激增。

磷水平在当时的一次激增很好地契合了动物进化的新兴局面。研究人员曾经注意到,两次雪球地球事件大致恰逢化石记录中最早期动物的出现,这意味着冰川作用触发了进化飞跃,其可能的触发原因为：雪球冰原磨碎大陆岩石,并当冰川退却时释放出磷。这些磷会被冲刷进入海洋,在那里为藻类的兴盛提供养料,进而促使有机物质和氧气的形成有了一个大幅的增长。进入海底淤泥中的更多的有机物质将为日后留下更多的氧气,并最终提高大气和海洋中的氧气含量。

进化关键点出现在约12亿年前

英国科学家在2010年11月11日出版的 Nature上撰文指出,他们在苏格兰的岩石中发现了一种可能生活在约12亿年前的细菌化石,这表明,地球上的氧气浓度增加到人类进化所需的程度这一重大事件发生在12亿年前,比科学家以前认为的要早4亿年。该研究结果有望让科学家重新理解地球大气以及依靠其为生的生命演化的时间表。

科学家一直认为,地球大气中氧气的浓度在大约8亿年前发生了重要转变。氧气浓度的增加标志着统治地球的生物由那时已经出现在地球上的简单有机物转变为复杂的多细胞有机物,而正是这些复杂的多细胞生物最终进化为地球上现有的生命。但是,英国阿伯丁大学的研究人员对在苏格兰高地西北部洛欣弗地区发现的一块古老岩石进行的化学成分分析表明,在大约12亿年前,一种重要的细菌已经出现在这些岩石内,并且已在进行较复杂的氧化反应,这说明当时环境中的氧气含量已经处于一个较高水平。研究人员表示,通常使用硫获取能量的这种细菌在大约12亿年前就开始在一个更加复杂高效的化学反应中使用氧气,以便获取能量维持生存。这种化学反应告诉我们,那时大气中氧气的浓度位于进化史上的关键点。

细胞黑客

最近,美国生物学家研究出一种基因线路,可以按照需要编制程序,指示细胞对想要的信号作出响应。这项技术有着广泛用途,比如诱导干细胞分化成体内的不同组织,或在营养不良时激活植物的防御机制等。相关研究发表在2010年11月26日出版的Science上。

研究人员表示,该技术的主要难点在于如何控制细胞行为,以及如何开发细胞路径,从广泛意义上讲,就是对细胞的行为和决策进行控制,让其对任何感兴趣的蛋白质作出反应。为此,研究小组制造了一段DNA作为基因线路,将其插入细胞转录为RNA后,它会去探寻细胞内部是否存在某种特殊的目标蛋白质,一旦找到,线路就会给这种蛋白质编码。例如,其中一种线路包含了一种酶的基因,这种酶能让细胞对抗病毒药物更昔洛韦更加敏感。研究人员在基因序列中插入一个停止信号,以防止细胞通过信使 RNA生成工作蛋白质;到下一个停止信号时,它们会编码一小段RNA作为一个适配子,识别一种叫做 beta-联蛋白的信号蛋白质(在某些肿瘤中beta-联蛋白会被过表达);找到目标后适配子就会与其结合,由此会让细胞与信使DNA以某种方式铰接,从而清除停止信号以产生酶。为了检验设计线路的效果,研究人员激活了人体细胞产生额外的beta-联蛋白,让它们变得像癌细胞,然后用更昔洛韦来治疗,结果显示,含有编制线路的细胞都被药物杀死了。

研究人员表示,一条线路里有多个适配子感受器,能对不同类型的蛋白质起不同的反应。从理论上说这种线路能包含任何基因,也可以设计适配子来识别任何蛋白质。通过扭转这种线路里的“线”,能让细胞不仅对存在的蛋白质发生响应,还能对缺失的蛋白质发生响应。

(2010年12月5日收到)

(责任编辑：方守狮)

Amazing Scientific and Technological Achievements

XU Han

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.06.011