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周国民:“融合科学”国内外实践及对农业科技发展的启示

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  “融合科学”是一种数据驱动的科学研究新范式,旨在通过多学科交叉融合手段来研究生命、信息、能源、环境等领域的重大科学问题,解决人类可持续发展所面临的重大经济社会问题。当前,全球新一轮科技革命和产业变革蓄势待发,信息技术、生物技术、新材料技术等广泛渗透到农业的各个领域,正引领农业技术变革升级、发展方式加快转型和产业格局深度调整,学科融合发展成为紧迫的需求,迫切需要跟踪国内外“融合科学”的发展动态,促进“融合科学”范式在农业科学研究中的应用。

  一、“融合科学”的缘起和特征

  上世纪40年代兴起的各类学科交叉研究和使命导向研究,在21 世纪初期逐渐演变成一种基于多学科融合来解决重大问题的科研新范式——“融合科学”(Convergence Science,又译为“会聚科学”),它是学科交叉研究的延续,是以一种更深入、更主动的方式将多个学科的知识和技术整合到一起,以解决最紧迫的科学和社会挑战。

  与现有的科学研究范式相比,作为一种新的科研范式的“融合科学”有如下一些特征。

  特征一:问题导向。“融合科学”是以解决重大问题为导向和最终目标的一种科研新范式,通常用于解决一个特定挑战或机遇的需要,或迫切的社会需求,或深层次的科学问题,或紧迫的工程研究问题。例如,随着大数据时代的到来,现有存贮技术和计算技术都遇到挑战,即内存墙的冯·诺伊曼瓶颈和摩尔定律的工程瓶颈,科技界就将目光投向了信息技术和生物技术的融合研究,探索用DNA来存储信息,发展生物启发计算技术。2013年美国半导体研究联盟启动了“半导体合成生物技术”融合研究项目,2018年更是首次发布了“半导体合成生物学路线图”。上个世纪以来一直作为独立学科发展的生物技术和信息技术出现了深度融合发展。

  特征二:链式融合。与传统科研范式重在知识发现或技术发明相比,“融合科学”在重大经济社会问题导向下,通过整合多个学科领域的知识、技能和工具,形成一个全面、综合的问题解决框架,构建一个多方权益主体共同参与的、覆盖从知识发现到知识应用的完整创新链条,发现新知识,研发新技术,创制新产品,实现科学研究从问题中来、到问题中去的闭环过程。

  特征三:语言融通。促进交叉融合研究项目需要打破学科的语言壁垒、增强彼此了解和联结后才能形成。与现有的多学科研究、跨学科研究、交叉学科研究范式相比,“融合科学”不再是仅仅考虑不同学科的知识、技能和工具相互影响、相互作用,或者简单地把不同学科的研究人员聚集在一起,从不同侧面来研究同一个问题。例如,在交叉学科研究范式中,农业信息技术就是把信息技术的知识、技能和工具用在农业的研究中。“融合科学”更强调围绕重大问题,不同学科的研究人员共同设定研究目标、设计研究实验、分析实验数据,在整个研究过程中,不同的知识、理论、方法、数据频繁地相互交织和影响,形成不同学科人员之间能共同理解的研究框架、共有的科学语言、共用的科学数据、共识的分析方法。

  特征四:数据驱动。“融合科学”项目需要在一个共同的科学数据平台上开展,不同学科可以在一个共同的数据池中开展挖掘分析研究,科学数据成为不同学科融合联结的节点,同时汇聚的科学数据大量应用也促进各学科向数据密集型研究范式转变。上世纪80年代,欧美等发达国家建立的NCBI数据库、EBI数据库和DDBJ数据库,不但推动了基因科学数据的开放共享,更是促进了信息科学和生命科学的融合研究。数据在生物科学研究中广泛应用,使得生命科学从“实验驱动”向“数据驱动”转型发展,促进生物技术往信息化、工程化、系统化方向发展,并朝着可定量、可计算、可调控和可预测的方向跃升。

  二、“融合科学”的国内外实践

  欧美发达国家十分重视融合研究。2010年,麻省理工学院专门成立了以“融合科学”新范式为主导的科赫研究所,旨在通过科研组织和管理方面的新机制与“融合科学”新范式相配合,尤其是“融合科学”所要求的数据开放和共享,针对癌症相关的重大问题开展多学科融合攻关,已成为美国乃至全球实践“融合科学”新范式的高地。2011年,美国麻省理工学院发布“融合科学”白皮书,首次提出生命科学、物理学和工程学的“融合”代表着生命科学研究第三次重大变革。2016年,美国国家科学基金会提出的未来十大项目计划中,发展融合研究是其中计划之一,作为机制和支撑创新类计划,其主要目标是在现有的学科交叉领域,提出解决紧迫的科学和工程学研究问题的融合方法。欧盟的“地平线2020”计划中也专门设有支持融合研究的项目。

  我国对学科交叉融合研究非常关注。2006年实施的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》强调促进学科交叉发展,其后设立的蛋白质研究、量子调控研究、纳米研究、发育与生殖研究等4个重大研究计划都在不同程度涉及学科交叉融合研究。国家自然科学基金委员会自成立伊始,就设立了重大项目来支持学科交叉研究,2001年开始实施的重大研究计划,更是将支持学科交叉融合发展作为目标之一。

  中国科学院在实施知识创新工程过程中,就围绕生命科学、脑智科学、信息科学、物质科学等进行多学科交叉,并创立一些新的交叉学科研究中心,从科学观念、战略思想、体制和机制、组织管理、学科结构等多个方面来全面适应“融合科学”的发展趋势。

  2017年成立的中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所就积极开展“融合科学”实践,在学科融合发展方面取得了重要进展。研究所通过打造开放交叉合作平台,汇聚国内外合成生物学领域青年骨干及海内外领军科学家,打造了一支年轻有活力、多学科融合的前沿创新团队,建成了全自动化实验室、云端实验室等理念前瞻的科研基础设施,采用合成生物学的工程化设计理念,开展人造生命元件、基因线路、生物器件、多细胞体系等合成再造研究,实现了生物技术、信息技术、工程技术的融合创新。

  浙江大学2018年启动实施创新2030计划项目,集中优势学科力量,在脑科学与人工智能、量子计算与感知、生态文明与环境科技创新、农业设计育种等领域进行了布局,实施智慧海洋计划、精准医学计划、超重力计划、天工计划等科学计划,积极探索学科交叉融合新模式。目前已取得了一批标志性成果,学科前沿创新和融合造峰成效初显。

  三、“融合科学”对我国农业科技发展的启示

  当今科研已经进入“融合科学”和数据密集型科学发现的新时代。农业科学本质上是一门应用科学,问题导向式的多学科交叉融合研究对促进农业科技发展具有重要意义,国内外“融合科学”的实践经验值得我们借鉴。

  (一)深刻认识“融合科学”新范式带来的科研管理变革

  从科技发展态势看,新一轮科技革命正在兴起,科研范式正在发生深刻变革,学科交叉融合大势所趋。因此需要认真分析科研范式变革的动因、形式和影响,在注重科学问题研究本身之外,也要关注科研范式变革对科学研究的影响,坚持科技创新和制度创新的“双轮驱动”。在科研管理中,需要不断优化学科布局和完善学科交叉融合机制,围绕新型融合研究平台创立、融合科学计划谋划、融合项目设置、科学数据共享等方面来推动“融合科学”发展。

  (二)积极探索“融合科学”范式在农业科研中应用实践

  我国正在走产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的农业现代化道路,农产品消费模式正由温饱型逐步转变为安全、营养、健康型。因此需要通过生物技术、信息技术、新材料技术的交叉融合发展,建构以高效农业、智慧农业、绿色农业等为特色的农业技术新体系,促成“融合科学”范式的形成,推动理念融合、技术集成和工程协同,提升农业科技创新效能。例如,以我国主要粮油作物为对象,融合开展基因组学、系统生物学、生物信息学研究,揭示重要农业性状形成的分子机制,促进种业源头创新。针对我国农业重大生物灾害,融合开展微生物组与植物、动物的相互作用研究,揭示内在相互作用机理,以及其带来了生物学与生态学的效应,为绿色农业发展提供有效的策略。围绕主要农作物生产管理,融合开展高精度、精准、可现场部署的生物传感器研究,构建天空地一体化传感网络,着力农业生产管理数据的存传管用,实现智慧农业。

  (三)构筑支撑“融合科学”的农业科学数据开放平台

  科学数据开放共享是实现“融合科学”新范式的重要支撑。2019年6月科技部发文依托中国农业科学院农业信息研究所等单位成立国家农业科学数据中心,推动农业领域科学数据的汇交与开放。2017年,农业农村部部署实施农业科技基础性长期性工作,搭建起以国家农业科学观测站为基础的农业科学长期观测网络,开启农业科学数据的系统化采集和挖掘分析应用。这些平台的建立极大地促进了农业领域科学数据的开放共享,但与支撑“融合科学”发展的需求相比,还需要进一步完善。下一步,农业科学数据开放平台需围绕具体的“融合科学”计划项目,农业科学数据平台建设与共享应用并重,系统观测大数据与科研项目小数据并重,筑平台,汇数据,促开放,强应用,全面支撑“融合科学”发展。

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