第十四章面向国家重大战略需求的基础研究

第十四章面向国家重大战略需求的基础研究

内容提要：神经、免授、内分泌系统在健康与重大疾病发生发展中的具有重要作用。掌

握病原体传播、变异规律和致病机制，以及药物在分子、细胞与整体调节水平上的作用机理

是实现人类健康的重要基础性工作积极发展中医药学理论体系。认识植物杭逆性及水分养

分和光能高效利用机理，开展农业生物安全与主要病虫害控制原理研究，是解决农业问题大

基础科学问题。认识重点流域大规模人类活动的生态影响、适应性和区域生态安全，从而更

好为人类健康服务。海洋资源可持续利用与海洋生态环境保护关系我国经济全局。全球气候

变化对中国具有巨大影响。研究青藏高原和极地对全球变化的响应及其气候和环境效应，温

室效应的机理，气溶胶形成、演变机制及对气候变化的影响及控制是营造人类有利生活环境

的必需邵分。研究可再生能源规模化利用原理和新途径，大规模核能基本技术和氢能技术的

科学基拙是解决能源问题的关健之一。纳米研究是国际前沿性学科。我国其他关键科学技术

还涉及生殖与发育、干细胞等诸多领域。

核心概念：神经一内分泌一免疫系统；中医药理论体系；全球气候变化；气溶胶；可再

生能源；氢能；纳米技术。

第一节人类健康与疾病的生物学基础

一、重大疾病发生发展过程及其干预的分子和细胞基础

蛋白质组学是继基因组学之后，国际科学界关注和竞争的又一个焦点。随着人类基因组

全序列测定的完成，人类基因组中绝大部分基因及其功能都需要在蛋白质水平上揭示与阐

述。蛋白质组学将全面研究细胞、组织乃至整个生命体内蛋白质组成及其活动规律，全景揭

示生命活动的本质和规律、阐明重大疾病发生发展机制，同时，蛋白质组研究也是开发新型

药物，促进生物医药产业腾飞的重要途径，随着研究的深人，人们可以直接获得一批应用性

抗体、发现一批诊断和药物靶标，并依此研究发现大量新药，从而推动整个生物医药产业的

迅速发展。另外，蛋白质组研究还将刺激和带动其他生物、分析、信息、材料等相关技术、

设备与产品的产业化发展，通过新技术和新产品的应用，广泛影响工业、农业、畜牧业、环

境保护等领域的发展，从而推动整个国民经济与整个社会的发展与进步。为

此，国际科学界

将人类蛋白质组作为21世纪最大的战略资源之一，在联合完成了“人类基因组计划”后，

又推出了规模更大的“人类蛋白质组计划”。

二、神经、免疫、内分泌系统在健康与重大疾病发生发展中的作用

免疫、神经和内分泌系统是动物和人体内三大调节系统。这三大系统之间不仅存在大的

回路，而且彼此之问还进行着直接的双向交流，维持着机体正常的生命活动。这种功能I:的

相互联系是通过三大系统共同存在的细胞因介、神经递质和内分泌激素及受体实现的免疫

系统的细胞（淋巴细胞、巨噬细胞等）在病毒、内毒素等的作用下可以产生不同的所谓

“免疫递质”( immune transmitter）来作为应答，这些“免疫递质”包括淋巴因子、胸腺素、

内源性阿片样物质A CTH、TSH、IL--1等等。例如研究发现感染病毒的淋巴细胞可产生一

种与ACTH具有共同抗原特性和生物活性的蛋白质，此物质局限在垂体及大脑内，称为阿黑

皮素原（proopiomelancortin, POMC)，并证实POMC即为ACTH的前体；在激活的淋巴细胞

内含有与催乳素和生长激素相同的MRNA，推测淋巴细胞也可能是这两种激素的来源；另

外．还证实淋巴细胞可对LHRH的刺激产生免疫应答而分泌LH，它与垂体所分泌的LH具

有同样结构的β亚单位，经T细胞激活的淋巴细胞可反应性地产生FSH。这些不同的“免

疫递质”首先能对兔疫系统本身施加不同的影响，从而使免疫系统受到不同的调节效应。

此外，不同的“兔疫递质”也能对神经和内分泌系统起不同的作用，使机体的许多功能

（其中包括免疫功能）受到相应的调节。

神经内分泌系统与免疫系统有各自的活性物质，但共有促肾上腺皮质激素和内啡肮等物

质，又同时都有这些多肤的受体，因此，人们认为促肾上腺皮质激素和内啡肤是神经内分泌

系统与免疫系统相互联系的信使和渠道。在细菌、病毒及其他抗原性物质进人机体后，特异

性淋巴细胞识别抗原，引起相应的免疫应答。与此同时，免疫系统释放多肤因子，向神经系

统发出信息，神经内分泌系统产生相应的生理或病理反应。同时，神经内分泌系统又反过来

通过共同的多肤因子，将信息反馈给免疫系统，再引起正常的或异常的免疫应答。

三、病原体传播、变异规律和致病机制

世界正面临着传染病的严重挑战，一些过去基本控制的传染病卷土重来，而随着自然、

社会因素的变化，新的传染病在不断出现。最近十余年来，全球几乎每年都有新发传染病流

行近30多年来，世界上出现了40余种过去从未认识的传染病。如艾滋病、疯牛病、埃博

拉出血热、SARS以及人感染高致病性禽流感。最近十余年来，全球范围内几乎每年都有新

发传染病的流行。新发传染病的流行严重危及人类健康与生命安全，影响经济和社会的发

展。我国口前已有至少十余种新发传染病出现并造成流行，同时还存在其他新发传染病传八

的可能。我国目前部分传染病发病率仍居高不下，如病毒性肝炎、流行性出血热、细菌性痢

疾等；部分曾被控制疾病出现流行扩散趋势，如肺结核、性病、血吸虫病；一些新发传染病

也已在我国出现并造成流行，例如艾滋病、SARS、禽流感。我国还存在其他新发传染病传

人的可能，包括埃博拉、西尼罗、尼帕等，因此对于新发传染病的防控必须加强。新发传染

病特点是涉及的病原体种类繁杂、传播途径各异，感染方式复杂多变、容易造成跨国界、跨

洲界甚至全球性传播。人类普遍缺乏对新发传染病的免疫力，且新发传染病的早期发现及诊

断较为困难，并缺乏特异的预防和治疗方法。同时，新发传染病发生、出现具有很大的不确

定性，加强部门联防联控，完善应急预案和监测预警体系，加强科学研究，并广泛开展国际

合作，共同应对新发传染病疫情。

四、药物在分子、细胞和整体调节水平上的作用机理

光导化合物的发现与优化、甚于药效团的分子设计、基于结构的分子设计、构效关系研

究、乡巳合化学、药物代谢、药物作用机理研究、药物作用新靶标的发现等多个专题是当前药

物研发的前沿和重点药物作用机理是阐述药物在体内如何起作用的理沦对于药物特异作

用及其机理进行研究，现已发展到细胞、亚细胞和分子水平特别是一些药物受体的纯化及

克隆，为深入了解药物作用的本质及体内一些重要的生理生化过程提供了重要的理论依据。

（一）非特异性药物作用机理有些药物的作用主要与药物的理化性质如解离度、溶解

度、表面张力等有关，其化学结构缺乏特异性。例如口服硫酸镁，M g2＋和

SO42-不易被

肠壁吸收，在肠内造成高渗，阻止水分自肠道吸收而起导泻作用。静注甘露醇高渗注射液，

对周围组织有脱水作用，可清除脑水肿或肺水肿。口服抗酸药如三硅酸镁可中和胃酸，治疗

消化性溃疡。口服活性炭，具有吸附胃肠内有害物质的作用，用于食物中毒。

（二）特异性药物作用机理大多数药物属于特异性药物( Specific drug) ,它们的生物

活性与化学结构密切相关，能与机体生物大分子的特定功能基因结合，产生一系列生理生化

效应。这些药物大部分作用十受体。有些通过影响递质或激素的释放和分泌起作用。如利血

平耗竭去甲肾上腺能神经递质去甲肾上腺素（NE）贮存而发挥降压作用；大剂量黄体酮抑

制腺垂体黄体生成素（LH）抑制排卵。有些药物影响自体活性物质而起作用，如阿司匹林

（乙酰水杨酸）能抑制体内前列腺素的合成从而产生解热镇痛及抗血小板聚集等作用。还有

些药物影响离子通道，如抗心律失常药，改变心肌电生理而起作用。

由于大多数药物通过与特异性受体结合而起作用，所谓受体是细胞膜、胞浆和胞核内的

一些能与生物活性分子如神经递质、激素、药物相互作用的分子。其中蛋白质是最重要的一

类药物受体。

五、环境对生理过程的干扰

开展环境与人类健康的基础研究是环境科一学与医学共同面对的课题，在环境问题中，化

学物质污染占70%左右，其中以环境内分泌干扰物( Environmental Endocrine Disruptors,

EEDs）对环境质量和人类健康影响最广，危害最大。EEDs指存在于环境中并能干扰体内天

然激素的合成、分泌、运输、结合、作用、代谢或消除的外源性化学物质，表现出拟天然激

素或抗天然激素的作用，通过干扰机体的内分泌功能，引起中毒或在较低的接触水平即对

心、肺、肝、肾、性腺等器官产生危害，通过改变人的内分泌系统而致病。

六、中医药学理论体系

中药是中国医药行业参与国际竞争的优势所在。中医药学的发展，离不开历代中医药学

家在临床医疗实践中以中医药学理论为指导，通过在临床实践中研究、发现问题，创新思

路、建立新学说，对其基础理论进行的创新、补充和发展。中医药学既有它发展时理论学术

思想中基本理论的“不变性”（即“原则性”，也有人称“封闭性”），又有其

接受外来医药

知识的“吸纳性”和“改造融合性”，这也是中医药学与时俱进、不断发展的根源所在。她

既吸纳人类发展各个不同时期社会科学（包括哲学、政治、军事）的各种学术观点，也吸

收各种自然科学学科的知识纳人中医药学理论中，同时，也引进当时其他医学的治疗思想和

方法，将其补充、归化为中医药学的内容。中医药的现代研究应该结合具体的中医药学研究

对象和研究目的。在中医药现代化研究中，有不少研究课题从一开始就脱离了中医药临床实

际，脱离了中医药理论，忽视了统计学的指导作用。因此，其研究结果很难说明问题、很难

被中医药界所认可和接受，而队对中医药学的临床实践也起不到任何作用。中医药学是医学

科学，在临床医疗中治愈很多疾病，其临床疗效为社会所公认。进行中医药研究不应是研究

中医药是否能治疗疾病，疗效是否可靠、可以重复，而应是研究中医药是如何治疗疾病的、

如何治愈疾病的，尤其是如何治疗过去没有发现和记载过的疾病以及西医药无法诊断（实

验检查无阳性指标与病理发现）和无法治疗的疾病（如肿瘤晚期），甚至是应用西药后出现

不良反应而西医无法救治的疾病（相似于中医古籍中记载的“坏病”）等。这是中医药研另

的指导思想问题。医药学界也随着基因学利一的飞速进展，从生理、病理到临床各科，从临肺

诊疗技术到治病用药，从治疗概念到用药选药方法的认识，都发生了翻天覆地的巨大变化

继基因组学、蛋白质组学之后，提出了系统生物学的新概念。以往的研究注重于某个基因双

细胞及机体的影响，如通过敲除或敲人某个基因来实现研究构想，但基因的功能表现是许许

多多基因共同参与的网络信息调控的结果，我们只观察到了这个基因对机体的影响所带来就

结果，而不清楚这个基因给整个基因网络所带来的改变具体发生在哪里。至今对人类基因组

中的10000 -20000个基因的功能还不甚了解或对其功能的确认表示怀疑，因此必须对这些

基因的功能进行重新注释。这说明现代生命科学界的科学家们也已开始自觉或不自觉地引进

和应用中医药学的整体观念了。

第二节农业生物遗传改良和农业可持续

发展中的科学问题

一、生物多样性与新品种培育的遗传学基础

生物多样性是人类赖以生存的物质基础。它提供人类所有的食物和许多诸如木材、纤

维、油料、橡胶等重要的工业产品。中医药绝大部分来自生物，它是维持人们健康的重要组

成部分。人类生存与发展，归根结底，依赖于自然界各种各样的生物。生物多样性是人类赖

以生存的各种生命资源的汇集和未来农林业、医药业发展的基础，为人类提供了食物、能

源、材料等基本需求。生物多样性的生态功能价值也是巨大的，它在自然界中维系能量的流

动、净化环境、改良土壤、涵养水源及调节小气候等多方面发挥着重要的作用。丰富多彩的

生物与它们的物理环境共同构成了人类所赖以生存的生物支撑系统，为全人类带来了难以估

价的利益。生物多样性的存在，使得人类有可能多方面，多层次地持续利用，为人类的生存

环境提供保障。丧失生物多样性必然引起人类生存与发展的根本危机。保护生物多样性已成

为21世纪全人类共同关注的重点。中国是地球上生物多样性最丰富的12个国家之一。中国

野生物种和生态系统类型多，仅高等植物就有3万多种，脊椎动物6347种，分别约占世界

总数的10%和14%。另外栽培植物和家养动物品种及其野生近缘种的繁多，超过世界上任

何其他国家，如水稻有5万个品种、大豆有2万个品种、药用植物有1万多种等等。此外，

中国特有属、特有种多，科研价值高。中国生物多样性丰富程度在北半球首屈一指。但是，

中国历史上战乱频繁，人口众多，近年经济发展迅速，对生物多样性破坏十分严重。中国保

护生物多样性的任务极其繁重二千姿百态的生物给人以美的享受，是艺术创造和科学发明的

源泉。人类文化的多样性很大程度上起源于生物及其环境的多样性。

利用多样性的生物资源，进行深度开发将成为生物技术创新的源泉，并培育新兴生物产

业培育一批能源植物新品种、经济林木新品种，培育具有特殊用途的植物如纤维植物、油

脂植物、芳香植物、食用植物等新品种，为工业、精细化工提供重要的原料和制剂等。培育

一批环保植物新品种，包括环境监测植物、抗污染植物、防风固沙植物、改土增肥植物、改

良环境植物、绿化美化植物等，为改善生态环境提供技术支撑。

二、植物抗逆性及水分养分和光能高效利用机理

据统计，我国的干旱、半干旱地区约占国土面积的一半以上，年受旱面积达3-4亿亩。

特别是担负我国粮食生产任务65%以上的华北、东北和西北，恰恰是我国最缺水的地区，

即使在非干旱的农业区，也常常因季节性干旱而对农业生产产生严重影响。我国现在有1亿

亩盐碱土拼地，还有3亿亩盐碱荒地尚待开发，另外北方灌溉地区的次生盐渍化土地生产潜

力还有待进一步挖掘.同时我国淡水资源严重短缺，仅为世界人均占有量的1/4，但我国灌

溉水的利用率和农田水分生产效率却很低，不足发达国家的一半。还有，我国既是磷、钾矿

产资源贫乏的国家，又是粮食产量受磷、钾限制最严重的国家之一。同时我国作物的磷、钾

肥利用率很低，其中磷肥的当季利用率只有10%-15%。面对我国人口不断增长、耕地和

水肥资源日益减少、环境状况急剧恶化、粮食供需矛盾日益尖锐的严峻现实，如何通过提高

作物的抗旱、抗盐、耐养分亏缺的能力和水分、养分资源利用效率来增加粮食产量、节约资

源和改善环境，已成为我国农业持续高效发展的重大需求。国家中长期科学和技术发展规划

纲要（2006-2020年）中明确指出，“把发展能源、水资源和环境保护技术放在优先位置，

下决心解决制约经济社会发展的重大瓶颈问题”。水资源已列到重点领域及其优先主题。

合理利用植物的特异性基因资源，采用保护生物学理论、分子遗传学理论、现代育种学

理论和基因工程技术，在分子、蛋白质和细胞体层次上研究各类植物的抗生物与非生物逆境

肋、迫特异性基因适应相关表达的调控，阐明植物抗逆性调控机制。

三、农业生物安全与主要病虫害控制原理

近10年来，中国的现代生物技术有了较快发展，转基因抗虫、抗病毒和品质改良农作

物和林木已有100多种，转基因棉花、大豆、马铃薯、烟草、玉米、花生、菠菜、甜椒、小

麦等进行了田间试验，其中抗虫棉、抗病毒番茄等6种品种已商品化生产。中国转基因动

物、微生物的研究也取得重人进展。随着中国经济的发展和对外开放的逐步深化，今后可能

会有越来越多的转基因生物在中国境内进行环境释放。

根据《中国国家生物安全框架》的有关内容，中国的生物安全政策主要由以下几个部

分组成：①生物安全管理的总体目标：通过制定政策、法规制度和相关的技

术标准，把现代

生物技术及其产品可能对生物多样性、生态环境和人体健康产生的危险降低到最低限度，以

最大限度地保护生物多样性、人类健康和生态环境，同时促使现代生物技术的研究开发和产

业化能够健康有序地进行；②生物安全管理的总体原则：研究开发与预先防范并重，预防为

主，统一监管与部门分工管理，科学管理，公众参与，加强生物安全国际事务合作；③转基

因活生物体及其产品的国内市场开发政策：按照生物安全等级，对各类现代生物技术产品的

商品化生产、销售和使用分别实行鼓励、限制或禁止措施，鼓励低风险现代生物技术产品的

生产、销售和消费，禁止生产高风险的转基因生物与产品，努力使转基因生物及其产品在生

产、转运、销售和使用过程中可能对生物多样性、人类健康及生态环境的影响降低到最低水

平。

生物技术为控制农作物病虫害正在发挥重大作用，不但增加了农业产量，降低了成本，

还减少了对农药的依赖一项调查显示，目前已有大豆、玉米、棉花、南瓜等六种经生物技

术改良的农产品进人市场每年仅美国可使食品和纤维产量增加180万吨，农户增收巧亿

美元，减少使用农药2万吨。另一项对27种农作物的综合估算则显示，如果这些农作物都

用生物技术开发抗病虫害新品种，可以使美国每年增收636万吨食品和纤维，使农户增加收

入25亿美元，并减少使用农药7.4万吨。研究报告说，在某些情况下生物技术是避兔大规

模病虫害的唯一途径。比如使墨西哥果园遭受毁灭性打击的柑橘衰退病毒就是一个例子，这

种病毒可能很快就会侵袭美国得克萨斯州，破坏那里年产值4800万美元的柑橘种植业，只

有开发抗病毒柑橘品种才能防治这种病毒。又如灌木化矮态病毒对树幕危害甚烈，这种木本

植物有15年生长周期，但遭受病毒侵害之后五年就得砍伐，使种植者每年损失4500多吨树

毒如果培育抗矮态病毒品种，则可避免这种损失，每年还可减少使用近170吨熏蒸剂。

第三节人类活动对地球系统的影响机制

一、资源勘探与开发过程的灾害风险预测

重点开发内容和预期目标

（一）油气藏勘探关键技术①油气勘探综合评价新技术。重点开发前陆

盆地、隐蔽岩

性油气藏、海相碳酸盐岩油气藏的勘探综合评价技术。②高精度、高分辨率地球物理勘探技

术。重点是针对复杂地表和地质条件下进一步提高三维地震的精度和分辨率。开发浅海、海

上过渡带地震勘探技术。③海上油气勘探关键装备。重点研制海洋地震勘探装备，海洋钻、

修井装备。通过关键技术开发，使探井成功率在现有水平上提高5 %。在山地、黄土源及深

层地震勘探领域有突破性进展，达到准确构造成像的水平；振幅保真成像技术达到实际应用

水平；提高油气预测水平，三维地震分辨率再提高20%一50%；隐蔽复杂油藏识别、前陆

盆地勘探、碳酸盐岩储层勘探、天然气勘探和深层勘探等技术有重大突破。

（二）油气田高效开发新技术提高采收率新技术。重点开发高含水油田改善水驱、剩

余油精细挖潜、三次采油提高采收率技术；低渗透油气藏、稠油、超稠油的开采新技术以及

特殊工艺钻井技术。通过上述关键技术的实施，使采收率平均提高0.5%到1 %。满足油气

勘探开发的目标需求、提高开发整体效益；提高钻井工程效率、降低钻井工程成本

（三）煤炭资源高精度勘探及地质保障技术①西部煤炭资源高精度勘探技术。重点开

发山区、黄土源区、沙漠、戈壁地区三维地震勘探的整套数据采集、处理与解释技术。②东

部深部煤炭地质勘探及地质保障技术。重点是地面三维地震勘探新技术研究，井下长距离超

前探测技术为主的地球物理综合地质保障技术开发等。提出西部复杂地震地质条件（山区、

黄土源地区、沙漠、戈壁地区）开展地震勘探的整套工作方法，显著提高分辨率。提供一

套针对东部地区深部煤炭1000米深度以上范围内3一5米小构造精细勘查物探技术；实现对

掘进工作面前方150米内地质条件的综合预报

（四）深厚冲积层建井及资源高效开发新技术①深厚冲积层建井技术。重点开发600

米以上深厚冲积层钻井法、冻结法特殊凿井技术②薄煤层全自动刨煤机成套装备。重点开

发自动控制系统软硬件、支架电液系统及工作面自动化作业程序、电液系统的配套、综采创

煤机各设备间的配套合理性研究③边角煤开采技术与装备。重点开发适合我国煤层和矿井

条件的高效短壁开采工艺；开发连续采煤机、连续运输系统及其配套生产装

备掌握冲积层

厚度为400 -600米情况卜的建井关键技术及冻结法特殊凿井技术。提高难采煤层资源回采

率．并使设备国产化程度达到95%。形成2. 5一4米煤层或综采边角煤层条件下，年产150

力一200万吨能力的成套技术和配套装备

（五）提高紧缺金属矿找矿率的先进勘查技术①伴生金属矿集区资源勘查技术。重卢

开发500米以下、强干扰环境隐伏矿找矿技术。②大型矿山外围接替资源综合探查技术。压

绕大型钢、铁等生产矿山，重点开发成矿地质、多频激电、地电化学找矿技术。大幅度提高

我国大型金属矿山深部和外围金属资源的找矿率，增加新的紧缺资源（其中：铜金属量400

万吨、铁金属】亿吨），有效提高紧缺金属资源保障程度。

（六）难处理金属矿产资源高效利用技术重点开发深部及复杂难采矿体开采综合技

术；复杂难处理金属矿的高效分离技术；低品位复杂难处理矿高效冶金技术。实现对复杂矿

体开采的低成本和高效率，提高回采率5％以上；提高充填效率，改善作业环境并实现矿山

无废开采，形成我国具有自主知识产权的复杂矿体和深井开采关键技术体系。解决复杂难处

理矿的高效选矿新药剂、新工艺，提高大型高效的选矿技术装备水平。解决制约我国湿法冶

金技术大规模发展的瓶颈问题，形成具有自主知识产权的复杂硫化矿加压、生物浸出技术。

二、重点流域大规模人类活动的生态影响、适应性和区域生态安全

好的生态环境是财富，是实现可持续发展不可替代的条件。人类究竟是怎样影响区域环

境和受环境所影响的？其后果如何？个人和社会怎样减缓和适应环境的这些变化？决策者针

对这些变化所选取的政策如何影响现在和未来的社会和经济发展？这些正是目前国际社会对

全球环境变化的人类影响研究的核心问题。为此，国际科联（ICSU）和国际社科联（ISSC )

发起了有关全球环境变化研究的几个主要计划，其中与人类活动管理密切相关的有：①国际

科联环境问题科学委员会（SCOPE）的计划，正在开展的科学计划包括人文和自然资源管

理，生态系统过程和生物多样性管理，健康与环境的生态安全管理等三大领域。②全球环境

变化的人类影响国际研究计划（简称IHDP），定义人类影响包括个人和社会对环境变化的

影响方式和途径；受环境变化影响的程度和过程；以及减缓和适应环境变化的对策和行动。

③组织了土地利用管理与土地覆盖变化（LUCC），全球环境变化和人类安全管理

（GECHS)，全球环境变化的体制因素（IDGEC )，产业转型（IT)等领域的研究。

三、海洋可持续利用与海洋生态环境保护

我国是海洋大国，管辖海域广阔，海洋资源可开发利用的潜力很大。加快发展海洋产

业，促进海洋经济发展，对形成国民经济新的增长点，实现全面建设小康社会目标具有重要

意义。主要海洋产业有海洋渔业、海洋交通运输、海洋石油天然气、滨海旅游、海洋船舶、

海盐及海洋化工、海水淡化及综合利用和海洋生物医药等；涉及的区域为我国的内水、领

海、毗连区、专属经济区、大陆架以及我国管辖的其他海域（未包括我国港、澳、台地区）

和我国在国际海底区域的矿区。海洋经济是开发利用海洋的各类产业及相关经济活动的总

和。我国海洋经济居世界沿海国家中等水平，目前正处于快速成长期。发展海洋经济已具备

良好的自然条件、经济基础和社会环境，但也存在一些问题。如，海洋经济发展缺乏宏观指

导、协调和规划，海洋资源开发管理体制不够完善；海洋产业结构性矛盾突出，传统海洋产

业仍处于粗放型发展阶段，海洋科技总体水平较低，一些新兴海洋产业尚未形成规模；部分

海域生态环境恶化的趋势还没有得到有效遏制，近海渔业资源破坏严重，一些海洋珍稀物种

濒临灭绝；部分海域和海岛开发秩序混乱、用海矛盾突出；海洋调查勘探程度低，可开发的

重要资源底数不清；海洋经济发展的基础设施和技术装备相对落后。加快海洋科技创新体系

建设，进一步优化海洋科技力量布局和科一技资源配置。加强海洋资源勘探与利用关键技术的

研究开发，培养海洋科学研究、海洋开发与管理、海洋产业发展所需要的各类人才，提高科

技对海洋经济发展的贡献率。坚持海洋经济发展与国防建设统筹兼顾，保证国防安全。海洋

经济发展要与增强国防实力、维护海洋权益、改善海洋环境相适应，坚持军民兼顾、平战结

合，使海洋经济发展与国防建设相互促进、协调发展。保证国防建设的用海需要，保护海上

军事设施。近岸海域生态环境恶化趋势减缓，外海水质保持良好状态，海洋

生物资源衰退趋

势得到初步遏制进一步提高对赤潮的监控能力，重点海域监控区内赤潮发现率达到

100，努力减轻赤潮灾害造成的损失。渤海综合整治取得初步成效。逐步实现重点入海河

口、湿地及滩涂资源的保护和可持续利用。到2010年，入海污染物排放量得到进一步控制，

海洋生态建设取得新进展，沿海城市附近海域和重要海湾整治取得明显成效。

第四节全球变化与区域响应

一、全球气候变化对中国的影响

全球气候变化是指自1900年以来的地球上气候的变化，主要是由于人类的行为引起的

而非自然的变化。引起气候变化的原因是因为大气中温室气体的增加。大气的99%由78%

的氮气和21%的氧气组成。它们对气候调节基本没有直接的作用。在剩下的1 %的大气中有

一小部分的气体（包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧、水蒸气、卤烃等）被称为温

室气体。这些气体能够使地球保持温暖。太阳辐射穿过大气，大部分被地表吸收，并使之升

温。一部分被大气和地表反射。同时地表发射红外线，一部分穿过大气层，一部分被温室气

体分子吸收，再发射。这一过程使地球表面和接近地表的大气保持温暖。如果没有温室气

体，地球会比现在低30度。但是人类的活动产生了过多的温室气体，导致全球气候变暖。

温室气体增加的原因主要是，由于人类燃烧燃料如煤、石油和天然气等产生二氧化碳和

森林遭到破坏降低了植被吸收二氧化碳能力所致。这些原因已经为人们所公认和接受。最新

的研究还发现，森林大火可能也是造成温室气体增加的重要原因之一。美国的研究人员发

现：发生于1997年、1998年干旱期间的森林大火是造成大气中过量甲烷、二氧化碳和一氧

化碳的主要原因，这超过了先前预测的在此期间燃烧燃料和其他原因所产生的这些气体的

量。结合使用卫星数据和计算机建立的气候模式，他们发现过量排放的温室气体中有60%

来自于东南业，30%来自中、南美洲，10%来自于欧洲、亚洲和北美洲的森林繁茂地区。排

放量的增加与印度尼西亚、中美洲、亚马逊的部分地区、北部和南部非洲以及北美洲、欧洲

和亚洲的干旱引起的森林大火有关。这次干旱是由厄尔尼诺的南部震荡、太平洋洋流的周期

性逆转引起的，致使全球气候陷人混乱之中。

因此我们需要制定长期规划和其他策略，以尽量减少全球变暖对生物多样性和我们人类

自己的冲击。这需要政府、行业、社团和个人共同努力来应对这个十分紧迫，而涉及范围又

十分广泛的工作。例如由于物种分布范围和迁移路线随气候变化的改变，在现有条件下建立

起来的自然保护区体系，可能因为受气候变化的影响而失去保护很多物种的效力，因此我们

需要更大的保护区体系。在保护区的设计中，在诸如位置选择，保护区面积、区域划分，建

立走廊等问题上，需要考虑到可能发生的气候因素所产生的变化和影响，对此作出相应的反

映。

加强物种分布和种群变化的监测，将有助于我们及时了解这些变化，并采取必要的保护

措施。

气候变化是一个最典型的全球尺度的环境问题。20世纪70年代，科学家把气候变暖作

为一个全球环境问题提了出来。80年代，随着对人类活动和全球气候关系认识的深化，随

着几百年来最热天气的出现，这一问题开始成为国际政治和外交议题。1992年联合国里约

环发大会上，通过并开放签署《气候变化框架公约》。气候变化问题直接涉及经济发展方式

及能源利用的结构与数量，正在成为深刻影响21世纪全球发展的一个重大国际问题。

气候变化及其对我国的影响从中外专家的一些研究结果来看，总体上我国的变暖趋势冬

季将强于夏季；在北方和西部的温暖地区以及沿海地区降雨量将会增加，长江、黄河等流域

的洪水暴发频率会更高；东南沿海地区台风和暴雨也将更为频繁；春季和初夏许多地区干旱

加剧，干热风频繁，土壤蒸发量上升。农业是受影响最严重的部门。温度升高将延长生长

期，减少霜冻，二氧化碳的“肥料效应”会增强光合作用，对农业产生有利影响；但土壤

蒸发量上升，洪涝灾害增多和海水侵蚀等也将造成农业减产。对草原畜牧业和渔业的影响总

体上是不利的。海平面上升最严重的影响是增加了风暴潮和台风发生的频率和强度，海水人

侵和沿海侵蚀也将引起经济和社会的巨大损失。

二、大尺度水文循环对全球变化的响应以及全球变化对区域水资源的影响

需要研究回答的问题包括：全球变化对区域水循环规律？过去对气圈一水圈一生物圈的

相互联系及作用是如何认识？现在又是如何认识水资源的演变？其规律是什么？值得指出的

是，过去在气候系统与陆地水文循环之间存在一个误区，即长期以来，水文学者把气候看作

是静态：一个地区的气候是指某种统计的平衡，WMO规定系列30年的平均作为准平均，用

极差／标准差描述气候变异。对陆地水文过程研究方面，认为长序列水文均值是稳定不变的，

年径流出现的丰、枯现象，被看作围绕均值的周期变化。水利（水资源）工程设计：要求

的水文计算都是以几十年~几百年时间尺度的水文过程稳定不变为前提。未来被看作是过去

的重复或外延。例如，水资源的保证率有W75 %，W50%等；设计洪水有千年设计和万年校

核等。另一方面，在气候／天气过程研究中，长期以来气候学者把陆地水文看作是静态，气

候／天气过程研究仅仅到降水为止，较少研究流域水文循环动力机制与反馈作用。例如，天

气模式研究中仅设置若干参数代替水文过程变化和空间分布，认为陆面水文一生态的作用也

是稳定不变的。例如，许多GCMs对水文循环作用过程考虑相当粗糙，平面无径流联系与循

环过程。但是，现在人们业已认识：一个地区的气候／水文循环过程并不处在统计的平衡状

态，而是以不同尺度变化（年际、十年际、一百年际一千／万年际变化）。决定气候变化因子

不仅仅是大气内部的过程，还有大气上边界（太阳行星系统）和一下边界（陆地水文一生态、

海洋系统）的各种物理化学过程。20世纪科学研究与进展显示：陆面生态系统对大尺度水

文循环有十分重要的反馈作用。因此，全球变化对水文水资源的影响是21世纪水文科学研

究的前沿问题之一：因此，特别需要大力加强水文学家与大气物理学家的联系与合作，积极

开展“全球－陆地—区域—流域尺度水文循环”科学基础的研究。

结合中国的实际背景，人类活动影响是惊人的。例如，在中国南方的长江流域，建国后

洞庭湖围垦1700余平方公里；鄱阳湖围垦1400余平方公里；荆北所有通江湖泊被堵闭，减

少调蓄长江洪水面积约5700余平方公里建国后，长江中下游地区约有1/3以上湖泊面积

被垦殖；损失湖泊面积13000余平方公里，相当于五大淡水湖泊面积总和的

1.3倍；损失湖

泊容积500亿立方米左右，相当于三峡水库调蓄库容的5.8倍，淮河年径流1. 1倍。建国

后，中游长江干流河道内的江洲河；难几乎全部被围垦。据不完全统计，围垦面积约1213平

方公里；城陵矶至螺山江段河床变迁剧烈，泥沙淤积问题严重。98洪水后，国家提出治理

长江32字方针：“封山育林、退耕还林、移民建镇、以工代贩、退田还湖、平烷行洪、加

固干堤、疏浚河道”但是，如何退田还湖？如何平垸行洪？认识人类活动（湖区开发、三

峡工程）对水循环关系影响水科学基础问题，都是十分重要又十分现实的问题。

在中国北方，人类活动剧烈例如，在华北地区，水文循环机理比较复杂，它不仅与陆

地表层系统中各种自然地理要素时空分布密切相关，而且与农业开发、都市化等土地利用／

土地覆被直接相联由于社会经济发展，人类活动改变了水循环自然变化的空间格局和过

程，加剧了水资源形成与变化的复杂性。过去有关部门在华北水资源方面做了相当的工作。

但是，在华北地区究竟缺多少水等基础方面仍分歧较大。有人认为在华北通过自身的节水和

提高用水效率可以解决水资源的需求问题；有人认为即使南水北调也不能从根本上解决北方

缺水问题。争论问题的科学问题焦点是：在自然变化和人类活动的综合影响下华北地区水循

环演化规律是什么？如何科学测算华北地区可供水资源量？华北地区节水的潜力究竟有多

大？如何保障华北地区的水资源安全？争论的原因是：自然变化和人类活动加剧情况下的华

北地区水循环演变格局与过程机理，有待重新认识；受人类活动影响等变化环境下的华北地

区水资源可利用量的测算科学依据不很充分；水资源安全与生态需水、节水潜力、国民经济

发展之间的量化关系需要研究。因此，开展自然变化和人类活动影响下的水循环及水资源安

全研究，具有十分重要的科学意义和研究价值。

三、人类活动与季风系统的相互作用，海一陆一气相互作用与亚洲季风系统变异及其预测

全球变化科学（Global Change Science）是一新兴基础科学领域。通过卫星遥感，数值

模拟，理论分析和交叉科一学集成研究，揭示了全球变化影响下，我国独有的东亚季风气候

-----生态系统变化的主要特征和关键的控制过程，为生存环境变化趋势的预测和影响评估提

供了科学基础。研究发现，处于全球变化速率最大的典型季风区的中国大陆形成了由独特的

生存环境结构、功能和分布组成的生物群区，它们在多种时间尺度的变化具有明显季风驱动

的特征：由温度和降水构成的湿润指数是决定大范围植被的生长状况和分布的关键性参数；

同时，季风生物群区的结构、功能和分布的变化又可明显改变地表与大气之间的动量、热

量、水分和物质交换，对区域生存环境产生明显的反馈。因此，季风系统中生物、化学和物

理过程的相互作用是我国生存环境变化的主要控制过程。据此提出“季风驱动的气候一生

态系统”的新概念这一概念已发展成为IGBP的一个新的核心计划“季风亚洲区域集成研

究”的理论框架季风区，特别是夏季风北缘的气候—生态系统的过渡带在气候突变中

的敏感性；季风气候突变和我国北方的干旱化与全球增暖有密切关系：20世纪20年代，全

球迅速增暖，南亚季风突然增强，东亚季风减弱，我国北方迅速进人千旱期。60年代，全

球降温．亚洲季风出现相反方向的突变这一发现对认识全球变化的区域响应有重要意义。

季风气候一生态系统中三个重要过程的模式，其中陆面物理过程和植物生长过程相拙合

的植被—大气相互作用模式，实现了植被大气的双向耦合；气溶胶—辐射—气候相互

作用模式，实现气溶胶过程和区域气候的双向耦合；森林生态系统生长演替模式，模拟常绿

和落叶树种相互作用生命史途径

四、中国近海—陆地生态系统碳循环过程

我们呼出和吸进了什么？人失去氧气比人断了吃喝更容易濒临死亡。人类自身制造着污

浊的空气就意味着在慢性自杀。我们在空气中排放了太多的碳，已经使天空和大地一片乌烟

瘴气。1992年，在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会上，包括我国在内的166

个国家和地区签署了旨在“将大气二氧化碳浓度稳定在某一水平以防止人类活动严重干扰

气候系统”的《联合国气候变化框架公约》。该公约要求所有签约国或地区提交一份温室气

体排放量和转化量的国家清单，提出为实施该公约的原则和目标所采取的步骤和行动。为了

实施这个公约，各国科学家正致力于回答与全球气候变化有关的科学问题，其中包括：目前

全球碳源和碳汇的时空格局如何？它为何种因素导致？决定未来碳循环动态的控制与反馈机

制是什么？未来全球碳循环的可能动态为何？我国地域广阔，生态系统富有多样性，典型的

生态系统包括森林、农田、草原、湿地和近海生态系统等，生态系统碳收支的变化无疑对全

球碳循环过程及气候变化具有重要影响。因此，深人研究我国生态系统的碳收支情况，对于

阐明我国生态系统碳循环对全球变化的影响、履行公约及促进国民经济的可持续发展具有重

要意义。由中科院地理科学与资源研究所、大气物理研究所等承担的“中国陆地和近海生

态系统碳收支研究”，以森林、草原、农田、湿地、内陆水体和近海生态系统为对象、以中

国生态系统研究网络为实验平台，将在今后几年，系统测定不同生态系统的碳排放、碳固

定、碳储量及相关环境要素。同时运用野外测定、过程研究与系统模拟相结合的方法，研究

增加我国陆地和近海生态系统固碳潜力及减少排放的对策与技术等。通过这项重大研究，在

国家目标层面，将为履行《联合国气候变化框架公约》和生态环境建设决策提供中国典型

陆地和近海生态系统碳通量、碳储量基本测定数据；中国陆地和近海生态系统碳源、碳汇区

域分布清单报告；增加中国陆地和近海生态系统碳固定的对策和技术报告。科学研究层面，

将阐明中国哪些陆地和近海生态系统是碳源？哪些是碳汇？驱动中国陆地和近海生态系统碳

循环过程的关键因子是什么？中国陆地和近海生态系统对全球变化的响应及反馈作用如何？

增加中国陆地和近海生态系统碳固定、减少碳排放的对策及相应技术是什么？

五、青藏高原和极地对全球变化的响应及其气候和环境效应

修建青藏铁路面临着高原和冻土两大难题，加强高原冻土研究、保证青藏铁路平安，是

对我国综合国力和科技水平的一次检验。青藏铁路格尔木至拉萨段全长1 118公里，其中多

年冻土区长度为632公里，大片连续多年冻土区长度约550公里，冻土区筑路遇到的主要问

题是冻胀和融沉。青藏高原的多年冻土大多属高温冻土、极易受工程的影响产生融化下沉。

因为青藏高原是全球气候变化的“启动器”和“放大器”，其升温早于和高于

全球平均值。

高温冻土加全球气候变化更使青藏高原铁路的修筑面临着严峻挑战。为了青藏铁路的安全畅

通，必须预测全球气候变化背景下冻土的变化，预测工程作用下冻土的变化以及预测两种因

素叠加后冻土的变化及工程稳定性，即必须开展气候一工程一冻土相互作用的预测研究。青

藏铁路大体与青藏公路平行修建，两者之间的平均距离不到10公里。在10公里的狭长走廊

内已建有格一拉输油管、兰一西一拉光缆和青藏公路，其对环境的干扰强度可想而知。冻土

环境十分脆弱，一旦破坏极难恢复。冻土环境的改变也必将影响到工程的稳定性。所以无论

从生态环境保护，还是从保证工程稳定性的角度，都必须开展冻土环境与工程的相互作用研

究。

六、气溶胶形成、演变机制及对气候变化的影响及控制

气溶胶是液体或固体微粒悬浮于气体分散介质中形成的一种溶胶，它在人们心目中是不

起眼的小东西，但事实上却对人类健康以及全球气候变化都产生了广泛影响，因此气溶胶越

来越成为科一学研究的热点。与汽车尾气排放有关的有机酸以及与化石燃料燃烧有关的硫酸在

大气中的化学反应，能够促进大气中气溶胶的形成。已经有很多证据表明，大气中的气溶胶

会对人类健康产生威胁，造成呼吸道和肺部疾病，如哮喘等。而空气中大量的气溶胶颗粒可

以散射阳光，从而使大气温度降低，影响全球气候；此外，高浓度颗粒物也可以通过影响云

的形成、降水率甚至闪电活动等直接影响天气状况。因此，气溶胶在许多研究和应用领域中

起着十分重要的作用。但是气溶胶的形成过程长期以来一直是个未解之谜。不过有一点已经

比较明确，就是发电厂燃煤形成的硫酸是目前大气中气溶胶颗粒的基本成分之一。有机酸和

硫酸之间的反应能够促进大气中新的气溶胶颗粒的形成。实验数据显示，在大气条件下将芳

香酸加到硫酸中，能够使气溶胶生成率增加10倍。相关量子化学计算也支持了这一结果：

芳香酸和硫酸能够通过非常强的氢键形成稳定的联合体。在城市大气中，机动车排放的尾气

经过氧化会形成有机酸，而发电厂燃煤和居民生活用煤能导致高浓度硫酸的产生，这二者之

间的反应会提高气溶胶颗粒的生成率。这一关于气溶胶颗粒形成的新机理有

助于解释，为何

城市大气中颗粒物如此普遍。大家都在致力于将大气颗粒物降至法定标准以下，要达到这个

目标，一个重要的步骤就是更好地了解大气中气溶胶的形成和转化。可以帮助制定经济有效

的调控政策，减少气溶胶前体的排放，包括机动车和石化企业排放的挥发性有机化合物、煤

燃烧产生的二氧化硫等，以减少气溶胶对人体健康、全球气候以及当地天气的影响。

第五节复杂系统、灾变形成及其预测控制

工程、自然和社会经济复杂系统中微观机理与宏观现象之间的关系

一、系统工程

系统科学（即stemScience）与“系统复杂性”的研究有着十分密切的关系。从现代科

学技术的观点，系统科学这一“科学技术部门”可分为三个层次：基础理论层次包括系统

学（svstematologv）；“技术科学”层次包括“工程控制论（engineering cybernetics）”与运筹

学；工程应用层次包括各种系统工程。还有从系统科学通向马克思主义哲学的桥梁，称之为

系统论（systematics）；系统论可以概括为整体论与还原论的辩证统一。系统论的观点对各

个领域中复杂性研究具有重要意义。关于复杂性的研究，其实很早就开始了。但用的“名

词”不是“复杂性”罢了。其研究包括：①中医、药的现代化：中医、药界的人士大部分

人认为，复杂性科学能对中医、药的现代化起到支撑与基础的作用；②复杂系统与多尺度方

法的研究，目前尚未形成从微观到宏观的理论，也没有从子系统的相互作用构建出来的统计

力学；③互联网等网络的动力学性质；④认知的复杂性研究，系统的发展有两条主线：一是

控制与管理系统；二是智能系统（包括人的智能、动物的智能、和机器的智能）。

多数物质转化过程属复杂系统，结构是复杂系统的共同特征，也是实现系统量化的主要

困难：由于传统的平均方法无法描述各种结构的特征及其对过程的影响，而结构量化现已成

为化学l-程由经验利一学向量化科学过渡的关键。因此多尺度方法近年来得到广泛关注，成为

很多领域的前沿内容，有望成为研究复杂系统的重要方法之一。现有的多尺度方法大致可分

为三类：①描述型：分别考虑不同尺度的行为和变化，但无法揭示各尺度之间的关系，也不

涉及结构形成的机制；②关联型：通过对小尺度机理的分析，描述大尺度的现象，关联大小

尺度的关系，但缺乏对系统的整体考虑；③分析型：致力于不同尺度之间的关联、结构形成

机理及其与系统整体特性之间的关系，但缺乏对微观细节描述。这三种类型的多尺度方法

中，描述型方法可作为后面两种方法的基础，关联型方法实质上属离散化方法；分析型方法

关注系统整体行为，与复杂性科学关系密切。三种方法都可望发展成为通用的方法。三者的

结合和互补也应引起关注。

二、化学和化学工程

化学和化学工程的中心问题是结构、性能和制备的关系，性能和制备都是宏观的。化学

的结构是微观的，化学工程的结构则是多层次多尺度的。化学理论研究中的微观结构主要研

究分子的结构及其随时间的变化，如波谱、标准态热力学和反应性质等。超分子构成了纳米

技术、材料科学和生命科学的重要组成部分，从理论上研究超分子的自组装、自组织和自复

制，是化学面临的巨大挑战。化学工程理论研究中处理宏观结构的方法是以三传一反为基

础，如将每一个相处理为均相或层流，加以相间的双膜模型，微孔结构模型，三传一反理论

可有效应用。这时，主要涉及前纳米和近纳米的微观结构，有时也涉及纳米到微米的介观结

构。但许多实际系统具有宏观层次的结构如振荡、界面层结构、湍流等，必须研究这种结

构，才能得到可靠规律。化学工程也应重视结构，当前更应重视宏观的结构。化学的研究方

法可以借鉴。

微化工系统是基于微化工技术的化工过程。微化工技术是20世纪90年代初顺应可持续

发展与高技术发展的需要而兴起的一门新的学科，它着重研究特征尺度在数百微米以下的微

型设备和并行分布系统中的过程特征和规律。微型系统高效、灵活、易控制、生产安全，能

大幅度提高相应系统的效率，也使分散资源可以充分合理利用。预计21世纪的微化工技术，

将为科学技术领域的创新与发展做出重大的贡献。

微化工系统通常包括了微热系统、微反应系统、微分析系统。微型设备的面积体积比很

大，表面作用增强，传递作用比在常规尺度的设备中提高了两到三个数量级。特征尺度的微