中國速度舉世矚目

許 涵 (本刊特約記者)

中國速度舉世矚目

許 涵 (本刊特約記者)

近年來,中國科技的迅速發展不僅大大縮小了與歐美傳統科技強國的差距,同時進入了與國際科技全面接軌的時期。中國科學家在許多學科與技術領域不甘于人后,率先突破,取得了舉世矚目的研究成果。當代科學的綜合發展趨勢,為中國人聰明才智的發揮和中國科技的新突破,帶來了千載難逢的新機遇!

“天河一號”

2010年11月17日,國際超級計算機TOP500組織正式發布了第36屆世界超級計算機500強排行榜,“天河一號”以絕對的優勢排名世界第一,成為世界上運算速度最快的超級計算機。

“天河一號”位于天津濱海新區的國家超級計算天津中心,看上去像140個黑色冰箱的機柜,在700 m2的機房內整整齊齊排成13排。幾萬顆高性能處理器就像一顆顆心臟高效、有序地跳動著。“天河一號”的本質是一臺超級計算機,既可以支持能力型計算,又可以支持容量型計算,是由中國國防科技大學與天津濱海新區共同研發。“天河一號”突破了7項關鍵技術,采用了全新的技術路線,不僅運算速度有了大幅提升,而且部分采用了國防科技大學自主研發的“飛騰—1000”中央處理器,實現了關鍵部件國產化。

“天河一號”實現了我國自主研制超級計算機從百萬億次到千萬億次的跨越,在全球前10臺最快的超級計算機中,“天河一號”是唯一非美國制造的。為此,科研人員在高性能計算領域整整奮斗了32年。1983年11月,中國首臺名為“銀河”的億次巨型計算機在國防科學技術大學研制成功,中國從此成為繼美、日之后,能獨立設計和制造巨型計算機的國家。此后,“銀河—Ⅱ”、“銀河—Ⅲ”等一系列巨型機的相繼研制成功,一步步將中國高性能計算機研制技術推向了國際前沿。

“天河一號”的峰值性能達到每秒4700萬億次、持續性能每秒2566萬億次,比排名第二的美國“美洲虎”超級計算機每秒鐘快了將近1000萬億次。也就是說,天河一號”運算1小時,相當于全國13億人同時計算340年以上;“天河一號”運算1天,相當于1臺雙核的高檔桌面電腦運算620年以上。此外,“天河一號”的存儲容量也大得驚人,能夠容納1千萬億個漢字,相當于一個存儲10億冊100萬字書籍的巨大圖書館。

那么,超級計算機與我們的日常生活又有什么聯系呢?人們習以為常的種種生活方式,都有超級計算機的參與。在網絡日益普及的今天,面對數千萬、數億用戶的訪問請求,服務器必須有強大的數據吞吐和處理能力,而這正是超級計算機發揮作用的舞臺。以天氣預報為例,要預報未來7到10天的天氣是一個計算量非常非常大的程序問題,如果計算機能力不夠強,計算過程至少需要7天,這樣的預報就沒有任何時效性。由“天河一號”計算機來計算,則只需1個小時。在醫藥研制方面,超級計算機更具有不可替代的作用。傳統上講,研制一種新藥,從化合物篩選到臨床試驗,一般需要10到15年的時間。如果有超級計算機運用,科學家可以在較短的時間內從幾十萬甚至幾百萬種化合物中篩選出有效的藥物化合物,不僅節省了資金,而且大大縮短了藥物研發的周期。在交通領域,“天河一號”可用于改進交通工具的空氣流體動力學、燃料消耗、結構設計、防撞性、乘坐者舒適度和減少噪音等。此外,“天河一號”還可用于石油勘探、高端裝備制造、動漫設計、新能源、新材料、工程設計與仿真分析、氣象預報、遙感數據處理、金融風險分析等方面。

“超級計算機”被譽為計算機中的珠穆朗瑪峰,代表了一個國家計算機設計、制造和應用的最高水平。“天河一號”的運算速度達到世界領先水平,其意義遠遠超過計算機本身,這意味著超級計算機被美日壟斷的局面已被打破,這是中國科技迅猛發展的重要標志。

月球含有豐富的元素

月球是宇宙中距地球最近的天體,然而區區38萬km的咫尺之遙造就了無數的奧秘和好奇。雖然月球探索的結果往往都是提出的問題比給出的答案多,但人類從未因此而駐足。2010年10月22日的Science發表了關于月球土壤的研究成果。該成果顯示,月球土壤中不僅包含水,還包含很多化合物和元素,例如水銀、鈣、鎂、一氧化碳和二氧化碳、氨、鈉,以及少量銀的跡象。

2009年10月,美國國家航空航天局(NASA)埃姆斯中心發射了半人馬座火箭撞擊接近月球南極處的凱布斯隕石坑,隨后由月球坑洞觀測與傳感衛星(LCROSS)拍下照片,并對撞擊掀起的塵埃成分進行分析,尋找水冰的跡象或其他成分。研究人員對由火箭撞擊而掀起的塵埃云團進行了分析,并在其中一篇論文中指出,月球的風化土被不僅含有水分,還有羥基、一氧化碳、二氧化碳、氨、鈉原子等其他物質,最讓人吃驚的是竟然還有銀。這些揮發性物質輕微地附著在風化土層的顆粒上。研究人員認為,在彗星、小行星和流星體數十億年不斷撞擊月球的過程中,各種元素、混合物分類聚集成許多揮發性物質,這些物質沉積在整個月球的土被中,在撞擊或陽光加熱后會獲得能量釋放出來,或在整個月球表面運動,直至到達極地“陷”入冰冷的坑洞陰影之下。在凱布斯坑土壤中發現揮發性物質,這暗示了一場元素一邊積累、一邊損失到月球稀薄大氣中的拉力賽,而且積累的力量占了上風。根據NASA阿波羅任務宇航員送來的資料,科學家還在月球的近面(朝向地球的一面)發現了微量的銀和金。凱布斯坑發現銀,這表示整個月球表面的銀元素遷移到了極地,但銀僅以小粒子的形式存在,無法被人類開采。

探測之所以會選擇撞擊凱布斯隕石坑,是因為它一直處于陰影處,溫度低達-238℃,這一區域也從來沒有被研究過。火箭撞擊在隕石坑內產生了一個直徑約21 m到30 m,深約1.8 m的洞,激起的月球塵埃形成羽毛狀云柱,在凱布斯地面之上達800 m高。這樣的高度可被陽光照射,因此塵埃柱的屬性可用一種分光儀在4 min內檢測出來。激起的塵埃數量接近2 t,含水大約5.6%,大約10億加侖,這些水足以填滿1500個奧運會用的標準泳池。長久以來,在月球上找水一直是人類的夢想,這一發現顯示月球上的水遠比想象的多。水的存在并不能使月球上曾有過生命的可能性增加,因為實驗的地點是太陽系中最冷的地方。但是卻增加了在月球上建立有人駐守基地的可能性。

美宇航局發現年輕黑洞

美國宇航局(NASA)于北京時間2010年11月16日宣稱,科學家通過錢德拉X射線望遠鏡在距地球5000萬光年處發現一個誕生僅31年的黑洞,這是人類迄今為止發現的最年輕的黑洞。它的發現讓人們看到了黑洞誕生以及早期演化的整個過程,為研究早期黑洞提供了絕佳的資料。這個黑洞距離地球非常近,因此從1979年恒星開始爆發到現在的4年時間均有詳盡的觀測資料,這對于驗證恒星演化和黑洞形成理論,并進而推斷星系、宇宙中黑洞的分布以及有關的天體物理研究無疑將有重要幫助。

這個黑洞是距離地球約5000萬光年的 M 100星系中的超新星SN 1979C的余燼。超新星SN 1979C是1979年由一位業余天文學家首次觀測發現。科學家認為SN 1979C是由一顆質量為太陽20多倍的恒星坍塌后形成的。根據錢德拉 X射線望遠鏡、美國雨燕衛星、歐洲宇航局牛頓 X射線天文望遠鏡(XMM-Newton)以及德國倫琴衛星獲得的數據顯示一個明亮的X射線源,這個 X射線源在1995年到2007年這段觀測期內一直非常穩定,這表明這個天體是一個黑洞,它正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質。這是唯一一個人類全程見證它形成的黑洞,也是目前為止超新星爆炸能夠形成黑洞的唯一的直接證據。

2005年的一項理論研究報告顯示,超新星SN 1979C的明亮光線的能量來源于一個黑洞的噴射流,該黑洞噴射流不能穿透恒星的氫氣包裹層形成伽馬射線暴。通過對這種情況的觀測,以及對X射線光譜和能量的分析,科學家認為實際上SN 1979C在爆發時已有一個黑洞,其正不斷吸收這顆超新星以及伴星落下的物質。科學家推斷這個年輕黑洞的成長是超新星SN 1979C或者一個雙星系統提供“營養成分”。它的發現不僅可以讓科學家們了解大質量的恒星在生命晚期是如何爆發并且形成黑洞或中子星的,還有助于研究銀河系中黑洞的數量。

美國“人造小太陽”首次點火

位于美國加州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家宣布,被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)于 2010年 11月2日進行了綜合點火實驗——192束激光射向一個包含了氘氣和氚氣的玻璃管,最終釋放出的能量高達130萬兆焦耳,其中心最高輻射溫度達316萬℃,相當于恒星或大行星核心的溫度,太陽中心的溫度為1500萬℃。盡管由于其自維持聚變反應堆沒有點燃,NIF這一實驗還不算真正意義上的點火實驗,但科學家對NIF的未來充滿信心。

NIF是全球最大的激光核聚變裝置,也將是首個產能大于耗能的激光核聚變裝置。該項目從1997年開始建造,2009年5月29日竣工,整個計劃耗資22億英鎊。研究人員不惜代價不僅為了研究如何“駕馭太陽的能量”,這個計劃還承載著人類的清潔能源之夢。

NIF會將192條激光束集中于一個花生米大小裝有重氫(氘和氚)燃料的目標上,把燃料加熱到1億℃,并施加足夠的壓力使重氫核發生聚變反應,釋放的能量將是輸入能量的15倍還多,將可以模擬出同恒星內部或核爆炸一樣強烈的溫度與壓力。核聚變實驗是模擬太陽內部的核反應,與核裂變不同,核聚變反應的副產品只有氦氣和中子,而沒有放射性物質。另外,其燃料來源也非常豐富,氘可以從海水中提取,氚可以從土壤中常見的金屬鋰中提取。

20世紀70年代,科學家開始利用強大的激光束進行試驗,壓縮和加熱氫的同位素,使其達到熔點,這一技術被稱作慣性約束核聚變。激光發射器的作用就是促使這種核聚變快速和持續產生,包含氘和氚氣體的目標物受到外部的刺激后,將發生爆炸形成沖擊波,進一步加快目標物核心的燃燒,這種燃燒的持續性也更長。一旦這種核聚變成現實,國家點火裝置內靶室的溫度會超過5000萬℃,內部壓力將超過地球大氣壓的1千億倍。

“人造太陽”技術可行性高、應用前景廣闊,實際上,除了美國的“人造太陽”計劃,中國、俄羅斯等世界大國目前都在研究類似“人造太陽”的核聚變技術。NIF的官員估計,使用核聚變反應堆的發電站將在2020年開始運行,到2050年將有25%的美國民用能源由核聚變提供。

超級細菌

2010年10月20日,日本新潟大學發布公報稱,該校的研究人員在世界上首次拍攝到攜帶“新德里金屬蛋白酶-1”(NDM-1)基因的“超級細菌”照片。研究人員表示,這種“超級細菌”長約2μm,與普通大腸桿菌相比,鞭毛更多,移動更快,更加靈活。此外,“超級細菌”表面被一層膜覆蓋,能抵御白血球的攻擊,生存力極強,并更具感染力。這種細菌的另一個顯著特征是能夠改變形狀。

之后,加拿大和丹麥的一組研究人員揭開了細菌免疫系統的秘密,這一發現有可能解決某些細菌對抗生素產生抗藥性的難題。該研究發表于2010年11月4日出版的 Nature上。

研究人員發現,選擇特定的外源DNA片段并將其嵌入到細菌基因組的特定區域,這些片段便可作為一種免疫因子,抵抗DNA裂解入侵,這種技術被稱為CRISPR/Cas技術。研究人員利用質粒證明了這一機制。實驗中,研究人員將載有抗生素抗性基因的質粒注入嗜熱鏈球菌中,其中一些細菌將含有抗性基因的DNA片段整合到了細菌基因組中。隨后的實驗發現,這些細菌擁有了不再接受質粒嵌入的特性。這表明,這些細菌獲得了對抗性基因的免疫能力。這種現象也可以解釋,為什么一些細菌能夠發展出耐藥性,而其他的細菌不具有耐藥性。

生物進化

“雪球地球”或引發動物進化

2010年11月5日出版的 Nature網絡版發表了美國生物地球化學家的研究報告,稱他們在“雪球地球”冰川作用——在這一事件中,冰川包裹了,或者幾乎包裹了整個地球——和5億多年前激發生命的氧氣的出現之間找到了一種可能的關聯。

對于像人類這種密集呼吸的動物而言,地球的大部分歷史時期都是不適宜生存的,只有在5億多年前,氧氣遍布于空氣并溶解于海洋中,才向那些比海綿更活躍的動物的進化敞開了大門。如今,研究人員或許已經找到了有關這次動物發展的一個令人驚訝的觸點：威脅要消滅所有地球生命的環繞全球的冰川期。他們測量了在古海洋中形成的富含鐵的礦物中的磷含量,并以此作為海水中磷含量的標準。研究發現,在過去的30億年中,磷的豐度變化不大,其中只有一個例外,即從約7.5億年前持續到約6.35億年前的一次比通常水平升高了數倍的激增。

磷水平在當時的一次激增很好地契合了動物進化的新興局面。研究人員曾經注意到,兩次雪球地球事件大致恰逢化石記錄中最早期動物的出現,這意味著冰川作用觸發了進化飛躍,其可能的觸發原因為：雪球冰原磨碎大陸巖石,并當冰川退卻時釋放出磷。這些磷會被沖刷進入海洋,在那里為藻類的興盛提供養料,進而促使有機物質和氧氣的形成有了一個大幅的增長。進入海底淤泥中的更多的有機物質將為日后留下更多的氧氣,并最終提高大氣和海洋中的氧氣含量。

進化關鍵點出現在約12億年前

英國科學家在2010年11月11日出版的 Nature上撰文指出,他們在蘇格蘭的巖石中發現了一種可能生活在約12億年前的細菌化石,這表明,地球上的氧氣濃度增加到人類進化所需的程度這一重大事件發生在12億年前,比科學家以前認為的要早4億年。該研究結果有望讓科學家重新理解地球大氣以及依靠其為生的生命演化的時間表。

科學家一直認為,地球大氣中氧氣的濃度在大約8億年前發生了重要轉變。氧氣濃度的增加標志著統治地球的生物由那時已經出現在地球上的簡單有機物轉變為復雜的多細胞有機物,而正是這些復雜的多細胞生物最終進化為地球上現有的生命。但是,英國阿伯丁大學的研究人員對在蘇格蘭高地西北部洛欣弗地區發現的一塊古老巖石進行的化學成分分析表明,在大約12億年前,一種重要的細菌已經出現在這些巖石內,并且已在進行較復雜的氧化反應,這說明當時環境中的氧氣含量已經處于一個較高水平。研究人員表示,通常使用硫獲取能量的這種細菌在大約12億年前就開始在一個更加復雜高效的化學反應中使用氧氣,以便獲取能量維持生存。這種化學反應告訴我們,那時大氣中氧氣的濃度位于進化史上的關鍵點。

細胞黑客

最近,美國生物學家研究出一種基因線路,可以按照需要編制程序,指示細胞對想要的信號作出響應。這項技術有著廣泛用途,比如誘導干細胞分化成體內的不同組織,或在營養不良時激活植物的防御機制等。相關研究發表在2010年11月26日出版的Science上。

研究人員表示,該技術的主要難點在于如何控制細胞行為,以及如何開發細胞路徑,從廣泛意義上講,就是對細胞的行為和決策進行控制,讓其對任何感興趣的蛋白質作出反應。為此,研究小組制造了一段DNA作為基因線路,將其插入細胞轉錄為RNA后,它會去探尋細胞內部是否存在某種特殊的目標蛋白質,一旦找到,線路就會給這種蛋白質編碼。例如,其中一種線路包含了一種酶的基因,這種酶能讓細胞對抗病毒藥物更昔洛韋更加敏感。研究人員在基因序列中插入一個停止信號,以防止細胞通過信使 RNA生成工作蛋白質;到下一個停止信號時,它們會編碼一小段RNA作為一個適配子,識別一種叫做 beta-聯蛋白的信號蛋白質(在某些腫瘤中beta-聯蛋白會被過表達);找到目標后適配子就會與其結合,由此會讓細胞與信使DNA以某種方式鉸接,從而清除停止信號以產生酶。為了檢驗設計線路的效果,研究人員激活了人體細胞產生額外的beta-聯蛋白,讓它們變得像癌細胞,然后用更昔洛韋來治療,結果顯示,含有編制線路的細胞都被藥物殺死了。

研究人員表示,一條線路里有多個適配子感受器,能對不同類型的蛋白質起不同的反應。從理論上說這種線路能包含任何基因,也可以設計適配子來識別任何蛋白質。通過扭轉這種線路里的“線”,能讓細胞不僅對存在的蛋白質發生響應,還能對缺失的蛋白質發生響應。

(2010年12月5日收到)

(責任編輯：方守獅)

Amazing Scientific and Technological Achievements

XU Han

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.06.011