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最新消息| 再次認知“科學儀器”是認識自然和改造自然的工具 | 2022-07-12 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.instrument.com.cn/news/20200915/559608.shtml" 導讀：編者按-儀器信息網資深顧問農科院專家蔣士強老師：把儀器在人類歷史上防疫中發揮的作用進行了闡述。再次認知“科學儀器”是認識自然和改造自然的工具——賀第十四屆中國科學儀器發展年會（ACCSl2020）勝利召開當疫情在世界蔓延，而我國基于強大的社會力量和堅定的決策，發揮出偉大的抗“疫”精神。如今各行業正在重振雄風之際，舉辦被譽為科學儀器行業的“達沃斯論壇”，真不簡單和不容易啊！特向主辦、協辦、支持單位和學界、行業朋友們致敬！此時心中又回響起王大珩院士和鄒承魯院士生前精辟的論述。鄒院士說：科學是認識自然，大至宇宙，小至基本粒子，而科技是在認識自然的基礎上改造自然，為人民服務；王院士定義科學儀器是認識自然和改造自然的工具。單就人類與疫病的斗爭為例，古時談不上有什麼對病疫認識和斗爭的科學工具，除了我國有些珍貴的中醫藥典，匯集了許多人類憑感官對疾病的認知、中藥材及民間驗方，但缺乏對疾病特別是對大疫情斗爭的認知工具。而整個世界，特別是西方對疾病，特別對病疫，可說更茫然無知。到近幾個世紀，近百年才逐步從掌握認知疾病和與之斗爭的科學工具，逐漸走出無知之困境，這些都是歷歷在目。一，發明“工具”——從0到1的突破十六世紀以前，人類對病疫的認識處于迷茫狀態，大約從十七紀開始，天文學家伽利略與開普頓等利用望遠鏡觀測、探索夜空，推出顯微結構設想。十七世紀中期，生物學家胡克、林奈、巴斯特、列文虎克等參與發明顯示鏡，并用顯示鏡發現生命的基本單元細胞以及細菌、病毒等微生物。二，人類認識微觀世界的工具——顯微鏡在追述科學儀器在認知疫病和防控中的作用之前，有必要回顧下有歷史紀錄而無科學儀器助力境況下地悲慘情況。在1918年流感大流行時約有五千萬到一億人喪生，這個數字是第一世界大戰死亡人數的10倍以上。美國死于大流感人數也達67.5萬。由于對疫情的認知不清、束手無策，毫無應對的科學工具和手段，于是采用了至今使我們驚訝的“野蠻療法”，其中就有用煤氣、氯氣的療法，以及灌腸、水銀、放血等療法更為悲劇的是，美國第一任總統——華盛頓，就是經歷四次放血而喪生的。現在全世界最著名的醫學期刊之一《柳葉刀》（Lancet），就是大膽地以放血療法的主要工具柳葉刀為命名的。1914年微生物學家瓦爾德，用實驗的方法證明感冒的感染是由更微小的病原體引起的，但當時因缺乏放大倍數更大的顯微鏡，無法深入探索，所以當時多數仍稱該病原體為細菌。甚至到1927年杜契斯應用只能通過比細胞還微小的微粒的濾網實驗，證明通過濾網的液體，仍能讓人得病，這應視為病毒的存在。同時期，俄國的伊萬諾夫，用過濾器過濾煙草上的致病體，發現比細菌更小的生物體。正置顯微鏡數碼顯微鏡但是，沒有足夠的科學工具，難于十分確定病毒的存在，所以真正發現和確定病毒是1932年，魯斯卡發明第一臺電子顯微鏡，并繼之改進放大倍數達3萬倍之后。1937年，在西門子公司資助下，魯斯卡的弟弟用電鏡研究噬菌體，更明確地證實了病毒地存在。共聚焦顯微鏡掃描電鏡隨后，高壓電鏡和掃描電鏡的問世，廣泛應用于物理、化學、材料、地礦和分子生物學。1982年，隧道顯微鏡問世，將引發疫病的一些病毒的形態搞清楚了，如“馬傳貧”（EIA）、“口蹄疫”、艾滋病、“禽流感”、“非典”等等直至這次新冠病毒。近些年通過在傳統的透射電鏡上加上低溫傳輸系統和冷凍防污染系統，解決了保護生物樣品原子分辨率結構，又適合電鏡成像，已在深入探索病毒形態、生態、動態和觀察方面上又進了一大步。以上是以顯微鏡和電鏡為例的回溯。三，生命科學——由基因開始的革命以上兩節中已追溯了顯微鏡和電鏡對認知疫情的巨大貢獻，接著讓我們梳理基因科技和疫情認別與防控中的工具——科學儀器的應時、因需而起和發展。本世紀真可說是生命科學的世紀，許多大事都可歸結于其中，是切合可能也是規律。近二、三十年，世界各地、各種疫情流行，特別是2020年的新冠病毒世界蔓延，至今還不知何時平熄。但好在為認知和防控措施的工具——科學儀器設備，從上世紀末到如今飛速跟進，得以避免上世紀二十年代大悲劇的重演。1953年Watson和Crick發現DNA的雙螺旋結構，開創了生命科學的新時代，1985年杜爾貝克提出人類基因組計劃，1988年美國初擬成立國際合作機構，1990年由美、英、日、法、德、中國參加正式起動人類基因組計劃，預計用15年，投資20億美元，目標是完成人類大約30億個堿基對序列的檢測，構建圖譜為人類攻克疾病、包括因病毒引發的疫情打下基礎，當時主要工具和手段是一系列科學儀器設備和試劑，其中主角是PCR基因擴增儀和基因測序系統，現以這二類儀器為例，對科學儀器應需而不斷更新，在促進人類基因組計劃的提前完成，后繼在疾病診治、攻克和更有現實意義的是對新冠病毒疫情的識別、追蹤、防控中起著及時和巨大作用。可以說，我國是第一時間從武漢檢別出新冠病毒的基因序列、密碼、毒性和易感性等，并果斷地采取以阻斷感染的隔離、封城壯舉，并及時通報世界，引起全世界重視；而西方政客可說是采取了惡劣的擲“馬后炮”手段一方面向我國“拋黑鍋”。另一方面，漠視其本國早已出現過的疫情并欺騙民眾。有良知的西方學者、醫務人員不斷地報導，憑借其具有的先進科學儀器和手段，早于我國即在當地檢測出新冠病毒及其變種。其實PCR基因擴增儀和基因測序系統從原創到幾代更新和普遍運用都遠早于我國（有著數以萬計的文獻記載可以證實）簡要的梳理，感到頗有啟廸，也許有益與科學儀器有關的學界、業界朋友交流。1、基因擴增儀的應需而生與發展簡史：1985年美國的KaryMullis發明了聚合酶鏈式反應PCR，據報導當時只是用二個恒溫階梯的水浴鍋加機械手組成的實驗設備。此后，企業家不斷為提高靈敏度和可靠性而努力，誕生了初期完整的PCR儀，并立即深受生命科技界歡迎，企業多次被收購、兼并，并引發了反應式機理發明者（諾獎獲得者）和主要生產企業（背靠另一諾獎獲得者）之間爭奪專利權關司。和解后，一度只有該企業的基因擴增儀能用PCR定冠詞，蜂起眾多企業的產品用過許多名稱，都參與擴增儀性能改進。到1995年數字PCR誕生，檢測靈敏度可達到一個核酸分子。20世紀末出現一系列新型的數字PCR儀，但以上三者均不能定量、易交叉污染，故統稱為傳統的PCR儀。現在21世紀先推出實時熒光定量PCR儀，特點是樣本的DNA含量與擴增產物呈對數正比，故可定量，不足之處是mRNA定量比較復雜，RNA完整性不足，影響因素比較多。最新一代擴增儀是液滴數字PCR儀，除了靈敏度和分辨率更高之外可檢測稀有突變、量化特定核酸種類、分析特定基因復制數的變化，檢測基因組擴增和突變，可以指導靶向個體化治療2、基因測序儀：現在稱為大規模平行和深度測序，簡稱為NGS平臺，可說是基因工程、基因科學、生命科學的臺柱子，應用面非常廣，而且是當今識別病毒引發的疫情細節和防控中具有舉足輕重的工具和手段，完整的平臺，號稱已經歷第一代啟動、第二、三、當今及以后的四代。最早的DNA序列分析是在髙分辨率聚丙烯酰胺變性凝膠電泳等基礎上建立起來的，其方法有Sanger（1977年）和Maxam與Gibert，接著采用毛細管電泳技術和自動化技術進行核酸和蛋白質序列分析。本世紀初開始發展很快，第二代半導體測序平臺和第三代單分子實時測試平臺與以往基于光學信號的測試技術不同，分別為從半導體芯片直接感應序列合成過程中磷酸二酯鏈基團釋放的質子；第三代是通過鈉米孔技術記錄單個聚合酶在不受干擾下的連續合成，所產生的序列條數和每條序列長度都大為增加，當今和未來NGS的發展將向高通量、快速、適應測序技術應用的各方面，如基因組學的全基因從頭測序、重測序、外顯子和目標捕獲測序；轉錄組測序、數字基因表達譜測序、微小RNA測序；甲基化和簡化甲基化測序及甲基化DNA免疫共沉淀測序等，隨著測序技術的普遍應用，降低測序成本也是大勢所趨。當今比較典型的是Illumina在NGS平臺應用的測序成本首次下降到1000美元完成人類基因組測序項目。依于NGS平臺應用目的不同，測序項目和策略也有所不同，就疾病診療、臨床應用而言，策略上可分為：a、針對己知病因，設計合適的芯片，直接針對多個已知致病基因，進行靶向基因測序；b、針對未知病因的疾病，對外顯子組或全基因組進行測序。這次新冠病毒引發的疫情在全球蔓延，對這種原本未知的，詭異的RNA病毒進行測序是很困難的，但在全世界各地的科學家和醫務人員共同奮斗之中，充分運用以上二類主要的科學儀器設備，快速地對數以千計的病毒樣本做出基因序列圖譜，據《下一個病毒株》網站（GISAIO)報道來自全球53個國家病毒樣品的基因序列檢測分析，已取得全球該病毒的基因序列圖譜和數據，以2020年3月26日為例，得到1442例樣品的基因序列圖譜和數據，一周后即4月5日為3370例樣品的基因序列圖譜和數據，翻倍還多。說明疫情形勢之嚴峻，同時也說明人類在認知病毒世界中，科學儀器設備這一工具之重要，今日已遠不是1918年對疫情盲然無知，措手不及的時代了。四、感悟與識悟以上所述，可說是把視野聚焦到科學儀器在生命科學技術中的作用，再聚焦到疾病、聚焦到致病菌檢測，直至人類長期處于茫然的病毒和引發疫情蔓延的認知和防控中，科學儀器的巨大作用和發展。正如施一公院士曾指出的，人類對自然的真實認知也只有3–5％，細想我們如同生活在病毒星球之中。2018年10月“國際病毒分類委員會”報告，至今己知病毒分類為4958種，可能只占總病毒數的0.1%，估計有32多萬種病毒可能感染生物，但致病性的為少數。在嚴重威脅人類的十大病毒中，1980年世衛組織宣布天花已滅跡，但引為人類及為關注的是病毒引起的疫情常常來去無蹤，且其基因序列、圖譜、遺傳密碼、傳染路徑、毒性、變異、襲擊人體器官等都很詭異，弄將人類每次應對其引發的疫情的危機認知，狹義地說是一次“糾錯”，所以對病毒乃至整個自然的認知、改造、包括生態修復都是跨界的，且一個漫長的歷史過程，迫切需要科學儀器設備這個無法替代的工具，應需及時跟進、發展和完善。推而廣之，人們將科學和產業劃分為不同領域和門類，實際上是為了分工、協力，更有針對性、更有效、更明晰地認知自然和改造、及時修復生態，所以將視野從聚焦當前病毒、疫情，擴大到各學科、各領域、各產業，則科學儀器設備這個必備的工具不斷完善真是任重而道遠啊！此前先在《科學網》上發表了作者悟理哥的一篇文章《先放過芯片，中國這個行業可能更悲情》，用詳細的數據闡述各領域科研和創新的工具——儀器儀表，被放在隱秘的角落，并生動地用“大路貨”到“白富美”，形容我國科學儀器的狀態，用“全是骨頭沒有肉”描述科學儀器學科和產業的困境，最后以“悲情的行業”指出我國科學儀器行業的病痛和呼吁擺脫！內容詳實，只是題目有點刺眼、表述有些悲涼，且當今芯片的能量和體量之大，與儀器儀表、科學儀器不是一個等級。接著《儀器信息網》發表了作者韋東裕的文章《科學儀器是悲情行業？別忽視了這些干實事的人》，著重引發了我國儀器儀表奠基人王大珩院士曾指出的：儀器儀表是工業生產的“倍增器”，科學研究的“先行官”，現代生活的“物質法官”。指出科學儀器對于社會和國家是“四兩撥千金”的作用，對學科和行業中干實事的人們高度肯定和贊揚，并聯系到今年中國科學儀器發展年會的召開，盼望著參與者共商科學儀器的發展之道，走出國境，探索發展的?略和要點，振興我國科學儀器，都是歷次年會之宗旨和主題！我近84歲的科技老頑童（科技工作者），從事科儀與測試相關的專業60多年了，這次因年高不能參會了！但為年會的召開，為我國科學儀器的振興在內心激蕩！衷心盼望年會堅持年年召開。當第三十屆年會召開時，但愿我能以百歲老人親筆書寫《敬賀第三十屆科學儀器發展年會盛開》！中國農業科學院蔣士強初稿撰寫于海南澄邁2020年8月23日–9月13日參考文獻：1、悟理哥《先放過芯片，中國這個行業可能更悲情》科學網2020年。2、韋東裕《科學儀器是悲情行業？別忽視了這些干實事的人》儀器信息網2020年。3、《病毒星球》卡尓·齊默著劉揚譯廣西師范大學出版社2020年3月。4、《致命流感·百年治療史》杰里米·布朗著王辰瑜譯社會科學文獻出版社2020年3月。5、其它引用的資料均來自網絡，文中多有表示。 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