声空化物理及在核聚变和声化学等方面的应用

1《科技政策与发展战略》2004.7声空化物理及在核聚变和声化学等方面的应用——香山科学会议第222次学术讨论会综述声能可以集中在液体中很小的声空化气泡内（微米数量级）、导致其内部产生高温（几千度以上）、高压（一千大气压以上）、高密度（接近液体的密度）的极端物理条件。在促进化学反应方面，这种空化特性起了重要作用。而特殊设计的声空化装置可以使气泡内的极端程度加强，期望能达到热核聚变的条件。2002年3月美俄科学家联合小组在《科学》杂志报道了据称气泡内产生核聚变的实验，2004年3月又在《物理评论E》杂志发表了改进的实验结果，《纽约时报》也对此进行了报道。由于这一研究工作涉及未来能源问题，因此在国际科学界受到广泛关注。之前我国包括香港在内的科学家参与开展了声空化物理及声化学应用方面的探索，并取得了一定的成果，现少数单位己在开展或筹备开展声空化核聚变的实验。为了促进我国对声空化的基础研究和应用研究，特别是为了对声空化导致核聚变的可能性进行分析、评估以及寻求促进的方案，香山科学会议于2004年4月6～8日在北京，召开了以“声空化物理及在核聚变和声化学等方面的应用”为主题的第222次学术讨论会。中国科学院声学研究所应崇福院士、同济大学李同保院士、中国科学院物理研究所王龙研究员和清华大学安宇教授担任执行主席。相关领域的36位专家学者应邀参加了会议。应崇福院士作了题为“声空化的特性和主要应用”的主题评述报告。会议围绕以下四个中心议题进行了交流和讨论：(1)声致发光和泡内温度的理论计算；(2)声致发光和泡内温度的实验研究；(3)声空化产生核聚变的可能性估计及促进方案；(4)声空化在声化学中的作用及为了达到实用需要解决的关键问题。应崇福院士在主题评述报告中指出，声空化受到人们关注，就是因为它有比较广泛的有效的或有潜力的应用。声空化在化学中的应用比较系统，己经形成一门新的学科分支——声化学。声空化的最新应用则是利用声空化产生的极端条件企图获得热核聚变反应。他在报告中系统地叙述了声空化的重要特征，并讨论了我国声空化研究工作面临的机遇和挑战。声致核聚变的关键问题是泡内温度和压强究竟是否达到核聚变所要求的标准，声化学方面的关键问题是如何工业化，即怎样针对声空化的特性研制出大容量或大流量的声化学反应器。这些问题都涉及到对声空化本身的基础研究，国内在近几年开展了一些此类研究，取得了一定的成绩，但面对国际上瞬变的风云，我们应迅速适当地扩大队伍和相应装备，同时应当十分慎重地选择研究方向，以便最有效地利用有限的研究力量、发挥最大的作用。与会专家经过广泛交流和深入讨论后，对声空化相关问题提出了看法和建议：1.国内声空化物理研究现状(1)稳态单气泡声致发光理论方面的研究成果在国际上已有一定的影响。实验方面也有些研究基础，个别项目取得了接近国际水平的研究成果。(2)瞬态单气泡的实验研究具有创新性，得到了一些既有趣又有意义的实验结果。(3）多泡的研究尚未深入开展。(4)声空化物理研究在国内开展不过几年，研究队伍和实验设备都还薄弱。2.对Taleyarkhan等声聚变实验的评价今年报道的结果可信度较前次有很大提高，但仍存在一些疑问，在国内有必要进行2声空化聚变实验。多数学者认为声空化聚变是通常传统意义下的热核聚变，少数学者则认为可能与尚未知晓的新物理机制相关。3.声空化在化学及医学中的应用前景(1)声空化在化学及医学领域有很广阔的应用前景，国内的应用研究很活跃，也已获得一些研究成果。(2）声化学目前的研究成果还局限于实验室，面临如何将大量成果推广到实际应用的难题。4.对今后声空化研究工作的建议(1)加强声空化理论和实验的基础研究。慎重选择研究方向，适当地扩大研究队伍和相应装备，应特别注意进行跨学科的合作。(2)开展对于声致核聚变的探索：声空化方法可以廉价地获得高温、高压和高密度的极端条件，声聚变有希望，国际上很重视，我们国内测中子技术非常成熟，要通过多学科合作、地域合作等方式积极开展研究；借鉴磁约束聚变和惯性约束聚变的经验，给予宽松的环境去探索，同时要清醒地看到，声致核聚变作为能源还路途遥远。(3)进一步加强超声在化学与医学等领域的应用研究，迅速启动声化学的研究成果向实际应用和工业应用转化的进程。(香山科学会议杨炳忻)生命起源与太空生命——香山科学会议第223次学术讨论会综述香山科学会议于2004年5月8～10日在北京香山饭店召开了以“生命起源与太空生命”为主题的第223次学术讨论会。到会国内外专家40余人。会议聘请赵玉芬、陈均远、刘志恒为执行主席。国际生命起源研究会主席AntonioLazcano、日本生命起源研究会主席KensiKobayashi、法国生命起源研究会主席FranciosRaulin、印度科学院院士MohindraChadha，德国生命起源研究会主席WolframThiemann也应邀出席会议。一、化学与生命起源赵玉芬院士作了“化学生物学与生命起源”的主题评述报告，从化学生物学的角度介绍了生命起源问题的主要方面，如膜的起源、t-RNA的起源，遗传密码子的起源的历史及研究现状。评述了国际及中国生命起源与太空生命研究的现状和发展趋势。她从磷元素的核化学合成开始，介绍了磷在星际云、陨石、慧星、地球及生物体系中的存在。研究表明，磷的存在极大地促进了Miller放电实验中合成的氨基酸的种类及产量、碱基（尿嘧啶）的形成、紫外线诱导的核苷的合成及脱氧腺苷的合成、多聚磷酸诱导核苷的磷酞化反应。聚磷酸盐本身就是一种脱水缩合剂，可促进水溶液中肽及核酸等大分子的形成。首先，基于磷酞化氨基酸的自聚合特性，提出了多肽起源的模型，并用这一模型解释了自然界为什么只选择α氨基酸而不选择β氨基酸。在这一模型的指导下，通过分子进化，找到了一个能够切割核酸和蛋白活性的最小的酶（丝组二肽），这个二肽化合物还可能是蛋白酶与核酸酶的共同祖先。在以上模型的基础上加入核苷，发现不仅有多肽生成，而且还有寡聚核苷酸生成，据此原理，她进一步提出了蛋白与核酸共同起源的学说，这一学说的提出可以解决学术界长期争论的“是先有蛋还是先有鸡”的问题。应用共同起源的进化模型，还有可能极大地推进遗传密码起源的研究。国际生命起源研究会主席AntonioLazcano作了“寻找生命的共同祖先：关于分子3化石记录的解释”的报告。重点介绍了前生命化学如何向复杂体系特别是最原始生命（生命共同的祖先）的起源问题。他认为，生命共同的祖先的寻找及研究是揭开生命起源之谜的关键。特别介绍了DNA聚合酶Ⅰ型的晶体结构中的PALM区域。DNA聚合酶Ⅰ型是现代生物体内催化RNA单体聚合成RNA的酶，并发现在进化树的古菌、真菌和细菌的DNA聚合酶Ⅰ型的晶体结构中PALM区域非常保守，而且它们含有83个氨基酸残基，同源性很高。因此，他认为在生命起源初期有一个由RNA及蛋白质构成的体系（RNA-ProteinWorｌd)，在这个体系中，PALM肽负责RNA的合成及转录。由于其功能的重要性，其序列高度保守，成为现代生物提取中DNA聚合酶、RNA聚合酶及反转录酶的核心序列。研究PALM区域的合成及功能是揭开生命起源中化学进化向生命形态转化的关键。日本生命起源研究会主席KensiKobayashi作了“地外复杂有机物对地球早期生命起源的重要性”的专题报告。他的报告特别强调了星际间复杂有机物在地球上生命起源-射线，紫外线及高能质子照射由一氧化碳、甲烷、氨及水组成的体系中均能产生复杂的沥青状多聚物。沥青状多聚物水解后发现有多种氨基酸、尿嘧啶及胞嘧啶。二、太空生物学空间生命科学已经成为太空生物学的重大前沿。近年空间生物学家一方面试图通过对包括火星、月球等星球上取得的岩石和尘埃样品的监测，寻找可能存在的生命现象；另一方面利用各种航天飞行器探索生物对空间环境的反应，为人类征服太空提供理论知识和技术依据。近40年来，我国空间生命科学也取得了一些成果。这些研究成果已经向人们展示了利用无限的空间环境研究开展生物资源的巨大潜力。神舟5号返回舱的成功回收、已经启动的探月工程等也为今后我国太空生命科学的发展提供了广阔的机遇和前景。法国生命起源研究会主席FranciosRaulin作了“星际太空生物学：卡西尼项目”的报告。他介绍了欧洲生命起源研究的概况，并重点介绍了欧洲空间局(ESA)与美国航空航天局(NASA）的联合太空计划——卡西尼项目的情况。该项目于1997年10月向火星发射飞行器，2004年7月初进入轨道成为火星的人造卫星。该飞行器由卡西尼和惠更斯两大探测器组成，环绕火星两周后，将于12月25日向火星表面释放惠更斯探测器。在2.5小时的降落过程中，惠更斯探测器里将利用6种科学仪器对火星大气层和表面的情况进行系统的分析。同时在历时4年的探测期间，利用宽波段遥感探测装置卡西尼探测器将通过12种科学仪器系统探测火星卫星的情况。印度科学院院士MohindraChadha以国际生命起源会议为主线对生命起源的研究历史进行了介绍。从1957年在莫斯科举行首届国际生命起源会议到上届2002年7月在墨西哥Oxaca的国际生命起源会议，生命起源的实验研究取得了重要进展。从StanleyMiller的放电实验到RNAWorld的提出，生命起源研究越来越得到了科学界的重视。近20年来在《科学》及《自然》发表的相关论文数以百计。Miller的放电实验到RNAWorld等源于生命起源的概念在科学界已经众所周知。三、分子进化与生命起源有一位教授提出，氨基酸的进化分为三期，而不是一开始就有20种氨基酸存在。第一期，可能是5～7种基本氨基酸，这些氨基酸是在放电实验，辐射实验或慧星中最容易找到的，即自然发生的。第二期，是生命体系建立之后，由生物体自身合成。第三期，则在进化的过程中，在t-RNA上把别的氨基酸修饰进化的结果。根据这一原理，遗传密码并非一成不变，而氨基酸的种类也是可以继续增加的。他于1983年得到了首例的遗传密码的突变，将编码的色氨酸改换成四氟色氨酸。2004年以来世界上的其他实验室也获得了不同的遗传密码的变异，让一系列新的氨基酸品种得到了编码。这种遗传密码的可4变性及可进化性还为建立所有t-RNA的进化之树提供了根据。近年来，国际学术界有一种非常热门的RNA世界学说。即RNA不仅是遗传物质，而且还是一种可以催化反应的酶。如它可切割核酸、合成核酸、合成C-N键、酞胺键、由RNA合成RNA等。但足，RNA存在不稳定性，催化活性的低效率性等问题。今后重点研究的课题应对RNA世界模型进行修改，把RNA和多肽或其它分子放在一起作用，使RNA的活性提高及稳定性提高。与会者对以上报告进行了热烈的讨论，特别是对RNA世界的理论展开了激烈争论。一派认为RNA由于自身稳定性差，催化活性不高，且能催化的反应有限，因此，RNA世界不可能存在。另一派则认为RNA有相当的稳定性，其催化活性虽然不高，但是有可能在多肽的参与下提高其活性。因此，大家比较一致的意见是两者协同作用也许是问题答案。四、细胞的起源与进化细胞重建研究提出了研究生命起源一种方法，即发现生命（细胞）起源与进化过程中留下的痕迹。贝时璋先生历时70余年的“细胞重建”学说对细胞的起源具有指导意义。因为细胞重建是个自组织过程，只要具备物质基础和合适环境，在生物体内或离体的情况下即可能产生细胞重建，这一过程应该与细胞的起源具有一定的相似性。广大学者对贝先生的细胞重建学说给予高度评价的同时，提出了一些问题，如细胞重建的物质基础问题，重建的分子生物学机理问题等有待更进一步研究。是否细胞的起源与细胞重建在本质上有类似性还需大量工作要做。有位教授拟从液晶的角度对生命起源进行探讨，但主要内容游离了生命起源的主题。远古时代是否存在液晶态条件及有序化的液晶是否帮助生物物质的自组装确实是一个有待探讨的有趣问题。五、远古生命与极端条件下的生命现象陈均远研究员在“多姿多彩的生命世界和智能生命在地球出现的第一步”的中心议题报告中指出：我们地球的生命经历了宇宙演化、原核、真核和多彩多姿的动物时代，在最后两百万年的“瞬间”诞生了智能生命。动物时代的崛起是地球生命发展史一个最重要