在2014年国际工程科技大会上，习近平主席发表了主题演讲，强调工程科技是改变世界的重要力量，发展科学技术是人类应对全球挑战、实现可持续发展的战略选择。其中也提到，信息技术、生物技术、新能源技术、新材料技术的交叉融合技术正在引发新一轮科技革命和产业变革。

曲久辉院士

在这个新科技革命巨大发展的契机下，我们应该思考：环境与科技发展具有怎样的联系？

 

五次科技革命

 

回顾过去的500年间，世界共发生了五次科技（科学）革命，分别为两次科技革命和三次技术革命，这五次革命对人类产生了极其深远的影响：

 

第一次科技（科学）革命发生在16实际和17世纪间，伽利略颠覆了所谓的地心说，而牛顿开创了力学从而创造了近代科技； 第二次技术革命发生在18世纪，蒸汽机和机械的研发加速了人类生产能力提升；发生在19世纪末期的第三次技术革命，发电机和内燃机的发明成为划时代的标志；第四次科学革命发生于20世纪上半叶，传统理论的进化论使人类认知产生了新的变换；而20世纪中后期的第五次电子和信息技术的科技革命正在发生。

 

前五次革命特点是科学革命与技术革命交叉进行，而第六次科技革命的最大特点却是科学与技术革命同时发生。徐光宪的院士曾说，第六次革命是大化学的科技革命，新生命科学和新技术革命将会与大化学革命发生在一起。在革命过程中，大致有14个问题值得我们特别关注，其中第一个问题就是彻底改造污染环境的化工厂，建立绿色化学和化工以及冶金企业。从环境的角度探讨，这是非常重要且值得思考的一个问题。

 

第六次科技革命

 

到底什么时候会发生新的科技革命呢？2011年，中国科学院开展了“第六次科技革命的预测研究”课题，世界上的主流科学家、战略家均表示，世界正处在新的科技革命的前沿。研究结果表明，革命预计将于2020到2050年间发生。而现在，谁先看到科技预计发生的领域，并据此进行前瞻性的谋划和战略部署，谁就能赢得新一轮的机会。

白春礼院长曾提到，第六次科技革命方向得益于第五次信息科技革命的推动，并且将在物质科学、生命科学等学科及其交叉领域开辟出新的空间。我认为，新科技革命的突破口将会解决一些重大的基本科学问题，同时在能源、资源、信息网络等方面也会产生革命性的推进。这样一个新的领域对环境是一个重大契机。

科技发展对环境的影响

 

科技会对环境产生什么样的影响？我认为，第三次科技革命对环境质量影响最大，第五次科技革命对环境科技发展影响最广泛。

 

在19世纪中后期，电力发电机的发明，带动了石化，钢铁和运输等产业的发展，同时也对环境产生了影响；由于运输新技术的发展，城镇化也得到迅速发展，大气污染、生活垃圾、长距离传输也造成了巨大的环境问题。但是，科技发展过程中人类对环境影响的需求，也使得新的技术随之被创造，如被评为20世纪人类贡献最伟大的工程技术——稳定沉淀水处理技术；100年前发现的污水生物处理技术——活性污泥法等等，这些新技术的研发对环境的改善也做出了巨大贡献。

 

环境科学难题

 

近日，英国启动一个巨额“悬赏”解决科学难题的活动，这六大科学难题包括：如何发展接近零排放的航空技术；如何保障有营养、可持续的食品供应；怎样解决抗生素耐药性问题；怎样让瘫痪患者重获运动自由；如何解决饮用水安全和可持续性问题；如何改善痴呆症患者生活质量问题。这几大难题也体现出当今社会正面临的重大体制问题。

 

通过一年半的研究分析，我认为，当今世界同样存在三大环境科学的难题。第一个，在针对环境变化的生态水平研究过程中，如何实现从分子层面到整体群落的全过程认识和控制；第二个，复合污染物对人体的健康效应还无法做到在人体层面进行研究；第三个，如何在单电核水平上实现环境物质转移转化的定向调控。下面我讲大致解释这三个问题：

 

第一大难题

 

从分子水平的认识调控层面，我们了解到：环境污染首先作用于分子从而导致细胞变异，再由个体到群体群落最终进入到人体。如今，分子生物技术已经是分子水平认识生态的一个重要指标，但是我们只能实现从分子生物学层面的研究，比如我们虽然认识个体细胞分子上污染现象，却无法做到对整个生物群落功能性改变的认知。找寻一种合适的方法是解决这一难题的突破口。

 

第二大难题

 

首先，离体实验代表不了活体实验，所以实验室往往进行着典型污染物对典型动物的影响实验，而小鼠青蛙泥鳅通常作为实验对象。但是动物的个体实验代表不了人体的实验，所以，污染怎么在人体循环中的表达是一大难题。

 

其次，污染物往往是复合污染物，我们无法在针对动物的实验中确定哪种污染物对最终表征起到决定性作用。2002年美国加州大学Hayes等将3000只蝌蚪暴露于含有10种农药农田中，每种农药的暴露计量都不足以导致蝌蚪发育异常，然而野外现场试验证实，复合污染具有显著导致蝌蚪发育异常作用。这个实验证明，自然界没有任何一种生物是暴露于单一化学品下的，某种污染物没有危害，但是混合在一起就产生了影响。现有的有关持久性有毒污染物的环境科学理论和方法学方面存在着很大的局限性，其理论体系仍需要做出重大创新。但是如何表达这些化学污染物的相互作用，如何将其对人体的影响进行科学分析，现阶段还不能实现。

 

第三大难题

 

现在我们进行的科学研究大部分还是限制于分子过程，而改变物质本质的却是电子过程。世界上发生的所有变化都是在电子传递过程中发生的，如自然界发生的最简单的氧化还原过程，实际上就是电子传递。这就带来一个重大的科学难点是：如何在单电子水平下研究物质转移？

 

如果我们能把电子过程解释清楚并调控有效的话，我想我们就可以获得很多机会控制环境污染，比如水处理过程中硝酸盐产生的问题，三价铁和二价铁在反应过程中产生的电子，实际上是批量电子而不是单转电子，如果可以研究单转电子的转换过程，而非批量电子或所谓的电子云，就可以准确控制电离物质的形成，达到控制硝酸盐的产生的目的。但是目前为止，全世界都无法突破这个难题。

 

在新科技革命下寻找解答

 

在新科技革命下，上述三个科学问题如果得到解决，意识将不仅停留在分子水平上，还会体现于行动，这将成为生命科学的重大突破。比如利用克隆技术进行人体再造，甚至再造类人体，我们就可以准确发现并表达某种未解决的问题。比如，我们可以从不同基因以及分子差异性做到准确预测，也可以做出相同和不相同的模拟人群，从而解决环境科学的三大基本问题。但是这里仍存在困难，个体还是到不了群落和人体，所以我们可以借助信息技术中信息毒理学和新生物学结合起来的方法，从而实现从分子细胞到群落再到人体的探究。

 

物质科学的进步也会极大的控制环境污染。我预计单电子检测在第六次科技革命将崛起，而这也可以为环境污染控制带来益处。如水处理过程中运用新材料技术，通过单电子调控就可以控制有毒副产物的生成。除此之外，材料技术的进步也是环境调节中的重要技术。

 

我们应该思考：环境与科技发展具有怎样的联系？

世界正处在科技革命的前沿，而环境科技必与之同行，我们也必将面临新的机遇和挑战。