作者:夏建白 来源: 中国科学报 发布时间:2020/8/12 11:18:38
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做基础研究不能急功近利
——日本理化学研究所的启示

 

■夏建白

前不久写过一篇关于美国贝尔实验室的文章,主要强调该实验室重视基础研究成果转化为生产力,尽快制成高科技产品推向市场,使得美国的科学技术水平稳居世界第一。但是贝尔实验室这种几万人集中的模式中国学不来,它的规模太大,需要投入的资金太多(详见本报7月29日一版)。

我想另外再找一个和我国情况相近的国家——日本看看。日本在明治维新之前,和中国一样,是个封闭的农业国家。18世纪末,被美国等西方国家打开大门,日本人不保守,积极学习西方先进的科学技术和政治制度,发展自己的科学技术和工业,在第二次世界大战前就已经成为世界强国。二战中被打败,战后在美国的扶植下,很快恢复了元气。本文要介绍的是日本理化学研究所(以下简称“理研”),它于1917年成立,至今已有一百多年的历史。目前理研在日本全国有10个分所共计450个研究室,从事科学研究的人数为7000名。

1.日本人有危机感,知道自己是一个资源小国,要想在世界上站住脚,不能靠资源、劳力,只能靠产品。理研成立的目的是:“日本虽然人口众多,但工业原料和资源匮乏,只能靠知识的力量来培育产业,以此推动国家发展。”所以他们做研究,都是集中力量,追求高质量,要做就做世界第一。

在回旋加速器研究方面,日本始终走在世界前列。1937年理研的小型回旋加速器完成,重28吨。回旋加速器由美国的劳伦斯于1932年发明。5年以后,理研的仁科芳雄(1890~1951)就造出了世界上第2台回旋加速器。理研造这台加速器,就是要研究费米的设想:用中子轰击铀,可以合成93号元素。

1944年日本又完成了210吨的大型回旋加速器。二战结束后,美国占领军认为回旋加速器能用来制造原子弹,将这两台加速器拆了,沉入东京湾。1965年,仁科研究室的朝永振一郎以“量子电动力学领域的基础研究”获诺贝尔物理学奖。第二年,日本战后第一台多功能回旋加速器(直径160厘米)完工。

2.日本为了使他们的产品在世界市场上有竞争力,努力提高产品的质量,企业界主动与科学研究机构合作。他们利用日本制造的大型装置——电子能量80亿电子伏特的同步辐射加速器Spring-8、X射线自由电子激光装置SACLA、超级计算机“京”等解决了许多工业界的重要技术问题。2012年以后,工业界在这些大装置上获得了世界先进水平的成果:(1)成功解析了用于光合作用的水分解反应的催化剂;(2)丰田汽车公司的排气催化剂;(3)住友橡胶工业株式会社的轮胎橡胶成分优化。科学家对轮胎橡胶进行了同步辐射研究,在质子加速器J-PARC上进行了运动解析,驱动“京”在分子规模上进行设计,最后成功生产出低耗能、高耐磨的先进轮胎。所有这些都提高了日本产品在世界市场上的竞争力。

以理研的研究成果为核心来创办企业,理研认可的企业就是理研的创业板。例如2007年,理研成立了动物过敏检查以及生产遗传基因的全自动解析装置的理研创世纪。2016年Healios公司从iPS细胞分化出RPE细胞,生产用于治疗黄斑变性的药品。这些企业都是理研创业板的代表。

除了理研创业板,还有许多企业和理研的有关研究小组合作,把理研的研究成果商品化。例如消毒用的最短波长、高效的深紫外LED技术,遗传基因检查系统研究小组与松下医疗保健株式会社的合作,理研和住友理工会社合作的机器人联合中心等。

3.反过来,企业对基础研究做出了积极的回报。理研的成立就是从实业家们以及三井、三菱等财阀那里募集了资金,同时向政府游说,让国家制定了从国库得到补助金的法律。随着理研的研发进展,相关企业陆续诞生,共有63个会社、121个工厂成为理研康采恩企业集团的成员。1939年从这些企业得到的经费占总研究费用的82%。

4.根据需要和实际情况,花大力气在某个领域建立世界第一的资源中心,为创新的基础研究创造条件。2001年建立的理研生物资源中心所拥有的细胞材料是世界上规模最大的。依托这样的条件,京都大学的iPS细胞研究所所长山中仲弥发明了iPS细胞,获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。iPS细胞可以以人类皮肤为材料,生成人类的各种组织和器官,这在人口老龄化社会是非常具有应用价值的。

在这个中心建成以前,各种各样的生物材料散落在各所大学,当研究者退休时,这些材料就不知所终。在生物上任何实验要在科学上成立必须有“再现性”。为了这个“再现性”,必须使用同样的实验材料以及同样的生物资源。生物资源中心为研究者提供这样的资源。目前生物资源中心为日本6000多个研究机构提供材料,结果的10%已见诸论文。

在iPS研究的基础上,理研又成立了多细胞形成中心(CBD),iPS开始走向临床。开始是治疗黄斑变性、骨髓干细胞再生等,第二代的再生医疗是人造器官,包括牙齿、头发等。

5.做基础研究需要有坚持不懈的精神,不能急功近利。森田发现113号新元素是一个很好的例子。2003年9月森田小组在理研仁科加速器研究中心开始了寻找新元素的研究。在直线加速器RILAC上,用30号元素锌的原子核轰击83号元素铋的原子核。如果击中发生核聚变,得到质子数为30+83=113质子的新元素。但是击中并发生核聚变的概率是非常非常小的。2004年7月23日森田小组终于合成了一个113号新元素。但是这种新元素寿命很短,需要以很快的速度观察并记录它的存在。当时,理研发布了消息:“我们已经成功地发现了113号元素,它比迄今为止确认存在的所有元素都重1/41/4 。”

2005年4月2日,森田小组第二次合成取得了成功。两年内得到了两个原子。但是这个发现必须得到两个国际组织——国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC)以及国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)的认可。批准元素优先权属于其推荐的6人联合工作小组(JWP)。但是森田的发现还没有得到JWP的承认,后者认为他们的结论证据不够充分。

轰击实验继续进行,但奇怪的是2005年以后再也看不到合成的迹象。直到2012年8月12日,终于得到第3个113号元素原子,并且伴有a衰变。当年9月27日JWP发来了授予命名权的邮件。从2003年至2012年经历了8年,终于获得了成功。事后森田是这么说的,“只讲做这个实验,也花费了9年以上的时间,用离子束轰击的时间合计超过570天。搞了100天也不出结果怎么办?那只有再干100天,实验条件不能改变。渴望早出成果,就很容易想到改变实验条件。但我和共同研究者们抵抗住了改变实验条件的诱惑。即使是那么冗长而又枯燥的、几乎见不到光明的实验,我的共同研究者们还是一丝不苟地做好实验准备工作,认真对待每一个实验步骤,对此我表示深深的感谢”。

6.日本的科研对策和制度

(1)1984年理研提出面向21世纪今后10年科学技术政策的基本方针:“振兴富有创造性的科学技术,开展国际性的科学技术研究,并推动科学技术与人类以及社会的和谐发展。”

(2)1989年建立新的博士后制度。以前在大学里,博士后的研究很多是由教授给定的。理研的博士后制度为,“给你研究经费,让你去想去的研究室独立研究。博士后的竞争很激烈,有时高达8:1,研究期限只有3年,3年后进行考核,有些人成为研究员或教授”。

(3)1989年理研和大学建立了协作研究室院制度。现在理研和36所大学有合作关系,大学的研究生可以到理研做实验,理研的研究员也可以在大学里担任客座或协作教授。这个制度给理研注入了新鲜血液,研究者可以积累教育经验,从而促进自己的研究。

(4)将理研和产业界的结合用制度和组织形式固定下来。2016年理研和物质材料研究机构以及产业技术综合研究所一起转变为“特定国立研究开发法人”。1987年一些企业成立了一个“和理化学研究所的亲睦会”,目的是促进理研和产业界的交流。

(参考书:山根一真,《理化学研究所——沧桑百年的日本科研巨头》,戎圭明译,上海科学技术出版社,2019年)

(作者系中国科学院院士、中国科学院半导体研究所研究员)

《中国科学报》 (2020-08-12 第1版 要闻)
 
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