再次认知“科学仪器”是认识自然和改造自然的工具——贺第十四届中国科学仪器发展年会（ACCSI2020）胜利召开

再次认知“科学仪器”是认识自然和改造自然的工具

——贺第十四届中国科学仪器发展年会（ACCSl2020）胜利召开

当疫情在世界蔓延，而我国基于强大的社会力量和坚定的决策，发挥出伟大的抗“疫”精神。如今各行业正在重振雄风之际，举办被誉为科学仪器行业的“达沃斯论坛”，真不简单和不容易啊！特向主办、协办、支持单位和学界、行业朋友们致敬！此时心中又回响起王大珩院士和邹承鲁院士生前精辟的论述。邹院士说：科学是认识自然，大至宇宙，小至基本粒子，而科技是在认识自然的基础上改造自然，为人民服务；王院士定义科学仪器是认识自然和改造自然的工具。

单就人类与疫病的斗争为例，古时谈不上有什么对病疫认识和斗争的科学工具，除了我国有些珍贵的中医药典，汇集了许多人类凭感官对疾病的认知、中药材及民间验方，但缺乏对疾病特别是对大疫情斗争的认知工具。而整个世界，特别是西方对疾病，特别对病疫，可说更茫然无知。到近几个世纪，近百年才逐步从掌握认知疾病和与之斗争的科学工具，逐渐走出无知之困境，这些都是历历在目。

一，发明“工具”——从0到1的突破

十六世纪以前，人类对病疫的认识处于迷茫状态，大约从十七纪开始，天文学家伽利略与开普顿等利用望远镜观测、探索夜空，推出显微结构设想。十七世纪中期，生物学家胡克、林奈、巴斯特、列文虎克等参与发明显示镜，并用显示镜发现生命的基本单元细胞以及细菌、病毒等微生物。

二，人类认识微观世界的工具——显微镜

在追述科学仪器在认知疫病和防控中的作用之前，有必要回顾下有历史纪录而无科学仪器助力境况下地悲惨情况。

在1918年流感大流行时约有五千万到一亿人丧生，这个数字是第一世界大战死亡人数的10倍以上。美国死于大流感人数也达67.5万。由于对疫情的认知不清、束手无策，毫无应对的科学工具和手段，于是采用了至今使我们惊讶的“野蛮疗法”，其中就有用煤气、氯气的疗法，以及灌肠、水银、放血等疗法……更为悲剧的是，美国第一任总统——华盛顿，就是经历四次放血而丧生的。现在全世界最著名的医学期刊之一《柳叶刀》（Lancet），就是大胆地以放血疗法的主要工具柳叶刀为命名的。

1914年微生物学家瓦尔德，用实验的方法证明感冒的感染是由更微小的病原体引起的，但当时因缺乏放大倍数更大的显微镜，无法深入探索，所以当时多数仍称该病原体为细菌。

甚至到1927年杜契斯应用只能通过比细胞还微小的微粒的滤网实验，证明通过滤网的液体，仍能让人得病，这应视为病毒的存在。同时期，俄国的伊万诺夫，用过滤器过滤烟草上的致病体，发现比细菌更小的生物体。

但是，没有足够的科学工具，难于十分确定病毒的存在，所以真正发现和确定病毒是1932年，鲁斯卡发明第一台电子显微镜，并继之改进放大倍数达3万倍之后。1937年，在西门子公司资助下，鲁斯卡的弟弟用电镜研究噬菌体，更明确地证实了病毒地存在。

随后，高压电镜和扫描电镜的问世，广泛应用于物理、化学、材料、地矿和分子生物学。1982年，隧道显微镜问世，将引发疫病的一些病毒的形态搞清楚了，如“马传贫”（EIA）、“口蹄疫”、艾滋病、“禽流感”、“非典”等等直至这次新冠病毒。

近些年通过在传统的透射电镜上加上低温传输系统和冷冻防污染系统，解决了保护生物样品原子分辨率结构，又适合电镜成像，已在深入探索病毒形态、生态、动态和观察方面上又进了一大步。

以上是以显微镜和电镜为例的回溯。

三，生命科学——由基因开始的革命

以上两节中已追溯了显微镜和电镜对认知疫情的巨大贡献，接着让我们梳理基因科技和疫情认别与防控中的工具——科学仪器的应时、因需而起和发展。

本世纪真可说是生命科学的世纪，许多大事都可归结于其中，是切合可能也是规律。近二、三十年，世界各地、各种疫情流行，特别是2020年的新冠病毒世界蔓延，至今还不知何时平熄。但好在为认知和防控措施的工具——科学仪器设备，从上世纪末到如今飞速跟进，得以避免上世纪二十年代大悲剧的重演。

1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构，开创了生命科学的新时代，1985年杜尔贝克提出人类基因组计划，1988年美国初拟成立国际合作机构，1990年由美、英、日、法、德、中国参加正式起动人类基因组计划，预计用15年，投资20亿美元，目标是完成人类大约30亿个碱基对序列的检测，构建图谱……

为人类攻克疾病、包括因病毒引发的疫情打下基础，当时主要工具和手段是一系列科学仪器设备和试剂，其中主角是PCR基因扩增仪和基因测序系统，现以这二类仪器为例，对科学仪器应需而不断更新，在促进人类基因组计划的提前完成，后继在疾病诊治、攻克和更有现实意义的是对新冠病毒疫情的识别、追踪、防控中起着及时和巨大作用。

可以说，我国是第一时间从武汉检别出新冠病毒的基因序列、密码、毒性和易感性等，并果断地采取以阻断感染的隔离、封城壮举，并及时通报世界，引起全世界重视；而西方政客可说是采取了恶劣的掷“马后炮”手段一方面向我国“拋黑锅”。另一方面，漠视其本国早已出现过的疫情并欺骗民众。有良知的西方学者、医务人员不断地报导，凭借其具有的先进科学仪器和手段，早于我国即在当地检测出新冠病毒及其变种。其实PCR基因扩增仪和基因测序系统从原创到几代更新和普遍运用都远早于我国（有着数以万计的文献记载可以证实）简要的梳理，感到颇有启廸，也许有益与科学仪器有关的学界、业界朋友交流。

1、基因扩增仪的应需而生与发展简史：

1985年美国的Kary Mullis发明了聚合酶链式反应PCR，据报导当时只是用二个恒温阶梯的水浴锅加机械手组成的实验设备。

此后，企业家不断为提高灵敏度和可靠性而努力，诞生了初期完整的PCR仪，并立即深受生命科技界欢迎，企业多次被收购、兼并，并引发了反应式机理发明者（诺奖获得者）和主要生产企业（背靠另一诺奖获得者）之间争夺专利权关司。和解后，一度只有该企业的基因扩增仪能用PCR定冠词，蜂起众多企业的产品用过许多名称，都参与扩增仪性能改进。到1995年数字PCR诞生，检测灵敏度可达到一个核酸分子。20世纪末出现一系列新型的数字PCR仪，但以上三者均不能定量、易交叉污染，故统称为传统的PCR仪。

现在21世纪先推出实时荧光定量PCR仪，特点是样本的DNA含量与扩增产物呈对数正比，故可定量，不足之处是mRNA定量比较复杂，RNA完整性不足，影响因素比较多。

最新一代扩增仪是液滴数字PCR仪，除了灵敏度和分辨率更高之外可检测稀有突变、量化特定核酸种类、分析特定基因复制数的变化，检测基因组扩增和突变，可以指导靶向个体化治疗……

2、基因测序仪：

现在称为大规模平行和深度测序，简称为NGS平台，可说是基因工程、基因科学、生命科学的台柱子，应用面非常广，而且是当今识别病毒引发的疫情细节和防控中具有举足轻重的工具和手段，完整的平台，号称已经历第一代启动、第二、三、当今及以后的四代。最早的DNA序列分析是在髙分辨率聚丙烯酰胺变性凝胶电泳等基础上建立起来的，其方法有Sanger（1977年）和Maxam与Gibert，接着采用毛细管电泳技术和自动化技术进行核酸和蛋白质序列分析。本世纪初开始发展很快，第二代半导体测序平台和第三代单分子实时测试平台与以往基于光学信号的测试技术不同，分别为从半导体芯片直接感应序列合成过程中磷酸二酯链基团释放的质子；第三代是通过钠米孔技术记录单个聚合酶在不受干扰下的连续合成，所产生的序列条数和每条序列长度都大为增加，当今和未来NGS的发展将向高通量、快速、适应测序技术应用的各方面，如基因组学的全基因从头测序、重测序、外显子和目标捕获测序；转录组测序、数字基因表达谱测序、微小RNA测序；甲基化和简化甲基化测序及甲基化DNA免疫共沉淀测序等，随着测序技术的普遍应用，降低测序成本也是大势所趋。

当今比较典型的是Illumina在NGS平台应用的测序成本首次下降到1000美元完成人类基因组测序项目。依于NGS平台应用目的不同，测序项目和策略也有所不同，就疾病诊疗、临床应用而言，策略上可分为：a、针对己知病因，设计合适的芯片，直接针对多个已知致病基因，进行靶向基因测序；b、针对未知病因的疾病，对外显子组或全基因组进行测序。

这次新冠病毒引发的疫情在全球蔓延，对这种原本未知的，诡异的RNA病毒进行测序是很困难的，但在全世界各地的科学家和医务人员共同奋斗之中，充分运用以上二类主要的科学仪器设备，快速地对数以千计的病毒样本做出基因序列图谱，据《下一个病毒株》网站（GISAIO)报道来自全球53个国家病毒样品的基因序列检测分析，已取得全球该病毒的基因序列图谱和数据，以2020年3月26日为例，得到1442例样品的基因序列图谱和数据，一周后即4月5日为3370例样品的基因序列图谱和数据，翻倍还多。说明疫情形势之严峻，同时也说明人类在认知病毒世界中，科学仪器设备这一工具之重要，今日已远不是1918年对疫情盲然无知，措手不及的时代了。

四、感悟与识悟

以上所述，可说是把视野聚焦到科学仪器在生命科学技术中的作用，再聚焦到疾病、聚焦到致病菌检测，直至人类长期处于茫然的病毒和引发疫情蔓延的认知和防控中，科学仪器的巨大作用和发展。

正如施一公院士曾指出的，人类对自然的真实认知也只有3–5％，细想我们如同生活在病毒星球之中。2018年10月“国际病毒分类委员会”报告，至今己知病毒分类为4958种，可能只占总病毒数的0.1%，估计有32多万种病毒可能感染生物，但致病性的为少数。在严重威胁人类的十大病毒中，1980年世卫组织宣布天花已灭迹，但引为人类及为关注的是病毒引起的疫情常常来去无踪，且其基因序列、图谱、遗传密码、传染路径、毒性、变异、袭击人体器官等都很诡异，弄将人类每次应对其引发的疫情的危机认知，狭义地说是一次“纠错”，所以对病毒乃至整个自然的认知、改造、包括生态修复都是跨界的，且一个漫长的历史过程，迫切需要科学仪器设备这个无 法替代的工具，应需及时跟进、发展和完善。

推而广之，人们将科学和产业划分为不同领域和门类，实际上是为了分工、协力，更有针对性、更有效、更明晰地认知自然和改造、及时修复生态，所以将视野从聚焦当前病毒、疫情，扩大到各学科、各领域、各产业，则科学仪器设备这个必备的工具不断完善真是任重而道远啊！

此前先在《科学网》上发表了作者悟理哥的一篇文章《先放过芯片，中国这个行业可能更悲情》，用详细的数据阐述各领域科研和创新的工具——仪器仪表，被放在隐秘的角落，并生动地用“大路货”到“白富美”，形容我国科学仪器的状态，用“全是骨头没有肉”描述科学仪器学科和产业的困境，最后以“悲情的行业”指出我国科学仪器行业的病痛和呼吁摆脱！内容详实，只是题目有点刺眼、表述有些悲凉，且当今芯片的能量和体量之大，与仪器仪表、科学仪器不是一个等级。

接着《仪器信息网》发表了作者韦东裕的文章《科学仪器是悲情行业？别忽视了这些干实事的人》，着重引发了我国仪器仪表奠基人王大珩院士曾指出的：仪器仪表是工业生产的“倍增器”，科学研究的“先行官”，现代生活的“物质法官”。指出科学仪器对于社会和国家是“四两拨千金”的作用，对学科和行业中干实事的人们高度肯定和赞扬，并联系到今年中国科学仪器发展年会的召开，盼望着参与者共商科学仪器的发展之道，走出国境，探索发展的?略和要点，振兴我国科学仪器，都是历次年会之宗旨和主题！

我近84岁的科技老顽童（科技工作者），从事科仪与测试相关的专业60多年了，这次因年高不能参会了！但为年会的召开，为我国科学仪器的振兴在内心激荡！衷心盼望年会坚持年年召开。当第三十届年会召开时，但愿我能以百岁老人亲笔书写《敬贺第三十届科学仪器发展年会盛开》！

中国农业科学院

蒋士强

初稿撰写于海南澄迈

2020年8月23日–9月13日

参考文献：

1、悟理哥 《先放过芯片，中国这个行业可能更悲情》科学网 2020年。

2、韦东裕 《科学仪器是悲情行业？别忽视了这些干实事的人》 仪器信息网 2020年。

3、《病毒星球》卡尓·齐默著 刘扬译 广西师范大学出版社 2020年3月。

4、《致命流感·百年治疗史》杰里米·布朗著 王辰瑜译 社会科学文献出版社 2020年3月。

5、其它引用的资料均来自网络，文中多有表示。