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《科学》:给美国新任总统的六堂科学课

时间: 2016年11月09日 | 作者: David Malakoff | 来源: Science
《科学》提出了6个目前与全球社会、经济及民生发展有关的、最重要的科学议题。

在赢得2000年美国总统大选前,乔治·布什承诺要做一个“有同情心的保守党人”,减少税收、鼓励教育、推动经济。然而他上任不久,便忙于应付2001年的恐怖袭击,以及阿富汗战争和伊拉克战争。同时,另有两个科学性事件和 9·11恐怖袭击相关。袭击发生前一个月,布什正在斟酌是否要将联邦基金用于人类胚胎干细胞提取等研究当中。而袭击发生仅仅一周后,又有人给媒体和政客发送充满炭疽的信件,造成5人死亡,这推动白宫着手大力提高对生物恐怖袭击的防御。

 

入主白宫的新总统们既不希望、也不准备在这些晦涩的技术问题上花时间。但从历史上看,不管是否有准备,每任总统都无法避免与一系列科学相关的政治问题或危机纠缠不清。

 

新当选的美国总统又将面对哪些科学相关的问题呢?气候变化问题必然越来越重大,还有其他年度热议话题:政府应该在基础研究上投入多少资金?哪些领域有可能在短期获得最大的经济回报?从无人驾驶的汽车到基因组工程,技术进步将会带来新的管理挑战。此外疾病爆发、原油泄漏和自然灾害等突发问题也很难避免。

 

在每起事件中,一个小小的科学常识或许就可以帮助总统更好地理解问题,并作出最好的应对。因此,我们为当选者带来一堂重要的课程,涉及今后4或8年总统办公室可能最须要关注的6个方面。

 

第一课:危险的进化

 

病原体的变化比我们的防御快

 

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图注】埃博拉疫情爆发期间,科学家紧张地检测病毒(蓝色)的变化。

 

科学事实:病毒、细菌、真菌和寄生虫会在人类、家畜、野生动物、树木和农作物中引起疾病,与它们的寄主进行攻防竞赛。不幸的是,它们总是处于上风,能够进化出回避或突破寄主防御的能力,潜在地成为致命的超级病菌。同时,因为很多病原体繁殖的速度极快(比如肠道中的大肠杆菌可以在仅仅17分钟内就数量翻倍),它们的变化速度超过我们研制新疗法的速度。这种基本进程使细菌能够抵抗抗生素,使致命的流感病毒可以从鸟类、蝙蝠、猪等动物传播给人类,造成数百万人死亡的全球疫情。细菌和其他生命体甚至可以通过一种叫做侧向转移的过程获得基因,加速抗药性等性质的传播。

 

重要性:进化的病原体会威胁我们的食物、水源、自然资源与健康。在美国,200万人受到耐抗生素细菌感染,其中2.3万人死亡。 世界卫生组织估计,2015年全球新增58万对特效药有抗药性的结核病病例。疟疾、艾滋病和其他主要疾病都越来越有抗药性,对疾病控制带来威胁。最近爆发的寨卡和埃博拉等病毒都以我们难以预见的方式进化。为了找到治疗方法,科学家往往需要在实验室研究最危险的病原体,甚至改变它们的特性;这些病原体可能会因意外或人为流出,导致严重后果。

 

政治难题:美国要为严峻的传染病甚至全球流行病问题做好准备。疾病无国界,因此要做好国际合作。专家指出,疾病监视系统、诊断工具和治疗方法都须改进,但资金是一个大问题。必须从政策上保障对极端危险病原体的研究工作能在安全的实验室中进行,但不能因为法规而取消必要的研究。新任总统必须完善2015年出台的美国对抗耐药细菌的国家行动计划。该计划旨在控制抗生素在医疗和农业领域的滥用,抑制生物抗药性进化。同时,新总统还要设法激励医药公司开发新型抗生素以替代低效的旧药。

 

第二课:基因编辑

 

基因编辑技术引起了棘手的伦理问题

 

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图注】医生为移植手术准备的经基因修改的猪肺。

 

科学事实CRISPR 是一种新型的基因编辑技术,它能以更简单、快速、廉价的方式改变各种生物的 DNA。它的基础是一种单细胞生物演化出来抵御病毒的入侵的分子系统。早期基因工程技术包括类转录活化因子核酸酶(TALENs)与锌指核酸酶(ZFNs),它们价格高、速度慢、精度低,而 CRISPR 与之大不相同。CRISPR 可以轻易地剪下 DNA 片段,因此能用于破坏基因,加入 DNA,甚至混入其他生物体的基因。

 

重要性CRISPR 是基础研究的有力工具,可以为治疗人类基因疾病、提高抗虫作物产量和牲畜防疫提供新的治疗方法。但 CRISPR 也引起极大的道德与管理问题。人类将可以用修改过基因的生殖细胞(精子和卵子)创造胚胎,这意味着修改过的基因会遗传给后代。而在基因驱动技术(gene drive)中,CRISPR 可以永久改变一整个物种的基因组,这可能会改变该物种的进化路径和生态角色,甚至使之灭绝。原则上说,基因驱动技术可以提高濒危物种的繁殖力,破坏基因带来的抗性(如杂草对除草剂的抗药性),或消灭传播疾病的蚊虫。

 

政治难题:政府面对的一个重要难题是,要不要给修改人类胚胎的 CRISPR 研究拨款。更具争议的是,CRISPR可以使新生儿摆脱已知的基因缺陷,甚至获得更强的能力,如更好的夜间视力或更强健的臂力。新任总统还要面对的问题是,政府是否应当以限制基因修饰(GM)生物的方式,限制 CRISPR 技术对植物与动物的修改。(美国农业部已经声明,如果使用 CRISPR 对作物基因进行的修改,是在自然状态下也可能发生的基因改变,那么这种修改就不受现有基因修饰作物规定的约束。)此外,有极大潜力的基因驱动技术又应如何限制呢?

 

第三课:海平面上升

 

大西洋沿岸已经有被淹没的危险

 

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图注】今年早些时候在北卡罗来纳州发生的洪水,随着海平面上升会越来越常见。

 

科学事实:有这么一句政治老话:“所有的政治都是地域性的。”它也适用于下面这个人为气候变化所导致的紧迫问题:所有的海平面上升都是地域性的。随着全球变暖,海平面平均每年升高3.2毫米;1993年至今,海平面上升相当于一张纸牌的高度。大约40%的增长来自水受热后的物理膨胀,其余的主要来自冰川融化,尤其是近几年格陵兰岛和北冰洋冰层的消融。如果这个问题持续发展,到本世纪末,海平面会上升0.5米甚至更多。

 

但这些数字背后还有一个严酷又复杂的现实问题:因为地域地理情况,洋流运动、冰川融化以及地表起伏引起的重力差异,海平面的上涨并不平均。这意味着美国某些海岸比其他地方更容易受到短期洪水的威胁。例如,我们都知道路易斯安那州南部的海岸侵蚀十分严重,而随着地幔因冰河时代厚重冰川的消失而发生变化,东海岸也在持续下沉。在大西洋沿岸,从马里兰州到南北卡罗来纳州,地下水开采加剧了地表下陷。近年来,将温暖的热带海水带向北方、然后离开海岸的北大西洋暖流已经减弱,致使海水向陆地倒灌。在这些因素的作用下,东海岸海平面上升速度是全球平均水平的两倍,是弗吉尼亚州和很多北部地区的三倍。

 

重要性:近40%的美国人口分布在海边,且海岸线上有密集的基础设施,包括公路、铁道、港口、军事基地,以及电厂、水厂和污水处理厂等,这些设置的保护或迁移将耗费数十亿美元。弗吉尼亚州的汉普顿锚地和佛罗里达州的迈阿密海滩等沿海社区是受海平面上升影响最严重的地区,甚至在晴天也会发生潮汐洪水,导致交通堵塞、草坪污染、设备腐蚀。湿地和水生植被等重要的生态系统有助于保护海岸免受暴风雨侵害、为重要经济鱼类提供生长的处所,而它们也受到被淹没的威胁。海平面上涨还使暴风雨入侵内陆、高地,造成更大破坏。

 

政治难题:由于过去温室气体的排放,既然海平面上涨已不可避免,那么联邦政府要怎么帮助居民防范、适应上升的海面?政策制定者怎么避免国家、州和地方政府重复劳动或卷入地盘争夺战?谁来决定居民什么时候防洪,什么时候撤离?应该向哪项气候变化研究拨款?(例如,如果能进一步理解格陵兰岛和西北冰洋冰层的融化机制,减少下个世纪海平面上升的不确定性,那么地方政府就可以从中受益。)最重要的是:怎样在世界范围内,减少使海平面上涨的温室气体排放?

 

 

第四课:大脑健康

 

有关阿尔兹海默病等疾病的个人、政府预算支出负担沉重

 

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图注】这张大脑图像中可以看出阿尔兹海默病。

 

科学事实:有860亿脑神经和数万亿链接的人类大脑处理着从思维、记忆到运动、睡眠的所有事件。在人的一生中,神经网络不断受到我们的学习、经验、生活方式、伤病的影响。长久以来,我们认为神经元数量在人生早期即已确定不变,其实不然,大脑有些区域仍会形成新的神经元。有了先进的大规模计算和一些革命性的工具,神经学家可以前所未有地研究大脑的工作细节。比如,利用光遗传学方法,研究者可以激活神经元,并实时观察它们的活动。

 

重要性:从我们出生到死亡,大脑健康都非常重要。治疗大脑疾病的花费,不管是个人支出还是政府预算支出都非常巨大。到2025年,预计至少有700万美国人罹患阿尔兹海默病,出现失忆、人格变化、思维受损症状,并最终死亡。仅2016年,治疗和看护患有阿尔兹海默病和其他罕见认知障碍症的美国人,就要花费2360亿美元,其中政府健康项目负担三分之二。而在儿童方面,从2002年到2012年,自闭症(一种语言和社交困难)患者增长了123%。2016年,每68个美国儿童中就有一人是自闭症患者;每个患儿家庭每年预计花费约6万美元。

 

其他大脑健康疾病也大量存在。学校里,学习障碍是一大问题;流浪者、吸毒人员和监狱犯人则普遍患有精神疾病;而脑震荡是体育界最关注的问题。军队要承担战争中产生的创伤性脑损伤和战后心理后遗症的治疗。有效的诊断和治疗会让结果大有改观。

 

政治难题:新任总统必须计划应对为照顾患有大脑疾病的老人而攀升的开支,同时决定大脑研究的优先程度。自2014年起,联邦政府已经为奥巴马的推进创新神经技术脑研究计划(BRAIN Initiative)花费了7.5亿多美元;下届政府将决定它如何继续推进。同时,支持团体正在推动扩大小儿脑癌到阿尔茨海默病等疾病的研究投入。2016年,阿尔兹海默病的研究资金上升了3.5亿美元,而国会下一年的投入或将有增无减。同时,很多法律机构正在筹集更多款项,为狱中和刑事司法过程中产生的心理健康问题提供援助。在这些支出项间合理分配会成为近来财政预算的一大挑战,尤其是扩大医保等强制支出,更增加了对可用资金的限制。

 

第五课:聪明的 AI

 

人工智能飞速发展 期望和风险并存

 

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图注】智能无人机和其他武器最终将可以自主判断进攻时机。

 

科学事实:在几年的停滞后,人工智能(AI,目标是让机器可以像人一样收集信息、学习、做决定)又起航了。同时基于大数据集和对周围环境进行模式搜索的算法越发成熟,随更加强大的处理器一道将科幻变成现实:手机可以理解人类语言,交通工具可以自己导航,机器可以在复杂的游戏中彻底打败人类。2016年3月,一个以自我学习为基础的计算机程序打败了人类顶尖围棋棋手——AI 专家曾以为这件事十年内都不会发生。科研人员也设计了可以精确识别图片、帮助作出投资决定、协助控制交通流量与能源使用、以及能够计算出如何在网络上更有效地投放广告的人工智能系统。

 

重要性:尽管专家认为至少还需要几十年的时间,机器才能和人类一样进行真正的思考,但 AI 在专门领域的应用的确已经对现代社会产生了影响。从无人驾驶汽车到指导医疗和护理的系统,都带来了极大的好处,它们能提高劳动效率、开拓利润丰富的新市场、减少交通和医疗事故造成的死亡。但 AI 也带来了忧虑,它会使雇主增加自动化作业,使之取代工人。经济学家预计,低收入工作岗位将会首先消失,有可能使经济不平衡加重。让机器自己做决定也会引发大量伦理、法律和监管问题。如果无人车出了事故、软件销毁了投资组合文件、交通传感器错误地切换了指示灯,该由谁来负责?在军事方面,军队一直在研发能够自主判断进攻时机的致命性武器,这将带来更大的风险。

 

政治难题:很多公司都迫切期望得到无人驾驶汽车和无人飞行器的上路和飞行许可,并希望联邦监管机构能尽快厘清相关法规。下任总统还必须决定联邦政府在 AI 研究上的投入(目前的投资是每年10亿美元)。AI 技术已经传遍全球,如果美国不想在某些方面措手不及,就应当密切关注 AI 技术对经济、人力和国家安全的影响。

 

第六课:风险评估

 

不要高估我们的能力 直觉判断会带来糟糕的政策

 

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【图注2013年波士顿马拉松爆炸案后,纽约市政府在时代广场增加了警力,但人们往往会高估这类事件发生的可能。

 

科学事实:专家用数据评估风险,而普通人往往靠直觉。俄勒冈大学(University of Oregon)风险心理学家 Paul Slovic指出,这两种方式都有问题:“它们各有利弊。”

 

直觉评估的缺点很明显:它使我们高估可怕事件发生的概率,而低估近在咫尺的日常风险。例如,9·11恐怖袭击后至今,死于恐怖分子之手的美国人不超过几百人,而同时期内交通事故和心脏病分别导致了50多万人和大约800万人死亡——对于后者我们却不以为意。

 

同样,我们对恐怖袭击或飞机失事的本能恐惧也不会投射到饥饿、贫困、死亡等危及数千人的人道主义危机上。“我们对灾难数据反应不够。” Slovic 说。我们也常常低估长时间或大范围缓慢传播的威胁,比如气候变化造成的经济和公共健康影响。下任总统需要明白,靠直觉进行评估会导致错误的风险预期。

 

专家根据数据得到的风险评估则看起来非常客观,但他们也需要判断什么数据是有效的,以及如何描述风险。例如,在评估有毒化学物品泄漏的威胁时,他们会简单地以预计死亡人数(一般偏低)或某种罕见癌症的增长率(一般偏高)来描述风险。选择不同的指标会改变风险的预期,而专家也会有自己的倾向与取舍。

 

重要性:错误评估风险会使总统对小概率危险反应过度,而对大问题反应不足,他可能会支持让公众感觉良好却费钱又低效、甚至产生反效果的政策。而总统有关风险问题的公众言论,也可能造成扩大恐慌或预警不足的两极效果。预先真诚地说明风险而不去保证能完全解决问题,可以让公众对不可避免的灾难做好准备,减小政策和实际问题不相称的情况。为了使上述宣传政策更有效,总统需要保持公众的信任,而这并不容易。了解基本的风险心理学可以避免更多的失误。

 

政治难题:新任总统将面对一大串针对已知风险的政治决定,包括恐怖袭击、对外冲突、国内犯罪与暴力、流感蔓延和自然灾害。同时也会出现新的问题,比如DNA编辑或无人驾驶汽车等新技术的潜在风险。每一项的风险评估、公众声明,以及如何制定可以赢得选民、相关行业和地方、州、联邦决策者支持的合理政策,都是新任总统需要面对的挑战。

 

撰文 David Malakoff, Jeffrey Mervis

翻译 邢若洁

审校 杨晨 张士超 赵维杰

 

原文链接:

http://www.sciencemag.org/news/2016/10/science-lessons-next-president


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