關(guān)于基礎(chǔ)理論創(chuàng)新的思考

劉仁志

0 前 言

2023年2月22日晚，中央電視臺(tái)《新聞聯(lián)播》播出一則關(guān)于中共中央政治局集體學(xué)習(xí)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的新聞。這則頭條新聞對(duì)一直關(guān)注基礎(chǔ)理論創(chuàng)新的科研工作者們而言，無(wú)疑是一條重磅消息，具體內(nèi)容如下：

“中共中央政治局2023年2月21日下午就加強(qiáng)基礎(chǔ)研究進(jìn)行第三次集體學(xué)習(xí)。中共中央總書記習(xí)近平在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，是實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的迫切要求，是建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)的必由之路。各級(jí)黨委和政府要把加強(qiáng)基礎(chǔ)研究納入科技工作重要日程，加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，加大政策支持，推動(dòng)基礎(chǔ)研究實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革突飛猛進(jìn)，學(xué)科交叉融合不斷發(fā)展，科學(xué)研究方式發(fā)生深刻變革，科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展加速滲透融合，基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化周期明顯縮短，國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)向基礎(chǔ)前沿前移。應(yīng)對(duì)國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)、實(shí)現(xiàn)高水平自立自強(qiáng)，推動(dòng)構(gòu)建新發(fā)展格局、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，迫切需要我們加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，從源頭和底層解決關(guān)鍵技術(shù)問題?！?/p>

在學(xué)習(xí)會(huì)上，習(xí)主席作了重要講話，他指出：“要強(qiáng)化國(guó)家戰(zhàn)略科技力量，有組織地推進(jìn)戰(zhàn)略導(dǎo)向的體系化基礎(chǔ)研究、前沿導(dǎo)向的探索性基礎(chǔ)研究、市場(chǎng)導(dǎo)向的應(yīng)用性基礎(chǔ)研究，注重發(fā)揮國(guó)家實(shí)驗(yàn)室引領(lǐng)作用、國(guó)家科研機(jī)構(gòu)建制化組織作用、高水平研究型大學(xué)主力軍作用和科技領(lǐng)軍企業(yè)‘出題人’‘答題人’‘閱卷人’作用。要優(yōu)化基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)布局，支持重點(diǎn)學(xué)科、新興學(xué)科、冷門學(xué)科和薄弱學(xué)科發(fā)展，推動(dòng)學(xué)科交叉融合和跨學(xué)科研究，構(gòu)筑全面均衡發(fā)展的高質(zhì)量學(xué)科體系?！贝送?，習(xí)主席還特別提出，“實(shí)施差異化分類管理和國(guó)際國(guó)內(nèi)同行評(píng)議，組織開展面向重大科學(xué)問題的協(xié)同攻關(guān)，鼓勵(lì)自由探索式研究和非共識(shí)創(chuàng)新研究?！?/p>

習(xí)主席最后強(qiáng)調(diào)：各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)干部要學(xué)習(xí)科技知識(shí)、發(fā)揚(yáng)科學(xué)精神，主動(dòng)靠前為科技工作者排憂解難、松綁減負(fù)、加油鼓勁，把黨中央關(guān)于科技創(chuàng)新的一系列戰(zhàn)略部署落到實(shí)處。

這些具體而精準(zhǔn)的戰(zhàn)略決策，高瞻遠(yuǎn)矚，鼓舞人心，令人感慨萬(wàn)千而又躍躍欲試。特別是“鼓勵(lì)自由探索式研究和非共識(shí)創(chuàng)新研究”這句話，對(duì)解放思想和促進(jìn)基礎(chǔ)理論的科學(xué)探索具有重要意義，同時(shí)也是對(duì)民間科學(xué)家的一種極為重要的肯定。這一政策的出臺(tái)，緩解了一度困擾民營(yíng)企業(yè)科技人員基礎(chǔ)理論創(chuàng)新工作缺乏平臺(tái)支持的難題，使民營(yíng)企業(yè)科技人員有望在國(guó)家科研機(jī)構(gòu)建制化組織的平臺(tái)，就基礎(chǔ)理論創(chuàng)新問題與國(guó)家機(jī)構(gòu)科研人員一起協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮自己的才能，為國(guó)家科學(xué)基礎(chǔ)理論的強(qiáng)化做出貢獻(xiàn)。

事實(shí)上，此前中國(guó)科學(xué)院已在這方面做出了表率。筆者作為民營(yíng)企業(yè)科技人員，有幸作為中科院學(xué)部咨詢?cè)u(píng)議項(xiàng)目“我國(guó)電子電鍍基礎(chǔ)與工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展”課題的成員（顧問），參與了中科院學(xué)部“高端電子電鍍技術(shù)”課題的咨詢?cè)u(píng)議工作。且在課題完成后，還參與編撰了《中國(guó)科學(xué)院院士建議》。建制內(nèi)因?yàn)榫幹坪湍挲g等條件的限制，民間科學(xué)家很難有機(jī)會(huì)參與到國(guó)家科研項(xiàng)目中?！邦檰栔啤弊鳛橐环N建制創(chuàng)新，很好地解決了這一問題。在這一制度下，民企科技人員可以以技術(shù)顧問的身份，參與到建制平臺(tái)的工作中。建立“獨(dú)立顧問”或設(shè)立“顧問委員會(huì)”，已經(jīng)逐漸成為一些科研和管理平臺(tái)常用的加強(qiáng)組織作用的舉措。筆者也經(jīng)常會(huì)被一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)聘為顧問或在大學(xué)兼職和講學(xué)。這種開放的平臺(tái)，為各行業(yè)專家在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域?yàn)樯鐣?huì)做貢獻(xiàn)提供了機(jī)制保障。

但不得不承認(rèn)的是，在基礎(chǔ)理論探索方面，民間人士提出的相關(guān)課題和觀點(diǎn)，特別是“非共識(shí)”理論，極少能被業(yè)界同僚認(rèn)同。據(jù)相關(guān)資料表明，一些民間人士自費(fèi)出版的與理論物理有關(guān)的新觀點(diǎn)的著作，鮮有人問津。誠(chéng)然，基礎(chǔ)理論的研究確實(shí)存在一定門檻，對(duì)研究人員的身份、地位、學(xué)歷等都有一定的基本要求。而民間人士在這方面往往存在較為明顯的短板，因此，他們的課題常常在初審階段，就會(huì)被直接“扔掉”。即便是一些有一定知名度的專業(yè)人士，倘若其研究課題不是本人的專業(yè)領(lǐng)域，而是跨學(xué)科涉入的基礎(chǔ)理論研究，也往往得不到支持。尤其是在一些有“定論”和權(quán)威理論的領(lǐng)域，這些民間科學(xué)家提出的“非共識(shí)”創(chuàng)新理論，常常會(huì)被當(dāng)成“另類”而無(wú)法進(jìn)行更深一步的討論和研究。因此，在推進(jìn)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新時(shí)，既要強(qiáng)調(diào)國(guó)家科研機(jī)構(gòu)建制化組織的作用，同時(shí)也要注重非建制科研人員的作用，根據(jù)實(shí)際情況制定具體的措施并加以實(shí)施。中共中央政治局帶頭加強(qiáng)基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，提出新的理念和舉措，為面對(duì)當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際環(huán)境和復(fù)雜形勢(shì)，調(diào)動(dòng)全民科技力量，打牢國(guó)家科學(xué)理論基礎(chǔ)提供了強(qiáng)大推動(dòng)力。

1 基礎(chǔ)理論領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

科學(xué)基礎(chǔ)理論從大的方面可以分為兩大類，一是自然科學(xué)理論體系，一是社會(huì)科學(xué)理論體系。這兩大體系又各有自己的分支，尤其是自然科學(xué)體系，僅物理一系，就有各種各樣的分支。其中，理論物理學(xué)是所有物理學(xué)的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)、生物學(xué)等也都有許多分支，跨學(xué)科間的交叉融合與學(xué)術(shù)碰撞，帶來了許多創(chuàng)新與變革。在當(dāng)今數(shù)字化和智能化的時(shí)代，大量科技創(chuàng)新的新產(chǎn)品、新工藝和新材料涌現(xiàn)出來，由此而引發(fā)了一系列難以用傳統(tǒng)理論解釋的問題，這時(shí)就需要基礎(chǔ)理論創(chuàng)新來予以闡釋和解決。社會(huì)科學(xué)的理論創(chuàng)新也很迫切。在世界巨變的形勢(shì)下，社會(huì)形態(tài)和意識(shí)形態(tài)面臨著諸多重大挑戰(zhàn)，這些都依賴社會(huì)基礎(chǔ)理論予以詮釋和解讀。特別是我國(guó)創(chuàng)新型社會(huì)主義制度下的一些理論問題，更需要有創(chuàng)新理論的支持。

關(guān)于這兩大體系中的基礎(chǔ)理論問題，既需要有人提出并解答，也需有一個(gè)平臺(tái)來評(píng)判答案。同時(shí)，對(duì)提出的問題和回復(fù)的答案，還需有建制平臺(tái)予以響應(yīng)。倘若沒有相應(yīng)平臺(tái)的反饋，沒有進(jìn)一步的討論和研究，就簡(jiǎn)單地排除和封存，理論創(chuàng)新就會(huì)變成空談。

筆者長(zhǎng)期從事于電化學(xué)應(yīng)用工藝領(lǐng)域，經(jīng)過多年的努力學(xué)習(xí)和工作，在這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域取得了些許成績(jī)，并發(fā)表了大量技術(shù)論文和出版了幾十本專業(yè)著作。由于長(zhǎng)期在生產(chǎn)和科研一線從事具體工藝課題的研究工作，親身碰到到過許多工藝問題，這些問題的起因解釋及解決方法都涉及到電化學(xué)基礎(chǔ)理論。特別是微電子產(chǎn)品制造包括芯片制造中遇到的電化學(xué)沉積的問題，用經(jīng)典共識(shí)理論去分析，很難找到較為合理的答案。

2019年，筆者在《表面工程與再制造》發(fā)表了“談?wù)劻孔与娀瘜W(xué)”一文[1]。這是首次在正式出版的行業(yè)類專業(yè)期刊上介紹了量子電化學(xué)理論。這一理論的創(chuàng)新應(yīng)用很好地解釋了關(guān)于電子電鍍技術(shù)是芯片制造不可或缺的技術(shù)的問題。

通過將“量子電化學(xué)”理論引入到電化學(xué)沉積即電鍍領(lǐng)域中，可以很好地詮釋電化學(xué)應(yīng)用中的一些基礎(chǔ)理論問題?！傲孔与娀瘜W(xué)”理論對(duì)金屬電沉積過程做了量子化的詮釋，定義了電鍍過程是原子級(jí)別的增量制造過程，從而很好地解釋了在納米級(jí)芯片線槽內(nèi)，只有電鍍結(jié)晶才可以實(shí)現(xiàn)填充并完成芯片內(nèi)集成電路互聯(lián)的過程。當(dāng)前，高端電子制造離不開電鍍技術(shù)的支持，這使得在完善和加強(qiáng)芯片制造全產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)中，電子電鍍技術(shù)逐漸得到了人們的重視，今年第2期的《中國(guó)科學(xué)院院士建議》就是一個(gè)很好的證明。在此基礎(chǔ)上，筆者還撰寫了《量子電化學(xué)與電鍍技術(shù)》一書[2]，同時(shí)修訂再版了《電子電鍍技術(shù)（第二版）》和《整機(jī)電鍍技術(shù)》，在電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域做出了一些探索。這些并不是終點(diǎn)，而只是一個(gè)新的領(lǐng)域的起點(diǎn)。

2 一個(gè)“非共識(shí)”理論的例子

這個(gè)新的非共識(shí)理論屬于分子生物學(xué)領(lǐng)域，可以暫時(shí)稱之為“量子生物電化學(xué)”領(lǐng)域[3]。這不是心血來潮推想的概念，而是在幾個(gè)方面持續(xù)關(guān)注而引申的結(jié)果。再加上新冠病毒的全球性流行事件中的病毒行為學(xué)方面的問題，更催生出這樣的一種思考。

這幾個(gè)方面主要包括：一個(gè)是前面已提過的電化學(xué)領(lǐng)域；另一個(gè)則是2019年出版的《光子信息》一書介紹的領(lǐng)域[4]，關(guān)于物質(zhì)自組裝過程的猜想。通過元素的形成和應(yīng)用聯(lián)想到物質(zhì)會(huì)由簡(jiǎn)單向復(fù)雜進(jìn)化及自組裝行為等問題的思考，這些均屬于基礎(chǔ)理論問題。物質(zhì)進(jìn)化到高級(jí)形式就是生命，這就涉及到了生物學(xué)。生物進(jìn)化論是公知的理論。而細(xì)菌和病毒則是微生物學(xué)領(lǐng)域研究的范疇，它們的進(jìn)化（變異）的特征及遵循的機(jī)理或進(jìn)化過程中涉及的生物信息收集和傳遞，都是值得研究的課題。生物信息的研究通常被認(rèn)為是一個(gè)成熟和共識(shí)的基礎(chǔ)研究。生物電化學(xué)是這個(gè)研究領(lǐng)域中最基本也是最重要的理論。至于《生物信息學(xué)》，則是以計(jì)算機(jī)生物信息庫(kù)為載體的學(xué)科體系，大學(xué)設(shè)有相關(guān)專業(yè)課程，同時(shí)也有大量直接以此作為書名的著作[5]。但是這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的大部分書籍主要并非描述生物體內(nèi)的信息（例如神經(jīng)信息傳遞、生物電傳導(dǎo)等）和生物體個(gè)體與群體之間的信息發(fā)布與接收等方面的問題，而是講述生物信息的收集與電子計(jì)算機(jī)的處理與應(yīng)用等。當(dāng)新的問題或新的現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，這些經(jīng)典生物學(xué)理論往往就不能給出具有說服力的解釋了。筆者在2019年和2020年的《表面工程與再制造》雜志上提過這個(gè)全新領(lǐng)域的問題，詳細(xì)內(nèi)容可見2019年發(fā)表的《表面電位與生物電》[6]和2020年發(fā)表的《膜電位的本質(zhì)》[3]。

微生物學(xué)和分子生物學(xué)以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)一直都采用生物電化學(xué)理論來討論和研究相關(guān)問題，其中一個(gè)重要的理論就是細(xì)胞膜內(nèi)外離子遷移引起的“生物電”電位的變化，我們可以簡(jiǎn)稱為膜電位理論。膜電位的變化對(duì)應(yīng)一定的生理變化，這可以用來檢測(cè)人體相關(guān)部位“生物電”發(fā)生變化對(duì)應(yīng)的組織異常狀態(tài)。例如腦電圖和心電圖等，都能較好地反映出相應(yīng)部位組織病變產(chǎn)生的不正常電位波動(dòng)。而這些電位變化是由細(xì)胞內(nèi)離子的遷移發(fā)生變化引起的。研究表明，產(chǎn)生膜電位的重要離子主要有Na+、K+和 A-離子（帶負(fù)電荷的細(xì)胞內(nèi)的大蛋白質(zhì)分子，僅存在細(xì)胞內(nèi)，且膜對(duì)它無(wú)通透性）。其他離子，如Ca2+、Cl-、Mg2+等離子在大多數(shù)細(xì)胞中對(duì)電位無(wú)直接貢獻(xiàn)。

2018年12月19日，顏寧教授應(yīng)邀訪問山東大學(xué)青島校區(qū)，并作了題為“電信號(hào)是如何產(chǎn)生的？導(dǎo)航通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)制研究”（How is electrical signal generated? Structure and mechanistic investigations of Nav channels）的學(xué)術(shù)報(bào)告[7]。她在報(bào)告中指出鈉離子電壓門控通道在興奮性細(xì)胞中參與維持靜息電位和動(dòng)作電位的發(fā)生，與正常的生理功能調(diào)控以及疾病的發(fā)生密切相關(guān)。顏寧從鈉離子通道的結(jié)構(gòu)入手，首先解析了細(xì)菌中的鈉離子通道NavRh的結(jié)構(gòu)，隨著冷凍電鏡技術(shù)的革新，進(jìn)一步解析了真核生物蟑螂和電鰻的鈉離子通道結(jié)構(gòu)，以及人的Nav1.4通道的結(jié)構(gòu)；分享了在解析人的Nav1.4通道的結(jié)構(gòu)中遇到的瓶頸和解決思路，重點(diǎn)談到優(yōu)化膜蛋白Nav1.4的蛋白性質(zhì)和解決冷凍電鏡樣品制備中蛋白變性問題；修正了傳統(tǒng)的鈉離子通道活性調(diào)控的“Ball and Chain”模型，提出了變構(gòu)阻斷機(jī)制。

顏寧教授科普的這個(gè)問題，正是我們需要進(jìn)一步探討的問題，即生物電信號(hào)是如何傳遞的。

生物電的研究可以追溯至伽伐尼醫(yī)生著名的青蛙實(shí)驗(yàn)，距今已有兩百多年的歷史。目前，人們大都接受了生物電的概念，但生物電在體內(nèi)的傳導(dǎo)方式一直都沒有一個(gè)明確的說明。生物體，特別是動(dòng)物，是一個(gè)極為復(fù)雜的電解質(zhì)體系，基于此，用離子導(dǎo)電理論即電化學(xué)理論來探討生物電問題逐漸成為共識(shí)，并在此基礎(chǔ)上建立了完整的理論體系。當(dāng)前，人們普遍認(rèn)為生物電信息的傳導(dǎo)方式是離子傳導(dǎo)，且這個(gè)理論已在現(xiàn)代生物學(xué)特別是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的上廣泛應(yīng)用，效果顯著。但是，用這個(gè)理論來研究生物電傳導(dǎo)會(huì)有一定的局限性，其中的兩個(gè)重要的問題是：一個(gè)是生物電信息在個(gè)體內(nèi)傳導(dǎo)的速度問題；另一個(gè)則是生物群體之間生物電信息傳導(dǎo)的問題。生物群體間信息傳導(dǎo)的研究在生物學(xué)中沒有放在“生物電”層面進(jìn)行探討，而是作為生物行為學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行研究。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，用氣味、聲音、動(dòng)作等在群體中傳遞信息是各種動(dòng)物常見現(xiàn)象，至于人類則有更為高級(jí)的信息傳遞體系。但是，就生物電信息這個(gè)重要的概念而言，如何在群體之間傳遞，用離子傳導(dǎo)理論無(wú)法完全解釋清楚。一種可能的研究方向是探究生物電磁波存在的傳導(dǎo)機(jī)制，即將量子電化學(xué)應(yīng)用到生物電化學(xué)中來，而這也正是筆者目前極力探究的方向。

鑒于此，筆者希望通過《表面工程與再制造》這個(gè)專業(yè)而權(quán)威的媒體平臺(tái)發(fā)出呼吁，希望有資源的體制內(nèi)平臺(tái)重視這方面的問題，并部署相關(guān)的研究課題。這將是原創(chuàng)性和前沿性的課題，目前可參考的資料較少，需努力地探索，特別是在研發(fā)新的生物電磁波接收裝置方面將會(huì)困難重重，但卻極富挑戰(zhàn)性和吸引力的。

期待這個(gè)創(chuàng)新課題能得到相關(guān)平臺(tái)或科研團(tuán)隊(duì)的積極響應(yīng)。