专著（系列）

    本报告是中国科学院发布的年度系列报告《科学发展报告》的第十九部，旨在全面综述和分析2015年度国际科学研究前沿进展动态，研判和展望国际重要科学领域研究发展趋势，揭示和洞察科技领域创新突破及快速应用的重大经济社会影响，报道和介绍我国科学家具有代表性的重要研究成果，观察和综述国际主要科技领域研究进展及科技战略规划与研究布局，概括和介绍我国科学研究整体发展状况，并向国家决策部门提出有关中国科学的发展战略和科技政策咨询建议，为国家宏观科学决策提供重要决策依据。

    本报告对各级科技决策部门、科研管理部门等具有连续的重要参考价值，可供各级科技决策和科研管理人员、科研院所科技研究人员、大专院校师生以及社会公众阅读和参考。

创造未来的科技发展新趋势

（代序）

白春礼

    当前，全球新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，科技创新正加速推进，并深度融合、广泛渗透到人类社会的各个方面，成为重塑世界格局、创造人类未来的主导力量。我们只有认清趋势、前瞻擘划，才能顺势而为、抢抓机遇。从宏观视角和战略层面看，当今世界科技发展正呈现以下十大新趋势。

    颠覆性技术层出不穷，将催生产业重大变革，成为社会生产力新飞跃的突破口。作为全球研发投入最集中的领域，信息网络、生物科技、清洁能源、新材料与先进制造等正孕育一批具有重大产业变革前景的颠覆性技术。量子计算机与量子通信、干细胞与再生医学、合成生物和“人造叶绿体”、纳米科技和量子点技术、石墨烯材料等，已展现出诱人的应用前景。先进制造正向结构功能一体化、材料器件一体化方向发展，极端制造技术向极大（如航母、极大规模集成电路等）和极小（如微纳芯片等）方向迅速推进。人机共融的智能制造模式、智能材料与３Ｄ打印结合形成的４Ｄ打印技术，将推动工业品由大批量集中式生产向定制化分布式生产转变，引领“数码世界物质化”和“物质世界智能化”。这些颠覆性技术将不断创造新产品、新需求、新业态，为经济社会发展提供前所未有的驱动力，推动经济格局和产业形态深刻调整，成为创新驱动发展和国家竞争力的关键所在。

    科技更加以人为本，绿色、健康、智能成为引领科技创新的主流方向。未来科技将更加重视生态环境保护与修复，致力于研发低能耗、高效能的绿色技术及其产品。以分子模块设计育种、增强光合作用、智能技术等研发应用为重点，绿色农业将创造农业生物新品种，提高农产品产量和品质，保障粮食和食品安全。基因测序、干细胞与再生医学、分子靶向治疗、远程医疗等技术大规模应用，将使医学模式进入个体化精准诊治和低成本普惠医疗的新阶段。智能化成为继机械化、电气化、自动化之后的新“工业革命”，工业生产向更绿色、更轻便、更高效的方向发展。服务机器人、自动驾驶汽车、快递无人机、智能穿戴设备等的普及，将持续提升人类生活质量，提升人的解放程度。科技创新在满足人类不断增长的个性化、多样化需求和增进人类福祉方面，将展现出超乎想象的神奇魅力。

    “互联网＋”蓬勃发展，将全方位改变人类生产和生活方式。新一代信息技术发展和无线传输、无线充电等技术实用化，为实现从人与人、人与物、物与物、人与服务互联向“互联网＋”发展提供丰富、高效的工具与平台。随着大数据普及，人类活动将全面数据化，而云计算为数据的大规模生产、分享和应用提供了基础。工业互联网、能源互联网、车联网、物联网、太空互联网等新网络形态不断涌现，智慧地球、智慧城市、智慧物流、智能生活等应用技术不断拓展，将形成无时不在、无处不在的信息网络环境，对人们的交流、教育、交通、通信、医疗、物流、金融等各种工作和生活需求作出全方位及时智能响应，推动人类生产方式、商业模式、生活方式、学习和思维方式等发生深刻变革。互联网的力量将借此全面重塑这个世界和社会，使人类文明在继农业革命、工业革命之后迈向新的“智业革命”时代。

    国际科技竞争日趋激烈，科技制高点向深空、深海、深地、深蓝拓进。空间进入、利用和控制技术是空间科技竞争的焦点，天基与地基相结合的观测系统、大尺度星座观测体系等立体和全局性观测网络将有效提升对地观测、全球定位与导航、深空探测、综合信息利用的能力。海洋新技术突破正催生新型蓝色经济的兴起与发展，多功能水下缆控机器人、高精度水下自航器、深海海底观测系统、深海空间站等海洋新技术的研发应用，将为深海海洋监测、资源综合开发利用、海洋安全保障提供核心支撑。地质勘探技术和装备研制技术不断升级，将使地球更加透明，人类对地球深部结构和资源的认识日益深化，为开辟新的资源、能源提供条件。量子计算机、非硅信息功能材料、第五代移动通信技术（５Ｇ）等下一代信息技术向更高速度、更大容量、更低功耗发展。第五代移动通信技术有望成为未来数字经济乃至数字社会的“大脑”和“神经系统”，帮助人类实现“信息随心至、万物触手及”的用户体验，并带来一系列产业创新和巨大经济及战略利益。

    前沿基础研究向宏观拓展、微观深入和极端条件方向交叉融合发展，一些基本科学问题正在孕育重大突破。随着观测技术手段的不断进步，人类对宇宙起源和演化、暗物质与暗能量、微观物质结构、极端条件下的奇异物理现象、复杂系统等的认知将越来越深入，把人类对客观物质世界的认识提升到前所未有的新高度。合成生物学进入快速发展阶段，从系统整体的角度和量子的微观层面认识生命活动的规律，为探索生命起源和进化开辟了崭新途径，将掀起新一轮生物技术的浪潮。人类脑科学研究将取得突破，有望描绘出人脑活动图谱和工作机理，有可能揭开意识起源之谜，极大带动人工智能、复杂网络理论与技术发展。前沿基础研究的重大突破可能改变和丰富人类对客观世界与主观世界的基本认知，不同领域的交叉融合发展可望催生新的重大科学思想和科学理论。

    国防科技创新加速推进，军民融合向全要素、多领域、高效益深度发展。受世界竞争格局调整、军事变革深化和未来战争新形态等影响，主要国家将重点围绕极地、空间、网络等领域加快发展“一体化”国防科技，信息化战争、数字化战场、智能化装备、新概念武器将成为国防科技创新的主要方向。大数据技术将使未来战争的决策指挥能力实现根本性飞跃，推动现代作战由力量联合向数据融合方向发展，自主式作战平台将成为未来作战行动的主体。军民科技深度融合、协同创新，在人才、平台、技术等方面的界限日益模糊。随着脑科学与认知技术、仿生技术、量子通信、超级计算、材料基因组、纳米技术、智能机器人、先进制造与电子元器件、先进核能与动力技术、导航定位和空间遥感等方面的重大突破，将研发更多高效能、低成本、智能化、微小型、抗毁性武器装备，前所未有地提升国防科技水平，并带动众多科技领域实现重大创新突破。国际科技合作重点围绕全球共同挑战，向更高层次和更大范围发展。全球气候变化、能源资源短缺、粮食和食品安全、网络信息安全、大气海洋等生态环境污染、重大自然灾害、传染性疾病疫情和贫困等一系列重要问题，事关人类共同安危，携手合作应对挑战成为世界各国的共同选择。太阳能、风能、地热能等可再生能源开发、存贮和传输技术的进步，将提升新能源利用效率和经济社会效益，深刻改变现有能源结构，大幅提高能源自给率。据国际能源署（ＩＥＡ）预测，到２０３５年可再生能源将占全球能源的３１％，成为世界主要能源。极富发展潜能的新一代能源技术将取得重大突破，氢能源和核聚变能可望成为解决人类基本能源需求的重要方向。人类面临共同挑战的复杂性和风险性、科学研究的艰巨性和成本之高昂，使相互依存与协同日趋加深，将大大促进合作研究和资源共享，推动高水平科技合作广泛深入开展，并更多上升到国家和地区层面甚至成为全球共同行动。

    科技创新活动日益社会化、大众化、网络化，新型研发组织和创新模式将显著改变创新生态。网络信息技术、大型科研设施开放共享、智能制造技术提供了功能强大的研发工具和前所未有的创新平台，使创新门槛迅速降低，协同创新不断深化，创新生活实验室、制造实验室、众筹、众包、众智等多样化新型创新平台和模式不断涌现，科研和创新活动向个性化、开放化、网络化、集群化方向发展，催生越来越多的新型科研机构和组织。以“创客运动”为代表的小微型创新正在全球范围掀起新一轮创新创业热潮，以互联网技术为依托的“软件创业”方兴未艾，由新技术驱动、以极客和创客为重要参与群体的“新硬件时代”正在开启。这些趋势将带来人类科研和创新活动理念及组织模式的深刻变革，激发出前所未有的创新活力。

    科技创新资源全球流动形成浪潮，优秀科技人才成为竞相争夺的焦点。一方面，经济全球化对创新资源配置日益产生重大影响，人才、资本、技术、产品、信息等创新要素全球流动，速度、范围和规模都将达到空前水平，技术转移和产业重组不断加快。另一方面，科技发达国家强化知识产权战略，主导全球标准制定，构筑技术和创新壁垒，力图在全球创新网络中保持主导地位，新技术应用不均衡状态进一步加剧，发达国家与发展中国家的“技术鸿沟”不断扩大。发达国家利用优势地位，通过放宽技术移民政策、开放国民教育、设立合作研究项目、提供丰厚薪酬待遇等方式，持续增强对全球优秀科技人才的吸引力。新兴国家也纷纷推出各类创新政策和人才计划，积极参与科技资源和优秀人才的全球化竞争。

    全球科技创新格局出现重大调整，将由以欧美为中心向北美、东亚、欧盟“三足鼎立”的方向加速发展。随着经济全球化进程加快和新兴经济体崛起，特别是国际金融危机以来，全球科技创新力量对比悄然发生变化，开始从发达国家向发展中国家扩散。从２００６年到２０１４年，美国研发投入占全球比重由３４．６％逐步下降到３０％，中国研发投入所占比重从３．１７％增加到１２．９７％。虽然以美国为代表的发达国家目前在科技创新上仍处于无可争议的领先地位，但优势正逐渐缩小，中国、印度、巴西、俄罗斯等新兴经济体已成为科技创新的活化地带，在全球科技创新“蛋糕”中所占份额持续增长，对世界科技创新的贡献率也快速上升。全球创新中心由欧美向亚太、由大西洋向太平洋扩散的趋势总体持续发展，未来２０～３０年内，北美、东亚、欧盟三个世界科技中心将鼎足而立，主导全球创新格局。

    正如雨果所说：与有待创造的东西相比，已经创造出来的东西是微不足道的。科技创新的前沿永无止境，科技创新的未来激动人心。我们要准确把握世界科技发展新趋势，树立创新自信，抢抓战略机遇，实施创新驱动发展战略，加快建成世界科技强国，为实现中华民族伟大复兴的中国梦提供强有力科技支撑。

    （本文刊发于２０１５年７月５日《人民日报》，收入本书时略作修改）。

目　录

创造未来的科技发展新趋势（代序）/白春礼

前言/中国科学院“科学发展报告”课题组

第一章　科学展望

1.1　等离子体物理发展展望/李建刚　朱少平　李儒新等

1.2　引力波探测和引力本质研究——21世纪基础科学的革命性突破/吴岳良

1.3　精准医学发展展望/金　力　杨　忠　徐　萍等

第二章　科学前沿

2.1　宇宙线起源的天文学前沿问题/刘四明

2.2X射线自由电子激光现状与未来发展/赵振堂　王　东　陈建辉

2.3　新型二维石墨炔碳材料研究进展/李玉良

2.4　聚合物太阳电池的相关研究进展及未来挑战/侯剑辉

2.5　锂空气电池技术研究进展与展望/徐吉静　张新波　李　泓

2.6　肿瘤免疫治疗研究前沿进展与展望/刘　洋　曹雪涛

2.7　常见精神障碍的分子遗传学研究进展/张于亚楠　岳伟华

2.8　近期青藏高原冰川变化及其影响/姚檀栋　杨　威　余武生等

2.9　中微子振荡：新物理的突破口——2015年诺贝尔物理学奖评述/曹　俊

2.10DNA修复与基因组稳定性——2015年诺贝尔化学奖评述/孔道春

2.11　抗击寄生虫病的里程碑——2015年诺贝尔生理学或医学奖评述/刘　满　俞　强

第三章　2015年中国科研代表性成果

3.1　逻辑系统的代数状态空间理论/程代展　齐洪胜　刘　挺

3.2　发现宇宙早期黑洞质量最大的超亮类星体/吴学兵

3.3　外尔半金属及外尔费米子的理论预言与实验发现/翁红明　戴　希　方　忠

3.4　丰质子核22Mg和23Al的双质子发射实验测量/马余刚　方德清

3.5　铁电材料中通量全闭合畴结构的发现/马秀良

3.6　科学家实现多自由度量子体系隐形传态/汪喜林　刘乃乐　陆朝阳等

3.7　二维超导中量子格里菲思奇异性的发现/王　健

3.8　硫醇分子的生物学功能认知取得重要进展——两个小分子硫醇通过代谢偶联主导林可霉素的生物合成/赵群飞　王　敏　刘　文

3.9　为绿色能源求解：人工合成光合作用水裂解催化中心/张纯喜

3.10　表面分子分形结构研究进展/吴　凯　王永锋

3.11　环内过氧桥键生物合成获得重要进展——α-酮戊二酸依赖的单核非血红素铁酶催化的环内过氧桥键的形成/张立新

3.12　解析细胞炎性坏死的关键分子机制/石建金　邵　峰

3.13NAIPNLRC4炎症小体激活的分子机制/胡泽汗　柴继杰

3.14CRISPRCas系统中外源DNA获取的结构基础和分子机制/王久宇　王艳丽

3.15　神经环路精确化的竞争机制——钙黏蛋白／环连蛋白复合物介导树突棘的协同修剪与成熟/边文杰　于　翔

3.16　人类三维基因组学的研究进展及其精准医学意义/朱菊芬　李国亮　阮一骏

3.17　共生菌调控货物分拣促进共生/刘志华

3.18E3泛素连接酶Nrdp1负向调节CD8＋T细胞的活化/陈涛涌　曹雪涛

3.19　植物气体激素乙烯作用的新机制/李文阳　马梦迪　郭红卫

3.20　太平洋西边界流及其气候效应/吴立新　胡敦欣　林霄沛等

3.21　地球内核内的核/宋晓东

3.22　海洋驱动下冰架的变薄可加剧南极冰架的崩解和退缩/程　晓　刘　岩　惠凤鸣

3.23　气候与地表覆盖对产水量作用的全球模式/周国逸

3.24　未来的中国森林仍然是一个显著的碳汇/方精云　胡会峰

第四章　科技领域发展观察

4.1　基础前沿领域发展观察/刘小平　吕晓蓉　黄龙光等

4.2　人口健康与医药领域发展观察/徐　萍　许　丽　王　玥等

4.3　生物科技领域发展观察/陈云伟　陈　方　丁陈君等

4.4　农业科技领域发展观察/董　瑜　杨艳萍　邢　颖

4.5　环境科学领域发展观察/曲建升　廖　琴　曾静静等

4.6　地球科学领域发展观察/张志强　郑军卫　赵纪东等

4.7　空间科学领域发展观察/杨　帆　韩　淋　王海名等

4.8　信息科技领域发展观察/房俊民　王立娜　唐　川等

4.9　能源科技领域发展观察/陈　伟　张　军　赵黛青等

4.10　材料制造领域发展观察/万　勇　冯瑞华　黄　健等

4.11　重大研究基础设施领域发展观察/李泽霞　孙　震　冷伏海

第五章　中国科学发展概况

5.12015年科技部基础研究管理工作进展/傅小锋　李　非　周　平等

5.22015年国家自然科学基金项目申请与资助情况/谢焕瑛

5.3　中国科学五年产出评估——基于WoS数据库论文的统计分析（2010～2014年）/岳　婷　杨立英　丁洁兰等

第六章　中国科学发展建议

6.1　改进我国科学评价体系，促进卓越科学研究/中国科学院学部咨询评议工作委员会“全球化深入发展下的科学价值评估”咨询课题组

6.2　关于设立国家生命伦理委员会的建议/中国科学院学部“生命医学伦理研究与生命科学前沿的发展”咨询课题组

6.3　加强信息与生命交叉学科研究，促进信息科学与医学生命科学融合创新发展/中国科学院学部“信息与生命交叉学科研究与对策”咨询课题组

6.4　全面推进我国湖泊与湿地保护的战略对策与建议/中国科学院学部“中国水安全保障的战略与对策”重大咨询课题组