随手翻了一本书《物质是什么》和我想象的内容不一样,由于数学能力不匹配,逐而放弃阅读。But在我打算放下这本书的时候看到一张图⬇️颠覆了过往的认知。
一直记得三角形内角和等于180度。曾经这对我来说就是不可撼动的真理。现在才发现,决定每个角角度的是线条的弧度,如图孤独向外坠落三角形内角和会大于180度,相反,如果三角形线条弧度内倦则内角和会小于180度,内倦的越厉害角度和存在空间越小。这真的很有趣,像极了你的生活处境。

#重点实验室巡礼# 【逐“智”多谋——走进神经科学国家重点实验室】
本世纪,人类理解自我的终极疆域在脑科学。

它不仅关乎着人类的健康与福祉,而且关乎着生命存在形态的巨大颠覆。所以,脑科学已经成为了大国的“必争之地”。

过去三十多年,中国的神经科学研究从蹒跚学步的“孩童”,成长为意气风发的“少年”,神经科学国家重点实验室就诞生在那关键的转折之中……

从“可遇”到“有求”

20世纪90年代被称为“脑的10年”,在此之前,神经科学基础研究与临床应用已取得一系列成果。为了探索人脑奥秘,攻克各种脑疾病,开发人工智能技术,欧美国家纷纷开始制订脑科学研究的长远战略计划,并宣布21世纪将是“脑科学时代”。

然而,神经科学在中国起步晚、体量小,成长之路颇为艰难。1999年,国际著名神经生物学家蒲慕明回国创建了一个全新体制的研究所——中国科学院神经科学研究所(以下简称神经所),我国的神经科学研究也迎来了新的发展时期。

2000~2005年是神经所的“起步期”。在这个阶段,研究所建立了7个高水平课题组。他们连续独立承担国家“973”计划的基础前沿项目,“神经发育与可塑性研究”团队还荣获2011年度中国科学院杰出科技成就奖(集体奖)。神经科学国家重点实验室主任杜久林表示,神经所在当时国内生物学研究领域起到了标杆性的作用。

接下来的十年,是神经所关键的“成长期”。2007年,神经科学国家重点实验室随之诞生,并与研究所同成长、互支撑。

有了神经所打下的基础,神经科学国家重点实验室很快确立了神经发育与可塑性领域的优势地位,并大幅度吸纳了一批优秀的研究组长,也由此拓展了实验室的研究方向。

杜久林介绍,目前,神经科学国家重点实验室一半的科研力量聚焦在神经信息处理,另一个重要分支则是神经疾病机理。前者以研究脑功能的神经基础为主要任务,后者则为脑疾病诊断与治疗提供机理研究。

随着研究方向的拓展,神经科学国家重点实验室正一步步实现成为国际主要神经生物学研究基地之一的目标。

过去,基础科学的创新发现常常是“可遇而不可求”,但实验室要想获得更多重大突破,就必须“有求才可遇”。

“当年神经所最先把PI制带到国内,是因为中国的神经科学研究整体实力还很薄弱。一个个小而精的课题组自由探索、百花齐放,让星星之火得以燎原。”在杜久林看来,经过了十几年的发展,国内脑科学研究水平有了质的突破,“这时候,我们需要调整研究模式,主动对接国家重大战略需求”。

他告诉《中国科学报》,除了脑疾病研究外,神经科学国家重点实验室的最新出口是类脑智能研究。神经科学与智能技术的交叉融合,将是人类社会未来几十年发展中最重要的学科方向之一,也是神经科学国家重点实验室的重点培育方向。

2012年起,神经科学国家重点实验室成员作为项目负责人及主要力量,承担了中科院首批启动的5个B类战略性先导科技专项之一的“脑功能联结图谱”,并在此基础上作为主要力量组建了“中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心”。

杜久林认为,正是这种“有求”的模式让神经科学国家重点实验室更注重顶层设计和前瞻布局,通过聚集多个实验室、多学科的力量,以团队模式来攻克脑科学领域的重大难题。

从“小动物”到“非人灵长类”

在生物科学的发展历程中,模式动物实验平台起着重要作用。

“不同于其他领域,脑科学研究的特点之一是模式动物的物种跨度极大,从线虫、果蝇、斑马鱼,到小鼠、大鼠,再到非人灵长类,包括狨猴、食蟹猴和恒河猴。”杜久林介绍说。

神经科学国家重点实验室的模式动物平台“应有尽有”,尤其是非人灵长类模式动物平台十年磨一剑的努力,为实验室的长远发展奠定了重要基础。

2008年,神经所所长蒲慕明做了一个十分冒险的决定——开展以非人灵长类为主要模式动物的研究。

一直以来,研发脑疾病药物用的是传统小鼠模型,但小鼠和人种间距离相差甚远。创建灵长类研究这一平台的初衷,就是为了让生理和大脑结构都与人更接近的猕猴成为理想的模式动物。

不久之后,蒲慕明又提出要攻克克隆猴技术。体细胞克隆猴技术,即利用猴的体细胞复制出相同个体。只有产生了遗传基因完全一致的大批猴群,才能避免个体间差异对实验的干扰。

蒲慕明认定,这一平台的打造会是中国脑科学研究在国际上抢占领先地位的关键环节。

可是,灵长类实验的成本高得惊人。为了让这个没钱、没地、没人的“三无”平台得以起步,在没有任何国家项目支持的情况下,蒲慕明动用了当时几乎全部的所长基金来支持猴场建设。他还大胆起用了当年名不见经传的大学讲师孙强来担任平台主任,负责灵长类动物生殖与发育和模式动物构建研究。

2009年,蒲慕明召集孙强与刚刚回国的仇子龙开始讨论用非人灵长类模型专门研究脑疾病,经过团队反复论证,他们确定了用MECP2转基因的方法建立第一个自闭症的非人灵长类模型。

仇子龙表示,此前,科学家虽然通过在小鼠中引入与人类自闭症相关的突变,在研究自闭症基因突变如何影响大脑发育方面已经有很多重要发现,但是,像自闭症这种复杂的精神疾病,用小鼠的类自闭症状模型能否模拟人类的自闭症情况仍令人困惑。因此,在非人灵长类中建立自闭症模型对脑科学与脑疾病的研究非常重要。

直到2016年,他们成功构建了世界首个在神经系统中特异性过表达MeCP2基因的转基因食蟹猴模型,并进行了长期的体征观察和大量行为学测试,发现转基因猴与MeCP2倍增综合征患者的临床表型非常相似。这为实验室此后深入研究自闭症病理及探索治疗干预方法奠定了重要基础。这一成果获得了当年科技部评选的“中国科学十大进展”。

2017年11月,体细胞克隆猴“中中”“华华”的成功诞生,被誉为“世界生命科学领域的里程碑式突破”,它也正式开启了以体细胞克隆猴作为实验动物模型的新时代。而这一关键转折使神经科学国家重点实验室迎来了另一项重磅成果。

神经所研究员张洪钧长期从事生物节律与衰老疾病研究。2016年,团队通过敲除节律基因BMAL1,得到了5只生物节律紊乱的疾病猴。但由于它们睡眠紊乱、抑郁等症状严重程度不一,首批节律紊乱猴不适合作为成熟的动物模型用于疾病干预。随着体细胞克隆猴“中中”“华华”的诞生,张洪钧与孙强第一时间启动了生物节律紊乱猴的克隆工作。

仅过了一年,他们便应用高难度的体细胞核移植技术,成功建立了世界首批遗传背景一致且无嵌合现象的生物节律紊乱体细胞克隆猴模型。

在蒲慕明看来,实现批量化、标准化创建疾病克隆猴模型,可以为脑认知功能研究、重大疾病早期诊断与干预及药物研发提供最为理想的动物模型。这也意味着,它将有助于实验室缩短攻克脑疾病诊断与治疗的研究进程。

从制度延续到“软环境”创新

2020年5月28日至31日,蒲慕明、杜久林等连着熬了4天的夜,从每晚9点到次日凌晨1点,进行跨4个时区的视频会议。参会的有来自美国加州理工学院、哈佛大学、纽约大学、斯坦福大学、德国马普神经科学研究所、法兰西公学院、香港城市大学、香港科技大学和北京大学等高校科研机构的10位院士。这是研究组长接受的定期的国际学术评估。

这一国际化的科研评估体系,是2003年神经所在全国科研院所中率先引入的。由国际一流的神经生物学家组成国际评估组,结合匿名同行通讯评审意见、研究组长现场汇报考评、研究生座谈等提出评审意见。评审委员会针对每一位组长的进展,向神经所递交书面评审报告。对新晋的研究员4年评审一次,第一次为中期评审。通过两次评审后晋升为高级研究员,但仍需每6年评审一次。

对此,已是神经科学国家重点实验室副主任的仇子龙曾不由得感叹:“再好的实验条件和启动资金,都不抵评价机制能够给出的时间与空间的自由。”

神经所党委书记王燕表示,神经所成立之初的目标,不仅仅是做一流的科研,还要做一块改革的“试验田”,要实施与国际接轨的运行管理机制,从而创造出不同于国内传统科研机构的制度环境与学术氛围。

神经科学国家重点实验室成立时,也全面吸收了研究所的体制机制。除了国际评审制度,实验室还坚持研究生轮转制、年度考核制和双导师制等。

有延续,也有创新。

“在神经科学国家重点实验室建立的一系列青年人才培养政策中,2016年起专设的青年创新激励基金就在年轻人当中建立了很好的口碑。”仇子龙介绍说。

对于实验室的助研、在站博士后或者在读研究生来说,个人项目6万~10万元/年,团队项目10万~20万元/年,连续两年,这样的支持力度已属于高级别的资助项目。而且,为了鼓励自主创新和自由探索,申请的课题内容可以不在实验室原有方向之内。这在调动年轻科研人员的原创积极性方面作用显著。

同时,神经科学国家重点实验室还推出了颇具特色的青年神经科学工作者论坛。论坛邀请实验室和非实验室的青年科研人员,以主题报告或海报的形式展示自己的工作。为调动青年科研人员参与的积极性,论坛工作委员会从去年开始还建立了“理事会”制度,藉此丰富论坛活动的形式,培养理事人员的工作组织能力,构建自己的科研网络。

该论坛的初衷是为了给成长中的科研人员营造一个自由的学术交流与合作的软环境。“交叉合作是学科发展的大势所趋,更是神经所的文化基因。”仇子龙笑言,“‘合作’这两个字,听了十几年,都快听出茧来了。”

从接受教诲到感同身受,“不合作就出不了好工作”已经成为神经所和实验室成员心中的学术信仰。
https://t.cn/A6bo0Swo

#【气象科普知识】# “说好的暴雨为何迟迟不来?”天气预报背后的误读

我国24小时暴雨预警准确率可达89%,但预报仍是世界级难题

天气预报背后的误读

有人说,没有比夏天更让人关注天气预报的季节,雷电、暴雨、高温、台风,以及相应的城市高温、内涝,山区泥石流、洪涝等灾害,都曾无数次地在这个季节一一上演。

来自国家预警信息发布中心的统计显示,夏季是一年中自然灾害较多的季节,过去4年,全国夏季预警占全年预警46%,预警最为频发,进入6-8月,最常见的就是雷电、暴雨、高温预警。这些预警信息是否准确,又能否抵达每位公众,是人们对于气象部门的追问和期待。

一个有意思的现象是,每逢暴雨或高温预报之后,似乎总有不同的声音出现,有的说“天气预报越来越准,说下雨就真的下雨了”,有的却说,“又被忽悠了,说好的暴雨为何迟迟不来”“说好的暴雨为何变成了淅淅沥沥的小雨?”

这些争议的背后,是否有人们认知上的差异以及主观感受的不同,客观上的天气预报准确率究竟能达到何种程度,我国天气预报的水平又如何?记者就此采访了相关专家。

客观预报不准还是主观感受差异

8月12日,全北京都在等一场大雨的到来。此前一天,中央气象台预报,京津冀地区将于次日迎来入汛以来最强降雨。

不过,直到8月12日中午前后,北京部分区域才出现一阵分散性降雨。网上很快热议起来,有的调侃“龙王进京需要核酸检测,大雨还在路上”,有的则抱怨“被天气预报忽悠了,真不该为大雨取消事先定好的约会”。

在气象专家看来,这场热议背后存在一个误读,即气象部门在预报这场暴雨时,就已明确主要降雨时段为中午到夜间,但有些人可能并未注意这一点。

当天一早,中国天气网首席气象分析师胡啸也对此进行回应:大雨正在路上——从雷达图上可以看到,大雨正逐渐北上影响北京。

中央气象台和北京市气象局也分别给出进一步的天气预报:此轮降雨在18时至22时最为猛烈,有大到暴雨,局地大暴雨,将于明早结束。

事实上,对于天气,人们在主观感受上的确存在一定差异。胡啸以暴雨为例,一般来说,气象上所说的大雨、暴雨量级,指的是累计降雨量,即一天24小时的降雨量。24小时降水量大于25毫米的降水称为大雨;24小时降水量大于等于50毫米的降水称为暴雨。

“达到这个量了,都叫暴雨,但大家感受上会有不同,因为短时强降水和累计达到暴雨量级之间本身存在差别。”胡啸说,发生短时强降水时,可能几分钟内雨很大,但累计降雨量不一定达到很大量级,甚至都达不到大雨量级,也就称不上是暴雨。

相应地,有时候大雨或暴雨,雨下得比较平缓,累计雨量大,但公众感受不深,甚至有人会认为自己遇到了“假的暴雨”。

不只是暴雨,对于高温,有时候人们也存在一定程度上的“误解”。

每到夏天,有时就会听到类似的疑问:大热天,感觉地表温度都能摊鸡蛋了,为啥天气预报才报30℃?走在大街上,为啥身上感到的温度,明显比气象部门公布的实况温度要高?

要回答这些问题,还要从体感温度和预报温度这对“双胞胎”说起。预报温度是指1.5米高处百叶箱中空气的温度,而研究表明,夏季中午至午后,地面与两米高处,温度差可超10℃,这就造成了体感温度和预报温度之间的差异。

更为重要的是,体感温度除了受预报温度的影响,还受到湿度、风速和辐射等因素的影响。中国气象局专家以风速为例,一定的风速会让人感到空气流动,身体散发出的热量被吹离体表,即使温度较高,也会感觉比较干爽。

从这个角度来说,“预报温度”,只是影响体感温度4项因素之一。公众单凭预报温度来判断个人感受,就会因此产生“科学的误会”。

为何极端降水预报是全球科学难题

在接受记者采访时,多位气象专家反复提到,尽管公众对天气预报有一定的误读,但必须承认的是,天气预报的准确率仍有一定的上升空间。这其中,暴雨预报更是世界级难题。

有人说,下一场雨,就好像从天上往地上泼一盆水。预报员可以预测大致的水量,也能预测大概哪些地面会被水打湿,但水不会均匀地落在地面上,有些地方打湿的面积大,有些地方水落下的比较少,要预知地面上每个点被打湿的程度,难度很大。

中央气象台强天气预报中心副主任蓝渝说,就暴雨而言,它是不同时间尺度、不同空间尺度影响系统相互作用的结果,不在一定的空间和时间范围内,对与暴雨有关的各方面条件和资料进行全面和综合分析,很难得出正确的预报结论。

他以常规高空观测系统为例,目前该系统所提供的有关暴雨的观测资料和信息主要是针对天气尺度的,而对直接造成暴雨的中小尺度观测并不充分,甚至十分缺乏。

“这就好比用网捕鱼,网眼太大,小尺度的天气系统难免会成为漏网之鱼。”蓝渝说,所以暴雨预报中,常会出现“局地”这一名词,正是因为以目前的预报能力,往往只能提前预报局地强天气可能出现的范围,还不能提前预知其发生的准确位置。

蓝渝说,从整个世界来看,暴雨预测的准确率也一直不高,属于世界性难题。

中央气象台首席预报员陈涛也表示,天有不测风云,各类天气有不同的“可预报性”。极端降水预报是全球共同面对的科学难题,我国的暴雨预报准确率目前与世界强国处于同一水平。气象部门会根据天气变化趋势,持续滚动更新,及时发布预报预警。

他所提及的滚动预报,顾名思义,就是不断更新的天气预报。中央气象台正研级高工符娇兰说,天气预报员以数值预报为基础,再综合运用各种信息分析,最后得出预报结论。

这并不意味着,预报员可以在一两天前“随便报一下”,然后全凭灾害天气来临前再进行更新。滚动预报的关注重点包括那些中小尺度的灾害天气,这些天气系统“船小好调头”,“变脸系数”高,发展趋势难以提前准确把握。

符娇兰因此提醒,公众应多关注滚动预报,即不断更新的天气预报。因为大气环流形势每天都在调整,天气系统时刻发生着变化,所以,预报员就需要用最新观测资料和数值模式结论制作出预报产品,再进行订正,最终给出“在此刻更新的天气预报”。

距离“十报十准”还有多远

那么,我国天气预报现有的水平究竟如何?符娇兰说,随着预报技术的不断进步,预报准确率和时效上均在不断提升。基本上,提前3天左右可以较准确地预报出强降水落区和强度,目前我国24小时暴雨预警准确率可达89%。

据她介绍,目前我国使用的数值模式时空分辨率越来越高,对强降雨的时间和空间精细分布特点预报越来越准确。同时,中央台研发的精细化智能网格降水预报的精度空间分辨率可以达到5公里分辨率、时间间隔为逐小时,同时还能根据实况进行滚动更新,不断提高降水预报准确率。

数值模式,一个让人既陌生又熟悉的名词。今年年初,85岁高龄的曾庆存获得2019年度国家最高科学技术奖,这位大家的一个重要贡献,就在数值天气预报领域。他首创了“半隐式差分法”,成功实现原始方程数值天气预报,这一工作成为数值天气预报发展的里程碑。

数值天气预报还被世界气象组织称为20世纪最伟大的科技和社会进步之一,《自然》杂志盛赞数值天气预报的发展是一场静悄悄的革命,“全球天气预报可与模拟人类大脑和早期宇宙的演变相媲美”。

曾庆存曾在接受中青报·中青网记者采访时说,如今的气象监测,已从单纯的“站点监测”变为包含气象卫星遥感的全球监测,气象预测,也已从经验预报发展到数值天气预报。

据他透露,国际上天气预报的有效性已从早期的1-3天,提高到5-7天。目前的3天预报,在全球范围可以达到70%至80%的准确度,如果是一定区域,比如我国华南地区的3天预报,准确度能高于80%。

这其中,台风预报的改善效果最为明显。

据中央气象台专家介绍,近年来,多个台风的24小时预报登陆点和实际登陆点相差50公里左右,台风半径是1000公里,看相对值的话,50公里已经是很小的误差范围。

中央气象台首席预报员马学款说,数值天气预报是“国之重器”,我国近年来大力研发的GRAPES全球数值预报体系,在同台竞技中表现越来越出色。2017年,中国气象局被世界气象组织正式认定为世界气象中心,成为全球9个世界气象中心之一,拥有自主研发的GRAPES数值预报体系是最重要因素。

据他介绍,现在和1998年相比,我国综合气象观测、数值预报、预报平台的科技支撑有了翻天覆地的变化。在数值天气预报的基础上,预报员再根据自己的经验作出判断,加以订正,就形成了公众获得的预报预警信息。

曾庆存面对这些进步依然十分冷静,他说,天气预报达到“十报九准”甚至“十报十准”,目前来说不大可能,“天气有偶然性,它不在人工实验室里,也不被人为控制,是预报总会有偏差。”

这是人类必须要面对的现实:敬畏自然的力量,也要发挥主观能动性应对“不测风云”。

(来源:中国青年报)


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