# 国家自然科学基金“十三五”发展规划：跨科学部优先发展领域深度解析

**作者：国家自然科学基金委员会**

## 核心概念

本文详细阐述了国家自然科学基金“十三五”发展规划中26个跨科学部优先发展领域，这些领域旨在通过组织科学家在综合性交叉领域开展具有战略导向性的基础研究，解决我国在科学前沿、生态环境保护与资源利用、人口健康以及新兴战略产业等四大方面的核心科学问题。每个领域都包含具体的研究方向与核心科学问题，共同构成了未来五年重大项目与重大研究计划制定的参考蓝图。

## 逻辑结构

本文结构清晰，采用“总—分”的逻辑框架：

1.  **总述（开篇）**：明确跨科学部优先发展领域的战略定位、出发点（把握科学前沿、瞄准国家目标）以及四大核心凝练方向（前沿突破、生态资源、人口健康、战略产业）。
2.  **分述（1-26项）**：逐一列出26个优先发展领域。每个领域遵循“领域名称 → 背景与意义阐述 → 核心科学问题”的固定格式。
    - **领域名称**：高度概括研究方向。
    - **背景与意义**：阐述该领域的重要性、国内外现状、面临的挑战及战略价值。
    - **核心科学问题**：列出该领域亟待解决的关键科学问题，为未来项目指南制定提供具体方向。
3.  **章节功能提示**：末尾提示本文为下一年度重大项目与重大研究计划指南制定提供参考。

## 主要论点与论据

本文的主要论点是：为应对国家重大战略需求与科学前沿挑战，必须通过跨学科交叉的方式，在26个关键领域系统性地部署基础研究，突破核心科学问题。

**各领域论据与核心问题提炼如下：**

### 1. 细胞的结构和分子功能
- **论据**：细胞是高度有序的机器系统，生物分子的功能依赖于其动态结构与相互作用。传统研究可能脱离活细胞真实环境，必须通过实时动态观测技术原位研究。
- **核心科学问题**：超分辨显微镜等活细胞成像技术；亚细胞器、复合物和生物大分子的原位结构、组装、运动与功能；细胞器间的信号联系。

### 2. 系统生物学
- **论据**：生命活动是多重生物信息（基因组、蛋白质、代谢等）复杂相互作用的结果。系统生物学从系统层面研究组件间动态关系，旨在实现从描述性科学向定量预测科学的转变。
- **核心科学问题**：生物系统网络模型构建与参数确定；网络分析理论与方法；生物信息整合；生物系统动力学；生物环路模拟与构建。

### 3. 生物材料及其表界面生物功能与介入医学
- **论据**：生物材料与生物体的相互作用发生在表面/界面。理解此规律并进行表面功能化修饰，是突破材料性能的关键。介入医学已成为三大支柱学科之一，亟需新型介入器具。
- **核心科学问题**：材料表面与组织细胞相互作用；组织再生微环境；表面微纳结构与生物体作用；分子识别与导向；表面改性与生物相容性；植入材料调控再生机制；介入治疗后疾病复发；新技术与新型器械；图像引导介入。

### 4. 行星探测、演化过程和环境影响与地外生命研究
- **论据**：以嫦娥工程等数据为基础，建立月球起源模型，认知太阳系各层次天体及生命早期化学演化，拓展人类生存空间。
- **核心科学问题**：月球化学不均一性；外动力构造与演化；月球内部结构不均一性；太阳系早期演化；生命极端环境；火星生命探索；小行星/彗星与地球生命起源及撞击事件。

### 5. 太阳活动对日地空间天气的影响
- **论据**：太阳爆发活动是空间灾害性天气的源头，影响宇航员、航天器安全及地球环境。空间天气预报需求迫切，涉及多学科交叉。
- **核心科学问题**：太阳活动内部机理；耀斑与日冕物质抛射的前兆特征与物理过程；爆发形式与行星际传播；磁层与太阳活动关系；电离层/中高层大气响应；空间天气预报原理；灾害性天气效应评估。

### 6. 大规模高性能科学计算
- **论据**：科学计算已成为与理论、实验并列的第三大科研手段。通过模拟复杂问题，可扩展、深化甚至替代部分理论与实验，是发展高新技术的重要支撑。
- **核心科学问题**：数学模型建立与分析；复杂问题计算方法与技术；提高计算精度与效率；海量数据处理；并行计算方法；通用软件平台；专业应用软件研制；数值模拟技术；计算方法基础理论。

### 7. 量子计算与量子通信
- **论据**：量子信息技术是后摩尔时代战略焦点。量子密码提供绝对安全，量子计算有望解决传统难题。当前量子密码走向实用，量子计算面临物理扩展性与容错计算两大难题。
- **核心科学问题**：量子比特物理扩展途径；新量子器件；扩展潜力体系；相干与退相干；逻辑运算与测量；容错计算机理；量子模拟；量子存储与中继；自由空间量子密码；全量子网络。

### 8. 多相复杂系统中的介尺度结构
- **论据**：介尺度结构是多尺度复杂系统（如化学反应器）中决定宏观行为的关键。突破介尺度难题对能源、资源、环境问题解决和产业模式转变（从经验到仿真）具有普遍意义。
- **核心科学问题**：介尺度结构形成机理与稳定性条件；定量描述与行为预测（多尺度耦合方法）；调控方法（与反应动力学、催化体系的关系）；多尺度计算理论（实时模拟途径）。

### 9. 重大环境演化与突变的理论与方法
- **论据**：重大环境演化与自然灾害（荒漠化、洪水等）严重影响可持续发展。需从多学科角度研究复杂环境介质的运动与物质能量输运规律，提升环境治理水平。
- **核心科学问题**：环境介质多过程耦合流动与输运规律；介质特性变化影响规律与模拟；典型环境突变内在机理与临界条件；西部干旱环境动力学；重大水环境问题演化规律与突变机理。

### 10. 重大灾害事件的机理与减灾
- **论据**：我国自然灾害频发、灾种多、影响大。社会发展使社会脆弱性成为关注焦点，需深刻理解致灾机理、人类活动互馈，实现有效预测和减灾。
- **核心科学问题**：灾害发生机理与预测理论；孕育和发生的环境因素；减灾对策与工程措施；有效监测、数据与模拟；建立评估、预警和应急能力。

### 11. 全球变化与地球系统
- **论据**：全球变化（气候变暖、生态破坏）与人类活动矛盾突出。地球系统科学理念强调将地球作为整体研究，以应对适应与管理挑战。
- **核心科学问题**：亚洲季风-干旱系统变化趋势；区域水系统（含冰冻圈）对气候变化的响应；海平面变化动力学机制；生态系统适应过程与预测；全球变暖自然与人为因素及地球系统管理；模拟关键技术。

### 12. 多尺度海洋过程与海洋工程
- **论据**：海洋科学与工程发展聚焦“全球变化”与“深海”，科学突破依赖技术进步（观测、勘探设备）。需推动跨学科融合。
- **核心科学问题**：西太平洋多尺度过程与高低纬相互作用；近海海陆相互作用；海洋微生物与生物地球化学循环；极区环境变化；深海浮式结构物环境载荷与动力响应；深海装备安全；水下探测与通信；海洋传感器。

### 13. 人类活动的环境效应
- **论据**：人类已能通过改变生物与非生物过程影响地球系统。需定量区分人类活动与环境自然变化的贡献，尤其是土地利用、城镇化等过程的影响。
- **核心科学问题**：高强度土壤利用下肥力演变与调控；高原山地环境变化与人类适应；多尺度毒害污染物归趋与风险；土地利用变化对陆地生物圈的影响。

### 14. 变化环境下水资源高效利用
- **论据**：气候变化与经济社会发展改变流域水文过程与水资源供需格局。需要综合性的利用工程与技术，涉及水文学、农业水利、工程管理等多学科。
- **核心科学问题**：变化环境下流域水文过程与洪旱预测；节水农业及其环境生态效应；大型水工程性能设计与施工；水电能源高效转换；河流系统演变。

### 15. 饮用水复合污染机制、毒理效应与控制原理
- **论据**：饮用水安全是基本保证，水质复杂多变，单学科无法解答复合污染问题。需建立基于毒理评价和工艺调控的全过程安全保障体系。
- **核心科学问题**：水源复合污染多介质联合作用与生物地球化学循环；关键物种结构/形态转化及多介质界面反应；输配环境下水质化学与生物稳定性；毒性评价方法与分子毒理机制；化学、生物、毒理、工程协同调控。

### 16. 节能、可再生能源利用与温室气体控制的交叉科学问题
- **论据**：能源是长期瓶颈，需解决高碳燃料洁净利用、可再生能源低成本利用及CO2控制的基础理论，涉及多学科交叉，影响高能耗行业和能源产业制高点。
- **核心科学问题**：燃料化学能与物理能综合梯级利用；核能新概念新材料；太阳能等可再生能源收集、储存、转换基础理论；大规模能源转化优化集成；CO2富集分离转化；高碳能源燃料动力联产与CO2分离系统；节能规划与产业政策优化。

### 17. 影像医学、数字医学与人口健康领域先进诊疗技术基础研究
- **论据**：相关技术推动医学定量化、可视化、精准化、个体化，对探究疾病机制、早期预警、精确治疗至关重要。
- **核心科学问题**：医学成像新理论与图像分析处理；脑功能成像与影像学表征；分子探针与纳米显微成像；多模态成像在疾病诊断治疗中的应用；新型成像核心技术与设备；数字医学平台；新技术在早期诊断与预后评估中的应用；单细胞技术与芯片实验室；手术机器人、脑机接口、微型探测器等新型器械研发。

### 18. 神经—免疫—内分泌网络调控失衡与疾病
- **论据**：三大调节系统是维持稳态的轴心，失衡会导致从健康到疾病（亚稳态→失衡态）的演变。系统庞大复杂，研究难度大，意义重大。
- **核心科学问题**：网络失衡与疾病关系；神经损伤病理机制；神经退行性病变病因学；精神疾病脑结构与功能变化；髓鞘化与脱髓鞘机制；免疫细胞/分子在神经损伤中的作用；内分泌反馈系统紊乱机制；活性物质作用与调控；三个系统建模、网络联系与相互作用。

### 19. 疼痛及镇痛机理研究
- **论据**：慢性痛影响巨大，已成为疾病和公共健康问题。阐明疼痛机理、寻找新镇痛方法至关重要，也是对脑工作机制认识的有效途径。
- **核心科学问题**：疼痛信息中枢处理与慢性痛中枢维持机制；外周感受器及其调节；转移癌与疼痛；疼痛与精神障碍（焦虑、抑郁）的关系；针刺镇痛机理与疗效提高。

### 20. 社会认知和行为的心理和神经机制
- **论据**：社会活动成功与社会和谐取决于成员对自我与他人的正确认知及社会决策。需探索相关认知机制与神经基础，并培育社会情绪能力。
- **核心科学问题**：自我意识机制；合作与竞争的心理神经机制；社会环境对认知与神经发育的相互作用；社会决策机制；儿童社会认知发展；特殊人群决策特点；调控社会情绪能力的脑网络机制；社会情绪能力评测与干预。

### 21. 网络信息技术下的组织管理变革与服务创新
- **论据**：新一代信息技术深刻改变组织信息传递方式、文化、结构，催生新管理模式和现代服务业，对传统管理理论构成全新挑战。
- **核心科学问题**：网络服务系统与参与者行为；基于先进IT的服务系统关键技术；系统运营优化与协调；新技术对组织模式演化和运营机制的影响；对企业战略的影响；互动网络中组织的安全工作；整合协作平台；即时通讯与威客技术对管理活动的影响。

### 22. 复杂金融经济系统的演化及其安全管理
- **论据**：金融市场参与者非完全理性、信息网络传播等造就系统复杂性。传统经典理论在应对金融危机时遇挑战。从复杂系统角度建模成为新途径。
- **核心科学问题**：微观行为与机制及其宏观涌现和动态演化规律；系统建模新原理与新方法；经济金融复杂网络；开源信息与建模；系统创新及其风险与安全管理；监管体系、运行机制与模式。

### 23. 新功能材料和新人工结构材料
- **论据**：新功能材料是信息、能源等领域创新的源头，基于新机制、新设计和新合成方法。探索超常电磁介质、高温超导等是材料科学前沿。
- **核心科学问题**：基于新物理思想和结构设计的功能材料；材料超常物理性质的计算与模拟；新功能的新物理机制；人工微结构制备与调控新方法；高性能材料/结构或器件物性表征与优化。

### 24. 可控自组装体系及其功能化
- **论据**：自组装是创造新物质、产生新功能的重要手段，有望突破材料、生命、信息等领域瓶颈。未来方向是可控和功能化，强调多学科交叉。
- **核心科学问题**：功能组装基元设计与协同规律；多组分/多层次自组装构造与可控过程；体系中的物质/能量传递及结构与功能关系；体系理论与性能预测；实时原位检测新原理与新表征技术。

### 25. 精密测量物理与关键技术基础
- **论据**：突破时间、频率、灵敏度极限是重大科学发现的基点。阿秒脉冲、量子极限测量等突破，将带来革命性影响，并在航天、通信、量子技术等方面有至关重要应用。