2017年2月，美国麻省理工学院（MIT）发布《被延期的未来2.0：基础研究投资减少会使美国陷入创新赤字》研究报告[1]，强调了基础研究对美国保持创新领导地位的重要性。上一个报告（2015年4月发布）提出了联邦政府需要加强投入的15个关键领域的若干基础研究重点，这一新报告则指出了另外的13个基础研究的突破机会及其潜在的长期影响。

报告指出，近年来美国科学投资停滞不前，一些基础研究和实际应用的突破都发生在美国以外。例如，中国最近发射的“墨子号”卫星，中国科学家使用CRISPR技术培育的能抵抗普遍真菌疾病的小麦，欧盟对新能源技术的研发以及在许多空间研究领域的投资都大于美国。报告还指出，美国在研发总支出中领先世界的优势正在迅速消失。2004年，美国研发支出至少是其他国家的4倍，但中国在十年内就将差距缩小到了不到1.5倍。现在，美国对科学的支持停滞不前，在某些领域甚至正在下降，因为预算削减立法已延伸到2023年。

报告指出，美国研究界仍在医学、能源技术、环境、基础物理学和天文学等方面存在着惊人的突破机遇，因此需要增加对基础研究的投资，以确保美国的领导地位。13个突破机遇包括：

（1）释放合成蛋白质的能力。合成蛋白质会导致医学、能源和技术方面的突破。目前正在研发的领域包括：用于清洁能源和医药的催化剂（蛋白质酶），新型超强材料（如鲍鱼壳和蜘蛛丝），靶向医疗释放，用于病毒性疾病的新型疫苗，新肽药，合成蛋白质计算机等。

（2）预测地球森林的未来。森林吸收二氧化碳，是应对气候变化的重要缓冲。森林动态在影响气候变化速度方面发挥着复杂的作用，且尚未被人理解。了解森林动态将有助于更好地管理森林和评估森林如何变化。其中的关键是开发一个综合方案，收集能对森林动态进行科学理解的数据，并建立模型预测森林与全球气候的相互作用。

（3）重置生命时钟。生物钟维持每个活细胞的时间性，控制着代谢、细胞分裂和DNA修复等生物过程，但其原理仍未为人所知。对生物钟的研究不仅可以深刻理解细胞生物化学的基础，而且还可以使从农业到医学到人类衰老等领域获得实用的成果。

（4）创建人体细胞图谱集。这是类似人类基因组计划一样的大计划。新技术有可能实现首次系统地描述人体中关系着健康和疾病的无数种类型的细胞，这些新技术包括：通过对单个细胞的快速捕获、处理和RNA测序来迅速确定细胞的类型，在活细胞内以高分辨率描绘出特定细胞类型的位置，能对全部细胞进行统计调查的采样算法和大数据计算技术。

（5）绘制人类的暴露组（Exposome）。暴露组指的是一个人一生中在营养、细菌、病毒和环境毒素等各种暴露的总量。绘制人类的暴露组最终将理解人类的遗传倾向和生物现实之间的差异，它不仅需要研究环境化学品，还要研究所有影响人类生物学的内源和外源化学品。其实现将有赖于鸟枪法测序，即将遗传密码处理成许多小的片段，再将这些片段的序列连接起来。

（6）人类要迈向第六次灭绝吗？地球上生命的稳定性取决于碳和其他基本要素的生物地球化学循环，而这些生物地球化学循环反过来又取决于微生物生态系统，目前，对后者的了解非常不足。了解深海和有机碳沉积物储层的呼吸机制，对了解下一次大规模灭绝的可能性至关重要。

（7）揭示地球的病毒生态学。病毒在改变个体生物的命运以及可能在改变地球生态系统的命运中发挥至关重要的作用。对病毒生态学的深入了解将导致对各种尺度的生命系统的深刻理解，从基因到生态系统到全球碳循环。

（8）神秘的暗物质。搜寻暗物质的证据的竞赛正在进行中，暗物质的探测方法有三种：①直接探测，其目标主要包括两种假想粒子，大质量弱相互作用粒子（WIMPs）和轴子，大型地下氙（LUX）和轴子暗物质实验（ADMX）实验分别是搜寻这两种假想粒子的实验之一。②间接探测，在太空通过宇宙射线探测器观察湮灭的暗物质。③通过加速器创造出暗物质粒子，如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。无论哪种方法首先观察到暗物质的证据，都只是理解其特性的第一步，最终还是需要发展一套能支配暗物质和暗能量的行为的全新物理定律。

（9）宇宙起源。测量宇宙微波背景中的微小变化将可以获得宇宙起源的重要发现，包括宇宙早期暴胀以及能量比地球最大加速器高出万亿倍的物理现象。新一代望远镜和新的超导探测器为开展更详尽的宇宙微波背景研究提供了更好的工具。

（10）搜寻新的中微子。尽管经过多次发现和获得三次诺贝尔奖，科学家们对中微子仍然知之甚少。中微子质量的研究持续为中微子物理带来惊喜，惰性中微子的搜寻也在积极开展，此外，最近的研究发现暗示着可能存在新的中微子或更大质量的中微子。搜寻新的中微子将需要强度更高的中微子来源，或一个非常长的观测期，又或者是能匹配这些预期中微子振荡的特征或频率的中微子源和探测器装置。

（11）最终清洁能源战略。催化剂是解决“实现地球可持续碳循环和氮循环”这一挑战的核心。纳米催化剂能为人类提供廉价的燃料和化肥，这些燃料和化肥由空气和阳光制成，不会对气候变化产生影响。理论研究、纳米尺度合成技术以及先进表征和测试的综合将成为材料设计的新范式，这将是产生非常强大的新催化剂的解决方法之一。

（12）北极早期预警系统。北冰洋是理解气候变化过程的重要实验室，也是能发现影响整个地球的气候变化的早期预警系统。基本的研究挑战包括确定北极海洋系统的现状，探索其对气候变化的系统反应，确定和预测当前和未来的变化。