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生命科学如何掀起新革命?|“造物者的终极三问” 直播笔记

2021年2月1日,《知识分子》、科学探索奖和腾讯新闻联合推出新年特别节目 “2021造物者的终极三问” 系列直播第一讲:叩问生命:从格物致知到建物致知。
 
整理 | 汤佩兰
 
编辑 | 陈晓雪
 
新冠疫情已经致使全球感染人数超过了一个亿,死亡逾220万。新冠病毒是否会消失,还是会与人类继续共存?疫苗研发能否赶上病毒变异的速度?未来的生命科学革命将是怎样的图景?
 
对于上述问题,《知识分子》、科学探索奖和腾讯新闻联合推出新年特别节目 “2021造物者的终极三问” 系列直播,特邀请北大前沿交叉学科研究院执行院长、中国科学院院士汤超,北京大学物理学院教授、中国科学院院士欧阳颀和中国科学院生物物理研究所研究员、科学探索奖获得者李栋分享各自的思考。讨论由资深媒体人阳燕主持。
 
这场有趣、丰富的科学盛宴,你有没有get到?来看看《知识分子》做的笔记吧。
 
病毒要跟人类共存多久?
 
作为过去一年对世界影响最大的黑天鹅事件,新冠疫情自然成为了讨论的焦点。小病毒为何会给全球带来恐慌,我们又何时可以摆脱这一狡猾的病毒呢?
 
“病毒是大自然的原住民。” 汤超指出,病毒在大自然中存在的时间,远远早于人类。而且它们拥有顽强的生命力,能够很好地适应各种各样的大自然环境和变化。因此,人类诞生之初,就一直与病毒和细菌共存,最常见的就是流感和感冒。当新的病毒传染到人体,可能产生比较剧烈地免疫反应,但是从科学的角度看,这是正常现象。
 
对此,欧阳颀表示人类并非无法应对病毒。在人类发展中,自然进化是人类对抗病毒的主要途径;另一种是依靠现代科学,通过科学的手段认识病毒,然后设计相应的药物和疫苗对抗病毒。他举例道,相比于2003年的SARS病毒,虽然这次的新冠病毒有了一些变化,但人类对病毒的认识和防治手段也在进化。
 
李栋则从生命体的生存本能角度进行分析。李栋说,病毒作为生命体的终极目标是让自己生存下去,来到人类社会后,它的进化目标是跟人类社会共存。或许一个新病毒的到来会让人类不适应,造成死亡率较高。但随着疫苗等技术手段的开发,人们最终能够应对突发传染病事件。同时,李栋还强调,任何疫苗的保护性都有一定概率,因人的免疫系统反应而异,接种疫苗并不意味着跟病毒完全绝缘。但在疫苗的保护下,人类有可能建立群体免疫的屏障。
 
对于如何应对疫情,疫情下一步将如何发展,三位学者均表现出比较乐观的态度。汤超说,病毒的变异是适应各种环境的一种手段,病毒发生了变异,人们的免疫力也在不断调整。
 
在此次疫情中表现突出的RNA疫苗也获得了三位学者的充分肯定。“RNA疫苗是一个非常有力的武器”,汤超说,经过这次新冠疫情中的发展,RNA疫苗将会更成熟,疫苗发展也会更快。欧阳颀表示,即便病毒发现新的特征,mRNA疫苗也可以针对病毒变异迅速改变。李栋也表示,RNA疫苗的优势在于可以根据病毒的基因序列变异,加快迭代疫苗开发,为人类将来更好地应对公共卫生事件,开辟了新的技术路径。
 
设计生命还处于非常初期的阶段
 
近些年来,科技的发展突飞猛进,使得我们对抗疾病和病毒时的手段越来越多,包括应对新冠病毒这样的全球性疫情时能找到相应的策略。同时,科学界也在时刻警惕科技的“双刃剑”作用,希望科技在造福人类的同时,避免引起更大的麻烦。例如,近年来备受关注的合成生物学。
 
合成生物学是随着分子生物学的发展而起来的一门新兴学科,其可以用来人工合成自然生命中原本不具有的某些复杂功能,甚至是人工设计生命。直播中,三位学者对设计生命的挑战以及如何规避科技发展带来的风险进行了讨论。
 
2016年3月,《科学》杂志发布了一项研究,美国生物学家克雷格·文特尔(Craig Venter)设计并制造出一个仅有473个基因的细菌,这在当时被认为是具有最小基因组却能够自我复制的人工生命体,引发巨大轰动。
 
对此,汤超解读认为,这一工作本质上用化学手段合成了一种细菌的DNA,并将这个DNA放到另一个细菌母体里培养,另一种细菌读取这段DNA之后就变成了第一种细菌,这在技术上是一种进步,但并不能认为是合成了一个新生命,而是“移植了一个新生命”。
 
在北京大学物理学院做生物学研究的欧阳颀评论说,或者可以认为,文特尔团队是 “复制” 了生命。他们将一个细菌的序列测完以后,用合成技术将其DNA合成,并放入另外一个细菌里,另外一个细菌就按照第一个细菌的遗传密码成长起来了。“实际上在这个过程中,并不理解知道里面的机制…… 这里面有个问题,你复制以后能不能改造它?你能不能有目的地改造它?实际上这才是合成生物学的(关键)。”
 
欧阳颀还指出,合成生物学有两大任务,从基础研究层面说,尽可能了解合成生命的定量规律是什么;从应用的层面看,根据已有的知识,现在无法解决预测的问题,也就是能够设计出什么样的东西,“还有很多基础问题需要解决”。
 
李栋对欧阳颀的观点表示赞同。他表示,从头开始设计生命,这肯定是人类努力的目标,但确实我们距离此目标还很远。
 
他解释说,目前的合成生物学,引入了分子生物学、基因组学的概念以及工程化的概念,使得生命体具有可编程性,以及有大型的知识储备和数据作为驱动。但囿于我们目前对于生命体的理解有限,哪怕是单细胞或者一个细菌这样的生物,没有对其运行逻辑的彻底了解,就无法从头开始设计出一个完整的生命体。
 
“现在来说的话,我们要设计一个全新的细胞,我觉得是不可能的。哪怕现在是只设计一条染色体,把它放到现有的细胞里面,让它经过有丝分裂期,这都还非常非常困难。” 李栋说。
 
李栋说,要真正实现从头设计生命,还有很多基础研究工作要做,比如发展新的观测手段或解析技术,可以使得我们全景式地揭示整个生命过程,“这个应该说是合成生物学道路上必须要迈过的坎”。
 
“生命科学(的发展)可能不仅仅是(基于)原来自己的一个领域,可能要集成像人工智能、工程学,以及其他物理学的手段等,真正做到解构生命。解构之后,我觉得再做真正的合成和建物致知,这个才有可能。” 李栋说。
 
虽然三位学者都赞同合成生物学还在解决一些基本的问题,距离真正设计生命还很远,但他们不约而同地谈到科学技术在发展过程中,相关伦理问题需要前置考虑,以防止技术对人类的破坏。
 
“人类在运用新的技术来改变人类社会的时候,人类社会进化到今天,乃至于大自然进化到今天,可能要心存一点敬畏之心。有的事情不要太操之过急,否则可能带来的后果的话,不一定是我们能够应对的。”李栋表示,推进技术的应用,需要做两手准备,不仅要看到其有利的一面,更要看到弊的地方。比如,“当你没有完全了解脑的时候,你一旦把脑机接口做到真的可以遥控什么东西,等等,我觉得可能在实验室阶段能够做一些尝试,但推广的话一定要慎之又慎。这样我们才能够跟现有的人类社会或者自然界,达到一个更加平衡发展的过程。”
 
汤超介绍,在基因编辑领域,严禁编辑人类生殖细胞就是科学共同体划定的一条红线,这是因为人为改变生殖细胞的基因,被改变的基因也会遗传到下一代,而影响到人类的整个基因库。
 
李栋还提到,现在的很多担忧很可能是技术进步的还不够好,科学界对技术了解的还不够透彻,因此需要更多对生命体本身的基础研究。不过,技术的进步也是不停迭代的,等到“迭代出更安全或者更高效的版本”,或许能够克服现有的担忧。
 
第三次生命科学革命意味着什么?
 
熟悉当代科技史的汤超认为,人类将迎来第三次生命科学革命。第一次生命科学革命开始于20世纪50年代。这次革命在方法上将大量物理学、化学工具和观念带入生命科学,如X射线、核磁共振、电子显微镜等,其标志性成果是用X射线发现了DNA双螺旋结构。第二次生命科学革命兴起始于20世纪90年代开始的基因组学,基因组学是数学和计算机科学与生命科学的交叉。而第三次生命科学革命正在开始,是基于技术进步和全面的学科交叉融合,“这次生命科学革命不仅给生命科学本身,还会给其他定量学科的发展带来机遇和挑战。” [1]
 
对于第三次生命科学革命,汤超给出了三个关键词:“技术进步”、“学科交叉融合”、“生命科学的定量化”。
 
他对此解释说,技术进步,就是指现在的新技术发展非常快,比如成像技术、基因编辑技术、干细胞技术、脑机接口技术等等。
 
关于“学科交叉融合”,汤超说,学科本来就是人为定义的,而不是大自然定义的。在研究大自然的过程中,随着研究的细化,分成了学科,但这样的分类有很大限制。对于生命科学领域的复杂现象,一个学科远远不够,很多新技术需要融合物理学、化学包括信息科学等。“不同的学科带来新的东西进入生命科学,这件事非常关键,这也是第三次生命科学很大的一个标志。” 他还强调,学科交叉融合在推动第三次生命科学革命的同时,还会影响其他学科,带来新的物理学、数学、计算机科学等等。因此,这次革命不仅是单一学科的革命,还是学科交叉融合的革命。
 
至于第三个关键词—— “定量化”,汤超表示,如今在生命领域内,不像物理和化学,已经发现和总结出方程式规律。“定量化” 即 “普适的定量规律”,就是要搞清楚生命系统的原理,向定量可预测的科学转变。
 
欧阳颀和李栋对这三个关键词表示赞同。欧阳颀谈到,融合可能是未来的大趋势。“以后的科学可能是以解决问题为主,而不是分这个是物理界的问题,这个是天文界或者数学界的问题,(而是)越来越融合。”
 
学科的融合意味着知识的融合,而知识的融合离不开人才。李栋强调,以交叉科学为主要特征的第三次生命科学革命,对未来的学生提出很大挑战,也对学校培养适应未来需求的复合型人才,提出了很大挑战。关于未来人才的培养,他建议首先是以自己的兴趣为驱动,有发现问题的能力,不是为了交叉而交叉,而是以生命科学本身的问题为驱动,进行多学科交叉研究;其次是学习能力的构建,在大学培养更广泛的科学基础兴趣,以及具备进入各个学科进一步学习的能力。
 
欧阳颀说,三个关键词中最关键是“定量化”,定量描述有两种方式,一种类似解析式,像牛顿第二定律可以解释一些现象;另一种是大数据,通过海量的数据训练模型,比如下棋的AlphaGo和预测蛋白质的AlphaFold。“目前已经看到定量描述生命的可能性和发展方向……(但)到现在为止,实际上只是对某些特定的生命过程可以定量描述,这都是凤毛麟角。”
 
最后,李栋谈到,以新技术为驱动带来更加客观定量的描述,再认知其中的规律,抽象归纳后再反向迭代,做逆向工程。这一思路在科学共同体内颇受认可,但仍处于起步阶段。“能怎么演化或者未来到哪个时间节点会怎么样,我觉得现在还很难说”,李栋说。
 
注:文章内容已由嘉宾审阅,直播及视频中个别表述以后续文字为准。
 
参考资料:
 
[1] 汤超:第三次生命科学革命为何是现在? | 科技史
 
http://zhishifenzi.com/depth/depth/10462.html



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