湯超：第三次生命科學革命為何是現(xiàn)在？ | 科技史
上個月，北京大學前沿交叉學科研究院執(zhí)行院長、定量生物學中心主任湯超院士在《當代科技史》系列課程上講授《當代科技史——生命科學革命》，本文擷取精辟論斷，縱覽生命科學革命，窺看自然奧秘。
演講 | 湯超（北京大學前沿交叉學科研究院執(zhí)行院長）
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生命科學革命已經(jīng)發(fā)生了兩次，目前是第三次，講生命科學革命前，我們先談談科學革命?？茖W革命、學科交叉、技術進步，這三個方面互相有很深的關系和影響，它們互相聯(lián)系、互相促進。
一、16-17世紀的科學革命
這是一次標準的科學革命，也是第一次科學革命，也是現(xiàn)代科學的誕生。這發(fā)生在16—17世紀，大概在這一兩百年時間里井噴式地發(fā)生了很多事情，所以叫革命。
下面列出了這些具有代表性的革命事件：
? 尼古拉斯·哥白尼，1543年出版了《天體運行論》，提出了日心說理論。
? 安德烈·維賽留斯，1543年出版了《人體構造》，解釋了血液在人體內(nèi)循環(huán)的過程，還從解剖尸體組裝了第一副人類骨架。
? 威廉·吉爾伯特，1600年出版了《論磁石》是物理學史上第一部系統(tǒng)闡述磁學的科學專著。
? 第谷·布拉赫，對16世紀末期所認知的星體進行了詳細并且準確的觀測，為開普勒的研究提供了基本數(shù)據(jù)。
? 弗蘭西斯·培根，企圖通過分析和確定科學的一般方法和表明其應用方式，給予新科學運動以發(fā)展的動力和方向。
? 伽利略·伽利萊，改進了望遠鏡，并對金星和木星的衛(wèi)星進行了準確的觀測，于1610年發(fā)表觀測結果。通過理論分析與實驗推翻了被奉為圭臬的亞里士多德的力學體系并建立了近代力學。
? 約翰內(nèi)斯·開普勒，1609年發(fā)表了關于行星運動的兩條定律，1618年發(fā)現(xiàn)了第三條定律，就是后來被稱為“開普勒定律”的行星三大定律，說明了行星圍繞太陽旋轉的理論。
? 威廉·哈維，通過解剖等手段展示了血液的循環(huán)。
? 勒奈·笛卡爾，是演繹推理的先驅(qū)，1637年出版了《方法論》。
? 安東·范·列文霍克，建造了高清晰度的單顯微鏡，研究了毛細管循環(huán)和肌肉纖維。他觀察了血球、精子與細菌，并繪出了它們的形象。於1683年發(fā)現(xiàn)了細菌。
? 艾薩克·牛頓，1687年7月5日發(fā)表的《自然哲學的數(shù)學原理》里提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律是經(jīng)典力學的基石。牛頓還和萊布尼茨各自獨立地發(fā)明了微積分。
以天文學為例，這些故事的背后發(fā)生了什么？它們?yōu)槭裁丛谶@個時候發(fā)生？這可能是值得思考的問題。
1. “地心說”——一個“很有道理”的舊理論
以前可能我們每一個民族的各個國家的人都喜歡觀測自然，觀測自然的主要活動之一就是看星星，那時候也沒有電，也沒有手機，大家晚上只能看星星，看了星星就想解釋它，所以這是最早科學的雛形，看到一個自然現(xiàn)象想來解釋。當時最好的解釋是托勒密的《地心說》，托勒密是一個大科學家，科學不是說是對還是錯，科學是說我要去解釋自然界的現(xiàn)象，然后一步步推進，他當時做的模型非常精密，可以解釋他當時觀測到的幾乎所有行星運動的現(xiàn)象，但是因為確實行星運動不是以地球為中心，而是以太陽為中心，所以他的解釋必須把他的模型做很多的修正微調(diào)，假如地球是中心的話，行星圍著地球轉，你就不能解釋看到行星往后退的現(xiàn)象，他就說圍繞地球轉有兩個輪，一個均輪一個本輪，一個大圓一個小圓，每一個行星都有一個大圓有一個小圓，大圓有一個半徑，小圓也有一個半徑，大圓有一個周期，小圓也有一個周期，所以每個行星都有自己的一套參數(shù)。但是如果地球真是中心的話，還是有問題，后來他又做了進一步修正，認為在地球?qū)ΨQ的這個地方是中心。總之他是很嚴密的一個科學家，他花了很多時間把他的模型做得越來越精確，他的“地心說模型”統(tǒng)治了近兩千年。
托勒密與他的“地心說模型”
2. 日心說——一個革命性的新觀點
到了哥白尼，他提出革命性的觀點，他說“地心說”太復雜了，他完全從美學的角度，一個對稱的角度說太陽可能是中心。
哥白尼與他的“日心說模型”
但是他提出太陽是中心，其實并不能比“地心說”解釋更多的當時的實驗觀測到的數(shù)據(jù)，為什么呢？第一，現(xiàn)在我們都知道所有這些行星軌道其實也不是圓的，而是橢圓；更重要的是，第二，當時的觀測儀器還不能精確到證明哥白尼對還是托勒密對，很多時候我們只能看一個大概，所以當時的模型還不足以推翻“地心說”，但是他確實提出了革命性的觀點。
3. 數(shù)據(jù)的積累——用更精密的儀器做更準確的測量
到了第谷，他是一個丹麥天文學家，一個大英雄，丹麥皇家給了他一座島，大概是北大的四分之一那么大，專門用于觀測天象，整個島布滿有各種各樣的儀器，他的渾天儀做的很好，收集了很多很精確的數(shù)據(jù)，十幾年二十幾年一直在觀測，收集了大量的數(shù)據(jù)，而且非常的精確。
第谷與他的天文觀測島（上），火星觀測數(shù)據(jù)和渾天儀（下）
然后發(fā)現(xiàn)“地心說”不對，但是他擺脫不了“地心說”的觀念，他提出一個模型，說地球還是中心，然后月亮圍著地球轉，太陽也圍著地球轉，但是所有其他的行星圍著太陽轉。把它這個結合一下，他這個比純“地心說”可以多解釋一些東西，但還是不能完全解釋(Better observation itself does not automatically lead to better understanding)。
第谷的“新地心說模型”
但是他還是很了不起，他收集了大量的數(shù)據(jù)，為后面的開普勒定律、牛頓定律奠定了很好的基礎，沒有他的這些儀器觀測，也就沒有后面的革命，所以說技術的進步很重要，這時候的技術進步雖然很簡單，你甚至可能覺得這些都不算什么高技術，但是當時是一個很先進的進步，所以技術進步往往是科學革命的前列。
4. 新工具發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象
來到伽利略，望遠鏡不是他發(fā)明的，但是他把望遠鏡改造了一下，然后來看行星的運動，他發(fā)現(xiàn)兩個事情，和“地心說”不太符。一個是他看到木星也有衛(wèi)星，那說明地球就不特殊了。他還看到金星有時候亮一點有時候暗一點，和月亮一樣有陰晴圓缺。
伽利略改進望遠鏡觀察到木星的衛(wèi)星和金星的相位變化
5. 定量規(guī)律的發(fā)現(xiàn)
前面說第谷有兩大功績，第一個就是他造了很好的渾天儀，收集了大量的數(shù)據(jù)；第二個是他收了開普勒做助手，開普勒從小對天文非常感興趣，他當時就知道第谷有很多數(shù)據(jù)就想跟他去做，據(jù)說兩個人關系很不好，第谷讓他去研究火星?；鹦菙?shù)據(jù)非常多，但是火星我們知道橢圓性是最大的，假設火星軌道是一個圓而且圍著地球轉，大概是下面的軌跡：
以“地心說”為基礎描述的火星軌道
第谷覺得不可能搞清楚，他和開普勒說你就研究火星吧，開普勒自己也收集了很多火星的數(shù)據(jù)。以前一直覺得每一個行星都有自己的運動規(guī)律，現(xiàn)在開普勒說不是，所有的行星滿足同樣的規(guī)律，所有的行星都在橢圓形軌道上圍繞太陽轉，太陽在一個焦點上，這個普適性就出來了，這是他的第一個定律。第二定律是定量，就是說行星運動的時候，單位時間走的面積相同，比如說走一天，離太陽近的時候就走的快，離太陽遠的時候走的慢，所以面積是一樣的。
開普勒第二定律
第三個定律是十五年以后找到的，就是這個行星運動周期的平方與長軸這個半徑的立方成正比。這個三個定律看上去非常簡單，但是他把行星運動全部統(tǒng)一起來了，其實沒有那么多很復雜的，就是幾個簡單的規(guī)律就可以解釋，開普勒是非常了不起的。所以從技術的進步到大量的精確數(shù)據(jù)，到總結一些現(xiàn)象的規(guī)律，最后到科學革命的完成。最后科學革命的完成，總是要有人集大成。
6. 普適性原理的發(fā)現(xiàn)
牛頓看到開普勒的三個定律覺得很有意思，為什么有開普勒三個定律，后面有沒有更簡單的更普適的解釋，牛頓說其實是有的，受到的啟發(fā)是不是被蘋果砸的不知道，但是有一點是確定的，當時倫敦正在鬧瘟疫，劍橋也關門了，他回家在他自己后院里邊待了半年，可能還更長時間，學校關了，他沒事可干，整天想這些東西，所以說英國不鬧瘟疫，他可能也不會想這么快。他說其實那三個定律有原因的，為什么呢？是因為有萬有引力，太陽拉著地球，或者拉著火星，互相拉，這是引力，這個引力和兩個物體的質(zhì)量成正比，和距離平方成反比，這是看不見的萬有引力。另一個方面，力是質(zhì)量乘加速度，把這兩個連起來就可以推導出開普勒三個定律，開普勒三個定律是牛頓的更普適定律的一個表現(xiàn)，是在一個體系里的一個特殊結果。
牛頓與他的普適性原理
牛頓不光把開普勒三個定律做了解釋，找到了更下一步的原因，還把這個推廣到整個宇宙，所有的力學，不光行星運動滿足牛頓的這些普適規(guī)律，所有宇宙里力學運動全都滿足這個規(guī)律，這非常了不起，是非常大的進步。還有他為了把這些東西能夠推出三個定律，行星軌道是一個橢圓，橢圓你看這個萬有引力隨著半徑平方成反比，所以這個萬有引力時小時大，一個加速度也是時小時大，所以不是勻速的，所以就要找到瞬時速度的概念，瞬時加速度的概念，在你瞬間那個速度多快，所以他發(fā)明了微積分。他不光找到了基本規(guī)律，還把基本規(guī)律的數(shù)學語言找到了，一個科學革命，最終要伴隨數(shù)學語言，牛頓力學的數(shù)學語言就是微積分。
第一次科學革命的總結
我們總結一下天文學革命，也就是經(jīng)典物理學的革命，第一次科學革命，最偉大的一次科學革命。
科學革命的一般過程
它大概是一個什么程序，首先是觀測數(shù)據(jù)積累，這可能是很長很長的時間，上千年，至少從托勒密到科學革命有一千多年，然后不斷有一些初步的、表面的、唯像的理論，比如托勒密的“地心說”，然后到技術進步，產(chǎn)生更大量更精確的數(shù)據(jù)，就發(fā)現(xiàn)原有模型不太對，就出現(xiàn)一些定量的規(guī)律開普勒三定律，解釋了這些更大量更精確的數(shù)據(jù)，如果這一步做的對的話，就可能產(chǎn)生普適的原理，把這個進一步推廣，就伴隨著數(shù)學語言的一個發(fā)展。所有的科學革命，不管它是基礎的還是需求推動的，最后基本上都會導致很大的應用，工程應用、設計制造、改造自然。有了牛頓力學可以發(fā)射衛(wèi)星，飛機可以飛等等，整個革命改變了我們?nèi)祟悺?/span>
二、科學革命對人類文明的影響
科學革命之后，人類的思維徹底改變，把自然當成可以用科學來理解的東西，有定量規(guī)律的東西，一百年發(fā)生了工業(yè)革命（1750-1850），到后來產(chǎn)生蒸汽機、紡織機、火車……大家都覺得有規(guī)律可循，所以研制這些蒸汽機后又誕生了熱力學。
下面顯示的是世界人均GDP：
公元1年到公元2003年的世界人均GDP
從公元零年一直到差不多現(xiàn)在，這個中間有些年因為數(shù)據(jù)不全，所以沒畫，在工業(yè)革命之前世界人均GDP基本上是常數(shù)，人口有時候多有時候少，打仗、瘟疫就少一些，太平時就多一些，但人均GDP不變?？茖W革命和工業(yè)革命之后大概就是指數(shù)型的增長，到現(xiàn)在還是指數(shù)型的增長。所以可以看出科學革命的重要性，對整個工業(yè)革命是怎么推動的，而且科學革命之后就有很多革命，電氣革命（第二次工業(yè)革命），以及我們比較熟悉的信息革命，你們就誕生在信息革命的時代。從第一臺數(shù)字電腦，一直到我們現(xiàn)在iPhone、互聯(lián)網(wǎng)，大家可能都覺得是應用性革命，確實有強大的應用的需求和市場推動，但也是多學科交叉在起作用，而且很重要的有物理學理論在做基礎，沒有物理學的基礎理論這些信息革命是不可能的，還有其他的科學，我給大家說兩個例子。
1.信息革命背后的科學——電動力學
第一是電動力學，電動力學的這個誕生也是很有意思，我們的古人很早就知道有電，閃電，干燥的時候手會打電，我們有時候冬天的時候不敢去碰門把手，會打電。磁的概念我們祖先兩千多年前就發(fā)明了指南針。
古人很早就知道的電和磁的現(xiàn)象
這么早就知道有電有磁，為什么要等到一千多年以后，科學革命再后面一點，才有人總結出定量的東西，是不是科學革命忽然把大家腦袋打開了，然后集中發(fā)現(xiàn)了安培定律，法拉第定律，電生磁磁生電現(xiàn)象等。而且非常定量，通過導線的電流強度與其產(chǎn)生的磁場強度成正比，看上去很簡單，但是它非常普適，中國是這樣，法國是這樣，月亮上也是這樣。法拉第在1831年首次演示電磁感應，電和磁可以互相轉換，一個電磁鐵上的線圈通過電流，有線圈就有磁。
安培的“電生磁”和法拉利的“磁生電”現(xiàn)象
這就相當于我們前面講的天文學革命里邊的開普勒定律，很簡單，但是它總結了一個非常定量的規(guī)律，然后沒有多少年，麥克斯韋把安培和法拉第這些簡單的定律統(tǒng)一起來，寫了四個方程，非常天才的把它統(tǒng)一起來了，他說這些電磁現(xiàn)象都是這四個方程的解，有點像說你開普勒三定律都是我牛頓方程的解，都是我這個普適理論的一個表現(xiàn)。所以我這個方程不光可以解釋你的現(xiàn)象，還可以解釋一些新的現(xiàn)象，這個方程確實它的影響是巨大的，把這個方程一解就發(fā)現(xiàn)，電和磁可以有電磁波，電磁波可以在沒有電線的情況下，真空里面什么都沒有介質(zhì)的情況下傳播。
麥克斯韋方程組（Maxwell's equations）
大家突然就覺得視野開闊了，一個東西在這邊搗鼓電磁波就可以傳過去，然后赫茲很快就首先證明了電磁波確實存在，他讀博士的時候，他的導師是很有名的亥姆霍茲，就讓他去證實電磁波的存在，但他沒弄出來，他覺得太難了，但是他畢業(yè)以后繼續(xù)弄，發(fā)現(xiàn)電磁波確實存在。
赫茲于1887年首次證實電磁波的存在
那電磁波意味著什么？我們所有的無線電通訊，手機、電視、無線通訊都是靠電磁波傳的，整個改寫了人類通訊歷史，沒有當時這些看起來沒有用的東西打下的基礎，現(xiàn)在的信息革命是不可能的，我們也不可能成天使用手機、互聯(lián)網(wǎng)。
2.信息革命背后的科學——量子力學
第二個是量子力學，沒有量子力學也不可能把芯片做出來，也沒有半導體的概念，也沒有集成電路……有了量子力學才知道這些東西可以來做電路的一些基本元件。量子力學的誕生也是因為大家在做一些非?！盁o用”的東西，所以很多時候一個突破性的概念的產(chǎn)生，都是因為好奇心，然后當時覺得沒有什么用，就是好奇就去做。
量子力學發(fā)現(xiàn)的英雄們
量子力學有很多英雄，就不一一說了，開始也是不理解一些現(xiàn)象，比如光電效應，黑體輻射，太陽的光譜，與經(jīng)典物理算起來結果不一樣。當時一些物理學家非常失望，牛頓之后還有波爾茲曼統(tǒng)計物理、熱力學，加上麥克斯韋的電磁理論，物理學家已經(jīng)覺得物理把整個世界都搞清楚了?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)一些東西完全不可理解。在理解這些現(xiàn)象的過程中，誕生了量子力學。量子力學給我們今天的人類文明的很多東西都打下了基礎，包括我們計算機芯片、半導體、激光、超導，到現(xiàn)在的量子通訊、量子計算等等，所以信息革命后面是非?；镜囊恍┗A研究，而且這個基礎研究不是由目的性帶來的，它是由好奇心帶來的。
三、交叉的產(chǎn)物——生命科學的前兩次革命
這第一次生命科學革命不到100年，大約在70年前。當時有一批物理學家、化學家進入到生命科學領域，想搞清楚基因的物質(zhì)基礎，基因到底是什么。基因是分子？還是結構？還是什么東西？這是在思路上帶給生命科學的，第二個是在方法上，把大量的工具帶進生命科學，X射線、核磁共振、電子顯微鏡、離心機等等，這一革命的標志性的成果就是沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結構，就是用X射線照出來的，沒有X射線他們也發(fā)現(xiàn)不了。
第一次生命科學革命以1953年沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構為標志
第二次生命科學革命大概是上世紀末九十年代開始的基因組學，也就是我們現(xiàn)在說的測序，基因組學是數(shù)學和計算機科學與生命科學的交叉。
這兩次革命之后，生命科學是什么狀態(tài)呢？為什么還要有第三次革命呢？
假如我們把生命體比作一輛汽車的話，分子生物學革命就把這個汽車零部件搞的越來越清楚了，有方向盤、剎車、油門，就是我們很多基因很多蛋白搞的越來越清楚，蛋白質(zhì)結構都可以用X射線解出來，長的什么樣子，我們都知道?；蚪M學革命就讓我們得到了這個汽車的說明書，就是我們的基因組，所有的信息都在說明書里邊，但是我們基本上看不懂。大概知道方向盤在第幾頁，這一段基因?qū)@個蛋白。至于這個汽車是怎么組裝起來的，為什么能跑起來，能跑多快，能跑多久，我們不知道。壞了怎么修，里邊有哪些原理性東西，哪些是普適的規(guī)律，哪些是特殊的，這些基本上都不知道，所以生命科學現(xiàn)在是處在一個大革命的前夜。
美國科學院在2009年出了一部綱領性文件，文件題目叫《二十一世紀的新生物學》。美國科學院認為在二十一世紀會產(chǎn)生全新的生物學，這個全新的生物學就標志著生命科學的第三次革命。
2009年美國科學院發(fā)布的《21世紀的新生物學》
上圖右側是他們總結的圖，它有很多很多的根，生物學只是其中的一部分，物理、化學、計算機、工程、數(shù)學甚至包括科學教育。全部在一起交叉融合。新生物學和原生物學有什么不一樣呢，它可以對生物系統(tǒng)有更深的了解，比如了解汽車它是怎么跑起來，怎么裝起來，有什么控制原理，然后也許就可以預測。生命可以預測太不可思議了，而且可以定量的分析，就像工程一樣。當然就需要把生命系統(tǒng)原理搞清楚，所以生命科學就從一個觀察性定性的科學，到一個定量可預測的科學轉變，這當然肯定會對世界產(chǎn)生很深遠的影響，他們舉了四個方面的例子：健康、環(huán)境、能源、食品。
生命科學是不是生命科學本身的事，不是，每個學科都忙活起來了，美國科學院凝聚態(tài)與材料物理委員會2010年出了一個報告——《下一個十年的六大挑戰(zhàn)》。這個六個問題有三個和生命科學相關，第三個直接就是“什么是生命的物理？”。我們知道什么是行星的物理——牛頓力學；什么是蒸汽機的物理——熱力學；什么是通訊的物理——電動力學；什么是計算機硬件的物理——量子力學；什么是生命的物理——我不知道。應該有，因為生命現(xiàn)象也是一個自然現(xiàn)象，有自然現(xiàn)象就應該有規(guī)律，也許你就可以把它總結出來，物理學家總結出來就叫生命的物理。
四、生物學和物理學如何交叉？
生物學和物理學好像根本連不上，怎么可能會交叉呢？更別說融合。
生物都是物種、細胞、基因、蛋白，都是很多事實在那，而且很不一樣，都是描述性的觀察性的，要記很多事實。物理是反過來的，就是幾個公式，非常簡單，然后那些事實都不管，都可以在公式里推出來，一個是極端的觀察性的一個是極端的抽象性的，它們之間怎么會有關系。
生物學與物理學的兩個極端
1.飛行中的流體力學
舉一些例子，如果把地球上所有帶翅膀的東西找出來，能飛的帶翅膀的，小到蜻蜓大到波音747，然后你畫橫軸是它的質(zhì)量或者是重量，縱軸是它的飛行速度。
飛行中的規(guī)律性
他們都在這條線上，萬變不離其宗，不管是大自然進化出來的還是我們?nèi)嗽斓?，非常有?guī)律，是不是有點像開普勒三定律中的一個。單獨每個看它很特殊，但是我們用很簡單的線全連起來。你要能飛的話要有升力，這個升力和翅膀面積成正比，和飛行的速度平方成正比，重量和你的體積成正比，然后面積和體積大概有這樣一個關系，你把這些個方程一連立，你飛的速度必須和重量六分之一成正比，否則你飛不上去，就是非常簡單的一個定律，把所有能飛的東西全部都給統(tǒng)一起來，所有能飛的都必須滿足這規(guī)律，無論是人造的還是大自然演化出來的。
2.植物中的數(shù)學
植物有很多很漂亮的形狀，不光是植物還有海螺貝殼等等。松子、菠蘿、向日葵，是不是有很多一圈一圈的，一圈一圈可以往一邊轉，可以數(shù)這邊轉多少圈那邊轉有多少圈，你數(shù)以后發(fā)現(xiàn)，對這個向日葵來說往這邊轉的是21個，那邊34個。
植物中的斐波那契數(shù)列
松子數(shù)一下，菠蘿數(shù)一下，就發(fā)現(xiàn)幾乎所有的，往兩個方向轉的圈數(shù)都是這個序列的相鄰兩個數(shù)，5、8、13、21、34等。這個序列是300年前，意大利的數(shù)學家斐波那契造出來的，這個序列非常簡單，第一個是1，第二個是1，后邊是前邊兩個的和，1+1=2，1+2=3，3+5=8，5+8=13……。這個序列還有一個神奇的性質(zhì)，它相鄰兩個數(shù)的比值，13：8、21：13、34：21、……，它趨于黃金分割。黃金分割是最漂亮的比例是不是？為什么這些植物里邊有這么漂亮的數(shù)學，有一些解釋，我們知道一些，還有一些不知道。
3.細胞中的微分幾何
你們看細胞中一片一片的，叫內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是折疊某些特殊蛋白的。大概在2013年以前，大家都不知道它的結構具體是什么樣子，到2013年生物學家和物理學家合作，用電子顯微鏡把這個結構解出來了（下圖中）。
細胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)呈現(xiàn)螺旋面結構
像不像停車場？停車場為什么要設計成這個樣子呢？因為它要停盡可能多的車，因為它要連通，要能開上去開下來，這個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能和停車場的功能幾乎一模一樣，要停盡量多的核糖體，把蛋白質(zhì)折疊在里邊，兩層膜中間有一個內(nèi)部的環(huán)境，內(nèi)部要一樣的環(huán)境，它必須連通，停盡量多的核糖體在上面，而且要在三維空間中盡量節(jié)省空間，如果你做一個模型優(yōu)化這些功能上的要求，結果就是這個樣子。數(shù)學家在幾百年前就想象出這個東西，叫“螺旋面”(Meusnier, 1776)，是微分幾何的前身。這個數(shù)學家想這個螺旋面的時候可沒想這么多，但是我們造停車場也是按“螺旋面”的設計，細胞進化也是螺旋面的設計。
4. 真菌的槍炮
可以發(fā)射孢子的克萊因水玉霉
生命體系非常神奇，進化出了很多東西，它們甚至進化出了槍炮，克萊因水玉霉只有一個毫米這么大，它可以用火箭一樣的原理把上面的孢子發(fā)射到很遠的地方，到2.5米開外，發(fā)射的時候加速度和手槍一樣大。
5.鳥群運動的臨界現(xiàn)象
鳥群里的“臨界現(xiàn)象”
有一些特殊的鳥群，魚群也是這樣經(jīng)?！疤琛?，它們怎么能夠跳的這么好，沒人指揮它們，其實有一個很有意思的統(tǒng)計物理在里邊，周圍伙伴怎么做，它也怎么做，于是就有了整體運動，這個整體運動有很特別的性質(zhì)，叫作臨界性，對外界來的威脅反映非?？欤D變隊形非?？欤幸粋€老鷹來了鳥群前后都能馬上作出反應，所以這是鳥群里邊的物理。
五、生命科學為什么需要定量？
生物與其他學科的交叉的例子還有很多。下面講一些一般性的東西，生命科學為什么要定量？其實所有科學我覺得都應該定量。我們先看定量會帶來什么后果。
定量前和定量后的橋與“奔月”的巨大差異
以前沒有牛頓力學，力學也是不定量的，我們也可以造出很漂亮的橋，比如趙州橋（公元前600年，牛頓前1043年），但是我們肯定造不出杭州灣大橋，因為沒有一些定量的工具和設計這是不可想象的。以前我們也想飛到月亮上去，也許我們的祖先打過許多火箭，往月亮上打，也不知道能不能打上去，也不知道需要打多快。然后定量之后，我們知道第一宇宙速度、第二宇宙速度，火箭要跑多快，就可以變成衛(wèi)星，再跑多快可以脫離地球，飛向太陽系，所以這是定量前和定量后，完全是兩個概念。
六、第三次生命科學革命為什么是現(xiàn)在？
為什么說現(xiàn)在是第三次生命科學革命的時候呢？一是技術進步，現(xiàn)在技術進步非常快；還有一個是學科交叉。前面我們講過為什么經(jīng)歷那么久，然后在100—150年間就忽然現(xiàn)代科學誕生了。可能生命科學就是這一百多年的時候，可能再過百八十年，生命科學整個改頭換面，會有一個爆發(fā)。這個應該是和技術進步與學科交叉緊密連接在一起。
最近的諾貝爾化學獎，2000年以來有11次，授予生物學領域，其中5次是因為發(fā)展物理、化學和計算方法和技術。錢永健，最近去世了，用熒光蛋白來標記基因，所以基因表達看的非常清楚；計算生物學的諾貝爾獎，用計算機來算蛋白質(zhì)相互作用，蛋白質(zhì)的折疊；還有超高分辨熒光顯微鏡。所以技術進步的非?？?。
為什么信息革命在不到一百年變化非常大，大家知道有很大的原因是摩爾斯定律（Moore’s Law），那生物技術是什么樣的概念呢？
舉一個例子，在2001年的時候，人類第一個基因組測出來了，花了一億美元測一個基因組。然后費用就指數(shù)型的下降，開始是直線下降，這個是摩爾斯定律，后面比摩爾斯定律還快，每次跳都是技術的進步，現(xiàn)在已經(jīng)是一千美元以下就可以測一個基因組，可能再過幾年就是一千人民幣，一百人民幣，而且速度也很快，以后你去電影院看電影，進電影院之前取個樣，可能出來時基因組就測出來了，所以技術進步非?？臁?/span>
技術的進步使得基因測序的花費下降速度超過摩爾定律
還有基因編輯技術、干細胞技術、各種成像技術、以及將來的腦機接口技術等等都是推動生命科學革命的關鍵新興技術。
對生命現(xiàn)象的研究必將帶動其他學科。我們再看一下這個來自物理學革命的范式：觀測-數(shù)據(jù)積累→唯象模型→技術進步-精確的數(shù)據(jù)→定量規(guī)律→普適原理→數(shù)學語言→應用-改造自然。這個范式同樣可以用到不同的方面，可以用到新生物學，以及對生命現(xiàn)象的理解。
生命科學革命不只是生命科學的事，它對別的學科肯定也有影響。我們說牛頓研究行星運動要找數(shù)學語言，于是發(fā)明了微積分；香農(nóng)（編者注：Claude Shannon，信息論之父）研究通訊，找信息的數(shù)學語言，用了概率論；愛因斯坦研究時空廣義相對論，找數(shù)學語言，找到了現(xiàn)成的黎曼幾何。研究大自然的各個領域，有的數(shù)學語言數(shù)學家已經(jīng)創(chuàng)造出來了，拿來用就行，有一些是沒有的，需要新的數(shù)學。那生命的數(shù)學語言是什么呢？我個人覺得可能還沒找到。
處理信息所需的能耗也服從摩爾斯定律，下圖左邊表示的是從1940年到2010年，處理一個比特的信息，將一個1變成一個0需要消耗的能量。我們確實在進步，用的能量越來越少，指數(shù)級下降，虛線處是物理極限，不可能用比這更少的能量，按照摩爾斯定律外推，我們現(xiàn)在應該已經(jīng)到達物理極限了。但事實上是我們離物理極限還很遠，能耗下不去了。那么生物系統(tǒng)呢？大腸桿菌處理信息的能耗就接近物理極限。所以生物系統(tǒng)里處理信息的能耗是非常少的，怎么做到的我們不是很清楚。
生命體系處理信息的能耗接近物理極限
若干年前，IBM做了一個超級計算機和當年美國的兩個冠軍進行百科知識搶答競賽，人類的能耗是20W，我們腦袋就是一個小燈泡就是20W的能耗，這個計算機用的是100千瓦。所以我們是不是可以從生命系統(tǒng)里學怎么樣用很低的能耗處理更多的信息，是不是能對信息科學有很大的啟發(fā)和借鑒。
總結
技術進步和學科交叉將推動現(xiàn)代生命科學的革命，這次生命科學革命不僅給生命科學本身，還會給其他定量學科的發(fā)展帶來機遇和挑戰(zhàn)。生物學也肯定會起質(zhì)變，從一個定性的學科變成一個定量的學科。
