湯超：第三次生命科學(xué)革命為何是現(xiàn)在？ | 科技史
上個(gè)月，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院執(zhí)行院長(zhǎng)、定量生物學(xué)中心主任湯超院士在《當(dāng)代科技史》系列課程上講授《當(dāng)代科技史——生命科學(xué)革命》，本文擷取精辟論斷，縱覽生命科學(xué)革命，窺看自然奧秘。
演講 | 湯超（北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院執(zhí)行院長(zhǎng)）
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生命科學(xué)革命已經(jīng)發(fā)生了兩次，目前是第三次，講生命科學(xué)革命前，我們先談?wù)効茖W(xué)革命。科學(xué)革命、學(xué)科交叉、技術(shù)進(jìn)步，這三個(gè)方面互相有很深的關(guān)系和影響，它們互相聯(lián)系、互相促進(jìn)。
一、16-17世紀(jì)的科學(xué)革命
這是一次標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)革命，也是第一次科學(xué)革命，也是現(xiàn)代科學(xué)的誕生。這發(fā)生在16—17世紀(jì)，大概在這一兩百年時(shí)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(yùn)行論》，提出了日心說(shuō)理論。
? 安德烈·維賽留斯，1543年出版了《人體構(gòu)造》，解釋了血液在人體內(nèi)循環(huán)的過(guò)程，還從解剖尸體組裝了第一副人類(lèi)骨架。
? 威廉·吉爾伯特，1600年出版了《論磁石》是物理學(xué)史上第一部系統(tǒng)闡述磁學(xué)的科學(xué)專(zhuān)著。
? 第谷·布拉赫，對(duì)16世紀(jì)末期所認(rèn)知的星體進(jìn)行了詳細(xì)并且準(zhǔn)確的觀(guān)測(cè)，為開(kāi)普勒的研究提供了基本數(shù)據(jù)。
? 弗蘭西斯·培根，企圖通過(guò)分析和確定科學(xué)的一般方法和表明其應(yīng)用方式，給予新科學(xué)運(yùn)動(dòng)以發(fā)展的動(dòng)力和方向。
? 伽利略·伽利萊，改進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡，并對(duì)金星和木星的衛(wèi)星進(jìn)行了準(zhǔn)確的觀(guān)測(cè)，于1610年發(fā)表觀(guān)測(cè)結(jié)果。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)推翻了被奉為圭臬的亞里士多德的力學(xué)體系并建立了近代力學(xué)。
? 約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒，1609年發(fā)表了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的兩條定律，1618年發(fā)現(xiàn)了第三條定律，就是后來(lái)被稱(chēng)為“開(kāi)普勒定律”的行星三大定律，說(shuō)明了行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的理論。
? 威廉·哈維，通過(guò)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(xì)管循環(huán)和肌肉纖維。他觀(guān)察了血球、精子與細(xì)菌，并繪出了它們的形象。於1683年發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌。
? 艾薩克·牛頓，1687年7月5日發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里提出的萬(wàn)有引力定律以及他的牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基石。牛頓還和萊布尼茨各自獨(dú)立地發(fā)明了微積分。
以天文學(xué)為例，這些故事的背后發(fā)生了什么？它們?yōu)槭裁丛谶@個(gè)時(shí)候發(fā)生？這可能是值得思考的問(wèn)題。
1. “地心說(shuō)”——一個(gè)“很有道理”的舊理論
以前可能我們每一個(gè)民族的各個(gè)國(guó)家的人都喜歡觀(guān)測(cè)自然，觀(guān)測(cè)自然的主要活動(dòng)之一就是看星星，那時(shí)候也沒(méi)有電，也沒(méi)有手機(jī)，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(xué)的雛形，看到一個(gè)自然現(xiàn)象想來(lái)解釋。當(dāng)時(shí)最好的解釋是托勒密的《地心說(shuō)》，托勒密是一個(gè)大科學(xué)家，科學(xué)不是說(shuō)是對(duì)還是錯(cuò)，科學(xué)是說(shuō)我要去解釋自然界的現(xiàn)象，然后一步步推進(jìn)，他當(dāng)時(shí)做的模型非常精密，可以解釋他當(dāng)時(shí)觀(guān)測(cè)到的幾乎所有行星運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，但是因?yàn)榇_實(shí)行星運(yùn)動(dòng)不是以地球?yàn)橹行模且蕴?yáng)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(huà)，行星圍著地球轉(zhuǎn)，你就不能解釋看到行星往后退的現(xiàn)象，他就說(shuō)圍繞地球轉(zhuǎn)有兩個(gè)輪，一個(gè)均輪一個(gè)本輪，一個(gè)大圓一個(gè)小圓，每一個(gè)行星都有一個(gè)大圓有一個(gè)小圓，大圓有一個(gè)半徑，小圓也有一個(gè)半徑，大圓有一個(gè)周期，小圓也有一個(gè)周期，所以每個(gè)行星都有自己的一套參數(shù)。但是如果地球真是中心的話(huà)，還是有問(wèn)題，后來(lái)他又做了進(jìn)一步修正，認(rèn)為在地球?qū)ΨQ(chēng)的這個(gè)地方是中心。總之他是很?chē)?yán)密的一個(gè)科學(xué)家，他花了很多時(shí)間把他的模型做得越來(lái)越精確，他的“地心說(shuō)模型”統(tǒng)治了近兩千年。
托勒密與他的“地心說(shuō)模型”
2. 日心說(shuō)——一個(gè)革命性的新觀(guān)點(diǎn)
到了哥白尼，他提出革命性的觀(guān)點(diǎn)，他說(shuō)“地心說(shuō)”太復(fù)雜了，他完全從美學(xué)的角度，一個(gè)對(duì)稱(chēng)的角度說(shuō)太陽(yáng)可能是中心。
哥白尼與他的“日心說(shuō)模型”
但是他提出太陽(yáng)是中心，其實(shí)并不能比“地心說(shuō)”解釋更多的當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)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(shí)也不是圓的，而是橢圓；更重要的是，第二，當(dāng)時(shí)的觀(guān)測(cè)儀器還不能精確到證明哥白尼對(duì)還是托勒密對(duì)，很多時(shí)候我們只能看一個(gè)大概，所以當(dāng)時(shí)的模型還不足以推翻“地心說(shuō)”，但是他確實(shí)提出了革命性的觀(guān)點(diǎn)。
3. 數(shù)據(jù)的積累——用更精密的儀器做更準(zhǔn)確的測(cè)量
到了第谷，他是一個(gè)丹麥天文學(xué)家，一個(gè)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(zhuān)門(mén)用于觀(guān)測(cè)天象，整個(gè)島布滿(mǎn)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(guān)測(cè)，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(guān)測(cè)島（上），火星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和渾天儀（下）
然后發(fā)現(xiàn)“地心說(shuō)”不對(duì)，但是他擺脫不了“地心說(shuō)”的觀(guān)念，他提出一個(gè)模型，說(shuō)地球還是中心，然后月亮圍著地球轉(zhuǎn)，太陽(yáng)也圍著地球轉(zhuǎn)，但是所有其他的行星圍著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。把它這個(gè)結(jié)合一下，他這個(gè)比純“地心說(shuō)”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(shuō)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(kāi)普勒定律、牛頓定律奠定了很好的基礎(chǔ)，沒(méi)有他的這些儀器觀(guān)測(cè)，也就沒(méi)有后面的革命，所以說(shuō)技術(shù)的進(jìn)步很重要，這時(shí)候的技術(shù)進(jìn)步雖然很簡(jiǎn)單，你甚至可能覺(jué)得這些都不算什么高技術(shù)，但是當(dāng)時(shí)是一個(gè)很先進(jìn)的進(jìn)步，所以技術(shù)進(jìn)步往往是科學(xué)革命的前列。
4. 新工具發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象
來(lái)到伽利略，望遠(yuǎn)鏡不是他發(fā)明的，但是他把望遠(yuǎn)鏡改造了一下，然后來(lái)看行星的運(yùn)動(dòng)，他發(fā)現(xiàn)兩個(gè)事情，和“地心說(shuō)”不太符。一個(gè)是他看到木星也有衛(wèi)星，那說(shuō)明地球就不特殊了。他還看到金星有時(shí)候亮一點(diǎn)有時(shí)候暗一點(diǎn)，和月亮一樣有陰晴圓缺。
伽利略改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡觀(guān)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(shuō)第谷有兩大功績(jī)，第一個(gè)就是他造了很好的渾天儀，收集了大量的數(shù)據(jù)；第二個(gè)是他收了開(kāi)普勒做助手，開(kāi)普勒從小對(duì)天文非常感興趣，他當(dāng)時(shí)就知道第谷有很多數(shù)據(jù)就想跟他去做，據(jù)說(shuō)兩個(gè)人關(guān)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(shè)火星軌道是一個(gè)圓而且圍著地球轉(zhuǎn)，大概是下面的軌跡：
以“地心說(shuō)”為基礎(chǔ)描述的火星軌道
第谷覺(jué)得不可能搞清楚，他和開(kāi)普勒說(shuō)你就研究火星吧，開(kāi)普勒自己也收集了很多火星的數(shù)據(jù)。以前一直覺(jué)得每一個(gè)行星都有自己的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，現(xiàn)在開(kāi)普勒說(shuō)不是，所有的行星滿(mǎn)足同樣的規(guī)律，所有的行星都在橢圓形軌道上圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)在一個(gè)焦點(diǎn)上，這個(gè)普適性就出來(lái)了，這是他的第一個(gè)定律。第二定律是定量，就是說(shuō)行星運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，單位時(shí)間走的面積相同，比如說(shuō)走一天，離太陽(yáng)近的時(shí)候就走的快，離太陽(yáng)遠(yuǎn)的時(shí)候走的慢，所以面積是一樣的。
開(kāi)普勒第二定律
第三個(gè)定律是十五年以后找到的，就是這個(gè)行星運(yùn)動(dòng)周期的平方與長(zhǎng)軸這個(gè)半徑的立方成正比。這個(gè)三個(gè)定律看上去非常簡(jiǎn)單，但是他把行星運(yùn)動(dòng)全部統(tǒng)一起來(lái)了，其實(shí)沒(méi)有那么多很復(fù)雜的，就是幾個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)律就可以解釋?zhuān)_(kāi)普勒是非常了不起的。所以從技術(shù)的進(jìn)步到大量的精確數(shù)據(jù)，到總結(jié)一些現(xiàn)象的規(guī)律，最后到科學(xué)革命的完成。最后科學(xué)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(kāi)普勒的三個(gè)定律覺(jué)得很有意思，為什么有開(kāi)普勒三個(gè)定律，后面有沒(méi)有更簡(jiǎn)單的更普適的解釋?zhuān)ｎD說(shuō)其實(shí)是有的，受到的啟發(fā)是不是被蘋(píng)果砸的不知道，但是有一點(diǎn)是確定的，當(dāng)時(shí)倫敦正在鬧瘟疫，劍橋也關(guān)門(mén)了，他回家在他自己后院里邊待了半年，可能還更長(zhǎng)時(shí)間，學(xué)校關(guān)了，他沒(méi)事可干，整天想這些東西，所以說(shuō)英國(guó)不鬧瘟疫，他可能也不會(huì)想這么快。他說(shuō)其實(shí)那三個(gè)定律有原因的，為什么呢？是因?yàn)橛腥f(wàn)有引力，太陽(yáng)拉著地球，或者拉著火星，互相拉，這是引力，這個(gè)引力和兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比，和距離平方成反比，這是看不見(jiàn)的萬(wàn)有引力。另一個(gè)方面，力是質(zhì)量乘加速度，把這兩個(gè)連起來(lái)就可以推導(dǎo)出開(kāi)普勒三個(gè)定律，開(kāi)普勒三個(gè)定律是牛頓的更普適定律的一個(gè)表現(xiàn)，是在一個(gè)體系里的一個(gè)特殊結(jié)果。
牛頓與他的普適性原理
牛頓不光把開(kāi)普勒三個(gè)定律做了解釋?zhuān)业搅烁乱徊降脑?，還把這個(gè)推廣到整個(gè)宇宙，所有的力學(xué)，不光行星運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足牛頓的這些普適規(guī)律，所有宇宙里力學(xué)運(yùn)動(dòng)全都滿(mǎn)足這個(gè)規(guī)律，這非常了不起，是非常大的進(jìn)步。還有他為了把這些東西能夠推出三個(gè)定律，行星軌道是一個(gè)橢圓，橢圓你看這個(gè)萬(wàn)有引力隨著半徑平方成反比，所以這個(gè)萬(wàn)有引力時(shí)小時(shí)大，一個(gè)加速度也是時(shí)小時(shí)大，所以不是勻速的，所以就要找到瞬時(shí)速度的概念，瞬時(shí)加速度的概念，在你瞬間那個(gè)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(xué)語(yǔ)言找到了，一個(gè)科學(xué)革命，最終要伴隨數(shù)學(xué)語(yǔ)言，牛頓力學(xué)的數(shù)學(xué)語(yǔ)言就是微積分。
第一次科學(xué)革命的總結(jié)
我們總結(jié)一下天文學(xué)革命，也就是經(jīng)典物理學(xué)的革命，第一次科學(xué)革命，最偉大的一次科學(xué)革命。
科學(xué)革命的一般過(guò)程
它大概是一個(gè)什么程序，首先是觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)積累，這可能是很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間，上千年，至少?gòu)耐欣彰艿娇茖W(xué)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(shuō)”，然后到技術(shù)進(jìn)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(duì)，就出現(xiàn)一些定量的規(guī)律開(kāi)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(duì)的話(huà)，就可能產(chǎn)生普適的原理，把這個(gè)進(jìn)一步推廣，就伴隨著數(shù)學(xué)語(yǔ)言的一個(gè)發(fā)展。所有的科學(xué)革命，不管它是基礎(chǔ)的還是需求推動(dòng)的，最后基本上都會(huì)導(dǎo)致很大的應(yīng)用，工程應(yīng)用、設(shè)計(jì)制造、改造自然。有了牛頓力學(xué)可以發(fā)射衛(wèi)星，飛機(jī)可以飛等等，整個(gè)革命改變了我們?nèi)祟?lèi)。
二、科學(xué)革命對(duì)人類(lèi)文明的影響
科學(xué)革命之后，人類(lèi)的思維徹底改變，把自然當(dāng)成可以用科學(xué)來(lái)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(lái)產(chǎn)生蒸汽機(jī)、紡織機(jī)、火車(chē)……大家都覺(jué)得有規(guī)律可循，所以研制這些蒸汽機(jī)后又誕生了熱力學(xué)。
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(gè)中間有些年因?yàn)閿?shù)據(jù)不全，所以沒(méi)畫(huà)，在工業(yè)革命之前世界人均GDP基本上是常數(shù)，人口有時(shí)候多有時(shí)候少，打仗、瘟疫就少一些，太平時(shí)就多一些，但人均GDP不變。科學(xué)革命和工業(yè)革命之后大概就是指數(shù)型的增長(zhǎng)，到現(xiàn)在還是指數(shù)型的增長(zhǎng)。所以可以看出科學(xué)革命的重要性，對(duì)整個(gè)工業(yè)革命是怎么推動(dòng)的，而且科學(xué)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(shí)代。從第一臺(tái)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(jué)得是應(yīng)用性革命，確實(shí)有強(qiáng)大的應(yīng)用的需求和市場(chǎng)推動(dòng)，但也是多學(xué)科交叉在起作用，而且很重要的有物理學(xué)理論在做基礎(chǔ)，沒(méi)有物理學(xué)的基礎(chǔ)理論這些信息革命是不可能的，還有其他的科學(xué)，我給大家說(shuō)兩個(gè)例子。
1.信息革命背后的科學(xué)——電動(dòng)力學(xué)
第一是電動(dòng)力學(xué)，電動(dòng)力學(xué)的這個(gè)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(shí)候手會(huì)打電，我們有時(shí)候冬天的時(shí)候不敢去碰門(mén)把手，會(huì)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(xué)革命再后面一點(diǎn)，才有人總結(jié)出定量的東西，是不是科學(xué)革命忽然把大家腦袋打開(kāi)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(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流強(qiáng)度與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，看上去很簡(jiǎn)單，但是它非常普適，中國(guó)是這樣，法國(guó)是這樣，月亮上也是這樣。法拉第在1831年首次演示電磁感應(yīng)，電和磁可以互相轉(zhuǎn)換，一個(gè)電磁鐵上的線(xiàn)圈通過(guò)電流，有線(xiàn)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(dāng)于我們前面講的天文學(xué)革命里邊的開(kāi)普勒定律，很簡(jiǎn)單，但是它總結(jié)了一個(gè)非常定量的規(guī)律，然后沒(méi)有多少年，麥克斯韋把安培和法拉第這些簡(jiǎn)單的定律統(tǒng)一起來(lái)，寫(xiě)了四個(gè)方程，非常天才的把它統(tǒng)一起來(lái)了，他說(shuō)這些電磁現(xiàn)象都是這四個(gè)方程的解，有點(diǎn)像說(shuō)你開(kāi)普勒三定律都是我牛頓方程的解，都是我這個(gè)普適理論的一個(gè)表現(xiàn)。所以我這個(gè)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(gè)方程確實(shí)它的影響是巨大的，把這個(gè)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(méi)有電線(xiàn)的情況下，真空里面什么都沒(méi)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(jué)得視野開(kāi)闊了，一個(gè)東西在這邊搗鼓電磁波就可以傳過(guò)去，然后赫茲很快就首先證明了電磁波確實(shí)存在，他讀博士的時(shí)候，他的導(dǎo)師是很有名的亥姆霍茲，就讓他去證實(shí)電磁波的存在，但他沒(méi)弄出來(lái)，他覺(jué)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(shí)存在。
赫茲于1887年首次證實(shí)電磁波的存在
那電磁波意味著什么？我們所有的無(wú)線(xiàn)電通訊，手機(jī)、電視、無(wú)線(xiàn)通訊都是靠電磁波傳的，整個(gè)改寫(xiě)了人類(lèi)通訊歷史，沒(méi)有當(dāng)時(shí)這些看起來(lái)沒(méi)有用的東西打下的基礎(chǔ)，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(jī)、互聯(lián)網(wǎng)。
2.信息革命背后的科學(xué)——量子力學(xué)
第二個(gè)是量子力學(xué)，沒(méi)有量子力學(xué)也不可能把芯片做出來(lái)，也沒(méi)有半導(dǎo)體的概念，也沒(méi)有集成電路……有了量子力學(xué)才知道這些東西可以來(lái)做電路的一些基本元件。量子力學(xué)的誕生也是因?yàn)榇蠹以谧鲆恍┓浅！盁o(wú)用”的東西，所以很多時(shí)候一個(gè)突破性的概念的產(chǎn)生，都是因?yàn)楹闷嫘?/strong>，然后當(dāng)時(shí)覺(jué)得沒(méi)有什么用，就是好奇就去做。
量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)的英雄們
量子力學(xué)有很多英雄，就不一一說(shuō)了，開(kāi)始也是不理解一些現(xiàn)象，比如光電效應(yīng)，黑體輻射，太陽(yáng)的光譜，與經(jīng)典物理算起來(lái)結(jié)果不一樣。當(dāng)時(shí)一些物理學(xué)家非常失望，牛頓之后還有波爾茲曼統(tǒng)計(jì)物理、熱力學(xué)，加上麥克斯韋的電磁理論，物理學(xué)家已經(jīng)覺(jué)得物理把整個(gè)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(guò)程中，誕生了量子力學(xué)。量子力學(xué)給我們今天的人類(lèi)文明的很多東西都打下了基礎(chǔ)，包括我們計(jì)算機(jī)芯片、半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)，到現(xiàn)在的量子通訊、量子計(jì)算等等，所以信息革命后面是非常基本的一些基礎(chǔ)研究，而且這個(gè)基礎(chǔ)研究不是由目的性帶來(lái)的，它是由好奇心帶來(lái)的。
三、交叉的產(chǎn)物——生命科學(xué)的前兩次革命
這第一次生命科學(xué)革命不到100年，大約在70年前。當(dāng)時(shí)有一批物理學(xué)家、化學(xué)家進(jìn)入到生命科學(xué)領(lǐng)域，想搞清楚基因的物質(zhì)基礎(chǔ)，基因到底是什么?；蚴欠肿?？還是結(jié)構(gòu)？還是什么東西？這是在思路上帶給生命科學(xué)的，第二個(gè)是在方法上，把大量的工具帶進(jìn)生命科學(xué)，X射線(xiàn)、核磁共振、電子顯微鏡、離心機(jī)等等，這一革命的標(biāo)志性的成果就是沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，就是用X射線(xiàn)照出來(lái)的，沒(méi)有X射線(xiàn)他們也發(fā)現(xiàn)不了。
第一次生命科學(xué)革命以1953年沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)為標(biāo)志
第二次生命科學(xué)革命大概是上世紀(jì)末九十年代開(kāi)始的基因組學(xué)，也就是我們現(xiàn)在說(shuō)的測(cè)序，基因組學(xué)是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)的交叉。
這兩次革命之后，生命科學(xué)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(chē)的話(huà)，分子生物學(xué)革命就把這個(gè)汽車(chē)零部件搞的越來(lái)越清楚了，有方向盤(pán)、剎車(chē)、油門(mén)，就是我們很多基因很多蛋白搞的越來(lái)越清楚，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)都可以用X射線(xiàn)解出來(lái)，長(zhǎng)的什么樣子，我們都知道。基因組學(xué)革命就讓我們得到了這個(gè)汽車(chē)的說(shuō)明書(shū)，就是我們的基因組，所有的信息都在說(shuō)明書(shū)里邊，但是我們基本上看不懂。大概知道方向盤(pán)在第幾頁(yè)，這一段基因?qū)?yīng)這個(gè)蛋白。至于這個(gè)汽車(chē)是怎么組裝起來(lái)的，為什么能跑起來(lái)，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(xué)現(xiàn)在是處在一個(gè)大革命的前夜。
美國(guó)科學(xué)院在2009年出了一部綱領(lǐng)性文件，文件題目叫《二十一世紀(jì)的新生物學(xué)》。美國(guó)科學(xué)院認(rèn)為在二十一世紀(jì)會(huì)產(chǎn)生全新的生物學(xué)，這個(gè)全新的生物學(xué)就標(biāo)志著生命科學(xué)的第三次革命。
2009年美國(guó)科學(xué)院發(fā)布的《21世紀(jì)的新生物學(xué)》
上圖右側(cè)是他們總結(jié)的圖，它有很多很多的根，生物學(xué)只是其中的一部分，物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、工程、數(shù)學(xué)甚至包括科學(xué)教育。全部在一起交叉融合。新生物學(xué)和原生物學(xué)有什么不一樣呢，它可以對(duì)生物系統(tǒng)有更深的了解，比如了解汽車(chē)它是怎么跑起來(lái)，怎么裝起來(lái)，有什么控制原理，然后也許就可以預(yù)測(cè)。生命可以預(yù)測(cè)太不可思議了，而且可以定量的分析，就像工程一樣。當(dāng)然就需要把生命系統(tǒng)原理搞清楚，所以生命科學(xué)就從一個(gè)觀(guān)察性定性的科學(xué)，到一個(gè)定量可預(yù)測(cè)的科學(xué)轉(zhuǎn)變，這當(dāng)然肯定會(huì)對(duì)世界產(chǎn)生很深遠(yuǎn)的影響，他們舉了四個(gè)方面的例子：健康、環(huán)境、能源、食品。
生命科學(xué)是不是生命科學(xué)本身的事，不是，每個(gè)學(xué)科都忙活起來(lái)了，美國(guó)科學(xué)院凝聚態(tài)與材料物理委員會(huì)2010年出了一個(gè)報(bào)告——《下一個(gè)十年的六大挑戰(zhàn)》。這個(gè)六個(gè)問(wèn)題有三個(gè)和生命科學(xué)相關(guān)，第三個(gè)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(xué)；什么是蒸汽機(jī)的物理——熱力學(xué)；什么是通訊的物理——電動(dòng)力學(xué)；什么是計(jì)算機(jī)硬件的物理——量子力學(xué)；什么是生命的物理——我不知道。應(yīng)該有，因?yàn)樯F(xiàn)象也是一個(gè)自然現(xiàn)象，有自然現(xiàn)象就應(yīng)該有規(guī)律，也許你就可以把它總結(jié)出來(lái)，物理學(xué)家總結(jié)出來(lái)就叫生命的物理。
四、生物學(xué)和物理學(xué)如何交叉？
生物學(xué)和物理學(xué)好像根本連不上，怎么可能會(huì)交叉呢？更別說(shuō)融合。
生物都是物種、細(xì)胞、基因、蛋白，都是很多事實(shí)在那，而且很不一樣，都是描述性的觀(guān)察性的，要記很多事實(shí)。物理是反過(guò)來(lái)的，就是幾個(gè)公式，非常簡(jiǎn)單，然后那些事實(shí)都不管，都可以在公式里推出來(lái)，一個(gè)是極端的觀(guān)察性的一個(gè)是極端的抽象性的，它們之間怎么會(huì)有關(guān)系。
生物學(xué)與物理學(xué)的兩個(gè)極端
1.飛行中的流體力學(xué)
舉一些例子，如果把地球上所有帶翅膀的東西找出來(lái)，能飛的帶翅膀的，小到蜻蜓大到波音747，然后你畫(huà)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(xiàn)上，萬(wàn)變不離其宗，不管是大自然進(jìn)化出來(lái)的還是我們?nèi)嗽斓?，非常有?guī)律，是不是有點(diǎn)像開(kāi)普勒三定律中的一個(gè)。單獨(dú)每個(gè)看它很特殊，但是我們用很簡(jiǎn)單的線(xiàn)全連起來(lái)。你要能飛的話(huà)要有升力，這個(gè)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(gè)關(guān)系，你把這些個(gè)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(jiǎn)單的一個(gè)定律，把所有能飛的東西全部都給統(tǒng)一起來(lái)，所有能飛的都必須滿(mǎn)足這規(guī)律，無(wú)論是人造的還是大自然演化出來(lái)的。
2.植物中的數(shù)學(xué)
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(zhuǎn)，可以數(shù)這邊轉(zhuǎn)多少圈那邊轉(zhuǎn)有多少圈，你數(shù)以后發(fā)現(xiàn)，對(duì)這個(gè)向日葵來(lái)說(shuō)往這邊轉(zhuǎn)的是21個(gè)，那邊34個(gè)。
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(gè)方向轉(zhuǎn)的圈數(shù)都是這個(gè)序列的相鄰兩個(gè)數(shù)，5、8、13、21、34等。這個(gè)序列是300年前，意大利的數(shù)學(xué)家斐波那契造出來(lái)的，這個(gè)序列非常簡(jiǎn)單，第一個(gè)是1，第二個(gè)是1，后邊是前邊兩個(gè)的和，1+1=2，1+2=3，3+5=8，5+8=13……。這個(gè)序列還有一個(gè)神奇的性質(zhì)，它相鄰兩個(gè)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(xué)，有一些解釋?zhuān)覀冎酪恍?，還有一些不知道。
3.細(xì)胞中的微分幾何
你們看細(xì)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(jié)構(gòu)具體是什么樣子，到2013年生物學(xué)家和物理學(xué)家合作，用電子顯微鏡把這個(gè)結(jié)構(gòu)解出來(lái)了（下圖中）。
細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)呈現(xiàn)螺旋面結(jié)構(gòu)
像不像停車(chē)場(chǎng)？停車(chē)場(chǎng)為什么要設(shè)計(jì)成這個(gè)樣子呢？因?yàn)樗１M可能多的車(chē)，因?yàn)樗B通，要能開(kāi)上去開(kāi)下來(lái)，這個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能和停車(chē)場(chǎng)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(gè)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(gè)模型優(yōu)化這些功能上的要求，結(jié)果就是這個(gè)樣子。數(shù)學(xué)家在幾百年前就想象出這個(gè)東西，叫“螺旋面”(Meusnier, 1776)，是微分幾何的前身。這個(gè)數(shù)學(xué)家想這個(gè)螺旋面的時(shí)候可沒(méi)想這么多，但是我們?cè)焱＼?chē)場(chǎng)也是按“螺旋面”的設(shè)計(jì)，細(xì)胞進(jìn)化也是螺旋面的設(shè)計(jì)。
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(jìn)化出了很多東西，它們甚至進(jìn)化出了槍炮，克萊因水玉霉只有一個(gè)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(yuǎn)的地方，到2.5米開(kāi)外，發(fā)射的時(shí)候加速度和手槍一樣大。
5.鳥(niǎo)群運(yùn)動(dòng)的臨界現(xiàn)象
鳥(niǎo)群里的“臨界現(xiàn)象”
有一些特殊的鳥(niǎo)群，魚(yú)群也是這樣經(jīng)?！疤琛?，它們?cè)趺茨軌蛱倪@么好，沒(méi)人指揮它們，其實(shí)有一個(gè)很有意思的統(tǒng)計(jì)物理在里邊，周?chē)锇樵趺醋?，它也怎么做，于是就有了整體運(yùn)動(dòng)，這個(gè)整體運(yùn)動(dòng)有很特別的性質(zhì)，叫作臨界性，對(duì)外界來(lái)的威脅反映非?？欤D(zhuǎn)變隊(duì)形非?？?，有一個(gè)老鷹來(lái)了鳥(niǎo)群前后都能馬上作出反應(yīng)，所以這是鳥(niǎo)群里邊的物理。
五、生命科學(xué)為什么需要定量？
生物與其他學(xué)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(xué)為什么要定量？其實(shí)所有科學(xué)我覺(jué)得都應(yīng)該定量。我們先看定量會(huì)帶來(lái)什么后果。
定量前和定量后的橋與“奔月”的巨大差異
以前沒(méi)有牛頓力學(xué)，力學(xué)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?yàn)闆](méi)有一些定量的工具和設(shè)計(jì)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(guò)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(yáng)系，所以這是定量前和定量后，完全是兩個(gè)概念。
六、第三次生命科學(xué)革命為什么是現(xiàn)在？
為什么說(shuō)現(xiàn)在是第三次生命科學(xué)革命的時(shí)候呢？一是技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)在技術(shù)進(jìn)步非?？欤贿€有一個(gè)是學(xué)科交叉。前面我們講過(guò)為什么經(jīng)歷那么久，然后在100—150年間就忽然現(xiàn)代科學(xué)誕生了。可能生命科學(xué)就是這一百多年的時(shí)候，可能再過(guò)百八十年，生命科學(xué)整個(gè)改頭換面，會(huì)有一個(gè)爆發(fā)。這個(gè)應(yīng)該是和技術(shù)進(jìn)步與學(xué)科交叉緊密連接在一起。
最近的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，2000年以來(lái)有11次，授予生物學(xué)領(lǐng)域，其中5次是因?yàn)榘l(fā)展物理、化學(xué)和計(jì)算方法和技術(shù)。錢(qián)永健，最近去世了，用熒光蛋白來(lái)標(biāo)記基因，所以基因表達(dá)看的非常清楚；計(jì)算生物學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)，用計(jì)算機(jī)來(lái)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(shù)進(jìn)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(shù)是什么樣的概念呢？
舉一個(gè)例子，在2001年的時(shí)候，人類(lèi)第一個(gè)基因組測(cè)出來(lái)了，花了一億美元測(cè)一個(gè)基因組。然后費(fèi)用就指數(shù)型的下降，開(kāi)始是直線(xiàn)下降，這個(gè)是摩爾斯定律，后面比摩爾斯定律還快，每次跳都是技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)是一千美元以下就可以測(cè)一個(gè)基因組，可能再過(guò)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(jìn)電影院之前取個(gè)樣，可能出來(lái)時(shí)基因組就測(cè)出來(lái)了，所以技術(shù)進(jìn)步非常快。
技術(shù)的進(jìn)步使得基因測(cè)序的花費(fèi)下降速度超過(guò)摩爾定律
還有基因編輯技術(shù)、干細(xì)胞技術(shù)、各種成像技術(shù)、以及將來(lái)的腦機(jī)接口技術(shù)等等都是推動(dòng)生命科學(xué)革命的關(guān)鍵新興技術(shù)。
對(duì)生命現(xiàn)象的研究必將帶動(dòng)其他學(xué)科。我們?cè)倏匆幌逻@個(gè)來(lái)自物理學(xué)革命的范式：觀(guān)測(cè)-數(shù)據(jù)積累→唯象模型→技術(shù)進(jìn)步-精確的數(shù)據(jù)→定量規(guī)律→普適原理→數(shù)學(xué)語(yǔ)言→應(yīng)用-改造自然。這個(gè)范式同樣可以用到不同的方面，可以用到新生物學(xué)，以及對(duì)生命現(xiàn)象的理解。
生命科學(xué)革命不只是生命科學(xué)的事，它對(duì)別的學(xué)科肯定也有影響。我們說(shuō)牛頓研究行星運(yùn)動(dòng)要找數(shù)學(xué)語(yǔ)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(xué)語(yǔ)言，用了概率論；愛(ài)因斯坦研究時(shí)空廣義相對(duì)論，找數(shù)學(xué)語(yǔ)言，找到了現(xiàn)成的黎曼幾何。研究大自然的各個(gè)領(lǐng)域，有的數(shù)學(xué)語(yǔ)言數(shù)學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造出來(lái)了，拿來(lái)用就行，有一些是沒(méi)有的，需要新的數(shù)學(xué)。那生命的數(shù)學(xué)語(yǔ)言是什么呢？我個(gè)人覺(jué)得可能還沒(méi)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(gè)比特的信息，將一個(gè)1變成一個(gè)0需要消耗的能量。我們確實(shí)在進(jìn)步，用的能量越來(lái)越少，指數(shù)級(jí)下降，虛線(xiàn)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(yīng)該已經(jīng)到達(dá)物理極限了。但事實(shí)上是我們離物理極限還很遠(yuǎn)，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(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)和當(dāng)年美國(guó)的兩個(gè)冠軍進(jìn)行百科知識(shí)搶答競(jìng)賽，人類(lèi)的能耗是20W，我們腦袋就是一個(gè)小燈泡就是20W的能耗，這個(gè)計(jì)算機(jī)用的是100千瓦。所以我們是不是可以從生命系統(tǒng)里學(xué)怎么樣用很低的能耗處理更多的信息，是不是能對(duì)信息科學(xué)有很大的啟發(fā)和借鑒。
總結(jié)
技術(shù)進(jìn)步和學(xué)科交叉將推動(dòng)現(xiàn)代生命科學(xué)的革命，這次生命科學(xué)革命不僅給生命科學(xué)本身，還會(huì)給其他定量學(xué)科的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。生物學(xué)也肯定會(huì)起質(zhì)變，從一個(gè)定性的學(xué)科變成一個(gè)定量的學(xué)科。
