汤超：第三次生命科学革命为何是现在？ | 科技史-凯时尊龙官网

演讲 | 汤超（北京大学前沿交叉学科研究院执行院长）

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生命科学革命已经发生了两次，目前是第三次，讲生命科学革命前，我们先谈谈科学革命。科学革命、学科交叉、技术进步，这三个方面互相有很深的关系和影响，它们互相联系、互相促进。

这是一次标准的科学革命，也是第一次科学革命，也是现代科学的诞生。这发生在16—17世纪，大概在这一两百年时间里井喷式地发生了很多事情，所以叫革命。

下面列出了这些具有代表性的革命事件：

以天文学为例，这些故事的背后发生了什么？它们为什么在这个时候发生？这可能是值得思考的问题。

1. “地心说”——一个“很有道理”的旧理论

以前可能我们每一个民族的各个国家的人都喜欢观测自然，观测自然的主要活动之一就是看星星，那时候也没有电，也没有手机，大家晚上只能看星星，看了星星就想解释它，所以这是最早科学的雏形，看到一个自然现象想来解释。当时最好的解释是托勒密的《地心说》，托勒密是一个大科学家，科学不是说是对还是错，科学是说我要去解释自然界的现象，然后一步步推进，他当时做的模型非常精密，可以解释他当时观测到的几乎所有行星运动的现象，但是因为确实行星运动不是以地球为中心，而是以太阳为中心，所以他的解释必须把他的模型做很多的修正微调，假如地球是中心的话，行星围着地球转，你就不能解释看到行星往后退的现象，他就说围绕地球转有两个轮，一个均轮一个本轮，一个大圆一个小圆，每一个行星都有一个大圆有一个小圆，大圆有一个半径，小圆也有一个半径，大圆有一个周期，小圆也有一个周期，所以每个行星都有自己的一套参数。但是如果地球真是中心的话，还是有问题，后来他又做了进一步修正，认为在地球对称的这个地方是中心。总之他是很严密的一个科学家，他花了很多时间把他的模型做得越来越精确，他的“地心说模型”统治了近两千年。

托勒密与他的“地心说模型”

2. 日心说——一个革命性的新观点

到了哥白尼，他提出革命性的观点，他说“地心说”太复杂了，他完全从美学的角度，一个对称的角度说太阳可能是中心。

哥白尼与他的“日心说模型”

但是他提出太阳是中心，其实并不能比“地心说”解释更多的当时的实验观测到的数据，为什么呢？第一，现在我们都知道所有这些行星轨道其实也不是圆的，而是椭圆；更重要的是，第二，当时的观测仪器还不能精确到证明哥白尼对还是托勒密对，很多时候我们只能看一个大概，所以当时的模型还不足以推翻“地心说”，但是他确实提出了革命性的观点。

3. 数据的积累——用更精密的仪器做更准确的测量

到了第谷，他是一个丹麦天文学家，一个大英雄，丹麦皇家给了他一座岛，大概是北大的四分之一那么大，专门用于观测天象，整个岛布满有各种各样的仪器，他的浑天仪做的很好，收集了很多很精确的数据，十几年二十几年一直在观测，收集了大量的数据，而且非常的精确。

第谷与他的天文观测岛（上），火星观测数据和浑天仪（下）

然后发现“地心说”不对，但是他摆脱不了“地心说”的观念，他提出一个模型，说地球还是中心，然后月亮围着地球转，太阳也围着地球转，但是所有其他的行星围着太阳转。把它这个结合一下，他这个比纯“地心说”可以多解释一些东西，但还是不能完全解释(better observation itself does not automatically lead to better understanding)。

第谷的“新地心说模型”

但是他还是很了不起，他收集了大量的数据，为后面的开普勒定律、牛顿定律奠定了很好的基础，没有他的这些仪器观测，也就没有后面的革命，所以说技术的进步很重要，这时候的技术进步虽然很简单，你甚至可能觉得这些都不算什么高技术，但是当时是一个很先进的进步，所以技术进步往往是科学革命的前列。

4. 新工具发现新现象

来到伽利略，望远镜不是他发明的，但是他把望远镜改造了一下，然后来看行星的运动，他发现两个事情，和“地心说”不太符。一个是他看到木星也有卫星，那说明地球就不特殊了。他还看到金星有时候亮一点有时候暗一点，和月亮一样有阴晴圆缺。

伽利略改进望远镜观察到木星的卫星和金星的相位变化

5. 定量规律的发现

前面说第谷有两大功绩，第一个就是他造了很好的浑天仪，收集了大量的数据；第二个是他收了开普勒做助手，开普勒从小对天文非常感兴趣，他当时就知道第谷有很多数据就想跟他去做，据说两个人关系很不好，第谷让他去研究火星。火星数据非常多，但是火星我们知道椭圆性是最大的，假设火星轨道是一个圆而且围着地球转，大概是下面的轨迹：

以“地心说”为基础描述的火星轨道

第谷觉得不可能搞清楚，他和开普勒说你就研究火星吧，开普勒自己也收集了很多火星的数据。以前一直觉得每一个行星都有自己的运动规律，现在开普勒说不是，所有的行星满足同样的规律，所有的行星都在椭圆形轨道上围绕太阳转，太阳在一个焦点上，这个普适性就出来了，这是他的第一个定律。第二定律是定量，就是说行星运动的时候，单位时间走的面积相同，比如说走一天，离太阳近的时候就走的快，离太阳远的时候走的慢，所以面积是一样的。

开普勒第二定律

第三个定律是十五年以后找到的，就是这个行星运动周期的平方与长轴这个半径的立方成正比。这个三个定律看上去非常简单，但是他把行星运动全部统一起来了，其实没有那么多很复杂的，就是几个简单的规律就可以解释，开普勒是非常了不起的。所以从技术的进步到大量的精确数据，到总结一些现象的规律，最后到科学革命的完成。最后科学革命的完成，总是要有人集大成。

6. 普适性原理的发现

牛顿看到开普勒的三个定律觉得很有意思，为什么有开普勒三个定律，后面有没有更简单的更普适的解释，牛顿说其实是有的，受到的启发是不是被苹果砸的不知道，但是有一点是确定的，当时伦敦正在闹瘟疫，剑桥也关门了，他回家在他自己后院里边待了半年，可能还更长时间，学校关了，他没事可干，整天想这些东西，所以说英国不闹瘟疫，他可能也不会想这么快。他说其实那三个定律有原因的，为什么呢？是因为有万有引力，太阳拉着地球，或者拉着火星，互相拉，这是引力，这个引力和两个物体的质量成正比，和距离平方成反比，这是看不见的万有引力。另一个方面，力是质量乘加速度，把这两个连起来就可以推导出开普勒三个定律，开普勒三个定律是牛顿的更普适定律的一个表现，是在一个体系里的一个特殊结果。

牛顿与他的普适性原理

牛顿不光把开普勒三个定律做了解释，找到了更下一步的原因，还把这个推广到整个宇宙，所有的力学，不光行星运动满足牛顿的这些普适规律，所有宇宙里力学运动全都满足这个规律，这非常了不起，是非常大的进步。还有他为了把这些东西能够推出三个定律，行星轨道是一个椭圆，椭圆你看这个万有引力随着半径平方成反比，所以这个万有引力时小时大，一个加速度也是时小时大，所以不是匀速的，所以就要找到瞬时速度的概念，瞬时加速度的概念，在你瞬间那个速度多快，所以他发明了微积分。他不光找到了基本规律，还把基本规律的数学语言找到了，一个科学革命，最终要伴随数学语言，牛顿力学的数学语言就是微积分。

我们总结一下天文学革命，也就是经典物理学的革命，第一次科学革命，最伟大的一次科学革命。

科学革命的一般过程

它大概是一个什么程序，首先是观测数据积累，这可能是很长很长的时间，上千年，至少从托勒密到科学革命有一千多年，然后不断有一些初步的、表面的、唯像的理论，比如托勒密的“地心说”，然后到技术进步，产生更大量更精确的数据，就发现原有模型不太对，就出现一些定量的规律开普勒三定律，解释了这些更大量更精确的数据，如果这一步做的对的话，就可能产生普适的原理，把这个进一步推广，就伴随着数学语言的一个发展。所有的科学革命，不管它是基础的还是需求推动的，最后基本上都会导致很大的应用，工程应用、设计制造、改造自然。有了牛顿力学可以发射卫星，飞机可以飞等等，整个革命改变了我们人类。

科学革命之后，人类的思维彻底改变，把自然当成可以用科学来理解的东西，有定量规律的东西，一百年发生了工业革命（1750-1850），到后来产生蒸汽机、纺织机、火车……大家都觉得有规律可循，所以研制这些蒸汽机后又诞生了热力学。

下面显示的是世界人均gdp：

公元1年到公元2003年的世界人均gdp

从公元零年一直到差不多现在，这个中间有些年因为数据不全，所以没画，在工业革命之前世界人均gdp基本上是常数，人口有时候多有时候少，打仗、瘟疫就少一些，太平时就多一些，但人均gdp不变。科学革命和工业革命之后大概就是指数型的增长，到现在还是指数型的增长。所以可以看出科学革命的重要性，对整个工业革命是怎么推动的，而且科学革命之后就有很多革命，电气革命（第二次工业革命），以及我们比较熟悉的信息革命，你们就诞生在信息革命的时代。从第一台数字电脑，一直到我们现在iphone、互联网，大家可能都觉得是应用性革命，确实有强大的应用的需求和市场推动，但也是多学科交叉在起作用，而且很重要的有物理学理论在做基础，没有物理学的基础理论这些信息革命是不可能的，还有其他的科学，我给大家说两个例子。

1.信息革命背后的科学——电动力学

第一是电动力学，电动力学的这个诞生也是很有意思，我们的古人很早就知道有电，闪电，干燥的时候手会打电，我们有时候冬天的时候不敢去碰门把手，会打电。磁的概念我们祖先两千多年前就发明了指南针。

古人很早就知道的电和磁的现象

这么早就知道有电有磁，为什么要等到一千多年以后，科学革命再后面一点，才有人总结出定量的东西，是不是科学革命忽然把大家脑袋打开了，然后集中发现了安培定律，法拉第定律，电生磁磁生电现象等。而且非常定量，通过导线的电流强度与其产生的磁场强度成正比，看上去很简单，但是它非常普适，中国是这样，法国是这样，月亮上也是这样。法拉第在1831年首次演示电磁感应，电和磁可以互相转换，一个电磁铁上的线圈通过电流，有线圈就有磁。

安培的“电生磁”和法拉利的“磁生电”现象

这就相当于我们前面讲的天文学革命里边的开普勒定律，很简单，但是它总结了一个非常定量的规律，然后没有多少年，麦克斯韦把安培和法拉第这些简单的定律统一起来，写了四个方程，非常天才的把它统一起来了，他说这些电磁现象都是这四个方程的解，有点像说你开普勒三定律都是我牛顿方程的解，都是我这个普适理论的一个表现。所以我这个方程不光可以解释你的现象，还可以解释一些新的现象，这个方程确实它的影响是巨大的，把这个方程一解就发现，电和磁可以有电磁波，电磁波可以在没有电线的情况下，真空里面什么都没有介质的情况下传播。

麦克斯韦方程组（maxwell's equations）

大家突然就觉得视野开阔了，一个东西在这边捣鼓电磁波就可以传过去，然后赫兹很快就首先证明了电磁波确实存在，他读博士的时候，他的导师是很有名的亥姆霍兹，就让他去证实电磁波的存在，但他没弄出来，他觉得太难了，但是他毕业以后继续弄，发现电磁波确实存在。

赫兹于1887年首次证实电磁波的存在

那电磁波意味着什么？我们所有的无线电通讯，手机、电视、无线通讯都是靠电磁波传的，整个改写了人类通讯历史，没有当时这些看起来没有用的东西打下的基础，现在的信息革命是不可能的，我们也不可能成天使用手机、互联网。

2.信息革命背后的科学——量子力学

第二个是量子力学，没有量子力学也不可能把芯片做出来，也没有半导体的概念，也没有集成电路……有了量子力学才知道这些东西可以来做电路的一些基本元件。量子力学的诞生也是因为大家在做一些非常“无用”的东西，所以很多时候一个突破性的概念的产生，都是因为好奇心，然后当时觉得没有什么用，就是好奇就去做。

量子力学发现的英雄们

量子力学有很多英雄，就不一一说了，开始也是不理解一些现象，比如光电效应，黑体辐射，太阳的光谱，与经典物理算起来结果不一样。当时一些物理学家非常失望，牛顿之后还有波尔兹曼统计物理、热力学，加上麦克斯韦的电磁理论，物理学家已经觉得物理把整个世界都搞清楚了。现在发现一些东西完全不可理解。在理解这些现象的过程中，诞生了量子力学。量子力学给我们今天的人类文明的很多东西都打下了基础，包括我们计算机芯片、半导体、激光、超导，到现在的量子通讯、量子计算等等，所以信息革命后面是非常基本的一些基础研究，而且这个基础研究不是由目的性带来的，它是由好奇心带来的。

这第一次生命科学革命不到100年，大约在70年前。当时有一批物理学家、化学家进入到生命科学领域，想搞清楚基因的物质基础，基因到底是什么。基因是分子？还是结构？还是什么东西？这是在思路上带给生命科学的，第二个是在方法上，把大量的工具带进生命科学，x射线、核磁共振、电子显微镜、离心机等等，这一革命的标志性的成果就是沃森和克里克发现了dna双螺旋结构，就是用x射线照出来的，没有x射线他们也发现不了。

第一次生命科学革命以1953年沃森和克里克发现dna双螺旋结构为标志

第二次生命科学革命大概是上世纪末九十年代开始的基因组学，也就是我们现在说的测序，基因组学是数学和计算机科学与生命科学的交叉。

这两次革命之后，生命科学是什么状态呢？为什么还要有第三次革命呢？

假如我们把生命体比作一辆汽车的话，分子生物学革命就把这个汽车零部件搞的越来越清楚了，有方向盘、刹车、油门，就是我们很多基因很多蛋白搞的越来越清楚，蛋白质结构都可以用x射线解出来，长的什么样子，我们都知道。基因组学革命就让我们得到了这个汽车的说明书，就是我们的基因组，所有的信息都在说明书里边，但是我们基本上看不懂。大概知道方向盘在第几页，这一段基因对应这个蛋白。至于这个汽车是怎么组装起来的，为什么能跑起来，能跑多快，能跑多久，我们不知道。坏了怎么修，里边有哪些原理性东西，哪些是普适的规律，哪些是特殊的，这些基本上都不知道，所以生命科学现在是处在一个大革命的前夜。

美国科学院在2009年出了一部纲领性文件，文件题目叫《二十一世纪的新生物学》。美国科学院认为在二十一世纪会产生全新的生物学，这个全新的生物学就标志着生命科学的第三次革命。

2009年美国科学院发布的《21世纪的新生物学》

上图右侧是他们总结的图，它有很多很多的根，生物学只是其中的一部分，物理、化学、计算机、工程、数学甚至包括科学教育。全部在一起交叉融合。新生物学和原生物学有什么不一样呢，它可以对生物系统有更深的了解，比如了解汽车它是怎么跑起来，怎么装起来，有什么控制原理，然后也许就可以预测。生命可以预测太不可思议了，而且可以定量的分析，就像工程一样。当然就需要把生命系统原理搞清楚，所以生命科学就从一个观察性定性的科学，到一个定量可预测的科学转变，这当然肯定会对世界产生很深远的影响，他们举了四个方面的例子：健康、环境、能源、食品。

生命科学是不是生命科学本身的事，不是，每个学科都忙活起来了，美国科学院凝聚态与材料物理委员会2010年出了一个报告——《下一个十年的六大挑战》。这个六个问题有三个和生命科学相关，第三个直接就是“什么是生命的物理？”。我们知道什么是行星的物理——牛顿力学；什么是蒸汽机的物理——热力学；什么是通讯的物理——电动力学；什么是计算机硬件的物理——量子力学；什么是生命的物理——我不知道。应该有，因为生命现象也是一个自然现象，有自然现象就应该有规律，也许你就可以把它总结出来，物理学家总结出来就叫生命的物理。

生物学和物理学好像根本连不上，怎么可能会交叉呢？更别说融合。

生物都是物种、细胞、基因、蛋白，都是很多事实在那，而且很不一样，都是描述性的观察性的，要记很多事实。物理是反过来的，就是几个公式，非常简单，然后那些事实都不管，都可以在公式里推出来，一个是极端的观察性的一个是极端的抽象性的，它们之间怎么会有关系。

生物学与物理学的两个极端

1.飞行中的流体力学

举一些例子，如果把地球上所有带翅膀的东西找出来，能飞的带翅膀的，小到蜻蜓大到波音747，然后你画横轴是它的质量或者是重量，纵轴是它的飞行速度。

飞行中的规律性

他们都在这条线上，万变不离其宗，不管是大自然进化出来的还是我们人造的，非常有规律，是不是有点像开普勒三定律中的一个。单独每个看它很特殊，但是我们用很简单的线全连起来。你要能飞的话要有升力，这个升力和翅膀面积成正比，和飞行的速度平方成正比，重量和你的体积成正比，然后面积和体积大概有这样一个关系，你把这些个方程一连立，你飞的速度必须和重量六分之一成正比，否则你飞不上去，就是非常简单的一个定律，把所有能飞的东西全部都给统一起来，所有能飞的都必须满足这规律，无论是人造的还是大自然演化出来的。

2.植物中的数学

植物有很多很漂亮的形状，不光是植物还有海螺贝壳等等。松子、菠萝、向日葵，是不是有很多一圈一圈的，一圈一圈可以往一边转，可以数这边转多少圈那边转有多少圈，你数以后发现，对这个向日葵来说往这边转的是21个，那边34个。

植物中的斐波那契数列

松子数一下，菠萝数一下，就发现几乎所有的，往两个方向转的圈数都是这个序列的相邻两个数，5、8、13、21、34等。这个序列是300年前，意大利的数学家斐波那契造出来的，这个序列非常简单，第一个是1，第二个是1，后边是前边两个的和，1 1=2，1 2=3，3 5=8，5 8=13……。这个序列还有一个神奇的性质，它相邻两个数的比值，13：8、21：13、34：21、……，它趋于黄金分割。黄金分割是最漂亮的比例是不是？为什么这些植物里边有这么漂亮的数学，有一些解释，我们知道一些，还有一些不知道。

3.细胞中的微分几何

你们看细胞中一片一片的，叫内质网，内质网是折叠某些特殊蛋白的。大概在2013年以前，大家都不知道它的结构具体是什么样子，到2013年生物学家和物理学家合作，用电子显微镜把这个结构解出来了（下图中）。

细胞中的内质网呈现螺旋面结构

像不像停车场？停车场为什么要设计成这个样子呢？因为它要停尽可能多的车，因为它要连通，要能开上去开下来，这个内质网的功能和停车场的功能几乎一模一样，要停尽量多的核糖体，把蛋白质折叠在里边，两层膜中间有一个内部的环境，内部要一样的环境，它必须连通，停尽量多的核糖体在上面，而且要在三维空间中尽量节省空间，如果你做一个模型优化这些功能上的要求，结果就是这个样子。数学家在几百年前就想象出这个东西，叫“螺旋面”(meusnier, 1776)，是微分几何的前身。这个数学家想这个螺旋面的时候可没想这么多，但是我们造停车场也是按“螺旋面”的设计，细胞进化也是螺旋面的设计。

4. 真菌的枪炮

可以发射孢子的克莱因水玉霉

生命体系非常神奇，进化出了很多东西，它们甚至进化出了枪炮，克莱因水玉霉只有一个毫米这么大，它可以用火箭一样的原理把上面的孢子发射到很远的地方，到2.5米开外，发射的时候加速度和手枪一样大。

5.鸟群运动的临界现象

鸟群里的“临界现象”

有一些特殊的鸟群，鱼群也是这样经常“跳舞”，它们怎么能够跳的这么好，没人指挥它们，其实有一个很有意思的统计物理在里边，周围伙伴怎么做，它也怎么做，于是就有了整体运动，这个整体运动有很特别的性质，叫作临界性，对外界来的威胁反映非常快，转变队形非常快，有一个老鹰来了鸟群前后都能马上作出反应，所以这是鸟群里边的物理。

生物与其他学科的交叉的例子还有很多。下面讲一些一般性的东西，生命科学为什么要定量？其实所有科学我觉得都应该定量。我们先看定量会带来什么后果。

定量前和定量后的桥与“奔月”的巨大差异

以前没有牛顿力学，力学也是不定量的，我们也可以造出很漂亮的桥，比如赵州桥（公元前600年，牛顿前1043年），但是我们肯定造不出杭州湾大桥，因为没有一些定量的工具和设计这是不可想象的。以前我们也想飞到月亮上去，也许我们的祖先打过许多火箭，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，我们知道第一宇宙速度、第二宇宙速度，火箭要跑多快，就可以变成卫星，再跑多快可以脱离地球，飞向太阳系，所以这是定量前和定量后，完全是两个概念。

为什么说现在是第三次生命科学革命的时候呢？一是技术进步，现在技术进步非常快；还有一个是学科交叉。前面我们讲过为什么经历那么久，然后在100—150年间就忽然现代科学诞生了。可能生命科学就是这一百多年的时候，可能再过百八十年，生命科学整个改头换面，会有一个爆发。这个应该是和技术进步与学科交叉紧密连接在一起。

最近的诺贝尔化学奖，2000年以来有11次，授予生物学领域，其中5次是因为发展物理、化学和计算方法和技术。钱永健，最近去世了，用荧光蛋白来标记基因，所以基因表达看的非常清楚；计算生物学的诺贝尔奖，用计算机来算蛋白质相互作用，蛋白质的折叠；还有超高分辨荧光显微镜。所以技术进步的非常快。

为什么信息革命在不到一百年变化非常大，大家知道有很大的原因是摩尔斯定律（moore’s law），那生物技术是什么样的概念呢？

举一个例子，在2001年的时候，人类第一个基因组测出来了，花了一亿美元测一个基因组。然后费用就指数型的下降，开始是直线下降，这个是摩尔斯定律，后面比摩尔斯定律还快，每次跳都是技术的进步，现在已经是一千美元以下就可以测一个基因组，可能再过几年就是一千人民币，一百人民币，而且速度也很快，以后你去电影院看电影，进电影院之前取个样，可能出来时基因组就测出来了，所以技术进步非常快。

技术的进步使得基因测序的花费下降速度超过摩尔定律

还有基因编辑技术、干细胞技术、各种成像技术、以及将来的脑机接口技术等等都是推动生命科学革命的关键新兴技术。

生命科学革命不只是生命科学的事，它对别的学科肯定也有影响。我们说牛顿研究行星运动要找数学语言，于是发明了微积分；香农（编者注：claude shannon，信息论之父）研究通讯，找信息的数学语言，用了概率论；爱因斯坦研究时空广义相对论，找数学语言，找到了现成的黎曼几何。研究大自然的各个领域，有的数学语言数学家已经创造出来了，拿来用就行，有一些是没有的，需要新的数学。那生命的数学语言是什么呢？我个人觉得可能还没找到。

处理信息所需的能耗也服从摩尔斯定律，下图左边表示的是从1940年到2010年，处理一个比特的信息，将一个1变成一个0需要消耗的能量。我们确实在进步，用的能量越来越少，指数级下降，虚线处是物理极限，不可能用比这更少的能量，按照摩尔斯定律外推，我们现在应该已经到达物理极限了。但事实上是我们离物理极限还很远，能耗下不去了。那么生物系统呢？大肠杆菌处理信息的能耗就接近物理极限。所以生物系统里处理信息的能耗是非常少的，怎么做到的我们不是很清楚。

生命体系处理信息的能耗接近物理极限

若干年前，ibm做了一个超级计算机和当年美国的两个冠军进行百科知识抢答竞赛，人类的能耗是20w，我们脑袋就是一个小灯泡就是20w的能耗，这个计算机用的是100千瓦。所以我们是不是可以从生命系统里学怎么样用很低的能耗处理更多的信息，是不是能对信息科学有很大的启发和借鉴。

总结

技术进步和学科交叉将推动现代生命科学的革命，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。生物学也肯定会起质变，从一个定性的学科变成一个定量的学科。