生命科學認知的極限

1、資料收集于網(wǎng)絡，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除施一公：生命科學認知的極限施一公在演講現(xiàn)場昨日，清華大學副校長、清華大學生命科學學院院長，中國科學院院士施一公教授在“未來論壇”年會上發(fā)表題為 生命科學認知的 極限的演講。與以往不同的是，施一公此番并未局限于生命醫(yī)學， 他從人類生命飽受心血管疾病、癌癥和神經(jīng)退行性疾病的三大挑戰(zhàn)開始，講述了 人類如何通過科學來接受生命挑戰(zhàn)。 但最終， 人對生命認知的極限問 題將他的科學思索， 由生物醫(yī)學帶向量子力學， 向我們展現(xiàn)了一個生 物學家面對生命之謎的不懈追問。以下是演講全文：今天，我想跟大家探討一下生命的本質(zhì)和生命的極限。我們先看看人從哪而來 ?人的整個出生過程是這

2、樣的：一個精子 在卵子表面不停地游逛，尋找一個入口，找到合適位點以后，會分泌 一些酶，然后鉆進去。卵子很聰明，一般不會讓第二個精子再有機會， 所以一有精子進來，馬上把入口封死。精子進來后就被降解，然后精 子的細胞核和卵子的細胞核結(jié)合，形成雙倍體，受精卵開始發(fā)育，逐 漸分裂為 2個細胞、再分裂為 4 個細胞、 8個細胞、 16個細胞，此時 受精卵還在子宮外面游逛，還沒有著床。繼續(xù)分裂下去，形成 64 個 細胞、 128 個細胞，這時它快要找到著床地點了。著床之后，繼續(xù)發(fā) 育。你們可能知道也可能不知道，短短四個禮拜，胎兒開始有心跳。 慢慢地，神經(jīng)管形成了，脊椎形成了，四肢開始發(fā)育， 通過細胞凋亡，

3、 開始形成手指頭。到四五個月的時候，胎兒開始在母親肚子里踢騰。 出生之前，胎兒的大腦發(fā)育非常快，各種神經(jīng)突觸迅速形成。然而不 要忘了，這樣一個鮮活的生命來自于一個受精卵。生命開始之后，生命的歷程很漫長，這里面有很多苦惱。我記得 我看過一首打油詩是這樣說的： 0歲閃亮登場， 10 歲茁壯成長， 20 歲為情彷徨， 30歲拼命打闖， 40 歲基本定向， 50歲回頭望望， 60歲 告老還鄉(xiāng)， 70歲搓搓麻將， 80歲曬曬太陽， 90 歲躺在床上， 100 歲 掛在墻上。科學如何應對生命挑戰(zhàn)我們生命的歷程飽受挑戰(zhàn)， 有很多來自于疾病， 其中三類疾病和 人類有很大關(guān)系。其中心血管疾病是最重要的殺手， 僅

4、在中國每年就有 303 萬人死 于心血管疾病，占 32%。第二種疾病也很可怕，就是癌癥，我們身邊 的人常常被癌癥奪去生命，中國每年有 265 萬人死于癌癥，占 28%。 第三類疾病死亡率不高，但是對人的困擾很大，嚴重影響生活質(zhì)量， 就是神經(jīng)退行性疾病， 有多位世界名人都曾受這類疾病的折磨。 此外 還有 34%的人死于其他原因，其中大部分是傳染病，一小部分是交通 事故和意外傷害。我今天想告訴大家的是，我們?nèi)绾芜\用科學去接受生命的挑戰(zhàn)。在古代，我們在黑暗中摸索， 比如說當代的屠呦呦為找到治療瘧 疾的方法，就是看了古典藥學得到靈感，導致了青蒿素的發(fā)現(xiàn)。后來 弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素，已經(jīng)是用科學的方法論來探

5、索。 1985 年以后， 由于戈爾茨坦和布朗發(fā)現(xiàn)了低密度脂肪顆粒的受體 （LDL 受體） ，開啟 了真正的征服心血管疾病的歷程。 人類始終用科學在應對挑戰(zhàn)， 從簡 單的摸索和經(jīng)驗積累， 到最后通過基礎(chǔ)研究驅(qū)使藥物的發(fā)現(xiàn)。 我有三 個例子在此分享。第一個例子就是心血管疾病。 研究發(fā)現(xiàn)， 導致心血管形成斑塊的 低密度脂蛋白和受體結(jié)合以后會被細胞內(nèi)吞， 內(nèi)吞以后低密度脂肪的 顆粒會被降解，而受體會回到細胞表面，可以重生，再去把新的低密 度脂蛋白拉到細胞內(nèi)去， 從而減少對人體有害的低密度脂蛋白。 1985 年，戈爾茨坦和布朗兩位科學家， （ 也是在座的王曉東的博士后導師 ） ， 就是因為發(fā)現(xiàn)了低密度脂

6、蛋白的受體而獲得諾貝爾生理或醫(yī)學獎。在戈爾茨坦、布朗和日本科學家 Endo Akira 等一大批人的努力 下，很多降膽固醇的他汀類藥物問世了，包括 1987 年問世的第一個 心血管疾病的藥物。迄今為止，最有名的他汀類藥物立普妥（ 阿托伐他?。┮呀?jīng)過了專利保護期，在座的就應該有人服用過這種藥。在它 于 2011 年專利過期之前，全球銷售額高達 160 億美元，堪稱藥神。我們一直在用基礎(chǔ)研究去探索最前沿的和疾病做斗爭的方式， 我 們雖然有很多他汀類藥物，但是很多高血脂的人僅僅靠吃他汀類藥 物，并不能阻止心血管軟斑塊和硬斑塊的形成。為什么呢 ?科學家發(fā) 現(xiàn)，是因為這些人體內(nèi)的低密度脂蛋白受體逐漸被降

7、解得找不到了， 如何把他們的受體的數(shù)量恢復出來，就是問題的核心。幾年之前，科學家找到了 PCSK9蛋白，它可以結(jié)合低密度脂肪蛋 白的受體。 結(jié)合到受體以后， 低密度脂蛋白顆粒被受體一起拉到細胞 內(nèi)內(nèi)吞了，也就是說，低密度脂蛋白受體在被細胞內(nèi)吞的同時就犧牲 了，也就不能再把流淌于血液中的低密度脂蛋白降解掉， 這樣低密度 脂蛋白大量堆積， 就形成了軟斑塊和硬斑塊， 最后帶來致命的心血管 疾病。這個過程是基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)的， 而發(fā)現(xiàn)這個過程的著名科學家海 倫，是一位女性，獲得了 2015 年的生命科學的突破獎。第二個例子我們講講治療癌癥的新的曙光， 也就是大家聽過很多 次的“免疫療法”。這個免疫療法最有

8、名的一個例子，是2015年 8月 20 日，美國前總統(tǒng)卡特向所有世界上關(guān)心他的人宣布，自己得了 晚期黑色素瘤， 而且當時已經(jīng)有 4個 2毫米大的腫瘤在腦子里， 已經(jīng) 擴散了，他認為自己的時間不多了。然而短短 3個月以后， 2015年 12月 6日，他再次出現(xiàn)在大家面前，告訴人們，通過分子療法，他 腦子里的 4 個腫瘤已經(jīng)完全找不到了。他的分子療法就包括一個很有名的免疫療法，就是針對 PD-1 表 面受體的單克隆療法。 免疫療法從根本上改變了人類對疾病的斗爭方 式。這種療法的創(chuàng)始人，也是這一概念的發(fā)現(xiàn)者 James Allison 同 樣獲得了生命科學突破獎。對這一過程也做出了重大貢獻的科學家

9、中，還包括一位中國人，就是陳列平博士。第三個例子是神經(jīng)退行性疾病。 非常遺憾， 至今人類根本不知道 病因，盡管我可以告訴大家很多的理論、數(shù)據(jù)和實踐，但我們只是大 概知道這個病是怎么回事?，F(xiàn)在世界上有 4700 萬人飽受這種疾病的 困擾，預計 2050 年時，每 3 秒鐘就有一個新的病人出現(xiàn)，我們會有 超過一億三千萬人受它的困擾。神經(jīng)退行性疾病中最有名的就是老年癡呆癥癥， 也叫阿爾茨海默 綜合癥。得這個病的病人很痛苦，因為生活不能自理。老年癡呆晚期 的患者大腦里面有一個個很可怕的洞， 大腦被吞噬掉了。 雖然不知道 到底是什么原因?qū)е铝死夏臧V呆癥， 但是大家公認， 如果從分子水平 上認識老年癡呆癥

10、，也許會為治療帶來曙光。我自己的實驗室也在朝這個方向努力。 我們?nèi)ツ暝谠臃直媛噬鲜状螆蟮懒伺c老年癡呆有直接關(guān)系的人源 丫分泌酶的結(jié)構(gòu)，這個人 源丫分泌酶被認為是導致老年癡呆癥必不可少的一個致病蛋白，所 以也許通過后續(xù)的深化研究，我們可以找到治療老年癡呆癥的辦法。認知生命有極限我舉了心血管疾病、 癌癥、老年癡呆癥的例子， 最后過渡到大腦。 不要說我們對老年癡呆癥的病因不清楚， 對大腦這樣一個神秘的器官 我們也知之甚少， 我們基本上可以說什么都不知道。 盡管我們有很好的學習記憶的模型， 我們可以模擬出學習記憶的過程， 但究竟是不是 這樣?我們真的不知道。我甚至認為包括我們的電信號記錄的神經(jīng)沖動電

11、位， 只是一個表 象，不一定是學習記憶的本質(zhì)。為什么 ?因為我們確實是這樣一個生 物人，是一堆原子構(gòu)成的人在理解生命。我們在用我們的五官，就是視覺、嗅覺、聽覺、味覺、觸覺理解 這個世界。這個過程是不是客觀的呢，肯定不是客觀的。我們的五官 感受世界以后， 把信息全部集中到大腦， 但是我們不知道大腦是如何 工作的，所以在這方面也不能叫客觀。我們?nèi)司烤故鞘裁茨??仔細想一想，人是怎么樣處理信息的呢 ? 我們先來對信息也就是物質(zhì)做一個定義。 我們有三個層面的物質(zhì)： 第 一個物質(zhì)是宏觀的，就是我們可以感知到的，直覺可以看到的東西， 比如人是一個物質(zhì)，房子也是一個物質(zhì)，天安門、故宮都是物質(zhì)。第 二個層面是

12、微觀的， 包括眼睛看不到的東西也叫微觀， 我們可以借助 儀器感知到、測量到，從直覺上認為它存在，比如說原子、分子、蛋 白，比如說很遠的一百億光年以外的星球。第三個層面，就是超微觀 的物質(zhì)。對這一類，我們只能理論推測，用實驗驗證，但是從來不知道它是什么，包括量子，包括光子。盡管知道粒子可以有自旋和能級、能量，但是我們真的很難通過直覺理解，這就是超微觀世界。但盡管如此， 我們還是要想一想， 這個世界是超微觀世界決定微 觀世界，微觀世界決定宏觀世界。我們?nèi)耸鞘裁??人就是宏觀世界里 的一個個體， 所以我們的本質(zhì)一定是由微觀世界決定， 再由超微觀世 界決定。我毫不懷疑我就是一個薛定諤方程、一個生命形式

13、、一個能 量形式，但不知道怎么解這個方程，不知道思維是怎么產(chǎn)生的，僅此 而已。我相信，你也應該相信，我們每個人不僅是一堆原子，而是一 堆粒子構(gòu)成的。所以，我們真的就是一堆由粒子構(gòu)成的原子，如此之簡單。我們 有多少原子？大約有6X10八27個原子，形成大約60種不同的元素， 但真正的比較多的元素， 不過區(qū)區(qū) 11 種。原子通過共價鍵形成分子， 分子聚在一起形成分子聚集體，然后形成小的細胞器、細胞、組織、 器官，最后形成一個整體。但是你會覺得，不管你怎么做研究，都無 法解釋人的意識， 這超越了我們能說出和能感知的層面。 我認為要解 釋意識，一定得超出前兩個層次，到量子力學層面去考察。我自己認 為是

14、這樣的。量子糾纏是可以進化的現(xiàn)象嗎 ？所以我想班門弄斧講一講量子糾纏。 1935 年，當愛因斯坦 (Einstein) 和波多爾斯基 (Podolsky) 以及羅森 (Rosen) 一起，寫出了 著名的EPR佯謬之后，提出了量子糾纏。實際上“量子糾纏”這個 詞并不是愛因斯坦提出來的， 而是薛定諤提出來的， 當時看來是很不 可思議的。量子糾纏的意思是說， 兩個糾纏的量子不管相距多遠， 它們都不 是獨立事件。 當你對一個量子進行測量的時候， 另外一個相距很遠的 量子居然也可以被人知道它的狀態(tài)， 可以被關(guān)聯(lián)地測量， 很不可思議。 但這樣一個簡單的現(xiàn)象既然存在于客觀世界，我相信它會無處不在， 包括存在

15、于我們的人體里。是不是這樣呢 ?當然是這樣。量子糾纏怎 么樣影響我們的生命，其實我們不知道，為什么 ?因為這不是我們可 以用直覺去感受的。加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB著名的理論和實驗物理學家 Matthew Fisher 就篤信，人的意識、記憶和思維是量子糾纏的，要 用量子理論來解釋。那怎么證明呢 ?他說我一定要在實物上證明，要 尋找量子糾纏的實體。 很多科學家找了很長時間， 發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞里面 的微管可以形成量子糾纏，但是微管的時間尺度是10“(-20)秒到10“(-13)秒，遠遠小于人的記憶和意識的形成時間。 但是他通過理論 的實踐，以模擬的方式找到了，他正在進行實驗驗證。比如把磷和鈣放

16、在一起， 也就是磷酸鈣， 當磷酸鈣以波斯納分子 集群(Pos ner molecule or cluster)形式存在的時候，它的量子糾纏時間可以長達 105 秒! 能把這樣一個極其脆弱的，對聲、光、電、熱 都極其敏感的量子糾纏現(xiàn)象的持續(xù)時間提高 15 個數(shù)量級，那么如果 再提高 5 個數(shù)量級， 就可以達到年的水平， 以年為單位來保存量子糾 纏現(xiàn)象。那么依此類推，你們覺不覺得，有一天我們?nèi)祟悤l(fā)現(xiàn)量子 糾纏也是一個可以進化的現(xiàn)象， 它可以保存一百年、 一千年、一萬年。 也就是說，量子糾纏，它在遠古的時候就存在了，在進化過程中被保 存了下來。我要問你們四個問題。第一個問題，你們相信有第六感官嗎

17、?很 多人會說不相信。第二個問題，有沒有可能，兩個人會以未知的方式 進行交流 ?你會說也許，不會像第一個問題那樣肯定地說不信。第三 個問題，量子糾纏是否存在于人類的認知世界里面 ?存在于大腦里 ? 我相信聽了我的講座，你會覺得很有可能。第四個問題，量子糾纏是 不是適用于地球上的物質(zhì)呢 ?你一定會說一定適用，因為我們已經(jīng)證 明了。但其實簡單講，這四個問題是完全一樣的問題，倒推回去就說 明一定有第六感官，只是我們無法感受，所以叫“第六感官”。那么我們?nèi)司烤故鞘裁??我們只不過是由一個細胞走過來的，就 是受精卵，所有受精卵在 35 億年以前，都來自于同一個細胞，同一 團物質(zhì)，一個處于復雜的量子糾纏的體系，就這么簡單。其實我不知道這里面是什么， 但是我相信它。 我每呼吸一次會攝 入10八22次方的氧原子進入我的身體，進入共價結(jié)構(gòu)。這一口呼吸至 少有10八4次方以上的氧原子，被處在世界上一個很遙遠角落里的， 我沒有見過的人呼吸過至少一次， 這在一個月內(nèi)就會做到， 人一輩子 一直在這么做。而兩個人在一個房間里的時候，一天可以有 63 克的 氧氣在彼此的肺當中交換?？茖W發(fā)展到今天， 我們看世界完全像盲