会聚观与第三次生命科学革命

1 会聚观与新生物学

会聚是21世纪初提出的创新性概念。美国科学基金会米黑尔·罗科等于2002年率先在《聚合四大科技，提升人类能力——纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学》报告中提出发展会聚技术，主要是指纳米、生物、信息、认知四大前沿科技的两两融合、三种交叉或四者集成，侧重技术融合。 　　会聚观则将会聚概念进一步扩展，提出会聚型研究是交叉学科研究的一种扩展形式，会聚观代表了“解决跨越不同学科边界问题的一种方法，它融合了生命科学与健康科学、物理学、数学，以及计算机科学、工程科学、人工智能等众多专业领域的相关知识、工具和思维方法，并将其构建成一个全面的综合性框架，用以解决存在于多领域交叉处的科学与社会挑战”。会聚观提及的会聚概念，实际上包括了两个既密切相关又截然不同的特性：解决一系列科研问题所需相关专业知识、技术的会聚，以及促使创新成果转化的创新体系的形成，后者是一种新的提法。会聚观与新生物学的关系是一种密切的联系。新生物学要发展就必须采用会聚观作指导，采用综合杂交的思维和方法进行研究。

会聚观对于科技政策制定和科研活动管理具有参照意义。在重大社会经济问题不断涌现、综合性科技挑战越来越凸显的当今社会，会聚观体现了一种对于研究策略和研究过程的新的思维方式，将能有效突破问题涉及领域的学科界限、突破研究转化的体制界限，代表了一种科技政策制定和科技活动战略管理的新思维模型、操作框架。

2 推动跨学科融合

会聚已经成为推动生物科技革命的战略思想和方法，美国科学院国家研究理事会编纂、中国科学院上海生命科学信息中心组织编译的《会聚观：推动跨学科融合——加快生命科学与物质科学和工程学等学科的跨界》中的新概念和新提法值得关注。会聚观是继2002年《聚合四大科技，提高人类能力——纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学》、2010年《21世纪的新生物学：确保美国领导即将来临的生物学变革》、2013年《知识、技术与社会会聚：超越纳米—生物—信息—认知技术会聚》等报告之后，美国科技思想领域的又一重大理论成果，其相关内容对发展完善我国科技创新体系、实施科技计划（专项、基金等）管理改革具有重要参考价值。

2.1 会聚观的核心内容

　　从目前那些注重会聚技术的项目案例来看，研发工作主要是对各种合作机会做出活跃的或是偶然的响应，而不是基于全面、系统、前瞻性的方法驱动。成功开展会聚型研究，必须有研究、教育、制度、资助、合作以及其他环节的创新模式。因此，需要对支持这项工作所必需的各项政策有一个通盘、战略性的思考。但同时，对于如何制定出行之有效的会聚计划项目、会聚计划项目可能会遇到何种挑战、其他组织通过何种战略更好地解决出现的问题等等，大多数机构往往缺乏有效的指导。会聚观进一步阐述了当前正在发生的生命科学与物理学、化学、材料科学、数学和计算科学、医学、工程学领域会聚的重要趋势，总结了影响会聚的重要体制、机制和文化因素，论述了美国科技界在会聚领域的各类重要实践案例，并向科技界提出加强会聚的系列策略性建议。

2.2 评价及启示

会聚观体现了美国科技界对“会聚”战略主题的最新思考。会聚观的系列报告体现了新形势下美国科技界居安思危、进一步求新求变、先发制人的战略思维，也源自对当前全球性科技革命即将到来的敏锐估计和对科技会聚处于关键转折期的核心判断。对会聚概念的深入研讨具有较高的学术价值。从美国目前已经部署的部分会聚型研究项目来看，普遍具有着眼高端应用和“革命性全新能力”、涉及对象广泛的时间空间跨度、研究内容的复杂度和高整合度等特点，科技内涵丰富，潜在影响巨大。例如美国“通过推进神经技术的大脑研究”、美国国防部高级研究计划局开展的“生命铸造厂”项目、生物延滞性项目等，大多超出现阶段技术能力极限，具有巨大的科技震撼力，是对现有科技的前瞻性颠覆，对未来科技革命的预兆。在2014年新组建专门负责研究和探索日益活跃的生物学与自然科学等交叉学科领域的生物科技办公室（BTO）时，美国国防部高级研究计划局甚至提出“从BTO成立开始，生物科技作为一项核心学科，代表了国防科技的未来”。同时，由于会聚型科技项目的前沿性、社会性，这不仅有望带来新型科研组织形式，也将成为会聚研究发展所引起的新型伦理、法律和社会问题的讨论和对应尝试解决的策源地。因此，会聚型研究既是对科技潜在前沿的新探索，也是对科技自身发展方式的新探索。而且，会聚型研究的深入发展，也将深刻推动科技与经济、军事、文化、安全等领域新融合，加速更加复杂的科技社会关系的到来，进而引发全球相应格局的调整。对我国创新驱动发展战略和协同创新思想具有理论启示。会聚是否一定代表科技和产业发展的未来，目前还不能断定，且在当前环境下，大多数会聚型项目能否顺利实现预期目标也是很大的疑问。但也可以看出，会聚观所体现出的协同创新、加速转化应用的理念，与我国深化体制机制改革加快实施创新驱动发展战略的整体布局是高度呼应的。

2.3 相关建议

借鉴吸收国际顶尖科技智库战略思想体系建设经验，完善我国科技创新思想体系。美国科技界对会聚主题的长期战略思考，值得我国科技界，特别是国家科技思想库的高度关注和重视，并开展对国内外会聚最新举措的研究。围绕世界科技创新会聚趋势，结合我国科技创新和科技体制改革的最新实践，进行深层次的科技创新理论研究、前瞻研究，进一步丰富、发展我国科技创新战略思想体系。研究推动我国关键科技领域的会聚计划规划和政策部署。我国需要根据自身特点和优势领域，建议明确若干重点机构和重点领域开展跨机构、跨领域的会聚试点，加强各种层次会聚计划项目的组织协调。针对存在的与会聚模式类似的机构和措施，总结体制机制、人才政策、资助政策等方面鲜活经验，积极推广。统筹开展“会聚”试点。在科研布局和重大项目遴选方面，进一步向交叉会聚领域倾斜，设立新类型的重大研究计划。在项目和机构组织的管理方面，建立研究机构内部不同部门、研究机构之间协同投入、协同管理、综合科技评价的机制。在研究环境基础设施和硬件方面，推动新建研究设施的创新型设计和原有研究设施的翻新改造；在人才队伍建设方面，积极开展跨越现有部门、机构和领域的部署，提供人才晋升和任期过程中对跨学科研究的政策支持等。

第三次生命科学革命

现代生物学三次革命可分为：分子生物学的创立和发展被认为是生命科学的第一次革命，主要发生在20世纪70年代和80年代；它又直接催生了第二次革命，即基因组学的创立和发展。奠定这两次生命科学革命的基础是被认为二十世纪最伟大的生命科学研究的两项成果，一是1953年沃森(James Watson)和克里克(Francis Crick)根据弗兰克林(Rosalind Franklin)和维尔金斯(Maurice Wilkins)的DNA衍射图谱推断出DNA双螺旋的正确结构，二是50年代末60年代初佩鲁茨（Max Perutz）和肯德鲁（John Kendrew）对血红蛋白和肌红蛋白三维空间分子结构的解析。DNA双螺旋的发现标志着现代生物学的开始，而血红蛋白分子结构的解析则标志着分子生物学的开端，因此佩鲁茨被Nature等杂志尊称为“分子生物学之父”。这两次生命科学的革命，均来源于生命科学与其他学科的交叉。物理学家进入生物领域对分子生物学的创立和发展至关重要。他们不仅带来了强大的计算工具和理论，而且发展、改进了各种分析仪器，比如电镜、高速离心机等等，使得在分子水平理解DNA、RNA、蛋白质成为可能；而没有数学家、计算机科学家的积极参与，基因组学难以创立。

如果说在过去两次革命中工程与物质科学主要是为生命科学提供技术支持与服务，那么今天，在世界许多地方，工程、物质科学与生命科学正在多方面融合、相辅相成，这就是已经拉开序幕的第三次生命科学的革命。郝克菲德用三个例子来描述这场革命：“科学家们正在试图利用纳米技术把抗癌药物直接递送到目标肿瘤细胞；可以被称为科学家也可以是工程师的人们在用无害病毒制造无污染的电池；环境学家与生物学家联手试图通过研究海洋中的微生物群落来监控环境和气候变化。当工程技术、物质科学与生命科学日趋紧密结合的时候，想象空间是巨大的，没有人可以预测第三次生命科学的革命会对我们每个人带来什么样的影响，也没有人可以预测这场革命对于社会、经济将带来什么样的变革”。但是，生命科学的前两次革命带来的影响可以作为一个参考：它们不仅直接加深了我们对于生命现象的理解，而且给社会生活，特别是西方发达国家的各个方面带来福祉，既有针对个体的抗癌疗法，也有适用于很多人的降血脂药物；生物技术的繁荣使其成为美国经济中的重要组成部分，比如，与健康产业相关的生物技术公司每年为美国带来的利润从1992年的80亿美元上升到2006年的600亿美元！

很遗憾的是，我国由于特殊的历史原因，与这两次革命失之交臂。尽管在改革开放之后，国家对于科学技术的重视逐年增加，但时至今日，我国的生命科学研究基本处于跟随国外潮流的阶段，缺乏创新性、革命性；与西方发达国家相比，我国的生物产业尚未真正起步，而没有科技含量的生物保健品的肆虐又让国人基本没有认识真正的生物制药的意义；我国的许多生物技术公司从事的是国外大公司的外包服务。那么在互联网使整个地球变小的今天，面对着第三次生命科学革命的到来，中国如何应对是一个重要的问题。郝克菲德提出了四点倡议，应该对于我国科技、教育界及其它相关政府部门具有很好的参考意义：

首先，鼓励年轻人进入交叉学科。在本科教育中鼓励学生接受包括生物学、计算机科学、数学、和工程在内的宽口径、多学科教育，使他们可以理解彼此的语言，增加今后广泛交流合作的机会。也许我国高等教育的课程改革已经迫在眉睫，打破一刀切的课程设置和教育模式时机已经成熟。

其次，建立新型的融合多学科的研究中心。郝克菲德列举了MIT新建的生物工程系。其他学校也有，如斯坦福的BIO-X，旧金山加州大学的QB3。其实，以上两点在美国的一流大学早在本世纪初已经开始运作。事实上，笔者曾经任职的普林斯顿大学早在2002年就建立了Lewis-Sigler综合基因组学研究所，其研究者包括了来自分子生物学系、化学系、物理系、数学系、化工系、计算机系的教授，其本科教育主要针对一二年级的本科生，使他们早早接触多学科交叉教育，并利用这些知识在高年级以后进行独立课题的研究。在我国的高校是否也可以考虑建立类似的机构呢？当然，实体机构的建立固然重要，更重要的是支撑这些机构的软机制，后者更值得我们的政策制定者三思。

第三，经费支持倾斜，有意识地鼓励学科的交叉合作：现在美国的一些经费已经明确标明“支持交叉学科研究”。在我国，做到这点似乎不难，大家也应该比较容易达成共识，难的是如何让这些经费真正支持有创新性的跨学科研究，而不是变相支持那些拼凑起来的低水平组合、一旦有经费以后并不进行实质合作。

第四，建立政府部门间的联合，支持多学科交叉。在美国，NIH（美国国立健康中心）、能源部、国防部是主要的科学研究支持中心，他们资助的学科方向各有侧重。而在中国，科学研究的主要经费来源于科技部、自然科学基金委、卫生部、教育部等，而不依学科划分，所以也许鼓励交叉学科研究在政府层面上更易行。

事在人为。郝克菲德的演讲面对的是处于世界科学技术中心的美国，那里聚集了一大批世界上优秀的科学技术人才，又有一大批雄心勃勃、专心一意的年轻科学家作为中坚力量，挑起生命科学的第三次革命顺理成章，郝克菲德自然不用担心人才的因素。而在中国，高水平人才储备的不足却是我们的最大弱点之一。也许，对中国而言，比郝克菲德的四点倡议更重要的一点是如何更快、更好地建设我们的人才队伍。历史经验证明，美国成为今日的世界头号强国重要原因之一在于二战之后它高度重视基础科学研究，大力发展科学技术。基础科学的发展带动了技术的变革，进一步改变了整个社会、经济、与个人生活。中国，得益于三十年来的改革开放政策，在世界舞台上发挥着越来越重要的作用。中国已经成为科技大国，但远非科技强国。中国要在瞬息万变的当今世界立于不败之地，必须大力发展科学技术。第三次生命科学革命的浪潮不仅仅影响生命科学，而且会带动科学技术的全面变革，进而全面影响社会生活的各个方面。中国已经错过了前两次生命科学的革命，面对刚刚拉开序幕的第三次，我们应该、也必须迅速应对，迎头赶上！

北京大学讲席教授、前沿交叉学科研究院执行院长、北大定量生物学中心主任、北京大学—清华大学生命科学联合中心学术委员会主任、美国物理学会会士、中国科学院院士、汤超先生做客岳麓讲坛，围绕第三次生命科学革命这个主题，介绍了未来科学的发展趋势，即学科交叉是主流，新的发现都将在学科交叉之处。 什么是生命科学革命？汤超院士给同学们介绍了16-17世纪的科学革命成果，即以牛顿等人为代表的经典物理的起源，以此说明科学革命的标准范式。工业革命之后紧接而来的信息革命，是在物理、材料、信息科学交叉影响下产生的。与此同时也发生了两次生命科学革命，第一次是由DNA双螺旋结构到分子生物学，第二次是分子生物学到基因组学，这都是由于数学、物理、计算机科学交叉才取得的巨大成果。汤超院士用汽车比喻人体，形象生动地说明了生命科学革命就是“好像用说明书掌握了汽车零部件的使用”。接下来的第三次生命科学革命即21世纪的新生物学，就是从观察性、定性到定量、可预测性转变，是生物学与定量科学、工程的交叉融合。 为什么要定量？汤超院士用“蜻蜓到波音737中的流体力学”、“植物中的斐波那契数列”、“内质网与微分几何的螺旋面”这三个故事生动有趣地说明了生物学和物理一样也有定量规律，科学的各个领域都是相通的。从赵州桥到杭州湾大桥，从嫦娥奔月到神九飞天，汤超院士以科学的发展历史说明了定量规律的威力。 为什么是现在？当前技术的进步正在以前所未有的速度产生大量的、高分辨率的数据，为研究生物体系提供了新的方法和思路。例如2008年诺贝尔化学奖对于绿色荧光蛋白的发现和研究、微流装置控制生物系统、植入遗传学、试管婴儿技术等，都是在生物和物理、化学的交叉中所产生的成果。汤超院士进一步指出，对生命现象的研究必将带动其他学科，我们要找出生命的数学语言。汤院士总结道，生命科学与其他自然及工程学科的融合即将或正在导致一场深刻的革命。这场革命将对本世纪的科学、社会、环境、人类健康等许多领域产生深远的影响。汤超院士鼓励在座同学敢于思考，勇于提问。汤超院士提醒同学们要有不同的想法、要有多样性，要学会跟大自然一样“突变”，重点是要培养独立思考、锻炼交流、批判思维的能力。

总之，在现代生物学第三次生命科学革命到来之前，我们国家一定要有所为，有所不为，在生命科技发展战略和政策上要鼓励创新，而且是原始性创新，不能永远跟在别人后面，要拿出自己独特的科研成果，参于世界生命科学竞争之中，只有这样才能取得最终胜利，并在世界生命科学界占有一席之地。我们认为这三次生命科学革命都是在生命科学整个生命科学发展史上的三次小革命，这三次革命主要发生在第二次大的生命科学革命之中。我们认为：第一次革命是细胞学说和达尔文生物进化论以及海克尔的生物发生论（生物重演律）的细胞生物学时代；第二次革命是基因学说和孟德尔遗传定律、摩尔根遗传定律、DNA双螺旋结构发现、生命周期双S曲线规律发现的分子生物学时代。第三次革命是以生物全聚观为主导的“生命科学大系统理论”时代为代表的大生命科学时代。