【學科密碼】
三十年前，人們說：21世紀是生命科學的世紀。這表述中蘊含著一種即將掌握生命密碼的豪情，也為人們展開一幅健康可控、壽命延長的美好畫卷。然而，生命科學的進展似乎並沒有達到人們的預期——並非生命科學進展緩慢，後基因組時代對生命密碼的解析、基因編輯手段的應用、基因藥物的問世……生命科學正發展成為多學科交叉的前沿科學，現代生物技術、新的基因技術、分子與細胞技術等應運而生，並被廣泛地應用於醫藥衛生、農林畜牧、食品、化工和環境等領域，為解決全球共同面臨的人口、健康、環境等諸多問題，增進人類福祉作出了重要貢獻。然而，我們卻發現，在理解生命這條道路上，還有很長的路要走。對人類來說，“生命”依然充滿著迷茫和困惑。但科學家的腳步依然堅定：只有科學，才是解開生命奧秘的鑰匙。
探索，讓人類健康、快樂且有質量地活著
北京大學未來技術學院教授劉穎說：“我對生命特別感興趣，很好奇人體內部每時每刻到底在發生著什麼，特別想了解清楚我們自己。”
劉穎主要做細胞生物學，研究人的代謝和衰老。“細胞是構成生命體最基本的結構和功能單元。生命體太複雜，我們就先把細胞內部的事情研究清楚。研究細胞怎樣感知它所處環境的變化，它能利用到的能量或營養物質水平的變化。我們吃飽了飯，蛋白質就會分解成氨基酸，細胞能感受到這些營養物質，然後很聰明地啟動合成代謝，把我們過多的、剩餘的營養物質儲存起來。到了飢餓的時候，細胞感受到外界環境中的能量和物質不足，再把已經儲存起來的東西分解掉，去提供能量。”
劉穎認為，研究細胞如何根據周圍環境做適應性調整很關鍵。“很多癌細胞在營養物質有限的環境下，也能夠不斷地生長，造成細胞過多的增殖和分裂。所以在做相關研究的時候，我們發現一些基因跟癌症的發生密切相關。此外，細胞的代謝狀態變化也跟衰老密切相關。人體進行適度的熱量限制性進食，可以延緩衰老，這是非常有意思的問題。”
1865年，孟德爾根據豌豆雜交實驗，發表遺傳定律的假說，遺傳學就此誕生。隨後，遺傳學和進化論結合，又催生了分子生物學、重組DNA技術。1990年，“人類基因組研究計劃”啟動。到2003年，科學家完成了對人類基因組30億對鹼基序列的全部測定工作，生命科學被認定將進入後基因組和蛋白質組學的時代。
人類用100多年的時間完成對基因組整體面貌的描述，改變了我們的生命觀，讓我們可以重新思考生命究竟是什麼，看到更加清晰的全新生命圖景。
但人類對“生命”,在許多情況下仍然無能為力——從細胞研究到整個生命科學領域，對生命的認知，仍然是以有限的遺傳資訊為基礎。科學家們跨越有限基因組的障礙，試圖揭示出生命呈現無限發育和分化行為的原因。
“前段時間我看到一個影片，有人說現在生命科學學科的研究對生命的認知到了90%的程度。”清華大學生命科學學院教授楊茂君對此不敢認同：“依據我個人的理解以及科學研究的規律來看，目前生命科學學科對生命的認知依然處於起步階段，無法定量。如果非要定量，我估計不到1%。知識就如同一個點，隨著知識的積累，當這個點膨大為圓的時候，圓外面接觸到的未知知識也就越多，未知的知識是無限的，而我們已知的知識卻是有限的，以有限去比無限，我真的無法界定我們目前對生命認知到了什麼程度。”
那麼，生命科學學科能為我們做什麼？楊茂君說，其實這個問題應該問，我們人類想要生命科學學科為我們做什麼？“當然是健康、快樂且有質量地活著。這些年生命科學的發展有目共睹，就拿我國人口平均壽命來說，1949年的時候是35歲，1957年的時候是57歲，1981年的時候是68歲，2010年的時候是75歲，2019年則上升到77.3歲。以前我們常說，人生七十古來稀，而現在70歲以上的老人比比皆是。這就是這些年我國生命科學飛速發展所帶來的最直觀的體現。”
挑戰，對生命有機體執行機制的認識遠遠不足
科學研究，永遠在探索“未知”，但往往在“已知”裡面仍有許多“未知”。
在劉穎看來，在生命科學領域研究得越多，就更敬畏生命，“生命真的非常精妙，你想象不到它怎麼能這麼聰明，這麼精妙地去調控每一個步驟。”
但“研究得越多，對生命瞭解越多，就發現自己越無知”，“一些約定俗成的概念或者現象，近幾年在不斷地被修正和完善。”
比如瓦伯格效應(Warburg effect)，即癌細胞主要是透過糖降解（分解葡萄糖）的方式來提供能量併產生乳酸。但這種提供能量的方式，產生的能量非常少。因為絕大多數正常細胞90%以上的能量是來自線粒體。
癌細胞為什麼要走糖降解這個途徑？劉穎介紹，此前的解讀認為癌細胞長成一大團腫瘤的時候，許多細胞擠在一起，尤其是腫瘤內部中間的細胞，接觸不到太多的氧氣，所以沒辦法用線粒體來提供能量。
“隨著近幾年研究，科學家們逐漸發現，腫瘤內部會促進毛細血管的生成，氧氣供應並不少。之所以選擇糖降解的方式，是因為這期間的代謝物會參與到其他生物大分子的合成，合成自己的DNA和蛋白質。有了這些物質，癌細胞才能從一個細胞分裂成兩個細胞。”劉穎解釋道。
“隨著研究的不斷深入，許多我們原本認為已經瞭解的生命科學現象其實在不斷改寫。未知的內容還有很多。儘管我們研究衰老，但衰老現象本質的原因是什麼？我們能用什麼樣的方式延緩衰老？在人類的層面上，這還是一個懸而未決、亟待解決的問題。伴隨著人口老齡化的加劇，很多與衰老相關的疾病，像神經退行性疾病等，也是一個較大的社會問題。”劉穎說。
楊茂君坦承，生命科學領域目前面臨的最大挑戰是我們對生命有機體內在執行機制的認識還遠遠不足，“比如當今世界公認的五大絕症：運動神經元症(漸凍人症)、癌症、艾滋病、白血病、類風溼被世界衛生組織列為世界五大疑難雜症。隨著科技的發展，目前白血病可以透過細胞免疫療法或（和）骨髓移植來治癒，艾滋病也可以得到有效的控制。我相信，隨著科學家進一步的研究，其他疾病也可能會在近期內取得重大進展”。
從學科發展來說，生命科學專業還面臨著哪些新挑戰？楊茂君認為，任何學科發展無外乎是兩個維度，一個是往更深入、更細微處研究，比如分子層面、原子層面乃至量子層面的研究；而另一個則是向外延伸，比如生命科學與各學科的綜合及交叉。“生命科學專業所面臨的挑戰就是隨著我們對未知的探索，我們所面臨的未知越來越多。”楊茂君說。
開創，生命科學的爆發式突破
從“達爾文進化論”打破生命的神秘，到“細胞學說”揭示生物的共同性,“孟德爾定律”揭示生物遺傳變化的規律。再到1953年沃森和克里克提出著名的DNA雙螺旋結構模型，確定生命運動的“中心法則”，開闢20世紀分子生物學的新紀元。生命科學領域的每一次重大突破都有著里程碑般的意義。
劉穎認為，每一次技術上的突破會相應地伴隨著基礎科學研究的突破。“幾十年前顯微鏡成像的解析度很低，頂多只能觀察到細胞內部的結構，如果沒有熒光的染料，根本看不到細胞內部發生了什麼。但隨著顯微技術不斷完善和突破，現在透過高解析度的顯微鏡，可以真真實實地看到細胞內部各種細胞器每時每刻的運動，細胞彼此之間的融合等。每個細胞分裂的時候，甚至可以看到染色體每次複製分裂的整個過程。”
“隨著技術上的突破，真正進入到一個多模態的、從微觀到界觀到宏觀的、對生命現象整體描繪和更深入理解的層面。我覺得21世紀的生命科學，相比之前說不定會有爆發式或跳躍式的突破。”
“作為科研工作者，我們沒辦法預估怎樣才能產生突破，只能靠自己一點點去摸索。每天一點點地去試驗，甚至試錯。在此過程中吸取經驗教訓，掌握新的資訊，不斷加深對生命科學問題的理解。這是從量變到質變的過程，當積累了一定程度的資訊之後，可能就會有一些突破性的發現。”
“科學的發展，人類無法估量，但科學的魅力就在於它的不確定性。”劉穎說。
在楊茂君看來，由於目前自然科學各學科的相互交叉、影響、滲透以及各種新技術的不斷湧現，未來生命科學的研究必將會繼續在微觀與宏觀兩個層面上同時進行，並且有相互融合的趨勢。他說：“未來發展方向無非就是讓人類對自身更加了解，比如腦科學；並且讓我們具有更強的對抗各種疾病的能力，比如基因治療、人工智慧應用於藥物研發等。”
“毫無疑問，生命科學肯定會再開創一個新的時代，讓21世紀真正成為生命科學的世紀。”楊茂君說。“此次奪去了數百萬人生命的新冠肺炎疫情全球暴發，無疑會成為把生命科學的深入研究提高到國家戰略層面的契機。我國前期對生命科學研究的巨大投入，比如863計劃、國家重點研發計劃，以及最近新組建的四個國家實驗室，都已經對國家未來生命科學的研究做了很好的佈局，剩下的就需要堅定不移地繼續推進了。”
作為一名科研工作者，楊茂君最直觀的感受是，近些年來，尤其是2003年非典以後，國家明顯加大了對生命科學研究的支援力度。“我國生命科學基礎研究和應用研究這些年來取得了大量的豐碩成果，所以才能在面對此次新冠肺炎疫情時取得令世界矚目的成就。從發展的角度來看，未來依然有各式各樣、分門別類的疾病會威脅人類的生命健康。解決和突破的關鍵在於國家積極引導，讓廣大科技工作者能靜下心來，做真正有意義的研究。”楊茂君最後說。
來源：光明日報
