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施一公:生命科學認知的極限(轉載)  

2017-10-01 16:27:25|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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,施一公此番並未局限於生命醫學,他從人類生命飽受心血管疾病、癌症和神經退行性疾病的三大挑戰開始,講述了人類如何通過科學來接受生命挑戰。但最終,人對生命認知的極限問題將他的科學思索,由生物醫學帶向量子力學,向我們展現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樣的:一個精子在卵子表面不停地遊逛,尋找一個入口,找到合適位點以後,會分泌一些酶,然後鑽進去。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。精子進來後就被降解,然後精子的細胞核和卵子的細胞核結合,形成雙倍體,受精卵開始發育,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遊逛,還沒有著床。繼續分裂下去,形成64個細胞、128個細胞,這時它快要找到著床地點了。著床之後,繼續發育。

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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,神經管形成了,脊椎形成了,四肢開始發育,通過細胞凋亡,開始形成手指頭。到四五個月的時候,胎兒開始在母親肚子裡踢騰。出生之前,胎兒的大腦發育非常快,各種神經突觸迅速形成。然而不要忘了,這樣一個鮮活的生命來自於一個受精卵。

生命開始之後,生命的歷程很漫長,這裡面有很多苦惱。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歲拚命打闖,40歲基本定向,50歲回頭望望,60歲告老還鄉,70歲搓搓麻將,80歲曬曬太陽,90歲躺在床上,100歲掛在牆上。

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施一公在演講現場

科學如何應對生命挑戰

我們生命的歷程飽受挑戰,有很多來自於疾病,其中三類疾病和人類有很大關係。

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其中心血管疾病是最重要的殺手,僅在中國每年就有303萬人死於心血管疾病,占32%。第二種疾病也很可怕,就是癌症,我們身邊的人常常被癌症奪去生命,中國每年有265萬人死於癌症,占28%。第三類疾病死亡率不高,但是對人的困擾很大,嚴重影響生活質量,就是神經退行性疾病,有多位世界名人都曾受這類疾病的折磨。此外還有34%的人死於其他原因,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,我們如何運用科學去接受生命的挑戰。

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,導致了青蒿素的發現。後來弗萊明發現青黴素,已經是用科學的方法論來探索。1985年以後,由於戈爾茨坦和布朗發現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,從簡單的摸索和經驗積累,到最後通過基礎研究驅使藥物的發現。我有三個例子在此分享。

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第一個例子就是心血管疾病。研究發現,導致心血管形成斑塊的低密度脂蛋白和受體結合以後會被細胞內吞,內吞以後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後導師),就是因為發現了低密度脂蛋白的受體而獲得諾貝爾生理或醫學獎。

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(阿托伐他汀)已經過了專利保護期,在座的就應該有人服用過這種藥。在它於2011年專利過期之前,全球銷售額高達160億美元,堪稱藥神。

我們一直在用基礎研究去探索最前沿的和疾病做鬥爭的方式,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,並不能阻止心血管軟斑塊和硬斑塊的形成。為什麼呢?科學家發現,是因為這些人體內的低密度脂蛋白受體逐漸被降解得找不到了,如何把他們的受體的數量恢復出來,就是問題的核心。

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幾年之前,科學家找到了PCSK9蛋白,它可以結合低密度脂肪蛋白的受體。結合到受體以後,低密度脂蛋白顆粒被受體一起拉到細胞內內吞了,也就是說,低密度脂蛋白受體在被細胞內吞的同時就犧牲了,也就不能再把流淌於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,最後帶來致命的心血管疾病。這個過程是基礎研究發現的,而發現這個過程的著名科學家海倫,是一位女性,獲得了2016年的生命科學的突破獎。

第二個例子我們講講治療癌症的新的曙光,也就是大家聽過很多次的「免疫療法」。這個免疫療法最有名的一個例子,是2015年8月20日,美國前總統卡特向所有世界上關心他的人宣布,自己得了晚期黑色素瘤,而且當時已經有4個2毫米大的腫瘤在腦子裡,已經擴散了,他認為自己的時間不多了。然而短短3個月以後,2015年12月6日,他再次出現在大家面前,告訴人們,通過分子療法,他腦子裡的4個腫瘤已經完全找不到了。

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鬥爭方式。這種療法的創始人,也是這一概念的發現者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中,還包括一位中國人,就是陳列平博士。

第三個例子是神經退行性疾病。非常遺憾,至今人類根本不知道病因,儘管我可以告訴大家很多的理論、數據和實踐,但我們只是大概知道這個病是怎麼回事。現在世界上有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,我們會有超過一億三千萬人受它的困擾。

神經退行性疾病中最有名的就是老年痴呆症症,也叫阿爾茨海默綜合症。得這個病的病人很痛苦,因為生活不能自理。老年痴呆晚期的患者大腦裡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麼原因導致了老年痴呆症,但是大家公認,如果從分子水平上認識老年痴呆症,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。我們去年在原子解析度上首次報導了與老年痴呆有直接關係的人源γ分泌酶的結構,這個人源γ分泌酶被認為是導致老年痴呆症必不可少的一個致病蛋白,所以也許通過後續的深化研究,我們可以找到治療老年痴呆症的辦法。

認知生命有極限

我舉了心血管疾病、癌症、老年痴呆症的例子,最後過渡到大腦。不要說我們對老年痴呆症的病因不清楚,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麼都不知道。儘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衝動電位,只是一個表象,不一定是學習記憶的本質。為什麼?因為我們確實是這樣一個生物人,是一堆原子構成的人在理解生命。

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後,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。

我們人究竟是什麼呢?仔細想一想,人是怎麼樣處理信息的呢?我們先來對信息也就是物質做一個定義。我們有三個層面的物質:第一個物質是宏觀的,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,房子也是一個物質,天安門、故宮都是物質。第二個層面是微觀的,包括眼睛看不到的東西也叫微觀,我們可以藉助儀器感知到、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。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麼,包括量子,包括光子。儘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。

但儘管如此,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。我們人是什麼?人就是宏觀世界裡的一個個體,所以我們的本質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丁格方程、一個生命形式、一個能量形式,但不知道怎麼解這個方程,不知道思維是怎麼產生的,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,而是一堆粒子構成的。

所以,我們真的就是一堆由粒子構成的原子,如此之簡單。我們有多少原子?大約有6×10^27個原子,形成大約60種不同的元素,但真正的比較多的元素,不過區區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,然後形成小的細胞器、細胞、組織、器官,最後形成一個整體。但是你會覺得,不管你怎麼做研究,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。我自己認為是這樣的。

量子糾纏是可以進化的現象嗎?

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佯謬之後,提出了量子糾纏。實際上「量子糾纏」這個詞並不是愛因斯坦提出來的,而是薛丁格提出來的,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,可以被關聯地測量,很不可思議。但這樣一個簡單的現象既然存在於客觀世界,我相信它會無處不在,包括存在於我們的人體里。是不是這樣呢?當然是這樣。量子糾纏怎麼樣影響我們的生命,其實我們不知道,為什麼?因為這不是我們可以用直覺去感受的。

加州大學聖塔芭芭拉分校(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。那怎麼證明呢?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,發現神經細胞裡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,遠遠小於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。

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比如把磷和鈣放在一起,也就是磷酸鈣,當磷酸鈣以波斯納分子集群(Posner 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象的持續時間提高15個數量級,那麼如果再提高5個數量級,就可以達到年的水平,以年為單位來保存量子糾纏現象。那麼依此類推,你們覺不覺得,有一天我們人類會發現量子糾纏也是一個可以進化的現象,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?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,量子糾纏是否存在於人類的認知世界裡面?存在於大腦里?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於地球上的物質呢?你一定會說一定適用,因為我們已經證明了。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」。

那麼我們人究竟是什麼?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,都來自於同一個細胞,同一團物質,一個處於複雜的量子糾纏的體系,就這麼簡單。

其實我不知道這裡面是什麼,但是我相信它。我每呼吸一次會攝入10^22次方的氧原子進入我的身體,進入共價結構。這一口呼吸至少有10^4次方以上的氧原子,被處在世界上一個很遙遠角落裡的,我沒有見過的人呼吸過至少一次,這在一個月內就會做到,人一輩子一直在這麼做。而兩個人在一個房間裡的時候,一天可以有63克的氧氣在彼此的肺當中交換。

科學發展到今天,我們看世界完全像盲人摸象一樣,我們看到的世界是有形的,我們自己認為它是客觀的世界。其實我們已知的物質的質量在宇宙中只占4%,其餘96%的物質的存在形式是我們根本不知道的,我們叫它暗物質和暗能量。

那麼盲人摸象般地認識世界是科學嗎?一定是科學。每個人摸的都是真實存在,而且都是客觀存在的,都是看得見摸得著的,我們現在也是如此。只是我們不知道摸的是象的後背,還是尾巴,還是耳朵。我認為人類的認知極限就在於,我們是一堆原子,我們處在宏觀世界,但我們希望隔著兩個世界去看超微觀世界。那是一個最美好的、極其美妙的世界。謝謝大家!

《賽先生》據錄音整理編輯,標題為編者所加。

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