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从“硅时代”到“碳时代”---生命科学的未来已来 精选

已有 19085 次阅读 2016-7-29 16:52 |系统分类:观点评述| 生命科学, 医学科研, 生命健康, 碳时代


20世纪后半叶以来,计算机技术和互联网技术引领了社会的快速发展。这个时期,计算机芯片的主要成分硅元素无疑是最闪亮的,因此有“硅时代”之称。“硅时代”的各种高科技推动了社会的快速进步,物质和资源的稀缺问题逐渐得到解决。21世纪,人们越来越重视生命质量和健康水平,生命科学技术得到了长足发展,生命健康领域的服务需求和产品需求也越来越大。有机物和生命的核心元素是碳元素,我们将生命科学的世纪称为“碳时代”。我们认为,人类社会已不期然地从“硅时代”过渡到了“碳时代”。

对于有机物和无机物的区分,是否含有碳元素作为一个重要标准。碳作为硅的同族元素,相较硅原子,碳原子具有更加丰富的成键方式。碳原子相互之间及与其他原子之间,可以形成各种各样的链状和环状结构,所形成的环可以是单环,也可以是多环,环可大可小,链可长可短,支链可多可少等。碳原子数量可以是几个,也可以是成千上万,许多聚合物甚至可以有几十万个碳原子。此外,有机化合物中同分异构现象非常普遍,这也是有机化合物数目繁多的原因之一。碳原子的这些特性,使得有机物的种类相对于无机物大大丰富,也带来了无限的可能性。可以说,生命的起源,生命的多样性和灵动,与以碳为核心元素的多种有机物构成,有必然的联系。

地球上所有的生命体中都含有丰富的有机物。此外,许多与人类生活和生命健康有密切相关的物质,如化纤、塑料、橡胶、药物等,均与有机物有密切联系。地球上的生命形式大都主要是由有机物组成的。一种普遍认可的生命起源理论认为:最早的生命起源于“原始汤”——漂浮着大量简单有机物的海洋。阳光把简单分子建成复杂分子,逐渐出现一条复杂的链构成的大分子,链本身是由各种类型的起构件作用的分子所组成。构件会自动地按照一定的序列排列起来,形成一条“链”,这种链有合二为一或一分为二的可能,并在一个偶然的机会下实现了自我复制,这种复制过程中作为样板的作用并不产生完全相同的拷贝,而是某种“反象”,这种“反象”转过来再产生和原来的正象全似的拷贝:首先发现的复制基因即DNA分子,它所使用的是从正到反的复制过程。在不断的复制中不可避免会出现“错误”,这种无方向“错误”的积累带来了多种排列组合,形成了物种的多样性。从病毒到人类,所有生物体内的新陈代谢和生物的遗传现象,都涉及到有机化合物的转变。

最初的生命体在发展过程中逐渐分化,其中的一大分支,即现在的植物,开始利用阳光直接把简单分子建成复杂分子,并供给自身。另外一个分支,即现在的动物,要么以植物为食,要么以其他的动物为食。随着时间的推移,更小的分支以及分支的分支逐渐形成,每一个小分支都在某一特殊方面取得超人一等的谋生技能。各种小分支不断形成,终于带来了今日如此丰富多彩的生态环境。

碳时代”下的商业生态正在发生变化

这种“冷知识”看似深奥枯燥,但当我们和现代生活方式的发展路径进行对比后,就会发现一些有趣的巧合:在生产力低下,物质贫乏的年代,人们的需求和相应的供给都是比较单一而缺乏想象力的。小到着装,大到汽车,几乎全国统一,体现不出差异性和个性,正如混沌状态---一锅各种小分子组成的“汤”,看不出什么多种未来的可能性。而在现在这个信息高度发达,物质供给多样的社会条件下,商业更注重个性化的情感和审美,各种越来越个性化、精细化的要求都在被满足。一个商业组织就是一个生命,市场和社会就是一个生态。在进化过程中各个商业组织都在寻求建立以自己为核心的生态圈:一个商业生态圈一般会由一家强大的公司或一个庞大的市场需求为主导,以此为核心,寻找上下游产业链的相关企业一起合作。同时通过各种形式的“联姻”迅速扩充产品线,共同构建起一个强大的联盟,来对抗外界冲击,同时更好地适应市场环境的“空气”和“土壤”,同时发展出各种小分支以及更小的分支迎合市场中的各种个性化需求。这个进化过程带来了空前繁荣的商业体系和多种多样的商业生态系统。

“有机化”、“生命化”趋势带来了生命科学的崛起

如果从生物学和进化的角度去观察,就很容易理解未来时代发展的趋势,必然是从机械化向有机化和生命化发展。同时以碳为核心元素的生命科学时代必然接棒以硅为核心元素的计算机和互联网时代。在目前这样的过渡时期,商业的发展必将呈现两方面的特点:原有优势行业(计算机和互联网行业)发展趋势呈现“有机化”“生命化”;与生命科学相关的产业将迅速崛起,成为引领时代发展的领域。

在计算机、互联网行业,“有机化”“生命化”的趋势体现在两个方面:一方面越来越多的碳基材料,有机物开始取代冷冰冰的金属和晶元出现在计算机中;另一方面使用计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为的人工智能。

在从“硅”到“碳”的过渡时代,传统意义上的有机材料越来越多的出现在全新的应用领域。1965年,英特尔联合创始人戈登-摩尔(GordonMoore)观察到,集成电路中的元件集成度每12个月就能翻番。此外,确保每晶体管价格最低的单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。这一现象被称作“摩尔定律”。依据摩尔定律提出的预测在不久之前开始出现问题。2014年,国际半导体技术路线图组织决定,下一份路线图将不再依照摩尔定律。而与硅相比,碳基材料,能带来更快的开关速度,而功耗也较低。被给予厚望,可能在未来20-30年内出现革命性成果的研究领域是生物计算机。1994年11月生物计算机概念首次提出后立即大火:基于蛋白质的“晶体管”;计算效率远高于任何硅基计算机的细菌计算机,还有更为极致的DNA计算机:一支试管中可同时容纳1万亿个此类计算机,运算速度可以达到每秒10亿次,1立方厘米空间可储存的资料量超过1兆片CD,能耗仅相当于普通电脑的10亿分之一甚至更低。

进入“碳时代”,人类正在创造性的运用生物技术的手段解决目前面临的各种问题,生物技术产业被称为“永不衰落的朝阳产业”。人类基因组数据的完全公开改变了生物医学研究中数据分享的惯例,随后迅猛发展的一代测序、二代测序和三代测序技术,实现了大量生物遗传信息的快速解读,也促使了稳定可靠且功能强大的数据分析处理技术的发展,使生命科学研究进入了大数据时代。此外,蛋白组学和代谢组学技术,基因编辑技术,诱导干细胞技术、生物材料3D打印技术和器官克隆技术等生物医学技术也快速发展,预计将很快可以实现高效精准的诊断,准确地修改遗传信息,进行病变组织或器官的替换,使精准医疗逐步成为可能。

当然,生命科学的研究水平、医学技术和疾病诊疗技术的发展水平和社会需求还存在较大差距。生命科学相关产业如果不在应用基础研究上加大投入,取得重大突破,从根源上解决供给问题,仅仅从信息、物流、渠道上入手改进,还是无法满足市场的需求。在这种需求的驱动下,除了以往优势行业“有机化”“生命化”的趋势,从一个相对较长的历史时期内预测,与生命科学相关的产业也必将迅速崛起,成为引领时代发展的领域。因此, 人类进入21世纪,环境恶化、人口老龄化,这些因素给人类带来巨大挑战的同时,也给生命医药行业的发展带来巨大的历史机遇。

登高而招,臂非加长也,而见者远;顺风而呼,声非加疾也,而闻者彰”。不经意间,碳元素开始代替硅元素主导整个时代,生命科学的遥远未来已经呼啸而至。在碳时代,如何把握碳元素的刚柔并济,顺应生命和生命体系的灵动, 提前洞见时代潮流的变化,是我们需要思考的重要问题。(郭磊 王伟娜)





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