生命科学的第三次革命——麻省理工学院校长苏珊·霍克菲尔德的演讲

发布时间：12年08月09日

编译方陵生

下一场创新革命来自生命科学、物理科学和工程学领域内正在发生的历史性的大融合

　　今天，我很高兴能在此与大家相聚一堂，确实有一些值得我们庆贺的事情在发生。美国总统奥巴马最近在美国科学院的讲话中对范围广泛的科学与工程学的价值坚定地给予了认可，我们不能将其视为一席空谈而一笑置之。让我们摘引奥巴马总统讲话中的一段以共勉之：

　　在金融危机的困难时刻，有人认为我们没有力量再投资于科学，在这个钱要用在刀口上的时期，支持科学研究在一定程度上是一种奢侈的花费。但我本人完全不同意这种看法。科学对于我们的繁荣、安全、健康、环境以及生活质量的意义，比以往任何时候都更为重要。

　　在我们与奥巴马的新一届政府合作伊始的时刻，没有比这更好的开端了。我们将充分利用良好的投资环境，以及科技发展的不同寻常的新的机会。我相信，我们必能不辜负奥巴马总统对科技发展前景的乐观期待和雄心大志。今天我只想集中于一点，也是奥巴马总统在讲话中所关注的：生命科学、物理科学和工程科学领域内正在发生的历史性的大融合。

　　在全国各地的学术实验室和各大公司里，这种加速融合正在日益形成本世纪新兴科技的雏形。我相信，这一融合趋势拥有无限潜力，并将以多种途径对科技发展产生重要影响：通过对让我们最为心驰神往的宇宙奥秘的进一步了解，通过医疗保健事业领域内以及其他重大的科技领域内挑战性课题所取得的进展(如清洁能源)等，将对一系列产业产生巨大的促进作用，从而有助于刺激美国的创新经济。

　　为了充分利用科技发展的这一潜力，我们必须认识到它的发展前景，调整我们的教育与研究战略，与华盛顿的一些决策者之间达成更多的理解并获得支持。今天我想就此机会讨论一下这些有关的问题，但首先我想要探讨的是，这种融合趋势是如何发生的？为什么说它将显著地重塑21世纪的科技发展景观？

生物技术产业除挽救了更多人的生命外，还为美国经济成长做出了巨大的贡献

DNA结构的阐明与现代生物学崛起

　　正如我们大家都知道的那样，20世纪中叶的一个重大发现为现代生物学开辟了一条极富有成效的新路子――1953年，沃森和克里克对DNA结构的阐明，引发了一个具有巨大潜力的新的实验方向。在生命科学领域内，科学家对构成生命的基本构成“模块”，或者说是构成生命的“零部件”有了更多的了解。

　　DNA结构的发现为其后生命科学两大革命奠定了基础：首先是分子生物学的发展，揭示了DNA的遗传编码信息是如何转录成RNA密码，并在蛋白质内行使各种生物学功能的；而分子生物学的发展则为生命科学的第二次革命奠定了基础，通过基因组学研究取得的成就，人类迎来了生物学领域内的信息大爆炸时代。

　　令不同领域内的科学家感到兴奋的是，生物学的新发展不仅拓宽了人们的知识视野，而且还通过一套共有的构成生命的“基本模块”，在生物学的许多分支领域内产生了一系列实际应用成果。譬如，医学上取得的一些显著成果，从针对性的癌症靶向疗法，到降胆固醇药物司他汀(Statins)的开发等。更重要的是，生物技术产业除挽救了更多人的生命之外，还为美国经济成长做出了巨大的贡献。仅在医疗卫生的生物技术部门，上市公司的税收从1992年的80亿美元增加到了2006年的近600亿美元。

人类基因组计划的实施不但需要强大的基因测试技术，也需要得到数学家的合作

生命科学与工程学联系日益密切

　　在以上两次生命科学革命中，人类所获得的生物学知识突飞猛进，进而产生了一种意想不到的新的合作关系。

　　分子生物学这门新学科诞生之初，在二次大战中以及二次大战结束后发展起来的工程学和物理科学，在生命科学领域内也有了越来越多的用武之地。生物学家需要有新的实验工具和实验方法来确定DNA、RNA和蛋白质的结构和功能，物理学家就来帮助他们解决这些问题。物理学家研发的新技术在生物学领域内得到了迅速地应用，从离心分离到色谱法等，使得生命科学领域内的科学家能够更好地理解在单个基因或单个蛋白质水平上的分子和细胞的生理过程；而生物学家的新发现则更进一步促进了新的治疗方法、新的药物和新的临床诊断方法的问世。

　　在同一时期内，电子显微镜和一系列强大的成像技术以越来越高的分辨率在分子水平上揭示着人体器官系统的奥秘。医生们通过CT(X线电子计算机断层扫描)、MRI(核磁共振成像)以及PET(正电子发射计算机断层显像仪)等先进医疗诊断器械，做出更好的诊断意见和治疗方案。采用和开发物理科学和工程学技术成果的模式，令生物医学取得了惊人的进展，并产生了极为深远的影响。

　　随着基因组学革命带来如雪崩般的信息数据流，以物理科学为基础的工程学也作出了新的贡献。庞大数据的归档处理是物理科学和工程学所面对的一个共同问题。工程师和物理学家为自己的工作开发的一些工具，如今在生物学实验室也有了新的应用；而人类基因组计划的实施不但需要新的强大的基因测试技术，同时也需要得到数学领域内的科学家的合作。

生命科学领域内第三次革命的种子已经播撒，并在一些领先实验室里开始结出硕果

前两次革命引发的第三次革命

　　近年来生命科学领域内的两次革命：分子生物学和基因组学的进展已引发了第三次革命。一开始，生命科学家与工程师和物理科学工作者之间的联系，主要是借鉴一些实验工具而已，其接触并不十分密切，而且通常被认为工程师们只是为生物学家服务而已。

　　科技发展到今天，随着各学科之间的融合越来越密切，学科之间一开始曾经的主从关系已演变成一种平等的合作关系，各学科都从这种结合中获益匪浅。总之，生命科学领域内第三次革命的种子已经播撒下去，在美国各地一些领先实验室里已经开始结出硕果。例如，麻省理工学院(MIT)的教师和学生在生物医学科学等许多领域内，正在进行的一些研究项目就是这种合作的体现，以下试举MIT的几个例子，以说明生命科学第三次革命的前景。

　　1．癌症研究

　　纵观癌症研究前沿阵线，你会发现有越来越多的生物学家、工程师、计算机专家和化学家都加入到了抗癌阵营中。他们带来了各个学科的观点，促进并产生了癌症诊断、治疗和预防的新的策略。MIT科赫研究所里拥有十多位癌症研究科学家、十多位工程师以及他们的研究小组，为科赫研究所的研究人员以及MIT校园里的其他在生命科学和工程学的交融中进行研究的人员提供核心研究设施及其他研究条件。

　　在攻克癌症的领域内我们可望取得什么样的进展呢？一个例子就是，长期以来我们普遍以化疗方法来对付肿瘤细胞，MIT和其他地方的一些实验室，正在利用纳米粒子将抗癌药物直接输送到恶性肿瘤细胞所在的部位，针对癌细胞递送高剂量的化疗物质，而对正常细胞的损伤则可降到最低限度。一些实验室利用纳米粒子“智能炸弹”攻克癌症，已取得了令人鼓舞的成效。生物学家和工程师们预计，在未来十年之内，纳米智能炸弹可临床应用于癌症治疗。

　　2．能源

　　生命科学第三次革命的意义及产生的影响并不仅限于医学领域。事实上，几大学科的融合之所以令人兴奋，还在于这种结合不仅仅体现在工程学的成果“流向”生物学领域，而是双向的交流，能源领域内的新突破就是一个很好的例子。如MIT的研究人员已经研制出了一种新型电池(下图)，将经过基因工程修改的良性病毒与其他电池材料结合在一起，可自动形成锂离子电池的正负二极，与用于混合动力汽车上的最先进的可再充电电池具有相同的能量和动力性能。这种新颖的生物电池可在室温条件下生产，并且不会产生有毒的副产品。几年前已经取得了首次突破，成功地合成了电池正极。据《科学》杂志报道，研究小组最近已研制成功了由病毒构建的电池负极。

　　该项目研究小组成员包括：两位材料科学家、两位擅长于利用生物过程发明高性能电池的化学工程师。这种电池生产方式成本既低廉，又于环境无害。该研究小组目前的重点是扩大成果，提高电池的电压和电容，在达到相关标准之后，该项技术就可投入大批量的商业化生产。

　　3．环境科学

　　第三个例子来自环境科学。MIT的土木工程师和环境工程师利用基因组学技术诠释海洋微生物生态系统，监测它们是如何应对气候变化的。我们知道，海洋微生物在大自然中的水、碳和能量循环中发挥着巨大的作用，但我们对它们是如何做到这一点的了解却少得惊人。MIT的研究人员利用人类基因组测序工具，发明了一种新的分析复杂微生物群体基因表达的方法，能够了解到对细菌活动产生影响的究竟是哪些基因。这一新的研究方法为人类了解气候变化的影响，以及应对气候变化提供了新的重要数据，在气候观察活动中，利用当地的微生物群也成为一个可以考虑的因素。

加速革命步伐的建议

　　从这些鼓舞人心的例子来看，科学技术将取得重大进展几乎是势所必然的。然而考虑到人类面临的太多问题，从流行性疾病，到摇摇欲坠的世界经济形势，再到无法满足需要的全球能源系统，仅仅是“势所必然”还是不够的。我们需要某些快速的进展，这就要求我们立即行动起来。因此最后我想提出旨在加速生命科学第三次革命步伐的一些具体措施：

　　首先，我们必须鼓励年轻人从事多学科融合的工作

　　从MIT的经验看起来，我觉得这并不太难。每年8月下旬，我在校园里散步与新来的新生聊天问及他们未来的研究方向时，许多学生都看好一些在学科融合中产生的新的学科领域。无论他们的兴趣在于机械工程或生物学或计算机科学，他们都倾向于一些跨学科的领域，我相信这些学生将成为引领这场革命的排头兵。

　　但是，在激发起年轻人热情的同时，我们还必须为他们提供必要的教育条件，培养他们成为跨学科的“双语”人才。我们应当提供一种广泛的教育，培养既是生物学家又是工程师，既是计算机专家又是数学家的一专多能人才，以便他们未来在各个学科的交流中拥有更好的合作能力。

　　第二，我们必须培育新的学术组织和知识框架

　　有不少大学已经发起了生物医学工程活动，强调将工程学应用于医药领域。MIT的一些做法也值得借鉴。正如从化学中产生了化学工程学，细胞学和分子生物学也催生了生物工程学的一些新的分支学科，MIT的生物工程系已经设立了一个新学科的知识框架，包括本科生和研究生课程。它所做到的不仅仅是让生物学家和工程师有更多的接触，而是确实产生了一些明显的成效，让学生都能以更流利的专业语言来进行工程学、生命科学以及新诞生的生物工程学方面的交流。有了对生物学的深刻理解，生物学工程师就能成为最出色的工程师：分析复杂的系统、描述数学预测模型和推导基本的构架原则，然后设计全新的解决方案。我们需要在全国各地宣传这样的模式。

　　第三，调整我们的筹资机制向跨学科研究倾斜

　　在这一点上可采取多种策略。譬如，如果资助对象是年轻的研究人员，他们往往会成为跨学科领域内活跃的“游牧者”，年轻人常会将某个跨学科的观点带进他们的工作中去。当我与MIT的年轻教师交谈时，常常为他们的研究涉及不止一个专业而感到惊讶。然而，由于年轻人的资历和成就都不够，他们的研究一旦超出常规，将面临资金方面的困境，特别是在研究经费很少的时候。

　　1990年，首次获得美国国立卫生研究院(NIH)研究基金资助的平均年龄为39岁，2007年时则上升到43岁。也许最令人不安的是，首次提交申请的成功率从1999年的29％下降到了2007年的12％。NIH已有专门规划来解决科研人群老龄化的问题，我们必须给予年轻的研究人员更多开放式的活动空间，我们不能在培养出跨学科的研究人才之后，却让他们面临缺少研究基金的困境。

　　我们还应该重新设计目前的研究基金分发流程，使得受益的研究项目包括不同系、不同学校和不同研究机构的研究人员，并需要简化申请手续，实施同行审查制度的审查委员会要有多学科成员的参与，同时我们还需要拨出款项，以确保用于支持一些大胆的、跨领域的创新想法。

有了工程学的加盟，未来的问题应该是“为什么不能？”而解答这些问题事实上就构成了第三次革命

第三次革命将如何改变人类未来

　　我想用一个简单的方式来总结一下第三次革命的潜力。20世纪初，物理科学和工程学的结合，推动并产生了许多前所未有的行业：电子工业、计算机行业以及信息产业等，极大地改变了我们的生活；而生命科学、工程学和物理科学的融合也必将产生我们今天还不知其名的许多新产业，但这些新的行业无疑会对人类未来的生活产生重大的影响。

　　新兴学科的兴起将给我们带来令人眼花缭乱的诸多新机会。第二次世界大战期间，美国政府、产业界以及科研学术机构的三方合作模式产生了数量巨大的科技成果。战争结束后，这种三方合作形式成为了基于创新精神的新经济发展的火车头。经济学家普遍认为，在战后的几十年时间里，美国经济的增长一半以上得益于科学技术的发展。因为美国没有在本土上作战，其他许多国家在重建城市、公路和政府时，我们将所有的力量致力于教育和研究事业，走上了历时半个世纪的创新之路。

　　20世纪的新技术开发和取得的全球性进展，比人类历史上任何时期都更迅速地使地球上许多人摆脱了贫困，而我们并不是唯一的科技创新的受益者。我喜欢竞争，它将使每个人都过得更好，而竞争就要有所行动。用于基础研究的投入是对这种竞争的投资，而不是成本代价。许多分析表明，投资可观的回报率正是源自于基础研究。现在正需要一些懂科学、懂工程技术以及认识到生命科学第三次革命挑战重大意义的人，向决策者和公众宣传如今还无法想象的明天之图景。

　　实际上，有了这种多学科的融合，生命科学和物理科学都早已超越了以往的“什么、为什么和如何？”等提问模式。有了工程学的加盟，未来更有效、更实际的问题应该是“为什么不能？”如何解答这些新产生的问题事实上就构成了第三次革命。

　　今天，感谢奥巴马总统，科学技术又回到了它应有的位置上。为了人类健康，为了国家繁荣，以及为了地球的生存，我们将勇敢面临挑战，去迎接生命科学第三次革命的到来。

资料来源：2009年4月30日苏珊·霍克菲尔德在美国艺术与科学院科技政策论坛上的演讲

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