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丛斌:用研究新范式破解生命科学难题


不久前,《美国实证医学期刊》刊发了一篇特殊论文,其特殊在于,其利用独特的示踪剂让人们看到了“手厥阴心包经”,对说不清原理的经络理论给出了可视化证明。(注:手厥阴心包经是中医理论中的12经络之一,经络不同于血管、筋脉,人体解剖后无法找到)。

这与几天前召开的第696次香山科学会议部分议题不谋而合——此次香山会议的议题假说之一,即中医学上的经络是维持机体稳态的能量信息的通道,而经络能够被可视化,正是会议发起人、中国工程院院士、九三学社中央副主席丛斌2019年在学术报告中提出的。

会上,丛斌与其他专家一起,探讨了“揭示生命领域三大科学问题,解析人体信息能量网络机制”等相关议题。以分子、细胞等为基础进行生命科学研究是不是足够,如果不足够,那应该如何更深入接近生命的真相?关于这一话题,丛斌也有更深入的思考。

生命之谜越解越多?

认识生命体的能量信息网络传递

丛斌院士从问题出发提出,人类认识生命的探索已经走到了分子层面,DNA、蛋白质、中心法则,但并没有揭示出生命的本质,大多数疾病的治疗至今也没有实质上的突破。

中国工程院院士、原第四军医大学校长樊代明从疾病预防角度出发提出,中国总死亡人数的87%因慢性病导致,可是人们对慢病的发病机理至今没有探究清楚,又何谈高效地预防?

中国工程院院士、博奥生物总裁程京从工程学角度认为,中医理论中有很多尚未被证明的内容,不能被证明并不代表中医不科学,而是要我们寻找新的思路、使用新的方案进行原创性基础研究。

面对越解越多的生命之谜,与会专家认为,对于生命科学研究,现有范式难以更进一步揭示生命本质规律,必须构建新的研究范式,进行重大理论框架创新,正视人体能量信息网络的传递机制。

“在生命科学领域,我们习惯了在三维空间,即以物质静态的空间结构进行研究。若想揭示生命本质,应在原有三维的基础上,加入时间和能量信息网络传递维度,才能更好地揭示生命物质和非生命物质演变的四维空间运行规律,解析能量信息在其中的网络传递机制。”丛斌提出,能量作为生命活动的动力,不仅赋能构成生命体的各种结构,还可以维持体内生命物质的位移或变构等微观运动,同时伴随体内信息的网络传递。

在丛斌看来,生命的本质是蛋白质及其他生物大分子的同化作用和异化作用的对立统一运动过程。在此过程中,生物大分子以自我更新、自我复制、自我调节的方式维系生命整体活动所表征的高智能、自组织、自稳态,新陈代谢、自我修复、自我繁衍。

“认知生命本质的重大基础研究就是对这一过程进行系统全面解析,揭示随时间变化而变化的生物大分子结构动态变化特征、瞬时属性,以及由此而决定的细胞结构和功能状态,探索在不同健康状况、不同基因结构、不同生活方式和所处不同生活环境下的人体生物大分子变构及细胞结构和功能状态的动态变化规律。”丛斌说。

能否解释许多疾病本质?

医学发展的面临现实窘境

“当前,人们对疾病的认知和治疗并没有本质突破,依然使用天然的和化学合成的物质对抗治疗疾病,对整体生命活动改善还非常有限,甚至某些疾病的治疗方法还出现了退步。”丛斌提到,基因治疗虽寄予了厚望,但现代基因之父沃森却忠告,要想通过基因序列治疗癌症和其他疾病,可以说是没价值的。外科手术尽管越来越“微创”,但是仍未改变其以丢掉组织为代价来治疗疾病的传统疗法。此外,互联网+人工智能也没能真正实现医学与信息科学的融合,迈向相互促进的发展模式。

马克思曾断言:“一门科学只有当它达到了能够成功地运用数学时,才算真正发展了。”

“现代科学是建立在受控实验所得到的公理上,具有公理性、可计算性和可验证性;而医学研究则是建立在结构学、功能学和生物实验观察之上的,这些实验所得的观察结果大多未能实现数理逻辑上的公理化。”丛斌指出,数学家在生物学中取得的成功远不及在物理化学领域,在很大程度上没有形成计算医学的研究范式。借助DNA双螺旋依然只能观测基因结构的一些二维生命现象,还未能系统揭示其三维、四维的内在分子互作关系上的数理逻辑机制。

现代医学依然不能清晰解释许多疾病的本质,更谈不上对生命本质的基础科学问题的揭示,还不知晓能量与信息在人体内部的互联互通,以及与人体外部环境的交换是何种生物物理模式。对此,丛斌说,亟待建立科学研究新范式,系统刻画人体数字生命运行系统。

如何进行多学科交叉?

推动生命科学研究走向系统性和全面认知

机电工程专业是程京院士的老本行,他的团队将“中医目诊”的工作在人工智能(AI)上实现,并达到了93%以上的准确率。

“在大数据的基础上,我们训练了AI模型。更重要的是,这个AI发现了更深入的事情,在眼睛‘心区’出现斑点的人与‘小肠区’出现斑点的人高度吻合。”程京说,大数据充分地证明了中医“心与小肠相表里”的学说。

心与小肠距离遥远,怎么会在生命活动中有关联呢?大数据证明了这样的联系确实存在。这意味着,通过大数据、人工智能等手段,以超级算力为基础,可以不断将生命组织结构间的关联解析出来。

“过去的医学研究建立在结构学、功能学和生物实验观察之上的,在对人的整体生命活动规律认知时仍停留在局部化、碎片化层面。”,揭示生命本质,不能是只见树木不见森林,也不能只见森林不见树木,而是要既见树木,也见森林。丛斌认为,生命系统具有非线性多层次开放性特征,处于复杂多变的时空环境中。面对生命与健康的多组元、多尺度、跨时空、跨层次的相互作用的复杂网络化表征,只有建立学科交叉、知识融合、技术集成的科学技术体系,才有可能揭示人体能量信息网络化复杂巨系统。

如今,基因组学、蛋白组学、代谢组学等系统生物学的发展,使得获取海量生命活动数据成为可能,这正推动着相关产业的转变。

为推进产业对于生命问题进行多角度认知,制度方面已有所落地,例如2019年12月1日起施行的《中华人民共和国药品管理法》,鼓励对人体具有多靶向系统性调节干预功能等的新药研制,推动药品技术进步。

“用人工智能刻画人体全息生命系统的数学模型,以定性定量定位描述生命活动的状态,包括健康水平、疾病程度及治疗效果等。”丛斌强调,当务之急是融合各学科的力量,确立科学研究的新范式,促进生命科学与大数据、物联网、人工智能、量子计算等领域深度融合,驱使生命科学迈向“数据密集型”科学研究范式,构建数字生命与全息人体,通过 “数字孪生”的人体推动生命科学研究走向系统性和全面认知。

丛斌认为,“这样不仅有助于我们洞察人体变化、探究致病机制、精确疾病诊疗,还可以有效开展疾病预防、指导保健实践,助力健康中国建设。”

(综合《科技日报》《中国科学报》报道整理)