湯超：第三次生命科學革命為何是現在？| 科技史

上個月，北京大學前沿交叉學科研究院執行院長、定量生物學中心主任湯超院士在《當代科技史》系列課程上講授《當代科技史——生命科學革命》，本文擷取精闢論斷，縱覽生命科學革命，窺看自然奧秘。

北京大學前沿交叉學科研究院執行院長、定量生物學中心主任湯超院士

演講 | 湯超（北京大學前沿交叉學科研究院執行院長）

生命科學革命已經發生了兩次，目前是第三次，講生命科學革命前，我們先談談科學革命。科學革命、學科交叉、技術進步，這三個方面互相有很深的關係和影響，它們互相聯繫、互相促進。

16-17世紀的科學革命

這是一次標準的科學革命，也是第一次科學革命，也是現代科學的誕生。這發生在16—17世紀，大概在這一兩百年時間裡井噴式地發生了很多事情，所以叫革命。下面列出了這些具有代表性的革命事件：

• • 尼古拉斯·哥白尼，1543年出版了《天體運行論》，提出了日心說理論。
• • 安德烈·維賽留斯，1543年出版了《人體構造》，解釋了血液在人體內循環的過程，還從解剖屍體組裝了第一副人類骨架。
• • 威廉·吉爾伯特，1600年出版了《論磁石》是物理學史上第一部系統闡述磁學的科學專著。
• • 第谷·布拉赫，對16世紀末期所認知的星體進行了詳細並且準確的觀測，為克卜勒的研究提供了基本數據。
• • 弗蘭西斯·培根，企圖通過分析和確定科學的一般方法和表明其應用方式，給予新科學運動以發展的動力和方向。
• • 伽利略·伽利萊，改進瞭望遠鏡，並對金星和木星的衛星進行了準確的觀測，於1610年發表觀測結果。通過理論分析與實驗推翻了被奉為圭臬的亞里斯多德的力學體系並建立了近代力學。
• • 約翰內斯·克卜勒，1609年發表了關於行星運動的兩條定律，1618年發現了第三條定律，就是後來被稱為「克卜勒定律」的行星三大定律，說明了行星圍繞太陽旋轉的理論。
• • 威廉·哈維，通過解剖等手段展示了血液的循環。• 勒奈·笛卡爾，是演繹推理的先驅，1637年出版了《方法論》。
• • 安東·范·列文霍克，建造了高清晰度的單顯微鏡，研究了毛細管循環和肌肉纖維。他觀察了血球、精子與細菌，並繪出了它們的形象。於1683年發現了細菌。
• • 艾薩克·牛頓，1687年7月5日發表的《自然哲學的數學原理》裡提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律是經典力學的基石。牛頓還和萊布尼茨各自獨立地發明了微積分。

以天文學為例，這些故事的背後發生了什麼？它們為什麼在這個時候發生？這可能是值得思考的問題。

1. 「地心說」——一個「很有道理」的舊理論

以前可能我們每一個民族的各個國家的人都喜歡觀測自然，觀測自然的主要活動之一就是看星星，那時候也沒有電，也沒有手機，大家晚上只能看星星，看了星星就想解釋它，所以這是最早科學的雛形，看到一個自然現象想來解釋。當時最好的解釋是託勒密的《地心說》，託勒密是一個大科學家，科學不是說是對還是錯，科學是說我要去解釋自然界的現象，然後一步步推進，他當時做的模型非常精密，可以解釋他當時觀測到的幾乎所有行星運動的現象，但是因為確實行星運動不是以地球為中心，而是以太陽為中心，所以他的解釋必須把他的模型做很多的修正微調，假如地球是中心的話，行星圍著地球轉，你就不能解釋看到行星往後退的現象，他就說圍繞地球轉有兩個輪，一個均輪一個本輪，一個大圓一個小圓，每一個行星都有一個大圓有一個小圓，大圓有一個半徑，小圓也有一個半徑，大圓有一個周期，小圓也有一個周期，所以每個行星都有自己的一套參數。但是如果地球真是中心的話，還是有問題，後來他又做了進一步修正，認為在地球對稱的這個地方是中心。總之他是很嚴密的一個科學家，他花了很多時間把他的模型做得越來越精確，他的「地心說模型」統治了近兩千年。

託勒密與他的「地心說模型」

2. 日心說——一個革命性的新觀點

到了哥白尼，他提出革命性的觀點，他說「地心說」太複雜了，他完全從美學的角度，一個對稱的角度說太陽可能是中心。

哥白尼與他的「日心說模型」

但是他提出太陽是中心，其實並不能比「地心說」解釋更多的當時的實驗觀測到的數據，為什麼呢？第一，現在我們都知道所有這些行星軌道其實也不是圓的，而是橢圓；更重要的是，第二，當時的觀測儀器還不能精確到證明哥白尼對還是託勒密對，很多時候我們只能看一個大概，所以當時的模型還不足以推翻「地心說」，但是他確實提出了革命性的觀點。

3. 數據的積累——用更精密的儀器做更準確的測量

到了第谷，他是一個丹麥天文學家，一個大英雄，丹麥皇家給了他一座島，大概是北大的四分之一那麼大，專門用於觀測天象，整個島布滿有各種各樣的儀器，他的渾天儀做的很好，收集了很多很精確的數據，十幾年二十幾年一直在觀測，收集了大量的數據，而且非常的精確。

第谷與他的天文觀測島（上），火星觀測數據和渾天儀（下）

然後發現「地心說」不對，但是他擺脫不了「地心說」的觀念，他提出一個模型，說地球還是中心，然後月亮圍著地球轉，太陽也圍著地球轉，但是所有其他的行星圍著太陽轉。把它這個結合一下，他這個比純「地心說」可以多解釋一些東西，但還是不能完全解釋(Better observation itself does not automatically lead to better understanding)。

第谷的「新地心說模型」

但是他還是很了不起，他收集了大量的數據，為後面的克卜勒定律、牛頓定律奠定了很好的基礎，沒有他的這些儀器觀測，也就沒有後面的革命，所以說技術的進步很重要，這時候的技術進步雖然很簡單，你甚至可能覺得這些都不算什麼高技術，但是當時是一個很先進的進步，所以技術進步往往是科學革命的前列。

4. 新工具發現新現象

來到伽利略，望遠鏡不是他發明的，但是他把望遠鏡改造了一下，然後來看行星的運動，他發現兩個事情，和「地心說」不太符。一個是他看到木星也有衛星，那說明地球就不特殊了。他還看到金星有時候亮一點有時候暗一點，和月亮一樣有陰晴圓缺。

伽利略改進望遠鏡觀察到木星的衛星和金星的相位變化

5. 定量規律的發現

前面說第谷有兩大功績，第一個就是他造了很好的渾天儀，收集了大量的數據；第二個是他收了克卜勒做助手，克卜勒從小對天文非常感興趣，他當時就知道第谷有很多數據就想跟他去做，據說兩個人關係很不好，第谷讓他去研究火星。火星數據非常多，但是火星我們知道橢圓性是最大的，假設火星軌道是一個圓而且圍著地球轉，大概是下面的軌跡：

以「地心說」為基礎描述的火星軌道

第谷覺得不可能搞清楚，他和克卜勒說你就研究火星吧，克卜勒自己也收集了很多火星的數據。以前一直覺得每一個行星都有自己的運動規律，現在克卜勒說不是，所有的行星滿足同樣的規律，所有的行星都在橢圓形軌道上圍繞太陽轉，太陽在一個焦點上，這個普適性就出來了，這是他的第一個定律。第二定律是定量，就是說行星運動的時候，單位時間走的面積相同，比如說走一天，離太陽近的時候就走的快，離太陽遠的時候走的慢，所以面積是一樣的。

克卜勒第二定律

第三個定律是十五年以後找到的，就是這個行星運動周期的平方與長軸這個半徑的立方成正比。這個三個定律看上去非常簡單，但是他把行星運動全部統一起來了，其實沒有那麼多很複雜的，就是幾個簡單的規律就可以解釋，克卜勒是非常了不起的。所以從技術的進步到大量的精確數據，到總結一些現象的規律，最後到科學革命的完成。最後科學革命的完成，總是要有人集大成。

6. 普適性原理的發現

牛頓看到克卜勒的三個定律覺得很有意思，為什麼有克卜勒三個定律，後面有沒有更簡單的更普適的解釋，牛頓說其實是有的，受到的啟發是不是被蘋果砸的不知道，但是有一點是確定的，當時倫敦正在鬧瘟疫，劍橋也關門了，他回家在他自己後院裡邊待了半年，可能還更長時間，學校關了，他沒事可幹，整天想這些東西，所以說英國不鬧瘟疫，他可能也不會想這麼快。他說其實那三個定律有原因的，為什麼呢？是因為有萬有引力，太陽拉著地球，或者拉著火星，互相拉，這是引力，這個引力和兩個物體的質量成正比，和距離平方成反比，這是看不見的萬有引力。另一個方面，力是質量乘加速度，把這兩個連起來就可以推導出克卜勒三個定律，克卜勒三個定律是牛頓的更普適定律的一個表現，是在一個體系裡的一個特殊結果。

牛頓與他的普適性原理

牛頓不光把克卜勒三個定律做了解釋，找到了更下一步的原因，還把這個推廣到整個宇宙，所有的力學，不光行星運動滿足牛頓的這些普適規律，所有宇宙裡力學運動全都滿足這個規律，這非常了不起，是非常大的進步。還有他為了把這些東西能夠推出三個定律，行星軌道是一個橢圓，橢圓你看這個萬有引力隨著半徑平方成反比，所以這個萬有引力時小時大，一個加速度也是時小時大，所以不是勻速的，所以就要找到瞬時速度的概念，瞬時加速度的概念，在你瞬間那個速度多快，所以他發明了微積分。他不光找到了基本規律，還把基本規律的數學語言找到了，一個科學革命，最終要伴隨數學語言，牛頓力學的數學語言就是微積分。

第一次科學革命的總結

我們總結一下天文學革命，也就是經典物理學的革命，第一次科學革命，最偉大的一次科學革命。

科學革命的一般過程

它大概是一個什麼程序，首先是觀測數據積累，這可能是很長很長的時間，上千年，至少從託勒密到科學革命有一千多年，然後不斷有一些初步的、表面的、唯像的理論，比如託勒密的「地心說」，然後到技術進步，產生更大量更精確的數據，就發現原有模型不太對，就出現一些定量的規律克卜勒三定律，解釋了這些更大量更精確的數據，如果這一步做的對的話，就可能產生普適的原理，把這個進一步推廣，就伴隨著數學語言的一個發展。所有的科學革命，不管它是基礎的還是需求推動的，最後基本上都會導致很大的應用，工程應用、設計製造、改造自然。有了牛頓力學可以發射衛星，飛機可以飛等等，整個革命改變了我們人類。

科學革命對人類文明的影響

科學革命之後，人類的思維徹底改變，把自然當成可以用科學來理解的東西，有定量規律的東西，一百年發生了工業革命（1750-1850），到後來產生蒸汽機、紡織機、火車……大家都覺得有規律可循，所以研製這些蒸汽機後又誕生了熱力學。下面顯示的是世界人均GDP：

公元1年到公元2003年的世界人均GDP

從公元零年一直到差不多現在，這個中間有些年因為數據不全，所以沒畫，在工業革命之前世界人均GDP基本上是常數，人口有時候多有時候少，打仗、瘟疫就少一些，太平時就多一些，但人均GDP不變。科學革命和工業革命之後大概就是指數型的增長，到現在還是指數型的增長。所以可以看出科學革命的重要性，對整個工業革命是怎麼推動的，而且科學革命之後就有很多革命，電氣革命（第二次工業革命），以及我們比較熟悉的信息革命，你們就誕生在信息革命的時代。從第一臺數字電腦，一直到我們現在iPhone、網際網路，大家可能都覺得是應用性革命，確實有強大的應用的需求和市場推動，但也是多學科交叉在起作用，而且很重要的有物理學理論在做基礎，沒有物理學的基礎理論這些信息革命是不可能的，還有其他的科學，我給大家說兩個例子。

1.信息革命背後的科學——電動力學

第一是電動力學，電動力學的這個誕生也是很有意思，我們的古人很早就知道有電，閃電，乾燥的時候手會打電，我們有時候冬天的時候不敢去碰門把手，會打電。磁的概念我們祖先兩千多年前就發明了指南針。

古人很早就知道的電和磁的現象

這麼早就知道有電有磁，為什麼要等到一千多年以後，科學革命再後面一點，才有人總結出定量的東西，是不是科學革命忽然把大家腦袋打開了，然後集中發現了安培定律，法拉第定律，電生磁磁生電現象等。而且非常定量，通過導線的電流強度與其產生的磁場強度成正比，看上去很簡單，但是它非常普適，中國是這樣，法國是這樣，月亮上也是這樣。法拉第在1831年首次演示電磁感應，電和磁可以互相轉換，一個電磁鐵上的線圈通過電流，有線圈就有磁。

安培的「電生磁」和法拉利的「磁生電」現象

這就相當於我們前面講的天文學革命裡邊的克卜勒定律，很簡單，但是它總結了一個非常定量的規律，然後沒有多少年，麥克斯韋把安培和法拉第這些簡單的定律統一起來，寫了四個方程，非常天才的把它統一起來了，他說這些電磁現象都是這四個方程的解，有點像說你克卜勒三定律都是我牛頓方程的解，都是我這個普適理論的一個表現。所以我這個方程不光可以解釋你的現象，還可以解釋一些新的現象，這個方程確實它的影響是巨大的，把這個方程一解就發現，電和磁可以有電磁波，電磁波可以在沒有電線的情況下，真空裡面什麼都沒有介質的情況下傳播。

麥克斯韋方程組（Maxwell's equations）

大家突然就覺得視野開闊了，一個東西在這邊搗鼓電磁波就可以傳過去，然後赫茲很快就首先證明了電磁波確實存在，他讀博士的時候，他的導師是很有名的亥姆霍茲，就讓他去證實電磁波的存在，但他沒弄出來，他覺得太難了，但是他畢業以後繼續弄，發現電磁波確實存在。

赫茲於1887年首次證實電磁波的存在

那電磁波意味著什麼？我們所有的無線電通訊，手機、電視、無線通訊都是靠電磁波傳的，整個改寫了人類通訊歷史，沒有當時這些看起來沒有用的東西打下的基礎，現在的信息革命是不可能的，我們也不可能成天使用手機、網際網路。

2.信息革命背後的科學——量子力學

第二個是量子力學，沒有量子力學也不可能把晶片做出來，也沒有半導體的概念，也沒有集成電路……有了量子力學才知道這些東西可以來做電路的一些基本元件。量子力學的誕生也是因為大家在做一些非常「無用」的東西，所以很多時候一個突破性的概念的產生，都是因為好奇心，然後當時覺得沒有什麼用，就是好奇就去做。

量子力學發現的英雄們

量子力學有很多英雄，就不一一說了，開始也是不理解一些現象，比如光電效應，黑體輻射，太陽的光譜，與經典物理算起來結果不一樣。當時一些物理學家非常失望，牛頓之後還有波爾茲曼統計物理、熱力學，加上麥克斯韋的電磁理論，物理學家已經覺得物理把整個世界都搞清楚了。現在發現一些東西完全不可理解。在理解這些現象的過程中，誕生了量子力學。量子力學給我們今天的人類文明的很多東西都打下了基礎，包括我們計算機晶片、半導體、雷射、超導，到現在的量子通訊、量子計算等等，所以信息革命後面是非常基本的一些基礎研究，而且這個基礎研究不是由目的性帶來的，它是由好奇心帶來的。

交叉的產物——生命科學的前兩次革命

這第一次生命科學革命不到100年，大約在70年前。當時有一批物理學家、化學家進入到生命科學領域，想搞清楚基因的物質基礎，基因到底是什麼。基因是分子？還是結構？還是什麼東西？這是在思路上帶給生命科學的，第二個是在方法上，把大量的工具帶進生命科學，X射線、核磁共振、電子顯微鏡、離心機等等，這一革命的標誌性的成果就是沃森和克裡克發現了DNA雙螺旋結構，就是用X射線照出來的，沒有X射線他們也發現不了。

第一次生命科學革命以1953年沃森和克裡克發現DNA雙螺旋結構為標誌

第二次生命科學革命大概是上世紀末九十年代開始的基因組學，也就是我們現在說的測序，基因組學是數學和計算機科學與生命科學的交叉。這兩次革命之後，生命科學是什麼狀態呢？為什麼還要有第三次革命呢？假如我們把生命體比作一輛汽車的話，分子生物學革命就把這個汽車零部件搞的越來越清楚了，有方向盤、剎車、油門，就是我們很多基因很多蛋白搞的越來越清楚，蛋白質結構都可以用X射線解出來，長的什麼樣子，我們都知道。基因組學革命就讓我們得到了這個汽車的說明書，就是我們的基因組，所有的信息都在說明書裡邊，但是我們基本上看不懂。大概知道方向盤在第幾頁，這一段基因對應這個蛋白。至於這個汽車是怎麼組裝起來的，為什麼能跑起來，能跑多快，能跑多久，我們不知道。壞了怎麼修，裡邊有哪些原理性東西，哪些是普適的規律，哪些是特殊的，這些基本上都不知道，所以生命科學現在是處在一個大革命的前夜。

美國科學院在2009年出了一部綱領性文件，文件題目叫《二十一世紀的新生物學》。美國科學院認為在二十一世紀會產生全新的生物學，這個全新的生物學就標誌著生命科學的第三次革命。

2009年美國科學院發布的《21世紀的新生物學》

上圖右側是他們總結的圖，它有很多很多的根，生物學只是其中的一部分，物理、化學、計算機、工程、數學甚至包括科學教育。全部在一起交叉融合。新生物學和原生物學有什麼不一樣呢，它可以對生物系統有更深的了解，比如了解汽車它是怎麼跑起來，怎麼裝起來，有什麼控制原理，然後也許就可以預測。生命可以預測太不可思議了，而且可以定量的分析，就像工程一樣。當然就需要把生命系統原理搞清楚，所以生命科學就從一個觀察性定性的科學，到一個定量可預測的科學轉變，這當然肯定會對世界產生很深遠的影響，他們舉了四個方面的例子：健康、環境、能源、食品。

生命科學是不是生命科學本身的事，不是，每個學科都忙活起來了，美國科學院凝聚態與材料物理委員會2010年出了一個報告——《下一個十年的六大挑戰》。這個六個問題有三個和生命科學相關，第三個直接就是「什麼是生命的物理？」。我們知道什麼是行星的物理——牛頓力學；什麼是蒸汽機的物理——熱力學；什麼是通訊的物理——電動力學；什麼是計算機硬體的物理——量子力學；什麼是生命的物理——我不知道。應該有，因為生命現象也是一個自然現象，有自然現象就應該有規律，也許你就可以把它總結出來，物理學家總結出來就叫生命的物理。

生物學和物理學如何交叉？

生物學和物理學好像根本連不上，怎麼可能會交叉呢？更別說融合。生物都是物種、細胞、基因、蛋白，都是很多事實在那，而且很不一樣，都是描述性的觀察性的，要記很多事實。物理是反過來的，就是幾個公式，非常簡單，然後那些事實都不管，都可以在公式裡推出來，一個是極端的觀察性的一個是極端的抽象性的，它們之間怎麼會有關係。

生物學與物理學的兩個極端

1.飛行中的流體力學

舉一些例子，如果把地球上所有帶翅膀的東西找出來，能飛的帶翅膀的，小到蜻蜓大到波音747，然後你畫橫軸是它的質量或者是重量，縱軸是它的飛行速度。

飛行中的規律性

他們都在這條線上，萬變不離其宗，不管是大自然進化出來的還是我們人造的，非常有規律，是不是有點像克卜勒三定律中的一個。單獨每個看它很特殊，但是我們用很簡單的線全連起來。你要能飛的話要有升力，這個升力和翅膀面積成正比，和飛行的速度平方成正比，重量和你的體積成正比，然後面積和體積大概有這樣一個關係，你把這些個方程一連立，你飛的速度必須和重量六分之一成正比，否則你飛不上去，就是非常簡單的一個定律，把所有能飛的東西全部都給統一起來，所有能飛的都必須滿足這規律，無論是人造的還是大自然演化出來的。

2.植物中的數學

植物有很多很漂亮的形狀，不光是植物還有海螺貝殼等等。松子、菠蘿、向日葵，是不是有很多一圈一圈的，一圈一圈可以往一邊轉，可以數這邊轉多少圈那邊轉有多少圈，你數以後發現，對這個向日葵來說往這邊轉的是21個，那邊34個。

植物中的斐波那契數列

松子數一下，菠蘿數一下，就發現幾乎所有的，往兩個方向轉的圈數都是這個序列的相鄰兩個數，5、8、13、21、34等。這個序列是300年前，義大利的數學家斐波那契造出來的，這個序列非常簡單，第一個是1，第二個是1，後邊是前邊兩個的和，1+1=2，1+2=3，3+5=8，5+8=13……。這個序列還有一個神奇的性質，它相鄰兩個數的比值，13：8、21：13、34：21、……，它趨於黃金分割。黃金分割是最漂亮的比例是不是？為什麼這些植物裡邊有這麼漂亮的數學，有一些解釋，我們知道一些，還有一些不知道。

3.細胞中的微分幾何

你們看細胞中一片一片的，叫內質網，內質網是摺疊某些特殊蛋白的。大概在2013年以前，大家都不知道它的結構具體是什麼樣子，到2013年生物學家和物理學家合作，用電子顯微鏡把這個結構解出來了（下圖中）。

細胞中的內質網呈現螺旋面結構

像不像停車場？停車場為什麼要設計成這個樣子呢？因為它要停儘可能多的車，因為它要連通，要能開上去開下來，這個內質網的功能和停車場的功能幾乎一模一樣，要停儘量多的核糖體，把蛋白質摺疊在裡邊，兩層膜中間有一個內部的環境，內部要一樣的環境，它必須連通，停儘量多的核糖體在上面，而且要在三維空間中儘量節省空間，如果你做一個模型優化這些功能上的要求，結果就是這個樣子。數學家在幾百年前就想像出這個東西，叫「螺旋面」(Meusnier, 1776)，是微分幾何的前身。這個數學家想這個螺旋面的時候可沒想這麼多，但是我們造停車場也是按「螺旋面」的設計，細胞進化也是螺旋面的設計。

4. 真菌的槍炮

可以發射孢子的克萊因水玉黴

生命體系非常神奇，進化出了很多東西，它們甚至進化出了槍炮，克萊因水玉黴只有一個毫米這麼大，它可以用火箭一樣的原理把上面的孢子發射到很遠的地方，到2.5米開外，發射的時候加速度和手槍一樣大。

5.鳥群運動的臨界現象

鳥群裡的「臨界現象」

有一些特殊的鳥群，魚群也是這樣經常「跳舞」，它們怎麼能夠跳的這麼好，沒人指揮它們，其實有一個很有意思的統計物理在裡邊，周圍夥伴怎麼做，它也怎麼做，於是就有了整體運動，這個整體運動有很特別的性質，叫作臨界性，對外界來的威脅反映非常快，轉變隊形非常快，有一個老鷹來了鳥群前後都能馬上作出反應，所以這是鳥群裡邊的物理。

生命科學為什麼需要定量？

生物與其他學科的交叉的例子還有很多。下面講一些一般性的東西，生命科學為什麼要定量？其實所有科學我覺得都應該定量。我們先看定量會帶來什麼後果。

定量前和定量後的橋與「奔月」的巨大差異

以前沒有牛頓力學，力學也是不定量的，我們也可以造出很漂亮的橋，比如趙州橋（公元前600年，牛頓前1043年），但是我們肯定造不出杭州灣大橋，因為沒有一些定量的工具和設計這是不可想像的。以前我們也想飛到月亮上去，也許我們的祖先打過許多火箭，往月亮上打，也不知道能不能打上去，也不知道需要打多快。然後定量之後，我們知道第一宇宙速度、第二宇宙速度，火箭要跑多快，就可以變成衛星，再跑多快可以脫離地球，飛向太陽系，所以這是定量前和定量後，完全是兩個概念。

第三次生命科學革命為什麼是現在？

為什麼說現在是第三次生命科學革命的時候呢？一是技術進步，現在技術進步非常快；還有一個是學科交叉。前面我們講過為什麼經歷那麼久，然後在100—150年間就忽然現代科學誕生了。可能生命科學就是這一百多年的時候，可能再過百八十年，生命科學整個改頭換面，會有一個爆發。這個應該是和技術進步與學科交叉緊密連接在一起。最近的諾貝爾化學獎，2000年以來有11次，授予生物學領域，其中5次是因為發展物理、化學和計算方法和技術。錢永健，最近去世了，用螢光蛋白來標記基因，所以基因表達看的非常清楚；計算生物學的諾貝爾獎，用計算機來算蛋白質相互作用，蛋白質的摺疊；還有超高分辨螢光顯微鏡。所以技術進步的非常快。為什麼信息革命在不到一百年變化非常大，大家知道有很大的原因是摩爾斯定律（Moore’s Law），那生物技術是什麼樣的概念呢？舉一個例子，在2001年的時候，人類第一個基因組測出來了，花了一億美元測一個基因組。然後費用就指數型的下降，開始是直線下降，這個是摩爾斯定律，後面比摩爾斯定律還快，每次跳都是技術的進步，現在已經是一千美元以下就可以測一個基因組，可能再過幾年就是一千人民幣，一百人民幣，而且速度也很快，以後你去電影院看電影，進電影院之前取個樣，可能出來時基因組就測出來了，所以技術進步非常快。

技術的進步使得基因測序的花費下降速度超過摩爾定律

還有基因編輯技術、幹細胞技術、各種成像技術、以及將來的腦機接口技術等等都是推動生命科學革命的關鍵新興技術。

對生命現象的研究必將帶動其他學科。我們再看一下這個來自物理學革命的範式：觀測-數據積累→唯象模型→技術進步-精確的數據→定量規律→普適原理→數學語言→應用-改造自然。這個範式同樣可以用到不同的方面，可以用到新生物學，以及對生命現象的理解。

生命科學革命不只是生命科學的事，它對別的學科肯定也有影響。我們說牛頓研究行星運動要找數學語言，於是發明了微積分；香農（編者註：Claude Shannon，資訊理論之父）研究通訊，找信息的數學語言，用了概率論；愛因斯坦研究時空廣義相對論，找數學語言，找到了現成的黎曼幾何。研究大自然的各個領域，有的數學語言數學家已經創造出來了，拿來用就行，有一些是沒有的，需要新的數學。那生命的數學語言是什麼呢？我個人覺得可能還沒找到。處理信息所需的能耗也服從摩爾斯定律，下圖左邊表示的是從1940年到2010年，處理一個比特的信息，將一個1變成一個0需要消耗的能量。我們確實在進步，用的能量越來越少，指數級下降，虛線處是物理極限，不可能用比這更少的能量，按照摩爾斯定律外推，我們現在應該已經到達物理極限了。但事實上是我們離物理極限還很遠，能耗下不去了。那麼生物系統呢？大腸桿菌處理信息的能耗就接近物理極限。所以生物系統裡處理信息的能耗是非常少的，怎麼做到的我們不是很清楚。

生命體系處理信息的能耗接近物理極限

若干年前，IBM做了一個超級計算機和當年美國的兩個冠軍進行百科知識搶答競賽，人類的能耗是20W，我們腦袋就是一個小燈泡就是20W的能耗，這個計算機用的是100千瓦。所以我們是不是可以從生命系統裡學怎麼樣用很低的能耗處理更多的信息，是不是能對信息科學有很大的啟發和借鑑。

總結

技術進步和學科交叉將推動現代生命科學的革命，這次生命科學革命不僅給生命科學本身，還會給其他定量學科的發展帶來機遇和挑戰。生物學也肯定會起質變，從一個定性的學科變成一個定量的學科。