生物學研究的終極目的是什麼?

2020-11-29 澎湃新聞

20世紀50年代,分子生物學研究取得了一系列突破性進展,這和信息科學的誕生在時間上如此巧合,信息科學中使用的一些術語,如程序、編碼等,後來都在遺傳學中利用上了。當前人們似乎認為分子生物學已經到了「最後開花結果」的階段了。須知,分子生物學的真正目的不在於創建能夠在地球上生活的一些新型生命類型,以便為人類提供高質且數量充分的產品;分子生物學的真正目的是要通過基因結構和功能的研究來揭示人類、動植物的生理過程,以及細胞分化,胚胎發育,生長、衰老直至死亡的全過程。就是說,要對生命時間階梯的機理按正確順序進行全方位追蹤。即便生命本身現在仍然是一個奧妙無窮、深不可知的秘密,可人們一旦將他們和分子聯繫,進行綜合分析,那麼就有可能接近其終極秘密了。因此,人們主張先不考慮生命是否已知或未知,我們抄近道,直接來認識生物分子——看來這可能是一條正確的途徑。在進行這類研究時,可以考慮研究分析逐級爬升的生命時間階梯的結構,這樣就能夠認識愈來愈複雜的生命過程。

生物學研究的最終目的,是了解人類自身,弄清楚人類的大腦是如何工作的,把構成自己知覺和個性特徵的物質基礎弄清楚。其實,人類對自己的大腦知道得太少,例如神經解剖還十分粗略,神經生化只有零星資料,更不用說有關信息的貯存、加工、提取等一系列活動的機理了。

過去的200萬年,人腦體積增大了3倍,其中負責計劃、決策的大腦新皮層增大明顯,大腦的信息貯存量卻很難估計。這些問題愈來愈引起人們的重視。其實早在沃森和克裡克發現DNA雙螺旋立體結構模型後,德爾布呂克就曾預言過:「雙螺旋及其功能不僅對遺傳學而且對胚胎學、生理學、進化論甚至哲學都有深刻影響。它對現代人的深遠影響莫過於幾乎人類的一切性狀都可能有部分的遺傳學基礎。這不僅限於各個人的體質,而且還包括智力或行為特徵。遺傳素質對人類非體質性性狀,特別是對智力的影響正是目前爭議最多的生物學與社會學問題。」

2013年,美國還公布了腦科研計劃,以探索人類大腦的工作機制,繪製腦活動全圖,並且最終開發岀針對大腦不治之症的療法,此計劃啟動資金1億美元,可與人類基因組計劃媲美。此項計劃由瑞士洛桑理工學院的亨利·馬克拉姆牽頭,並由87個來自世界各地的研發團體承擔任務。目前中國學者、北京大學生命科學學院原院長饒毅現在的研究領域是「社會行為的分子和細胞機理」。美國有40多所大學、100多個課題組從事這一頗具前瞻性的研究課題,人們對未來充滿好奇。

生物學不僅要研究人的大腦是如何工作的,還要研究人的本質以及他們在宇宙中的地位。當然這還要藉助其他學科,這幾乎將改善人類的生存環境,而且包括人類自身的種種嘗試。這是一項非常危險的活動,但在漫長徵途的苦苦跋涉中,人類無法規避這些活動。那些第一代分子生物學家都早早地轉向神經分子生物學前沿去開拓道路了,隨後進入這一領域的不乏他們的學生或學生的學生。過去物理科學、化學科學和生命科學之間實現過富有成效的互動,使得在分子遺傳學和免疫學的精確知識方面取得突破,即解開分子密碼,今天這種互動在了解人的神經系統方面看來有可能取得相似的突破性進展[152]。神經分子生物學一個最重要的技術發明是光遺傳學,就是用光來操縱分子。我們只要沿著現在的研究思路走下去,做更多的實實在在的研究實驗,就是下一個突破口所在。

恩格斯早就預言過:「終有一天,我們可以用實驗的方法,把思維歸結為腦子裡發生的分子和化學的運動[153]。」恩格斯預言的那一天不就是綜合了各學科、各個領域研究成果的總和嗎?到時候,只需在相應的表格上打幾個鉤就能實現,像組裝電腦那樣方便;研究開發人的大腦潛質,因材施教,推進DNA編輯技術。

人類還可以模擬人類大腦中全部860億個神經元,以及將這些神經元連接起來的100萬個神經突觸的功能,到時候,可以建成一個「即插即用」的大腦,可以把它拆分,找出腦部疾病的原因,也可以藉助機器人技術,開發一系列全新的人工智慧技術,甚至還可以戴上一副虛擬實境眼鏡以體驗「另類大腦」的神奇之處。

我們錯失了前四次科技革命的機遇,但抓住了第五次科技革命的機遇,讓我們偉大的祖國躍升為工業和經濟增長較快的國家。但是,現在面臨第六次科技革命的選擇,而第六次科技革命很可能是在生命科學、物質科學以及與它們交叉的領域出現。第六次科技革命的內容和發展有以下五大學科:

(1)整合與創生生物學,可解釋生命本質;

(2)人格信息包技術,包括人腦的電子備份與虛擬再現;

(3)仿生技術,即人體仿生備份和軀體仿真;

(4)創生技術,包括創造新的生命形態和生命功能;

(5)再生技術,生物體的體內體外再生。

由此可見,上列五大學科在很大程度上都涵蓋了生命科學的內容,正像諾貝爾獎諸多獎項中,生理學或醫學獎固屬生命科學範疇,而化學獎中獲得諾貝爾獎的從1901年以來,截至2018年,共頒發了110次,有180位獲獎者,但其中一半人次是因為生命科學、生物化學的內容而獲得諾貝爾獎的。

老一代分子生物學家,亦即那些用生物學概念來解釋大腸桿菌及噬菌體的一代宗師,他們還有一個共同特點,即都是先用綜合意義上的學說形式,提出自己的概念,在有了實驗數據後,他們的這些概念才會被人們接受,再經過實驗檢驗,但從中仍可能找出有某些片面性或不完善之處,這是一切概念、學說和理論可能都會存在的問題。但是概念也好,學說也好,在歷史發展過程中,或多或少都標上了時空條件限定的烙印。現在這些老一代分子生物學家皆先後作古了,以原核生物作為研究材料的黃金時段,也跟隨他們一起走進歷史。他們的學生或學生的學生認識到,決定大腸桿菌及噬菌體遺傳性狀的基因數目有限,只有將真核類生物的染色體結構和功能一步步地搞清楚了,將基因的結構和功能搞清楚了,才能再來揭示動植物乃至人類的生理過程,以及細胞分化,胚胎發育,生長、衰老直至死亡的全過程。真核生物比原核生物更加複雜,研究難度更大。

以後的科學史學家如何敘說我們今天的生物學呢,他們在研究我們現時的歷史時,在有些事情經過若干年後,他們會從中判斷出我們正在錯過的或被我們低估了的力量傾向和趨勢。愛因斯坦知道牛頓那時尚不知道的一些事兒,今天我們知道愛因斯坦那時尚不知道的一些事兒,明天的人將知道我們現在尚不知道的一些事兒。

對於科學史學家而言,無論修史、治史,還是教史、讀史,倘若大家都抱著實用主義的態度就恐非所宜了。修史、治史、教史和讀史徒知事實,無補於全局。善修、治、教和讀史者,觀既往之得失,以謀將來之進步,於全局有利。在博大精深的科學論說史這類歷史遺產面前,學以致用、引以為鑑,只是研讀科學史的一個方面,而不是全部意義。一個真正的科學史研究者不僅要鑑史,還要鑑人、鑑事、鑑細節。

說到底,就是要鑑出什麼樣的時空條件、什麼樣的知識背景等諸多要素同時被激活、啟動,才能迸發出靈感的火花,讓思維發生質的升華。細碎處的故事、空白處的講述,才能真正反映歷史的原貌。我們站在50年後的今天,追憶50年前的一幕幕情境時,會很自然地與書中那些科學先驅們感同身受:時而為他們與DNA分子僅有半步之距,終因一念之差失之交臂而惋惜;時而又為他們向著DNA分子步步逼近,眼看就要成功而歡呼雀躍。我們在不經意間享受到樂趣,在無意中營養了身心,這未必不是一種讀閱科學史的優雅心態。讀史還可以得到心靈的慰藉,讓心靈充實,不懼黑暗,讓人淡定、獨立。

奧地利著名物理學家馬赫(Mach,E.)通過實驗得出了氣流的速度與聲速的比值,以他的名字命名為馬赫數,以Ma表示,Ma=1126 Km,就是340m/s,汽車跑不了這個速度,大多數情況是用來表示飛行器的飛行速度。用愛因斯坦自己的話說:「馬赫才真正是廣義相對論的先驅。」他早在1872年就曾告誡他的徒子徒孫們,「要尋找啟示,只有一個辦法—— 學習歷史」。他的這套認識論科學哲學思想對當時的科學界一代人產生了巨大影響,例如普朗克、愛因斯坦早年都是馬赫思想的信仰者,約爾丹(Jordan,M.E.C.)、玻爾、海森伯格、薛丁格、泡利等也在不同程度上受到過馬赫思想的影響[86]。時過百餘年,他的這番話對當今的生物學家或許有可能產生更大的影響。

昨天意味著什麼?17世紀有了經典力學,18、19世紀有了電磁學,20 世紀有了相對論、量子力學和DNA雙螺旋結構的建立。如今21世紀可能意味著什麼?或許是生物學世紀?明天又意味著什麼?我們思考過嗎?

摘自《DNA是如何發現的》,吳明 著,清華大學出版社出版

 

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