第1章绪论
创新是国家和民族发展的不竭动力，而与生命科学相结合的新工科是创新突破的蓝海。本章主要介绍生命研究领域的重要性。生命科学在科学界的带头地位，研究前沿以及生命科学与人工智能和机器人的交叉创新。
本章学习要求：
（1）了解生命科学的重要地位。
（2）了解生命科学的前沿领域。
（3）理解生命科学和其他学科的关系。
1.1生命科学地位
在科学发展史上，常常有一门学科在理论观念、思维方式或研究方法上对其他学科发挥重要影响，被誉为“带头学科”。苏联哲学家鲍 米 凯德洛夫（B.M.Kedlov）提出，带头学科具有更替性和加速性的特点。自17世纪以来，科学开始系列革命性飞跃。以蒸汽机为标志的第一次工业革命开启“机器时代”，以电力为标志的第二次工业革命开启“电气时代”，以信息技术为标志的第三次工业革命则开启了“信息时代”，而即将到来的第四次工业革命则是以人工智能、量子信息技术及生物技术等为核心。此过程与经典力学、量子力学、相对论及核物理的理论发展息息相关。因此，物理学是当之无愧的带头学科。
到了21世纪，创新成为核心词汇。我国十九大报告中“创新”是高频词汇之一。
那么创新的疆域在哪里？世界上*复杂、*为扩展人类认知边界的有两种现象，其一是宇宙的深邃，其二是生命系统的奥秘。借助各种宇宙探测机器人，人类逐渐拓展了对宇宙的认知。而地球上生命现象无处不在，形形色色，持续吸引着人类去探索生命的本质。牛顿用数学公式建筑经典物理的大厦，爱因斯坦（Einstein）创立的相对论和普朗克（Plank）创立的量子力学构筑了现代物理学的基础。这些都可以用数学公式去表达和推导。但就我们目前理解的生命现象，却无法用数学公式来表达。因此，生命系统是地球上*复杂的。非生命系统中的规则和原理包含在生命系统之中，而生命系统还有其特有的规则和原理。在对非生命物质的物理研究取得丰硕成果的基础上，人类研究生命活动已是科学发展之必然。与其他自然科学相比，生命科学目前还处在前牛顿时代，试错和经验仍是研究生命科学的主要途径。21世纪，生命科学的蓝海正在向我们敞开，我们的职责就是要跟大自然学习，跟每个生命现象学习，深入挖掘其工作机理，启迪我们的智慧，并在其他自然科学领域开花结果，使生命的神奇力量能够为我们所用。我们为什么要在基础构架上研究生命呢？因为*终所有的努力就在于我们在何种程度上能够重演生命的构建。例如，研发脑机接口，如果我们没有真正理解脑细胞如何工作，又怎么能跟细胞进行通信呢？设计DNA机器人，如何能够利用DNA材料来构建记忆存储体呢？制作忆阻器，如何通过硬件实现神经网络呢？如果我们对生命科学没有一定的认知，对生命活动没有清晰的理解，这些创新工作就无从谈起。
20世纪50年代以后，生命科学文献所占的比例、从事生命科学研究的科学家比例都在迅速增长。生命科学研究领域的Cell成为世界顶尖三大期刊之一，也是评选诺贝尔奖、竞选院士、展示大学和科研机构研究实力的重要依据。生命科学与传统工科相结合形成的新工科也展示出新的魅力。宇宙学、分子生物学、仿生学、机器人、人工智能等当代新兴科学技术，也无一不与生命科学相关。同时，生命科学研究正在进入精神世界，在严格科学实验基础上研究人脑的思维、情感和意识等活动。21世纪的带头学科是什么？毫无疑问就是生命科学。
一、生命科学与其他学科的交叉创新
生命科学需要理解生命与非生命之间的关系问题。这个问题的解释与物理、化学、地质、考古、生物、机器人、人工生命和人工智能等各个学科相关，学科之间的相互交叉也产生了更多引人人胜的探索领域。
二、生命科学与宇宙学
生命科学首先要回答生命从哪里来的问题，而要回答这个问题就必须回答宇宙从哪里来。科学家认为，宇宙现在井然有序的结构是百亿年前的一个奇点不断膨胀的结果。但奇点之前呢？宇宙的未来呢？2018年，人类已经能利用哈勃太空望远镜观测到距离地球大约1.16亿光年的NGC4696星系，*广可观测到15000个星系，为研究宇宙提供丰富的资源。
三、生命科学与仿生学
生命形态的多样性和生命本质的一致性，两者的辩证统一是生物进化的结果。地球生命圈中包含了各种各样的生命形态，甚至每一种生命也能呈现出多样的形态。这些现象对人类而言到底有什么意义呢？如何向生命学习呢？如何更好地仿生？
四、生命科学与学习创新
人类经过长期进化，历经自然竞争和自然选择的道道门槛，*终以学习和创新能力在地球上独领风骚。人类的大脑如何实现学习与创新活动？如何才能更好地学习与创新？生命科学将逐渐解密大脑的神奇。
五、生命科学与人工智能
人的大脑具有记忆、推理、判断、规划、意识和情绪等各种功能，“道法自然”的*高境界是模拟人的大脑。人工智能目前在很多领域取得进展，未来的人工智能会超越人类吗？人工智能的未来在哪里？
六、生命科学与可持续发展
地球上的生物及其生存环境构成了一个巨大的生态系统，被称为生物圈一号。也有人将地球看作生命，提出“盖娅假说”。正是生命长期进化、适应及与环境相互作用，才形成了地球上现有的生态系统。人类也是从这样一个生态系统中进化而来的。人类在创造现代物质文明过程中，对自然进行了掠夺式的开发，同时也严重破坏了地球环境，也为我们的生存发展埋下隐患。因此，“可持续发展理念”引发国际共识并逐渐深入人心。习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会上的报告中指出“人与自然是生命共同体”，提出要“坚持人与自然和谐共生”。
当然，生命科学也如硬币的两面。克隆技术、基因筛选和人工生命的出现向我们展示了生命科学巨大的应用前景，但同时也带来了伦理道德争议问题。生命科学的真谙在于对生命认知的真理性追求，同时要与时俱进地针对新事物开展广泛的讨论，建立合理的生命科学伦理规范。
1.2生命科学前沿
生命科学与我们的认知和生活息息相关。不仅我们的生活环境充满了生命，而且我们人类本身也是一本活生生的生命科学教科书。如今，生命科学的发展速度已经越过一个创新爆发的临界点，其研究领域涌现出越来越多的革命性技术突破。人类的生存方式、发展方式和未来方式都在生命科学的推动下进行着变革。
一、人类生存变革
俗话说“民以食为天”，食物是关系国计民生的首要问题。而自然转基因和人工转基因等技术研究的出发点就是为了解决粮食不足的问题。我国“杂交水稻之父”袁隆平培育的杂交水稻为解决世界粮食短缺问题作出了贡献，被誉为“第二次绿色革命”，给整个人类带来了福音。小麦是我国北方重要的农作物，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞通过将CRISPR/Cas9蛋白和gRNA在体外组装成核糖核蛋白复合体（RNP），再利用基因枪法将CRISPR/Cas9RNP转入小麦细胞中，在两个六倍体小麦品种中分别对两个不同基因tagw2和tagasr7进行了定点编辑，在小麦中建立了全程无外源DNA的基因组编辑体系，*终成功解决了小麦基因编辑的难题。纪实片《超凡未来：你不了解的中国科学故事》中就介绍了高彩霞的故事。
人类发展史也是与疾病的抗争史，人类要战胜疾病才能生存。癌症的根源是体细胞中控制细胞生长与分裂的基因异常表达。控制细胞生长与分裂的基因发生突变可能是随机自发的，更多则是外部环境因子作用的结果。香港科技大学生命科学部梁子宇教授通过对老鼠胚胎干细胞和基因的研究，首次发现将癌症连根拔起的曙光。他也因此荣获裘槎基金会颁发的2017年度“裘槎前瞻科研大奖”。
14世纪，“黑死病”夺走了2500万欧洲人的性命，占当时欧洲总人口的三分之一。随着科技水平的不断发展，人类开始渐渐明白所谓的疾病大多是由病菌或病毒进入人体引起的。因此，研发有效的病毒疫苗是生命科学领域重要研究课题。SARS-CoV-2蛋白相互作用的研究、SARS-CoV-2气溶胶动力学分析、人口流动驱动的COVID-19分布、SARS-CoV-2结合ACE2受体的晶体结构等研究成果纷纷出现在Nature等杂志上。钟南山和李兰娟院士也成为这次世界疫情中的“逆行者”，为人类的生存而奋战。习近平总书记在第七十六届联合国大会上提出“我们要坚持人民至上、生命至上”，代表中国交出一份时代答卷。
二、人类发展变革
人类在发展中对环境的探测能力、对生命的理解能力、自我认知能力和从环境中学习的能力都在持续提升。正是对外星生命的好奇，人类登上月球，探测器登陆火星，哈勃望远镜在宇宙中穿行，各种探测机器人在太阳系探测，这些探测活动为我们更好地理解生命提供了条件。
与此同时，人类也加强了对生命现象的研究与探索。我们不仅对微生物好奇，对丰富多彩的生态系统好奇，也对我们人类本身如何思考创新好奇。人类基于生命特征研究人工生命，基于生物多样性研究仿生机器人，基于人类智能研究人工智能机器人。这些探索活动不断打破人类认知边界，让我们逐渐把握生命的奥秘。
分子生物学是生物学向微观方向的发展，生态学则是生物学向宏观方向的发展。在新的科学技术条件下，其他传统的生物学各分支学科，也逐渐改变了面貌。无论是在理论上还是在应用上，生命科学都在迅猛发展。我国也在积极推进生命科学相关领域的研究。2016年，在北京举办的世界生命科学大会上，13位诺贝尔奖得主、3位世界粮食奖得主、美国科学院院长、英国皇家科学院院长等众多享有国际声誉的顶级科学家参会，共同对生命科学发展中出现的基因编辑、微生物等多项颠覆性新技术进行深人探讨。BioArt编辑部汇集多位国内外专家同行的意见组织评选出了“2016中国生命科学十大进展”，涵盖结构生物学、植物学、免疫学、表观遗传学、干细胞和临床医学等学科。与此同时，新技术与生命科学领域相结合也产生了新的变革。
1.3D打印技术
3D打印为个性化治疗提供了可能。在生物制剂方面，科学家正在探索利用3D打印生产细胞和组织，进而能够使药品和疾病模型在3D打印的组织上进行测试。过去10年中，约有200种为患者患病部位量身打造的3D打印医疗器械获得审批通过。心脏作为“发动机”，是人体*重要的器官之一。它的任何一个部分出现问题，都可能导致生命危险。但心脏移植需要配型成功，并且手术费用高昂。2019年，以色列特拉维夫大学研究人员以病人自身的组织为原材料，通过3D打印方式成功打印出了全球首颗拥有细胞、血管、心室和心房的“完整”心脏，如图1-1所示。它还具备收缩功能，为未来打印可用于移植的心脏提供了可能。
2.基因疗法
基因是生命蓝图，它决定了我们生命健康的内在因素，支持着生命的基本构造和性能。基因测序技术巳在医学和商业领域成熟应用，被广泛应用于个性化医疗、肿瘤和遗传病治疗、微生物治疗、器官移植等方面。基因疗法通过为患者提供定制和有针对性的治疗，或将在生命科学领域掀起颠覆性革命。基因疗法和精准医疗巳经改变了卫生保健领域，并将继续在罕见疾病领域发挥重要作用。
3.人工智能应用于药物研发
越来越多的生物制药企业正在利用人工智能技术简化新药研发的过程。人工智能算法可以分析来自临床试验、健康记录、遗传图谱和临床前期研究的大量数据。
4.认知计算用于提高护理技术
认知计算被运用于改善患者恢复情况。利用运动心率、临床试验及其他来源的大量数据获得新的认知，临床作用得到优化，临床护理人员能够利用认知技术围绕患者需求实现更为完备的护理。
三、人类的未来变革
为了应对人类未来的变革，世界各国纷纷行动起来。2018年，以“科学促进美好生活”为主题的世界生命科学大会在北京召开。400余位国内外生命科学领域顶尖科学家围绕医学与健康、农业与食品安全、环境科学、生物技术与经济、卫生政策等领域，开展高水平学术交流和*新成果展示。会上提出，生命科学是人类的共同事业，各国科学家应增强命运共同体意识，加强国际合作交流，
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